6.3.3. Фотодиодные матрицы

Наряду с телекамерами на ПЗС структурах нашли распространение и фотодиодные матрицы (ФДМ), также работающие на принципе накопления зарядов. Их главным достоинством является возможность поэлементной адресации и параллельного вывода данных. В основе работы ФДМ лежит свойство p-n перехода, находящегося под обратным потенциалом накапливать заряд, пропорциональный падающему на переход потоку электронов. ФДМ широко используются в оптических преобразователях, сканерах, принтерах и др.

Основой ФДМ является ячейка, содержащая фотодиод и три МОП-транзистораV₁, V₂ и V₃ (рис. 6.28). В начале цикла записи на транзистор V₁ поступает импульс стирания U_ст открывающий транзистор в результате чего барьерная емкость фотодиода заряжается напряжением по цепи +E_см - E_п. После закрытия V₁ барьерная емкость разряжается фототоком, причем, чем выше освещенность ячейки, тем быстрее происходит разряд. Если через определенный промежуток времени t_нак. на транзистор V₂ подать адресный импульс U_а (режим вывода сигнала), то по цепи V₃ - V₂ потечет ток от источника -Е_п. Величина этого тока зависит от степени открытия V₃ потенциалом на емкости фотодиода (т.е. от остав­шегося через время t_нак заряда на фотодиоде). Таким образом, выходной сигнал ячейки зависит от ее освещенности , а совокупность сигналов ФДМ дает информацию о распределении света на ее чувствительной поверхности (рис. 6.28).

Новый цикл записи начинается подачей очередного импульса стирания от внешнего формирователя на общую (для всех ячеек шину), при этом полностью заряжаются емкости фотодиодов, «сти­рая» сохранившиеся на них потенциалы. Время t_нак определяет накопленную ячейкой энергию светового потока Ф и, сле­довательно, ее фоточувствительность.

Как уже отмечалось, функция преобразования фотодиода близка к линейной (рис. 6.29).

Схема телекамеры на основе ФДМ представлена на рис. 6.30. Основной режим работы телекамеры - «счи­ты­ва­ние с накоплением». В этом режиме, после короткого импульса стира­ния U_ст, в течение ин­тервала времени t_нак про­исходит «запись» распределения освеще­н­ности на ячейках, после чего на выбранную стро­ку поступает адре­сный им­пульс и на выходных ши­нах одновременно во­з­ни­ка­ют потенциалы яче­­ек этой строки. Таким образом, организуется параллельно-после­дова­те­ль­ное считывание инфо­р­мации. (Па­рал­лель­но - эле­менты строки, последовательно - строки, причем в произвольном порядке).

Частота вывода кадров f_к в этом режиме определяется величиной t_нак и варьируется в диапазоне 200 ... 5000 Гц. Задающий генератор устанавливает частоту следования управляющих импульсов, а схема уп­равления определяет режим работы камеры. Дешифратор-формиро­ватель адреса устанавливает амплитуду и длительность адресных импульсов и ра­спределяет их по адресным входам ФДМ в соответствие с заданным порядком считывания (по­­добно считыванию из ОЗУ). Данные из яче­ек поступают через уси­лители считывания и АЦП в буферное устро­й­ство, используемое для согласования после­довательности и ско­рости вывода данных из камеры и их ввода в процессор обработки изображений.

Фотодиодные телекамеры используются в специальных задачах робототехники. Достоинствами ФДМ являются возможность поэлеме­нтной адресации, высокое быстродействие, малые масса и габариты, высокая механическая прочность и надежность. К недостаткам ФДМ следует отнести в первую очередь, малую разрешающую способность, а также геометрическую неоднородность (вслед­ст­вие различия фотоэлектрических ха­рак­теристик отдельных ячеек).

Рассмотренные выше три типа телевизионных датчиков являются базовыми при построении СТЗ. В табл. 6.12 представлены их некоторые сравнительные характеристики.

Таблица 6.12. Сравнительные характеристики отечественных датчиков СТЗ

Модель	Тип	, лк	n*, твл/мм	, %	, мкм	Размер кадра, NN	Отношение сигнал/шум	m, г	V, см3
ЛИ-427	ЭЛТ (В)	1 ... 200	50	2	0,4 ... 0,8	500500	80	50	10
ЛИ-214	ЭЛТ (С)	10-5...10	50	2	0,4 ... 0,55	500500	100	500	100
1200ЦМ7	ПЗС	0,1 ... 20	30	2	0,4 ... 1,1	360576	100	5	0,5
ФМ-100	ФДМ	0,1 ... 200	15	3	0,4 ... 1,1	100100	50	5	0,5