Přednáška

Fakulta elektrotechniky
a komunikačních technologií Volitelný předmět Garant: Prof. Ing. Stanislav HANUS, CSc. Akademický rok 2007 - 2008, zimní semestr Fakulta elektrotechniky
a komunikačních technologií 3 OPTOELEKTRICKÉ MĚNIČE 3.1 Úvod V optoelektrických měničích dochází k přeměně energie dopadajícího světelného záření na elektrický signál. V současné době „dožívají“ snímací elektronky (plumbikon, vidikon, aj.) a již dominují světlocitlivé snímače CCD (Charge Coupled Devices). Snímací elektronky využívaly vnější a vnitřní fotoelektrický jev. Snímače CCD využívají generaci náboje ve struktuře kapacitoru MIS. Podle způsobu generace obrazového signálu dělíme snímače na neakumulační a akumulační. 3.1.1 Neakumulační optoelektrické měniče Při snímání elementárního obrazového bodu (pixelu, světlocitlivého bodu) je obrazový signál úměrný OKAMŽITÉ hodnotě intenzity osvětlení E uvažovaného bodu – je úměrný osvětlení v době sepnutí spínače S.
Snímání diapozitivů a filmů metodou běžícího paprsku. 3.1.2 Akumulační optoelektrické měniče Při snímání elementárního obrazového bodu je obrazový signál úměrný elektrickému náboji, který se v prvku vytvořil v důsledku osvětlení uvažovaného bodu ZA (téměř) CELOU DOBU TRVÁNÍ SNÍMKU. Při rozpojeném spínači S se v kapacitoru C hromadí elektrický náboj, který je úměrný intenzitě osvětlení uvažovaného bodu za dobu celého snímku. Po sepnutí spínače S se kapacitor C musí za krátkou dobu vybít přes zatěžovací rezistor R a vzniká obrazový signál. Pro vybíjecí časovou konstantu musí platit kde N je počet elementárních obrazových bodů ve snímku. 3.2 Monolitické snímače CCD Vyrábí se struktury řádkové (až několik tisíc bodů v řádku) nebo plošné (až několik milionů bodů ve čtvercové nebo obdélníkové matici). Výhody:a) malé rozměry (15 x 15 mm) a příkon,
b) vysoká geometrická přesnost obrazu,
c) široký spektrální rozsah (infra oblast),
d) velký dynamický rozsah,
e) lineární převodní charakteristika (g = 1),
f) vysoká citlivost,
g) odolnost vůči elektromagnetickým polím. Nevýhody:a) teplotní závislost (polovodič),
b) snížení dynamického rozsahu. Hlavní výrobci: Valvo, Fairchild, RCA. Podle technologie výroby se monolitické světlocitlivé snímače označují:
a) CCD nebo BCCD (Buried Charge Coupled Devices),
b) CID (Charge Injection Devices),
c) CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor). 3.2.1 Princip generace a transportu náboje V polovodiči typu P jsou majoritními nosiči náboje díry (+) a minoritními nosiči náboje elektrony (-).
Polovodič NENÍ osvětlen, napětí UF = 0.
V polovodiči jsou pouze volné elektrony vzniklé v důsledku nečistot a teplotní generace (T > 0K). Způsobují tzv. proud za tmy (řádově jednotky nA). Polovodič NENÍ osvětlen, UF > 0. V důsledku napětí UF se pod elektrodou vytvoří oblast ochuzená o majoritní nosiče náboje, tzv. potenciálová jáma. Její velikost je úměrná velikosti napětí UF.
Pod elektrodou jsou soustředěny „nechtěné“ elektrony. Polovodič JE osvětlen, UF > 0. V důsledku osvětlení se v polovodiči generují páry elektron-díra. Elektrony se soustřeďují pod elektrodou, díry jsou od ní odpuzovány. Náboj elektronů je úměrný součinu intenzity osvětlení E a doby akumulace náboje.
Doba osvětlení nesmí být příliš dlouhá (max. desítky ms podle aplikace), jinak dochází k saturaci potenciálové jámy. Náboj se musí co nejrychleji převést na obrazový signál (tepelná generace). Akumulovaný náboj se přesune pod transportní elektrodu, která je chráněna neprůsvitnou vrstvou.
Transport je uskutečněn změnou napětí na transportní elektrodě T (z nuly na kladnou hodnotu) a poté na fotoelektrodě F (z kladné hodnoty na nulu). Struktura pod transportní elektrodou tvoří analogový posuvný registr, kterým se nábojová kvanta transportují (přesouvají) na výstupní převodník Q/U (náboj/napětí).
Transport nábojových kvant se uskutečňuje hlouběji v substrátu, v tzv. ponořeném kanálu, kde nedochází k ovlivnění nábojových kvant rekombinacemi elektronů na povrchových nečistotách (dosahuje se vyšší účinnosti přenosu až 0,99999). Analogové posuvné registry jsou řízeny soustavou dvou nebo třífázových řídicích signálů UT. 3.2.2 Řádkové snímače CCD Signálem UX jsou všechna nábojová kvanta současně přesunuta do posuvného registru CCD, ze kterého se vysouvají na výstup do převodníku Q/U pomocí řídicích transportních signálů UT. Používají se k bezdotykovému měření rozměrů, ve scanerech, apod.
V současné době se vyrábí řádkové snímače obsahující až 12 000 obrazových bodů v řádku.
Obrazový element (pixel) má rozměry cca 7 x 10 mm.
Nábojová kvanta lze vysouvat signálem UT s maximální frekvencí cca 30 MHz.
Pro generování barevných signálů (R, G, B) se před světlocitlivou vrstvu vloží barevné filtry (R, G, B) ve tvaru proužku – takový snímač obsahuje 3 posuvné registry. Řídícími signály z přepínače (1 z N) se postupně řídí spínače v poli spínačů. Na výs