Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

151

прохождении в цепи коллектора 3 тока

=εΔФ=εЕ

из

ΔS=εЕ

из

/(kZ

(3.3)

За время накопления Т

нак

=Т

каждая элементарная емкость принимает

заряд Δq=i

=εE

из

/(kZ

). Если считывание заряда производится путем

последовательного разряда элементарных емкостей с помощью коммутатора

(например, электронным пучком 4, то в цепи нагрузочного резистора R

про-

текает средний ток разряда

=Δq/τ= εЕ

из

/(τ

(3.4)

Рис. 3.4. Принцип накопления заряда

Сопоставляя эти выражения, видим, что i

/τ

=n. Ток разряда яв-

ляется током сигнала изображения: i

. Таким образом, ток сигнала изо-

бражения больше фототока (тока сигнала в системе без накопления заряда) в

п раз. Поскольку число элементов изображения определяется параметрами

разложения n=kZ

, увеличение сигнала при переходе к системе с накоплени-

ем заряда пропорционально числу элементов разложения или квадрату числа

строк. Например, при k=4/3; Z=625 ток сигнала по сравнению с системой без

накопления может возрасти примерно в 500 000 раз.

Суперортикон. В 1932 г. советский ученый С. И. Катаев предложил

конструкцию передающей трубки с практической реализацией

принципа на-

копления зарядов. В 1932 г. в США В. К. Зворыкиным была создана анало-

гичная передающая трубка, получившая название иконоскоп. В трубке была

использована мозаичная накопительная мишень.

В 1933 г. советские ученые П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев предло-

жили в качестве светочувствительной поверхности использовать сплошной

полупрозрачный фотокатод, а вместо

мозаики - сплошную мишень из ди-

электрика или полупроводника, что позволило по сравнению с иконоскопом

почти на порядок повысить чувствительность передающей трубки. Новая

трубка стала называться супериконоскоп или трубка Шмакова-Тимофеева.

Суперортикон был предложен в 1936 г. Он является в настоящее

время наиболее чувствительной передающей трубкой. Работает с разверткой

152

лучом медленных электронов, с переносом изображения на двустороннюю

мишень Брауде и дополнительным вторично-электронным усилением тока

сигнала.

Рис. 3.5. Суперортикон: а- устройство; б- секция переноса; в- эквивалентная схема одного

элемента

Суперортикон можно разделить на три секции (см. рис. 3.5, а): пере-

носа I (σ> 1), снятия потенциального рельефа - II { σ << 1) и вторично-

электронного усиления III (σ >1).

Секция переноса электронного изображения состоит из полупрозрач-

ного сплошного фотокатода 2, нанесенного на внутреннюю поверхность

плоско-параллельной план–шайбы в торце колбы 3, ускоряющего электрода

4, двусторонней мишени 6 и мелкоструктурной сетки 5. Секция

снятия по-

тенциального рельефа с двусторонней мишени и образования сигнала изо-

бражения состоит из электронной пушки 13, второго анода 11, третьего ано-

да 10, тормозящего электрода 7 и двусторонней мишени 6. Электронная

пушка, в свою очередь, состоит из подогревного катода, управляющего элек-

трода и первого анода. Мишень выполнена из полупроводникового стекла в

виде тонкой пленки с

высоким удельным сопротивлением.

153

По толщине стекла проводимость значительно больше, чем по по-

верхности, что объясняется малой толщиной стекла, примерно 3...5 мкм (т.е.

значительно меньше поперечного размера элемента изображения). Проводи-

мость должна быть различной, чтобы потенциалы не выравнивались по по-

верхности. Поэтому такое стекло можно рассматривать как изолированный

электрод. Для отбора вторичных электронов на расстоянии

30...60 мкм от

поверхности стекла располагается мелкоструктурная сетка, имеющая про-

зрачность для электронов 60…70% (до 30 отверстий на 1 мм погонный). На

эту сетку подается положительный потенциал примерно единицы вольт.

Секция вторично-электронного усиления сигнала изображения со-

стоит из пяти кольцевых электродов (динодов) умножителя 14. На выходе

умножителя в качестве нагрузки включен резистор R

. Электронный луч i

отклоняется с помощью строчных и кадровых отклоняющих катушек 9, рас-

положенных снаружи колбы. Для совмещения оптической оси проекции

изображения с электрической осью электронного луча служат корректи-

рующие катушки 12, которые также располагаются снаружи колбы. Вся

трубка помещается в фокусирующую катушку 8, которая создает равномер-

ное магнитное поле, направленное вдоль оси трубки.

Суперортикон работает

следующим образом. Объектив 1 проецирует

на фотокатод трубки оптическое изображение передаваемого объекта. Бла-

годаря фотоэлектронной эмиссии с фотокатода излучаются фотоэлектроны i

в количествах, пропорциональных падающему световому потоку. Таким об-

разом, в плоскости фотокатода создается электронное изображение, которое

под действием ускоряющего поля (на фотокатод подается отрицательный

относительно ускоряющего электрода потенциал минус 300 В) переносится

на мишень в масштабе 1:1. Электронное изображение фокусируется одно-

родным магнитным полем фокусирующей катушки. Интенсивность поля пе-

реноса подбирается такой,

чтобы электроны прошли путь, равный целому

числу витков спирали (обычно один виток). Мишень эмитирует в соответст-

вующих количествах вторичные электроны i

, которые попадают на сетку. В

результате этого на левой стороне мишени образуется положительный по-

тенциальный рельеф, максимальное значение которого не превосходит по-

тенциала сетки. Заряды накапливаются на элементарных конденсаторах, об-

разуемых сеткой и участками мишени слева (см. рис. 3.5, б). Их емкости C

, ... , C

. Если за время передачи кадра эти конденсаторы не успевают заря-

диться полностью, то все вторичные электроны уходят на сетку, и объемного

заряда между сеткой и мишенью нет.

Потенциальный рельеф, получившийся на левой стороне мишени из-

за электростатической индукции, передается на ее правую сторону. Явление

электростатической индукции заключается в том, что

если на два включен-

ных последовательно конденсатора подать постоянное напряжение, то эти

напряжения будут распределяться обратно пропорционально емкостям этих

конденсаторов. Таким образом, на конденсаторе с большей емкостью будет

154

меньшее напряжение, и наоборот. На рис. 3.5, в показана эквивалентная

схема одного элемента. Сетка, мишень и тормозящий электрод представлены

в виде трех последовательно соединенных конденсаторов с емкостями C

см

, и C

ма

, и резистора утечки с сопротивлением R

ут

. Здесь C

см

- емкость кон-

денсатора, образованного сеткой и левой стороной мишени, C

- между ле-

вой и правой сторонами мишени и C

ма

- между правой стороной мишени и

тормозящим электродом. Так как основными параметрами, определяющими

емкость, являются расстояния между пластинами конденсатора и диэлектри-

ческая постоянная ε (ε стекла в 80 раз больше, чем вакуума), то можно одно-

значно определить, что C

см

>>C

ма

. Следовательно, большая часть на-

пряжения будет приложена к конденсатору C

ма

, меньшая часть - к C

см

можно считать, что на C

потенциал левой обкладки конденсатора будет ра-

вен потенциалу правой, т.е. потенциальный рельеф с левой стороны мишени

будет передан на правую.

Выбор полупроводникового стекла обусловлен необходимостью

снять остаточную разность потенциалов между левой и правой сторонами

мишени (обкладками C

Рассмотрим, как коммутируется потенциальный рельеф мишени

электронным лучом, который создается электронной пушкой и ускоряется

первым анодом. Отклонение и фокусировка его осуществляются соответст-

венно отклоняющими и фокусирующей катушками. При подходе электронов

к мишени скорости их снижаются до нуля из-за действия тормозящего элек-

трода, на который потенциал не подается. Из-за

равномерного продольного

магнитного поля электроны падают на все участки мишени под прямым уг-

лом. Так как коэффициент вторичной эмиссии σ < 1, то потенциал правой

стороны мишени устанавливается равным потенциалу катода независимо от

значения уровня потенциального рельефа. Ток пучка должен быть таким,

чтобы за время коммутации участков наибольшего положительного потен-

циала мишени был

достигнут потенциал равновесия, т.е. потенциал катода.

Вследствие электростатической индукции потенциал правой стороны будет

также доведен до потенциала катода.

В зависимости от потенциального рельефа на мишени (который мо-

жет меняться от значения несколько больше 1 В для самой светлой точки на

изображении до нуля для самой темной) из электронного луча, образующего

ток i

и стирающего потенциальный рельеф, будет оседать на мишень раз-

личное число электронов. Все избыточные электроны тормозящим действи-

ем анода будут вначале полностью остановлены, а затем начнут двигаться в

обратном направлении, так как тормозящее поле становится для них уско-

ряющим. Следовательно, обратный пучок электронов, образующих обрат-

ный ток i

обр

, оказывается промодулированным потенциальным рельефом

мишени. Для самого темного места на изображении все электроны пучка за-

тормаживаются и поворачивают обратно. Это объясняется тем, что потенци-

ал данной точки мишени равен нулю.

155

Потенциал на сетке U

= (1. . .5)В ограничивает положительный по-

тенциал рельефа. Если бы U

был выбран выше, то и потенциальный рельеф

был бы глубже. Однако в этом случае коммутирующий пучок, имея нулевую

скорость, поворачивал бы в направлении "светлых" участков мишени, что

привело бы к нарушению структуры растра.

Электроны, образующие обратный ток луча, направляются на первый

анод со скоростью 200 В и выбивают из него вторичные

электроны, которые

захватываются электрическим полем первого динода и под воздействием ус-

коряющего электрического поля выбивают из него в σ раз больше вторич-

ных электронов. Вторичные электроны первого динода двигаются с боль-

шими скоростями ко второму диноду и т.д. Общий коэффициент усиления

такого вторично-электронного умножителя достигает 1000. С суперортикона

снимается сигнал

положительной полярности, так как через резистор R

электроны протекают сверху вниз. Следовательно, ток сигнала i

, протекая

снизу вверх, создает падение напряжения на этом резисторе. Уровень белого

будет соответствовать минимальному току сигнала (для упрощения примем

равным нулю), а самому темному месту в изображении будет соответство-

вать максимальный ток, создающий отрицательное падение напряжения на

Основной недостаток суперортикона заключается в высоком уровне

шумов выходного сигнала особенно при передаче темного, когда они наибо-

лее заметны. Для устранения этого недостатка разработан вариант суперор-

тикона, называемый изоконом, у которого сигнал создается с помощью рас-

сеянных электронов, образующихся у мишени в момент коммутации. Коли-

чество этих электронов пропорционально глубине

потенциального рельефа.

Увеличению освещенности соответствует увеличение потока рассеянных

электронов. При передаче темных участков этот поток минимален. Рассеян-

ные электроны выделяются благодаря специальной конструкции первого

анода прожектора и подбором режима на электродах, расположенных вблизи

мишени. Поэтому уровень шумов в изоконе при передаче черного в 5...6 раз

меньше, чем в суперортиконе: чувствительность также выше

Видикон. Чувствительность передающих трубок, в которых исполь-

зуется внешний фотоэффект, кроме других причин, ограничена тем, что

квантовый выход электронов значительно меньше единицы. Большой кван-

товый выход в фотопроводящих слоях позволяет создать передающие труб-

ки, обладающие высокой чувствительностью, малыми габаритами и простые

по конструкции. Конструкция такой трубки предложена еще в 1925 г.

совет-

ским ученым А. А. Чернышевым. Однако создание фотослоев, обладающих

малой инерционностью, требуемой равномерностью и высокой чувствитель-

ностью, связано с большими трудностями, поэтому первая трубка была соз-

дана только в 1950 г.

156

Видиконы могут быть с разверткой лучом как медленных (σ < 1), так

и быстрых (σ > 1) электронов, причем каждый из способов развертки имеет

свои достоинства и недостатки.

Рис. 3.6. Видикон: а- устройство; б, в- схема мишени

На рис. 3.6, а показано устройство видикона. Внутри стеклянного ва-

куумного баллона 1 на внутренней торцевой поверхности нанесена свето-

чувствительная мишень 3, состоящая из полупрозрачной металлической

пленки 4 (см. рис. 3.6, б), называемой сигнальной пластиной, и тонкого фо-

топроводящего слоя 6, толщина которого не превышает нескольких микрон.

Сигнальная пластина соединяется с металлическим кольцом 5, которое вва-

рено в

стекло баллона и выведено наружу. Внутри трубки располагается

также электронный прожектор, состоящий из катода 12, управляющего элек-

трода 13, первого 14, второго 15 и третьего 16 анодов (в некоторых видико-

нах второй анод объединяется с третьим). Третий анод выполняется в виде

цилиндра и у мишени заканчивается мелкоструктурной тормозящей сеткой

7, которая применяется чтобы обеспечить перпендикулярное падение

элек-

тронов на фотослой по всей поверхности. Сетка обеспечивает равномерное

тормозящее поле перед фотослоем и одновременно препятствует образова-

нию ионного пятна на нем. Развертывающим лучом 8 управляют с помощью

отклоняющей системы 10 и фокусирующей катушки 9, расположенных на

баллоне. На баллоне расположены также корректирующие катушки 11, ко-

торые обеспечивают совмещение оси электронного пучка с

осью магнитного

фокусирующего поля и, таким образом, исправляют дефекты сборки элек-

тронного прожектора (неточная установка электронного прожектора по ли-

нии оптической оси трубки).

Видикон работает следующим образом. Оптическое изображение с

помощью объектива 2 проецируется на мишень. Эквивалентная схема ми-

157

шени (рис. 3.6, в) может быть представлена в виде элементарных емкостей

, C

, ... , C

, зашунтированных переменными сопротивлениями R

, R

, ... ,

. Сопротивления определяются числом квантов света, попавших на дан-

ный элемент фотослоя R = f(Ф). Поперечное темновое сопротивление фото-

слоя (т.е. сопротивление при отсутствии освещения) около 10

Ом/см

, при

освещении мишени оно может уменьшаться до 100 раз.

При работе трубки в режиме медленных электронов на сигнальной

пластине устанавливается напряжение 10...100 В по отношению к катоду. На

катоде - нулевой потенциал, а на аноды подается напряжение примерно 300

В. Когда Ф = 0, т. е. оптическое изображение не проецируется на мишень, на

левых обкладках элементарных

конденсаторов имеется положительный по-

тенциал U

сп

. Электроны развертывающего луча i

, создаваемого прожекто-

ром, после прохождения через сетку тормозятся сильным электрическим по-

лем. Поэтому при подходе к мишени они будут иметь нулевые скорости.

В момент прихода развертывающего луча на правую обкладку эле-

ментарного конденсатора (допустим, с емкостью C1), потенциал будет дове-

ден до потенциала катода, так как фотосопротивление, обладающее высоким

удельным

сопротивлением (малой проводимостью), может рассматриваться

как изолированный электрод. Следовательно, данный элементарный конден-

сатор в момент прихода луча заряжается до напряжения U. Вследствие

большого сопротивления утечки R1 можно считать, что к моменту следую-

щей коммутации сохранится прежняя разность потенциалов.

Если же Ф(0, т.е. на мишень проецируется изображение, то из-за

внутреннего

фотоэффекта сопротивление утечки каждого элементарного

конденсатора изменится и будет пропорционально освещенности элементов

фотослоя, т.е. получим рельеф сопротивлений или проводимостей. Вследст-

вие этого, после ухода луча с элементарного конденсатора он будет разря-

жаться, и к моменту следующей коммутации потенциал определится осве-

щенностью этого участка фотослоя. С помощью электронного луча потенци-

ал правой обкладки опять доводится до потенциала катода. Так как каждый

конденсатор разрядился частично до определенного потенциала, то зарядные

токи при их коммутации будут разными. Протекая через резистор Rн, они

создадут падение напряжения, соответствующее освещенностям этих эле-

ментов фотослоя.

Видикон с разверткой лучом быстрых электронов работает с коэф-

фициентом вторичной эмиссии

σ > 1. У него отсутствует тормозящая сетка,

на сигнальную пластину подается отрицательный относительно анода по-

тенциал Uсп = -10... - 30 В. Потенциал элементарного конденсатора с помо-

щью луча доводится до потенциала анода.

Видиконы с разверткой лучом быстрых электронов по сравнению с

видиконами с разверткой лучом медленных электронов обеспечивают более

высокую четкость (пучок быстрых электронов

легче фокусировать, чем мед-

ленных) и меньшую инерционность. Однако они менее чувствительны, об-

158

ладают небольшим сроком службы и у них наблюдается явление "черного

пятна". Вследствие этого наибольшее распространение получили видиконы с

разверткой лучом медленных электронов.

Необходимо отметить, что процесс образования потенциального

рельефа инерционен и в сильной степени зависит от освещения мишени. С

увеличением освещенности инерционность уменьшается. Особенно инерци-

онность проявляется при передаче подвижных объектов

в виде отсутствия

резкости или полного пропадания быстродвижущихся деталей. Инерцион-

ность связана как с физическими процессами в фотопроводящей мишени

(фотоэлектрическая инерционность), так и с недостаточным током элек-

тронного луча, вследствие чего накопленный потенциальный рельеф не мо-

жет быть считан за один цикл развертки (коммутационная инерционность).

Коммутационная инерционность может быть уменьшена

за счет увеличения

тока луча, однако это сделать довольно трудно, так как при этом увеличива-

ется диаметр луча в плоскости мишени, что приводит к потере четкости изо-

бражения.

Увеличением освещенности мишени можно уменьшить полную

инерционность видикона за счет уменьшения фотоэлектрической инерцион-

ности. При этом можно работать при меньших напряжениях на

сигнальной

пластине, что приведет к уменьшению и коммутационной инерционности.

Этот режим применяется в телевизионных камерах, предназначенных для

передачи кинофильмов.

3.1.5. Твердотельные преобразователи

История появления твердотельных датчиков изображения началась в

1963 г., когда S.R.Morrison из фирмы Honeywell Co. изобрел "полупроводни-

ковое фоточувствительное устройство" - фотосканер. В 1970 г., благодаря

разработкам W.S.Boyle, G.E.Smith и G.G.Amelio из Bell Laboratory, появи-

лось Charge Coupled Device (CCD) - прибор с зарядовой связью

(ПЗС). С это-

го момента берет начало процесс непрерывного улучшения характеристик

ПЗС - спустя всего два года, в 1972 г., коллектив инженеров из Bell

Laboratory объявил о создании улучшенного варианта датчика - Buried

Channel CCD (BCCD).

Впоследствии регулярно, с интервалом в несколько лет, различные

исследовательские лаборатории со всего мира сообщали о все новых изобре-

тениях в конструкции и

технологии производства датчиков изображения на

основе технологии CCD.

Однако в 1993 г. Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA`s заявляет о

практической реализации твердотельного датчика изображения, построенно-

го с использованием CMOS "Active-Pixel" архитектуры, о преимуществах

которой в теории было известно с 1960 г. Это изобретение открыло новые

возможности для снижения стоимости и улучшения потребительских харак-

теристик современных видеокамер.

159

Разработаны малогабаритные твердотельные аналоги передающих

трубок на приборах с зарядовой связью (ПЗС), которые по сравнению с ва-

куумными передающими трубками имеют малые габариты, высокую эконо-

мичность и надежность, малую инерционность, широкий динамический диа-

пазон.

ПЗС бывают двух типов: линейно-строчные и матричные. Первые

применяются в основном для передачи неподвижных изображений в

таких

аппаратах, как различные следящие системы, построчные сканеры изобра-

жений. А последние нашли широкое применение в цифровой фото- и видео-

аппаратуре.

Так в области видеоаппаратуры ПЗС-матрицы вытеснили передаю-

щие электронно-лучевые трубки благодаря безусловному превосходству по

своим основным характеристикам. Благодаря современным технологиям чи-

пы ПЗС могут содержать достаточное количество

ячеек, чтобы удовлетво-

рить почти все существующие запросы в качественной четкой передаче изо-

бражений.

ПЗС формируются на основе отдельных ячеек, представляющих со-

бой конденсатор МОП-структуры (металл – окисел - подложка). Последова-

тельность ячеек образует цепочку ПЗС, которая может работать в двух-,

трех- и четырехтактном режимах. Рассмотрим трехтактный режим работы

(см. рис. 3.7).

Рис. 3.7. Режим хранения информации

В течение первого такта на электроды 1 подается напряжение U

а все остальные электроды заземляются. Под электродами 1, если на ячейки

падают световые потоки, создаются потенциальные ямы, в которых могут

накапливаться заряды. В образованных потенциальных ямах заряды накап-

ливаются и хранятся в течение времени действия напряжения U

. Этот ре-

жим работы называется режимом хранения зарядов.

Во время второго такта работы на электроды 2 подается положитель-

ное напряжение U

, которое по модулю больше первого в 1,5 - 2 раза. При

этом образовавшиеся заряды под первыми электродами перемещаются под

действием возникающего электрического поля под электроды 2 - это режим

переноса зарядов (см. рис. 3.8).

В третьем такте работы электроды 1 и 3 заземляются, а на электроды

2 подается напряжение U

= U

. В этом режиме происходит хранение зарядов

под электродами 2 (см. рис. 3.9).

160

Рис. 3.8. Режим переноса заряда в ячейки

Рис. 3.9. Режим хранения зарядов в ячейках 2

Таким образом, как было указано, заряды могут образовываться за

счет фотопроцесса или за счет инжекции в начало цепочки ПЗС через вход-

ной p-n (n-p) переход (аналогично для снятия зарядов — в конце). Понятно,

что если мы будем поочередно перемещать накопившиеся заряды из одной

группы электродов в другую, то на выходе мы

можем получить сигнал. Если

ПЗС применяется в оптических преобразователях, то после относительно

длительной фазы накопления, заряды быстро перемещаются к выходу на вы-

ходной усилитель. Тем самым сигнал будет содержать информацию об ос-

вещенности соответствующих ячеек ПЗС. Линейная организация ПЗС ис-

пользуется в сканирующих устройствах или следящих системах. А в цифро-

вых

видео- и фотокамерах используют кадровую матричную структуру ПЗС.

3.2. Устройство и принцип работы кинескопов черно-белого и

цветного изображений

В современных телевизионных системах (ТВС) преобразование элек-

трического сигнала в оптическое изображение в подавляющем большинстве

случаев осуществляется с помощью электронно-лучевых трубок - кинеско-

пов. Различают кинескопы для черно-белого и цветного

телевидения, для на-

блюдения изображения непосредственно на экране кинескопа и проекции

изображения на отражательный экран.

Основными элементами любого кинескопа являются люминесцентное

покрытие – тонкий слой вещества, наносимого на внутреннюю поверхность

экрана и способного светиться при облучении электронным пучком, и элек-

тронно-оптическая система, называемая электронным прожектором. Про-

жектор формирует тонкий пучок электронов

, для этого он включает эмисси-

онную и фокусирующую системы.

Фокусировка электронного луча на поверхности экрана может быть

осуществлена с помощью бипотенциальной электростатической линзы, об-

разуемой между первым и вторым анодом электронного прожектора, или

электромагнитным полем, создаваемым короткой фокусирующей катушкой,