ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G02F1/135 G06K9/20 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может найти применение в устройствах обработки оптической информации.

Известно устройство, содержащее расположенные последовательно по направлению распространения оптического сигнала входной прозрачный проводящий электрод, первый слой диэлектрика, высокоомный фоточувствительный полупроводник, обладающий линейным электрооптическим эффектом, второй слой диэлектрика, выходной прозрачный проводящий электрод [1].

Запись изображения в этом устройстве осуществляется при воздействии света, к которому чувствителен высокоомный фоточувствительный полупроводник, через входной прозрачный проводящий электрод при приложении к электродам внешнего напряжения. Регистрируемое изображение хранится в виде зарядового рельефа на границах раздела полупроводник-диэлектрик. Считывание записанного изображения проводится поляризованным нейтральным для полупроводника светом в режиме "на просвет" за счет линейного электрооптического эффекта в фоточувствительном полупроводнике. Стирание предыдущего кадра изображения для записи последующего при регистрации динамических изображений осуществляется воздействием равномерной интенсивной импульсной активной засветки на рабочую площадь полупроводника при закороченных электродах.

Недостатком этого устройства является низкая энергетическая чувствительность из-за высоких полуволновых напряжений в используемых в настоящее время фоточувствительных электрооптических кристаллах (например, в кристаллах типа силленита они составляют 5-6 кВ).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее расположенные последовательно по направлению распространения оптического сигнала входной прозрачный проводящий электрод, слой диэлектрика, фоточувствительный высокоомный полупроводник, диэлектрическое селективное зеркало, слой жидкого кристалла, выходной прозрачный проводящий электрод и прозрачную основу [2].

В этом устройстве запись оптической информации в виде зарядового рельефа осуществляется при засветке полупроводника со стороны входного прозрачного проводящего электрода, а ее воспроизведение - с помощью поляризованного света со стороны выходного прозрачного проводящего электрода. Считывающий свет проходит через прозрачную основу, выходной прозрачный проводящий электрод, слой жидкого кристалла и, отражаясь от диэлектрического селективного зеркала, выходит из преобразователя изображения снова через выходной прозрачный проводящий электрод. Диэлектрическое селективное зеркало, расположенное между полупроводником и жидким кристаллом (модулирующая среда), обеспечивает максимальное отражение считывающего света от его поверхности со стороны жидкого кристалла, исключает проникновение записывающего света на выход преобразователя изображения.

Недостатком этого устройства является малая энергетическая чувствительность. Диэлектрическое селективное зеркало входит в активную часть преобразователя изображения. В этом случае при регистрации динамических изображений устройство будет регистрировать световые импульсы длительностью t_и<< τ_ф <T (T - длительность регистрируемого кадра изображения; τ_ф - постоянная времени преобразователя изображения при засветке полупроводника, составляющая при использовании кристаллов типа силленита для типичных значений сопротивления и емкости полупроводника, емкостей жидкого кристалла и диэлектрического селективного зеркала в зависимости от уровня освещения десятки миллисекунд [3] . Поэтому энергетическая чувствительность преобразователя изображения при наличии диэлектрического селективного зеркала, определяемая произведением интенсивности записывающего света на длительность его импульса, значительно ниже, чем при его отсутствии. К тому же, в случае равенства емкостей слоев диэлектрического селективного зеркала C_дэ и жидкого кристалла C_ж (C_дэ ≈ C_ж) при перераспределении напряжения с полупроводника на жидкий кристалл во время записи изображения половина его будет падать на диэлектрическом зеркале, что также приведет к снижению модуляции считывающего света, а следовательно, и энергетической чувствительности устройства.

Для устранения этих недостатков в преобразователе изображения, содержащем расположенные последовательно по направлению распространения оптического сигнала входной прозрачный проводящий электрод, слой высокоомного фоточувствительного полупроводника, выходной прозрачный проводящий электрод, а также слой диэлектрика, диэлектрическое селективное зеркало, слой жидкого кристалла, прозрачную основу, диэлектрическое селективное зеркало располагают между входным прозрачным проводящим электродом и прозрачной основной, слой жидкого кристалла располагают между входным прозрачным проводящим электродом и слоем высокоомного фоточувствительного полупроводника, а слой диэлектрика располагают между слоем высокоомного фоточувствительного полупроводника и выходным прозрачным проводящим электродом, образуя единую структуру, при этом прозрачную основу выполняют в виде планарной матрицы дискретных микроотверстий, заполненных светопроводящим материалом, при этом расстояние между краями соседних отверстий матрицы выбирают большим, чем эффективная длина диффузии носителей заряда в приповерхностной области слоя высокоомного фоточувствительного полупроводника, обращенной к слою жидкого кристалла.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя изображения, на фиг. 2 изображено поперечное сечение прозрачной основы.

Преобразователь изображения содержит записывающий свет с длиной волны λ₁ 1, прозрачную основу 2, диэлектрическое селективное зеркало 3, входной прозрачный проводящий электрод 4, слой жидкого кристалла 5, высокоомный фоточувствительный полупроводник 6, слой диэлектрика 7, выходной прозрачный проводящий электрод 8, считывающий свет с длиной волны λ₂ 9, источник внешнего напряжения U₀ 10; прозрачная основа 2 представляет планарную матрицу 11 дискретных микроотверстий 12, заполненных светопроводящим материалом, при этом расстояние между краями соседних отверстий матрицы выбрано большим, чем эффективная длина диффузии носителей заряда в приповерхностной области слоя высокоомного фоточувствительного полупроводника, обращенной к слою жидкого кристалла.

Преобразователь изображения работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии записывающей подсветки 1 (фиг. 1) с длиной волны λ₁ напряжение U₀ 10, приложенное к преобразователю изображения, делится на полупроводнике 6 и слое жидкого кристалла 5 обратно пропорционально их емкостям.

Запись изображения транспаранта (на чертеже не показан) осуществляется активным для высокоомного фоточувствительного полупроводника 6 светом 1 с длиной волны λ₁ при приложении к преобразователю изображения импульса напряжения U₀. Записывающий свет проходит через прозрачную основу 2, диэлектрическое селективное зеркало 3, которое для него является прозрачным, входной прозрачный проводящий электрод 4, слой жидкого кристалла 5 и, достигая высокоомного фоточувствительного полупроводника 6, генерирует в нем информационные носители заряда. Концентрация этих зарядов в заданной точке рабочей площади полупроводника зависит от интенсивности падающего в эту точку записывающего света. Возникающие заряды разносятся внутренним полем в полупроводнике при приложенном внешнем напряжении к границам раздела полупроводник 6 - слой жидкого кристалла 5 и полупроводник 6 - слой диэлектрика 7 в соответствии с полярностью U₀. Таким образом, записанное изображение транспаранта представлено в виде его зарядового рельефа. Время записи изображения при этом сравнимо с временем релаксации напряжения на полупроводнике.

Прозрачная основа 2 (фиг. 1) выполняется в виде стеклянной пластины или из другого материала, обеспечивающего пропускание записывающего света к высокоомному фоточувствительному полупроводнику, и служит для упрощения технологии изготовления преобразователей изображения, в структуре которых в качестве модулирующей среды используются жидкие кристаллы. Однако более перспективно использовать прозрачную основу в виде планарной матрицы дискретных микроотверстий, заполненных светопроводящим материалом. При этом высокоомные материалы матрицы 11 (фиг. 2) и светопроводящего канала 12 имеют коэффициенты преломления n, удовлетворяющие неравенству: n₁₁<n₁₂.

Для исключения "размазывания" зарядового рельефа изображения за счет диффузии носителей заряда вдоль границ раздела расстояние между краями соседних отверстий матрицы выбирают большим, чем эффективная длина диффузии в приповерхностной области слоя высокомного фоточувствительного полупроводника, обращенной к слою жидкого кристалла.

Под действием записывающей подсветки в предлагаемом преобразователе изображения происходит соответственно модуляция падений напряжения только на высокоомном фоточувствительном полупроводнике 6 и слое жидкого кристалла 5.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим поляризованным нейтральным для высокоомного фоточувствительного полупроводника 6 светом 9 с длиной волны λ₂. Считывающий свет 9 проходит через выходной прозрачный проводящий электрод 8, слой диэлектрика 7, через высокоомный фоточувствительный полупроводник 6 без генерации в нем зарядов, слой жидкого кристалла 5, выходной прозрачный проводящий электрод 4 и, достигая диэлектрического селективного зеркала 3, отражается от его поверхности. Отраженный считывающий свет выходит обратно из преобразователя изображения через выходной прозрачный проводящий электрод 8, промодулированный по фазе в соответствии с распределением падений напряжения по площади слоя жидкого кристалла. Модуляция считывающего света по фазе с помощью анализатора на выходе преобразователя может быть преобразована в модуляцию его по интенсивности и регистрируемое изображение передается в дальнейшие каналы его обработки.

Для записи последующего кадра при регистрации динамических изображений необходимо провести стирание предыдущего. Стирание изображения осуществляется после окончания импульса напряжения (в период между импульсами) за счет рекомбинации информационных носителей заряда в объеме и на поверхности полупроводника, при этом в период между импульсами U₀ на высокоомном фоточувствительном полупроводнике и жидком кристалле должна возникнуть исходная модуляция падения напряжения. В этом случае для регистрации динамических изображений в реальном масштабе времени (т.е. со скоростью 25 кадр/с и более) временной интервал между импульсами, составляющий не более 5-10% от периода, должен превышать постоянную времени преобразователя изображения, в течение которой восстанавливается исходное падение напряжений на полупроводнике и жидком кристалле.

Преимущество заявляемого преобразователя изображения по сравнению с прототипом заключается в следующем. В прототипе диэлектрическое селективное зеркало входит в состав активной части структуры. В этом случае время регистрации изображения t_и значительно меньше постоянной времени релаксации устройства τ_ф (составляет не более 10-20% от времени релаксации в зависимости от интенсивности записывающей подсветки). При выносе диэлектрического селективного зеркала из активной части преобразователя изображения, как в предлагаемом устройстве, время регистрации изображения t_и становится сравнимым с постоянной τ_ф, т. е. увеличивается не менее чем в 5 раз. Следовательно, не менее, чем в 5 раз повышается энергетическая чувствительность устройства. Кроме того, обычно практически емкость диэлектрического селективного зеркала сравнима с емкостью слоя жидкого кристалла, поэтому вынос его из активной части преобразователя изображения позволяет увеличить в 2 раза падение напряжения на жидком кристалле при засветке полупроводника, а следовательно, и модуляцию считывающего света. Это приводит также и к повышению энергетической чувствительности, которая в итоге может быть увеличена не менее чем в 10 раз.

Вынос диэлектрического селективного зеркала исключает захват информационных носителей заряда на границах его с полупроводником и жидким кристаллом, что позволяет повысить быстродействие преобразователя изображения.

Дополнительным преимуществом заявляемого устройства является и то, что прозрачная основа, расположенная со стороны действия записывающего света и выполненная в виде матрицы отверстий, заполненных светопроводящим материалом, заменяет оптические элементы, с помощью которых регистрируемое изображение фокусируется на рабочую площадь преобразователя изображения. Использование такого преобразователя изображения значительно уменьшит габариты и вес его, что существенно расширит область использования.

Источники информации:
1. Hou S.L., Oliver D.S. Appl. Phys. Lett., v. 18, N 8, p. 325-328.

2. Васильев А. А. , Кейсасент В., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Наука. 1987, с. 146 (прототип).

3. Сихарулидзе Д.Г., Чилая Г.С. Преобразователи изображений типа МДП-электрооптический материал. - М.: Радио и связь. 1986, с. 70-81.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может найти применение в устройствах обработки оптической информации. Техническим результатом является повышение энергетической чувствительности. Преобразователь изображения содержит входной прозрачный проводящий электрод, слой высокоомного фоточувствительного полупроводника, выходной прозрачный проводящий электрод, слой диэлектрика, диэлектрическое селективное зеркало, слой жидкого кристалла и прозрачную основу. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь изображения, содержащий расположенные последовательно по направлению распространения оптического сигнала входной прозрачный проводящий электрод, слой высокоомного фоточувствительного полупроводника, выходной прозрачный проводящий электрод, а также слой диэлектрика, диэлектрическое селективное зеркало, слой жидкого кристалла, прозрачную основу, отличающийся тем, что диэлектрическое селективное зеркало расположено между прозрачной основой и входным прозрачным проводящим электродом, слой жидкого кристалла размещен между входным прозрачным проводящим электродом и слоем высокоомного фоточувствительного полупроводника, а слой диэлектрика - между слоем высокоомного фоточувствительного полупроводника и выходным прозрачным проводящим электродом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что прозрачная основа выполнена в виде планарной матрицы дискретных микроотверстий, заполненных светопроводящим материалом, при этом расстояние между краями соседних отверстий матрицы выбрано большим, чем эффективная длина диффузии носителей заряда в приповерхностной области слоя высокоомного фоточувствительного полупроводника, обращенной к слою жидкого кристалла.