ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может найти применение в устройствах обработки оптической информации и вычислительной технике.

Известен преобразователь изображения, выполненный в виде структуры: входной прозрачный проводящий электрод-диэлектрик-фоточувствительный полупроводник с электрооптическим эффектом- диэлектрик-выходной прозрачный проводящий электрод, электрически соединенной с высоковольтным блоком питания (патент США N 3517206, опубл. 1970). Принцип действия устройства основан на преобразовании оптического излучения в электростатический зарядовый рельеф на границе раздела полупроводник-диэлектрик с последующим преобразованием его в видимое изображение с помощью поляризованного видимого света за счет электрооптического эффекта в полупроводнике.

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность и малая яркость изображения, особенно при малых уровнях записывающей засветки и отсутствие возможности их регулирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь изображения, содержащий входной прозрачный проводящий электрод, фоточувствительный полупроводник, интерференционный фильтр, электрооптический (жидкий) кристалл, выходной прозрачный проводящий электрод, электрически соединенный с источником питания (сборник Пространственные модуляторы света, под ред. С.Б.Гуревича, Л. Наука,1977, с. 74-80). Принцип действия этого устройства основан на регистрации изображения с помощью фоточувствительного полупроводника и преобразовании его в видимое с помощью электрооптического (жидкого) кристалла.

К его недостаткам относится довольно низкая чувствительность и малая яркость регистрируемого изображения при малых уровнях записывающей засветки и отсутствие возможности их усиления. Изменение падения напряжения на жидком кристалле при засветке соответствует уменьшению падения напряжения на полупроводнике, а так как при малых уровнях освещения изменение напряжения на полупроводнике невелико, то и равное ему приращение напряжения на слое жидкого кристалла так же мало, поэтому модуляция считывающего света, а, следовательно, и регистрация изображения либо будет отсутствовать, либо проявляется очень слабо. Без изменения режима работы структуры отсутствует возможность усиления яркости регистрируемого изображения.

Целью изобретения является повышение чувствительности и усиление яркости преобразователя изображения.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь изображения, содержащий входной прозрачный проводящий электрод, фоточувствительный полупроводник, интерференционный фильтр, электрооптический кристалл, выходной прозрачный проводящий электрод между фоточувствительным полупроводником и интерференционным фильтром введен активный высокоомный резистивный слой, обладающий вольт-амперной характеристикой с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Кроме того, для регулирования диапазона изменения чувствительности и яркости регистрируемого изображения в высокоомный резистивный слой введен тонкопленочный подогреватель.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя изображения; на фиг.2 его эквивалентная схема; на фиг.3 вольт-амперная характеристика активного высокоомного резистивного слоя.

Преобразователь изображения (фиг.1) содержит записывающий свет с длиной волны λ₁ 1, транспарант 2, прозрачные проводящие электроды 3, фоточувствительный полупроводник 4, высокоомный активный резистивный слой 5, тонкопленочный подогреватель 6, интерференционный фильтр 7, электрооптический кристалл 8, считывающий свет 9, светоделительный элемент 10, анализатор 11, источник питания 12.

При приложении напряжения U_o 12 к токовой структуре (фиг.1) оно падает на слоях полупроводника 4 U_ф, электрооптического кристалла 8 U_э, резистивном 5 U_p U_ф > U_э (падение напряжения на других элементах структуры пренебрежимо мало). На основе эквивалентной схемы преобразователя изображения (фиг.2) U_o определится в виде:
U_o U_ф + U_э + U_p I(R_ф + R_э + R_p) (1)
где I протекающий ток. При этом падение напряжения на резистивном слое U_p путем подбора его конструктивных параметров и величиной внешнего напряжения U_o задается на II участке вольт-амперной характеристики (фиг.3) в рабочей точке А (U_p U_a).

Запись изображения осуществляется активным для фоточувствительного полупроводника 4 светом 1 с длиной волны λ₁ при его прохождении через транспарант 2, входной полупрозрачный проводящий электрод 3 (фиг.1) за счет генерации в материале 4 электронно-дырочных пар в соответствии с прозрачностью транспаранта. Это приводит к снижению сопротивления слоя полупроводника на dR_ф и уменьшению падения напряжения на полупроводнике dU_ф.

С другой стороны, уменьшение R_ф при действии записывающей подсветки приводит к увеличению тока I через структуру и сдвигу рабочей точки на ВАХ активного резистивного слоя 5 в точку В (фиг.3). Это вызывает уменьшение напряжения на этом слое на величину dU_p и его приложению так же к соответствующим точкам электрооптического кристалла 8. Таким образом, в местах действия записывающей подсветки на фоточувствительный полупроводник увеличение напряжения на электрооптическом кристалле связано не только с уменьшением напряжения на полупроводнике 4, но и со снижением падения напряжения на активном высокоомном резистивном слое из-за смещения рабочей точки на участке ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Приращение напряжения на слое электрооптического кристалла dU_э за счет изменения напряжений на других слоях в преобразователе изображения при действии засветки характеризует его чувствительность к излучению. Увеличение чувствительности преобразователя при введении активного высокоомного резистивного слоя 5 по сравнению с устройством, в котором эти слои отсутствовали, выразим коэффициентом γ соответствующим отношению приращений напряжений на электрическом кристалле 8 для этих случаев:

где dU_эо приращение напряжения на электрооптическом кристалле для одинаковой подсветки при отсутствии в преобразователе изображения активного высокоомного резистивного слоя.

На основе (1) приращение напряжения на электрооптическом кристалле в преобразователе изображения при наличии активного высокоомного резистивного слоя записывается как (см.приложение):

где (r отрицательное дифференциальное сопротивление на линейной части участка II ВАХ (фиг.3), а без него (R_p=0, r 0) в виде:

Тогда, согласно (2), коэффициент γ определится:

Увеличение чувствительности преобразователя изображения при введении активного высокоомного резистивного слоя по сравнению с прототипом выражается условием: γ > 1. Положив R_р/(R_э+R_ф)=n, получим

т. е. чувствительность преобразователя изображения растет с увеличением отрицательного дифференциального сопротивления r. Однако, при r=R_э+R_ф=R_p/n коэффициент γ равен бесконечности, что отражает возможность возникновения незатухающих колебаний тока в цепи преобразователя изображения.

Для устранения самовозбуждения необходимо, чтобы

а в частном случае при R_p=R_ф+R_э:0,5R_p < r < R_p.

Увеличение чувствительности преобразователя изображения с введенным активным резистивным слоем по сравнению с устройством при отсутствии этого слоя проявляется в усилении яркости регистрируемого изображения при одинаковой интенсивности записывающего света или в возможности регистрации изображения при более низких интенсивностях подсветки.

Введение в активный высокоомный резистивный слой 5 тонкопленочного подогревателя 6 позволяет изменением температуры регулировать величины R_р и r за счет изменения наклона ВАХ в области отрицательного дифференциального сопротивления, а, следовательно, и чувствительность преобразователя изображения при заданных конструктивных параметрах слоев полупроводника 4 и электрооптического кристалла 8.

Считывание записанного изображения осуществляется поляризованным видимым светом 9 с длиной волны λ₂ проходящим через светоделительный элемент 10, выходной полупрозрачный проводящий электрод 3 и электрооптический кристалл 8, который, отражаясь от поверхности интерференционного фильтра 7, поступает на выход преобразователя изображения. Проходя далее через анализатор 11, распределение по поляризации на выходе структуры преобразуется в распределение интенсивностей считывающего света, обеспечивая визуализацию записанного изображения.

Таким образом, введение активного высокоомного резистивного слоя, имеющего вольт-амперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления приводит к увеличению чувствительности устройства, особенно при низких интенсивностях света, что позволяет проводить регистрацию изображения при более низких по сравнению со случаем отсутствия этого слоя, интенсивностях света. Так, например, для случая R_p=R_э+R_ф выбор материала резистивного слоя с r 0,9 R_p согласно (5) увеличивает чувствительность в 5 раз, а при r 0,96 R_p в 12 раз. Вводя активный высокоомный резистивный слой с отрицательным дифференциальным сопротивлением r _→ R_p, можно увеличивать чувствительность и яркость регистрируемого изображения в 100 и более раз. Изменяя температуру резистивного слоя с помощью подогревателя, можно для конкретной структуры изменять диапазон яркости и чувствительности.

Использование: преобразователь изображения относится к оптоэлектронике, служит для обработки оптической информации и может быть использован в вычислительной технике в качестве оптически управляемых устройств ввода информации в ЭВМ. Сущность изобретения: в преобразователе изображения, содержащем входной прозрачный проводящий электрод, фоточувствительный полупроводник, интерференционный фильтр, электрооптический кристалл и выходной прозрачный проводящий электрод, введен активный высокоомный резистивный слой, обладающий вольт-амперной характеристикой с отрицательным дифференциальным сопротивлением и размещенный между фоточувствительным полупроводником и интерференционным фильтром, а в активный высокоомный резистивный слой введен тонкопленочный подогреватель. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь изображения, содержащий входной прозрачный проводящий электрод, фоточувствительный полупроводник, интерференционный фильтр, электрооптический кристалл, выходной прозрачный проводящий электрод, отличающийся тем, что в него введен активный высокоомный резистивный слой с отрицательным дифференциальным сопротивлением между фоточувствительным полупроводником и интерференционным фильтром. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в активный высокоомный резистивный слой введен тонкопленочный подогреватель.