ФОТОПРИЕМНАЯ ЛИНЕЙКА
PHOTODETECTOR LINE

Изобретение относится к оптико-электронным устройствам для измерения параметров оптического излучения и может быть использовано в оптико-электронных системах, преобразующих изображение в электрический сигнал.
Заявленное техническое решение разработано для использования в контрольных устройствах, измеряющих пространственное распределение оптических характеристик, таких как освещенность, коэффициент пропускания, коэффициент отражения. Для контроля пространственного распределения освещенности используются одномерные либо двумерные массивы фотоприемников. Одномерные массивы, иначе называемые фотоприемными линейками, состоят из определенного количества фотоприемников, расположенных вдоль прямой линии с постоянным шагом. Для одновременного измерения оптических характеристик на различных длинах волн используют так называемый импульсный режим засветки, при котором в ходе сканирования поочередно включают источники света с различной длиной волны.
Фотоприемные линейки, в частности, применяются в сканерах изображения. Двумерное изображение регистрируется при взаимном линейном перемещении изображения и линейки. Максимально достижимая скорость сканирования определяется быстродействием линейки. Применяемые в сканирующих устройствах интегральные линейки, как правило, обеспечивают высокую степень быстродействия и чувствительность при импульсном режиме засветки сканируемого объекта. В таких линейках фототранзисторы (или фотодиоды) располагаются на отдельных кристаллах с плотностью 2-32 шт./мм. Однако такие устройства обладают высокой стоимостью, и при этом далеко не всегда имеется необходимость в такой высокой степени разрешения, которую они способны обеспечить.
Если техническая задача, решаемая при помощи фотоприемной линейки, не требует плотности расположения чувствительных элементов более одного на миллиметр, то становится возможным применять так называемые дискретные линейки, состоящие из отдельных дискретных фотоприемников, расположенных по прямой линии с постоянным шагом. Стоимость набора фотоприемников, необходимых для построения дискретной линейки, существенно меньше, чем стоимость интегральной линейки для той же ширины сканирования. Однако для замера выходного сигнала фотоприемников в виде напряжения или тока дискретные линейки, как правило, содержат большое количество аналоговых мультиплексоров, что существенно повышает их стоимость. Замер тока или напряжения позволяет обеспечить достаточно высокую чувствительность фотоприемников, но ограничивает их быстродействие. Особенно значимым оказывается ограничение быстродействия в режиме импульсной засветки.
Замер фотозаряда позволяет получить максимально возможное быстродействие при сохранении высокой чувствительности.
В известном решении, представленном в патенте США №5299013 (опубл. 29.03.1994 г.), описана интегральная фотоприемная линейка со сдвиговым регистром. Фотоприемная линейка содержит линейный массив фотодатчиков, в качестве которых могут использоваться либо фотодиоды, либо фототранзисторы. Также известное решение содержит сдвиговый регистр и интегрирующее устройство с ключом сброса. Если в качестве фотодатчиков используются фототранзисторы, то коллектор каждого фототранзистора соединяется с положительным проводом питания, управляющий вход каждого аналогового ключа соединяется с отдельным выходом сдвигового регистра, а эмиттер каждого фототранзистора подключается ко входу интегратора. Выходное напряжение интегрирующего устройства является выходным напряжением фотоприемной линейки. Линейку подвергают экспозиции, после чего производится последовательный опрос фототранзисторов. В ходе опроса фототранзисторы, при помощи сдвигового регистра и аналоговых ключей, поочередно подключаются ко входу интегратора. Фотозаряд, накопленный в фототранзисторе, стекает в интегратор. Перед каждым переключением на следующий фототранзистор, выходная величина интегратора обнуляется при помощи аналогового ключа сброса. Напряжение на выходе интегратора перед началом сброса пропорционально уровню экспозиции фототранзистора.
Данное решение, выбранное в качестве прототипа, реализовано в интегральном исполнении, что позволяет сформировать на одном кристалле не только фототранзисторы и сдвиговый регистр, но и множество аналоговых ключей. То же самое решение может быть применено и для дискретной фотоприемной линейки. Однако в этом случае аналоговые ключи должны выполняться в виде отдельных микросхем, что как правило, дорого и недостаточно компактно.
Недостатки данного решения, в особенности при его использовании для создания дискретной линейки, обусловлены применением аналоговых ключей. В процессе опроса фототранзисторов аналоговые ключи искажают выходной сигнал интегрирующего устройства, поскольку, из-за задержек срабатывания, при переключении от одной ячейки к другой, в течение определенного времени к выходной шине подключены обе ячейки. Кроме того, при переключении происходит инжекция заряда из управляющей цепи ключа на вход интегрирующего устройства, что также искажает выходной сигнал. Для уменьшения данного влияния требуется использовать высококачественные аналоговые ключи, отличающиеся быстродействием и малой инжекцией заряда, что приводит к значительному удорожанию всего устройства.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является оптимизация конструкции дискретной фотоприемной линейки с точки зрения минимизации стоимости и увеличения быстродействия.
Техническим результатом является уменьшение стоимости дискретной фототранзисторной линейки. Дополнительным техническим результатом является повышение быстродействия фотоприемников, в сравнении с типовыми решениями, применяемыми для дискретных линеек.
Указанный технический результат достигается тем, что в фотоприемной линейке, содержащей фотодатчики, сдвиговый регистр, интегрирующее устройство, производящее интегрирование входного тока, и оснащенное ключом сброса интегрированного значения, в качестве фотодатчиков использованы фототранзисторы, коллектор каждого фототранзистора соединен с отдельным выходом сдвигового регистра, и при этом фотоприемная линейка дополнительно содержит множество диодов, используемых в качестве коммутирующих элементов, присоединенных таким образом, что эмиттер каждого фототранзистора соединен с анодом отдельного диода, катод каждого диода соединен со входом интегрирующего устройства
Фотоприемная линейка в качестве интегрирующего устройства может содержать конденсатор.
Фотоприемная линейка в качестве интегрирующего устройства может содержать интегрирующий усилитель.
Отличие заявленного изобретения от прототипа состоит в использовании диода в качестве коммутационного элемента вместо аналогового ключа. Коммутация при помощи диода происходит под действием напряжения смещения, которое формируется на выходе сдвигового регистра. При логической единице на выходе регистра, диод смещен в прямом направлении и открыт. При логическом нуле диод не смещен либо смещен в обратном направлении и поэтому закрыт. Так как у диода отсутствует управляющий электрод, то отсутствует и эффект инжекции заряда, практически неизбежный в аналоговых ключах. Стандартный маломощный кремниевый диод имеет время переключения на уровне единиц наносекунд и емкость р-n-перехода, равную 1-2 пикофарадам. За счет этого его характеристики переключения находятся на уровне наиболее высококачественных аналоговых ключей. Таким образом, диод способен обеспечить малое время переключения и незначительную утечку заряда. Кроме того, диод значительно более дешев по сравнению с аналоговым ключом. Это преимущество особенно заметно для дискретных линеек.
Для реализации интегрирующего устройства могут применяться различные схемные решения. Интегрирующее устройство преобразует входной ток I в выходное напряжение U, пропорциональное определенному интегралу I, вычисляемому от момента размыкания ключа до текущего момента времени.
На фиг.1 представлена электрическая схема фототранзисторной линейки с конденсатором в качестве интегрирующего устройства. На фиг.2 показаны эпюры напряжения в характерных точках схемы при ее работе. На фиг.3 показаны варианты реализации схем интегрирующего устройства.
Устройство содержит сдвиговый регистр 1(RG), к выходам которого подключены фототранзисторы 2 (VT1-VTn), последовательно соединенные с диодами 3 (VD1-VDn). Сдвиговый регистр 1(RG) выполнен по КМОП-технологии и питается от постоянного положительного напряжения 5 вольт. Он имеет тактовый вход 6 (CLK), а также вход данных 8(D), используемый как вход запуска сканирования линейки. Объединенные катоды всех диодов 3 соединены с одним выводом измерительного 4(С) конденсатора, другой вывод которого заземлен. Аналоговый ключ 5 (SW) сброса включен параллельно измерительному 4(С) конденсатору, причем замыкание ключа 5 происходит по низкому логическому уровню на управляющем 6 (CLK) входе. Общая точка соединения катодов диодов 3 (VD1-VDn), накопительного 4(С) конденсатора и ключа сброса 5 (SW) является выходом линейки.
В наиболее простом варианте (фиг.3А), интегратор тока реализуется при помощи измерительного 4(С) конденсатора, одна из обкладок которого соединена с общим проводом схемы, а другая одновременно является и входом, и выходом интегратора. Ключ сброса 5 (SW) подключается между обкладками конденсатора. В более сложном варианте (фиг.3В) в качестве интегрирующего устройства может быть использован интегрирующий усилитель с токовым входом, выполненный на операционном усилителе. Для этого конденсатор 4(С) подключается между инвертирующим входом операционного усилителя 7 (DA) и его выходом, а неинвертирующий вход операционного усилителя 7 (DA) соединяют с общим проводом схемы. Инвертирующий вход операционного усилителя 7(DA) является входом интегратора. Ключ сброса 5 (SW) подключается параллельно конденсатору 4(С). Подобное схемное решение обеспечивает несколько больший динамический диапазон линейки.
Устройство работает следующим образом. Во время экспозиции на всех выходах регистра 1 устанавливается напряжение, близкое к нулю. Диоды 3 (VD1-VDn) без положительного смещения работают как изоляторы и отсоединяют эмиттеры фототранзисторов 2 от измерительного конденсатора 4(С). В структуре каждого из фототранзисторов 2 (VT1-VTn) под действием света создается фотозаряд, пропорциональный величине его экспозиции. В начале опроса в момент времени Т0 на входе 8(D) регистра 1 устанавливают уровень логической единицы. Затем в момент времени Т1 на тактовый вход регистра подается положительный фронт. На первом выходе Q1 регистра 1 появляется напряжение 5 В. Это напряжение прикладывается к цепочке фототранзистор 2 (VT1) - диод 3 (VD1) и смещает проводимость обоих элементов в прямом направлении. Диод 3 (VD1) открывается и пропускает ток фототранзистора 2 в измерительный 4(С) конденсатор. Заряд, накопленный в фототранзисторе 2 (VT1) за счет экспозиции, стекает в конденсатор 4(С). В момент времени Т3 при переходе тактового входа регистра 1 (RG) в низкий уровень замыкается ключ 5 (SW) сброса заряда и начинается процесс сброса. Заряд в измерительном 4(С) конденсаторе уменьшается до нуля. Остаточный ток разряда продолжает течь через цепочку фототранзистор - диод, ключ сброса и далее разряжает емкость транзистора.
По окончании фронта первого тактового импульса в момент времени Т2 уровень на входе 8(D) регистра 1 (RG) устанавливают равным логическому нулю вплоть до завершения опроса всей линейки. Последующие тактовые импульсы подают на вход 6 (CLK) для опроса второго, третьего, четвертого фототранзистора 2 и так далее. В результате на выходах сдвигового регистра 1 (RG) формируется так называемая бегущая единица, то есть состояние выхода Q1, Q2, Q3 и так далее последовательно выставляется в единичное значение на один период тактового сигнала, в то время как остальные выходы остаются в нулевом состоянии.
Окончание опроса первого фототранзистора 2 (VT1) и переход ко второму (VT2) происходит по положительному фронту второго тактового импульса на входе 6(CLK) в момент времени Т4. Уровень напряжения падает на первом выходе Q1, а на втором выходе Q2 скачкообразно поднимается до 5 В. Диод 3 (VD1) закрывается, прерывая ток через фототранзистор 2 (VT1). Следующий диод 3 (VD2), напротив, открывается. Заряд, накопленный в фототранзисторе 2 (VT2), перетекает в измерительный 4(С) конденсатор. Затем в момент времени Т5 при падении уровня на тактовом входе регистра 6 (CLK) происходит сброс заряда в измерительном 4(С) конденсаторе и разрядка емкости фототранзистора 2. Такой процесс повторяется до тех пор, пока все фототранзисторы 2 (VT1-VTn) не будут опрошены. Полный опрос линейки происходит за n импульсов на тактовом входе 6 (CLK) регистра 1 (RG).
Измерение напряжения на выходе схемы необходимо проводить непосредственно перед каждым спадом уровня на тактовом входе 6 (CLK) регистра 1 (RG). На фиг.2 моменты измерения соответствуют Т3, Т5, Т7, Т8 и так далее. Измеренное напряжение пропорционально заряду, накопленному в структуре фототранзистора 2 (VTn), опрашиваемого в данный момент, то есть пропорционально уровню его экспозиции.
После того как все фототранзисторы опрошены, может проводиться следующий цикл экспозиции и опроса, и так далее.
Практическая реализация описанной схемы показала, что таким образом можно добиться существенного улучшения параметров фотодатчиков, в сравнении с их паспортными данными, приводимыми для режима измерения напряжения. Так, фототранзисторы, имеющие паспортное время переключения 15 микросекунд, устойчиво работают при времени экспозиции менее 5 микросекунд и длительности опроса одного фототранзистора менее 1 микросекунды.
Чувствительность линейки практически не зависит от скорости сканирования и определяется в основном квантовой эффективностью преобразования света в заряд в структуре фототранзисторов. Это существенно отличает ее от использования фототранзистора в режиме измерения напряжения, когда для обеспечения быстродействия приходится намеренно снижать чувствительность.
Линейность фотоэлектрического преобразования в дискретной линейке, как показывает опыт, сопоставима с линейностью фотоэлектрического преобразования в фототранзисторной интегральной линейке. Уровень темнового сигнала и перекрестных искажений сигнала от соседних фотодатчиков, для дискретной линейки оказывается лучше, чем для интегральной.
Стоимость реализации дискретной линейки по описанной схеме в несколько раз меньше, чем стоимость интегральной линейки, имеющей такую же ширину сканирования.