Твердотельные преобразователи свет-сигнал

Реализуются на приборах с зарядовой связью, а так же на их способности накапливать, хранить и перемещать зарядовые пакеты.

ПЗС формируются на основе МОП конденсаторов, которые представляют собой полупроводник с диэлектрической подложкой. Если, используя полупроводник p-типа, на металлический затвор подать положительный потенциал, то под действием электрического поля основные носителя зарядов устремятся вглубь полупроводника и под затвором образуется потенциальная яма, то есть область, обедняемая основными носителями. Глубина потенциальной ямы будет зависеть от приложенного напряжения, толщины и диэлектрической проницаемости. Если в потенциальную яму поместить зарядовый пакет из неосновных носителей зарядов, то он может храниться достаточно долго. Так как основных носителей зарядов в яме нет, то и рекомбинировать будет не с чем.

Если рядом расположить 2 МОП конденсатора с общей полупроводниковой подложкой и на затворы подавать различное напряжение, то под одним из затворов будет формироваться более глубокая потенциальная яма и зарядовые пакеты. Если после формирования зарядовых пакетов поменять значение потенциалов зарядов, то под вторым затвором сформируется более глубокая потенциальная яма и зарядовый пакет «перетечет» в нее

За счет данной особенности можно осуществить перенос зарядовых пакетов МОП конденсаторов в больших количествах используя прямоугольные импульсы различной амплитуды, что существенно упрощает процесс развертки. Таким образом, при функционировании твердотельных преобразователей свет-сигнал можно выделить два этапа:

- наполнение зарядовых пакетов

- этап их переноса

Разделение этих этапов между собой может быть посредственным или временным.

При временном разделении сначала происходит процесс накопления заряда, после чего механически прекращается доступ к источнику света и происходит процесс переноса заряда. Данный способ применяется при преобразовании статического изображения.

При пространственном разделении используется две отдельные области МОП конденсатора (наполнения и переноса), разделенные между собой металлическим затвором. Сначала происходит процесс наполнения заряда, после чего «открывается» металлический затвор и сформированные зарядовые пакеты перемещаются из области наполнения в область переноса. После чего металлический затвор «закрывается» и в области накапливания происходит накапливание новых зарядовых пакетов, а в области переноса – перенос поступивших туда. Данный способ разделения применяется при формировании подвижных изображений.

Твердотельные преобразователи свет-сигнал делятся на линейные и объемные.

Линейные преобразователи представляют собой МОП конденсаторы, соединенные между собой по одной линии. Данные преобразователи используются в сканерах, камерах, факсах.

Объемные преобразователи представляют собой МОП конденсаторы, соединенные друг с другом в одной плоскости. Они используются в фото- и кинокамерах и других устройствах, в которых применяется электронная развертка. В объемном преобразователе свет-сигнал используется построчный или покадровый перенос зарядовых пакетов.

При построчном переносе, фотомишень преобразователя разбивается на отдельные строки, каждой из которых будет соответствовать своя отдельная область переноса, считывание зарядовых пакетов из которых будет осуществляться последовательно.

При покадровом переносе, фотомишени преобразователя будет соответствовать отдельная область хранения, в которую зарядовые пакеты будут перемещаться, а за тем последовательно считываться.

Твердотельные преобразователи свет-сигнал обладают следующими достоинствами:

- низкая потребляемая мощность

- небольшие габариты

- простая система развертки

- высокая надежность и долговечность.

Благодаря этим достоинствам, на сегодняшний день, в качестве преобразователя свет-сигнал используются твердотельные преобразователи.

Передающие телевизионные трубки (ПТТ)

ПТТ используются в телевизионных камерах в качестве преобразователей свет-сигнал.

Трубки классифицируются на:

- трубки мгновенного действия

- трубки с накоплением зарядов

В трубках мгновенного действия преобразование освещенности отдельного участка изображения осуществляется мгновенно.

В трубках с принципом накопления зарядов преобразование происходит поэтапно: в текущем и последующем кадре.

Трубки, в которой реализован принцип накопления зарядов, получили большое распространение, так как уровень выходного сигнала у них был заметно выше по сравнению с ПТТ мгновенного действия.

Рассмотрим ПТТ типа «Видикон»

Данная трубка состоит из светочувствительной поверхности, электрического прожектора и сигнальной пластины.

Светочувствительная поверхность представляет собой тонкий слой полупроводника, обладающего внутренним фотоэффектом.

Внешняя поверхность полупроводника покрывается тонким слоем, который образует сигнальную пластину. Эта пластина обеспечивает электронный контакт со всеми элементарными участками фотомишени. Выполняется, как правило, из золота или его окиси, обеспечивая прозрачность светового потока не менее 90%.

Электрический прожектор обеспечивает формирование развертывающего элемента (электронного луча) и подачу его на светочувствительную поверхность.

Электрический прожектор состоит из:

- катода

- управляющего электрода

- первого и второго анодов

Катод обеспечивает формирование электронного луча. Управляющий электрод обеспечивает предварительную фокусировку и ускорение электронного луча. Первый и второй аноды обеспечивают основную фокусировку и подачу электронного луча на светочувствительную поверхность. Так же между вторым анодом и светочувствительной поверхностью располагают выравнивающую сетку, которая обеспечивает выравнивание электронов по краям светочувствительной поверхности, предотвращая тем самым возникновение ионного пятна по центру изображения.

Перемещение электронного луча и его дополнительную фокусировку обеспечивают фокусирующие и отклоняющие катушки.

Рассмотрим принцип работы ПТТ «Видикон» по эквивалентной принципиальной схеме.

Элементарный участок светочувствительной поверхности будет представлен в виде емкости с параллельным включенным сопротивлением.

Сопротивление будет обозначать фотопроводимость полупроводника, а емкость будет образовываться между сигнальной пластиной и внутренней поверхности фотомишени. Электрический прожектор, развертывающий элемент и отклоняющая система на эквивалентной схеме будут представлены виде электронного коммутатора.

При проецировании на фотомишень происходит распределение освещенности каждого элементарного участка. В результате изменяется сопротивление резисторов фотопроводимости обратно пропорционально освещенности каждого участка. То есть, участку с больше освещенностью будет соответствовать небольшое сопротивление R, а участку с меньшей – большее.

При подключении к развертывающим элементам отдельного участка и цепи протекания тока от источника питания будет заряжаться конденсатор элементарного участка. После прекращения коммутации, конденсатор будет разряжаться через резистор, причем, время разрядки конденсатора будет зависеть от сопротивления фотопроводимости, то есть чем больше сопротивление – тем медленнее будет разряжаться конденсатор и, следовательно, к моменту следующего коммутирования конденсатор будет обладать либо большим, либо меньшим отрицательным потенциалом.

Таким образом, для участка с большей освещенностью спустя кадр потенциалы будут менее отрицательными, а для участков с меньшим – более отрицательным.

Так как коммутация осуществляется электронным лучом, а электроны являются отрицательно зараженными частицами, то в момент коммутации в зависимости от потенциала конденсатора большая или меньшая часть электронов луча будет поступать на светочувствительную поверхность.