Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопросов разработки и внедрения систем измерения и контроля параметров объектов 10
1.1. Обзор методов и устройств, предназначенных для автоматизации процессов контроля, обработки и анализа первичной информации 10
1.2. Обзор существующих развертывающих фотоприемников для измерения параметров объектов 17
1.3. Выбор и обоснование цели работы 22
ГЛАВА 2. Исследование особенностей дискретно-сплошной структуры мультискана при обработке оптической информации 23
2.1. Сравнительный анализ схем включения мультискана и их функциональных возможностей 23
2.2. Выбор и обоснование модели мультискана 33
2.3. Вывод уравнений видеосигнала с мультискана 35
2.4. Выводы 63
ГЛАВА 3. Изучение возможностей применения модуляции параметров мультискана для повышения помехозащищенности его работы 67
3.1. Анализ режима работы мультискана при модулированном световом потоке 67
3.2. Исследование режима работы мультискана с модуляцией напряжения развертки 75
3.3. Особенности выделения реперных импульсов с дискретной линейки мультискана 79
3.4. Выводы 85
ГЛАВА 4. Анализ работы мультискана как фотоэлектрического преобразователя для измерительных устройств 87
4.1. Применение мультискана для первичного съема и обработки оптической информации 87
4.2. Определение местоположения и освещенности световых зон по максимуму видеосигнала, точкам перегиба, точкам на пропорциональных уровнях 89
4.3. Использование мультискана в качестве датчика с дискретным отсчетом. Определение местоположения и характеристик световых зон по реперным импульсам 93
4.4. Анализ метрологических характеристик мультискана в сравнении со сканистором 97
4.5. Методы повышения точности измерений развертывающим фотоэлектрическим преобразователем мультисканом 101
4.6. Выводы 106
ГЛАВА 5. Разработка и исследование измерительных устройств на основе мультискана 108
5.1. Устройства для измерения координаты световой зоны с формированием аналогового видеосигнала 108
5.2. Устройства для измерения координат и размеров световых зон с формированием видеосигнала в форме импульсов фототока от ячеек структуры 117
5.3. Устройства для измерения координат и размеров световых зон с использованием реперных сигналов 124
5.4. Анализ погрешностей измерительных устройств на основе мультискана 135
5.5. Выводы 146
Заключение 148
Литература
- Обзор существующих развертывающих фотоприемников для измерения параметров объектов
- Вывод уравнений видеосигнала с мультискана
- Исследование режима работы мультискана с модуляцией напряжения развертки
- Использование мультискана в качестве датчика с дискретным отсчетом. Определение местоположения и характеристик световых зон по реперным импульсам
Введение к работе
Решение основной задачи современного производства - выпуска продукции высокого качества с наименьшими затратами — может быть получено при использовании комплексной механизации и автоматизации с применением промышленных роботов, гибких производственных модулей, систем автоматического контроля и управления. Средства автоматизации включают в себя первичные измерительные преобразователи, обеспечивающие заданный уровень контроля качества продукции, как в процессе изготовления, так и на этапе окончательной приемки в конце производственного цикла.
Актуальность темы связана с необходимостью исследования метрологических возможностей нового многофункционального фотопреобразователя мультискана с дискретной структурой и интегральным принципом формирования видеосигнала в различных режимах его работы. Основные усилия разработчиков фотопреобразователя мультискана (группы сотрудников ФТИ им. А.Ф. Иоффе под руководством Б.Г. Подласкина) сконцентрировались на совершенствовании конструкций и технологии изготовления мультискана, улучшении метрологических характеристик, и меньшее - на поиск рациональных областей его практического использования. При этом большинство публикаций посвящено исследованию работы мультискана в фотопотенциометрическом режиме и малое число — другим его режимам, в частности, время-импульсному, обеспечивающему большие функциональные возможности при измерениях геометрических параметров объектов. С другой стороны, дискретная структура многофункционального фотопреобразователя мультискана обеспечивает ряд преимуществ перед его прототипом — сканистором, уже нашедшим широкое применение в контрольно-измерительной технике благодаря работам научной школы П.И. Госькова (АлтГТУ) и его учеников. Возможности свойств дискретной структуры мультискана для улучшения его метрологических характеристик исследованы недостаточно и требуют изучения.
Цель работы - заключается в повышении точности оптико-электронных устройств для бесконтактных измерений геометрических параметров объектов на основе исследований дискретно-сплошной структуры нового многофункционального интегрального фотоприемника мультискана.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: изучение мультискана как первичного оптико-электронного преобразователя измерительных устройств; теоретические и экспериментальные исследования метрологических возможностей дискретно-сплошной структуры мультискана при его использо- вании в различных режимах работы и включении по различным схемам; изучение влияния модуляции светового сигнала и напряжения развертки на помехоустойчивость работы мультискана; разработка и исследование оптико-электронных измерительных устройств на основе мультискана; - анализ погрешностей измерительных устройств на основе мультискана. Объектом исследования является полупроводниковый интегральный фотоприемник мультискан и оптико-электронные устройства (ОЭУ) для бесконтактного измерения и контроля геометрических параметров объектов на его основе. Под термином "геометрические параметры" подразумеваются линейные величины, характеризующие размеры объекта и взаиморасположение его отдельных элементов. Принципиальной особенностью ОЭУ для бесконтактного измерения является то, что измерительную информацию об объекте получают по его изображению на фоточувствительной поверхности, которое формируется оптической системой по законам геометрической оптики.
Предметом исследования являются модели дискретно-сплошной структуры мультискана для различных схем его включения и режимов работы.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования основаны на использовании методов анализа электрических цепей и систем, численных методов, методов теории информационно-измерительных систем. Экспериментальные исследования базируются на применении методов измерительной техники, теории оптико-электронных приборов, средств компьютерного программирования и моделирования. Проверка адекватности моделей и теоретических зависимостей осуществлялась по результатам натурных испытаний. Научная новизна работы состоит в следующих результатах: выполнены обоснование, выбор и анализ модели для исследования электрофизических характеристик мультискана; исследованы метрологические возможности дискретно-сплошной структуры мультискана при его использовании в различных режимах работы и включении по различным схемам; предложена методика измерений для повышения точности определения координаты и размера световой зоны, заключающаяся во временном координа-тоуказании характерных точек видеосигнала в промежутке между реперными импульсами дискретной структуры мультискана; дан анализ погрешностей определения геометрических параметров объектов по их оптическому изображению, получены рекомендации по минимиза- ции этой погрешности; - созданы новые оптико-электронные устройства на основе мультисканов для измерения диаметра изделий из полимерных материалов и размеров ширины щелей специзделия с использованием предложенной методики и разработанных схемотехнических методов повышения точности.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования метрологических возможностей дискретно-сплопшои структуры мультискана при его использовании в различных режимах работы и включении по различным схемам. Разработаны новые технические решения, защищенные двумя авторскими свидетельствами и одним патентом на изобретение. Разработана новая методика формирования и обработки выходных сигналов мультискана, обеспечивающая повышение точности измерений. Разработана схемотехника для формирования и обработки аналогового и импульсного видеосигналов дискретно-сплошной структуры мультискана, обеспечивающая повышение точности измерений. Результаты проведенных исследований использованы при создании устройства для измерения диаметра изделий (получаемых методом экструзии), и устройства для измерения ширины щелей специзделия по теме "Разработка и исследование оптоэлектронных измерительных устройств" с предприятием НПО "Союз", а также в учебном процессе ИжГТУ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ш, IV и V Всесоюзных совещаниях "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (Барнаул, 1985, 1987, 1989); научно-технической конференции "Разработка систем технического зрения и их применение в промышленности" (Устинов, 1986); на Ш н TV Всесоюзных совещаниях "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1986, 1988); на Ш Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1994); на П международной конференции "Датчики электрических и неэлектрических величин" (Барнаул, 1995); на научно-технической конференции "Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ" (Ижевск, 1996); на П международной конференции "по внутрикамерным процессам и горению" (Москва - С.-Петербург, 1997); на 5-й Российской уни-верситетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2001); на международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002).
Основной материал диссертации отражен в 30 научных публикациях: в 11 статьях в центральной печати, в 2 авторских свидетельствах СССР и 1 патенте на изобретение России, в 2 научно-технических отчетах по хоздоговорным НИР, в тезисах научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение, изложенные на 162 стр. машинописного текста. В работу включены 90 рис., 3 таблицы и список литературы из 176 наименований и приложение (Акты о внедрении результатов НИР).
В первой главе представлен обзор методов и устройств первичных преобразователей для измерения перемещений, координат и размеров объектов, предназначенных для автоматизации процессов контроля, обработки и анализа информации. Рассмотрены основные области применения полупроводниковых оптико-электронных преобразователей развертывающего типа, поставлены задачи исследований метрологических характеристик мультискана в различных режимах работы, разработки методики измерений с высокой точностью.
Во второй главе описаны устройство многоэлементного фотоприемника мультискан, способы коммутации его ячеек, рассмотрены основные схемы включения мультискана, принципы их работы, произведена оценка существующих моделей сканисторных структур, рассмотрены основные факторы, влияющие на процесс формирования видеосигнала и определяющие выбор модели для исследования характеристик мультискана. Создана математическая модель мультискана в виде систем уравнений, связывающих напряжения и токи в элементах его структуры с учетом внешних электрических цепей. Получены выражения для токов в элементах структуры, выходных токов, видеосигналов и их производных во время-импульсном режиме работы для схемы включения "сканистор", а также для для известных , но недостаточно исследованных схем включения "бабочка" и "слепое пятно".
В третьей главе рассмотрено применение амплитудной модуляции оптических сигналов при работе сканисторных фотопреобразователей с интегральным принципом формирования выходного сигнала в условиях световых помех. Получены выражения для выходных токов и напряжения видеосигнала мультискана, включенного по схеме "сканистор", при работе с амплитудно-модулиро-ванными световыми сигналами. Исследованы возможности формирования и обработки видеосигнала мультискана при слабой амплитудной модуляции развертывающего пилообразного напряжения. Рассмотрены основные преимущества, получаемые при модуляции светового сигнала и напряжения развертки. Рассмотрены особенности формирования видеосигнала с явно выраженными импульсами фототока от отдельных ячеек мультискана и возможности их использования для координатоуказания параметров световых сигналов.
В четвертой главе рассмотрены основные свойства, режимы работы и схемы включения мультискана как бесконтактного датчика-преобразователя в устройствах для измерения геометрических параметров объектов по их оптическому изображению. Определены условия и необходимые преобразования видеосигнала (ВС) мультискана для измерения временного местоположения его характерных точек, по которым определяются координаты, размер и освещенность световой зоны (СЗ). Рассмотрены особенности применения мультискана в качестве датчика с дискретным отсчетом и использования реперных импульсов для уменьшения нелинейности координатной характеристики. Рассмотрены технологические и схемотехнические методы повышения точности и стабильности измерительных устройств на основе мультискана. Проведен сравнительный анализ метрологических характеристик мультискана и сканистора со сплошной структурой.
Пятая глава посвящена описанию разработанных устройств для измерения геометрических параметров объектов, а также новых технических решений измерительных устройств на основе мультискана, в которых используются его свойства, характерные как для дискретной, так и сплошной структуры. Изложена методика измерений и обработки видеосигнала с использованием реперных импульсов, позволяющая повысить точность определения координат, рассмотрены возможные варианты выделения реперных сигналов. Даны основные технические характеристики разработанных измерительных устройств. Произведена оценка погрешностей измерения размеров и координат объектов, рассмотрены способы их уменьшения.
Основные научные и практические результаты работы сформулированы в выводах по главам и в заключении.
В приложении приведены Акты о внедрении.
Работа выполнена в Институте Прикладной Механики УрО РАН, г. Ижевск.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Шелковникову Ю.К. за большую моральную поддержку, содействие в работе и критические замечания, а также д.т.н. Подласкину Б.Г. за оказанную техническую помощь и ценные советы. Автор признателен принявшим участие в обсуждении работы сотрудникам лаборатории информационно-измерительной техники Института прикладной механики УрО РАН и коллегам по работе, помогавшим во внедрении результатов исследований.
Обзор существующих развертывающих фотоприемников для измерения параметров объектов
В состав класса оптоэлектронных преобразователей развертывающего типа входят сканисторные структуры (сканисторы и мультисканы), фотодиодные матрицы и линейки, ПЗС-структуры, видисторы, нейристоры (нейроконы), сканирующие диоды, преобразователи на основе эффектов Ганна, Суля, Эрли, экслюзии, электропоглощения и др. [8, 20, 35, 47, 56, 58, 59, 61-65, 69, 75, 82, 100, 101, 107]. Особенностью этого класса преобразователей является возможность разложения контролируемого оптического изображения сложной конфигурации по различным траекториям сканирования, т.е. использование в качестве твердотельных аналогов передающих телевизионных трубок. Признанным лидером по этому свойству являются фотопреобразователи на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) [5, 36, 75, 122, 133, 136, 139, 147]. При использовании в контрольно-измерительной технике для технологических процессов более важной характеристикой фотопреобразователей является их координатная чувствительность к изменению положения или размеров контролируемых световых зон, или их освещенностей на фоточувствительной поверхности [47]. На рис. 1.3 приведены основные области применения оптоэлектронных преобразователей развертывающего типа.
Технические и функциональные возможности применяемых оптико-электронных устройств (ОЭУ) во многом определяются свойствами первичных датчиков—фотопреобразователей. Основные характеристики перспективных коор-динатно-чувствительных полупроводниковых фотоприемников (КЧФ) развертывающего типа [4, 28, 41, 97, 149, 169] (предназначенных для преобразования пространственного распределения освещенности в электрические сигналы и используемых для анализа и регистрации изображений) приведены в таблице 1.1. Все фотопреобразователи работают в практически одинаковом спектральном диапазоне.
В последние годы получают широкое распространение приборы с зарядовой связью (ПЗС) [4, 5, 75, 122, 133, 146, 147], принцип работы которых заключается в преобразовании распределения освещенности изображения в распределение неосновных носителей заряда, хранении их в потенциальных ямах и последующей передаче зарядов на выходной усилитель. Различают ПЗС с поверхностным переносом заряда и со скрытым (объемным) каналом. В зависимости от схемы управления ПЗС подразделяются на двух, трех и четырехтакт ные. Наряду с достоинствами ПЗС: высокими разрешающей способностью (определяемой шагом структуры) и быстродействием, малой потребляемой мощностью, хорошей технологичностью изготовления и надежностью, они имеют и ряд недостатков. Основными из них являются невозможность произвольной выборки сигнала с любого элемента ПЗС и неравномерность фоточувствительности элементов, достигающая у отдельных единичных элементов десятков процентов. Другими недостатками ПЗС являются сложность управления, высокая стоимость, снижение разрешающей способности при больших засветках вследствие переполнения потенциальных ям и растекания носителей в соседние элементы (небольшой динамический диапазон), что ограничивает применение ПЗС в ОЭУ, предназначенных для работы в условиях сильных световых помех.
Интегральная фотодиодная линейка (ФДЛ) [4, 47] содержит ячейки, каждая из которых представляет собой фотодиод, последовательно соединенный с переключателем. В качестве переключателей используется диод или полевой транзистор. ФДЛ могут работать в режиме постоянного тока (при котором выходной сигнал пропорционален освещенности коммутируемой ячейки в момент времени опроса) и режим накопления (в котором сигнал пропорционален освещенности за период времени интегрирования х). Разрешающая способность, как и в ПЗС, определяется шагом размещения ячеек структуры. При высоком быстродействии и широком динамическом диапазоне световых сигналов ФДЛ характеризуются наличием перекрестных помех и низким отношением сигнал-шум.
Сканисторные структуры [25-31, 56, 86, 149] (в отличие от ПЗС) способны регистрировать мгновенное распределение освещенности в широком динамическом диапазоне. Это позволяет применять специальные способы формирования и обработки видеосигналов с целью производить измерения в условиях постоянных и импульсных световых помех высокой интенсивности.
Общим для сканисторных структур является наличие непрерывных или дискретных распределенных пар встречно включенных / -л-переходов, при этом один вывод каждой пары подключен к выходной проводящей шине, а второй - к делителю напряжения в виде распределенной резистивной шины. Один из переходов является фоточувствительным, а второй - коммутационным.
При приложении к резистивной делительной шине постоянного напряжения о, а к выходной - пилообразного напряжения развертки щ встречной полярности, в поперечном сечении w-p-я-структуры образуется перемещающаяся эквипотенциальная линия нулевого потенциала (ЭЛНП). При этом ток поперек структуры по обе стороны ЭЛНП протекает в разных направлениях и определяется током насыщения одного из переходов, находящегося в запертом состоянии. При линейном росте развертывающего напряжения скорость приращения выходного тока пропорциональна распределению освещенности Ф(х) вдоль сканисторной структуры. Можно показать, что напряжение видеосигнала UQ(J), полученное дифференцированием выходного тока, равно UB(t)=k0(x), x=LtlT0u 0-2Л) где L-длина фоточувствительной поверхности; -коэффициент пропорциональности; Топ-время опроса.
Телевизионная разрешающая способность сканисторной структуры определяется линейной апертурой Ъ (т.е. шириной зоны вблизи ЭЛНП, в которой пары встречно включенных /?-я-переходов находятся в состоянии переключения тока). В первом приближении линейная апертура обычного сканистора описывается выражением b=4u0L/E0, (L2-2) где щ=кг\1/д; -постоянная Больцмана; -коэффициент "неидеальности" р-п-перехода; 7-температура, К , -заряд электрона; Е0- напряжение на делительной шине. Величина Ащ определяет область переходного участка вольтампер-ной характеристики р-л-р-структуры и учитывается при выборе параметров генератора развертки. При этом (в отличие от других фотопреобразователей развертывающего типа) видеосигнал сканистора имеет высокую чувствительность к минимальному перемещению световой зоны.
Одна из разновидностей сканисторных структур-многофункциональный фотоприемник мультискан [28, 29, 31, 123, 130 и др.] - конструктивно выполнена в виде интегральной схемы на основе кремния и содержит три параллельных линейки точечных р-п- переходов и две пространственно-распределённые резистивные делительные шины. Диоды средней линейки являются фоточувствительными, диоды крайних линеек-коммутационными. Каждую элементарную ячейку мультискана составляют три диода разных линеек, при этом их "аноды" замкнуты перемычкой, а "катоды" соединены со своими делительными шинами для коммутационных диодов, и с выходной шиной для фоточувствительных. Коммутация и опрос мультискана может осуществляться различными способами. Схемы коммутации и режимы работы мультискана подробнее рассмотрены в главе 2.
Вывод уравнений видеосигнала с мультискана
При сканировании изображения линейно изменяющимися напряжениями вдоль поверхности мультискана (схема "бабочка") перемещается эквипотенциальная линия нулевого потенциала (ЭЛНП), которая производит переключение коммутационных диодов ячейки - из запертого состояния в отпертое состояние и наоборот. При этом суммарный фототок диодов D3 направляется по одну сторону ЭЛНП в коммутационные диоды D1, по другую-в коммутационные диоды D2. При дифференцировании этих токов, на выходах дифференцирующих устройств формируются сигналы, отображающие распределение светового потока вдоль линейки мультискана во времени. Рассмотрим основные факторы, влияющие на процесс формирования видеосигнала и определяющие выбор модели для исследования характеристик мультискана.
Статические темновые вольтамперные характеристики (ВАХ) р-п переходов мультискана определяют разрешающую способность мультискана и искажение формы видеосигнала [25, 27, 61, 96, 149]. Форма ВАХ зависит от типа полупроводникового материала, конструкции р-п переходов и технологии их изготовления, а также токов утечки и температуры.
Эффективность собирания /т-л-переходом .инжектированных светом неравновесных носителей заряда определяет чувствительность и избирательность мультискана к падающему излучению [61]. Эффективность собирания зависит от коэффициента поглощения излучения полупроводниковым материалом; коэффициента, определяющего влияние процесса рекомбинации в области объемного заряда (диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей); напряжения на/?-и- переходе и его температуры [132, 133].
Удельная проводимость продольно распределенных резистивных делителей, а также влияние фототоков на распределение напряжения вдоль делительной шины приводит к нарушению линейности сканирования и искажению видеосигнала [41, 51, 97, 141, 149].
Процессы установления стационарного распределения неравновесных носителей тока в / -«-переходах определяют реакцию мультискана на воздействие импульсных засветок или модулированного по амплитуде излучения, а также коммутационное быстродействие мультискана. Длительность этих процессов зависит от освещенности и схемы включения мулътискана и может быть уменьшена до 10 -10 сек [28].
Нелинейные емкости р-я-переходов — являются основным и наименее исследованным фактором, ограничивающим быстродействие сканисторных структур [72,97, 98, 173].
Анализ известных в настоящее время физико-математических моделей сканисторных структур показал, что ни одна из моделей не удовлетворяет полностью всем предъявляемым к ней требованиям. Одни модели позволяют оценить влияние формы ВАХ /?-«-переходов сканистора на форму видеосигнала [25, 43], другие - проанализировать влияние присущих сканистору эффектов р-п-р- структуры (фоторезистивного эффекта делительного слоя [43, 56], эффекта вентильной фото-ЭДС [41, 44], эффекта перераспределения токов в делительном слое {157] и др.) на метрологические характеристики. Известна математическая модель сканистора в виде системы интегро-дифференциалъных уравнений, описывающих процессы распределения потенциалов и плотностей токов в областях коллекторного и эмиттерного переходов и нагрузки [170], однако ее решение возможно только численным методом.
Из моделей, описывающих дискретные сканисторные структуры, наиболее интересной является модель многопереходного сканистора Хортона [155, 173]. Она состоит из пар отдельных фотодиодов и резисторов и позволяет производить анализ видеосигналов от световых полей сложной конфигурации. Другие модели дискретных структур [125-127] позволяют исследовать влияние конструктивных параметров на погрешности измерений.
Для исследования процесса формирования видеосигналов мультискана в различных режимах работы и схемах включения математическая модель может быть представлена в виде систем уравнений, связывающих напряжения и токи в элементах его структуры с учетом внешних электрических цепей, обеспечивающих развертку и формирование выходных сигналов [23]. Уравнения должны достаточно адекватно отражать процессы преобразования световых сигналов в выходные электрические в виде, удобном для качественного и количественного анализа.
При моделировании диодной структуры мультискана воспользуемся основными уравнениями, характерными для полупроводниковых диодов [40]. Вольтамперную характеристику идеализированного р-п перехода аппроксимируем следующей зависимостью [131, 133]: 1=/,.( -1), (2.2.1) где / - ток через переход; is - обратный ток насьпцения; и - напряжение на/?-и -переходе; Х= щ 1, щ- "температурный потенциал", щ аЛТ /до; а — коэффициент "неидеальности" перехода, а=1...3 (для кремниевых структур а=1..-2); к — постоянная Больцмана, =1,38-10-23 дж/к; Т — температурар-п-ие-рехода по Кельвину, К, д0- заряд электрона, q0=l,60-l0 19 кул. При комнатной температуре (Г=293 К) а=1 и и0=25 мВ. Для мультискана величина тока насыщения is « 10 12-10"13 А на один переход [28, 149].
При освещении р-п перехода происходит генерация электронно-дырочных пар неосновных носителей (электронов в -области и дырок в л-области), при этом фототок is обусловленный движением этих носителей, совпадает по направлению с обратным током /?-и-перехода. Поэтому ВАХ освещенного «-перехода можно записать в виде i = is\e -\)-if (2.2.2)
При большом обратном напряжении на переходе фототок не зависит от него, а определяется только интенсивностью засветки /= -is-c-S-0 (где с-коэф-фициент, характеризующий параметры р-п лерехода; 5 - площадь фотоприемной поверхности; ф - поток излучения).
Исследование режима работы мультискана с модуляцией напряжения развертки
На рис. 3.11 приведена структурная схема формирования видеосигнала с использованием модулированного напряжения развертки (где ИИ-источник излучения; О-объект; ОС-оптическая система; ГР-генератор развертки; ФП-фо-топриемник; Г-генератор модулирующего напряжения; Ф-фазовращатель; 1ГГН- преобразователь ток-напряжение; ПФ-полосовой фильтр; СД-синхрон-ный детектор; ФНЧ-фильтр низких частот; ФИИ-формирователь измерительных импульсов). Сравнение структурных схем вьщеления видеосигнала на рис. 3.10 и на рис. 3.11 (при модуляции светового потока и при модуляции напряжения развертки) показывает, что они содержат одинаковые функциональные элементы и структуру, однако сравнительный анализ особенностей формирования видеосигнала показал следующие отличия.
Если при амплитудной модуляции светового потока форма демодулиро-ванного сигнала на выходе ФНЧ эквивалентна огибающей выходного тока ска-нисторной структуры, и для получения видеосигнала (информации о распределении и интенсивности светового потока вдоль фотоприемника) этот сигнал нужно продифференцировать, то при модуляции напряжения развертки видеосигнал формируется после демодуляции непосредственно на выходе ФНЧ. При модуляции развертывающего напряжения могут быть применены частоты более низкие (десятки кгц), чем при модуляции светового сигнала. Это объясняется большим временем перезаряда емкостей диодов ячеек по сравнению с временем жизни неосновных носителей (генерируемых светом), в основном определяющих фотоэлектрическое быстродействие фотодиодов. Кроме того, в режиме модуляции развертывающего напряжения имеет место прямое прохождение переменной составляющей на частоте модуляции через емкости диодов структуры на выходную шину, ограничивающее работу при малых уровнях световых сигналов или частоту модуляции сверху.
Исследованиями Хортона [155] показано, что в сканисторных структурах дискретного типа при увеличении напряжения смещения EQ на резистивной делительной шине, выходной ток приобретает ступенчато изменяющуюся форму, а напряжение видеосигнала (полученное дифференцированием выходного тока) - вид последовательности импульсов от каждой из дискретных ячеек. Амплитуда импульсов при этом пропорциональна освещенности соответствующей ячейки. При условии линейности развертывающего напряжения и постоянства градиента потенциала вдоль резистивнои делительной шины, а также отсутствия влияния фототоков на распределение потенциала вдоль делителя в процессе развертки, время появления каждого импульса от начала развертки будет определять как место падения света, так и место расположения соответствующего фотодиода. Границу, при которой происходит качественное изменение видеосигнала из непрерывного "аналогового" сигнала в "импульсный" сигнал, и его характеристики можно определить при рассмотрении процесса коммутации одной ячейки.
Выходной ток і2 в функции напряжения развертки щ освещенной ячейки мультискана, включенного по схеме "сканистор", имеет вид (2.3.29): (3.3.3) пропорциональна величине фототока. Это отражает линейность преобразования уровня освещенности в амплитуду видеоимпульсов. На рис. 3.17 представлены ВАХ выходного тока /2 ячейки мультискана, включенного по схеме "сканистор" (кривая 1), а также кривые 2-4 производных di2/dux. Из рассмотрения ВАХ ячейки можно заключить, что переключение ячейки (дающее пропорциональный ее освещенности перепад выходного тока) происходит в процессе изменения напряжения на ячейке на величину АияА-щ (где Uo - физическая константа, характеризующая полупроводниковый материал (2.2.1)). ключения ячейки At (и, соответственно, длительность импульса видеосигнала от нее) определяется временем изменения опрашивающего пилообразного напряжения на величину Au: AtxA Uo/(dut/df). Интервал между импульсами определяется временем Тя= Ео /(N-dwt/d/). Если разница в напряжениях вдоль делителя между ячейками станет равной Ди=4-ио, импульсы от соседних ячеек станут частично перекрывать друг друга (кривые 2, 3 на рис.3.17), а при напряжении Аи=2-щ, импульсы становятся неразличимыми (параметр 2-щ назван Хор-тоном разрешающей способностью по напряжению). Напряжение величиной 4м0 некоторые авторы называют электрической или "вольтовой" апертурой. Пространственным выражением апертуры является длина зоны с ячейками, которые находятся в состоянии переключения. В мультискане с дискретной структурой величина пространственной апертуры, естественно, ограничена шагом 5 размещения ячеек, что при заданном числе ячеек структуры TV определяет необходимое напряжение смещения Eo=4-uoN на делительной шине. При таком и более высоком напряжении Ео амплитуда модуляции видеосигнала (обусловленная дискретностью мультискана) зависит также от относительной протяженности bs фотодиода ячейки к шагу структуры. На рис. 3.18, 3.19 приведены эпюры видеосигналов мультискана, полученные моделированием для напряжений Дм=(4-8)-ио и относительной протяженности 65=0,5 и 55=0,7, а на рис.3.20 — зависимость относительной амплитуды импульсов фототока от ячеек к амплитуде видеосигнала от шагового напряжения Дм и относительной протяженности 8s. Исследование аналогичных зависимостей для мультискана с экранированными от света коммутационными диодами показало одинаковые результаты.
Для надежного выделения импульсов фототока от ячеек (при использовании мультискана в качестве дискретного датчика размеров) их амплитуда должна преобладать над возможными изменениями амплитуды видеосигнала, вызванными неравномерностью фоточувствительности его ячеек. Необходимое для этого шаговое напряжение Дм для мультисканов с 55=0,7 должно составлять не менее (6-8)-мо- Величина щ зависит не только от материала полупроводника, но и от конструкции, размеров и технологии изготовления р-п переходов. Так в сканисторе с дискретной базой, р-п переходы которого изготовлены методом осаждения поликристаллического кремния на монокристаллический в сочетании с диэлектрической изоляцией элементов структуры, реально получена вольтовая апертура Дм=4-мо=0,138 В [30].
Использование мультискана в качестве датчика с дискретным отсчетом. Определение местоположения и характеристик световых зон по реперным импульсам
Мультискан (как и обычный сканистор со сплошной структурой) имеет следующие основные характеристики: - разрешающая способность (телевизионная и координатно-размерная); - коммутационное быстродействие (частота опроса); - фотоэлектрическое быстродействие; - область спектральной чувствительности; - пороговая чувствительность к излучению (к модулированному и немоду-лированному); - интегральная чувствительность к излучению; - динамический диапазон; - неоднородность фоточувствительности; - неоднородность сопротивления делительных шин; - рабочее напряжение; - рассеиваемая мощность; - длина фоточувствительной поверхности.
Применительно к сканисторным структурам различают телевизионную разрешающую способность мультискана (лин./мм) и координатно-размерную (мкм). Телевизионная разрешающая способность определяется при условии получения полностью промодулированного видеосигнала от спроецированного на фотоприемник светового сигнала в виде чередующихся светлых и темных полос одинаковой ширины. Для мультискана (благодаря его дискретной структуре) она может составлять до 100 лин/мм [72], что на порядок выше, чем у сплошного сканистора. Координатно-размерная разрешающая способность определяется чувствительностью к минимальному перемещению светового сигнала или к минимальному изменению его ширины. Разрешающие способности определения координаты светового сигнала обоих фотопреобразователей, (мультискана и сплошного сканистора) примерно сопоставимы, достигают 0,2...1 мкм [41, 72] и зависят от ряда факторов (длины фоточувствительной площадки, крутизны фронта видеосигнала, соотношения сигнал-шум, напряжения на делительной шине EQ, скорости развертки и др.).
Под коммутационным быстродействием сканисторной структуры понимают предельную частоту (или минимальное время) опроса фотоприемника, при котором может быть сформирован видеосигнал с допустимой погрешностью. Основной причиной, ограничивающей это быстродействие, является задержка переключения диодных ячеек на время их перезаряда. Кириллова Н.В. в работе [72] показала, что основную роль в замедлении процесса переключения фотодиодной ячейки играет емкость С ее запертого диода (барьерная емкость). Необходимое минимальное время гэл мин для опроса элементарной ячейки с учетом времени перезаряда ее емкостей определяется выражением: 4ипС 4мпС /л л л\
УФЭЛ h где и0=0,025 В - температурный потенциал; у-интегральная чувствительность фотодиода; Фзд-падающий на него лучистый поток; z f-фототок. Время t мин составляет 10"4 - 10"6 сек и зависит от освещенности, а также схемы включения мультискана. Например, в схемах включения "бабочка" и "сканистор" в процессе сканирования переключаются только коммутационные диоды, а фотодиоды всегда заперты, поэтому величина С перезаряжаемой емкости меньше. При определении реального коммутационного быстродействия необходимо также учитывать время на обратный перезаряд емкостей всех ячеек при обратном ходе напряжения развертки для восстановления начальных условий работы. По коммутационному быстродействию мультискан уступает сканистору со сплошной структурой. Максимальная частота опроса мультискана не превышает 0,5-1 кгц, у сканистора она может достигать 5 кгц и более [51].
При работе фотопреобразователей с источниками модулированного по интенсивности оптического сигнала необходимо учитывать их фотоэлектрическое быстродействие, оцениваемое временем установления фототока при воздействии прямоугольных импульсов света. Оно определяется временем /уст диффузии носителей от места генерации до области объемного заряда р-п пере хода (/уст=ю2/Д где ш- глубина залегания перехода; D- коэффициент диффузии). Для сканистора время установления составляет 10" с, для мультискана -10" с [28]. Следует отметить, что мулътискан в некоторых схемах включения помимо определения координат одновременно может регистрировать суммарный световой поток и его изменения во времени. Это является его преимуществом по сравнению со сканистором.
Мультискан и сплошной сканистор выполнены из полупроводниковых материалов на основе кремния и поэтому имеют близкие спектральные характеристики. Спектральный диапазон чувствительности на уровне 0,1 от максимальной составляет 0,5...1,1 мкм с максимумом в области около 0,9 мкм [28, 30]. В отличие от мультискана/?-и-переходы сплошного сканистора располагаются на различной глубине от облучаемой поверхности, что вызывает несимметричность вольтамперной характеристики из-за различной фоточувствительности и спектральной чувствительности обоих /?-Аг-переходов. Это вносит дополнительную погрешность определения координат, так как в процессе сканирования вклад в общий выходной ток каждого из / -«-переходов изменяется.
Мультискан (в силу своей дискретной структуры) имеет по сравнению со сплошным сканистором много меньшую суммарную площадь фоточувствительной поверхности и, вследствие этого, на два-три порядка меньшие темно-вые токи. Поскольку пороговую чувствительность обычно соотносят с уровнем токового шума (величина которого определяется соотношением 1Ш = yJ2-Is -qSf, где /5-интегральный темновой ток; А/ полоса частот), то можно ожидать пороговую чувствительность мультискана примерно на порядок большую, чем у сплошного сканистора. Исследования Кирилловой Н.В. [72] показали, что величина пороговой чувствительности Фпор является функцией амплитуды коммутирующего напряжения EQ, периода опроса Т„р и емкости диодов ячеек С: ф Ео С (4.4.2) т.е., пороговое значение светового потока растет при увеличении напряжения опроса, паразитной емкости диодов и уменьшении времени коммутации. Практически интегральная чувствительность серийных сканисторов составляет 1...4 мА/лм, для мультискана 0,2-0,55 А/Вт.
Под координатной характеристикой развертывающего фотоприемника понимается зависимость его временной координаты от пространственной координаты световой зоны. Основной вклад в нелинейность координатной характеристики сканисторных структур вносит продольная неравномерность сопротивления делительных шин, связанная с технологией их изготовления, которая для мультискана и сплошного сканистора составляет 0,5...3% [28, 51]. Известны способы коррекции нелинейности резистивных шин мультискана (например, напылением высокоомного сопротивления поверх делительных слоев с последующей лазерной обработкой и др.), позволяющие снизить нелинейность до 0,05% [33].
