16.08.2011 - Конспект лекций. Фотоэлектрические преобразователи

Классификация преобразователей «Свет-сигнал»

Фотоэлектрический преобразователь - устройство, преобразующее оптическое изображение в электрический сигнал.
Классификация ФЭП приведена на рисунке 11.

В ФЭП с внешним фотоэффектом получение электронного изображения получается за счет различной яркости света отражаемого от поверхности изображения (используется в факсах, сканерах, ксероксах).

В ФЭП внутренним фотоэффектом заключается в изменении электрической проводимости некоторых материалов под действием светового потока.

В ФЭП мгновенного действия при преобразовании оптического изображения в электрический сигнал используется световая энергия, воздействующая на элемент изображения только в течение интервала времени считывания информации с элемента изображения (факсы, сканеры);

В ФЭП с накоплением заряда  при преобразовании оптического изображения в электрический сигнал световая энергия, облучающая элементы изображения в течение кадра, накапливается на элементах в виде электрических зарядов и считывается с них во время воздействия на элемент изображения электронного развертывающего луча. Большинство передающих телевизионных трубок – трубки с накоплением заряда.

3.2 Конструкция ФЭП типа видикон

Видикон  является электронно-лучевым ФЭП с накоплением заряда использующий внутренний фотоэффект.
Конструкция передающей трубки видикон представлена на рисунке 12.

Видикон состоит из

• фотомишени;
• электронного прожектора;
• фокусирующе-отклоняющей системы.

Фотомишень образована прозрачной электропроводящей сигнальной пластиной 1 и фотослоем 2, который нанесен на внутреннюю сторону пластины. Фотослой обладает внутренним фотоэффектом.
Прожектор состоит из катода с нитью накала 7, управляющего электрода 6, первого 5 и второго 4 анодов.
Электронный прожектор и фотомишень находятся в колбе 10. Для исключения появления ионного пятна на изображении, перед фотомишенью устанавливается мелкоструктурная сетка 3.
Отклоняюще-фокусирующая система состоит из отклоняющих 8 и фокусирующих 9 катушек.
Также в состав ФЭП входит объектив 11.
Световой поток, пройдя через объектив и сигнальную пластину, образует сфокусированное оптическое изображение на поверхности светочувствительного слоя. Проводимость различных участков фотослоя будет различна, и будет определятся яркостью светового потока, воздействующего на эти участки. Сигнальная пластина электрически соединена с выводом предназначенным для снятия тока сигнала. Электронный луч излучаемый катодом, фокусируется на поверхности фоточувствительного слоя мишени при помощи фокусирующей катушки. Поочередное считывание всех элементов растратра мишени происходит с помощью отклоняющих катушек, перемещающих электронный луч поочередно вдоль строк растра.

3.3 Твердотельные ФЭП на приборах с зарядовой связью (ФЭП на ПЗС)

Основным элементом ФЭП на ПЗС являются конденсаторы МОП-структуры (рисунок 13, а). Обкладками конденсатора являются металлический электрод (затвор) и полупроводник (подложка), между электродами находится слой диэлектрика (рисунок а). Если к затвору приложить положительное напряжение, то основные носители заряда (дырки) отойдут в глубь подложки, и под затвором образуется область обедненная основными носителями (потенциальная яма). В обедненной области начнут скапливаться неосновные носители (электроны), которые смогут находиться в этой области некоторое время без рекомбинации. Образовавшийся зарядовый пакет можно переместить из одного конденсатора в другой, расположенный рядом. Для этого необходимо уменьшить напряжение на затворе конденсатора, в котором находится зарядовый пакет и увеличить напряжение на затворе конденсатора, в который необходимо переместить это зарядовый пакет. При этом под затвором второго конденсатора образуется потенциальная яма в которую и переместится зарядовый пакет (рисунок 13, б).

ФЭП на ПЗС по способу построения растра делятся на линейные (одномерные) и матричные (двухмерные).
Линейные преобразователи содержат один ряд фоточувствительных элементов на ПЗС и позволяют сформировать сигнал с одной строки изображения.

Матричные преобразователи представляют собой пластинку из полупроводника небольшого размера. На пластинке содержится большое число миниатюрных МОП-конденсаторов, образующих множество строчных структур. С помощью объектива на фоточувствительную поверхность преобразователя проецируется оптическое изображение. Под воздействием света в полупроводнике возникает фотоэлектрическая эмиссия, образуются пары носителей зарядов электрон-дырка. Неосновные носители из этих пар накапливаются в потенциальных ямах, образованных МОП-конденсаторами. Количество заряда, накопленное в каждом МОП-конденсаторе, пропорционально освещенности области матрицы и времени накопления. В результате происходит распределение зарядов, точно повторяющее распределение освещенности в оптическом изображении. Меняя напряжение смещения на электродах МОП-конденсаторов, заряды перемещают поочередно на выход ФЭП.