Телевидение

многокомпонентных катодов чувствительность значительно выше. На рис. 4.1.

приведены две нормированных характеристики фотокатодов:

1 – оксидно-серебряно-цезиевый катод, чувствительностью S = (40(70) [pic]

и максимальным квантовым выходом ( 1%, (т.е. в среднем на 100 квантов света

вылетает 1 электрон)

2 – многощелочной фотокатод, чувствительность которого доходит до

200[pic], а квантовый выход доходит до 35%.

В силу различной чувствительности фотокатода для разных длин волн

излучения пользуются понятием интегральной чувствительности фотокатода:

[pic],

где ((() – функция видности глаза.

В отличие от внешнего фотоэффекта, внутренний фотоэффект не связан с

вылетом электронов за пределы обучаемого материала. В качестве материала

используются полупроводники, в которых при соблюдении некоторых условий

кванты излучения вырывают электроны из атомов. Эти электроны переходят из

заполненной зоны в зону проводимости, сильно меняя локальную проводимость

материала, а затем рекомбинируют с дырками. Скорость рекомбинации

возрастает с увеличением концентрации электронов (и дырок), а скорость их

генерации зависит только от освещенности, поэтому скорость рекомбинации

«подтягивается» к скорости генерации через некоторое время после изменения

уровня освещенности. Таким образом, установившееся значение локальной

проводимости зависит от освещенности Е в каждом месте освещаемого

полупроводника. Время установления нового значения проводимости зависит от

химического состава материала, конструктивных особенностей и величины

светового потока. Эти же факторы определяют и величину внутреннего

локального фототока: iф = K(E(,

где К – коэффициент пропорциональности,

( - показатель, зависящий от перечисленных факторов.

Обычно ( лежит в диапазоне (0,5(1,0).

Так же, как и для внешнего фотоэффекта, внутренний фототок зависит от

спектрального состава света, начиная с «красной границы» (кр = (h()кр.

Внутренний фотоэффект имеет большое преимущество по причине высокого

квантового выхода, превышающего 100%.

В телевизионных преобразователях обычно используют полупрозрачный

фотокатод (независимо от вида фотоэффекта), который имеет толщину от 20 до

40 нм.

4.3. Формирование и перенос электронного изображения

Электронное изображение – поток электронов, распределение плотности

которых соответствует распределению освещенности оптического изображения,

спроецированного на фотокатод. Иногда это электронное изображение

переносится на некоторое расстояние от фотокатода и перемещается (качается)

в пространстве.

Необходимое условие формирования электронного изображения – надо

собрать все электроны, вылетевшие из одной точки фотокатода, вновь в одной

точке в плоскости переноса.

Для переноса и фокусировки электронных пучков применяют длинные

фокусирующие катушки, создающие однородное магнитное поле во всем

пространстве движения электронов. Схема движения электронов в однородном

магнитном поле показана на рис. 4.2,а. Здесь S – плоскость фотокатода (ОИ),

S1 – плоскость переноса, L – магнитная катушка, которая создает поле НZ.

Ускоряющее поле VA переносят электроны от фотокатода направо. Из точки

ОR фотокатода вылетают электроны с разными радиальными составляющими

скорости VR. Магнитное поле воздействует на электрон (сила Лоренца):

FЛ = eHz(VR , где е – заряд электрона.

Эта сила перпендикулярна оси z и закручивает электрон, т.е. направлена

к центру (центростремительная сила). Эта сила создает траекторию в виде

окружности, для которой известна связь между скоростью и радиусом:

[pic], где m – масса электрона, R – радиус его траектории (проекции

на плоскость (S).

При Fц = FЛ найдем R:

[pic],

а время обхода этой окружности [pic].

Видно, что время t не зависит от угла вылета (от VR). Отсюда следует, что

все электроны, вылетевшие из т.О1, будут в виде «веретена» собраны в

т.[pic], потом они опять разойдутся, опять соберутся (т. [pic]) и т.д. Это

«веретено» показано на рис. 4.2,б. Траектории всех электронов представляют

собой винтовые линии, за исключением тех электронов, которые вылетели вдоль

магнитного поля НZ, т.е. у которых VR = 0.

Плоскости [pic],[pic],[pic] и.т.д. – это фокальные плоскости

электронного изображения, которые находятся на расстояниях li от плоскости

фотокатода:

[pic]. Очевидно, что l/ < l// < l/// < …

Величину Vz в основном определяет ускоряющее напряжение UA, поэтому

фокусировку можно осуществлять как путем изменения НZ, так и UA.

Переносимое электронное изображение – прямое и имеет тот же размер, что

и исходное оптическое изображение на фотокатоде. Перенос электронного

изображения используют в диссекторе и суперортиконе.

Отметим кстати, что фокусировка с помощью длинной катушки используется

также для формирования развертывающего луча. Здесь источником излучения

является электронная пушка (рис. 4.3.). Здесь Нф – фокусирующее поле, Но –

отклоняющее магнитное поле.

4.4. Диссектор

Диссектор – трубка мгновенного действия, предложена в 1930 Франсуортом

(рис.4.4). В ней используется внешний фотоэффект.

Развертка осуществляется путем перемещения электронного изображения

перед диафрагмой (вырезающее отверстие), которая и является развертывающей

апертурой. Диссектор состоит из трех секций: секция преобразования

оптического изображения в электронное, секция переноса электронного

изображения и его отклонения и секция вторично-электронного усиления (ВЭУ).

Первая секция – фотокатод, последующие секции видны из рисунка.

Напряжение сигнала Uc = ic ( Rн. Полярность сигнала отрицательна, т.к.

напряжение в точке А: UA = U-icRн, т.е. при увеличении интенсивности света

потенциал в т. А падает («уровень белого ниже уровня черного»).

Обычно коэффициент усиления ВЭУ ( 107, так что ток сигнала может

доходить до 100 мкА.

Разрешающая способность диссектора не менее 600 линий по всей мишени

(фотокатоду), а в малокадровом телевидении может доходить до 3000.

Наряду с серьезными преимуществами (простота, высокое разрешение,

механическая прочность и др.), видикон обладает весьма серьезным

недостатком – малой чувствительностью в широкополосном режиме работы. В

достаточно широком диапазоне освещенности (от десятых долей лк до тысяч лк)

световая чувствительность диссектора постоянна и ее можно оценить следующим

образом.

Пусть суммарный ток фотокатода составляет Iф, а общее число элементов

изображения Nmax = k(z2.Ток фотокатода: Iф = ((E(Sф,

где ( - чувствительность фотокатода,

Е – его средняя освещенность,

Sф – площадь фотокатода.

Освещенность Е зависит от освещенности объекта Е0:

[pic],

где ( - среднее значение коэффициента отражения объекта,

( - прозрачность объектива,

О – относительное отверстие объектива,

( - коэффициент увеличения оптической системы (( ( 0 при проецировании

удаленных объектов).

С учетом того, что фототок с элемента изображения [pic], получим

абсолютное среднее значение фототока с одного элемента изображения:

[pic].

Как обычно, представляет интерес отношение сигнал/шум [pic]. Будем

учитывать только дробовую составляющую шума, т.е.

[pic], где (f – полоса частот.

Тогда сигнал/шум:

[pic],

Отсюда:

[pic].

Таким образом, задавая величину (др, можно оценить необходимую

освещенность сцены, изображение которой передается:

[pic].

Вторично-электронный умножитель уменьшает отношение сигнал/шум в [pic]

раз, где ( – коэффициент вторичной эмиссии динодов. Поэтому:

[pic].

Для примера положим: к = 4/3, z = 575, (f = 7,3 106 Гц; объектив имеет

прозрачность (=0,9, относительное отверстие О = 1:2. Остальные параметры (

= 5, ( ( 0, ( = 0,6. Диссектор имеет чувствительность (ф = 70 мкА/лм, Sф =

24х32 мм2. Тогда для ( = 40 получим:

Ео = 1,4 ( 106 лк, что в 10 раз выше освещенности в солнечный день.

Если количество строк z уменьшить до 100, то для прежнего значения

сигнал/шум освещенность можно уменьшить в ( 2000 раз (за счет уменьшения

kz2 и (f).

4.5. Суперортикон

Этот преобразователь работает в режиме накопления – световой поток,

попадающий на элемент изображения, действует в течение всего кадра, так что

элементарный конденсатор, соответствующий этому элементу изображения,

накапливает заряд в течение всего времени кадра, а считывается этот заряд

за время прохождения лучом элемента. Эквивалентная схема преобразователя с

накоплением показана на рис. 4.5. За время кадра Тк элементарный

конденсатор накапливает заряд: qзар = iф ( Тк.

При считывании ключ К замыкается на время tсчит и конденсатор Сэ

разряжается через нагрузочное сопротивление Rн. При полном считывании qзар

= qсчит поэтому ток сигнала: [pic], где N – количество элементов

изображения.

Принцип накопления может быть реализован при использовании мозаичной

фотомишени, состоящей из изолированных ячеек, каждая из которых содержит

микрофотоэлемент и накопительный конденсатор С (рис. 4.6.). Конденсаторы

заряжаются до разных напряжений в соответствии с локальной освещенностью,

образуя потенциальный рельеф на мишени. Электронный луч, перемещающийся по

мишени в соответствии с законом развертки (прямоугольно-прогрессивный

растр), поочередно подключает различные накопительные конденсаторы Сi и

разряжает их через нагрузочное сопротивление, через которое и протекает ток

сигнала.

При накоплении отношение сигнал/шум увеличивается в [pic] раз. Это

означает, что при прочих равных условиях преобразователь с накоплением

требует в (kz2) раз меньшей освещенности на фотокатоде (мишени).

Кроме эффекта накопления, в суперортиконе используется усиление

первичного фотозаряда за счет вторичной электронной эмиссии на материале

мишени.

Для пояснения этого процесса рассмотрим процесс формирования потенциала

изолированной мишени, которая облучается электронным пучком (рис. 4.7.). В

зависимости от энергии электронов первичного пучка меняется коэффициент

вторичной эмиссии. Полагаем по-прежнему, что выполняется условие полного

отбора всех вторичных электронов. Зависимость коэффициента вторичной

эмиссии от ускоряющего потенциала UA приведена на рис. 4.8, а. При

ускоряющем потенциале 0 ( UA ( Ukp1 (область медленных электронов) мишень

получает некоторый отрицательный (относительно катода) равновесный

потенциал UHP ( (-1,5 B), а затем все электроны отражаются от мишени, не

проникая в нее. Затем, при Ukp1 ( UA ( Ukp2 (область быстрых электронов)

энергии электронов достаточно для проникновения в мишень несмотря на ее

тормозящее поле. Эти первичные электроны выбивают из мишени вторичные

электроны, количество которых больше количества первичных, так что мишень

получает положительный потенциал, линейно зависящий от ускоряющего

потенциала. В области UA ( Ukp2 мишень остается относительно катода

положительно заряженной до величины ( Ukp2 (рис. 4.8, б). Потенциал мишени

относительно анода при изменении ускоряющего напряжения показан на рис.

4.8, в. В области Ukp1 < UA < Ukp2 разность потенциалов мишень-анод

постоянна и составляет +3В, т.е. мишень имеет положительный потенциал по

отношению к аноду.

В области I (UA < Ukp1) работают секции передающих трубок с разверткой

лучом медленных электронов, в области II (Ukp1 < UA < Ukp2) работают секции

трубок с быстрыми электронами.

На основе эффекта накопления и явления вторичной электронной эмиссии с

изолированной полупроводниковой мишенью в (30-40)-е годы нашего столетия

были разработаны несколько типов передающих трубок, наиболее совершенной (и

самой сложной) из которых является суперортикон (рис. 4.9.). Суперортикон

состоит из трех секций: создания и переноса электронного изображения,

коммутации (и разряда) мишени лучом медленных электронов и секции вторично-

электронного усиления.

Первую секцию образуют полупрозрачный фотокатод 1 на внутренней стороне

торцевой стенки (планшайбы) баллона трубки, ускоряющий электрод 2 (короткий

проводящий цилиндр) и двусторонняя мишень в виде пленки полупроводникового

стекла толщиной 5 мкм и находящейся перед ней на расстоянии ( 50 мкм

проволочной сеткой с густотой до 1000 отв/мм2 и прозрачностью для

электронов ( 0,7.

Вылетающие из катода фотоэлектроны образуют электронное изображение, в

первой фокальной плоскости которого располагается мишень. Ускоряющее

напряжение этой секции составляет ( 450 В, поэтому коэффициент вторичной

эмиссии ( ( 1. Вторичные электроны улавливаются упомянутой сеткой, так что

оптическое изображение на фотокатоде преобразуется в потенциальный рельеф

мишени. Положительный заряд, образованный на мишени за счет освещенности

соответствующего элемента оптического изображения, создает напряжение на

цепочке последовательно соединенных элементарных конденсаторов Ссм, См и

Сма (рис. 4.10), где Ссм – емкость конденсатора, образованного сеткой и

левой стороной мишени, См – между левой и правой сторонами мишени и Сма –

между правой стороной мишени и тормозящим электродом, относящимся ко второй

секции суперортикона. В соответствии с межэлектродными расстояниями и

значительной величиной диэлектрической проницаемости стекла (в 80 раз

больше, чем у вакуума) можно записать:

См (( Ссм (( Сма,

т.е. практически все напряжение приложено к обкладкам Сма, а наименьшая

часть – к См. Это означает, что потенциалы левой и правой обкладок См

одинаковы, т.е. потенциальный рельеф левой стороны мишени без изменений

передается на правую.

Вторая секция трубки работает в области медленных электронов. Она

состоит из электронного прожектора 8 с апертурой ( 50 мкм, фокусирующего

анода 6 (металлическое внутреннее покрытие баллона) и тормозящего электрода

4 (короткий металлический цилиндр вблизи мишени). Иногда добавляют

выравнивающую сетку 5. Луч прожектора отклоняется строчными и кадровыми

катушками, образуя растр на мишени.

За счет продольного фокусирующего поля и тормозящего поля последнего

электрода 4 электроны с практически нулевой скоростью перпендикулярно

«ощупывают» мишень. При достаточно большом токе пучка потенциал мишени

доводится до нижнего равновесного значения UHP независимо от величины

начального положительного потенциала. Для этого требуется большая или

меньшая часть тока луча, а остальная часть тока луча, не потребовавшаяся

для компенсации накопленного на мишени положительного заряда, отражается от

мишени и возвращается в обратном направлении.

Третья секция суперортикона предназначена для усиления возвращенной

части тока луча. Она состоит из пяти кольцевых электродов (динодов)

умножителя, на выходе последнего из которых включен нагрузочный резистор

Rн. Эта секция трубки, как и первая, работает в режиме быстрых электронов;

общий коэффициент усиления достигает 103.

В целом суперортикон вырабатывает позитивный сигнал, т.е. высокой

освещенности участка фотокатода («уровень белого») соответствует

максимальный ток вторично-электронного умножителя, т.е. наибольшее значение

напряжение в точке А (рис. 4.9.). Световая характеристика трубки этого типа

приведена на рис. 4.11. Начальный участок линеен, что объясняется тем, что

элементарные конденсаторы Ссм не успевают полностью зарядиться за время

кадра, все вторичные электроны, выбитые из мишени, отбираются сеткой и

объемный заряд между мишенью и сеткой отсутствует. Трубка на линейном

участке правильно воспроизводит среднюю яркость изображений. При увеличении

освещенности фотокатода (участок ВС) фотоэлектроны будут доводить потенциал

мишени до равновесного значения UBP (рис. 4.8), на несколько вольт выше

потенциала сетки. Образуется местное тормозящее поле, создающее объемный

заряд, который уравнивает число первичных (фото)электронов и число

вторичных. собираемых сеткой. Трубка не будет правильно воспроизводить

среднюю яркость изображения. Описанная характеристика соответствует

статическому оптическому изображению («белый квадрат на черном фоне»).

Несмотря на линейную зависимость участка АВ, практически он не используется

из-за малого отношения сигнал/шум. Рабочим участком служит диапазон ВС, где

из-за тормозящего объемного заряда вторичные электроны, выбитые из участков

мишени, соответствующих наиболее светлым местам фотокатода, возвращаются на

близлежащие участки, снижая тем самым их потенциал. Таким образом,

образуются динамические характеристики трубки (пунктир на рис. 4.11),

которая соответствует проецированию на фотокатод полутоновой шкалы (десять

градаций).

Динамический диапазон освещенностей у суперортикона выше, чем у

человеческого глаза, однако желание иметь большое отношение с/ш (( 20)

заставляет работать с освещенностями в (2-3) выше Е1 (рис. 4.11), которую

принимают за чувствительность суперортикона.

Спектральная характеристика трубки, как обычно, определяется материалом

фотокатода.

Разрешающая способность суперортикона описывается апертурной

характеристикой (рис. 4.12), т.е. изменением (модуляцией) величины тока ie

через нагрузочный резистор от количества строк z в растре (диаметра

апертуры). Разрешающая способность зависит от конечного значения диаметра

коммутирующего луча и качества фокусировки электронного изображения на

мишени.

В заключение еще раз подчеркнем высокую чувствительность и разрешающую

способность суперортикона. Как уже отмечалось, эта трубка имеет

существенные недостатки:

- довольно высокий уровень шумов;

- неравномерность сигнала по растру за счет различных скоростей

считывающего луча в центре и на краях мишени;

- сложна в производстве и эксплуатации;

- большие габариты, чувствительность к внешним факторам (удары,

вибрации, изменение температуры);

- недостаточная долговечность (200-750) час;

- большое время подготовки к работе после включения (до 30 минут).

4.6. Видикон

Видикон в настоящее время является самой распространенной телевизионной

передающей трубкой в силу простоты, надежности и дешевизны при небольших

размерах и массе. Видикон использует мишень с внутренним фотоэффектом,

которая служит непосредственно фотокатодом.

Видикон состоит из двух основных узлов – фотомишени и электронного

прожектора, создающего коммутирующий пучок (рис. 4.13). На внутреннюю

стенку стеклянной планшайбы напылена прозрачная (( = 0,9) сигнальная

пластина 1 (Au, Pt или SnO), имеющая вывод. Затем нанесен фотослой 2 в виде

сложного полупроводника из соединений сурьмы, селена, мышьяка, серы. От

состава полупроводника и его толщины зависит чувствительность, спектральная

характеристика и инерционность видикона.

Электронная коммутационная система образована электронным прожектором

(термокатод 3, управляющий электрод 4 , первый 5 и второй 6 аноды) и

выравнивающей сеткой 7. Потенциал этой сетки в (1,5(2) раза превышает

потенциал второго анода, что обеспечивает нормальную (под углом 90( к

мишени) ориентацию луча, необходимую для получения одинакового исходного

потенциала по всей мишени.

Эквивалентная схема видикона приведена на рис. 4.14. Каждый

элементарный участок мишени представлен в виде конденсатора Cэi,

шунтированного сопротивлением Rэi. Величина этого сопротивления

определяется внутренним фотоэффектом и зависит от локальной освещенности,

т.е. на мишени оптическое изображение преобразуется в рельеф удельных

сопротивлений, величина которых лежит в диапазоне от 1012 Ом(см (темные

участки) до 1010 Ом(см (наиболее светлые).

Когда мишень обходится лучом (при развертке), то все участки правой

стороны мишени приобретают потенциал катода, т.е. все элементарные

конденсаторы имеют разность потенциалов Uсп. Затем при проецировании

изображения меняются Rэ, так что Сэ разряжается через свой Rэ в течение

времени между двумя коммутациями с постоянной времени Rэ(Сэ и потенциал

правой обкладки увеличивается, приближаясь к потенциалу левой обкладки,

т.е. потенциалу сигнальной пластины. На неосвещенных местах потенциал

меняется гораздо слабее. Т.е. создается потенциальный рельеф,

соответствующий распределению освещенности (и проводимости).

При коммутации потенциальный рельеф вновь выравнивается. Там, где был

положительный потенциал, расходуется ток луча на дозаряд элементарного

конденсатора до потенциала катода и этот ток луча протекает через цепь

сигнальной пластины. В точке А напряжение падает, т.е. большей освещенности

соответствует меньший потенциал точки А (негативный сигнал).

Световая характеристика видикона (рис. 4.15) представляет собой

семейство кривых, определяемых величиной напряжения на сигнальной пластине

Uсп. Хотя световая характеристика видикона нелинейна, но она мало зависит

от характера освещенности фотокатода (в отличие от суперортикона), т.е.

контраст получается достаточно высоким.

Видикон дает информацию о средней яркости, т.к. во время обратного хода

сигнал соответствует уровню черного (если пренебречь темновым током), т.е.

отличается от уровня гасящих импульсов.

Разрешающая способность видикона зависит от структуры, размеров и

свойств мишени, а также от сечения коммутирующего пучка. Апертурная

характеристика одного из видиконов (ЛИ-421) дана на рис. 4.16.

Типичным можно считать размер рабочего участка мишени 12,5 ( 9,5 мм2,

диаметр луча ( 15 мкм, ток луча ( 0,5 мкА.

Видикон хорошо работает в диапазоне освещенности (1-10) лк. Здесь

невелика и инерционность.

Инерционность обусловлена фотоэлектрическими процессами в мишени

(материал фотополупроводника, примеси, уровень освещенности) и

недостаточностью тока пучка, что не позволяет выровнять потенциал мишени за

1 цикл развертки. Инерционность видикона можно уменьшить за счет уменьшения

Сэ, чтобы не ухудшать разрешения за счет увеличения тока луча.

Промышленность выпускает ( 30 разновидностей видиконов с диаметром

колбы от 13,6 до 40 мм.

Одной из разновидностей видиконов является плюмбикон (глетикон), у

которого приняты меры не только по уменьшению Сэ, но и по увеличению Rэ,

чтобы не было ситуации, когда Rэ Сэ настолько мало, что не полностью

используется эффект накопления, т.е. постоянная времени ( = Rэ Сэ меньше

времени кадра (цикла коммутации).

Это достигается путем замены фоторезистной мишени мишенью фотодиодного

типа, что обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое

сопротивление и линейную световую характеристику.

Мишень плюмбикона и его эквивалентная схема приведены на рис. 4.17.

Мишень плюмбикона состоит из трех полупроводниковых слоев. К сигнальной

пластине 1 примыкает прозрачный полупроводник 2 с n –проводимостью, затем

следует слой i, представляющий собой окись свинца PbO в виде

кристаллических чешуек размерами 0,1(0,05(3,0 мм3, ориентированных большой

стороной вдоль световых лучей. Третий слой – полупроводник с р-

проводимостью. В такой многослойной мишени резко уменьшается скорость

рекомбинации носителей, что эквивалентно уменьшению темнового тока, а

увеличенная толщина мишени уменьшает Сэ и увеличивает эффективность

образования фотоэлектронов проводимости. В момент коммутации переход p–i-n

смещается в обратном направлении, что еще больше увеличивает эквивалентное

сопротивление утечки Rэ.

По своей чувствительности плюмбикон несколько уступает видикону

(рабочая освещенность (5-8) лк). Разрешающая способность составляет ( 600

линий при отношении сигнал/шум около 200. Инерционность плюмбикона

соответствует остаточному сигналу ( 5% спустя один кадр.

4.7. Многосигнальные видиконы

На базе рассмотренных преобразователей строятся не только системы черно-

белого, но и цветного телевидения – путем использования трех или четырех

преобразователей – как это будет показано позже. В этом случае к

преобразователям предъявляются очень жесткие требования по идентичности

характеристик свет-сигнал, геометрических искажений, инерционности и др.

Естественно также, что трех – или четырех трубочные передающие цветные

телевизионные камеры имеют большие габариты, массу, стоимость.

Поэтому понятно стремление к созданию многосигнального видикона,

который может осуществлять пространственное разделение светового потока на

фоточувствительной поверхности преобразователя.

Рассмотрим принцип действия одного из трехсигнальных видиконов (рис.

4.18). Здесь сигнальная пластина образована тремя группами полосковых

электродов 2, нанесенных на соответствующие светофильтры 3. Спектральные

характеристики полосковых фильтров приведены на рис. 4.19. Фильтры нанесены

на стеклянную пластину (планшайбу) 1.

Образование потенциального рельефа на мишени 4, обладающей внутренним

фотоэффектом, происходит как в обычном видиконе. Все электроды «одного

цвета» соединяются и на трех выходах трубки формируются три цветоделенных

сигнала.

Полосковые светофильтры и сигнальные пластины располагаются

перпендикулярно строчной развертке. В одном из таких видиконов

использовалось 870 электродов (290 «троек») на строку изображения,

расположенных с шагом 17,5 мкм.

Подобный прибор не нашел практического применения, что связано с

паразитными емкостными связями между разносигнальными электродами, а также

значительными оптическими связями в светоделительном узле. Все это в

совокупности снижает качество цветного изображения.

Дальнейшие идеи в развитии многосигнального видикона заключается в

кодировании оптически цветоделенных изображений. Используется метод

частотного или импульсного (фазового) кодирования. На выходе

преобразователя формируется один сигнал, а информация о цветоделенных

изображениях разнесена по различным частотным диапазонам выходного сигнала

или закодирована в его фазе.

Рассмотрим систему с частотным кодированием (две поднесущих частоты).

Оптический кодирующий фильтр устанавливается в плоскости изображения и

представляет собой систему наложенных друг на друга полосковых

светофильтров, перекрещенных под углом 45( (рис. 4.20). Один из этих

фильтров 2 – голубые полоски, а вертикальные полоски 3 – желтого цвета.

Наложение полосок 2 и 3 дает участки зеленого цвета. Прозрачные места

фильтра обозначены цифрой 1. Таким образом, там, где находится голубая

полоска, не пропускается красная часть спектра, а под желтую полоску не

проходит синяя часть светового потока.

Частотный спектр выходного сигнала при обходе мишени считывающим лучом

состоит из двух поднесущих, определяемых пространственными частотами желтой

и голубых масок. Число полосок фильтров на мишень выбирается таким, чтобы

спектр сигнала поперек желтых полос был до 5 МГц. Этот сигнал ( 5 МГц

содержит информацию об интенсивности «красного края» изображения, а голубой

фильтр, из-за большей своей протяженности в направлении сканирования, даст

частоту в [pic] раз меньше, т.е. [pic]МГц. Прозрачные участки фильтра

позволяют формировать сигнал яркости изображения. Тогда весь формируемый

сигнал будет представлять собой сумму трех компонент, каждая из которых

может быть выделена с помощью частотных фильтров (рис. 4.21).

Более эффективно используется частотный диапазон формируемого сигнала в

системе с частотно-фазовым кодированием. Здесь информация о красном и синем

цветоделенном изображении передается в одном и том же частотном диапазоне –

на краю спектра сигнала. За счет этого расширяется полоса частот для

яркостного сигнала, что улучшает четкость изображения. Поднесущая синего и

красного выбирается несколько ниже, чем «синий» сигнал в предыдущем случае,

но выше, чем для «красного». Это, в свою очередь, снижает требования к

фокусировке считывающего луча.

Поднесущие при считывании будут одинаковыми по частоте, которая

определяется шагом полосок и углом их наклона. Для углов, показанных на

рис. 4.22, сигналы приведены на рис. 4.23.

Шаг и наклон полосковых фильтров выбирается так, чтобы обеспечивался

180( - сдвиг фаз красной и синей составляющей сигнала, что облегчает их

последующее разделение.

Такой способ кодирования позволяет получать спектр сигнала яркости до

3,6 МГц. Есть и другие способы кодирования, например, кодоимпульсный.

4.8. Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

Это безвакуумный твердотельный фотоэлектрический преобразователь

изображения.

В основе лежат свойства структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-

структура), которая может собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты

в локализованных потенциальных ямах, образующихся в поверхностном слое

полупроводника.

Зарядовые пакеты (порции) возникают под действием светового излучения,

а переносятся путем управляемого перемещения с помощью уничтожения старых и

создания новых потенциальных ям, куда перетекают заряды. Т.е. ПЗС – это

аналоговый сдвиговый регистр, который переносит поочередно отдельные заряды

из ям на выход, так что заряды проходят все ячейки от места своего

первоначального расположения (зарождения) до выходной ячейки. Ячейка ПЗС

приведена на рис. 4.23.

Если есть положительный потенциал, то основные носители (дырки) отойдут

вглубь подложки, так что под металлическим электродом образуется область,

обедненная основными носителями – потенциальная яма, глубина которой

зависит от U, степени легирования полупроводника, толщины окисла.

Время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом ее

заполнения за счет термогенерации пар «дырка-электрон», электроны которых в

качестве неосновных носителей попадают в яму. Время заполнения ямы за счет

термогенерации называется временем релаксации. Понятно, что время хранения

заряда в яме должно быть меньше этого времени.

Заряд в ПЗС вводится либо электрически, либо излучением. Появляются

неосновные носители (т.е. полезный сигнал), количество которых

пропорционально освещенности и времени экспозиции.

Направленная передача заряда возможна при условии перекрытия отдельных

обедненных областей, так чтобы можно было соединить потенциальные ямы.

Заряд будет перетекать туда, где потенциальная яма глубже (рис. 4.24).

Пример реализации сдвигового МОП-регистра (трехтактного) показан на рис.

4.25. Каждый электрод линейки подключен к одной из трех тактовых шин с

фазами Ф1, Ф2, Ф3, напряжение на которых меняется во времени.

Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на

одномерные (линейные) и двумерные (матричные). Линейные преобразователи,

формирующие строку, обычно используются для контроля за технологическими

процессами, анализа состояния и измерения объектов и т.п.

Двухкоординатная матрица является твердотельным аналогом передающей

трубки. Для организации считывания в настоящее время наиболее удобным

признается считывание с кадровым переносом (рис. 4.26), где 1 – секция

накопления (фотоприемная секция), 2 – секция хранения (памяти). Выход 3 –

секция переноса заряда (сдвиговый регистр). Накопленные в секции 1 заряды

во время обратного хода кадра переносятся в секцию 2 – секцию памяти,

поэтому в такой телевизионной системе передается предыдущий кадр

изображения. Для этого во время обратного хода строки в секцию переноса 3

сносятся заряды очередной строки, а во время прямого хода они выносятся из

матрицы как бы считывающей строкой.

При такой организации считывания нет смазывания изображения, т.к.

считывание идет по неменяющейся картинке. Достаточно просто здесь

организовать также чересстрочную развертку.

Промышленность серийно выпускает ПЗС с числом элементов 288(232

(144(232 элементов накопления и 144(232 элементов хранения, а также 235

элементов сдвигового регистра). Есть еще дополнительный компенсационный

регистр, на котором компенсируются помехи от таковых импульсов.

Существенно, что число переносов зарядов к выходному элементу зависит

от места расположения элемента в кадре – оно максимально для 1-го элемента

верхней строки и минимально для последнего элемента нижней строки. Если

используется трехтактная схема переноса, то максимальное число переносов

nmax=2(3(z+3n. Заряды переносятся неполностью – часть зарядов теряется в

ловушках, кроме того, часть зарядов не успеет перенестись полностью и

подойдет только со следующим зарядом. Появляется фактор, который называется

неэффективностью переноса заряда ( – та часть заряда, которая отстала на 1

перенос. Умножив ( на nmax, получаем результирующую неэффективность:

((nmax. Считается удовлетворительным, если ( = (10-4(10-5). Тогда суммарная

эффективность (=1-n((. Если ( = 10-4 и n = 1569, ( = 84%. Т.е.

последовательный перенос тормозит рост матрицы, тем более, что

неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего столбца или

строки.

Световая характеристика ПЗС линейна в диапазоне (0-8) лк, а разрешающая

способность определяется числом элементов ПЗС-матрицы.

-----------------------

а б в г д

1

2

3

4

5

t

t

t

t

t

а б в г д

i1

i2

i3

i4

i5

Рис. 1.2 Считанный сигнал во времени при строчно-кадровой развертке

Передающая Воспроизводящая

матрица матрица

каналы связи

Глаз

наблюдателя

объект

объектив

Рис. 1.1 Схема многоканальной одновременной системы поэлементной

передачи изображения

Рис.1.4

Х

(Х

(Х

L`(k(x,yi) L(x,yi)

Рис.1.3 Усреднение яркости

по элементам

Х

(= 2(х

Канал

Связи

Границы сканируемого (и воспроизводимого) изображения - задается рамками

глаз

рамка

Обратный

преобразователь

Диск 2

Диск 1

Одноэлементн. прееобразов.

рамка

конденсор

Рис 1.5 Телевидение по Нипкову

Преобр. Свет. сигнал

Устр. Усил и форм. сигнала

Канал

связи

Устр. Усил и селек. сигнала

Развертывающее

устройство

Устр. Развертки и синхронизации

Преобразователь сигнал-свет

объектив

Рис 1.6 Обобщенная структурная схема ТВ системы

Оптическая Светочуствит. Блок обработки

система блок зрительной инф-ии

Рис. 2.1 Зрительная система

свет

Гамма лучи

Рентген.

излучение

Ультрафиолет

Инфракрасное излучение

СВЧ

излучение

Радиоволны

0,01мм 0,01нм

10’’нм (0,01мм)

400 450 500 600

700

Фиолетовый

Синий

Зеленый

Желтый

Оранж.

Красный

Видимый

свет

570 590

Рис. 2.3 Световой диапазон

(

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

400 500 600 700

Рис. 2.4 Кривая видности

400 500 600 700

100

60

40

20

10

5

1

0,5

0,1

Рис. 2.5 Кривая видности

Чувствительность глаза

относит.

ед.

хрусталик

передняя камера

роговица D(12мм

(прозрачная для света)

радужная оболочка, окружающая хрусталик, которая образует зрачок

непрозрачная склера

сетчатая оболочка (ретина)

зрительная ось

оптическая ось

студенистое тело (стекловидное тело)

Рис. 2.2 Глаз человека

700 600 500 400

Длина волны ( [нм]

Рис.2.6 Кривая видности в абсолютных величинах

1000

800

600

400

200

1,3

1,1

0,9

0,7

0,5

0,3

0,1

Люмены эквивал. 2,8(1018 фот/сек для разных (

Ватты эквивал. 2,8(1018 фот/сек для различных (

Люмены светового потока

Ватты светового потока

680

r

S

Fвд

Fвых

d(

(

Рис. 2.7 Яркость освещенной площадки

Объект

плоскость зрачка

глаз

R fгл

(

Рис. 2.8 Изображение объекта на сетчатке

2

1

400 450 500 550 600 650 700

1-чувствительность (видность) фотооптическая (колбочковая)

2-ближе к скотопической (палочковой)

Рис.2.9 Эффект Пуркинье

1,0

0,5

( пор

а

(L/L

0,4

0,2

10-3 10-1 10 103

Рис. 2.10 Относительные яркости, различимые глазом

заштрих. область-

результат работы

с разными (

n

200

100

50 100 150 контраст С=[pic]

Рис. 2.11 Количество градаций

(п=0,02

0,03

0,04

0,05

(р

[c]

0,2

0,1

0 100 200 300 L/Lmin

Рис. 2.12 Реакция глаза во времени

Рис. 2.13 Восприятие яркости глазом

tи

L

t

B

t

fkp

[Гц]

40

30

20

10

1 2 3 lgL

Рис. 2.14 Критическая частота мельканий

580

560

480

бинокулярное зрение

поле правого глаза

330

300

270

240

210

180

150

120

90

60

30

поле правого

глаза

90

60

60

30

90

30

220

ясное зрение

Рис. 2.15 Пространственные характеристики зрения

L

X

(0

Рис. 2.18 Критерий Рэлея

G

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

2 4 6 8 n(105

Рис. 2.19 Ухудшение четкости при уменьшении числа элементов разложения

a

б

Глаз

б’

a’

Рис. 2.16 Угловое разрешение глаза

a

б

1

2

r

(/2

(

(3

(

3

f

Рис. 2.17 Диффракция на зрачке

(min

l1

l2

(h

(b

D1

D2

(h

b

h

(b

воздействие переодич. НЧ помех

«параллелограм»

«бочка»

«подушка»

«трапеция»

Рис. 3.1 Виды искажений

hmin

hmax

bmin

bmax

Рис. 3.2 Шахматное поле

(

(min

h

b

Рис. 3.4 К контрасту изображения

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 lg L0

lg L

1,2

0,8

0,4

3

1

2

Рис. 3.3 Углы наблюдения

400 500 600 700 800 ( [нм]

Рис. 4.1 Спектральная чувствительность фотокатодов

S(() %

80

60

40

20

оксидно-серебряно-цезиевый

(S = 40(70) мкА/лм

многощелочной

(S = 100(200) мкА/лм

Но

Нф

h

откл. катушка

термокатод

катодная фркусир.

диафрагма катушка

мишень

Рис. 4.3 Магнитная фокусировка для развертки

O1//

l/

l//

l///

O1///

O1/

S1/

S1//

S1///

O1

S1

S

Hz

Uz

(

Vz

UA

- +

Рис. 4.2, а Магнитная фокусировка

4Rmax

Рис. 4.2, б ( к 4.2, а)

+2000В

+550В –

ускор. эл-д

Rн ic

А

вторично-электронный умножитель

+ 390В

диафрагма

коллектор

фокус катушки

полупрозрачный фотокатод

отклоняющие катушки

Рис. 4.4 Схема диссектора

2R

L

+ Cэ -

К

iс

Rн

Uс

+ U0 -

F

Рис. 4.5 Накопление заряда

+ U0 -

+ Uф -

Rн

Uc

Cn

C2

C1

ФЭ1

ФЭ2

ФЭn

ik

Ф

Анод

Рис. 4.6 Работа мозаичной фотомишени

n1

Термокатод

Мишень (изолирована)

+ U0 -

R

V

Рис. 4.7 Облучение изолированной мишени

(

U0

а)

б)

в)

U2кр

Umax

I

II

III

UA

Uпр

Uма

UA+|Uнр|

Uвр=3В

Uпр=

-(1-1,5В)

U2кр

U1кр

1

Рис. 4.8 Потенциал мишени

отклон. катушки коррект. катушки

фокусир. катушка

1 2 3 4 5

F

+450В +1В 0 -180 +200 +250

–400В

+570 +1130 А

+850 Rн

+

- 1500В

9

8

0

7

6

Uc

Рис. 4.9 Схема суперортикона

Ссм

Сма

См

+1

Рис. 4.10 Схема мишени

В

С

Е1

А

ic

[мкА]

100

10

1,0

10-3 10-2 10-1 1 Еф [лк]

Рис. 4.11 Световая характеристика

суперортикона

200 400 600 Z

ic %

100

20

Рис. 4.12 Апертурная характеристика

суперортикона

фокус. катод

откл. кат.

кор. кат.

Ф

2

сетка 7

6

5

3

4

0

+U02

+U01

-Uу

+Uвс

1

+Uсп -

Uс

Rн ic

А

Рис. 4.13 Схема видикона

Сэi

См

Rэi

-Uу

+

Uсп

-

Rн ic

Uс

in

катод

Рис. 4.14 Эквивалентная

схема видикона

ic %

100

20

Рис. 4.16 Апертурная характеристика

видикона

200 400

600 Z

Ucn3

ic

[мкА]

1,0

0,1

0,01

0,1 1,0 10 100 Е [лк]

Рис. 4.15 Световая характеристика

видикона

Ucn2

Ucn1

Uc

противореальный планшайба

стекл. диск 1 прозр. сигн. пласт

Rн

+ Uсп-

п/провод. с провод. i

п/провод. с

провод. р

2 прозрачный слой п/провод. с провод. n

Рис. 4.17, а Мишень

плюмбикона

R

G

B

R

G

B

R

G

Свет

1

2

3

коммутирующий

пучок электронов

4

Рис. 4.18 Мишень

цветного видикона

Рис. 4.20 Частотно-кодирующая мишень

1-прозрачные участки

2-зеленые (наложение голубого и желтого)

3-желтые

4-голубые

Строка

+

- Ucп

Rд

заряд от светового потока

Uc

Rн

Rэ

Сэ

+

iл

К

Rд – препятствует саморазряду Сэ, т.е. уменьшает темновой ток

Рис. 4.17, б

( [нм]

400 500 600 700

чувствит.

0,6

0,4

0,2

0

B

G

R

Рис. 4.19 Спектральные характеристики фильтров мишени

1 2 3 4 5 6 f [МГц]

Y

B

R

Рис. 4.21 Частотный диапазон сигналов

S

желтый

голубой

скан

210 210

Рис. 4.22 Фазокодирующая мишень

1 2 3 4 5 6 f [МГц]

Y

R,B

( 4,2 Гц

S

Рис. 4.23 Спектры сигналов

+U

металл

окисел кремния (двуокись кремния) толщиной 0,1 мкм

р-полупроводник (кремниевая подложка)

обедненная область

основные носители

не основные носители

Рис. 4.24 Схема ПЗС

U1 U2

U1 U2

U1 >> U2

U1 << U2

Рис. 4.25 Перетекание заряда в ПЗС

Режим хранения

t1

Ф1 Ф2 Ф3

Режим защиты

(перенос зарядов)

t2

Ф1

U3

U2

U1

Ф2

Ф3

U1

t

t

t

t1

t2

t3

t

Рис. 4.26 Управление ячейками ПЗС

3

1

2

Рис. 4.27 Матрица на ПЗС

Ес

Страницы: 1, 2, 3