ВИДЕОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к многоэлементным матричным фоточувствительным приборам инфракрасного диапазона.
Известен многоэлементный видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов (ФЧЭ), от которых заряды к выходному усилителю перемещаются по вертикальным и горизонтальному регистрам переноса заряда (см. К.Секен, М.Томпсет «Приборы с переносом заряда (ПЗС)», изд. «Мир», Москва, 1978). Основным недостатком таких приборов является необходимость выделения значительной площади фоточувствительного поля для регистров переноса, так как зарядовому пакету каждого ФЧЭ должна соответствовать зарядовая емкость ячейки переноса. Для ПЗС характерно паразитное явление - размытие сигнала вследствие неэффективности переноса заряда вдоль канала, что проявляется в смешивании сигналов соседних ячеек, то есть к потере контрастности изображения. С увеличением формата матрицы необходимо повышать рабочую частоту ПЗС регистров. С увеличением рабочей частоты ПЗС прибора растет неэффективность переноса.
Известен многоэлементный видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу ФЧЭ, в котором считывание заряда происходит построчно на общие вертикальные металлические шины с последующей инжекцией в горизонтальный ПЗС регистр переноса (см. патент Японии №2714293, МПК 6 Н 04 N 5/335, 1997 г.). Для этого типа приборов характерно невысокое качество изображения вследствие разброса паразитных емкостей вертикальных металлических шин и размытие сигнала вследствие неэффективности переноса заряда в канале горизонтального ПЗС регистра.
Известен видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу ФЧЭ, соединенных построчно с вертикальными регистром со сбором остаточного заряда и горизонтальным ПЗС регистрами см. Masafumi Kimata, Masahiko Denda, Naoki Yutani, Shuhei Iwade, and Natsuro Tsubouchi, "A 512×512-element PtSi Schottky-B airier IR image sensor", ШЕЕ journal of solid-state circuits, vol. sc-22, 6, December 1980, Hirofumi Yagi, Naoki Yutani, Shinsuke Nagayoshi, Junji Nakanishi, Masafumi Kimata, and Natsuto Tsubouchi, "Improved 512×512 IRCSD with large fill factor and high saturation level", SPIE vol. 1685 Infrared detectors and focal plane arrays II, pp.37-47, 1992). В нем заряд от ФЧЭ по вертикали в горизонтальный ПЗС регистр перемещаются по ПЗС регистрам в предложенном авторами режиме с «подметанием» заряда (Charge Sweep Device). В отличие от обычного режима работы в приборе со сбором остаточного заряда при считывании из ФЧЭ в вертикальный канал инжектируется лишь один зарядовый пакет, который распределяется по всем ячейкам регистра переноса. Этот пакет постепенно накапливается в промежуточной емкости хранения перед инжекцией заряда в горизонтальный регистр до считывания следующего зарядового пакета. В управлении работой вертикального регистра предусмотрены дополнительные циклы для сбора остатков заряда отставшей части зарядового пакета вследствие неэффективности переноса. Процесс сбора остаточного заряда под действием дополнительных циклов переноса назван авторами «подметанием».
Известен наиболее близкий к предлагаемой полезной модели многоэлементный видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу ФЧЭ, в котором накопленный в элементарной ячейке заряд определяет ток управляющего транзистора истокового повторителя, расположенного в ячейке матрицы, нагрузка которого привязана к общей шине столбца матрицы. Управление считыванием видеосигнала производится с помощью КМОП-мультиплексоров (Комплементарная Металл-Окисел-Полупроводник структура), (см. патент США №5933190, НКИ 342-302, 1999 г.). недостатком таких
приборов является наличие в каждой ячейке матрицы трех транзисторов, что ухудшает фактор заполнения, снижает пороговую чувствительность ФЧЭ и чувствительность матрицы в целом. Качество изображения и уровень шума сильно зависят от разброса паразитных емкостей вертикальных шин металлизации. Разброс параметров транзисторов, расположенных внутри каждой элементарной ячейки, и усилителях столбцов приводит к существенной неоднородности чувствительности по матрице, которую необходимо компенсировать с помощью дополнительной обработки видеосигнала за счет снижения динамического диапазона.
В прототипе считывание информации с матричного преобразователя оптического излучения осуществляется по схеме строчно-кадровой выборки. По этой схеме с помощью вертикального сдвигового регистра производится выборка строки фоточувствительных ячеек и передача потенциала фоточувствительного элемента на общую вертикальную шину через истоковый повторитель, нагрузка которого привязана к общей шине. Установившийся на нагрузке потенциал, соответствующий заряду фоточувствительной ячейки, запоминается с помощью схемы выборки-хранения. Затем последовательно опрашивая ячейки выборки-хранения с помощью горизонтального сдвигового регистра осуществляется мультиплексирование строки видеосигнала на общую шину и через буферный усилитель осуществляется последовательный вывод видеоизображения на внешние устройства. Перезарядка чувствительного элемента осуществляется при помощи второго вертикального сдвигового регистра, под действием которого происходит построчное подключение к источнику опорного потенциала, регулировка задержки которого относительно считывания позволяет регулировать время экспозиции кадра. Недостатками прототипа являются:
1. низкая пороговая чувствительность вследствие малого фактора заполнения фоточувствительной ячейки;
2. высокий уровень шума вследствие значительной паразитной емкости вертикальных металлических шин (kTC-шум);
3. существенная неоднородность видеосигнала вследствие разброса паразитной емкости вертикальных шин и порогов транзисторов истоковых повторителей внутри ячейки.
Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является увеличение пороговой чувствительности и чувствительности устройства в целом за счет увеличения фактора заполнения, уменьшение кТС-шума вследствие малой выходной емкости вертикального ПЗС регистра со сбором остаточного заряда, уменьшение неоднородности видеосигнала вследствие исключения влияния паразитного разброса вертикальных металлических шин и истокового повторителя внутри ячейки.
Указанный технический результат достигается тем, что предложенный видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу ФЧЭ, построчно через затворы связи подключенные к вертикальному сдвиговому регистру, управляющему выборкой строк ФЧЭ, соединены с вертикальными каналами ПЗС, которые подключены к генератору тактовых импульсов и через электрометрический усилитель соединены с КМОП мультиплексором, соединенным с выходным предусилителем. Вертикальные каналы ПЗС регистров со сбором остаточного заряда под управлением тактовых импульсов осуществляют перенос зарядового пакета на электрометрический усилитель, который преобразовывает заряд в напряжение и выдает импульсы напряжения, соответствующие заряду накопленному в ФЧЭ на горизонтальный КМОП-мультиплексор, последовательно передающий импульсы напряжения видеосигнала на выходной предусилитель. Перезарядка чувствительного элемента происходит при считывании с него заряда. Большая зарядовая емкость канала со сбором остаточного заряда позволяет отказаться от регулировки времени экспозиции кадра и работать в условии больших температурных фонов без потери чувствительности.
Новым является то, что вертикальное считывание сигнала осуществляется ПЗС регистром со сбором остаточного заряда, а горизонтальное - КМОП-мультиплексором. Такое сочетание способов считывания позволяет достичь высокого фактора заполнения и тем самым улучшить пороговую чувствительность матрицы, исключить влияние неэффективности переноса как по вертикали (за счет дополнительных циклов «подметания» отставшего заряда), так и по горизонтали (вследствие неподверженности КМОП-мультиплексора этому эффекту), исключить необходимость регулировки времени экспозиции в случае высоких температурных фонов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлено схематическое изображение предложенного видеопреобразователя.
Видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу фоточувствительных элементов 1, соединенных построчно через затворы связи 2, подключенные к вертикальному сдвиговому регистру 3, с вертикальными каналами ПЗС регистров 4, которые подключены к генератору тактовых импульсов 5 и через электрометрический усилитель б соединены с КМОП-мультиплексором 7, соединенным с выходным предусилителем 8.
Устройство работает следующим образом. Заряд накопленный чувствительным элементом 1 за время экспозиции через затвор связи 2, управляемым сдвиговым регистром 3, построчно инжектируется в канал вертикального ПЗС регистра со сбором остаточного заряда 4. Инжектированный заряд распределяется по каналу ПЗС регистра и под действием управляющих импульсов генератора тактовых импульсов 5 разделяется на зарядовые пакеты и перемещается в накопительную емкость ПЗС регистра, зарядовая емкость которой заведомо превышает максимальный заряд температурной фоновой составляющей. Заряд собранный в накопительную емкость воздействует на электрометрический усилитель 6, который преобразовывает зарядовый пакет в напряжение. Последовательно опрашивая электрометрические усилители КМОП-мультиплексор
осуществляет последовательный вывод видеосигнала в виде импульсов напряжения на выходной предусилитель.
Предложенное конструктивное решение использовано при проектировании видеопреобразователя оптического изображения ИК диапазона. В качестве материала ФЧЭ использованы барьеры Шоттки SiPt/p-Si, формат матрицы 512×512 элементов с частотой вывода видеоинформации 25 кадров/сек. Данная конструкция реализована в стандартном технологическом цикле изготовления КМОП ИС с дополнительными операциями формирования ФЧЭ на основе силицида платины.