Видикон

Требования, предъявляемые к датчикам

Датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач: к примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

Видикон —телевизионный передающий электронно-лучевой прибор с накоплением заряда, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.

Видикон отличается простотой конструкции, небольшими размерами и массой и является высоконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа видикон (рис.13.1) содержат два основных узла: фотомишень и электронный прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень состо­ит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя представляет со­бой тонкий проводящий прозрачный слой золота, платины или окиси олова, нанесенный на внутреннюю поверхность планшайбы. Прозрач­ность сигнальной пластины превышает 90 %. Поверхностное сопро­тивление 200 Ом • см. Выводом сигнальной пластины служит металли­ческое кольцо, вваренное между планшайбой и колбой трубки. На сигнальную пластину испарением в вакууме нанесен фотослой тол­щиной 1...3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью, в качестве которого используются соединения сурьмы, селена, мышья­ка, серы. Материал, из которого изготовлена мишень, а также его толщина определяют чувствительность, спектральную характеристи­ку и инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характеристик, которыми должен обладать конк­ретный тип видикона, т.е. от назначения передающей трубки.

Рис13.1. Видикон

Электронно-оптическая система видикона содержит электронный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, помещен­ную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогрев­ного катода 2, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5 ано­дов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча. Потенциал выравнивающей сетки 6 в 1,5...2 раза превышает напряже­ние второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей по­верхности фотомишени под прямым углом. Это обеспечивает равно­мерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на всей поверхности мишени, что является одним из условий получения рав­номерного сигнала по полю изображения. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории развертывающего луча осуществляются внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.

Процесс образования сигнала изображения в видиконе может быть пояснен с помощью его эквивалентной схемы (рис.13.1, б). На этой схеме каждый элементарный участок фотопроводящей мишени пред­ставлен в виде емкости С_э конденсатора, образованного элементами сигнальной пластины и правой стороны мишени. Емкость шунтирова­на резистором, сопротивление R которого изменяется в зависимости от освещенности этого участка. При проекции на мишень трубки оп­тического изображения распределение освещенности на ее поверхно­сти вызовет соответствующее распределение сопротивлений, т.е. рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф сопро­тивлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника может быть очень велико (порядка 10¹² Ом•см). При максимальном освеще­нии сопротивление мишени уменьшается примерно в 100 раз.

При ‹‹ развертке ›› фотомишени коммутирующим (считывающим) лучом ее поверхность приобретает потенциал, определяемый режи­мом бомбардировки мишени. Трубка может работать в режиме мед­ленных и быстрых электронов. Чаще используется режим медленных электронов. В режиме развертки медленными электронами потенци­ал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммутации потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддерживается постоянным, поэтому ‹‹под лучом›› элементарные конденсаторы С₃ заряжаются до напряжения U_сп. При проекции на мишень оптическо­го изображения сопротивления R₃ шунтирующие элементарные кон­денсаторы C_s изменяются, так как R₃ = f(E₃), где Е_э — освещенность элементарного участка. При этом наиболее освещенным элементам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наоборот, тем­ным участкам мишени — наибольшее.

В период между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы С_э разряжаются через резистор R_э с постоянной времени х_р=C₃R₃. Чем силь­нее освещен участок мишени, тем меньше R₃ и быстрее разряжается С_э. При этом потенциал обкладок конденсаторов С₃, обращенных к лучу, увеличивается, приближаясь в пределе (в наиболее освещенных участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины. На неосвещен­ных участках мишени он остается практически равным нулю. Таким образом, на поверхности мишени, обращенной к лучу, создается по­тенциальный рельеф — распределение потенциалов, соответствую­щее распределению освещенности по поверхности мишени.

Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохож­дении (коммутации) участков поверхности мишени электронным лу­чом, выравнивающим потенциальный рельеф, образовавшийся на правой стороне мишени. При этом на освещенных участках мишени имеющих более положительный потенциал, осаждается значитель­ная часть электронов. А от неосвещенных участков поверхности ми­шени, потенциал которых примерно равен нулю, электронный луч, отразившись, возвращается обратно. Выравнивание потенциального рельефа приводит к дозаряду элементарных конденсаторов С_э, при­чем ток дозаряда протекает в цепи сигнальной пластины через R_H и С_э в направлении, указанном стрелкой (рис.13.1, б), и является током сиг­нала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным участкам ми­шени будут соответствовать разные токи дозаряда, которые, протекая через R_H, при последовательной коммутации участков мишени элект­ронным лучом, образуют сигнал изображения.

Характеристики видикона. Спектральная характеристика видикона определяется свойствами фотомишени. Имеются видиконы, чув­ствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рент­геновскому излучениям. Световая характеристика видикона определяется зависимостью фотопроводимости мишени от ее освещенности: R = f(E) и зарядом элементарного конденсатора С₃. Световая характеристика видикона мало зависит от характера распределения освещенности на мишени и позволяет обеспечить высокий контраст изображения.

Передача информации о средней яркости. При коммутации мишени медленными электронами видикон воспроизво­дит информацию о средней яркости изображения, так как уровень сигнала во время обратного хода луча соответствует уровню черного. Действительно, от неосвещенных участков мишени (при темновом сопротивлении элемента R_эт=¥) луч возвращается обратно и в цепи сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда элек­тронный луч заперт гасящим импульсом. Практически R_эт ¹ ¥, и конденсатор С₃ при отсутствии света также несколько разряжается. Электронный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и создает темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных мест изображения (уровень черного) несколько отличается от уровня гасящих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряже­ния на сигнальной пластине и может быть неодинаков для разных участков мишени. Поэтому при выборе режима работы трубки стре­мятся к обеспечению минимального темнового тока, что увеличивает равномерность ТВ сигнала в целом.

Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме комму­тации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее ос­вещенным участкам фотомишени соответствует максимальный ток коммутирующего луча — ток сигнала, который, протекая по нагрузке R_H (см.рис.13.1, 6), понижает потенциал точки А, с которой снимается сигнал изображения. Значит, увеличению освещенности соответству­ет уменьшение потенциала точки А, т.е. полярность сигнала отрица­тельна.

Разрешающая способность видикона характеризуется его апертурной характеристикой, которая определяется структурой, разме­рами и конечным значением поверхностной проводимости фотомише­ни, а также сечением коммутирующего (считывающего) луча. При создании трубки основная задача состояла в получении наименьшего диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при разме­ре рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения луча не должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Сложность техниче­ской реализации этих требований заставила разработчиков на опре­деленном этапе развития техники ТВ передающих приборов для увеличения разрешающей способности видикона увеличивать диаметр его мишени до 40 мм. Дальнейшее совершенствование электронно-оп­тической системы видикона, установление жестких допусков на изго­товление и сборку отдельных деталей и всего электронно-оптического узла в целом решило задачу повышения удельного разрешения труб­ки. Так, апертурная характеристика одного из видиконов, рекомендо­ванных разработчиками для ТВ вещания показывает, что на отметке 600 строк видикон обеспечивает глубину модуляции сиг­нала изображения 20%.

Высокое качество изображения обеспечивается при освещенности мишени трубки видикона в пределах 1... 10 лк, что соответствует макси­мальной и средней его чувствительности. Увеличение освещенности фотомишени желательно также для уменьшения инерционности трубки. Инерционность видикона является его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения контраста. Обычно инерционность оценивается отношением (в про­центах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения экспо­зиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектрическую и коммутационную составляющие инерционности. Инерцион­ность может быть существенно уменьшена при увеличении освещен­ности мишени.

К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствитель­ность, способность к передаче информации о постоянной составляющей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эф­фектом перераспределения электронов.

13.3. Плюмбикон

Плюмбикон — название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца (фирмы ‹‹Филлипс››, Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпускаемой в России, — глетикон.

Широкому использованию видикона в аппаратуре вещательного телевидения препятствует большая инерционность, значение которой складывается из коммутационной и фотоэлектрической составляю­щих. Уменьшение фотоэлектрической составляющей инерционности может быть достигнуто путем использования в качестве материала мишени веществ, обладающих низкой концентрацией ловушек, и со­здания режима работы, обеспечивающего прохождение носителей то­ка без рекомбинации. Для уменьшения коммутационной составляю­щей инерционности, связанной с конечным временем перезарядки элементарного конденсатора мишени С_э, стремятся уменьшить его емкость путем изменения геометрических параметров мишени, что приводит к уменьшению времени дозаряда этого конденсатора.

Однако уменьшение емкости конденсатора С_э приводит одновре­менно к уменьшению постоянной времени его разряда t = С_эR_э, и для сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым сопротивлениям R₃, постоянная времени разряда может оказаться меньше длительности кадра, что приведет к неполному использова­нию эффекта накопления. Следовательно, уменьшение емкости уча­стка мишени должно сопровождаться одновременным увеличением сопротивления R₃. При этом необходимо позаботиться о сохранении потенциального рельефа, определяемого отношениями максимально­го и минимального значений элементарных сопротивлений, т.е. соот­ветственно этому изменить свойства мишени. Разумеется, изменение свойств мишени не должно сопровождаться увеличением фотоэлект­рической составляющей инерционности. Упомянутые условия выпол­няются при замене фоторезистивной мишени мишенью фотодиодного типа, имеющей электронно-дырочный p-i-n переход, включенный в обратном направлении. Это обеспечивает малую инерционность фо­тоэффекта, высокое темновое сопротивление и близкую к линейной световую характеристику.

Рис.13.2. Плюмбикон

Устройство плюмбикона. Мишень плюмбикона состоит из трех слоев и схематически изобра­жена на рис.13.2. Тонкая прозрачная сигнальная пластина 3 нане­сена на стеклянную планшайбу 2 с внутренней стороны баллона труб­ки и служит для вывода сигнала. На сигнальную пластину как на подложку нанесен также тонкий прозрачный слой полупроводника 4 с проводимостью типа п. Далее идет слой 5, обладающий собственной проводимостью (типа i) и образующий основную толщину мишени. Затем на поверхности мишени с помощью специальной обработки создается слой 6 с проводимостью типа р. Слой 6 с проводимостью р так же, как слой 4 с проводимостью л, получают легированием основ­ного слоя 5. Слой 6 должен обладать более высокой, чем слой 5, про­водимостью и быть достаточно тонким для предотвращения растека­ния зарядов между участками мишени с различными потенциалами.

Сигнальная пластина и слой с проводимостью типа п прозрачны для прохождения световых лучей. Слой i выполнен из химически чис­той окиси свинца с упорядоченной кристаллической структурой. Кри­сталлы имеют пластинчатую форму с размерами примерно 0,1x3,0x0,05 мкм и ориентированы параллельно направлению свето­вых лучей. Такая структура мишени позволяет существенно снизить концентрацию ловушек, чем увеличивает скорость дрейфа и уменьша­ет вероятность рекомбинации носителей тока [24]. Благодаря этому, а также высокой напряженности поля в слое i все носители тока прохо­дят сквозь него не рекомбинируя. Следовательно, структура слоя i такова, что позволяет значительно увеличить толщину мишени, не вызывая увеличения фотоэлектрической составляющей инерционно­сти. Увеличение толщины мишени приводит, во-первых, к уменьше­нию емкости, а значит, и к уменьшению коммутационной составляю­щей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению падающего на мишень света, что повышает чувствительность мишени.

Эквивалентная схема элементарного участка мишени плюмбикона представлена на рис.13.2. Она отличается от схемы на рис.13.1, 6 включением фотодиода p-i-n типа. Из-за большой ширины запрещен­ной зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока мала, что существенно уменьшает темновой ток, а следовательно, увеличивает темновое сопротивление мишени R₃₁. В момент коммутации p-i-n пе­реход смещается в обратном направлении, что дополнительно увели­чивает R_n.

Повышенное диффузное рассеяние света вызывает образование ореолов и бликов вокруг ярких деталей изображения. Для устранения этого явления трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца снаб­жены противоореольным стеклянным диском 1 (рис.13.2, а) толщиной около 6 мм, закрепленным на входном окне 2 с помощью оптической склейки.

Световая характеристика плюмбикона линейна в широ­ком диапазоне освещенности Показатель нели­нейности у (гамма) для этой трубки лежит в пределах 0,95±0,05. Малый разброс данного параметра указывает на высокую его воспроиз­водимость, что является большим достоинством фотодиодной мишени при работе в многотрубочных камерах цветного телевидения (ЦТ).

Плюмбикон обеспечивает высококачественное изображение при рабочей освещенности мишени 5...8 лк и, таким образом, несколько уступает по этому параметру видикону. Плюмбикон обеспечивает равномерную по полю разрешающую способность, равную 600 лини­ям, при высоком отношении сигнал/помеха, достигающем 200:1. Ма­лое значение темнового тока (0,5...3 нА) и его высокая равномерность (1%) обусловливают воспроизведение плюмбиконом уровня черного.

Существенным преимуществом плюмбикона перед видиконом яв­ляется его малая инерционность. Остаточный сигнал спустя кадр после выключения света не превышает 5%. Для снижения инерцион­ности при передаче движущихся объектов с низким уровнем освещен­ности применяется дополнительная подсветка мишени.

Линейная световая характеристика плюмбикона приводит к тому, что при освещенности мишени, превышающей рабо­чую в 2...3 раза, потенциальный рельеф возрастает настолько, что ток луча становится недостаточен для полной коммутации ‹‹пересвеченных›› участков мишени. При передаче движущихся объектов с повы­шенной яркостью на экране возникают дефекты изображения в виде тянущегося следа (‹‹хвосты кометы››). Для устранения этого дефекта в последних выпусках трубок используется так на­зываемый антикометный прожектор, с помощью которого ‹‹пересвеченные››участки мишени дополнительно считываются лучом с увели­ченным током (100...150 мкА) во время обратного хода по строке, что обеспечивает полную коммутацию участков мишени с освещенно­стью, более чем в 30 раз превышающей номинальную. Высокие показатели трубок с окисно-свинцовой мишенью в соче­тании с минимальной инерционностью и линейностью световой харак­теристики сделали их наиболее подходящими отечественными прибо­рами для передающих камер ЦТ.

Дата добавления: 2014-01-06