Полупроводниковый преобразователь

 

ПОЛУПРОВОД1ШКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРПШ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных ноэлементно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы , отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого изображения в обобщенный ряд Ферье при одновременном увели ,чении чувствительности, каждая элементарная ячейка матрицы содержит дополнительно два МОП-транзистора и дополнительно введены поканальные усилители считывания с неинвертирующим , и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзисторов, дополнительная система вертикальных и горизонтальных шин и (Я общая шина, к которой подключен источник питания фотоприемных элементов , при этом поканальные усилители подключены входами к горизонтальным шинам,- к которым подключены стоки транзисторов, а выходами - к Од той из упомянутых линеек ключевых Од элементов, которая соединена с общим усилителем считывания, источ4 ник же управляющего напряжения транзисторов через вторую линейку ключевых элементов и вертикальные шины подключен к затворам транзисторов.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19! (!1! (5D 4 Н 01 L 31/04 .

А.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С: 3 (.Ь

СЬ в 3. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2741568/18-25 (22) 22.03.79 (46) 30.12.85. Бюл. N - 48 (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) К.Ф.Берковская, Б.Г.Подласкин, С.В.Кругликов и В.И.Столовицкий (53) 621.382(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 360000, кл. Н 01 L 31/04, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

N9 310578, кл. Н 01 L 31/04, 1976. (54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлементно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого иэображения в обобщенный ряд Ферье при одновременном увели. чении чувствительности, каждая элементарная ячейка матрицы содержит дополнительно два ИОП-транзистора и дополнительно введены поканальные усилители считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзисторов, дополнительная система вертикальных и горизонтальных шин и общая шина, к которой подключен источник питания фотоприемных элементов, при этом поканальные усили.тели подключены входами к горизонтальным шинам, к которым подключены стоки транзисторов, а выходами — к той из упомянутых линеек ключевых элементов, которая соединена с общим усилителем считывания, источник же управляющего напряжения транзисторов через вторую линейку ключевых элементов и вертикальные шины подключен к затворам транзисторов.

7б6471

В исходный момент времени на матрицу фотоприемных элементов проецируется анализируемое распределение освещенности. На первом такте .на выходах генераторов селекторных импульсов формируется управляющая последовательность сигналов, распределенная вдоль линеек ключевых эле- ментов, Через ключевые элементы линеек половина площадок фотоприемников одного столбца оказывается подключенными либо к положительному либо к отрицательному выходу двуИзобретение относится к области безвакуумных фотоэлектрических сканируемых устройств.

Известно, что передача информации об изображении в форме значений 5 составляющих пространственно-частотного спектра изображения; а не в форме видеосигнала, во многих случаях оказывается предпочтительной.

Известны как оптические, так и опто- 10 электронные;методы разложения ана" лизируемой функции.в обобщенный ряд по полному ортогональному базису, например, построенному по базису

Уолша-Адамара. 15

Известно устройство, содержащее матрицу фотоприемных элементов, две линейки ключевых .элеметов, два генератора селекторных импульсов, общий усилитель считывания, совмещающее функции фотоприемного и маскирующего элементов t.1j.

Недостатком этого устройства является то, что синтезируются маски, содержащие невоспринимающие свет 25 элементы: маски двуградационные—

О и 1, т.е. имеют место потери световой энергии.

Известен полупроводниковый преобразователь энергии светового излу- 30 чения в электрический сигнал, содер= жащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлемептно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неин- 40 вертирующим и инвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы (2.1. полярного источника питания. Фотоприемники обладают симметрией к воздействию излучения: генерируется ток положительной либо отрицательной полярности в зависимости от того к какому из выходов источника питания подключен данный столбец. Ключевые элементы второй линейки подключают строки матрицы либо к неинвертирующему, либо к инвертирующему входу общего усилия считывания. В усилителе сигналы суммируются и таким образом формируется интегральный сигнал, пропорциональный значению первой пространственно-частотной составляющей спектра данного изображения.

За 11М тактов формируется полный спектр изображения, причем NII.— размерность матрицы.

Недостатком устройства является ограниченное быстродействие: относительно большое время формирования каждого коэффициента, которое требует переключения полярности питающего напряжения на фотоприемном элементе.

Переходные процессы проводят за время, сравниваемое с временем жизни неосновных носителей тока, созданных светом. Поскольку с целью повышения фоточувствительности время жизни носителей стремятся повысить, быстродействие оказывается ограниченным переходньпли процессами в фотоприемниках, а не быстродействием обслуживающей схемы — усилителями и ключевыми элементами.

Целью изобретения является повышение быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого изображения в обобщенный ряд Фурье при одновременном увеличении чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном полупроводниковом преобразователе энергии светового излучения в электрический сигнал, содержащем матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлементно с выходами генераторов селектор ых импульсов, включенных последовательно с генераторами тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующпм входами, соединенными с

766471 выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы, каждая элеме»»тарная ячейка матрицы содержит дополнительно два МОП-транзистора и дополнительно введены поканальные усилители считывания и неинвертирующим и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзисторов, дополнительная система верти- l0 кальных и горизонтальных шин и общая шина, к которой подключен источник питания фотоприемных элементов, при этом поканальные усилители подключены входами к горизонтальным шинам, к которым подключены стоки транзисторов, а выходами — к той же из упомянутых линеек ключевых элементов, которая срединена с общим усилителем считывания, источник же управл»»»ощего напряжения транзисторов через вторую линейку ключевых элементов и вертикальные шины подключены к затворам

45 г транзисторов.

На фиг. 1 изображена принципи- 25 альная блок-схема; на фиг. 2 карта суммирования фототоксв элементарных ячеек с учетом знака фототока для положения ключевых элементов, —,показан»»ого на фиг. 1.

Ф

К общей подложке 1, снабженной общей шиной 2, выполнена матрица элементарных ячеек 3 ° Каждая элементарная ячейка содержит фотоприемный элемент 4 и два Г1ОП-транзистора 35

1 (ключи) 5 и 5, имеющих исток 6, сток 7, затвор 8. Матрица снабжена двумя системами взаимно-ортоганальных токоотводящих шин: вертикальI >f ных 9 — Хь и 10 — Х„, а также 40

Й горизонтальных 11 — )(,»„ и 12

Истоки ключей 5 подключены к фотоприемным элементам 4. Затворы 8 ключей 5 — и шинам !О. Стоки 7 ключей 5 подключены к шинам 11, а стоки 7 ключей 5 — к ш»гнам 12.

Линейка 13 ключевых элементов на . два положения А и В соединена с вертикальными шинами: контакты А с шинами 90, а контакты  — с шина- 50 ми 10. Линейка 14 ключевых элементов на два положения А и В соединена с поканальными усилигелями считывания 15 входами. Неинвертирующие входы усилителей 15 соединены 55 с горизонтальными шинами 12, а инвертирующие входы с шинами 11. Линейка ключевых элементов 13 управляется многовыходным генератором селекторных импульсов 16, а линейка ключевых элементов 14 - генератором селекторных импульсов 17. Оба генератора 16 и 17 соединены с генератором тактовых импул»:сов 18. Выходы линейки ключевых элементов 14 А соединены с неинвертирующим входом общего усилителя считывания 19, а выходы  — с инвертирующим входом того же усилителя 19. Входы ключевь»х элементов 13 соединены с вьгходом источника управляющего напряжения

20. Общая шина всех фотоприемных элементов 2 соединена с выходом однополярного источника питания 21.

В исходный момент времени на матрицу проецируется анализируемое распределение освещенности. На общую шину 2 подано напряжение питания от источника 21. На первом такте работы устройства под воздействием запускающего импульса тактового генератора 18 на выходах генераторов селекторных импульсов

13 и 14 формируются две линейных пространственно-распределенные посо» ледовательности сигналов: Г„ (Х) и

Y ($). Эт»» последовательности запи»»» саны в двоичном коде, например

1, -1, +1, -1..., где значению -1 соответствует, »»апр»»ь»ер, замыкание ключа на выходе А, а значению +1 замыкание ключа на выход В,того же ключа. Через ключевые- элементы

13 от источника управляющего напряжения 20 смещение поступает на затворы 8 ключей 5. С выходов А напряжение замыкания поступает на ключи 5, а с выходов В. — на ключи 5.

В каждой элементарной ячейке на каждом такте работы замкнут лишь один из двух ключей. Замкнуть»»» ключ соединяет фотоприемный элемент 4 либо с шиной 11 либо с шиной 12, и, следовательно, либо с непнвертирующим, либо с инвертирующим входом поканального усилителя счить!вания 15. Таким образом, на входы усилителей 15 попадают все фототоки, генерируемые фотоприемными элементами 4-х строк. Величины этих фототоков пропорциональны освещенности элементарных площадок 4. В поканальных усилителях 15 фототоки суммируются либо со знаком (+), либо со знаком (-) в зависимости от Фого, по какой из двух шпн 11 или 12 они

766471 поступили. Суммарные сигналы с выходов усилителей 15 поступают на входы ключевых элементов линейки

14.. Линейка 14 управляется от генератора селекторных импульсов 17, который на том же первом такте работы устройства перевел ключи, например, в положение +1, -l, -1, +1. ° ., т.е. замкнул их либо на контакт А, либо на контакт В. Таким образом, суммарные построчные сигналы с усилителей считывания 15 поступают как на инвертирующий так и на неинвертирующий входы общего усилителя считывания 19, где они суммируются.

Токовый сигнал на выходе общего . усилителя 19 оказывается пропорциональным интегралу

15

I,= tSd(Õ,V)V „",„ (х,v)dxd v, $

1 где -f (Х,f) — пространствен ное распределение осве(i) щенности по маI ридерз 25

9v(v„(M,f) — двумерная двуградационная базисная функция анализа, причем

30 P„" (x,Ч)=т,")(МТ,„ (vj пропорциональный второму коэффициенту обобщенного ряда Фурье. За ММ тактов формируются все NM коэффици" ентов †. полный пространственно-час-: .тотный спектр анализируемого изображения.

Эта последовательность сигналов в дальнейшем может поступать в ЭЦВИ, быть передана по каналу связи, запомнена, обработана, из нее может быть

На втором такте работы устройства . генераторы селекторных импульсов

16 и 17 в соответствии с программой генерируют две новые пространствен35 ные последовательности f ") (X) и (a)

Тщ (f), которые переводят ключевые элементы линеек 13 и 14 в новые положения. Соответственно та же

40 самая анализируемая функция 1()(,У ) оказывается умноженной на новую функцию анализа 1„„,()(, vt ). На выходе (2) общего усилителя считывания 19 форми руется второй токовый сигнал

1,=(.Я1(к,ч! „ "1(х,v)dxdv

5 вновь восстановлено отфильтрованное с повышенным отношением сигнала к шуму регистрируемое изображение.

Повышение быстродействия устройства достигается путем уменьшения времени формирования коэффициентов.

В процессе работы устройства фотоприемные элементы не переключаются: они не переводятся из положения с отрицательным смещением в положение с положительным смещением.,Умножение значения регистрируемого элементного фототока.на +1 или на -1 осуществляется только с помощью отдельных от фотоприемника ключевых элементов и усилителей. считывания. Фотоприемные элементы находятся под постоянным напряжением смещения от источника 21.

Если в прототипе переходные процессы составляли десятки — единицы микросекунд, так как лимитировались временем жизни неосновных носителей, созданных светом, и переходными процессами в емкостях фотоприемных элементов, то теперь время вычисления одного коэффициента ограничивается переходными процессами в ключевых элементах, где они специальными мерами ускорены до сотых-тысячных долей микросекунды без ущерба для пороговой чувствительности матрицы, Таким образом, получено повышение быстродействия на несколько порядков.

Кроме того, фотоприемная площадка элемента матрицы предлагаемого преобразователя на 80-907 занята собственно .фоточувствительным элементом.

Ключи (МОП-транзисторы) располагают под шинами. В прототипе фотоприемный элемент должен обладать симметричной к воздействию света вольт-амперной характеристикой, что достигается конструированием этого элемента из двух одинаковых фотоприемников, например фотодиодов. На каждом такте работы фоточувствителен лишь один из двух фотоприемников в каждой ячейке, и его фототоку приписывается знак + или — .

Использование изобретения позволяет повысить чувствительность в 2 раза. Расщирен круг фотоприем11иков, которые могут быть йспользованы в качестве элементарных матрип.

@из. f!

ВНИИПИ Заказ 8138/4 Тираж 678 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Снято требование симметричность вольт-амперной характеристики к воздействию света. Использование в качестве элемента матрицы р-i-и фото— диода, не обладающего сммметрично стью, позволит регистрировать коэф-9 фицйенты за время 10 с.

Помимо P --i -и фотодиодов в схеме устройства могут быть. использованы

МДП-фотоприемники, фотосопротивле—

66471 8 ния, фотодиоды, фототранзисторы, болометрические датчики, тензометры и т.д., что расширяет круг анализируемых пространств .нно †распределенс ных воздействий f (y, t), как по спектральному составу для светового излучения, так и по физической природе воздействия, например, стано" вится возможной регистрация распре10 деления давлений.

p+ +

-t

I