7.2. Устройства преобразования изображений в электрические сигналы
7.2.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал
В цветном телевидении преобразователь свет-сигнал (передающая трубка, твердотельная матрица) в основном определяет параметры и качество исходного телевизионного изображения. От типа преобразователя зависят принцип построения передающей камеры, способ формирования сигнала, наличие отдельных вспомогательных узлов. Поэтому важнейшим вопросом при построении передающих камер цветного телевидения является правильный выбор устройства, преобразующего оптическое изображение в видеосигнал.
Специфика построения камер цветного телевидения, в которых в основном применяются несколько преобразователей свет-сигнал, предъявляет к последним достаточно высокие требования. Рассмотрим более подробно эти требования [21].
- Высокая идентичность характеристик преобразователей свет-сигнал и независимость этих характеристик от передаваемого сигнала. При различии данного параметра более чем на 2% не удается обеспечить в камере цветного телевидения динамический баланс белого.
- Возможность получения высокой точности совмещения растров и их эксплуатационной стабильности. Точность совмещения должна быть не хуже долей элемента разложения по всему полю изображения.
- Отсутствие паразитных сигналов и высокая однородность чувствительности по полю растра.
- Высокая чувствительность во всем видимом спектре, что необходимо из-за больших потерь света в оптической системе камеры цветного телевидения.
- Малая инерционность сигнала и ее идентичность для всех преобразователей, применяемых в передающей камере. Различие в инерционности сигналов, при которой остаточный сигнал в преобразователях отличается более чем на 2%, приводит к разноцветным тянущимся продолжениям в изображении, что резко снижает его качество.
- Способность работать в широком диапазоне освещенностей передаваемых сцен.
- Высокая разрешающая способность.
- Малый уровень собственных шумов в сигнале на выходе, причем структура шумового рисунка должна быть малозаметной, т.е. мелкой.
- Малые габариты и простота управления.
7.2.2. Передающие трубки с внутренним фотоэффектом
Первым практически разработанным преобразователем свет-сигнал с внутренним фотоэффектом была малогабаритная передающая трубка видикон, в которой применена фотопроводящая мишень, изготовленная из стибнита (трехсернистая сурьма Sb2S3).
Основными достоинствами видиконов при применении в цветном телевидении являются: сравнительная легкость создания требуемых спектральных характеристик, обеспечивающих правильную цветопередачу, достаточная разрешающая способность при токе сигнала 0,1...0,5 мкА.
В то же время видиконам присущи следующие недостатки: гамма-характеристика «свет-сигнал» видикона при широком изменении освещенности на фотомишени непостоянна, что создает трудности при обеспечении баланса белого цвета; большая инерционность сигнала, особенно при малых уровнях освещенности; значительный тепловой ток, зависящий от температуры и создающий неравномерность сигнала изображения на темном, что не позволяет получить однородный цвет по всему полю изображения и затрудняет получение стабильного цветового баланса.
Применение в видиконе светочувствительного фотодиодного слоя, представляющего собой pin-структуру на основе пористой пленки моноокиси свинца, позволило создать передающую трубку плюмбикон. Трубку данного типа иногда еще называют леддиконом, глетиконом. По сравнению с видиконом плюмбикон имеет следующие особенности: меньшая инерционность сигнала (остаточный, сигнал составляет не более 5% основного сигнала через 60 мс после прекращения освещения); тепловой ток примерно в 100 раз меньше тока сигнала, что позволяет обеспечить хорошую равномерность сигнала по всему полю изображения; высокая стабильность характеристики свет-сигнал при достаточно хорошей ее линейности (γ = 0,95 ± 0,05).
Видиконную конструкцию имеет передающая трубка кремникон, мишень которой дискретна и представляет собой упорядоченную фотодиодную матрицу, выполненную по планарной технологии.
Кремникон в сравнении с плюмбиконом имеет более высокую чувствительность, больший световой динамический диапазон, требуемую спектральную характеристику чувствительности и повышенную температурную стойкость мишени.
Для передающих камер ТВЧ на базе видикона разработаны трубки типа сатикон, обеспечивающие значительно более высокую разрешающую способность. Фотопроводящий слой сатикона представляет собой аморфную среду в виде халкогенидного стекла, состоящего из селена, легированного мышьяком и теллуром. Применяемый фотопроводник имеет структуру, которую называют гетеропереходом, благодаря которой и обеспечивается высокое разрешение. Например, 25 мм сатикон с диодным прожектором обеспечивает равномерную по полю мишени разрешающую способность, превышающую 1600 твл в центре и 1200 твл по краям изображения, и малую коммутационную инерционность электронного луча. Спектральная характеристика сатикона позволяет использовать его в каналах R, G, В трехтрубочной передающей камеры без каких-либо ограничений.
Для однотрубочных и двухтрубочных камер цветного телевидения разработаны специальные видиконы с цветокодирующим фильтром, расположенным вблизи мишени, которые получили название косвиконов. Примером является видикон «Spectraplex», разработанный в США. Трехсигнальные видиконы и сатиконы находят ограниченное применение. В телевизионных камерах специального назначения применяются также и особые виды видиконов - пировидиконы, рентгеновидиконы, т.е. трубки, чувствительные соответственно к инфракрасному и рентгеновскому излучениям.
Конструкции видикона, плюмбикона, кремникона, сатикона примерно одинаковы. Для примера на рис. 7.5 показано устройство типовой передающей трубки с фотопроводящей мишенью, магнитной фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа ММ) [21]. Объектив 1 проецирует оптически сфокусированное изображение передаваемого объекта на фотопроводящий слой 6, нанесенный на сигнальную пластину 5, которая напылена на планшайбу 7.
Сигнальная пластина электрически соединена с кольцевым выводом 5. Электронно-оптическая система передающей трубки состоит из катода 12, модулятора 11, первого анода 10, второго анода 9 и выравнивающей сетки 8. Электронный луч фокусируется катушкой 2, а отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками отклонения 4. Назначение корректирующей катушки 3 сводится к компенсации погрешностей, вносимых магнитной и электроннооптической системами. Модулятор 11 предназначен для регулировки тока электронного луча, а первый и второй аноды - для его формирования. Магнитное поле катушки 2 фокусирует электронный луч в плоскости мишени. Перед мишенью установлена выравнивающая сетка. Между мишенью и сеткой создается однородное тормозящее поле, которое обеспечивает нормальное падение электронного луча по всей сканируемой площади фоточувствительного слоя, что позволяет сохранить фокусировку луча и равномерность сигнала по полю изображения.
На рис. 7.6 показана конструкция видикона с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа SM). Как и в видиконе с магнитной фокусировкой, электронно-оптическая система состоит из катода 6 с косвенным накалом, модулятора 5, первого анода 4, второго анода 2 и выравнивающей сетки 1, причем второй анод выполнен в виде двух цилиндров, между которыми установлен дополнительный фокусирующий электрод 3, на который подается напряжение меньшее, чем напряжение на втором аноде. Эта система электродов образует электронно-оптическую линзу.
Рис. 7.5. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ
Рис. 7.6. Конструкция передающей трубки видикон типа SM
Электронный луч отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками 7, а корректируется катушкой 8. Поскольку трубка с электростатической фокусировкой не требует специальной фокусирующей катушки, значительно снижается общая мощность, потребляемая передающей камерой.
Наряду с передающими трубками типа ММ и SM применяются трубки со статической фокусировкой и статическим отклонением (трубки типа SS), в которых фокусирующие и отклоняющие электроды напыляются на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Конфигурацию электродов получают путем прожигания нанесенного металлического слоя. Такие трубки не требуют фокусирующих и отклоняющих катушек, экономичны, имеют малую массу. Кроме того, в подобных трубках обеспечиваются: высокая однородность разрешения по всему полю изображения; малое значение паразитного сигнала передающей трубки; отсутствие потерь на вихревые токи; высокая стабильность совмещения изображений из-за отсутствия теплового дрейфа отклоняющих электродов.
К видиконам нового поколения относится передающая трубка типа Superharpicon (суперхарпикон), разработанная японской фирмой Hamamatsu Photonics К.К. [22]. Основу данной трубки составляет мишень из аморфного селена специальной конструкции - HARP (Highgain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor - аморфный фотопроводник с лавинным умножением) размером 6,6x8,8 мм. В целом, диаметр суперхарпикона составляет 18 мм, а длина 106 мм. В рассматриваемой трубке используется явление лавинного умножения, возникающее при воздействии сильного электрического поля на слой аморфного селена, за счет чего число фотоносителей увеличивается в 200 раз. При напряжении на мишени 250 В лавинное умножение обеспечивает высокую чувствительность с квантовым выходом 10.
Обычно характеристики спектральной чувствительности преобразователя свет-сигнал зависят от ширины запрещенной зоны фотопроводящей пленки. Слой аморфного селена, основного материала фотопроводящей пленки передающей трубки суперхарпикон, обладает запрещенной зоной шириной 2,0 эВ, поэтому он имеет высокую чувствительность к длинам волн менее 620 нм. Установлено, что при толщине мишени в 2 мкм характеристика спектральной чувствительности фотопроводящей пленки суперхарпикона достаточно равномерна в ультрафиолетовом диапазоне излучений с длинами волн от 200 до 400 нм.
Таким образом, суперхарпикон отличается расширенной спектральной характеристикой, особенно в красной области излучений, высокой разрешающей способностью (800 твл), малым темновым током (типичное значение 1 нА) и незначительной инерционностью (3%).
Областями применения видиконов нового типа являются как прикладное, так и вещательное телевидение. Например, японская фирма Hitachi разработала портативную вещательную камеру NTSC/PAL SK-H5 на трех суперхарпиконах.