Интегральная схема оптического датчика вектора перемещения и скорости наблюдаемого объекта

 

Настоящее изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в датчиках величины и направления перемещения и скорости наблюдаемых объектов. Технический результат - увеличение люксвольтовой чувствительности фотосенсоров в датчике и соответствующее увеличение предельной регистрируемой скорости перемещения наблюдаемых объектов. Сущность: интегральная схема оптического датчика содержит массив оптических сенсоров, имеющих полупроводниковые светочувствительные и стоковые области противоположных типов проводимости, усилители, соединенные непосредственно или через транзисторные ключи адресации со стоковыми областями сенсоров, один или группу АЦП, соединенных непосредственно или через мультиплексор с усилителями, устройство цифровой обработки сигналов, соединенное непосредственно или через мультиплексор с АЦП. Светочувствительные полупроводниковые области оптических сенсоров могут быть покрыты прозрачным полевым электродом, являющимся затвором для стоковых областей. Дополнительно предложено стоковые области разместить в центрах светочувствительных областей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в датчиках величины и направления перемещения и скорости наблюдаемых объектов.

Известны интегральные схемы оптических датчиков вектора перемещения и скорости, описанные в патентах США №6233368 "КМОП цифровая оптическая навигационная интегральная схема" и №4521773.

В этих патентах описываются интегральные схемы оптических датчиков вектора перемещения и скорости, содержащие массив полупроводниковых оптических сенсоров, усилители, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство цифровой обработки сигналов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент США №6233386 В1 фирмы "Agilent Technologies", в котором описана КМОП интегральная схема, содержащая матрицу фотосенсоров на фотодиодах и фототранзисторах, схемы выборки и мультиплексирования, усилители, АЦП, устройство обработки сигналов.

Однако известные устройства имеют недостатки: вольт-люксовая чувствительность фотосенсоров, определяющая максимальную регистрируемую датчиком скорость перемещения наблюдаемого объекта, недостаточно высока для ряда применений, в частности для высокоскоростной оптической мыши компьютера.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение вольт-люксовой чувствительности фотосенсоров в датчике и соответствующее увеличение предельной регистрируемой скорости перемещения наблюдаемых объектов.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем массив оптических сенсоров, имеющих полупроводниковые светочувствительные и стоковые области противоположных типов проводимости, усилители, соединенные непосредственно или через транзисторные ключи адресации со стоковыми областями сенсоров, один или группу АЦП, соединенных непосредственно или через мультиплексор с усилителями, устройство цифровой обработки сигналов, соединенное непосредственно или через мультиплексор с АЦП, предложено светочувствительные полупроводниковые области оптических сенсоров покрыть прозрачным полевым электродом, являющимся затвором для стоковых областей.

Дополнительно предложено стоковые области разместить в центрах светочувствительных областей.

Увеличение предельной регистрируемой скорости перемещения наблюдаемых датчиком объектов достигается за счет увеличения отношения светочувствительной площади фотосенсора к предельно малой стоковой. Увеличенный фототок от увеличенной по площади светочувствительной области создает на малой стоковой области пороговый заряд за меньшее время экспозиции, что и повышает предельную регистрируемую скорость. Значительное увеличение площади светочувствительной области по отношению к стоковой вызвано наличием полевого электрода, покрывающего светочувствительную область и являющегося затвором для стоковой области. Имеющее место в фотодиодах и фототранзисторах ограничение размеров фоточувствительной области над стоковой диффузионно-дрейфовым механизмом сбора неосновных носителей в пристоковой области в предложенной конструкции снимается благодаря полевому электроду, т.к. диффузионно-дрейфовый механизм сбора неосновных носителей заряда на стоке заменяется механизмом переноса основных носителей вдоль канала под полевым электродом, что и дает возможность значительного расширения фоточувствительной области.

Дополнительный признак изобретения направлен на дальнейшее повышение быстродействия датчика. При расположении стоковой области в центре фоточувствительной области время переноса заряда вдоль полевого электрода к стоковой области минимально.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение:

- фиг.1 иллюстрирует конструкцию фотосенсора, выполненного на фотодиоде (фиг.1а) или фототранзисторе (фиг.1б), как изложено в прототипе;

- фиг.2 показывает предлагаемую конструкцию фотосенсора в интегральной схеме оптического датчика вектора перемещения и скорости объекта.

Интегральная схема оптического датчика вектора перемещения и скорости содержит массив оптических сенсоров, имеющих (см. фиг.1а, 1б и 2) полупроводниковые светочувствительные 1 и стоковые 2 области противоположных типов проводимости, усилители 3, соединенные непосредственно или через транзисторные ключи адресации 4 со стоковыми областями 2 сенсоров, один или группу аналогово-цифровых преобразователей 5, соединенных непосредственно или через мультиплексор 6 с усилителями 3, устройство цифровой обработки сигналов 7, соединенное непосредственно или через цифровой мультиплексор 8 с АЦП 5.

Светочувствительные полупроводниковые области 1 оптических сенсоров покрыты прозрачным полевым электродом 9, являющимся затвором для стоковых областей 2.

Стоковые области 2 могут быть размещены в центрах светочувствительных областей 1.

Предлагаемая интегральная схема работает следующим образом. На полевой электрод 9 подано напряжение, превышающее пороговое. Стоковая область 2 поддерживается под потенциалом, большим затворного. Неосновные носители, порожденные светом в светочувствительной области 1, находящиеся в зоне 10, расположенной в пределах диффузионной длины от стоковой области, собираются стоковой областью непосредственно. Неосновные носители, возникшие за пределами зоны 10, за счет диффузии и дрейфа в ОПЗ притягиваются полевым электродом к поверхности светочувствительной области 1 и образуют общий со стоковой областью канал с избыточными основными носителями, которые под действием тянущего электрического поля перетекают в стоковую область, изменяя ее потенциал. Это изменение потенциала передается через схемы выборки на усилитель 3, затем через аналоговый мультиплексор 6 на АЦП 5 и далее через цифровой мультиплексор 8 на устройство обработки 7. Устройство 7 обрабатывает поступающую информацию, вычисляя значение и направление перемещения наблюдаемых объектов и их скорость.

Преимущество предложенной конструкции состоит в том, что на сток 2 попадают все носители заряда, порожденные светом под полевым электродом 9 на любом расстоянии от стоковой области 2, а не только из диффузионной области 10 и ОПЗ, как у фотодиода или фототранзистора. Таким образом, предложенная конструкция работает как электронная лупа, собирающая фотоносители заряда на предельно малой стоковой области 2, имеющей максимальную вольт-зарядовую чувствительность.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы интегральной схемы, включая предлагаемый вариант ее исполнения, предполагает дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Интегральная схема оптического датчика вектора перемещения и скорости наблюдаемого объекта, содержащая массив оптических сенсоров, имеющих полупроводниковые светочувствительные и стоковые области противоположных типов проводимости, усилители, соединенные непосредственно или через транзисторные ключи адресации со стоковыми областями сенсоров, один или группу аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), соединенных непосредственно или через мультиплексор с усилителями, устройство цифровой обработки сигналов, соединенное непосредственно или через мультиплексор с АЦП, отличающаяся тем, что светочувствительные полупроводниковые области оптических сенсоров покрыты прозрачным полевым электродом, являющимся затвором для стоковых областей.

2. Интегральная схема оптического датчика вектора перемещения и скорости наблюдаемого объекта по п.1, отличающаяся тем, что стоковые области расположены в центрах светочувствительных областей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3