6.3.2. Видиконы

Видикон представляет собой вакуумную колбу 7, в которой находится прожектор, светочувствительная мишень 9 и фокусирующе-отклоняющая система развертки луча (рис. 6.13). Мишень нанесена на торцевую поверхность колбы и содержит сигнальную пластину 10 — прозрачный электрод, имеющий вывод наружу. Каждый элемент мишени, материалом которой служат тонкие (около 5 мкм) слои полупроводника (аморфного селена, трехсернистой сурьмы, оксида свинца, германия или кремния), изменяет свое сопротивление при внутреннем фотоэффекте. От толщины и свойств материала мишени зависят чувствительность, спектральная характеристика и инерционные параметры прибора.

Работает видикон следующим образом. Развертывающий электронный луч термокатода 2, ускоряясь анодами 5, проходит через сеточный анод 8 и достигает поверхности мишени 9. В результате на внутренней поверхности мишени в некоторой ее точке создается потенциал, близкий к потенциалу термокатода, а между ее противоположными поверхностями устанавливается разность потенциалов. После этого луч, толщина которого составляет около 30 мкм, освещает следующую точку мишени и т. д. Если на мишень снаружи проецируется изображение, то проводимости у неодинаково освещенных участков слоя отличаются между собой, т. е. возникает рельеф проводимости, соответствующий рельефу яркости объекта. В течение некоторого промежутка времени, определяющего инерционность видикона, каждая из элементарных емкостей (точек экрана) разряжается до определенного значения, зависящего от ее освещенности, образуя потенциальный рельеф. Электронный луч при развертке доводит поверхность всех участков мишени до одинакового потенциала. При этом, выравнивая потенциалы, он оставляет на более освещенных участках большее количество электронов. Таким образом, ток дозарядки элементарных емкостей несет в себе информацию о распределении освещенности на мишени. Протекая через сопротивление нагрузки R_н, он создает напряжение видеосигнала.

Ф ормирование луча осуществляется прожектором, включающим в себя термокатод 2, управляющий током модулятор 3 и аноды 5. Анод 9 представляет собой мелкоструктурную сетку, находящуюся под напряжением, которое в 1,5—1,7 раза превышает напряжение анодов прожектора. Это обеспечивает перпендикулярное попадание луча в любую точку поверхности мишени. Развертка луча осуществляется фокусирующе-отклоняющей системой, состоящей из катушек 4, 6 и 7. В зависимости от способа фокусировки и отклонения луча выпускают видиконы с магнитным и электростатическим управлением.

Видиконы до настоящего времени широко используют для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствительность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80 ... +120 С), радиационная стойкость. К недостаткам видиконов необ­ходимо отнести инерционность, значительные размеры и хрупкость.

6.3.3. Телекамеры на приборах с зарядовой связью

Первые попытки использовать ПЗС в качестве приемника изображения были предприняты в 1977 г., и к концу XX в. была создана твердотельная телекамера, почти по всем параметрам превосходившая вакуумные датчики изображения. Основными достоинствами такой телекамеры являются жестко заданный растр, исключающий проблему геометрических искажений, относительная температурная стабильность параметров и высокая надежность.

В основе работы ПЗС лежит принцип хранения локализованного заряда в потенциальных ямах, образуемых в полупроводниковом кристалле под действием внешнего поля, и передачи зарядовых пакетов из одной потенциальной ямы в другую при изменении управляющих воздействий. Основным элементом ПЗС, в котором происходит накопление и хранение заряда, является структура металл—оксид—полупроводник (МОП-структура) или контакт с барьером Шоттки. Эти элементы расположены максимально близко один к другому, чтобы их потенциальные ямы сливались, образуя зарядовую связь. В то же время между отдельными элементами не должно быть самопроизвольного растекания зарядов, для чего они разделены стоп-каналами.

Группы из двух-трех элементов ПЗС (их количество зависит от числа фаз управления) образуют ячейку ПЗС (рис. 6.14, а).

Перед началом работы в ПЗС индуцируется р—n-переход путем подачи положительного напряжения на его поверхность. При определенных фазовых напряжениях U₁, U₂, U₃ под электродами поочередно создаются потенциальные ямы для неосновных носителей, благодаря чему р—n-переход начинает работать в режиме накопления заряда. Если один из элементов ячейки ПЗС выполнить прозрачным, то при облучении световым потоком в нем накапливается заряд, пропорциональный освещенности элемента и времени экспозиции. Другие элементы ячейки ПЗС являются непрозрачными. Для переноса заряда в закрытую от света зону управляющие сигналы U₁, U₂, U₃ поочередно образуют потенциальные ямы в других элементах ячейки (рис. 6.14, б).

В датчиках изображения элементы ячеек ПЗС обычно объединяют в две секции: накопления и хранения, каждая из которых выполнена в виде матрицы ячеек. Секция накопления представляет собой светочувствительную поверхность, секция хранения расположена в закрытой от света зоне. Для перемещения зарядов и формирования строк развертки служит секция переноса, представляющая собой набор сдвиговых регистров.

Телекамера на ПЗС обычно содержит матрицу со строчно-кадровым переносом заряда, устройство управления и выходной каскад, содержащий полевой транзистор, видеоусилитель, генератор служебных сигналов и смеситель. На выходе транзистора формируется последовательность видеоимпульсов, которая после усиления поступает на смеситель, где к ней подмешиваются гасящие и синхронизирующие импульсы, образуя композитный видеосигнал. Частота сигналов в сдвиговых регистрах матрицы ПЗС связана с темпом вывода видеосигнала и всего кадра. Она определяется необходимостью сопряжения со стандартным телевизионным оборудованием и зависит от количества ячеек матрицы и частотных свойств полупроводника. Тактовая частота выходного регистра матрицы варьируется от 10 кГц до 10 МГц.

К достоинствам телекамер на ПЗС можно отнести высокое быстродействие (малая инерционность), возможность запоминания изображения, устойчивость к внешним возмущающим воздействиям, а также малые габаритные размеры и вес; к недостаткам — относительно невысокая чувствительность и разрешающая способность, последняя, как правило, не превышает 570 твл.