ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/03 G06K9/58 

Изобретение относится к оптоэлектронике, голографии, к оптической обработке и отображению информации и может найти применение в приборах функциональной микроэлектронике, оптических средствах связи, оптических процессорах и пространственно-временных модуляторах света.

Известен преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного электрооптического фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, причем оба слоя диэлектрика выполнены в виде единого сплошного материала [1] Запись изображения производится в слое фотополупроводника посредством генерации носителей зарядов при воздействии на структуру фотоактивного света и при наличии на электродах внешнего питающего напряжения. Регистрируемое изображение в виде зарядового рельефа под действием электрического поля хранится у границ раздела диэлектрик-полупроводник. Воспроизведение записанного изображения осуществляется поляризованным, нейтральным для фотополупроводника светом с помощью линейного электрооптического эффекта.

Недостатком этого устройства являются: низкая чувствительность к свету, разрешающая способность и контрастность из-за растекания фотогенерируемых информационных зарядов как вдоль границ раздела, так и в объеме в результате градиента концентраций; невозможность распознования полутоновых деталей и цветовых оттенков регистрируемых изображений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является преобразователь изображения [2] содержащий последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика в виде сплошного электрооптического жидкого кристалла и выходной прозрачный электрод. В данном устройстве регистрация изображения осуществляется фотогенерацией носителей зарядов в слое фотополупроводника активным для него светом, прошедшим через входной прозрачный электрод и первый слой диэлектрика, при приложении к электродам внешнего напряжения. Растекание информационных зарядов локализуется при их захвате на ловушках в объеме и на поверхности. Регистрируемое изображение хранится в виде зарядового рельефа на границах полупроводник-диэлектрик и частично в объеме полупроводника. При этом пространственное распределение и локальные концентрации фотогенерированных зарядов определяются распределением яркостных градаций исходного изображения. Считывание записанного изображения (его воспроизведение) осуществляется нейтральным для полупроводника светом за счет электрооптических эффектов во втором диэлектрическом модулирующем слое жидкого кристалла.

Недостатком этого устройства являются: низкая чувствительность к свету, малый динамический диапазон контраста и низкая разрешающая способность воспроизводимого изображения; невозможность распознавания полутоновых деталей и цветовых оттенков регистрируемых изображений вследствие высокой крутизны пороговой вольт-контрастной характеристики (форма кривой близка к функции Хевисайта) жидкого кристалла. В результате имеет место "оконтуривание" и искажение изображения. Более того, из-за упругой деформации сплошного слоя жидкого кристалла и гидродинамического взаимовлияния (текучести и вязкости) соседних молекул и размерной неустойчивости модулирующих областей, образованных из этих молекул, незначительное уменьшение пороговой характеристики приводит к увеличению динамических флуктуаций и размыванию границ модулирующих областей, а следовательно, к снижению разрешающей способности и контраста воспроизводимого изображения. Полностью исключить гидродинамику взаимовлияния и размерную неустойчивость модулирующих областей в сплошном жидкокристаллическом слое невозможно.

Технической задачей изобретения является расширение динамического диапазона контраста и цветовых тональностей и повышение разрешающей способности преобразуемого изображения.

Это достигается благодаря тому, что в преобразователе изображения, содержащем последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, в слое первого диэлектрика выполнена матрица отверстий, заполненных материалом одинаковых светофильтров, а в слое второго диэлектрика выполнена матрица отверстий, заполненных электрооптическим материалом, при этом отверстия матриц планарно совмещены, а диэлектрические постоянные первого и второго диэлектрических слоев меньше, чем материала светофильтров электрооптического материала; в первом и втором слоях диэлектрика обе матрицы могут быть выполнены в виде мозаики периодически заполненных отверстий материалом разных светофильтров и, соответственно электрооптическим материалом периодически содержащем дихроические красители того же спектрального состава, что и светофильтры в слое первого диэлектрика, при этом отверстия обеих матриц, заполненных материалами с одинаковыми спектральными характеристиками планарно совмещены или каждая совокупность разных светофильтров в слое первого диэлектрика планарно совмещена с каждым отверстием матрицы во втором слое диэлектрика; второй диэлектрический слой выполнен из материала, поглощающего свет в синей или в желтой области спектра.

На фиг. 1, 2 и 3 представлен преобразователь изображения и варианты его выполнения. 1 записывающий свет I₀ спектрального состава Δλ₁; 2 - транспарант; 3 записывающий свет ΔI₀ прошедший через транспарант; 4 - поляризатор; 5 считывающий свет I спектрального состава Δλ₂; 6 прозрачный входной электрод; 7 первый слой диэлектрика со светофильтрами 8 (одинакового или разного спектрального состава); 9 высокоомный фотополупроводник; 10 - концентрации генерированных информационных носителей заряда; 11 второй слой диэлектрика с отверстиями, заполненными электрооптическим материалом 12; 13 - прозрачный выходной электрод; 14 анализатор; 15 промодулированный считывающий свет ΔI; 16 источник внешнего напряжения; 17 совокупность разных светофильтров (элемент мозаики); 18 элемент преобразователя.

Преобразователь изображения работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии записывающего света Δλ₁ 1 напряжения 16 с U_пит≠0, приложенное к устройству, распределено на слоях 7, 9 и 11 обратнопропорционально их емкостям. Планарные размеры светофильтров 8 в первом слое диэлектрика с одной стороны фотополупроводника и отверстий, заполненных электрооптическим материалом, во втором слое диэлектрика (элемент отображения) 12 с другой стороны, образуют элемент преобразователя 18. Матрицы отверстий 7 и 11, заполненных, соответственно, светофильтрами 8 и электрооптическим материалом 12, в совокупности образуют матрицу элементов преобразователя, которая дискретизирует в пространстве фотополупроводника зарядовый рельеф. Поскольку диэлектрическая проницаемость ε₇ материала первого диэлектрика проницаемости ε₈ светофильтров 8, а ε₁₁ второго диэлектрика 11 меньше ε₁₂ электрического материала 12, то наличие разности в диэлектрических постоянных приводит к пространственно неоднородному по границам раздела фотополупроводник-диэлектрик распределению напряженности электрического поля. В приграничных областях фотополупроводник первый диэлектрик и фотополупроводник второй диэлектрик образуются эквипотенциальные поверхности в виде матричного рельефа (потенциальный матричный рельеф состоит из одноименных, но периодически неоднородных по плотности зарядов с одной стороны фотополупроводника, и из аналогичных, но противоположных по знаку, с другой стороны). В приповерхностных областях фотополупроводника на участках под светофильтрами 8 в первом слое диэлектрика и под элементами 12 второго слоя диэлектрика плотность и концентрация зарядов больше, чем на участках между краями соседних элементов светофильтров, т. к. ε₈ > ε₇ и ε₁₂ > ε₁₁. Размеры областей матричного рельефа, плотности и концентрации зарядов на каждой стороне фотополупроводника одинаковы и определяются конфигурацией отверстий в слоях первого и второго диэлектрика и электрическими параметрами материалов. Поскольку элемент преобразователя 18 (фиг. 2 и 3) образован планарным совмещением светофильтров 8 и элементов 12, то эквипотенциальный рельеф удваивается, увеличивая плотность электрического тока между противоположными по знаку локальными областями с повышенными концентрациями и плотностями нескомпенсированных зарядов. Это усиливает перераспределение электрического поля на элемент 12 до уровня предпороговых значений электрооптических (модуляционных) характеристик электрооптического (жидкого) кристалла без увеличения внешнего напряжения питания. Поэтому для переключения элемента 12 потребуется значительно меньшая концентрация фотогенерированных информационных зарядов. Следовательно, повышается чувствительность к записывающему свету, так как для образования канала проводимости в фотополупроводнике между светофильтром 8 и элементом 12 достаточно меньшей концентрации фотогенерированных информационных зарядов, а следовательно, меньшей интенсивности записывающего света. Запись изображения транспаранта 2, пространственно модулирующего записывающий свет ΔI₀ 3, осуществляется активным для фоточувствительного полупроводника 9 светом спектрального состава Δλ₁ со стороны слоя первого диэлектрика 7, при приложенном к преобразователю внешнем напряжении питания 16. Записывающий свет проходит через поляризатор, одновременно служащий светоделительным элементом 4, входной прозрачный электрод 6 и достигает слоя первого диэлектрика 7. Поскольку коэффициенты преломления материала 7 (n₇) и материала светофильтров 8 (n₈) удовлетворяют неравенству n₈ > n₇, то записывающий свет проходит сквозь первый диэлектрик только через светофильтры и попадает на участки поверхности фотополупроводника, находящиеся только под светофильтрами. Под действием записывающего света в фотополупроводнике 9 под светофильтрами 8 в элементе преобразователя 18 происходит фотогенерация носителей заряда. Их концентрация в каждой точке поверхности фотополупроводника определяется распределением интенсивности записывающего света ΔI₀ 3, прошедшего через транспарант, т. е. распределением интенсивности записывающего света, распространяющегося через светофильтры 8. Под действием внешнего электрического поля фотогенерированные электроны движутся в направлении максимума концентрации положительного некомпенсированного исходного заряда с одной стороны полупроводника, дырки в направлении максимума концентрации отрицательного исходного заряда стороны полупроводника. При этом фотогенерированные заряды распределяются на ловушках, концентрируются у границ раздела полупроводник диэлектрические слои под светофильтрами 8 и элементами 12. В пространстве фотополупроводника в элементах преобразователя образуются области пространственного информационного заряда 10. Поскольку концентрации фотогенерированных информационных зарядов по площади фотополупроводника различны (определяются распределением интенсивности ΔI₀ 3), то из-за возникающих градиентов концентраций они стремятся диффундировать из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией, из дискретных объемов элементов преобразователя во все стороны вдоль границ разделов приповерхностных областей фотополупроводника на участках между светофильтрами 8 и между элементами 12, снижая контраст и разрешающую способность. Однако, в заявляемом преобразователе изображения этому растеканию информационных зарядов препятствует несколько причин. Во-первых, фотогенерация информационных зарядов происходит только под светофильтрами. Во-вторых, наличие с обеих сторон полупроводника высоких концентраций нескомпенсированных исходных зарядов противоположной полярности образует направленное движение фотогенерированных информационных зарядов нормально поверхностям. В третьих, диффундируемые заряды захватываются на ловушки в объеме между элементами преобразования и на поверхности между светофильтрами 8 и элементами 12, поскольку концентрация этих ловушек в используемых фотополупроводниках велика. Таким образом, под действием направленного распространения информационных фотогенерированных зарядов в дискретном объеме полупроводника (элементе преобразователя) и локализации растекания диффундируемых зарядов имеет место точечное в фокальной плоскости перераспределение электрического поля между слоями 7,9 и 11, т.е. планарно сконцентрированное направленное распределение заряда 10 между элементами 8 и 12.

Для дискретного разложения спектра записывающего света ΔI₀ в первом слое диэлектрика 7 светофильтры 8 (фиг. 2) выполнены из периодически чередующихся материалов разных спектров пропускания. Цветные светофильтры имеют различные коэффициенты пропускания записывающего света. Одинаковая цветовая насыщенность (интенсивность спектрально-однородного записывающего света) падающая на поверхность слоя первого диэлектрика на выходе под светофильтрами с разными спектрами пропускания имеет разную интенсивность света. Под каждым светофильтром в локальном объеме фотополупроводника происходит генерация зарядов, концентрации которых определяются распределением интенсивности света, соответствующем спектрам пропускания светофильтров. При этом, каждый светофильтр (как и светофильтр 8 в слое 7 на фиг.1) планарно совмещен с каждым элементом отображения 12. В этом случае любой светофильтр не зависимо от других создает зарядовый рельеф в "основном цвете", который, как и на фиг.1, приводит к точечному перераспределению напряженности электрического поля между локальной областью пространственного заряда в полупроводнике и элементом отображения 12.

Аналогичное вышеописанному преобразование изображения осуществляется в устройстве, представленном на фиг.3. Разница в том, что дискретное разложение спектра записывающего света осуществляется не дискретными светофильтрами, а планарной совокупностью периодически расположенных цветных фильтров с разными пропусканиями, образующей элементы мозаики 17 (фиг.3). Каждый элемент мозаики содержит набор разных светофильтров (цветов), количество которых может быть любым. Поскольку элемент преобразователя 18 образован элементом мозаики 17 со стороны записывающего света и планарно совмещенным с ним элементом 12 с другой стороны, то путем фильтрации наборами разных светофильтров в пределах каждого элемента мозаики формируется суммарный "аддитивный" зарядовый рельеф с соответствующим интегральным распределением плотностей носителей заряда в сечении. Это приводит к неоднородному распределению электрического поля в пределах сечения элемента преобразования 18 и, соответственно, к неоднородному распределению поля площади элемента отображения 12.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим поляризованным нейтральным для высокоомного фотополупроводника 9 светом 5 со спектром Δλ₂ падающим со стороны первого слоя диэлектрика 7 (режим работы "На просвет"). Считывающий свет 5 проходит через поляризатор 4, входной прозрачный электрод 6, слой первого диэлектрика 7, слой фотопроводника 9 без генерации в нем носителей заряда, второй слой диэлектрика 11 с элементами отображения 12 и выходной прозрачный электрод 13. На выходе каждого отображения 12 считывающий свет промодулирован по фазе за счет электрооптического эффекта в соответствии с распределением напряженностей электрического поля на каждом элементе отображения, соответствующим распределению концентраций фотогенерированных информационных носителей заряда. Модуляция считывающего света I по фазе с помощью анализатора 14 преобразуется в модуляцию по интенсивности ΔI 15. Преобразованное изображение транспаранта 2 передается в дальнейшие каналы его обработки.

Поскольку модулирующий слой выполнен в виде дискретных элементов отображения 12, образованных во втором слое диэлектрика 11 в виде матрицы отверстий, заполненных электрооптическим жидким кристаллом, то полностью исключаются гидродинамические взаимовлияния между соседними модулирующими элементами и размерная неустойчивость модулирующих областей, т.к. размеры их строго ограничены размерами отверстий матрицы. Дискретизации элементов отображения позволяет использовать жидкие кристаллы с пологой пороговой вольт-контрастной характеристикой. Так как динамический диапазон контраста определяется числом различимых уровней яркости в изображении, то способность преобразователей передавать полутоновые изображения характеризуются количеством передаваемых градаций по шкале серости с шагом ΔlgI 0,15 (I - интенсивность промодулированного света). Количество передаваемых полутонов N определяется из вольт-контрастной (модуляционной) характеристики по уравнению N = (lgI^0,9 - lgI^0,1)/ΔlgI где I^0,9 и I^0,1 интенсивности считывающего излучения по уровням 0,1 и 0,9 от максимального значения (см. Луизов А.В. Количественная оценка зрительного восприятия// Успехи научной фотографии. 1985. т.XXII, c. 62-65.). Электрооптические параметры жидких кристаллов характеризуются квадратичным электрооптическим эффектом. Пороговые значения напряжения переключения структур жидкого кристалла U_n составляет единицы Вольт, а напряжения насыщения U_н составляют величины с разницей в несколько единиц процентов от пороговых значений. Между локальной областью пространственного заряда в полупроводнике и элементом отображения модулирующего слоя происходит точечное перераспределение напряженности электрического поля, что исключает диффузию фотогенерированных информационных зарядов из соседних дискретных областей пространственного заряда. Так как собственные растекающиеся фотогенерированные заряды локализуются на нескомпенсированных исходных зарядах у поверхностей фотополупроводника и на ловушках в его объеме за пределами элемента преобразования, то рабочие напряжения U_р=U_н-U_п на характеристическом участке вольт-контрастной кривой квазилинейно пропорциональны квантовому выходу (фотогенерации электронно-дырочных пар). Это также увеличивает динамический диапазон контраста считывающего света.

Выполнение каждого элемента отображения 12 с периодически повторяющимся в определенной последовательности дихроическим красителем соответствующего спектрального состава так, что светофильтры и элементы отображения с одинаковыми спектральными характеристиками планарно совмещены (фиг.2), позволяет в точности воспроизводить исходное изображение. Поскольку под каждым светофильтром в локальном объеме полупроводника происходит генерация зарядов, концентрации которых определяются распределением интенсивности света, соответствующему спектрам пропускания светофильтров и насыщенности, то любой светофильтр независимо от других будет создавать зарядовый рельеф в "основном цвете". Этот рельеф приводит к точечному распределению напряженности электрического поля между локальной областью пространственного заряда в полупроводнике и элементом отображения модулирующего слоя. На выходе определенная совокупность промодулированных интенсивностей несколькими элементами отображения воспроизводится как суммарная интенсивность. Такое дискретное преобразование зарядового рельефа в спектр разных дихроических красителей при считывании поляризованным светом, нейтральным для фотополупроводника, при работе в режиме "На просвет" на выходе устройства формирует монохромное изображение с большим тональным интервалом. При работе такого преобразователя в режиме "На отражение" при считывании белым светом (широким спектром) на выходе устройства будет формироваться цветное изображение, соответствующего исходному.

Дискретное разложение спектра записывающего света путем фильтрации наборами светофильтров в пределах каждого элемента мозаики 17 формируют суммарный "аддитивный" зарядовый рельеф с соответствующим распределением плотностей зарядов в сечении. Поскольку локальный объем полупроводника (элемент преобразования) образован элементом мозаики со стороны записывающего света и планарно совмещенным с ним элементом отображения 12 с другой стороны, то соответствующее распределение плотностей зарядов в сечении локальной области зарядового рельефа вызывает неоднородное перераспределение напряженности электрического поля в пределах элемента отображения. Благодаря этому каждый элемент отображения 12 осуществляет в пределах своих планарных (по площади) размеров интегральную модуляцию считывающего света, при которой динамический диапазон яркостных градаций воспроизводимого изображения определяется набором светофильтров в элементе мозаики, то есть суммарной энергией и взаимным соотношением составляющих яркости, цветовой насыщенности и тональности исходного изображения. При этом преобладание какого-либо цвета в регистрируемом изображении будет преобразовываться в соответствующее распределение плотностей зарядов в сечении зарядового рельефа и воспроизводится элементом отображения с соответствующим контрастом (эффект переменной контрастности). Это позволяет набором светофильтров, число которых в элементе мозаики может изменяться, значительно расширить тональный интервал воспроизводимого изображения.

Контраст изображения усиливается, если второй слой диэлектрика выполнен из светопоглощающего материала в синей области спектра, поскольку синий цвет является субтрактивным по отношению к красному считывающему свету, нейтральному для фотополупроводника. При попадании считывающего красного света на участки между элементами отображения модулирующей матрицы происходит дополнительное его поглощение. При работе устройства, выполненного в виде варианта на фиг.2, в режиме "На отражение" наилучший контраст достигается при выполнении второго слоя диэлектрика из материала, отражающего свет в желтой области спектра, т.к. желтый фон (цвет) занимает среднее по отношению к оставшимся цветам положение на функции спектральной видимости.

Преимущество заявляемого преобразования изображений по сравнению с прототипом заключается в следующем. Выполнение второго слоя диэлектрика 11 в виде дискретных элементов отображения 12 с поглощением в синей области спектра, в виде матрицы отверстий, заполненных электрическим жидким кристаллом, при этом диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла больше, чем материала диэлектрического слоя, а каждый элемент отображения планарно совмещен с каждым светофильтром или элементом мозаики в первом слое диэлектрика, приводит к оптико-матричной адресации: дискретно-пространственного (точечного), -тонального и -спектрального разложения исходного изображения при его регистрации и дискретного преобразования зарядового рельефа матрицей элементов отображения при воспроизведении изображения. Следовательно, использование жидкого кристалла с пологой пороговой вольт-контрастной характеристикой позволяет расширить динамические диапазоны контрастности и цветовой тональности воспроизводимого изображения. Локализация пространственного объема фотополупроводника повышает пороговую чувствительность и разрешающую способность.

С помощью методов фотолитографии могут быть изготовлены дискретные отверстия размером до 1 мкм. Тогда разрешающая способность будет достигать 500 мм^-1. При использовании в элементе мозаики трех цветофильтров разрешающая способность достигает 250 мм^-1. Количество светофильтров в совокупности будет определять динамический интервал градаций яркостей воспроизводимого изображения по степени контрастности: чем больше цветофильтров, тем "мягче" контраст, тем большая передача полутоновых деталей.

Изобретение относится к оптоэлектронике и может найти применение в оптических средствах связи, обработки и отображения информации. Сущность изобретения: в преобразователе изображения, содержащем последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, в слоях первого и второго диэлектрика выполнены матрицы отверстий, заполненные, соответственно, материалом светофильтров и электрооптическим материалом, при этом отверстия обеих матриц планарно совмещены, а диэлектрические постоянные первого и второго диэлектрических слоев меньше, чем материала светофильтров и электрооптического материала. 3 с. и 1 з.п., ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, отличающийся тем, что в слое первого диэлектрика выполнена матрица отверстий, заполненных материалом одинаковых светофильтров, в слое второго диэлектрика выполнена матрица отверстий, заполненных электрооптическим материалом, отверстия обеих матриц планарно совмещены, а диэлектрические постоянные первого и второго диэлектрических слоев меньше, чем материалов светофильтров и электрооптического материала. 2. Преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, отличающийся тем, что в первом слое диэлектрика выполнена матрица отверстий, периодически заполненных материалом разных светофильтров, а в слое второго диэлектрика выполнена матрица отверстий, заполненных электрооптическим материалом с периодически повторяющимися дихроическими красителями того же спектрального состава, что и светофильтры в слое первого диэлектрика, при этом отверстия обеих матриц, заполненных материалами с одинаковыми спектральным характеристиками, планарно совмещены. 3. Преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения светового сигнала входной прозрачный электрод, первый слой диэлектрика, слой высокоомного фотополупроводника, второй слой диэлектрика и выходной прозрачный электрод, отличающийся тем, что в первом слое диэлектрика выполнена матрица отверстий, периодически заполненных материалом разных светофильтров, причем каждая совокупность разных светофильтров планарно совмещена с каждым отверстием матрицы во втором слое диэлектрика. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что второй слой диэлектрика выполнен из материала, поглощающего свет в синей или в желтой области спектра.