ВИДЕОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H04N5/335 H04N5/30 H04N3/14 

Предлагаемое изобретение относится к многоэлементным фоточувствительным приборам.

Известны видеопреобразователи оптического излучения, выполненные в виде многоэлементных матричных приемников излучения, в которых заряд от фоточувствительной площадки к выходному усилителю перемещается по регистрам переноса заряда (К. Секен, М. Томпсет "Приборы с переносом заряда", М., Мир, 1978 г. ). Основными недостатками таких приборов являются последовательная выборка видеоинформации при считывании кадра, необходимость выделения значительной площади фоточувствительного поля для регистров переноса заряда.

Известен видеопреобразователь оптического излучения - многоэлементный приемник излучения, в котором накопленный в фоточувствительном элементе (ФЧЭ) заряд определяет ток управляющего транзистора истокового повторителя, расположенного в ячейке матрицы, нагрузка которого привязана к сигнальной шине. Управление считыванием видеосигнала производится с помощью КМОП-мультиплексоров, допускающих организацию последовательной или произвольной выборки элементов кадра (см. пат. США 5933190, НКИ 348-302, 1999 г.). Недостатком таких приборов является необходимость размещения в каждой ячейке матрицы трех транзисторов, что снижает полезную для фоточувствительности площадь ячейки матрицы.

Известен выбранный за прототип видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, построчно соединенных с вертикальными шинами считывания через МОП-транзисторы, затворы которых посредством горизонтальных шин подключены к сдвиговым регистрам выборки строк, шины считывания соединены через транзисторы связи с узлом считывания, состоящим из считывающего диода, транзистора выборки и хранения, транзистора поэлементной выборки, подключенного к сдвиговым регистрам поэлементной выборки строки, и каскада преобразователя зарядов, состоящего из трех транзисторов (см. з. Японии 2714293, МПК 6 Н 04 N 5/335, 1997 г.). Считывание информации с матричного приемника излучения осуществляется по схеме строчно-кадровой выборки. По этой схеме с помощью одного сдвигового регистра производится выборка строки, с помощью второго сдвигового регистра выбирается столбец. Перезарядка фоточувствительного диода происходит при считывании с него заряда, а перезарядка считывающего диода осуществляется построчно после считывания информации с выбранной строки.

Недостатками прототипа являются:
1. Конструктивная сложность преобразователя заряда в напряжение с использованием 9 транзисторов от фоточувствительного диода до сигнальной шины.

2. Необходимость использования дополнительной разности потенциалов для получения достаточно высокого выходного напряжения, а также вычитания фонового заряда.

3. Конструкция не позволяет изменять время накопления заряда.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения являются упрощение конструкции преобразователя заряда в напряжение, обеспечение возможности применения более низкого напряжения питания схемы и дополнение функциональных возможностей схемы за счет введения управления временем накопления заряда.

Это достигается тем, что в видеопреобразователе оптического излучения, содержащем матрицу фоточувствительных элементов, построчно соединенных с вертикальными шинами считывания через МОП-транзисторы, затворы которых посредством горизонтальных шин подключены к сдвиговому регистру выборки строк, вертикальные шины считывания соединены через транзисторы связи, затворы которых подключены к шине управления связью, с узлом считывания, состоящим из считывающего транзистора, затвор которого подключен к шине управления их зарядовой емкостью, считывающего диода, образованного истоком считывающего транзистора и стоком транзистора перезарядки и соединенного с затвором транзистора выборки и хранения, при этом исток транзистора перезарядки подключен к шине питания, а затвор - к шине управления перезарядкой, исток транзистора выборки и хранения соединен со стоком транзистора поэлементной выборки, исток которого соединен с шиной питания, а затвор - со сдвиговым регистром поэлементной выборки строки, причем сток транзистора выборки и хранения подключен к шине выходного сигнала, подключенной к нагрузочному сопротивлению. Затворы МОП-транзисторов, соединяющих фоточувствительные элементы с вертикальными шинами, горизонтальными шинами также соединены со сдвиговым регистром управления временем экспозиции.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что в нем транзисторы считывания подсоединены непосредственно к считывающим диодам. Кроме того, к шине управления транзисторами связи фоточувствительных элементов с вертикальными шинами дополнительно подключен регистр управления временем экспозиции.

Упрощение конструкции обеспечивается тем, что в предложенной схеме исключен состоящий из трех транзисторов каскад преобразования зарядов.

Поскольку между напряжением питания и применяемыми нормами проектирования (размеры элементов схем и расстояние между ними) существует прямая связь, очевидна важность понижения напряжения и унификации питания всех элементов схемы. Применение пониженных норм проектирования позволяет повысить отношение площади фоточувствительного элемента к общей площади ячейки матрицы, что улучшает выходные характеристики приемников излучения, в том числе пороговую чувствительность. Понижение напряжения питания снижает потребляемую мощность.

Сущность изобретения, связанная с изменением конструкции и режимов управления ее элементами, поясняется чертежами. На фиг. 1 и 2 представлены электрическая схема и диаграмма тактового питания, соответственно, где
1 - фоточувствительные элементы (диоды, диоды Шоттки и др.),
2 - вертикальные шины,
3 - МОП-транзисторы связи фоточувствительных элементов с вертикальными шинами,
4 - горизонтальные шины,
5 - сдвиговый регистр выборки строк,
6 - сдвиговый регистр управления временем экспозиции,
7 - транзисторы связи,
8 - шина управления транзисторами связи вертикальных шин с узлом считывания,
9 - считывающие транзисторы,
10 - шина управления зарядовой емкостью транзисторов считывания,
11 - считывающий диод,
12 - транзисторы перезарядки,
13 - транзисторы выборки и хранения,
14 - шина питания,
15 - шина управления транзисторами перезарядки,
16 - транзисторы поэлементной выборки,
17 - сдвиговый регистр поэлементной выборки строки,
18 - шина выходного сигнала,
19 - сопротивление нагрузки.

Видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу фоточувствительных элементов (ФЧЭ) 1, составленную из N строк и каждая строка содержит К элементов. ФЧЭ 1 построчно соединены с вертикальными шинами 2 считывания через МОП-транзисторы 3, затворы которых посредством горизонтальных шин 4_(1...N) подключены к сдвиговым регистрам выборки строк 5 и управления временем экспозиции 6. Вертикальные шины считывания соединены через транзисторы связи 7_(1...K), затворы которых подключены к шине управления связью 8, с узлами считывания, состоящими из считывающих транзисторов 9_(1...K), затворы которых подключены к шине управления их зарядовой емкостью 10, считывающих диодов 11_(1...K), образованных истоками считывающих транзисторов 9 и стоками транзисторов перезарядки 12_(1...K) и соединенных с затворами транзисторов выборки и хранения 13_(1...K). Истоки транзисторов перезарядки 12 подключены к шине питания 14, а затворы - к шине управления перезарядкой 15, истоки транзисторов выборки и хранения 13 соединены со стоками транзисторов поэлементной выборки 16_(1...K), истоки которых соединены с шиной питания 14, а затворы - со сдвиговым регистром поэлементной выборки строки 17, причем стоки транзисторов выборки и хранения 13 подключены к шине выходного сигнала 18, подключенной к нагрузочному сопротивлению 19.

Работа предложенной схемы преобразования накопленного в фоточувствительном элементе заряда в напряжение осуществляется как вариант матричного приемника излучения со строчно-кадровой организацией считывания. При этом в качестве схем управления выборкой строк для считывания, перезарядки и поэлементной выборки элементов строки применяются сдвиговые регистры.

Фоточувствительные элементы матрицы, например фотодиоды, построчно подключаются сдвиговым регистром выборки строк 5 к вертикальным шинам, когда на горизонтальную шину 4, связанную с затворами МОП-транзисторов 3, подается отпирающее напряжение. При этом отпирающее напряжение подается также на транзисторы связи 7 и считывающие транзисторы 9, и накопленный в ФЧЭ заряд переходит под затворы считывающих транзисторов 9. После этого МОП-транзисторы 3 и транзисторы связи 7 закрываются.

Зарядовая емкость считывающих транзисторов 9 (в прототипе на затворе аналогичного транзистора потенциал поддерживается постоянным) определяется площадью затвора и уровнем приложенного к нему напряжения при считывании заряда. Максимальный уровень приложенного напряжения определяется нормами проектирования, а площадь должна быть достаточной, чтобы электрическая емкость при максимальном напряжении была не меньше емкости ФЧЭ. Это позволяет полностью выбрать накопленный заряд. При наличии фоновой составляющей в накопленном зарядовом пакете напряжение выборки на шине управления емкостью считывания 10 устанавливается достаточным для считывания информационной части, а фоновая составляющая будет выведена через транзисторы 12 из цепи считывания при перезарядке.

При снижении напряжения на шине 10 при закрытых транзисторах 7 и 12 шин 8 и 15 заряд из-под затворов 9₁-9_K переходит в узел считывания, имеющего относительно малую электрическую емкость, что приведет к усиленному в соотношении этих емкостей изменению потенциала затворов транзисторов выборки и хранения 13. Сигналы, пропорциональные потенциалам затворов транзисторов выборки и хранения 13, поочередно считываются при подаче регистром поэлементной выборки 17 отпирающих потенциалов на транзисторы 16 и считываются через шину 18 с нагрузочного сопротивления 19. При этом не требуется повышать напряжение питания.

Цикл перезарядки необходим для восстановления потенциала на ФЧЭ во всей цепи считывания. Для этого после поэлементного считывания сигналов с выбранной строки на горизонтальные шины 4, шины 8, 10 и 15 подаются отпирающие потенциалы, причем потенциал горизонтальной шины определяется дополнительным регистром управления временем перезарядки 6.

В конструкции прототипа перезарядка фоточувствительного элемента совмещена со считыванием, при этом время накопления заряда будет равно времени считывания кадра. Введение дополнительного регистра позволяет провести перезарядку фотодиодов любой строки независимо от времени считывания с нее информации, то есть реализовать функцию уменьшения времени накопления заряда. При времени накопления, равном времени накопления считывания кадра, перезарядка выбранной строки проводится сразу после завершения процесса ее считывания. Уменьшение времени накопления заряда позволяет работать в более широком диапазоне освещенности.

Для работы в режиме с регулировкой времени накопления после завершения считывания информации с выбранной, например 4₁, строки в цикле перезарядки выбирается строка 4_n. При этом время накопления на фоточувствительных элементах после перезарядки t будет равно:
t=Т(N-n)/N,
где Т - время считывания кадра;
N - число строк в матрице;
n - число строк, пропущенных при перезарядке после считывания.

Предложенная конструкция разработана для видеопреобразователя оптического излучения ИК-диапазона с ФЧЭ с барьером Шоттки на основе силицида платины. Анализ применения норм проектирования 1,2 мкм при шаге пикселей 36•27 мкм показывает возможность получения фактора заполнения до 56% и работоспособность при напряжении питания 5 В. При реализации подобной конструкции со схемой видеопреобразователя, изложенной в прототипе, необходимо увеличить напряжение питания, что приведет к изменению норм проектирования и ухудшению выходных параметров в 1,5-2 раза.

Изобретение относится к многоэлементным фоточувствительным приборам. Технический результат заключается в упрощении конструкции, использовании более низкого напряжения питания. Видеопреобразователь содержит матрицу фотоэлементов (1), построчно соединенных с шинами (Ш) (2) считывания через МОП-транзисторы (Т) (3), затворы которых посредством Ш (4) подключены к регистру (5) выборки строк, Ш (2) соединены через Т (7) связи, затворы которых подключены к Ш (8) управления связью, с узлом считывания, состоящим из считывающего Т (9), затвор которого подключен к Ш (10) управления его зарядовой емкостью, считывающего диода (СД) (11), соединенного с затвором Т (13) выборки и хранения, при этом исток Т (12) перезарядки подключен к Ш (14) питания, а затвор - к Ш (15) управления перезарядкой, исток Т (13) соединен со стоком Т (16) поэлементной выборки строки, причем сток Т (13) подключен к Ш выходного сигнала, подключенной к нагрузочному сопротивлению, при этом СД (11) образован истоком Т (9) и стоком Т (12). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, построчно соединенных с вертикальными шинами считывания через МОП-транзисторы, затворы которых посредством горизонтальных шин подключены к сдвиговому регистру выборки строк, вертикальные шины считывания соединены через транзисторы связи, затворы которых подключены к шине управления связью, с узлом считывания, состоящим из считывающего транзистора, затвор которого подключен к шине управления его зарядовой емкостью, считывающего диода, соединенного с затвором транзистора выборки и хранения, при этом исток транзистора перезарядки подключен к шине питания, а затвор - к шине управления перезарядкой, исток транзистора выборки и хранения соединен со стоком транзистора поэлементной выборки строки, исток которого соединен с шиной питания, а затвор - со сдвиговым регистром поэлементной выборки строки, причем сток транзистора выборки и хранения подключен к шине выходного сигнала, подключенной к нагрузочному сопротивлению, отличающийся тем, что считывающий диод образован истоком считывающего транзистора и стоком транзистора перезарядки.2. Видеопреобразователь оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что он содержит сдвиговый регистр управления временем экспозиции, подключенный посредством горизонтальных шин к затворам МОП-транзисторов связи фоточувствительных элементов с вертикальными шинами считывания.