Преобразователь света в электрический сигнал Советский патент 1983 года по МПК H04N5/30 

Изобретение относится к безвакуумным фотоэлектрическим устройст вам, осуществляющим сканирование и анализ изображений, поступающих на вход устройства в виде простран ственного распределения освещенности. Известны устройства для преобразования света в электрический сигнал, содержащие фоточувствиталь ные линейки р-п-переходсзв или МДП-конденсаторов и нефоточувствительные линейни:;коммутирующих, элементов Ci 3. Недостатком разнообразных устт ройств коммутации распределения освещенности, как полупроводниковы так и на основе электровакуумных п редающих трубок, является то, что информация Обо всем поступающем св товом потоке, как целом, теряется процессе сканирования. Каждый моме времени формируется лишь один лока лый признак изображения, как прави информация об освещенности одного конкретнэро элемента. Вместе с тем ззо многих случаях, частности в условиях импульсной ла зерной локации, когда общая интенсивность подсветки меняется во вре «мани, вайсно. иметь возможность пронормировать сигнал от одно1р элемента на величину полного световог потока, поступающего на весь фото приемни.к, В настоящее время эта операция может быть произведена . только при отделе - {и части полного светового потоку на независимый фотоприемник. Этот же прием приходится использовать, когда необходи мо следить за частотой светового сигнала и одновременно сканировать изображение. Отделение части светового петока снижает чувствительность методо ркгистрации, требует сзерхточкого измерения коэффициента деления потока. В ряде случаев делитель, светового потока может стать источником неконтролируемых помех, . Наиболее близким к предлага.емому является преобразователь света в электрический ситкал с компенсационной схемой включения, состоящей из базового слоя, нефоточузстви тельного общего слоя со знаком проводимости, противоположным знаку базового СЛОЯ;, двух фоточувствитель ных делителей слоев и того же знака проводимости, что и общий слой, Общий слой снабжен контактом токоотводящей шины, а делительные слои контактами, к которым навстречу друг другу подключены иточники распределенного смещения. Два генератора симметрично1о пилообразного напряжения, на которых формируется напряжение в противофазе, соединены со средним-5 тсчкаик источники: пределенного смещения с Гокос-.i .оо - щая шина электрически CBK:iai-:a -; ,.:о 1ЧИМ усилителем 2J« Недостатком данного устройства явлется ТО;, что оно не может регистрировать информацию, обо всен поступающем световом потоке одновременно со сканированиеМо Кроме того, в устройстве ограничеио быстродействие, фотодиоды работают в сканисторе в режиме пере- гслючения питающего напряжения; и видеосигнал формируется в. момент пеФехода диода из закрытого состояния в открытое.;, При этих условиях наиболее резко проявляется инерционность фотодиодов, связанная с напичием времени жизни неосновных носителей тока, Еще одним недостатком устройства является ограниченная разрешающая способность. Вольтовая апертуоа .сканирования определяется отноше нием напряжения пробоя (п-р-п . структуры Upp к интервалу напряжений AUg J в котором происходит п ;реход от запертого состояния к О1К.РЬТ1ОМУ Типичные значения Л U-- 7Для пары .встречновключенных кремниевых диодов /V, 3,. 5 В, что при и 50 В число разрешимых элементов N - 10 О , Цель изоб зетения получение HSv формации о полном поступающем световом потоке оддковременно с информацией о его локальных призмаках, повышение быстродействия и разрешающей способности.. Указанная де;аь досткСгается тем, что в преобразователь света в элек ;ркческий сигнал, содержащий еканиетор с н.анесенными на 1монокристалл тремя, слоями, к контактам двух делитель1-ЫХ слоев 1.;оторого )тодк1;ючены соответствующие источники распреде-лояного смещения и генераторы считызаю;яе.1-о напрях:;екия а к контакту общего слоя по,ц слюч:ен общий усилитель, введены д.оа кодирующих уоилителя считывания, вход каждого из которых подключен к перзолт/ выходу соответсггвуюй.его гене.ра.гора считывающего- напрнже.ния, второй выход коTOpoi-o подключен к средней точке соответствующего источника распределекного омещения,- а также источн и к пост о я к н о го С мегде ярзя, под ключ е н ный к второму входу общего усилителя, общий слой выполнен фоточувствительным, а ..делительные с.лои - экpaHHpOBaHHH viH от воздейстБия света,.при этом генераторы считыварэщего налря и;ния содержат последовательно соединенные задающий генератор, интегрирующий усилитель и траксформатор, одна из обмоток которого включена между первым и вторым выходами .генератора считывающего напряжения. На чертеже изображена структурна электрическая схема преобразователя света. Преобразователь - содержит базовый слой 1 монокристалла п (р )-типа проводимости , на котором созданы фоточувствительный общий слой 2 р(.п )типа проводимости и делительные сло 3 и 4, экранированные от света. Линейно протяженные р-п-р (п-р-п)структуры образуются слоями 2,1 и 3 2,1 и 4. Ба зоный слой 1 может быть выполнен как высокоомным, так и анизотропно проводящим, в том числе и разделенным на дискретные элементы. Общий слой 2 снабжен общей токоотводящей шиной 5, конфигурация которой обеспечивает фоточувствительность общего слоя 2. Делительные слои 3 и 4 снабжены соответственно контактами 6,7 и 8,9. К делительным слоям навстречу друг другу подключены источники 10 и 11 распределенного смешения, а также генераторы 12. и 13 счйтывакядего нап ряжения разной полярности . Общая токоотводящая шина 5 элект рически соединена с общим усилителем 14. Нефотсчувствительность далительных слоев 3 -и 4 Достигается, например, нанесением металлических . слоеё 15 и 16 поверх слоя изолирующего окисла. К выходам генераторов 12 и 13 считывающего напряжения подключены кодирующие усилители 17 и 18 считывания, К общему усилителю 14 подключен источник 19 постоянного смешения. Генераторы считываю щего йапряжения содержат .трансформз торы 20 и21, интегрирукйцие усилители 22 и 23, Задающие генераторы 24 и 25. В исходный момент времени на общий слой 2 спроектировано регистрируемое распределение освещенности. Источники 10 и. 11 распределенного смешения создают линейное падение напряжения на делительных слоях 3 и 4, Генераторы 12 и 13 считывающего напряжения имеют на выходах нулевое напряжение. Вытянутые в одном измерении р-п-р п-р-п Нструк |туры, образованные слоями 2,1 и 3 ;и 2,1 и 4., находятся под воздействием напряжения,поступающего с дели тельных шин и выходов генераторов считываквдего напряжения. В результ те диоды одного из делительных сло ев слева от центральной линии - ну левой эквипотенциали - заперты, а справа - открыты j диоды же второго делительного слоя слева открыты, а справа - заперты. Источник 19 постоянного смещения обеспечивает на общем слое 2 зациракяаее смещег ние U|., . Таким образом, весь общий слой 2 оказывс.ется фоточувствительным независимо от распределения напряжений на слоях 3 и 4. Неосновные носители тока, созданные светом в общем слое 2, будут разделены р-п-переходом, образованным общим и базовыми слоями, и поступят либо в кодирующий усилитель 17 считывания .. через открытые диоды делительного слоя 3, либо ь кодирующий усилитель 18 считывания через открытые диоды делительного слоя 4. Таким образом, в один из кодирующих усилителей считывания поступит фотоответ от иэсбражения справа от центральной линии, а в другой - слева от центральной линии. Чсх:ители, рожденные светом прямо на эквйпО тенциалы, разделятся поровну между двумя кодирующими усилителями считывания, Через общий усилитель 14 будет протекать су1Ф1арный фототок от всего изобпажеийя, который затем в общем слое 2 разветвится в две цепи - кодирующие усилители 17 и 18 счи-гыеания. В следукшщй Кюмент времени с увеличением напряжения на выходе одного из генераторов считывающего напряжения и с уменьшением на выходе другого линия нулевой эквипотейциалн сместится с центра, фототок с соответствующего этому перемещению участка начнет регистрироваться другим усилителем. Эта пвреадресация фототока погРволяет зар егистрировать изменение освесйвнности на данном участке, . сфс миройать видеосигнгш. Так это может быжь рсуа рствлено, если ток о кодирующего усилителя 17 считывания вычесть иэ гона кодирующего усилителя 18 считывания, а разность продифференцировать. Формирование видеосигнала не всегда необходимо при формировании пространства первичных локальных признаков для опознавания объекта. Фактически в процессе того специфического сканировс.ния, которое реализуется данным устройством, производится кодирование изображения. Фоточувствительная структура разбивается на дэе области с произвольно изменяющимся положением границы. Генераторы считывающего напряжения могут формировать не только пилообразное напряжениесчитывания, но и произвольные последовательности импульсов, тогда положение границы будет не плавно скользить по структуре, а изменять свое положение в соответствии с программой. Фотоответ от двух управляемых областей поступает в два независи иаых кодирующих усилителя 17 и 18 считывания. В блоке логической обработки информации, который может быть подключен к выходу преобразователя (не показан) сигналы могут быть произвольно окрашены, например умножены на -t-l и -1, возведены в степень, продифференцирова ны и т.д. Во всех возможных случаях включая формирование обычного видео сигнала, мгновенные значения токов, локальные признаки могут быть подвергнуты сравнению (например,-прделены) со значением интегрсшьного фототока со всего фотоприемнийа. Поп ный интегральный ток непрерывно поступает в блок обработки с общего усилителя 14. Таким образом, преобразователь Обеспечивает получение полной интег Рс1льной информации об изображении одновременно с формированием локаль ных при-энаков изображения. Помимо этого,предлагаемое устройство обладает повышенным быстродействием. Действительно, функции коммутирующих диодов и функции регистрации светового потока разделены диоды делительйых слоев - коммутирующие, диоды общего слоя - фоточувствительны. Соответственно, могут быть I подобраны раздельно параметр этих диодов, для коммутируквдих - снижено время жизни, для фоточувствительных сохранекЬ высоким. Но и безСпециаль ных мер, за.счет использования фотодиодов в стационарном режиме по пи танию время опроса одного элемента может быть поднято,, по крайней мере, в два раза, если считать, -что в сканисторе это время выбиралось в два раза превышающим время рассасывания неосновных носителей в базовой области. При использовании локального снижения времени жизни в областях, прилегающих к делительным шинам, быстродействие может быть повышено более, чем на порядок. Предлагаемой преобразователь позволяет повысигь разрешающую способность . Новый принцип формирования видеосигнала перераспределением фототоков от двух областей между двумя усилителями снимает в значительной степени ограничения, связанные с существованием вольтовой апертуры, поскольку фотодиоды находятся непрерыв.но в регистрирующем свет состояний и непрерывно генерируют фототок, который только делится на две цепи, апертурные ограничения разрешающей способности снимаются (вольтовая апертура снижается приблизительно в 5 раз, что следует из решения уравнения Кирхгофа для цепи с тремя диодами ) и остаются ограничения разрешающей способности, связанные с растеканием носителей по базовой области. Для сплошных вари ;антов исполнения прибора - это порядок 100 мкм, для дискретных - от 30 мкм и ниже, вплоть до единиц. Для дискретных вариантов, реализованных в ФТИ АН СССР им. А.Ф.Иоффе, повышение разрешающей способности в 4 раза было достигнуто на сканисторе из 512 элементов с шагом 30 мкм. Сравнивалась работа прибора в традиционном сканисторном режиме при компенсационной схеме включение и в режиме перераспределения фототоков от двух областей.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ,содержащий сканистор с нанеогенными на монокристалл тремя слоями, к контактам двух делительных слоев которого подключены соответствующие источники распределенного смещения и генераторы считывающего напряжения, а к контакту общего слоя подключен .о&щий усилитэль, о т л к ч а ю щ и и с я тем, что, с целью получения информации о полном поступающем световом потоке одновременно с информацией о его локальных признаках, повышений быстродействия и разрешающей способности, введены два кодируюпшх усилителя считывания, вход каждрго из которых подключен к первому выходу соответствующего генератора считывающего напряжения, второй выход которого подключен к средней точке соответствующего источника распределенного смещения, а также источник постоянного смещения, подключенный к второму входу Общего усилителя, общий слой выполнен фоточувствительным, а делительные слои - экранированными от воздействия света. (О 2. Преобразователь по п. 1,о т личающийся тем, что гес нераторы считывающего напряжения содержат последовательно соединенные задающий генератор, интегрирующий усилитель и трансформатор, одна из обмоток которого включена между -первым и вторым выходами генератора считывающего напряжения. ф л