Фотодатчики, применяемые в сканерах

В современных сканерах применяют фотодатчики двух типов: фотоэлектронные умножители — ФЭУ (РМТ — Photomulti Plier Tube) или приборы с зарядовой связью — ПЗС (ССО — Charge-Coupled Device).

Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером Л.А.Кубецким в 1930 г. ФЭУ, изображенный на рис. 6.3, представляет электровакуумный прибор, внутри которо­го расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов из катода. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него свето­вого потока. Вылетающие из катода электроны под действием раз­ности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспе­чивается благодаря тому, что диноды выполнены из материалов, имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между; ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторич­ной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 108. Такое усиление достигается за счет, подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно с помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувстви­тельностью (1 А/лм), а его спектральный диапазон, определяе­мый областью длин волн регистрируемого излучения, соответ­ствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.

Прибор с зарядовой связью — это твердотельный электронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюр­ных фоточувствительных элементов, которые формируют элек­трический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.

Работу ПЗС впервые продемонстрировали В. Бойл и Дж. Смит в 1970 г. Принцип действия ПЗС основан на зависимости прово­димости р—n-перехода полупроводникового диода от его осве­щенности. Устройство и принцип действия ПЗС-линейки показа­ны на рис. 6.4. ПЗС представляет собой полупроводниковый крис­талл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлект­рика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок та­кого конденсатора является поверхность самого кристалла, а дру­гой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм.

К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5 — 10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внут­реннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количе­ство электронов, скапливающихся под чувствительной площад­кой каждого электрода, пропорционально интенсивности свето­вого потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода. Электроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС вы­полнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС-линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую спо­собность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чув­ствительность наблюдается ближе к красной области.