Многоэлементные фотоприемники.

Многоэлементные фотоприемники предназначены для преобразования распределенного по поверхности оптического сигнала (изображения) в электрические сигналы. Их выполняют: в виде линейки фотоприемников (строчных), в которой фоточувствительные элементы расположены на одной линии с малыми и, как правило, равными расстояниями между элементами; в виде светочувствительных матриц, в которых фоточувствительные элементы расположены в местах «пересечения» ортогональных токопроводящих электропроводных полосок, расстояние между которыми чрезвычайно мало. Так как светочувствительные линейки являются частным и простейшим случаем матричных фотоприемников, будем рассматривать только вторую группу преобразователей изображения.

Укрупненно матричные фотоприемники состоят из двух групп взаимно перпендикулярных электродов, фоточувствительных элементов, расположенных в местах пересечения электродов и электрически соединенных с ними, а также электронных схем управления. В состав схем управления входят электронные ключи и генераторы разверток, обеспечивающие последовательный опрос всех фоточувствительных элементов (рис. 3.17). Схемы управления выполнены так, что в каждый момент времени к цепям получения сигнала подключен лишь один элемент матрицы. При поочередном подведении электрических импульсов к горизонтальной и вертикальной шинам опрашиваются все фоточувствительные элементы. В итоге получается полная информация о распределении светового потока по поверхности светочувствительной матрицы. Ввиду большого количества фоточувствительных элементов, электронных ключей и соединяющих их цепей выполнение матричных фотоприемников целесообразно только при использовании интегральной технологии.

В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фотослои, выполняющие функции: фоторезисторов: фотодиодов; фототранзисторов; полевых фототранзисторов; фотоприборов с зарядовой связью (ГПС).

Рис. 3.17 Упрощенная структура матричного фотприемника.

Рис. 3.18. Упрошенная схема подключения фоточувствительных элементов в матричном фотоприемнике

Поясним только принцип действия фотодиодного матричного фотоприемника на примере рис. 3.18. На нем показаны две вертикальные шины, подключаемые ключами , и одна горизонтальная, подключаемая ключом Кл 1. Каждая вертикальная шина соединена с горизонтальной с помощью фотодиода, у которого имеется барьерная емкость С, показанная пунктиром. При замыкании ключей барьерная емкость фотодиода заряжается до напряжения источника питания Е. Длительность и частота включения ключей зависят от количества элементов в матрице и частот генераторов горизонтальной и вертикальной разверток. В моменты, когда фотодиод отключен от цепи вследствие того, что разомкнут ключ вертикальной или горизонтальной шин или оба вместе, емкость разряжается через фотодиод, причем ток разрядки зависит от освещенности последнего.

За фиксированные промежутки времени между моментами подключения фотодиодов к шинам заряды на емкостях различны и определяются освещенностью соответствующих фотодиодов. При очередном подключении фотодиода к шинам ток зарядки емкости зависит от значения остаточного заряда на ней. Чем ярче освещен фотодиод, тем сильнее разрядится емкость, будет меньше ее напряжение и больше ток зарядки.

Падение напряжения на резисторах R определяется током зарядки емкостей, т. е. освещенностью соогвектвуюшнх фотодиодов. Включая поочередно ключи при замкнутом ключе Кл 1, получают электрические сигналы, пропорциональные освещенности фотодиодов данной строки. Включив ключ следующей строки, разомкнув ключ и повторив включение ключей , получим электрические сигналы, характеризующие освещенность фотодиодов следующей строки, и т. д.

Таким образом, яркостный рельеф светового изображения преобразуется в сдвинутые во времени электрические сигналы, значения которых пропорциональны освещенности соответствующего фоточувствительного элемента. Очевидно, что аналогичные результаты будут получены в том случае, если с низкой частотой включать ключи вертикальных, а с большой — горизонтальных шин.

Г енераторы вертикальной и горизонтальной разверток должны иметь существенно различные частоты, при которых обеспечивается уверенный опрос всех фоточувствительных элементов. Частоту выборки информации обычно берут порядка 10 — 20 Гц, а частоту считывания строк . Время «прочтения» одной «страницы» составляет десятые доли — несколько секунд. Шаг между центрами фоточувствительных элементов может достигать 5—15 мкм.

Многоэлементные фотоприемники применяют при создании технического зрения, систем автоматического контроля размеров, при определении положения в пространстве и качества обработки и пр.

Существуют и другие типы фотоприемников, используемых в оптоэлектронике. Однако принцип работы большинства из них такой же, так как в основе их работы лежит или изменение электропроводности материала при его освещении, или фотоэффект в .