Полупроводниковый преобразователь

ОП ИСАНИ ЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51) М. Кл.Н 01 1 31/04 б 06 К 9/12 Государственный комитет СССР до делам иаооретений н открытий(53) УДК 621 382 (088.8) Дата опубликования описания 10,07.80(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1Изобретение относится к области безваку. умных фотоэлектрических сканируемых устройств.Известно, что передача информации об изображении в форме значений составляющих пространственно. частотного спектра изображения, а не в форме видеосигнала, во многих отношениях оказывается предпочтительной.Известны как оптические, так и оптоэлектронные методы разложения функций по полному ортогональному базису, напри мер, построенному на основе базиса УолшаАдамара 111. Вместе с тем известны полупроводниковые преобразователи энергии светового излучения в электрический сигнал, содержа щие по крайней мере одну линейку фотоприемных элементов с контактами и общей шиной линейки ключевых элементов, поэлементно подключенные к контактам фотоприемных элементов, генераторы селекторных и тактовых импульсов, источник питания и усилитель считывания 2,Недостатком таких. устройств является ограниченная пороговая чувствительность. 2При растровом, поэлементно-последовательном опросе, в том числе с использованием накопления энергии на емкости р-и перехода или индуцированного перехода (МОП- конденсатора) не удается избежать потерь заряда за время накопления и эффективность накопления всегда существенно меньше 100%.Другим недостатком является большое время, необходимое для опознания образа, Формирование из видеосигнала пространства признаков, по которым в дальнейшем сможет быть произведена классификация изображений, требует большого времени и большого объема памяти.Целью изобретения является повышение пороговой чувствительности при одновременном снижении времени опознавания образа.Эта цель достигается тем, что усилитель считывания выполнен с неинвертирующим и инвертирующим входами и электрически связан с ключевыми элементами, соединенными с контактами фотоприемных элементов, и между генератором тактовых и генератором селекторных импульсов введен блок памяти.На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - графики, иллюстрирующие работу устройства в динамике; на фиг. 3 - один из вариантов выполнения устройства в виде одной фотоприемной линейки; на фиг. 4 - разрез фотоприемной линейки.Предложенный полупроводниковый преобразователь выполнен в виде изолированных друг от друга линеек фотоприемных элементов. Каждый фотоприемный элемент может быть, например, выполнен в виде пары встречно включенных фотодиодов, фототиристоров, в виде фототранзистора, фото- сопротивления, пары МОП-фотоконденсаторовит, п.На фиг. 1 в качестве примера показан набор линеек из пар встречно включенных диодов, причем глубины залегания р-п переходов и длина волны регистрируемого света подобраны так, что разделение носителей, созданных светом, лицевым и тыльным р-и- переходами одинаково эффективно, Оба диода могут быть расположены и на лицевой грани монокристалла.На фиг, 1 тыльный фотодиод образован базовой областью 1 и общей шиной 2. Общие шины снабжены контактами 3. Лицевые фотодиоды образованы базовой областью 1 и дискретными лицевыми областями 4. Контакты одноименных элементов всех линеек объединены электрическими шинам5, Контакты к общим шинам подключены к ключевым элементам 6, а койтакты одноименных элементов линеек - к ключевым элементам 7. Линейка ключевых элементов 6 поэлементно соединена с выходами генератора селекторных импульсов 8, а линейка ключевых элементов 7 - с генератором селекторных импульсов 9. Общие шины через ключевые элементы 6 связаны либо с положительным 10, либо с отрицательным 11 выходом двуполярного источника питания. Обе части генератора селекторных импульсов электрически связаны с блоком памяти программы работы ключевых элементов 12 и через него с генератором тактовых задающих импульсов 13. Контакты к одноименным элементам линеек 5 через ключевые элементы 7 связаны либо с не. инвертирующим,либо с инвертирующим входами усилителя считывания 14.Такое устройство позволяет повысить пороговую чувствительность, Наличие усилителя считывания с неинвертирующим и инвертирующим входами, электрически связанного через ключевые элементы со всеми фотоприемными элементами матрицы одновременно, позволяет каждый такт работы снимать информацию об освещенности всех элементов, а не одного, как это имеет место при растровом поэлементно-последовательном опросе. Пространственное кодирование этой информации происходит за счет умножения сигнала с каждого элемента на весовой коэффициент +1 или- 1 в соответствии с программой работы ключей, управляемых блоком памяти через посредствогенератора селекторных импульсов,з Работу устройства в целом синхронизует генератор тактовых импульсов. Приэтом весовой коэффициент +создаетсяна элементах одним из двух способов; либоза счет подачи положительного напряженияпитания и связи данного элемента с неин 1 ф вертирующим входом усилителя, либо засчет подачи отрицательного напряжения питания и связи данного элемента с инвертирующим входом усилителя. Соответственновесовой коэффициент- 1 создается наэлементах одним из двух других способов:либо за счет подачи отрицательного напряжения питания и связи с неинвертирующимвходом усилителя, либо за счет подачи положительного напряжения питания и связис инвертирующим входом усилителя. Только2 ф таким образом могут быть созданы двумерные маски весовых коэффициентов- 1и + 1 без использования весового коэффициента О, т. е. без потери энергии све- .тового излучения. Таким образом, заложена2основа для 1000/,-ного использования светового потока, которое реализуется на приемном конце при декодировании пространственно-частотного спектра изображения.Одновременно устройство позволяет ускорить процесс опознавания образа. Дейзр ствительно конструкция преобразователяобеспечивает поступление информации о пространственном распределении освещенностив форме пространственно-частотного спектраизображения. Операции над спектром, в отличии от операций над видеосигналом, позволяют эффективно отфильтровывать неинформативные составляющие, исключать влияние параллельных переносов, изменениямасштаба, яркости изображений, использовать непосредственно значения пространственно-частотных составляющих в качествепервичных признаков для проведения разделяющих поверхностей между классами изображений. Таким образом, число тактовработы устройства может быть существенноменьше числа тактов, обеспечивающих по 4 Ю элементно-последовательный опрос всей матрицы.Устройство работает следующим образом.В исходный момент времени на матрицуфотоприемных элементов спроецировано регистрируемое линейное распределение освещенности. В блоке памяти хранится программа смены базовых функций анализа,представляющих собой полную ортогональную систему функций.На первом такте работы устройстваи (см. фиг, 2) Тз = Т 1 под воздействием импульса тактового генератора 13 первая одномерная базовая функция поступает одновременно в генераторы селекторных импульсов8 и 9. Пусть матрица фотоприемных эле744790 ментов выбрана квадратной, т. е. число линеек выбрано равным числу элементов в линейке. При Т = Т ключевые элементы соединяют элементы матрицы с положительным выходом источника питания и с неинвертирующими входами усилителя считывания,При Тз = Т 1 синтезируется маска фото- чувствительности 81, которая приписывает всем элементам весовой коэффициент +1. В усилителе считывания 14 при этом формируется сигнал пропорциональный интегральной освещенности всей маски.На втором такте работы устройства (Тв = Та) на 1-ой и 4-ой линейке фотоприемных элементов - положительное смещение за счет соответствующего напряжения на выходах генератора селекторных импульсов. На 2-й и 3-й линейке - отрицательное. На ключевых элементах, связывающих элементы матрицы с усилителем считывания, сохраняется одномерная функция предыдущего такта. В результате синтезируется маска Ь.Последующие такты работы устройства из блокд памяти поступают все возможные сочетания одномерных функций на ключевые элементы 6 и 7. Соответственно синтезируются все маски фоточувствительности Ьцп. Число. масок соответствует числу элементов матрицы. В усилителе формируется полный набор сигналов - коэффициентов при членах разложения изображения в ряд Фурье-Уолша.Следует отметить, что при реализации матрицы фотоприемных элементов в виде набора линеек полная электрическая изоляция элементов линейки не нужна, Коммутация по строкам не связана с подачей управляющих напряжений, а только с переключениями входов усилителя, что не приводит к возникновению уравнивающих токов. Полная же электрическая изоляция линеек друг от друга необходима.. Кроме того, следует отметить, что устройство может быть выполнено и на несимметричных фотоприемных элементах: фотодиодах, фото-р-п-структурах, фото-МОП- структурах, фототранзисторах. В этом случае один выход источника питания заземляется и за один такт работы устройства синтезируется маска фоточувствительности, модулирующая лишь половину изображения, Вторая половина изображения при этом не регистрируется. На втором такте работы устройства заземляется другой выход источника питания, и знак незаземленного выхода меняется на обратный. Новая группа очувствленных элементов с весами + 1 и- 1 дополняет ранее полученную маску до полной. Таким образом, при использовании несимметричных фотоприемных элементов в 2 раза удлиняется процесс формирования коэффициентов и теряется половина энергии светового излучения, но существенно 6упрощается структура фотоприемцой матрицы.Устройство может быть выполнсцо и в виде одной фотоприемной линейки. В этом случае удобно выполнить линейки ключевых элементов, генераторы селекторных импульсов и собственно фотоприемники на единой полупроводниковой подложке 15 (фиг. 3) в виде единой большой интегральной схемы.Линейка имеет общую шину 16, дискретные участки 17, контакт 18 к общей шине 1 ф и контакты 19 к дискретным участкам. Натой же общей подложке 15 размещена линейка ключевых элементов. Каждый ключ переключает фотоприемный элемент в два положения: либо на неинвертирующий, либо на инвертирующий вход усилителя считывания. Для упрощения топологии линейка ключевых элементов выполнена по обе стороны от линейки фотоприемных элементов, и соответственно имеет две общих шины 20 и 21, две группы дискретных участков 22и 23, контакты 24 и 25 к общим шинам.Аналогично генераторы селекторных импульсов имеют общие шины 26 и 27, дискретные участки 28 и 29, контакты 30 и 31 к общим шинам. К контактам 30 и 31 подсоединены выходы блока памяти 32, вклюф ченного последовательно с генератором тактовых импульсов ЗЗ, Контакт 18 к общей шине линейки фотоприемных элементов заземлен, а контакты 24 и 25 соединены, соответственно, с неинвертирующим 34 и инз вертирующим 35 входами усилителя считывания 36. В случае использования ри фотодиодов ь -область 37 (фиг. 4) может быть общей для всех элементов,Уже реализована матрица фотоприемных элементов размерностью 32 Х 32, размер элементарной ячейки 620 Х 620 мкм,На исходной пластине п- кремния марки КЭФизготавливалась диэлектрическая маска, служащая для формирования Ч-образных канавок на поверхности плас тины. После окисления рельефной поверхности на нее осаждался слой поликристаллического кремния толщиной 250 мкм. Затем слой монокристалла кремния сошлифовывался до вскрытия разделяющих канавок. 4Таким образом, обеспечивалась электрическая изоляция диэлектриком отдельных линеек фотоприемной матрицы, После этого на изолированных участках монокристаллического кремния создавались дискретные р участки р -кремния методом осаждения изгазовой фазы в окна диэлектрической маски.Полученные диоды имеют следующие па.раметры: интегральная чувствительность 7,2 мА/лм; плотность темнового тока 1 - 2.10 фА/мм при и = 10 В; область спектральной чувствительности 0,5 - 1,0 мкм, удельная емкость 30 пф/мм.Качество диэлектрической изоляции было таково, что токи утечки между элемек) не ограничив8интегральногоОвание этОЙ м атрицы вник питанияи тактовых импульсов вать накоплениего опроса п озволило еалиУализо- ПОРОГОВО"еалОвои "увств"телое номР Одновремен."езвычаЙИОемени опознаов кото ыф д де авания брния выполнеза,РУР, соединенными с кыми элеменнтовформ лае и ератором таки между генебсов введен блок пагенераторами сеПолупроводниковлок памяти.эне гиднико р Образовательдниковый п еИсточники инизлучен"я ктричесво внимание п" инф Рмацииии по краЙней ме епри экспертизеру 111Р К РР р 1, 1976, 7. 15,2, РйеЫегег Н.элементно по к кон.азегОная, 4,НИИПИ Государс по делам изо 035, Москва, Ж -л ППП Патент, рректордписноеР ПСС тий б., д Проек