Как это работает. Фотоприемник

Фото: «Росэл»

Чтобы превратить поток фотонов в изображение, измерение или сигнал управления, нужен элемент, который умеет «читать» свет и переводить его на язык электричества. Эту задачу и решает фотоприемник — ключевое звено любой оптической системы, от камеры смартфона до приборов машинного зрения и специализированной техники.

Мы привыкли говорить о камерах, объективах и экранах, но именно фотоприемник определяет, каким будет изображение: сколько деталей оно сохранит, как поведет себя в сумерках и насколько точно свет преобразуется в цифровые данные. В рубрике «Как это работает» разбираемся, как свет переходит в цифру и где сегодня применяются фотоприемники производства предприятий Ростеха.

Ловец света

Фотоприемник — это прибор, который регистрирует оптическое излучение и преобразует оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе. Обычно фотоприемник изготавливается из кристалла полупроводника — материала, который при определенных условиях может проводить или блокировать электрический ток. Чаще всего для этого используют кремний или германий.

В зависимости от принципа работы и сферы применения фотоприемники различаются по типам. Фоторезистор используется в простых датчиках, к примеру, для управления светом. Фототранзистор намного более светочувствителен, поэтому применяется в высокоточных датчиках, оптопарах или системах передачи сигналов. Фотодиод — одни из самых распространенных фотоприемников, он лежит в основе большинства современных камер, средств связи, оптико-электронных приборов.

Фото: «Росэл»

Внутри полупроводника работает так называемый p-n переход — место, где зона с большим количеством свободных электронов встречается с зоной, где они в дефиците. На границе этих зон создается электрическое поле. В нормальном состоянии электроны полупроводника не участвуют в проводимости тока, но как только на электрон попадает свет и происходит столкновение с фотоном (элементарной частицей света), его равновесие нарушается. Электрон становится носителем отрицательного заряда, а на его месте остается дырка с положительным зарядом — образуются электронно-дырочные пары. Электрическое поле разводит электроны и дырки в разные стороны. Так образуется фототок. Чем сильнее оптический сигнал на входе, тем выше будет электрический сигнал на выходе.

Дело в матрице

За получение изображения в смартфонах, фотоаппаратах, телекамерах, системах машинного зрения отвечают матрицы — полупроводниковые микросхемы. Матрица состоит из множества светочувствительных элементов — пикселей, каждый из которых принимает световой сигнал и преобразует его в электрический. Далее в дело вступает электронная система прибора, благодаря ей электрический сигнал становится цифровым значением пикселя. Именно из таких значений складывается изображение.

В классической ПЗС-матрице, изобретенной в 1969 году, используется технология прибора с зарядовой связью. Заряд передвигается по цепочке до единственного усилителя, где превращается в напряжение, а затем — в цифровое значение пикселя. ПЗС-матрица очень чувствительна, поэтому изображения получаются высококачественными, с низким уровнем шума. Однако эта технология более сложная, в связи с чем в наши дни ее применяют там, где важна не скорость работы, а качество: в телескопах, микроскопах, измерительных приборах.

Современные фотоприемники с ПЗС-матрицей выпускает научно-производственное предприятие «Пульсар» в составе холдинга «Росэл» Госкорпорации Ростех. Устройства принимают и преобразуют в электрический сигнал оптическое излучение, сфокусированное внешней оптической системой в фокальной плоскости подложки кристалла. В состав входит матричный массив, выходной сдвиговой регистр и 1–2 выходных устройств. Общий размер матричного массива может составлять 795×596 или 1028×1008 элементов.

Устройства с ПЗС-технологией обладают высокой интегральной чувствительностью. Скорость вывода данных также высока и может составлять от 25 до 50 Гц. Такие фотоприемники чаще всего используются в оборудовании для сканирования, телевизионных системах и т. д.

КМОП-технологии

Более современная технология — КМОП-матрица (от англ. CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). У каждого пикселя такой матрицы есть собственный усилитель для обработки сигнала, заряду не нужно двигаться по цепочке. Благодаря этому КМОП-матрицы работают быстрее. Вот почему именно их стали активно использовать в смартфонах. А еще они достаточно компактны и требуют меньше материала, поэтому такая технология более дешевая, чем классические ПЗС-матрицы.

Фото: «Росэл»

Первый отечественный фотоприемник на основе КМОП-матрицы был разработан специалистами НПП «Пульсар» в составе холдинга «Росэл». Его изготавливают в двух вариантах: можно получать черно-белое (КМОП-1280М) или цветное изображение с RGB-фильтром Байера (КМОП-1280Ц). Фотоприемник работает с оптическим излучением в спектральном диапазоне 0,4–0,9 мкм (в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне).

Устройство обладает высокой интегральной чувствительностью, а усовершенствованные сенсоры обеспечивают качественную работу даже при экстремальных температурах. Скорость вывода данных доходит до 50 Гц. Фотоприемники на основе КМОП-матрицы используются в камерах машинного зрения, медицинском оборудовании, системах мониторинга и датчиках промышленного контроля. Технология, не уступающая зарубежным аналогам, позволила заменить импортные устройства и обеспечить выпуск приборов, которым необходим фотоприемник.

Технологии нового поколения

В прошлом году холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех представил уникальную для отечественного рынка разработку — матричный фотоприемник на основе коллоидных квантовых точек. Матрица фотоприемника получила формат 640×512 с шагом пикселей 15 мкм. Устройство регистрирует излучение в расширенном спектральном диапазоне от видимого до коротковолнового инфракрасного. Это совместная разработка специалистов Государственного научного центра РФ НПО «Орион», Московского физико-технического института и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, осуществленная при поддержке Фонда перспективных исследований.

Фото: «Швабе»

Коллоидные квантовые точки представляют собой синтезированные в коллоидном растворе полупроводниковые нанокристаллы (от 2 до 50 нм) со стабилизирующей оболочкой из органических молекул. Такие нанокристаллы проявляют те же свойства, что и частицы на квантовом уровне. Поэтому, регулируя размер нанокристаллов, можно регулировать диапазон длины волн поглощаемого излучения — то есть управлять оптическими свойствами материала.

Это одна из перспективных технологий в области оптоэлектроники, которая позволит расширить сферу применения матричных фотоприемников. Структуры на основе коллоидных квантовых точек дешевле и проще производить, при этом они обладают широким диапазоном чувствительности. Фотоприемники на базе такой технологии можно применять в беспилотных транспортных средствах, системах космического мониторинга, промышленных приборах, системах сортировки мусора по химическому составу и не только.