СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛЬНОГО ЗАРЯДА С МАТРИЧНОГО ПЗИ-ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD FOR READING SIGNAL CHARGE FROM MATRIX CID-PHOTODETECTOR

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано при реализации фотоприемных устройств различных спектральных диапазонов.
Известен способ считывания сигнального заряда с матричного фотоприемника, когда применяют прямую инжекцию заряда во входную диффузионную область регистра считывания на приборе с зарядовой связью (ПЗС) (под ред. Д.Ф.Барба. Приборы с зарядовой связью, М.: Мир, 1982, с.74, 75).
Недостаток способа проявляется в том, что в результате неконтролируемых флюктуации порогового напряжения отдельные входные МДП-транзисторы матрицы могут оказаться полностью закрытыми, что подавляет инжекцию информационного заряда в ПЗС-регистр. Кроме того, способ не позволяет регулировать время накопления заряда в фотоприемнике, что необходимо для предотвращения его перегрузки.
Известен способ считывания сигнального заряда с матричного прибора зарядовой инжекции (ПЗИ) фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, и получения массива сигналов, кадра, за время кадра, Т, равное периоду кадровой частоты. Каждый элемент имеет свой ключ выборки, выполненный на полевом транзисторе («Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона», «Наука», Новосибирск, 2001 г., с.82, 83). В способе потенциал затвора элемента ПЗИ приемника привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области полевого транзистора ключа выборки, а потенциал столбцовой шины привязывают к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС усилителя, используя «налив» и «слив» заряда, после чего через разделительную емкость на затвор ПЗИ элемента подают импульс инжекции, что приводит к вводу заряда через открытый ключ выборки и столбцовую шину в ПЗС усилитель.
A
A
Для регулировки времени накопления используют две группы ключей и два импульса инжекции. Время кадра, период кадровой частоты Т, делится на две доли, части. Одна доля, время накопления t, используется для накопления сигнального заряда. Во время другой доли Т-t, заряд также копится, но не используется для извлечения информации, т.к. часто он бывает накоплен с перегрузкой ПЗИ-фотоприемника и несет искаженную информацию о наблюдаемой сцене. Такой заряд можно, в отличие от сигнального, назвать зарядом «перегрузки». Заряд «перегрузки» сбрасывается через цепь слива заряда, в состав которой входят те же элементы, что и для чтения сигнального заряда плюс выходная диффузионная область для слива заряда. Для сброса заряда перегрузки один импульс инжекции подают в процессе (фазе) слива заряда. Этот импульс инжекции сбрасывает заряд «перегрузки» и начинает процесс накопления сигнального заряда в i-той строке. Второй импульс инжекции подают после завершения слива заряда. Этот импульс инжекции завершает процесс накопления сигнального заряда в j-той строке и вводит в ПЗС усилитель сигнальный заряд с j-той строки. Разница во времени считывания сигнала с i-той и с j-той строк задает время накопления сигнального заряда. Импульсы инжекции подают через ключи, управляемые вертикальным регистром сдвига. Особенности работы регистра сдвига ограничивают изменение времени накопления от минимального значения, равного времени опроса двух строк, до максимального, равного времени кадра.
Однако процесс привязки потенциала столбцовой шины к поверхностному потенциалу истоковой области входного затвора ПЗС усилителя является относительно длительным, особенно фаза «слива» заряда, и может занимать существенную долю строкового времени. При возрастании требований к быстродействию ПЗИ-фотоприемника, увеличении его строковой частоты, время, отведенное на процесс привязки потенциала, уменьшается, что приводит к увеличению погрешности привязки. При этом заряд столбцовой шины содержит часть заряда «перегрузки» i-той строки, который складывается с полезным сигналом j-той строки.
Недостатком способа является наличие на полученном с ПЗИ-фотоприемника изображении дополнительного, сдвинутого по вертикали на i-j строк, ложного контура.
Техническим результатом изобретения является улучшение качества изображения, кадров, получаемых при времени накопления, меньшем времени кадра, за счет удаления ложного контура.
A
A
Технический результат достигается тем, что в способе считывание сигнального заряда с матричного ПЗИ-фотоприемника, имеющего n×m элементов, организованных в n строк и m столбцов, заключается в получении массива сигналов с элементов, кадра, за время кадра Т, равное периоду кадровой частоты, причем сигнальный заряд каждого элемента j-ой строки инжектируют через свой открытый ключ выборки, столбцовую шину, входную диффузионную область под затвор хранения зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, с предварительным циклом привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины, когда используют налив заряда и слив заряда через входную диффузионную область, область под входным затвором, затвор хранения и выходную диффузионную область слива заряда зарядового усилителя, выполненного на основе прибора с зарядовой связью, а время накопления t, равное доле Т, регулируют, инжектируя заряд «перегрузки», накопленный за время Т-t элементами i-ой строки, через свои открытые ключи во время слива заряда, причем для каждой строки после окончания предварительного цикла привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины дополнительно проводят цикл привязки потенциала затвора элемента и потенциала столбцовой шины, заканчивая его до инжекции сигнального заряда.
Значения n и m могут быть в диапазоне от 1 до 1000000. Очевидно: 1<i≤n, 1<j≤n, i>j. Для получения времени накопления, равного времени кадра, инжекцию заряда «перегрузки» проводить не нужно, т.к. в этом случае весь накопленный за время кадра заряд является сигнальным.
Способ был реализован для матричного, 128×128 элементов, ПЗИ фотоприемника на основе арсенида индия n-типа. Часть устройства считывания (ПЗС-усилитель) выполнена на кремниевой подложке по n-канальной технологии и присоединена с помощью 16384-х индиевых микростолбиков к матричному ПЗИ-фотоприемнику. Другая часть, содержащая многофазный генератор управляющих импульсов, генератор импульсов (с дополнительными цепями управления) для налива и слива заряда в цикле привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины, выполнена на стандартных микросхемах. Эпюры управляющих напряжений генератора импульсов для налива и слива заряда были настроены таким образом, что в каждой строке цикл привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины проводился два раза подряд. Один раз - с подачей импульса для инжекции заряда «перегрузки» с ПЗИ-элементов i-ой строки в фазе слива предварительного цикла привязки потенциала затвора ПЗИ-элемента и потенциала столбцовой шины. (Длительность импульса инжекции составляла 4 мкс. Длительность фазы слива составляла 12 мкс. Импульс инжекции был расположен в середине фазы слива). Второй раз - после окончания предварительного цикла привязки и до начала импульса для инжекции сигнального заряда с j-ой строки. Благодаря тому, что при наливе заряд полностью заполняет зарядовые емкости затвора ПЗИ-элемента и столбцовой шины, информация, связанная с остатком заряда «перегрузки», полностью уничтожается. В процессе слива часть заряда остается на столбцовой шине, но это часть от постоянной, не зависящей от наблюдаемой фотоприемником сцены, величины, связанной с зарядовой емкостью цепей затвора ПЗИ-элемента и столбцовой шины. Этот паразитный, не зависящий от сцены, заряд складывается с сигнальным зарядом, но при этом паразитный контур не появляется, т.к. постоянные не зависящие от сцены компоненты сигнала вычитаются при калибровке.
Так удалось убрать паразитный контур и улучшить качество изображения.
max
min
min
max
На ПЗИ-фотоприемник с помощью инфракрасного объектива фокусировалось изображение сцены. Совокупность, массив, сигналов со всех элементов (пикселей) матричного ПЗИ-фотоприемника, полученных одновременно или последовательно во времени, образует кадр. Для каждого элемента кадра можно записать t(n-1)<t(n)<t(n+1), где n - номер кадра, t - момент времени получения сигнала. Кроме того, t(n)<t(n+1), где t - момент времени считывания первого (во времени) элемента кадра, t - момент времени считывания последнего (во времени) элемента кадра. В общем случае, размер кадра может не совпадать с размером фотоприемника. Последовательность кадров во времени можно рассматривать как фильм.
Результат применения способа можно проиллюстрировать двумя изображениями (кадрами), полученными с помощью матричного, 128×128 пикселей, ПЗИ фотоприемника на основе InAs. Исходное изображение, фиг.1, получено без применения предлагаемого способа. На нем изображена термограмма стола, на столешнице которого находится горячий (около 50°С) чайник. Время накопления равнялось 22/128 от кадрового. Виден паразитный контур на боковой стенке стола, сдвинутый на 22 строки, показанный стрелкой. (Вертикальная развертка проводилась снизу вверх). На фиг.2 приведено изображение, полученное по предлагаемому способу. Видно, что паразитный контур подавлен.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет существенным образом подавить паразитный контур при работе с временами накопления меньше кадрового и улучшить качество получаемого с помощью матричного ПЗИ-фотоприемника изображения.