Твердотельные преобразователи оптического сигнала

 

Твердотельные сенсоры подразделяются на 2 группы устройств, принципиально различающихся:

1. приборы с зарядовой связью

 

 

Принцип действия ПЗС матриц:

1 – пластина полиморфного кремния

2 – потенциальная яма

3 – электроды

4 – электронный затвор (например, на основе ЖК кристаллов)

5 – объектив

6 – объект

7 – нагрузочный резистор

8 – выходной электрод

 

При включении электронный затвор закрывается, а на электроды АВС подаётся некоторый потенциал отгоняющий от из-под электронной области основные носители полупроводника в его глубь формируя потенциальные ямы. Главная особенность которых объединённость основными носителями заряда (а не основных мало). После этого открывается затвор и изображение через объектив поступает в полупроводник. И за счёт внутреннего фотоэффекта формирует в потенциальных ямах некоторое количество не основных носителей. При чём чем больше света тем больше носителей. Через какое то время (время экспозиции) затвор закрывается, а на АВС подаётся периодический сигнал. В результате начинается последовательная выборка зарядов из потенциальных ям, которые попадают в конечном итоге на выходной электрод формируя U_вых. При этом каждая порция заряда характеризует один пиксель изображения с присущей ему усреднённой освещённостью. При объединении значительного количества подобных строк можно получить кадр. При этом в зависимости от применяемых технологий обработки сигнала выборка может производиться с каждой строчки (параллельная выборка последовательных сигналов), либо, например, только с нижней строчки при последовательном переносе всех верхних строк в неё. При этом удлиняется путь отдельного заряда до сигнального электрода. Подобная конструкция чувствительна к интегральной освещённости и поэтому формирует только яркостный сигнал, т.е. является чёрно-белый. Что бы получить цветную ПЗС матрицу. Необходимо разместить перед каждым отдельным пикселем светофильтр определённого цвета (красный, зелёный или синий). Светофильтр для повышения эффективности преобразования обычно дополняется микролинзой.

	+Uинт

 

Фоточувствительность КМОП структур была обнаружена давно, но реальное применение их для создания светочувствительных матриц стало возможно после разработки активной пиксельной ячейки включающей в себя кроме собственного фоточувствительного элемента схему управления и усиления его сигнала.

1 – фотодиод

2 – коммутирующий его транзистор

3 – зарядо накопительный конденсатор

4 – ключ сброса, предназначенный для обнуления сигнала на конденсаторе по окончании периода экспозиции

5 – усилитель сигнала конденсатора

6 – коммутационный транзистор передающий сигнал «далее»

7 – шина управления ячейками

8 – шина передачи сигнала на АЦП и далее на процессор

9 – клемма управления предназначена для подключения фотодиода к конденсатору

10 – клемма управления сбросом (обнуления)

 

Недостатком КМОП структур была сравнительно малая площадь фотодиода по сравнению с размером самого пикселя, что резко уменьшает светочувствительность, поэтому следующим важным этапом развития КМОП сенсоров стало перемещение схемы управления и усиления под фотодиод. Т.е. была создана многослойная структура. К преимуществам КМОП можно отнести:

1. высокую энерго эффективность, что позволило встраивать такие сенсоры в различные миниатюрные энергозависимые устройства

2. использование единой технологии производства как самого сенсора, так и аппаратура (АЦП, процы, регистры ит.д.) обрабатывающая его сигнал, что позволило уменьшить и удешевить устройства.

 

Средства отображения информации

Кинескопы

 

Принцип действия ЭЛТ:

 

1 – Экран. В зависимости от назначения кинескопа экран может иметь прямоугольную или круглую форму. Внутри экран покрыт слоем люминофора с внешним фотоэффектом (свечение под действием электронного излучения).

2 – Анод. Электрод ускоряющий электронного пучка до энергии достаточных для яркого свечения люминофора. Анод потребляет основную мощность кинескопа.

3,4 – электроды горизонтального и вертикального отклонения луча в случае электростатической развёртки. Такая развёртка применяется в осциллографических трубках, знакопередающих, радарных и т.д. – так где требуется высокое быстродействие. Недостатком электростатического отклонения луча является малый угол отклонения (до 40 градусов), что резко увеличивает длину трубки кинескопа. В случае электромагнитной развёртки отклоняющая система представляет из себя сложно распределённую электро магнитную катушку охватывающую кинескоп с внешней стороны. При этом угол отклонения луча альфа гораздо больше (до 110-120 градусов) что резко укорачивает кинескоп, но усложняет получение чёткого контрастного изображения, особенно по краям экрана.

5 – электронная пушка, состоящая из нескольких электродов ускоряющий, модулирующий, фокусирующий.

6 – катод. Предназначен для «выделения» свободных электронов для дальнейшего ускорения, подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

БУР – блок управления развёрткой.

БПА – блок питания анода (высоковольтный преобразователь).

БУЭП – блок управления электронным прожектором.