Видиконы

Видиконы относятся к классу передающих телевизионных трубок (ПТТ), в которых выходной видеосигнал несет информацию о распределении освещенности в плоскости входного оптического изображения.

Видикон представляет собой ПТТ с фоточувствительной мишенью с накоплением заряда, разверткой поверхности мишени пучком медленных (или быстрых, в зависимости от режима работы трубки) электронов, записью фотовозбужденной проводимостью и перезарядным считыванием.

Конструкция видикона, схематически представлена на рис. 6. Основными элементами трубки являются фоточувствительная мишень и считывающий электронный прожектор (пушка). Фоточувствительная мишень представляет собой нанесенный на внутреннюю поверхность плоского стеклянного (или волоконно-оптического) диска прозрачный проводящий слой двуокиси олова, выполняющий функцию сигнальной пластины, на который нанесен слой фотосопротивления толщиной несколько мкм: трехсернистой сурьмы (SbS₃) или селенида кадмия (CdSe). Длина цилиндрической стеклянной трубки видикона составляет 150-170 мм, диаметр - 25-30 мм.

Рис. 6. Устройство видикона:

1 – проводящий слой; 2 – модулятор; 3 – сетка; 4,5 – второй и первый аноды прожектора; 6 – модулятор; 7 – катод; 8 – фокусирующая катушка; 9 – отклоняющие катушки

При выборе материала мишени руководствуются следующими требованиями: обеспечение необходимой спектральной характеристики чувствительности, достаточно высокой чувствительности и малой инерционности. Последние требования (высокой чувствительности и низкой инерционности) часто несовместимы. Фотопроводящий слой должен обладать достаточно высоким темновым удельным сопротивлением (10¹¹-10¹² ом·см), так как в противном случае возможно сглаживание потенциального рельефа и снижение разрешающей способности.

Электронный прожектор формирует пучок электронов диаметром 20-30 мкм при токе Для дополнительной фокусировки электронного пучка служит продольное однородное магнитное поле, создаваемое длинной катушкой, надетой на трубку. Наличие продольного магнитного поля также способствует перпендикулярному падению луча на мишень. Отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняющих катушек. Перед мишенью устанавливается мелкоструктурная сетка, выравнивающая электрическое поле. Эта сетка выполняет также функцию коллектора вторичных электронов, возвращающихся с мишени.

Видикон может работать в режиме как медленных, так и быстрых электронов.

В режиме медленных электронов потенциал сигнальной пластины составляет 20 В относительно катода. При отсутствии освещенности фотослоя и коммутирующего электронного пучка за счет темнового сопротивления слоя потенциал его поверхности окажется равным потенциалу сигнальной пластины. При развертке поверхности неосвещенной мишени пучком медленных электронов (σ<1) ее потенциал стремится к равновесному значению (к потенциалу катода). В результате между поверхностью мишени и сигнальной пластиной создается разность потенциалов 20 В. При проектировании на мишень оптического изображения различные элементы фотослоя будут иметь различное, уменьшающееся примерно пропорционально с увеличением освещенности, поперечное сопротивление. В результате через мишень проходит ток, разряжающий элементарные конденсаторы мишени, и на поверхности мишени создается положительный потенциальный рельеф, соответствующий распределению освещенности в проектируемом изображении.

При коммутации поверхности мишени считывающим пучком потенциалы емкостей между элементами поверхности фотослоя и сигнальной пластиной будут по-прежнему, стремясь к потенциалу катода, перезаряжаться на различную величину (перезарядное чтение). Соответственно перезарядный ток в цепи сигнальной пластины также окажется различным, зависящим от освещенности коммутируемых элементов.

В режиме быстрых электронов сигнальная пластина имеет потенциал на 20 В ниже потенциала анода. Тогда разность потенциалов между катодом и поверхностью фотослоя мишени окажется достаточно большой, соответствующей σ >1, и при коммутации потенциалы элементов поверхности слоя мишени будут стремиться к потенциалу сетки (коллектора вторичных электронов). В остальном механизм образования видеосигнала, основанный на разрядке элементов мишени за время между их коммутациями и периодической подзарядке во время коммутации, остается тем же, что и в режиме медленных электронов, однако полярность сигнала будет обратной относительно режима медленных электронов.

Поскольку световая характеристика фоторезисторов рассмотренных мишеней видиконов нелинейна – чувствительность уменьшается с ростом освещенности. Недостаток рассмотренных видиконов – заметная инерционность фотопроводимости, особенно сказывающаяся при небольших освещенностях.

Значительное усовершенствование видикона стало возможным за счет замены фоторезистивной мишени на фотодиодную, т.е. на полупроводниковую мишень, имеющую запирающий слой (электрон-дырочный переход).

Первой передающей трубкой, имеющей запирающий слой и получившей практическое применение, был п л ю м б и к о н (названный по материалу мишени - окиси свинца PbO). Зарубежное название видиконов с мишенью из окиси свинца – глетикон. Устройство плюмбикона аналогично видикону, отличие состоит лишь в особенностях мишени.

На проводящую подложку из двуокиси олова наносят слой полупроводника (окиси свинца), имеющий p-i-n-структуру, причем n-слой прилегает к подложке, а p-слой располагается со стороны прожектора. Толщина слоя полупроводника равна 10-20 мкм. К проводящей подложке мишени подводят небольшое (20 В) положительное (относительно катода прожектора) напряжение. Развертка осуществляется хорошо сфокусированным пучком медленных (энергия 300-500 эВ) электронов.

При развертке неосвещенной поверхности мишени электронным пучком ее потенциал (со стороны прожектора) доводится до равновесного значения, равного потенциалу катода прожектора (нулю, σ<1); при этом заряжается барьерная емкость мишени. При проецировании на мишень оптического изображения (сквозь прозрачную подложку SnO₂) в ней генерируются электрон-дырочные пары, причем существующее в слое электрическое поле за счет искривления энергетических зон в i-области практически мгновенно разносит образовавшиеся разноименные носители заряда в разные стороны. Это обеспечивает насыщенность фототока и, следовательно, высокую чувствительность. Генерируемые при освещении носители заряда, диффундируя к поверхностным слоям, разряжают элементарные конденсаторы, причем разряд происходит за время передачи кадра, т.е. имеется эффект накопления заряда.

При коммутации электронным пучком освещенных элементов мишени потенциал их снова доводится до равновесного значения, но зарядный ток элемента мишени будет тем больше, чем «полнее» разрядился элементарный конденсатор, т.е. чем ярче был освещен данный элемент. Следовательно, зарядный ток будет промодулирован в соответствии с распределением освещенности мишени и таким образом будет сформирован видеосигнал. Плюмбикон – трубка с накоплением заряда и перезарядным считыванием, в котором преобразование оптического изображения в видеосигнал аналогично используемому в видиконах.

Важной особенностью плюмбикона является независимость вида характеристики свет-сигнал от содержания передаваемого изображения – световая характеристика линейна в широком диапазоне изменения освещенности (более трех порядков), спектральная характеристика близка к кривой чувствительности глаза. Плюмбикон имеет малый уровень шума, особенно при небольших освещенностях (темновой ток плюмбикона очень мал ~10^-9 А), инерционность плюмбикона меньше, чем у видиконов с фоторезистивной мишенью (остаточный сигнал во втором кадре менее 10 %).

Преимущества плюмбикона обеспечили широкое распространение этого прибора, особенно для передачи цветного изображения.

Другой разновидностью видикона с полупроводниковой мишенью является ПТТ типа к р е м н и к о н (silicon vidicon), названная по материалу мишени (Si). В отличие от плюмбикона, имеющего сплошную полупроводниковую мишень, мишень кремникона состоит из мозаики большого (~ 5·10⁵) количества фотодиодов (р-n переходов) – рис. 7.

В однодюймовом кремниконе используется пластина кремния n-типа диаметром 20-25 мм с удельным сопротивлением 4-15 Ом·см. Диоды, расположенные на поверхности мишени со стороны электронного прожектора, имеют диаметр 4-10 мкм, а расстояние между их центрами (шаг мозаики) 10-20 мкм. Первоначальная толщина пластины 150-200 мкм. В центральной части она вытравливается до толщины 10-15 мкм. Толстое периферийное кольцо обеспечивает необходимую прочность мишени. Мишень, как и в обычном видиконе, располагается на плоском дне колбы n-слоем к стеклу.

Рис. 7. Устройство мишени кремникона

Сфокусированный электронный луч, сканируя поверхность мишени со стороны мозаики, заряжает p-области и поверхность разделяющего их окисла до потенциала катода (σ<1). Так как n-область находится под постоянным положительным потенциалом (6-10 В), диоды оказываются смещенными в обратном направлении. Пока луч переходит от первого диода к последнему, диоды остаются обратносмещенными и, если мишень не освещена, разряжаются только током утечки. Величина обратного напряжения на диодах практически не меняется за время кадра, если ток каждого диода меньше

10^-13 А.

При проецировании на мишень оптического изображения в пластине кремния n-типа генерируются электрон-дырочные пары. Под действием градиента концентрации дырки диффундируют к р-n переходам и, попадая в области обеднения, увлекаются полем в p-область. В результате потенциал p-областей возрастает и диодные емкости разряжаются и на диодной стороне мишени накапливается потенциальный рельеф, соответствующий распределению освещенности в проецируемом на мишень изображении. Теперь, сканируя поверхность мишени, электронный луч дозаряжает диоды до первоначального потенциала. Ток дозарядки и составляет ток сигнала, который пропорционален накопленному сигналу и, следовательно, освещенности.

Кремникон обладает линейной световой характеристикой (коэффициент нелинейности люкс-амперной характеристики γ=1), широким диапазоном спектральной чувствительности (его спектральная характеристика чувствительности имеет максимум в длинноволновой области ~ 800 нм), высокой интегральной чувствительностью; разрешающая способность, определяемая числом элементарных фотодиодов, достигает 800 строк на высоту мишени. Однако инерционность кремникона несколько больше, чем у плюмбикона.

Дата добавления: 2015-07-20