Полупроводниковый преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 9 ( Ь 31/04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРсТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 360000, кл. Н 01 Ь 31/04, 1974.2. Авторское свидетельство СССР Р 310578, кл. Н 01 Ь 31/04, 1976. (54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлементно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания фотоприемных элементов матрицы, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повьппения быстродействия путем уменьшения времени формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого иэображения в обобщенныйряд Ферье при одновременном увеличении чувствительности, каждаяэлементарная ячейка матрицы содержитдополнительно два ИОП-транзистораи дополнительно введены поканальныеусилители считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами,источник управляющего напряжениятранзисторов, дополнительная системавертикальных и горизонтальных шин иобщая шина, к которой подключенисточник питания фотоприемных элементов, при этом поканальные усили.тели подключены входами к горизонтальным шинам, к которым подключеныстоки транзисторов, а выходами - ктой из упомянутых линеек ключевыхэлементов, которая соединена собщим усилителем считывания, источник же управляющего напряжения транзисторов через вторую линейку ключевых элементов и вертикальные шиныподключен к затворам транзисторов, 7 б 647120 45 50 55 В исходный момент времени на матрицу фотоприемных элементов проецируется анализируемое распределение освещенности. На первом такте .на выходах генераторов селекторных импульсов Формируется управляющая последовательность сигналов, распределенная вдоль линеек ключевых эле- ментов, Через ключевые элементы линеек половина площадок фотоприемников одного столбца оказывается подключенными либо к положительному либо к отрицательному выходу двуИзобретение относится к области безвакуумных фотоэлектрических сканируемых устройств.Известно, что передача информации об изображении в форме значений 5 составляющих пространственно-частотного спектра изображения; а не в форме видеосигнала, во многих случаях оказывается предпочтительной. Известны как оптические, так и опто электронные методы разложения ана" лизируемой функции.в обобщенный ряд по полному ортогональному базису, например, построенному по базису Уолша-Адамара. 15Известно устройство, содержащее матрицу Фотоприемных элементов, две линейки ключевых .элеметов, два генератора селекторных импульсов, общий усилитель считывания, совмещающее Функции Фотоприемного ц маскирующего элементов 1,11Недостатком этого устройства является то, что синтезируются маски, содержащие невоспринимающие свет 25 элементы: маски двуградационные - О и 1, т.е. имеют место потери световой энергии.Известен полупроводниковьпл преобразователь энергии светового излу чецця в электрический сигнал, содержащий матрицу элементарных ячеек с фотоприемцымц элементами и системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлемептно с выходами генераторов селекторных импульсов, включенных последовательно с генератором тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неин вертирующим и чнвертирующим входами, соединенными с выходами ключевых элементов одной из линеек, источник питания Фотоприемных элементовматрицы23 полярного источника питания. Фотоприемники обладают симметрией квоздействию излучения: генерируетсяток положительной либо отрицательнойполярности в зависимости от того ккакому из выходов источника питанияподключен данный столбец. Ключевыеэлементы второй линейки подключаютстроки матрицы либо к неинвертирующему, либо к инвертирующему входуобщего усилия считывания. В усилителе сигналы суммируются и таким образом Формируется интегральный сигнал,пропорциональный значению первойпространственно-частотной составляющей спектра данного изображения.За ИМ тактов Формируется полныйспектр изображения, причем МИ, -размерность матрицы,Недостатком устройства являетсяограниченное быстродействие: относительно большое время Формированиякаждого коэффициента, которое требует переключения полярности питающегонапряжения на фотоприемном элементе.Переходные процессы проводят завремя, сравниваемое с временем жизнинеосцовных носителей тока, созданныхсветом. Поскольку с целью повышенияфоточувствительности время жизниносителей стремятся повысить, быстродействие оказывается ограциченныглпереходными процессами в Фотоприемниках, а це быстродействием обслуживающей схемы - усилителями и ключевыми элементами.Целью изобретения является повышение быстродействия путем уменьшения времени Формирования коэффициентов пространственно-частотного разложения анализируемого изображенияв обобщенный ряд Фурье при одновременном увеличении чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в известном полупроводниковом преобразователе энергии светового излучения в электрический сигнал, содержащем матрицу элементарных ячеек с Фотоприемными элементами и с системой токоотводящих вертикальных и горизонтальных шин, две линейки ключевых элементов, соединенных поэлементно с выходами генераторов селекторцых импульсов, включенных последовательно с генераторами тактовых импульсов, общий усилитель считывания с неинвертирующим и ицвертирующцм входами, соединенными свыходами ключевых элементов одной излинеек, источник питания Фотоприемных элементов матрицы, каждая элементарная ячейка матрицы содержит дополнительно два МОП-транзистора и дополнительно введены поканальныеусилители считывания и неинвертирующим и инвертирующим входами, источник управляющего напряжения транзисторов, дополнительная система верти- Окальных и горизонтальных шин и общаяшина, к которой подключен источникпитания фотоприемных элементов, приэтом поканальные усилители подключены входами к горизонтальным шинам, 15к которым подключены стоки транзисторов, а выходами - к той же из упомянутых линеек ключевых элементов,которая срединена с общим усилителемсчитывания, источник же управляющегонапряжения транзисторов через вторуюлинейку ключевых элементов и вертикальные шины подключены к затворам 30 45 транзисторов.На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема; на Фиг. 2карта суммирования Фототоксв элементарных ячеек с учетом знака Фототокадля положения ключевых элементов,в ,показанного на фиг. 1.ФК общей подложке 1, снабженнойобщей шиной 2, выполнена матрицаэлементарных ячеек 3. Каждая элементарная ячейка содержит фотоприемный элемент 4 и два Г 1 ОП-транзистора 351(ключи) 5 и 5 , имеющих исток 6,сток 7, затвор 8. Матрица снабженадвумя системами взаимно-ортоганальных токоотводящих шин: вертикаль 1/них 9 - Х и 10 - Х , а также 40Йгоризонтальных 11 - Г, и 12 - 11Истоки ключей 5 подключены к фотоприемным элементам 4. Затворы 8ключей 5 - и шинам О. Стоки 7ключей 5 подключены к шинам 11,а стоки 7 ключей 5 - к шинам 12.Линейка 13 ключевых элементов на .два положения А и В соединена свертикальными шинами: контакты А сшинами 90, а контакты В - с шинами 10. Линейка 14 ключевых элементов на два положения А и В соединена с поканальными усилителямисчитывания 15 входами. Неинвертирующие входы усилителей 15 соединены 55с горизонтальными шинами 12, а инвертирующие входы с шинами 11. Линейка ключевых элементов 13 управляется многовыходным генератором селекторных импульсов 16, а линейка ключевых элементов 14 - генератором селекторных импульсов 17. Оба генератора 16 и 17 соединены с генератором тактовых импульсов 18. Выходы линейки ключевых элементов 14 А соединены с неинвертирующим входом общего усилителя считывания 19, а выходы В - с инвертирующим входом того же усилителя 19Входы ключевых элементов 13 соединены с вьгходом источника управляющего напряжения 20. Общая шина всех фотоприемных элементов 2 соединена с выходом однополярного источника питания 21.В исходный момент времени на матрицу проецируется анализируемое распределение освещенности. На общую шину 2 подано напряжение питания от источника 21, На первом такте работы устройства под воздействием запускающего импульса тактового генератора 18 на выходах генераторов селекторных импульсов 13 и 14 Формируются две линейных пространственно-распределенные пос 01 ледовательности сигналов:Х) и У(У). Эти последовательности запнсаны в двоичном коде, например 1, -1, +1, -1, где значению -1 соответствует, например, замыкание ключа на выходе А, а значению +1 замыкание ключа на выход В,того же ключа. Через ключевые элементы 13 от источника управля 1 ощего напряжения 20 смещение поступает на затворы 8 ключей 5. С выходов А напряжение замыкания поступает на ключи 5, а с выходов В. - на ключи 5. В каждой элементарной ячейке на каждом такте работы замкнут лишь один из двух ключей. Замкнутый ключ соединяет Фотоприемный элемент 4 либо с шиной 11 либо с шиной 12, и, следовательно, либо с неинвертирующим, либо с инвертирующим входом поканального усилителя считывания 15. Таким образом, на входы усилителей 15 попадают все Фототоки, генерируемые Фотоприемными элементами 4-х строк. Величины этих фототоков пропорциональны освещенности элементарных площадок 4. В поканальных усилителях 15 фототоки суммируются либо со знаком (+), либо со знаком (-) в зависимости от Фого, по какой из двух шпн 11 или 12 ониНа втором такте работы устройства .генераторы селекторных импульсов 16 и 17 в соответствии с программой генерируют две новые пространствен 35 ные последовательности ,д ий)Тщ (У), которые переводят ключевые элементы линеек 13 и 14 в новые положения. Соответственно та же 40 самая анализируемая Функция 1(Х У ) оказывается умноженной на новую Функцию анализа 1,и,). На выходе(2)общего усилителя считывания 19 Форми руется второй токовый сигнал: а"юЬпропорциональный второму коэффициенту обобщенного ряда Фурье. За ММтактов формируются все БМ коэффици"ентов в . полный пространственно-час- .тотный спектр анализируемого изображения.Эта последовательность сигналов 15в дальнейшем может поступать в ЭЦВМ, быть передана по каналу связи, залом. иена, обработана, из нее может быть поступили. Суммарные сигналы с выходов усилителей 15 поступают на входы ключевых элементов линейки 14 Линейка 14 управляется от генератора селекторных импульсов 17, который на том же первом такте работы устройства перевел ключи, например, в положение +1, -1, -1, +1, т.е. замкнул их либо на контакт А, либо на контакт В. Таким образом, суммарные построчные сигналы с усилителей считывания 15 поступают как на инвертирующий так и на неинвертирующий входы общего усилителя считывания 19, где они суммируются. Токовый сигнал на выходе общего усилителя 19 оказывается пропорциональным интегралу1,:сЦХ(Х,УР",(Х,М)с 7 хс 1 У,5где(Х,У) - пространственноераспределение освещенности по матрице;Рии 1 ЛУ) - двумерная двуградационная базисная функция анализа,причем 10152030 вновь восстановлено отфильтрованноес повышенным отношением сигнала кшуму регистрируемое изображение.Повышение быстродействия устройства достигается путем уменьшения времени формирования коэффициентов. В процессе работы устройства Фотоприемные элементы не переключаются: они не переводятся из положения с отрицательным смещением в положение с положительным смещениемУмножение значения регистрируемого элементного Фототока.на +1 или на -1 осуществляется только с помощью отдельных от фотоприемника ключевых элементов и усилителей считывания. Фотоприемные элементы находятся под постоянным напряжением смещения от источника 21.Если в прототипе переходные процессы составляли десятки - единицы микросекунд, так как лимитировались временем жизни неосновных носителей, созданных светом, и переходными процессами в емкостях Фотоприемных элементов, то теперь время вычисления одного коэффициента ограничивается переходными процессами в ключевых элементах, где они специальными мерами ускорены до сотых-тысячных долей микросекунды без ущерба для пороговой чувствительности матрицы, Таким образом, получено повышение быстродействия на несколько порядков, Кроме того, фотоприемная площадка элемента матрицы предлагаемого преобразователя на 80-907 занята собственно .Фоточувствительным элементом, Ключи (МОП-транзисторы) располагают под шинами. В прототипе Фотоприемный элемент должен обладать симметричной к воздействию света вольт-амперной характеристикой, что достигается конструированием этого элемента из двух одинаковых фотоприемников, например фотодиодов. На каждом такте работы Фоточувствителен лишь один из двух Фотоприемников в каждой ячейке, и его Фототоку приписывается знак + или - .Использование изобретения позволяет повысить чувствительность в 2 раза. Расщирен круг Фотоприемников, которые могут быть йспользованы в качестве элементарных матрип,ВНИИПИ Заказ 8138/4 Тираж 678 Подписно иал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 Снято требование симметричность вольт-амперной характеристики к воздействию света. Использование в качестве элемента матрицы ри фото- диода, не обладающего сммметричностью, позволит регистрировать коэффицйенты за время10 с.Помимо Р -1 -и фотодиодов в схеме устройства могут быть. использованы МДП-фотоприемники, фотосопротивле -66471 8ния, фотодиоды, фототранзисторы, болометрические датчики, тензометры и т.д., что расширяет круг анализируемых пространств.нно в распределенс ных воздействий Г 1,Х, ), как поспектральному составу для светового излучения, так и по физической природе воздействия, например, стано" вится возможной регистрация распре О деления давлений.