МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ «КПИ»
Кафедра звукотехники и регистрации информации
Материал лекций на тему:
«Матричные твердотельные преобразователи»
Подготовил:
ст. гр. ДВм-31
Чупахин А.С.
Киев 2008
Содержание
Историческая справка
Оптический диапазон
Оптоэлектронные приемники излучения
Фотодиодные линейки и матрицы
Принцип работы и устройство активно-пиксельных датчиков
1. Введение
2. Принцип работы активно-пиксельного датчика
2.1. Микролинзы и набор цветных фильтров
2.2. «Плюсы» и «минусы» уменьшения размера пикселя
3. Примеры активно-пиксельных датчиков
4. Устранение искажений в активно-пиксельных датчиках, возникающих из-за шум
5. Схемы ячеек ФПМ КМОП
Принцип работы и устройство
1. Конструкция
2. Физические принципы работы и перенос зарядов в ПЗС-матрице.
3. Разновидности ФПМ ПЗС
3.1 Полнокадровая ФПМ ПЗС.
3.2 ФПМ ПЗС с переносом кадра (матрица с буферизацией кадра)
3.3 ФПМ ПЗС с межстрочным переносом (матрица с буферизацией столбцов)
4. Микролинзы
5. Основные характеристики ФПЗС
Историческая справка
История твердотельных датчиков изображения берет свое начало в 1963 году, когда С. Р. Моррисон из компании Honeywell Co. изобрел «полупроводниковое фоточувствительное устройство» – фотосканер.
КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968.
ПЗС (прибор с зарядовой связью; англ. CCD, Charge-Coupled Device) в 1969 г. сотрудники фирмы Bell Laboratories В. Бойл и Д. Смит показали на примитивном «прародителе» современных приборов с зарядовой связью (ПЗС), что между близко расположенными МОП - конденсаторами возможен обмен зарядами - зарядовая связь.
Оптический диапазон
Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диапазон колебаний с длиной волны от 1 мм до 1 нм (рис. 1).
Светом называют видимое человеческим глазом электромагнитное изучение с длинами волн от 380 до 780 нм, являющееся частью диапазона оптического излучения.
Если посмотреть на рис. 1, где представлен спектр электромагнитного излучения, то нетрудно увидеть, что видимый диапазон, т.е. диапазон, в котором видит человек без применения технических средств, занимает лишь небольшую часть спектра. Естественно, что для получения большей информации об окружающем нас мире или об отдельных объектах необходимо осуществлять «видение» в других диапазонах.
Учитывая то, что помимо указанной зависимости (частоты колебаний от выделяемой при переходе электронов с орбиты на орбиту энергии) известна обратно пропорциональная связь длины волны колебаний с их частотой (произведение длины волны на частоту равно скорости света), величина оптического диапазона может быть выражена не только шкалой длин волн или в частотах, но и в энергиях.
Это отражает присущий оптическому излучению дуализм - в одних случаях проявляются его волновые свойства, а в других - квантовые (корпускулярные). Эти свойства присущи излучениям не только видимой части спектра, но также инфракрасным и ультрафиолетовым, поэтому они и сведены в общий оптический диапазон.
Рис. 1– Оптический диапазон спектра элетромагнитный колебаний
Достаточно интересным и информативным является инфракрасный (ИК) диапазон спектра, что обуславливается тем, что именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения. ИК диапазон охватывает длины волн от 0,76 до 1000 мкм (что соответствует частотам от 300 до 0,3 ТГц).
Оптоэлектронные приемники излучения
Фотоприемник предназначен для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители и другие элементы, видиконы, сканисторы, фотодиодные линейки и матрицы
Фотодиодные линейки и матрицы
Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а матричные представляют собой набор таких линеек.
Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, а в матричном варианте - путем поочередного опроса каждой линейки (и каждого фотодиода в линейке). В линейке одни электроды, например аноды фотодиодов, объединены в одну шину (рис. 2), а другие, в данном случае - катоды, выведены на коммутатор (например, на транзисторных ключах). Коммутатор подключает каждый фотодиод к измерительной цепи, которая в простейшем случае может включать в себя источник питания и сопротивление нагрузки. В электронике режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - мультиплексором).
Рис. 2. Схемы многоэлементных диодных приемников
В матричном варианте фотодиоды подключаются одним электродом к горизонтальной шине (те же аноды), а другим - к вертикальной (катоды). Шины, в свою очередь, также подключены к коммутаторам (мультиплексорам), которые, как и в случае с линейкой, включают последовательно каждый из фотодиодов в измерительную цепь. В результате организованного мультиплексирования последовательное подключение вертикальных шин образует развертку по строке (линии, ряду), а переход с одного горизонтального ряда на следующий - развертку по кадру. Так, на выходе схемы образуется последовательность импульсов (видеосигнал), амплитуда которых соответствует освещенности того или иного элемента матрицы.
Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации.