авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ УДК 002.56(075.8) ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Квантовая эффективность фотоприемника также зависит от длины волны. В далеком ульт рафиолете понятие квантовой эффективности усложняется, так как один падающий фотон может вызвать появление нескольких фотоэлектронов.

Приемники излучения бывают одноэлементные и многоэлементные. Первые имеют один приемный элемент, иногда довольно больших размеров, и регистрируют световой по ток, усредненный по всей приемной площадке. В многоэлементных приемниках содержится много маленьких дискретных или непрерывно распределенных приемных элементов, и они регистрируют одномерное, двумерное или даже трехмерное изображение (спектра, голо граммы и др.). В связи с развитием голографии, вычислительной техники, оптического при боростроения, перспективами оптических методов регистрации, передачи и хранения ин формации многоэлементным приемникам света уделяют особое внимание.

Обычная фотоэмульсия – один из наиболее старых приемников излучения – является примером многоэлементного приемника. Световое изображение преобразуется в ней в ам плитудное (в распределение почернений). В последние годы получили распространение све точувствительные материалы, образующие амплитудно-фазовое или фазовое изображение объекта. Это фотохромные среды, фототермопластики, электрооптические кристаллы и пр.

Главными достоинствами таких светочувствительных материалов являются обратимость процесса (возможность многократной перезаписи изображения – до 104 раз), получение изо бражения одновременно с экспонированием, т.е. в реальном масштабе времени, высокая пространственная частота регистрации – до 3000 линий на миллиметр.

2.1.6.2. Основные характеристики приемников излучения Чувствительность. Интегральную чувствительность S приемника принято опреде лять как отношение величины электрического сигнала, выраженной в единицах напряжения или тока на выходе приемника, к величине светового потока в люменах на его входе. Однако в спектроскопии больше информации несет спектральная чувствительность S, относя щаяся к монохроматическому излучению и выражаемая в энергетических единицах. Инте гральная S и спектральная S чувствительности связаны между собой соотношением тр Sm S' P d S= (1.5), 680 Ф( ) P d где S m – максимальная спектральная чувствительность приемника в энергетических единицах [А/Вт, В/Вт], S' = S / Sm – относительная спектральная чувствительность, P – спектральная плотность мощности излучения стандартного источника с Tцв = 2850 К, кото рый обычно используется при измерении чувствительности, гр – длинноволновая граница чувствительности приемника, Ф( ) – кривая видности. Числовой коэффициент в знаменате ле представляет собой фотометрический эквивалент излучения для длины волны максималь ной чувствительности глаза = 0,555 мкм, равный 680 лм/Вт (см. (1.3)).

Пороговую чувствительность характеризуют минимальным сигналом на выходе при емника, который можно заметить на фоне его собственных шумов. Типичная запись во вре мени напряжения шумового сигнала U ш на выходе показана на рис. 1.26, а. Хаотически ме няющийся сигнал может быть представлен набором гармонических сигналов с различной частотой f и различными амплитудой и фазой. В области низких частот кривая спектральной плотности среднеквадратичного напряжения шума U шf обычно поднимается примерно об ратно пропорционально частоте (рис. 1.26, б).

а) б) Рис. 26. Напряжение шумового сигнала во времени (а) и изменение его среднеквадратичной величины в зависимости от частоты (б) Если на приемник поступает неизменный во времени оптический и на выходе прием ника включен широкополосный усилитель с полосой пропускания от f = 0 до f = f1 (рис.

1.26, б), то на полезный сигнал наложен весь шум, заключенный в этой полосе. Отношение сигнал – шум и наблюдаемость сигнала при этом невелики. Для повышения отношения сиг нал – шум падающее на приемник излучение модулируют и используют узкополосную уси лительную систему с шириной полосы f, включающей в себя частоту модуляции f мод. То гда усиливается весь измеряемый сигнал и лишь та небольшая часть шумов, которая заклю чена в этой полосе f. Частоту модуляции выгодно выбирать подальше от области низко частотных шумов. Однако из-за инерционности многих приемников модуляцию производят обычно на частоте 5…100 Гц.

Критерием пороговой чувствительности полагают равенство напряжения выходного сигнала U вых, частота которого совпадает с частотой модуляции f мод оптического сигнала, и среднеквадратичного напряжения шума U ш, заключенного в полосе f = 1 Гц с центром при f = f мод. Пороговая чувствительность Pпор соответствует такой мощности оптического сиг нала на входе приемника, при которой на его выходе отношение напряжений сигнал-шум в полосе, пересчитанной к f = 1 Гц, равно единице.

Величину Pпор определяют, освещая приемник излучением черного тела с известной температурой. Поэтому одновременно с численным значением величины Pпор должны ука зываться температура черного тела, частота модуляции и полоса частот. Например, запись Pпор = (500К, 10, 1) означает, что Pпор измерена при T = 500 К, f мод = 10 Гц и f = 1 Гц.

Обнаружителъной (детектирующей) способностью Д приемника называют величину, обратную Pпор : Д = 1 / Pпор. Величина Pпор зависит от площади приемника Апр и примерно Апр. Для сравнения свойств приемников различных размеров вводят пропорциональна удельную обнаружительную способность Д*, не зависящую от площади:

Д* = Апр / Pпор, (1.6) Квантовая эффективность. Наблюдаемость сигнала определяется отношением его мощности P к мощности шумов Pш, поступающих вместе с ним. Если сигнал с наложенным на него внешним шумом проходит через идеальное устройство, преобразующее величины P и Pш одинаковым образом и не имеющее собственных шумов, то отношение сигнал – шум сохранится прежним и наблюдаемость сигнала не изменится. Реальные устройства, однако, вносят дополнительные шумы, в результате чего отношение сигнал – шум на выходе ( P / Pш )вых оказывается меньше, чем на входе устройства ( P / Pш )вх.

Для характеристики приемного устройства в целом, от светочувствительной поверхно сти до регистрирующей части, используют величину = ( P / Pш )вых /( P / Pш )вх, (1.7) называемую квантовой эффективностью, действующим квантовым выходом, или дейст вующей квантовой эффективностью. Она удобна для сравнения любых приемников излуче ния в реальных условиях эксперимента. Следует учесть, однако, что значение может ме няться в зависимости от условий работы, в частности от того, сильные или слабые световые потоки регистрируются.

Действующий квантовый выход идеального приемника (не шумящего) по (1.7) равен единице. Для других приемников значение представляет собой число, показывающее, ка кая часть всех квантов, падающих на приемник, достаточна, чтобы, пользуясь идеальным приемником, иметь ту же точность регистрации светового потока.

Шумы в приемниках излучения. Шумы в приемниках излучения имеют разнообраз ное происхождение. Можно классифицировать несколько видов шумов, в той или иной мере присущих всем приемникам.

1. Фотонный шум, или шум излучения, определяется флуктуациями числа фотонов, по ступающих на приемник в единицу времени. Поскольку среднеквадратичное отклонение числа независимых событий n согласно классической статистике пропорционально корню квадратному из числа событий n, относительная величина флуктуации оказывается обратно пропорциональной n :

n / n ~1 / n. (1.8) При постоянной величине падающей на приемник мощности число квантов уменьша ется с повышением частоты. Следовательно, в коротковолновой области спектра фотонный шум (флуктуации числа фотонов) всегда больше, чем в длинноволновой.

2. Шумы темпового тока проявляются в том, что всякий приемник в отсутствие осве щения дает флуктуирующий (темновой) ток. Флуктуации темнового тока в фотоприемниках носят название дробового шума. Причиной его является дискретный характер электрических зарядов, эмитируемых с катода и поступающих на анод. Название «дробовой шум» возникло из аналогии с падением дробинок на поверхность. Дробовой шум исчез бы, если бы элемен тарный электрический заряд был бесконечно малым.

В приемниках с внутренним фотоэффектом шум темнового тока называют генерацион но-рекомбинационным шумом. Он создается спонтанными флуктуациями скоростей возник новения и рекомбинации носителей тока (электронов и дырок). Генерационно рекомбинационный шум, как и дробовой, зависит от величины приложенного напряжения и температуры.

В случае тепловых приемников существует шум, обязанный своим происхождением хаотическим изменениям температуры приемника, которые возникают при обмене энергией приемника с окружающей его средой (вводами, подложкой, окружающим газом) за счет теп лопроводности. Для уменьшения флуктуации температуры необходимо понижать темпера туру приемника или увеличивать его теплоемкость.

3. Тепловой шум (шум Джонсона) соответствует обычному некогерентному излучению, которое по закону Планка испускается любым телом, находящимся при T 0. С учетом за кона Кирхгофа нетрудно заключить, что тепловой шум имеет наибольшую величину у чер ного тела и уменьшается при понижении поглощательной способности тела. Таким образом, сам поглощающий элемент приемника и детали спектрального прибора (призмы, линзы, окна и др.) являются источниками шума. Поэтому поглощающие входные устройства оптических приемников нежелательны не только из-за снижения полезно используемой доли мощности входного сигнала, но и с точки зрения неизбежности теплового шума.

4. Низкочастотные шумы, мощность которых обратно пропорциональна частоте (рис.

1.26, б), имеют место практически во всех приемниках излучения. В зависимости от типа приемника эти шумы носят разные названия. Так, в случае фоторезисторов это токовые шу мы, вызываемые неравномерностью прохождения тока по массе фотосопротивления. Ток протекает преимущественно в местах контакта отдельных зерен фотослоя. При этом проис ходит локальный нагрев зерен, изменение сопротивления контактирующих участков зерен – отсюда возникают медленные флуктуации тока. Наибольшую величину токовый шум имеет в полупроводниках и металлических пленках, нанесенных распылением.

Низкочастотные шумы наблюдаются и у приемников с внешним фотоэффектом. В этом случае их называют фликер-шумами (шумами мерцания) и связывают с флуктуациями облас тей эмиссии электронов по поверхности катода. У большинства приемников при частоте мо дуляции f 100 Гц этот шум является главным. Низкочастотные шумы удается уменьшить улучшением конструкции приемника и более тщательной технологией его изготовления.

Инерционность приемников. Отклик приемника на внезапно поданный сигнал не может быть мгновенным. Быстрота реакции приемника связана с физическими процессами, протекающими в нем при освещении. В большинстве случаев в формировании выходного сигнала участвует несколько процессов, и ход нарастания сигнала можно представить в виде суммы нескольких экспонент. Для удобства полагают, что как нарастание, так и спад сигнала происходят по одинаковой экспоненте. Постоянной времени приемника принято считать время, в течение которого сигнал нарастает до значения, отличающегося от стационарного на 1 / e, т. е. равного 0,63 от стационарной величины.

При синусоидальном изменении сигнала чувствительность на частоте модуляции f связана с чувствительностью для постоянного сигнала S (0) соотношением S( f ) = S (0). (1.9) 1 + 4 2 f 2 При 2f 1 (низкие частоты f или малая постоянная времени ) чувствительность S ( f ) практически не зависит от частоты. Спад ее начинается, когда величина 2f прибли жается к единице. При частоте модуляции входного сигнала f пред = 1 / 2, (1.10) которую можно считать верхним частотным пределом приемника, S ( f ) = 0,71S (0). При f = f пред чувствительность обратно пропорциональна частоте модуляции.

Рабочей полосой частот f раб приемника называют область от f = 0 до f = f пред. Сле довательно, f раб = f пред. (1.11) Так, приемник с постоянной времени = 20 мс имеет f раб = 8 Гц и сохраняет свою чувствительность лишь при частотах модуляции от 0 до 8 Гц. Отметим, что такая инерцион ность типична для тепловых приемников. В случае фотоэлектронных приемников инерцион ность оказывается намного меньшей. Полоса частот специальных типов фотоэлектронных приемников может доходить до сотен и тысяч мегагерц. Столь малая инерционность необхо дима, например, для регистрации сверхкоротких импульсов, а также для передачи информа ции в оптических каналах связи.

Обнаружительная способность Д* приемника зависит от частоты модуляции излучения таким же образом, как и чувствительность S ( f ), если приемник обладает шумом, зависящим от частоты. Если шумы растут примерно по закону 1 / f, обнаружительная способность вы ражается зависимостью f Д* = k. (1.12) 1 + 4 2 f 2 Она максимальна на частоте f пред, которая таким образом для этих приемников являет ся оптимальной.

Разрешающая способность многоэлементных приемников. Приемники, предназна ченные для регистрации оптических изображений, характеризуются разрешающей способно стью. Наиболее строго разрешающая способность (резкостная характеристика приемника) описывается с помощью частотно-контрастной характеристики (функции передачи про странственной модуляции).

Изображение на светочувствительной поверхности приемника представляют как сово купность синусоидальных пространственных волн интенсивности (полосок или линий), каж дая – с определенной пространственной частотой (числом линий на единицу длины), ампли тудой и фазой. При регистрации может происходить «замазывание» пространственной кар тины, уменьшение ее контраста K = ( I макс I мин ) /( I макс + I мин ), (1.13) где I макс и I мин – амплитуды пространственной волны интенсивности в максимуме и минимуме.

Коэффициент передачи контраста Q равен отношению значений контраста на выходе K вых и на входе K вх :

Q = K вых / K вх. (1.14) Частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) является зависимость коэффициента пе редачи контраста Q от пространственной частоты. ЧКХ дает более полную информацию о свойствах оптической системы, чем разрешающая способность, поскольку она характеризует возможность системы адекватно воспринимать детали объекта любых размеров, а не только самые мелкие.

2.1.7. Фотографические приемники излучения 2.1.7.1. Фотографические эмульсии Одним из наиболее старых приемников излучения, в которых, однако, сейчас наблюда ется значительный прогресс, является фотографическая эмульсия. Фотоэмульсия обладает неоспоримым преимуществом перед всеми другими приемниками излучения – информация, записанная на ней, при надлежащем хранении остается неизменной в течение десятков и со тен лет.

Фотоэмульсия представляет собой слой желатины толщиной ~ 10…20 мкм, нанесенный на стекле или пленке, в котором взвешены микрокристаллы бромистого серебра. Обычно кристаллы AgBr имеют кубическую форму и плотность их распределения в эмульсии состав ляет 30-40%. Некоторые из квантов светового потока, падающего на эмульсию, проходят мимо кристаллов, не вызывая фотографического действия, некоторые рассеиваются, отража ясь на гранях кристаллов, тем самым ухудшая разрешение фотоэмульсии. Фирмой Кодак предложен новый тип фотоэмульсии – с плоскими кристаллами AgBr, имеющими форму таблеток толщиной ~ 1 мкм, которые располагаются в эмульсии в один ряд почти вплотную друг к другу. В таких эмульсиях увеличивается эффективность использования светового по тока и исключается рассеяние света в слое.

Процесс регистрации фотоэмульсией света имеет три этапа – экспонирование, проявле ние и фиксирование. При экспонировании квант света с энергией, превосходящей ширину запрещенной зоны в кристаллах AgBr (2,5 эВ), поглощается ионом Вг–, отрывает от него электрон, который переходит в зону проводимости. Получившийся атом Вг в результате процесса перезарядки (эстафетной передачи электрона от атома к иону) движется к поверх ности кристалла и переходит в желатину. Свободный же электрон быстро перемещается по решетке, пока не попадет на микродефект – микротрещину на поверхности кристалла AgBr, пылинку, вакантное место в решетке, особенно – на вкрапления металлического или серни стого серебра, которые возникают на поверхности кристаллов AgBr в результате взаимодей ствия AgBr с желатиной при изготовлении эмульсий. Эти микродефекты называют центрами светочувствительности. Электрон захватывается центром и заряжает его отрицательно. Блу ждающие ионы Ag+ (сорванные со своих мест в результате теплового движения частиц) при тягиваются к отрицательно заряженным центрам и нейтрализуются, превращаясь в центры скрытого изображения. Почернения эмульсии еще не наблюдается, фотографическое изо бражение является скрытым.

Для получения видимого изображения используют процесс проявления. В проявителе имеются частицы с отрицательным зарядом. Проникая в микрокристалл, они находят ионы Ag+ и превращают их в металлический Ag (восстанавливают металлическое серебро из бро мистого). Катализатором в этом процессе служат центры светочувствительности, содержа щие три-четыре атома металлического серебра. В незасвеченных областях восстановление идет медленнее. При очень длительном проявлении вся фотоэмульсия чернеет одинаково, фотографическое изображение при этом утрачивается. Во избежание этого продолжитель ность проявления ограничивают таким образом, чтобы наиболее засвеченные участки по темнели значительно, а незасвеченные – лишь слегка («вуаль»). Оставшееся невосстановлен ным бромистое серебро удаляется из эмульсии при фиксировании (имеют распространение и несеребряные фотографические материалы [5.6], однако их чувствительность невелика). По сле фиксирования мы видим на фотоэмульсии черно-белое изображение объекта – почер невшие области с различной плотностью.

Плотность почернения D измеряют с помощью микрофотометра – прибора, позволяю щего просвечивать пучком света участки фотопластинки размером до 0,01 · 0,01 мм2:

D = lg( P0 / P), (1.15) где P0 и P – мощности просвечивающего потока, проходящего через незасвеченный и засвеченный участки фотоэмульсии одинаковой площади.

Почернение фотоэмульсии связано с освещенностью E, вызвавшей фотографический процесс, и с временем экспонирования t функцией D = f (H ), где H = Et p – экспозиция. По казатель степени p (константа Шварцшильда) близок к единице или меньше ее и зависит от времени выдержки. Зависимость почернения от величины p свидетельствует о невыпол нении закона взаимозаместимости: вариации освещенности эмульсии и времени экспониро вания не эквивалентны с точки зрения получающегося почернения. Например, для наиболее распространенных фотоэмульсий наилучшей является выдержка порядка 0,01 с. При увели чении выдержки до десятков минут та же фотоэмульсия оказывается значительно менее чув ствительной.

Имеются способы очувствления фотоэмульсии для длинных или коротких выдержек. В области длинных выдержек чувствительность повышают путем подсветки пленки слабой вспышкой света, путем предварительной обработки ее в теплом водороде или путем охлаж дения до температуры сухого льда. Последний способ помогает и в области коротких вы держек, типичных для лазерных импульсов.

Зависимость D = f (H ) носит название кривой почернения, или характеристической кривой (рис. 1.27). Область малых почернений называют областью недодержек. Линейный участок называется областью нормальных почернений. Далее идет область передержек. При большой освещенности или большом времени экспонирования почернение убывает (область соляризации). Кривая почернения ниже области недодержек плавно переходит в гори зонтальный участок, соответствующий уровню вуали фотоэмульсии.

В области нормальных экспозиций кривая почернения может быть выражена аналити чески:

D = lg( H ) j, (1.16) где – коэффициент контрастности фотоэмульсии, равный тангенсу угла, j – ее инерция.

Зависимость плотности почернения от времени экспонирования, очевидную из (1.16), в практической работе исключают, придерживаясь одинакового времени экспонирования при калибровке фотоэмульсии и при фотографировании исследуемых спектров.

На форму кривой почернения влияют:

1. Сорт проявителя (имеются сорта более мягкие и более контрастные), его температу ра (теплый проявитель работает контрастнее), свежесть (свежий проявитель дает более кон трастное проявление), время проявления (с увеличением времени контрастность возрастает).

2. Область спектра. Коэффициент контрастности увеличивается с ростом длины волны (эмульсии фирмы Кодак имеют одинаковую величину во всей рабочей области спектра).

3. Площадь засвеченного участка. Скрытое изображение в виде тонких линий более доступно свежим порциям проявителя и поэтому проявляется лучше, чем сплошные засве ченные участки. Кривая почернения фотоэмульсии, найденная по узким спектральным лини ям, отличается от кривой почернения, соответствующей сплошному спектру (эффект Эбер харда). Для предотвращения этого нужно перемешивать проявитель во время проявления.

Рис. 1.27. Кривая почернения (1) и квантовая эффективность (2) фотоэмульсии При фотографической фотометрии требуется, чтобы на каждую пластинку, подлежа щую измерениям, были сфотографированы марки почернения и для каждой фотопластинки была построена своя кривая почернения. Условия фотографирования марок почернения (время экспозиции, прерывность освещения, спектральная область) должны быть такими же, как и для исследуемых спектров.

Чувствительность фотоэмульсии представляют величиной, обратной экспозиции Н, выраженной в лк · с, которая необходима для получения почернения D = 0,2 над вуалью, и выражают в единицах ГОСТ. Имеется также ГОСТ с критерием D = 0,85, единицы которого в десять раз мельче. Все эти величины измеряются в белом свете и поэтому мало полезны в спектроскопической практике.

Для физиков важна пороговая чувствительность. Обычно фотоэмульсии в области мак симальной чувствительности дают почернение 0,2 при плотности светового потока 108… квант/см2.

Спектральную чувствительность S измеряют в монохроматическом свете. Величина S обратна экспозиции Н, выраженной в эргах и приходящейся на 1 см2 поверхности эмуль сии, необходимой для получения плотности почернения, превышающей плотность вуали на единицу. Спектральная чувствительность некоторых фотоэмульсий приведена на рис. 1.28, а, а на рис. 1.28, б дан типичный вид ЧКХ.

Чистые кристаллы бромистого серебра реагируют на излучение с длинами волн короче 0,5 мкм. Однако ниже 0,23 мкм чувствительность быстро падает из-за поглощения в желати новом слое. Уменьшение количества желатины в слое до предела, при котором фотоэмуль сия еще обладает некоторой прочностью, позволяет фотографировать вакуумный ультра фиолет вплоть до рентгеновской области спектра. В вакуумной области спектра можно рабо тать и с обычной фотоэмульсией, используя преобразование излучения из ультрафиолетово го в видимое. Для этой цели на поверхность фотоэмульсии перед экспонированием наносят тонкий слой масла или спиртового раствора салицилового натра, которые обладают свойст вом флуоресцировать под действием ультрафиолета. Свечение флуоресценции имеет синий цвет, т.е. лежит в видимой области спектра, оно и действует на фотоэмульсию. Перед прояв лением нанесенный слой смывают и проявляют пластинку обычным образом.

а) б) Рис. 28. Характеристики фотографических материалов: а – спектральная чувствитель ность фотоэмульсий (1 – диапозитивные, 2 – спектральные тип I, 3 – спектральные тип II, 4 – панхром, 5 – инфра-880, 6 – РФ-3, 7 – изопанхром, 8 – инфра-760, 9 – изоорто);

б – час тотно-контрастные характеристики фотоэмульсий (9) и фототермопластика (10) Фотоэмульсии, чувствительные к излучению с длиной волны выше 500 нм, сенсибили зированы путем введения в них каких-либо примесей. Путем сенсибилизации удается изго товить фотоэмульсии, пригодные для работы в инфракрасной области спектра до 1 мкм.

Все фотоэмульсии, особенно инфракрасные, быстро портятся в тепле, поэтому хранить их следует в морозильнике. При температуре –30°С фотоэмульсии могут сохраняться не сколько лет без изменения чувствительности.

Квантовая эффективность фотоэмульсии (1.7), определяющая точность измерения слабых световых потоков, оказывается сильно зависящей от величины почернения. Ход кри вой квантовой эффективности для примера показан на рис. 1.27 на одном графике с кривой почернения. Максимальное значение составляет обычно ~ 0,01, а при сенсибилизации в ат мосфере водорода ~ 0,04. Для высокочувствительных эмульсий максимум достигается при экспозициях, соответствующих невысокой плотности почернения – примерно 0,3…0,4. От сюда следует, что при слабых световых потоках выгодно работать в области недодержек – это обеспечивает максимальную точность измерений светового потока. Величина, равная 0,01, свидетельствует, что при фотографической регистрации происходит ухудшение отно шения сигнал-шум по сравнению с идеальным фотонным изображением в 100 раз.

2.1.7.2. Фототермопластические системы регистрации изображений Среди новых систем регистрации изображений можно выделить устройства, основан ные на применении фототермопластиков. В этих устройствах функции светочувствительно сти и разрешения разделены. За светочувствительность отвечает полупроводниковый слой 3, разрешение обеспечивается очень тонкой термопластичной пленкой 4 (рис. 1.29). Над по верхностью термопластика создают коронный разряд с электрода 5. Поверхность слоя 4 рав номерно заряжается по отношению к подстилающему электроду 2. При освещении в полу проводниковом слое 3 в результате внутреннего фотоэффекта возникают электронно дырочные пары. Они разделяются электрическим полем и образуют на верхней поверхности полупроводника локальный зарядовый рельеф – скрытое изображение. Соответственно это му рельефу на наружной поверхности термопластика происходит перераспределение элек трических зарядов. Если систему нагреть до размягчения пленки 4 (обычно ~ 80°С), то под действием силы притяжения зарядов поверхность прогибается и возникает поверхностный геометрический рельеф, соответствующий плотности распределения зарядов. Такой рельеф может быть визуализирован, например, теневым методом. Для стирания изображения доста точно повторно нагреть фототермопластик при отсутствии оптического изображения.

Рис. 1.29. Схема фототермопластической записи изображения: 1 – лавсановая подложка;

2 – очень тонкий (~ 0,1 нм) подстилающий металлический электрод;

3 – слой фоточувст вительного полупроводника;

4 – визуализирующий слой термопластического материала;

5 – коронирующий электрод. Стрелками показан уровень освещения Важной характеристикой фототермопластических систем является дифракционная эф фективность, выражающая долю светового потока, отклоняемого фототермопластиком в первый дифракционный порядок при заданной пространственной частоте рельефа. Теорети ческий предел дифракционной эффективности при дифракции на плоской синусоидальной решетке составляет 33%.

ЧКХ фототермопластика представляет собой зависимость величины дифракционной эффективности от пространственной частоты. Она обычно имеет резонансный характер (рис.

28, б) с максимумом на частоте, зависящей от толщины термопластика, технологии его изго товления и использованных светочувствительных и сенсибилизирующих материалов. В наи лучших случаях резонансная частота ЧКХ может доходить до 3000 мм-1 при дифракционной эффективности до 30%.

Область спектральной чувствительности фототермопластика определяется используе мым в нем полупроводником. Величина светочувствительности современных фототермопла стиков, как и фотохромных сред, невелика, поэтому их используют для регистрации доста точно мощного излучения. Достоинствами фототермопластиков являются высокое простран ственное разрешение, возможность получения изображения в реальном масштабе времени и многократной перезаписи изображения.

2.1.8. Тепловые приемники излучения Наиболее распространенными тепловыми приемниками являются металлические и по лупроводниковые болометры, термоэлементы, а также оптико-акустические и пироэлектри ческие приемники.

2.1.8.1. Болометры Действие болометров основано на изменении электрического сопротивления материала при нагреве, происходящем вследствие поглощения оптического излучения. Болометр вклю чают в электрическую цепь с источником тока. Для регистрации сигнала используют мосто вую схему, в одно из плеч которой включен рабочий элемент болометра. Во втором плече находится защищенный от падающего излучения компенсационный элемент, одинаковый с рабочим. Элементы размещены в непосредственной близости один от другого на одной под ложке.

Рабочий элемент болометра должен наилучшим образом поглощать падающее на него излучение и максимально изменять свое электрическое сопротивление при нагреве. Как пра вило, эти требования не могут быть выполнены в одном элементе. Например, поглощатель ной способностью, близкой к единице, обладают рыхлые слои типа сажи. Однако они имеют плохую проводимость и неоднородности, которые приводят к большим флуктуациям тока.

Поэтому функции приемного и чувствительного элементов обычно разделены. Поглощаю щий слой, изготавливаемый чаще всего из золотой черни1, отделен от чувствительного эле мента тонкой изолирующей пленкой.

Болометры бывают трех типов: металлические, полупроводниковые и сверхпроводя щие. Чувствительным элементом металлического болометра (рис. 1.30, а) служит тонкий ме таллический токопроводящий слой, напыленный на одной стороне диэлектрической пленки.

На другую сторону напыляется поглощающий слой золотой черни. Для хорошего поглоще ния толщина слоя черни должна быть больше тех максимальных длин волн, на которые рас считан болометр, однако не очень велика, так как с толщиной увеличивается теплоемкость слоя и возрастает инерционность. Обычно толщина слоя черни составляет 30…40 мкм. При емная площадка имеет форму прямоугольника с размерами, несколько превышающими раз меры изображения спектральных линий. Ширина приемной площадки составляет обычно 0,3…0,5 мм для области спектра 0,3…40 мкм и 1…2 мм для 50…1000 мкм.

Электрическое сопротивление металлической полоски болометра, например изготов ленной из висмута, составляет 200…300 Ом. Во время работы через нее протекает ток 2… мА, нагревающий ее на 40…50° выше температуры окружающей среды. Болометр имеет ли нейную характеристику для мощности падающего излучения, лишь примерно на 10% пре вышающей мощность, выделяющуюся в болометре. Суммарный нагрев не должен превы шать 400 К. Оптимальной является температура 330…350 К.

а) б) Рис. 1.30. Устройство металлического напыленного (а) и полупроводникового (б) боломет ров: 1 – приемный поглощающий слой;

2 – токопроводящий слой;

3 – подложка;

4 – колодка;

5 – выводы Болометр обычно помещен в колбу с пониженным давлением воздуха (10-2…1 мм рт.ст.). Чем меньше потери тепла за счет теплопроводности и излучения, тем выше чувстви тельность. Однако потерями тепла определяется и инерционность приемника – чем меньше потери, тем больше инерционность. Теплоотвод осуществляется в основном окружающим газом, поэтому при заданной конструкции болометра его чувствительность и постоянная времени зависят от давления газа в колбе.

Спектральная чувствительность болометров равномерна в широкой области спектра.

Так, болометр с окном из КВг, защищенным от влаги тонким слоем (1 мкм) фтористого маг ния, работает в области спектра от 0,2 до 38 мкм. Болометр с кварцевым окном предназначен для длинноволновой области спектра от 50 до 1000 мкм. Однако в области длин волн более 200 мкм его чувствительность уменьшается из-за ухудшения поглощательных свойств черни Золотая чернь по сравнению с чернями из других веществ обладает наилучшей поглощательнои спо собностью при наименьшей теплоемкости. Ее получают распылением золота в атмосфере азота или водорода при давлении порядка 1 мм рт.ст. При таком давлении частицы золота испытывают соударения при пролете, слипаются в более крупные частицы и осаждаются на поверхности, образуя рыхлый черный слой.

– для длинных волн слой черни уже не является рыхлым.

Полупроводниковые болометры, или термисторы (рис. 1.30, б), имеют чувствительный элемент значительной толщины (10…20 мкм), выполненный из полупроводника. Для улуч шения теплоотвода элемент наклеивают на массивную диэлектрическую подложку с хоро шей теплопроводностью. В качестве подложки часто используют кристаллический кварц, теплопроводность которого при срезе в направлении оптической оси всего на порядок мень ше, чем теплопроводность металла. Из-за высокого температурного коэффициента тепло проводности полупроводниковых материалов чувствительность термисторов примерно на порядок превосходит чувствительность металлических болометров.

В отличие от металлов полупроводники обладают отрицательным температурным ко эффициентом сопротивления. Поэтому при излишнем нагреве сопротивление элемента пада ет и ток лавинообразно нарастает вплоть до разрушения элемента. Оптимальная температура работы составляет около 300 К.

Инерционные свойства полупроводникового болометра определяются его массой и массой подложки. Так как масса подложки очень велика, тепловой баланс установился бы лишь при прогреве всей подложки. По этой причине полупроводниковые болометры исполь зуют только для измерений модулированного излучения, когда подложка не нагревается на большую глубину. В этом случае чувствительность меньше чувствительности для постоян ного сигнала и зависит от частоты модуляции.

Сверхпроводящие болометры обладают очень высокой чувствительностью. В области перехода в сверхпроводящее состояние температурный коэффициент сопротивления мате риалов может достигать сотен и тысяч процентов на градус. Область перехода материалов в сверхпроводящее состояние находится в большинстве случаев при температурах, близких к температуре жидкого гелия. Примером материала с более высокой температурной точкой перехода к сверхпроводимости является нитрид ниобия (~ 15 К).

При понижении температуры уменьшаются теплоемкость болометра и шумы. Со сверхпроводящими болометрами можно получить очень малую постоянную времени – до 0, мс. Наилучшей обнаружительной способностью обладают самые низкотемпературные боло метры. Так, угольный болометр, работающий при температуре кипящего при откачке гелия (2 К), имеет Д* = 4 · 1010 Гц1/2·см/Вт при чувствительности S (10 Гц) = 14000 В/Вт. Германие вый болометр с примесью галлия, работающий также при 2 К, имеет Д* = 8 · 1011 Гц1/2·см/Вт и чувствительность S (200 Гц) = 4500 В/Вт.

2.1.8.2. Термоэлементы Действие термоэлементов основано на возникновении термо-ЭДС при нагревании спая двух металлов (термопары). Термоэлемент состоит из одной или нескольких термопар, вклю ченных последовательно и образующих термостолбик (рис. 1.31, а). Часто используют тор цевую систему, в которой приемный поглощающий элемент опирается на два стержня из ма териалов, образующих термопару (рис. 1.31, б). В непосредственной близости от измери тельной термопары помещают такую же компенсационную, включенную навстречу.

Термоэлемент находится в баллоне с высоким вакуумом. Потери тепла происходят только за счет излучения и теплопроводности стержней, поэтому постоянная времени термо элемента обычно велика и составляет 10…50 мс. В качестве материалов для термопар ис пользуют, например, висмут и сурьму, висмут и теллур или сплавы, обеспечивающие макси мальное значение термо-ЭДС при минимальном электрическом сопротивлении и низкой те плопроводности. Внутреннее сопротивление термоэлементов составляет десятки ом.

Термоэлементы всегда работают при комнатной температуре. Охлаждение их нецеле сообразно, так как с уменьшением температуры падает и величина термо-ЭДС.

2.1.8.3. Оптико-акустические приемники Оптико-акустические приемники (ОАП), называемые также пневматическими или при емниками Голея, сложнее других тепловых приемников по конструкции, но обладают пре имуществами – высокой чувствительностью и большой приемной площадкой.

а) б) Рис. 1.31. Схема включения (а) и устройство (б) термоэлемента: 1 – поглощающий слой;

2 – металлическая токопроводящая площадка;

3 – стержни из материалов, составляющих термопару;

4 – основание В оптико-акустическом приемнике (рис. 1.32) поглощающим элементом является плен ка, нагреваемая излучением. Пленка находится в газовой камере, поэтому от нее нагревается газ. При модуляции излучения с небольшой частотой давление в газовой камере испытывает колебания с той же частотой. Газовая камера с одной стороны закрыта окошком, прозрачным для ПК излучения, с другой – гибкой мембраной с зеркальной внешней поверхностью. При изменениях давления в камере мембрана изгибается. Этот небольшой изгиб зеркальной по верхности обнаруживается по дефокусировке отражающегося от зеркальной мембраны све тового пучка, падающего от вспомогательного источника света. Для того чтобы приемник не был чувствителен к изменениям внешнего давления и температуры, предусмотрено вы равнивание давления по обе стороны мембраны путем перетекания газа по капиллярному ка налу в замембранный объем. По этой причине ОАП не регистрирует постоянный сигнал.

Рис. 1.32. Схема устройства оптико-акустического приемника Постоянная времени ОАП зависит от теплоемкости поглощающей пленки и теплопро водности газа. Наименьшей постоянной времени порядка 1 мс обладает ОАП, наполненный газом с высокой теплопроводностью – гелием. Однако малая постоянная времени сопровож дается малой чувствительностью приемника. ОАП, наполненный ксеноном, имеет постоян ную времени порядка 30 мс и более высокую чувствительность. Оптико-акустические при емники работают при комнатной температуре, так как гибкая мембрана не выдерживает ох лаждения.

Спектральная область чувствительности ОАП определяется поглощательными свойст вами пленки и прозрачностью окна. В качестве поглощающей пленки используют частично прозрачную металлическую пленку. Максимальное поглощение (А = 50% и R = Т = 25%) со ответствует такой толщине пленки, когда ее сопротивление при поверхности 1 см2 равно по ловине волнового сопротивления свободного пространства, т.е. 188 Ом. Этому условию от вечает толщина пленки порядка 10 нм. Такие тонкие частично прозрачные пленки обладают очень малой теплоемкостью и в то же время поглощают половину падающего на них излуче ния. Обычно внутреннему объему за поглощающей пленкой придают форму полусферы.

Прошедшее излучение, отразившись, снова падает на пленку. Так удается повысить погло щение в пленке еще процентов на десять.

2.1.8.4. Пироэлектрические приемники Пироэлектрические приемники являются новым поколением тепловых приемников света с типичной для последних широкой спектральной областью чувствительности, но с ма лой постоянной времени. Действие их основано на явлении пироэлектричества, наблюдаю щемся в некоторых кристаллах, не имеющих центра симметрии: титанате бария ВаТiO3, нио бате лития LiNbO3, сегнетовой соли, турмалине и некоторых других. Эти кристаллы облада ют постоянным дипольным моментом в направлении полярной оси. Поверхность кристалла, срезанная перпендикулярно этой оси, всегда электрически заряжена. Однако этот заряд внешне не проявляется. За счет микротоков, протекающих по кристаллу, а также ионов, осе дающих из воздуха, поверхностные заряды нейтрализуются. Если нарушить ориентацию элементарных диполей кристалла (например, нагреванием), равновесие нарушается. Для его восстановления требуется некоторое время, в пределах которого поверхностный заряд может быть обнаружен.

Для пироприемников выбирают материалы с наибольшим пироэлектрическим эффек том, т. е. с наибольшим изменением дипольного момента при нагреве, с хорошей поглоща тельной способностью, высоким электрическим сопротивлением и малой теплопроводно стью. Наиболее употребительны танталат лития LiTaO3 и триглицинсульфат (ТГС) (NH2CH2OOH)3 · H2SO4, хорошо поглощающие в широкой области спектра.

Отклик пироприемника пропорционален скорости прироста температуры в отличие от всех других тепловых приемников, отклик которых пропорционален приросту температуры.

Поэтому пироприемники регистрируют только импульсные сигналы. Они способны изме рять очень короткие световые импульсы с длительностью, много меньшей их тепловой по стоянной времени тепл. Если измерению подлежит непрерывный световой поток, его моду лируют так, чтобы длительность каждого импульса была меньше тепл, а интервалы между ними больше (3-5) тепл.

Типичные схемы устройства пироприемников и принцип их работы показаны на рис.

1.33. Основой пироприемника является пластина из пироэлектрика, перпендикулярно поляр ной оси которой расположены металлические электроды, к ним подсоединены внешние вы воды. Падающее излучение поглощается в слое черни, нанесенном на пироэлектрик (рис.

1.33, а, в), или в самой пластине (рис. 1.33, б, г) за счет собственного поглощения пиромате риала. Пластина и детали ее крепления составляют чувствительный элемент пироприемника.

На практике используют разнообразные конструкции – площадь приемного элемента может составлять от 0,1 до 150 мм2, приемный элемент может быть в виде тонкого плоского кри сталла, наклеенного на подложку с плохой или, наоборот, хорошей теплопроводностью, мо жет иметь форму полости или клина, имитирующих черное тело, и т. д.

Различают два вида чувствительных элементов.

1. Чувствительный элемент с минимальным теплоотводом. Тепловая постоянная времени пироприемников с такими элементами сравнительно велика: тепл = 1...0,01 с. Нагрев элемента T = T2 T1, где T1 и T2 – начальная и конечная температура, пропорционален по глощенной за время импульса энергии: T ~ Pdt ( – длительность измеряемого импульса излучения). При тепл нагрев T элемента и пиро-ЭДС (Т), возникающая на торцах пи роэлектрика, возрастают линейно во времени (рис. 1.34), достигая в конце импульса значе ний, пропорциональных P0, т. е. энергии импульса.

Выберем сопротивление внешней нагрузки R H много меньше внутреннего сопротивле ния r пироэлектрика. Тогда ток, протекающий в цепи приемника (рис. 1.33, д), создает паде ние напряжения на сопротивлении R H dU c U R = iR H = CR H, (1.17) dt где C – междуэлектродная емкость приемника и U c – напряжение на этой емкости.

Изменение напряжения UR во времени с учетом процесса зарядки емкости C от источника ЭДС через сопротивление R H определяется уравнением d [( )] ( ) d 1 e t / RH C = R H C 1 e t / R H C + e t / R H C.

U R = RH C (1.18) dt dt В зависимости от величины постоянной времени электрической цепи эл = RH C воз можна работа приемника в двух режимах: а) измерение энергии и б) измерение мощности.

а) Измерение энергии. При R H C из (18) получаем UR =. (1.19) Величина в течение импульса нарастает пропорционально нагреву T. Напряжение U R растет также линейно до величины в конце импульса, пропорциональной энергии P (рис. 1.34, кривая 1). Сопротивление R H выбирают порядка 109 …1012 Ом. Приемник в этом режиме обладает высокой чувствительностью, доходящей до 100 В/Дж.

а) б) в) г) д) Рис. 1.33. Схема устройства пироприемников с плоскими (а, б) и торцевыми (в, г) электро дами и электрическая схема их включения (д): 1 – пироэлектрик;

2 – электроды (на схеме б один из них полупрозрачный);

3 – чернь;

4 – отражающее покрытие;

5 – выводы. Электроды 2 образуют конденсатор С;

r внутреннее сопротивление пироэлектрика;

R H – нагрузка (r R H );

UR – снимаемый сигнал б) Измерение мощности. При R H C (дифференцирующая внешняя цепочка) имеем из (1.18) d U R = RH C, (1.20) dt Следовательно, напряжение UR быстро растет в начале импульса, а далее сохраняется неиз менным (рис. 1.34, кривая 2) с величиной, пропорциональной скорости нарастания пиро ЭДС, т.е. мощности P0.

Пироприемники в этом режиме могут служить эталонами для измерений мощности из лучения непрерывных источников света в абсолютных единицах (в качестве эталонов в та ких измерениях обычно используются источники излучения). В эталонном пироприемнике измерение происходит путем сравнения падающей на него световой мощности и джоулева тепла, выделяемого при пропускании тока через слой черни приемного элемента. Световая мощность и джоулево тепло поступают на пироприемник попеременно с частотой 12…13 Гц.

Таким образом, эталонный пироприемник работает по принципу нуль-индикатора, что обес печивает высокую точность измерений. В целом погрешность абсолютных измерений мощ ности этим приемником лучше 1%.

Рис. 1. 34. Формирование сигнала пироприемником Обнаружительная способность Д* пироэлектрических приемников достигает 5· см·Гц1/2/Вт, т. е. имеет одинаковый порядок с величиной Д* оптико-акустических приемни ков при оптимальной частоте модуляции 10 Гц (рис. 1.35).

2. Чувствительный элемент с максимальным теплоотводом. Обычно он выполняет ся в виде тонкой пленки, наклеенной на хорошо теплопроводящий металлический электрод.

Тепловая постоянная таких приемников очень мала, порядка 10-8 с. Здесь также возможны два случая:

а) Если длительность импульса больше, чем тепл, сразу же возникает установив шийся режим – сколько энергии подводится, столько же и уходит за счет теплоотдачи. В этом случае нагрев T и сигнал U R пропорциональны мощности P0.

б) Если тепл, измеряется некоторая средняя мощность, т.е. практически P0 – энер гия импульса.

Чувствительность таких пироприемников мала, и они предназначены для измерения коротких мощных импульсов – до 10 11 с. Максимальным быстродействием обладают приемники с собственным поглощением в пироэлектрике (схемы на рис. 1.33, б, г) и при ус ловии R H C. Допустимая плотность энергии составляет несколько единиц Дж/см2.

Рис. 1.35. Обнаружительная способность Д* тепловых приемников и приемников с внутренним фотоэффектом Спектральный диапазон работы пироприемников определяется поглощательной спо собностью пироэлектриков и черни и простирается от и рентгеновской области спектра до сантиметровых волн.

На основе пироэффекта возможно создание одномерных и двумерных многоэлемент ных приемников – линеек и матриц, используемых для систем приема изображений. Такие системы представляют собой пластину пироэлектрика, на которой пазами и топографией электродов выделены отдельные приемные элементы размерами до 30 30 мкм2. Считыва ние сигнала с каждого элемента производится последовательно электронным лучом или ме тодами микроэлектроники.

Простота устройства приемника, неселективность, отсутствие источника питания, ус тойчивость к механическим и климатическим воздействиям (работают при температурах от 60 до +100° С), быстродействие – эти качества пироприемников определяют их распростра нение в измерительной технике, спектроскопии и др.

2.1.9. Фотоэмиссионные приемники излучения 2.1.9.1. Вторично-электронные умножители В п. 2.1.3 уже рассматривались фотоэлектронные умножители. Известно, что излучение с 100 нм поглощается материалом окон и воздухом. В этой области спектра применяют электронные умножители открытого типа, называемые также вторично-электронными ум ножителями (ВЭУ). В качестве катодов в них используют материалы, эмиссионные харак теристики которых устойчивы к воздействию воздуха (в основном металлы и щелочно галоидные соединения).

В ВЭУ получили широкое распространение непрерывные динодные системы (рис. 1.36) в отличие от дискретных систем в ФЭУ. Это упрощает эксплуатацию их (не нужен делитель напряжения) и облегчает миниатюризацию.

Рис. 1.36. Умножение электронов за счет вторичной электронной эмиссии в динодной системе распределенного типа Для устранения ионной и оптической обратных связей канал ВЭУ делают изогнутым, часто в виде спирали. Изгиб канала препятствует ускорению положительных ионов от анода ко входу ВЭУ, где они могут давать электронные лавины, вызывающие послеимпульсы.

Усиление в таких ВЭУ достигает 107…108. ВЭУ применяются для регистрации фотонов с энергией 10…200 эВ ( = 120...6 нм) и частиц с энергией 0,01…10 кэВ.

2.1.9.2. Электронно-оптические преобразователи Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) – электровакуумные приборы, предна значенные для преобразования оптического изображения из одной области спектра в другую или для усиления яркости изображения. В простейшем случае ЭОП имеет вакуумированный корпус с окном, на которое с внутренней стороны нанесен фотокатод, преобразующий опти ческое изображение объекта в электронное. Фотоэлектроны, сформированные в поток фоку сирующими электродами, дают электронное изображение объекта на люминесцирующем эк ране, который превращает электронное изображение снова в оптическое. Яркость изображе ния в одном каскаде ЭОПа повышается в несколько десятков раз. В многокаскадных ЭОПах усиление доходит до 106.

В последнее время в ЭОПах используют встроенные усилители электронного изобра жения на микроканальных пластинах (МКП) (рис. 1.37). МКП представляет собой шайбу диаметром 4…6 см, толщиной 0,4…0,5 мм, образованную из нескольких миллионов спаян ных между собой стеклянных микротрубочек с диаметром канала 10…40 мкм. Каждый канал является миниатюрным вторично-электронным умножителем (ВЭУ) с динодной системой распределенного типа (рис. 1.36). На концы каналов подается напряжение в несколько сот вольт, и тогда при попадании электрона на внутреннюю поверхность канала происходит ум ножение числа электронов в 103…104 раз. Каналы в МКП немного наклонены к оси МКП для предотвращения обратного прохода ионов к фотокатоду. При использовании двух МКП с наклоном каналов в разные стороны (шевронное расположение), как показано на рис. 1.37, а, этот эффект обратной связи еще меньше, а усиление может доходить до 108.


На рис. 1.37, б приведено устройство планарного ЭОПа (без фокусирования электрон ного потока).

а) б) Рис. 1.37. ЭОПы с МКП. ЭОП с фокусировкой электронного изображения (а) и планарный ЭОП (б): 1 – фокальная поверхность, 2 – плоско-вогнутый волоконно-оптический диск, 3 – фотокатод, 4 – траектории электронов, 5 – МКП, 6 – люминесцирующий экран, 7 – выход ной волоконно-оптический диск, 8 – входное кварцевое окно планарного ЭОПа ЭОП может служить первым звеном в телевизионной аппаратуре, используемой для научных исследований. В таком случае электронное изображение на выходе ЭОПа формиру ется на специальном узле, назначение которого – запомнить это изображение и поэлементно преобразовать его в электрические сигналы (видеосигнал). По сложившейся в телевидении терминологии эту часть аппаратуры называют передающей. Видеосигнал передается по ка налу связи обычными радиотехническими средствами. В приемной аппаратуре видеосигнал принимается, обрабатывается и может быть преобразован снова в оптическое изображение или передан в компьютер для дальнейшей обработки.

Телевизионный метод обработки изображений обладает оперативностью, позволяет ра ботать в реальном масштабе времени. Достоинством является также то, что вся необходимая техника (передающие камеры, видеоконтрольные устройства, видеомагнитофоны, аппарату ра управления и пр.) хорошо апробирована. Выигрыш в точности, чувствительности, экс плуатационные удобства телевизионного метода определяют его широкое применение для наблюдения слабых и быстропеременных объектов, например, в астрономии.

2.1.10. Приборы с зарядовой связью Одним из крупнейших достижений науки и техники является создание по лупроводниковых систем приема и передачи изображения. Они работают при малых элек трических напряжениях, не требуют вакуума, обладают малыми размерами и высокой на дежностью, квантовый выход фотоэффекта в них доходит до 80%. В одном полупроводнико вом кристалле могут содержаться и приемник, и система сбора и передачи информации.

В конце 60-х годов был открыт принцип работы твердотельных фотопреобразователей с самосканированием, основанный на переносе локализованного заряда. На этом принципе созданы приборы с зарядовой связью (ПЗС), представляющие собой одномерную или дву мерную систему светочувствительных ячеек – линейки ячеек и матрицы. В ячейках ПЗС обычно используют МОП конденсаторы (металл-окисел-полупроводник), состоящие из тон кого металлического электрода, нанесенного на окисленную поверхность p-кремния (рис.

1.38). Если к электроду приложен положительный потенциал, то основные носители (дырки), возникающие в p-кремнии в результате фотоэффекта, покидают прилегающий к электроду слой полупроводника. Вблизи раздела окисел – полупроводник под электродом образуется потенциальная яма, в которую собираются неосновные носители (электроны). Скопившийся в яме заряд пропорционален интенсивности падающего излучения и длительности экспони рования. Для наглядности заряд в потенциальной яме можно представить в виде жидкости, налитой в сосуд.

Рис. 1.38. МОП конденсатор (поперечное сечение) В приборах с зарядовой связью МОП конденсаторы расположены на общем слое окис ла и на общей кремниевой подложке так близко друг к другу, что их потенциальные ямы со прикасаются. Заряд может перетекать в наиболее глубокую яму, т. е. туда, где выше значе ние потенциала. Передвижение зарядов вдоль структуры происходит по принципу «пожар ной цепочки» – так в старину передавали ведра с водой на пожаре. Рассмотрим перенос за рядов при трехтактном питании электродов. На рис. 1.39 показаны три ячейки ПЗС, с тремя МОП конденсаторами каждая, и шины, к которым подсоединены электроды. В режиме хра нения заряда (рис. 1.39, а) на электроды 1, 4 и 7 подан небольшой потенциал V2. При подаче на электроды 2, 5 и 8 более высокого потенциала V3 заряды перетекают в более глубокие по тенциальные ямы под эти электроды (рис. 1.39, б). После этого снова включается режим хра нения (рис. 1.39, в, г), а затем все процессы повторяются. Заряды поочередно доходят до края системы, где происходит их вывод.

Более удобным является разделение светочувствительных и считывающих элементов.

При экспонировании в светочувствительных элементах накапливается образуемый падаю щими фотонами заряд, затем открывается специальный затвор, и все заряды переходят в на ходящийся рядом считывающий регистр. После этого затвор запирается, и снова идет накоп ление заряда в светочувствительных элементах, а информация из считывающего регистра тем временем выводится через выходное устройство. Наиболее широко распространены фо тодиодные линейки, в которых светочувствительными ячейками являются фотодиоды, а для считывания применен принцип переноса заряда Число ячеек в них составляет более тысячи при длине всей линейки порядка 15 мм.

Двумерные приемники изображения (матрицы) имеют довольно сложную организацию переноса заряда и считывания. Наибольшее распространение получили матрицы с числом ячеек порядка 50000, выполненные на кристалле кремния размером примерно 15 15 мм2.

Светочувствительные ячейки в таких приемниках имеют размеры от 30 30 до 15 15 мкм2.

Частотно-контрастная характеристика ПЗС из-за их дискретной структуры может иметь отрицательные области. Наивысшая пространственная частота, которая может быть зареги стрирована без искажений, равна половине пространственной частоты расположения эле ментов. При более высоких частотах изображение может обращаться – черные полосы могут стать светлыми, и наоборот.

Недостатком ПЗС является их низкая помехоустойчивость. Маленькие пакеты зарядов (104…106 электронов) при своем передвижении по структуре испытывают потери (заряд «расплескивается»). В результате возникает дополнительный шумовой сигнал – шум считы вания. Если измерению подлежит слабый световой поток плотностью порядка сотен квантов на ячейку за время накопления заряда, предпочтительнее ЭОПы (рис. 39, а). В них за счет фокусировки пучка и ускорения электронов электрическим полем сигнал в целом оказывает ся менее подверженным шумам. Поэтому при низких порогах освещенности выгоднее поль зоваться фотоэмиссионными приемниками, несмотря на то, что квантовый выход внешнего фотоэффекта составляет всего 0,1 по сравнению с 0,8 для ПЗС.

а) б) в) г) Рис. 1.39. Схема переноса заряда в ПЗС с трехтактным управлением: а) хранение заряда в ячейках 1, 4, 7;

б) перенос зарядов;

в) хранение зарядов в ячейках 2, 5, 8;

г) подготовка к следующему переносу заряда. Потенциалы V1 V2 V Приемники излучения играют решающую роль во многих физических экспериментах и в технике. На основе приемников, кратко описанных в данной главе, используются различ ные методы регистрации излучения (гетеродинный, оптогальванический и др.), излагаемые в специальной литературе. Правильный выбор, как приемника, так и метода регистрации излу чения в значительной мере определяет успех в решении задач, стоящих перед эксперимента тором или разработчиком оптико-электронной аппаратуры.

2.1.11. Модели и устройства оптико-электронного и электронно-оптического преобразований в телевидении 2.1.11.1. Внешний и внутренний фотоэффекты в телевидении Оптико-электронные преобразователи, используемые в ТВ и других областях, исполь зуют явление внешнего или внутреннего фотоэффекта. На начальном этапе развития ТВ применялись передающие трубки на основе внешнего фотоэффекта, на современном этапе – на основе внутреннего. Явление и основные закономерности внешнего фотоэффекта иссле дованы в 1888-1890 гг. профессором Московского университета А.Г. Столетовым.

Внешним фотоэффектом (фотэлектронной эмиссией) называется явление испускания веществом (фотокатодом) электронов под действием оптического излучения. Возникающий при этом фототок насыщения подчиняется следующим законам внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому по току (закон Столетова):

I Ф = SФv, (1.21) где Фv – падающий световой поток, лм;

S – чувствительность фотокатода, обычно из меряемая в мкА/лм.

Безынерционность фотоэлектрической эмиссии: фототок практически без запаздывания следует за изменением светового потока, что справедливо до частот 100…200 МГц.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона прямо пропорциональна частоте светового потока и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна):

hv = e 0 + mVmax, (1.22) где v – частота падающего светового потока;

hv – постоянная Планка;

m, e – масса и заряд электрона;

e 0 ( 0 ) – работа (потенциал) выхода.

Приняв в законе (1.22) V max = 0, можно определить так называемую длинноволновую («красную») границу фотоэмиссии:

кр = hc /(e 0 ). (1.23) При длине кр излучения фотоэмиссия не происходит.

Фотокатоды, изготовленные из чистых металлов, имеют спадающую (с ростом ) спектральную чувствительность S ( ) и малую интегральную чувствительность S. Для уве личения последней применяют сложные многослойные и многокомпонентные фотокатоды, у которых увеличен квантовый выход, «красная» граница смещена в длинноволновую область, а характеристика S ( ) имеет один или несколько максимумов. В фотоэлектрических пре образователях и передающих трубках использовались (используются) три типа фотокатодов:

массивный непрозрачный;

непрозрачный мозаичный;

полупрозрачный.

В массивном непрозрачном фотокатоде (рис. 1.40, а) фоточувствительный слой толщи ной несколько микрометров наносится на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Фо тоэмиссия происходит навстречу падающему излучению. Массивные фотокатоды использо вались в фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях.

Непрозрачный мозаичный фотокатод (рис. 1.40, б) состоит из металлической сигналь ной пластины 3 и слоя диэлектрика (тонкая пластина слюды) 2, на которой нанесены мель чайшие изолированные друг от друга фоточувствительные зёрна серебра – элементарные фо тоэлементы, связанные через ёмкость слюды с сигнальной пластиной. Размер зёрен значи тельно меньше одного элемента изображения. Фотокатод использовался в передающей труб ке иконоскоп.


а) б) в) Рис. 1.40. Типы фотокатодов В полупрозрачном фотокатоде (рис. 1.40, в) фоточувствительная плёнка толщиной 25 40 нм наносится на обратную (падающему световому потоку) поверхность колбы. Фотоэмис сия электронов происходит по направлению падения излучения: фотокатод работает на про свет. Эти фотокатоды получили наибольшее распространение в фотоэлектронных умножите лях и передающих ТВ трубках.

Внутренним фотоэффектом (фотопроводимостью) называется явление изменения элек трической проводимости полупроводника под действием падающего оптического излучения.

Это изменение происходит из-за увеличения энергии отдельных электронов посредством по глощения энергии излучения, в результате чего нарушаются связи этих электронов с ядром своего атома. Однако электроны не покидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри его: переходят из заполненной зоны в зону проводимости, что значительно изменяет сопротивление. Спустя некоторое время возбуждённый электрон рекомбинирует – возвращается в заполненную зону. Скорость рекомбинации возрастает с увеличением кон центрации фотогенерированных электронов. Поскольку скорость генерации носителей по стоянна при неизменном потоке излучения, а скорость рекомбинации возрастает, то через некоторое время наступает равновесное состояние со стационарным значением проводимо сти. При прекращении излучения носители тока рекомбинируют не мгновенно. Это означает, что нарастание и спад фотопроводимости являются процессами инерционными.

При внутреннем фотоэффекте фототок зависит от спектрального состава излучения.

Энергия hv фотона должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной зоны в зону проводимости. Длина волны кр, при которой начинается фотопроводимость, называет ся (как и в случае фотоэмиссии) «красной» границей. Фотопроводимость возрастает с уменьшением длины волны излучения. Конкретные спектральные характеристики S ( ) фотопроводящих мишеней зависят от их конструктивных особенностей и свойств полупро водника.

2.1.11.2. Принцип накопления и его применение в передающих телевизионных трубках В системах мгновенного действия фотоэмиссия с каждого элемента изображения ис пользуется только в течение малого времени э передачи этого элемента. Энергия оптиче ского излучения в межкоммутационный период в образовании сигнального тока не участву ет. Повысить эффективность можно применением принципа накопления заряда, который удобно пояснить с помощью эквивалентной схемы образования сигнала с i-го элемента изо бражения (рис. 1.41, а).

При облучении фотоэлемента ФЭi световым потоком элемент C i за время кадра Tк на капливает заряд Q зар = I зар Tк ( I зар – средний ток заряда (фотоэмиссии)). Напряжение U c сигнала на нагрузке R H образуется при разряде ёмкости C i за время э коммутации ключом K. При этом средний ток разряда (средний сигнальный ток) I раз = Q разр / э Q зар / э I раз N (1.24) превышает ток фотоэмиссии в N раз ( N – количество элементов в кадре изображения). В реальных приборах эффект накопления несколько меньше N, однако принцип накопления заряда положен в основу всех передающих трубок, за исключением диссектора.

а) б) Рис. 1.41. Накопление заряда в передающей телевизионной трубке В качестве примера реализации принципа накопления заряда рассмотрим работу моза ичной фотомишени – основного элемента первых ТВ передающих трубок (рис. 1.41, б). Мо заичная фотомишень состоит из изолированных отдельных фотоэлементов ФЭ1, ФЭ2,..., ФЭ N и соответствующих им накопительных ёмкостей C1, C 2,..., C N. Проецируемое оптической системой ОС на мишень оптическое изображение объекта EF создаёт в цепи каждого фото элемента фототок, прямо пропорциональный его освещённости. На мозаичной поверхности образуется потенциальный рельеф, который преобразуется в сигнал изображения последова тельной коммутацией (электронным лучом, эмиттируемым катодом К) накопительных ёмко стей в цепь нагрузки.

2.1.11.3. Модели и основные характеристики видиконов, плюмбиконов, преобра зователей на приборах с зарядовой связью На начальном этапе развития ТВ в качестве оптико-электронных преобразователей ис пользовались передающие трубки на основе внешнего фотоэффекта. Яркими представителя ми их являются диссектор (трубка мгновенного действия) и суперортикон (с накоплением заряда). На смену приборам с внешним фотоэффектом последовательно пришли передающие трубки на фотопроводимости: видиконы, плюмбиконы, преобразователи на приборах с заря довой связью (ПЗС).

Видикон содержит два основных узла: фотомишень 6 и электронный прожектор (соз дающий коммутирующий пучок) в составе оксидного подогревного катода 1, управляющего электрода 2, первого 3, второго 4 анодов и мелкоструктурной выравнивающей сетки 5 (рис.

1.42). Фотомишень состоит из фотослоя и сигнальной пластины, которая представляет тон кий проводящий прозрачный (прозрачность превышает 90%) слой (золота, платины или оки си олова), нанесенный на внутреннюю поверхность планшайбы. Выводом сигнальной пла стины служит металлическое кольцо, введённое между планшайбой и колбой. На сигналь ную пластину испарением в вакууме нанесён фотослой (толщиной 1…3 мкм) из соединений сурьмы, селена, мышьяка и серы. Материал мишени и его толщина определяют чувствитель ность, спектральную S ( ) характеристику и инерционность видикона. Второй анод создаёт эквипотенциальную область, в которой осуществляется фокусировка и отклонение развёрты вающего луча.

Рис. 1.42. Устройство видикона Потенциал U вс выравнивающей сетки U вс (1,5 2)U a 2, что обеспечивает подход элек тронов под прямым углом к мишени и, как следствие, равномерную фокусировку и одинако вый исходный потенциал по поверхности мишени – условия получения равномерного сигна ла по полю изображения. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории луча выполняет ся внешней магнитной системой в составе длинной фокусирующей ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.

В эквивалентной электрической схеме видикона (рис. 1.43) каждый элемент фотопро водящей мишени представлен ёмкостью ( C э1, C э 2,..., C эN ) (между сигнальной пластиной и правой поверхностью мишени), шунтированной сопротивлением ( R э1, R э 2,..., R эN ), величина которого зависит от освещённости этого элемента. Проекция оптического изображения на мишень трубки вызывает соответствующее распределение сопротивлений, создавая рельеф сопротивлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника доходит до 1012 Ом · см.

При максимальном освещении оно уменьшается в 100 и более раз.

При «развёртке» фотомишени коммутирующим лучом (обычно в режиме медленных электронов) потенциал правой поверхности её в момент коммутации приобретает потенциал катода, вследствие чего элементарные конденсаторы C эi заряжаются до напряжения U сп, под которым постоянно находится сигнальная пластина. В межкоммутационный период она разряжаются через R эi с постоянной pi = R эi C эi времени, обратно пропорциональной ос вещённости элемента. Потенциал обкладок конденсаторов Cэi, обращённых к лучу, увеличи вается, приближаясь (на наиболее освещённых элементах) к потенциалу U сп сигнальной пла стины. На поверхности мишени создаётся потенциальный рельеф, соответствующий распре делению освещённости поверхности мишени.

Сигнал изображения образуется при последовательной коммутации участков поверхно сти мишени электронным лучом, выравнивающим потенциальный рельеф. При этом на ос вещенных местах осаждается значительная часть электронов, от неосвещённых участков с примерно нулевым потенциалом луч отражается. Выравнивание рельефа приводит к дозаря ду элементарных конденсаторов Cэi. Токи дозаряда, протекая в цепи сигнальной пластины через нагрузку R H, образуют сигнальный ток I c.

Рис. 1.43. Эквивалентная схема видикона Видикон имеет простую конструкцию, небольшие размеры и массу, является высоко надёжной и дешёвой передающей трубкой. Существуют видиконы, чувствительные к инфра красному, видимому, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению. Полярность сигнала, генерируемого трубкой, является отрицательной. Положительными свойствами видикона является его высокая чувствительность (способность работать при слабых освещённостях), возможность передачи информации об уровне чёрного, отсутствие искажений сигнала, свя занных с эффектом перераспределения электронов. Недостатком является инерционность, которая проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущихся следов, размазы вании контуров изображения, потери чёткости и снижения контраста.

Благодаря положительным свойствам, видиконы нашли широкое применение в различ ных системах прикладного ТВ, а также в ТВ вещании для передачи кинофильмов, где воз можность обеспечения высокой освещённости позволяет преодолеть их основной недостаток – инерционность.

С целью уменьшения инерционности в плюмбиконе (глетикон – название аналогичной трубки, выпускавшейся в СССР) применяется мишень не фоторезистивного, а фотодиодного типа, которая имеет обратно включённый p-i-n-переход, обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое сопротивление и линейную световую характеристику I c = f (Ev ).

Мишень плюмбикона (рис. 1.44, а) содержит стеклянную планшайбу 1, тонкую про зрачную сигнальную пластину 2, тонкий прозрачный слой 3 полупроводника проводимости n, слой 4 полупроводника проводимости i (образующий основную толщину мишени), слой проводимости P. Слои 5 и 3 получают легированием основного слоя 4. При этом слой 5 дол жен обладать большей, по сравнению со слоем 4, проводимостью, быть достаточно тонким для исключения растекания зарядов между участками мишени с разными потенциалами.

Эквивалентная электрическая схема элементарного участка мишени плюмбикона (рис.

1.44, б) отличается от аналогичной видикона включением фотодиода VD p-i-n типа. Из-за большой ширины запрещённой зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока ма ла. Это существенно уменьшает тепловой ток и, значит, увеличивает темновое сопротивле ние мишени. В момент коммутации p-i-n-переход смещается в обратном направлении, что дополнительно увеличивает темновое сопротивление. Для достижения требуемых свойств слой i делают из химически чистой окиси свинца.

Световая характеристика I c = f ( E v ) плюмбикона линейна в широком диапазоне осве щённости. Показатель нелинейности = 0,95 1,05. Малый разброс этого параметра указы вает на высокую воспроизводимость трубок, что особенно важно для многотрубочных камер цветного ТВ. Плюмбикон обеспечивает высококачественное изображение при освещённости 5…8 лк, несколько уступая по этому параметру видикону. Однако он реализует равномер ную по полю разрешающую способность в 600 линий при высоком (порядка 200) отношении сигнал-шум. Существенным преимуществом плюмбикона является его малая инерцион ность. Остаточный сигнал спустя кадр после выключения света не превышает 5%. Высокие показатели плюмбиконов с окисно-свинцовой мишенью в сочетании с минимальной инерци онностью и высокой линейностью сделали их в 80-е годы ХХ столетия наиболее подходя щими приборами для передающих камер цветного ТВ.

а) б) Рис. 1.44. Устройство плюмбикона Изобретение в 1969 г. ПЗС позволило создать малогабаритные (безвакуумные) фото электрические преобразователи с числом элементов разложения по стандарту ТВ вещания. В основе ПЗС лежат свойства структуры металл-окисел-полупроводник (МОП) собирать, на капливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в локализованных потенци альных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают из-за светового излучения, переносятся управляемым пе ремещением потенциальных ям, то есть ПЗС работает как аналоговый сдвиговый регистр, собирающий, накапливающий и хранящий зарядовую информацию. Основное достоинство ПЗС: принцип последовательного переноса зарядовой информации от отдельных элементов матрицы к единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сиг нал изображения. Его входная ёмкость не превышает 0,1 пФ, в результате улучшается отно шение сигнал-шум на выходе предварительного усилителя и, значит, предельная чувстви тельность прибора. Все ячейки матрицы одинаково чувствительны к помехам от тактовых импульсов, поэтому возникающий от них геометрический шум легко компенсируется.

Основным элементом ПЗС является МОП-конденсатор, содержащий (рис. 1.45, а) ме таллический электрод 1, полупроводниковую подложку 6 (p- или n-типа) и диэлектрик 2 – окисел беспримесного полупроводника толщиной порядка 0,1 мкм. В случае полупроводни ка p-типа при приложении к электроду 1 напряжения +U основные носители (дырки) 5 отой дут от поверхностного слоя в толщину полупроводника, образую потенциальную яму 4 – об ласть, обеднённую основными носителями. Выбирая величину +U, плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно управлять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации неосновных носителей, длительность которого (время релаксации) определяет максимальное время хра нения зарядовой информации и, значит, минимальную частоту работы устройств на ПЗС.

Зарядовый пакет можно ввести электрическим путём, световой генерацией. Во втором случае накопленный заряд прямо пропорционален освещённости и времени накопления. На правленная передача заряда в ПЗС достигается расположением МОП-конденсаторов на ма лом расстоянии, когда их объединённые области перекрывают и потенциальные ямы соеди няются.

Пусть в начальный момент U 1 U 2. В образовавшуюся глубокую потенциальную яму левого конденсатора может быть помещен зарядовая информация. Изменим напряжения:

U 2 U 1. Под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую пере течёт зарядовый пакет (рис. 1.45, б, в).

а) б) в) Рис. 1.45. Принцип действия ПЗС Динамика перемещения зарядовых пакетов прослеживается на примере трёхтактного сдвигового регистра (рис. 1.46), один элемент которого состоит из трёх МОП-конденсаторов, подключённых к соответствующей из трёх тактовых шин с фазами (напряжениями) U ф1, U ф 2, и U ф 3. Интервал t1 отвечает режиму хранения информации (под электродами фазы Ф1 с напряжением U1). На втором такте (момент t2 записи) на электроды фазы Ф2 подаётся напря жение U 2 (1,5 2)U 1 записи, под ними образуются более глубокие потенциальные ямы, в которые перетекают электроны из-под электродов фазы Ф1.

На третьем такте (момент t3) напряжение на электродах фазы Ф2 уменьшается до вели чины U1, напряжение на электродах фазы Ф1 – до значения U 3 0,5U 1, что исключает воз врат зарядового пакета под электроды фазы Ф1. В регистрах двукратной схемы направлен ный перенос достигается усложнением структуры ПЗС.

Оптимальным (по отношению сигнал-шум) устройством преобразования зарядовой информации в электрический сигнал является устройство с плавающей диффузионной обла стью (рис. 1.47, а), которая расположена около выходного регистра. При подаче на затвор транзистора 2 сброса импульсного напряжения диффузионные области А и Б смыкаются, об ласть А приобретает положительный потенциал Е и после окончания импульса сброса готова к приёму следующего зарядового пакета. Зарядовый пакет появляется в диффузионной об ласти, уменьшает её потенциал на величину U, что вызывает изменение тока выходного транзистора VT.

Фотопреобразователи на ПЗС делятся на линейные (одномерные) и матричные (дву мерные). В линейных фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии (стро ки) и формируют одномерное изображение объекта.

Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирователь сигнала изображения, образующий двухкоорди натный массив светочувствительных элементов. Из всех способов организации считывания матричных формрователей наиболее предпочтительна организация с кадровым переносом (рис. 1.47, б). Она содержит фотоприёную секцию (секцию накопления) 1, секцию 2 хране ния (памяти), защищенную от света и равную по площади секции 1, секцию 3 переноса заря да (сдвиговый регистр) и выходное устройство 4. Накопленные заряды секции 1 во время об ратного хода по кадру последовательно сдвигаются в секцию 2. Во время прямого хода сле дующего кадра информация построчно передаётся в секцию 3 (во время обратного хода по строке), после чего зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к устройству 4, преобразующему их в сигнал изображения.

а) б) Рис. 1.46. Перемещение зарядовых пакетов в трёхфазном сдвиговом регистре а) б) Рис. 1.47. Преобразование зарядовой информации в электрический сигнал Достоинствами покадрового считывания являются: устранение эффекта смазывания изображения;

простота организации чересстрочной развёртки изображения;

простота и ком пактность расположения ячеек матрицы;

удобство освещения матрицы со стороны подложек, что удваивает квантовую эффективность прибора и обеспечивает более равномерную харак теристику спектральной чувствительности.

Световая характеристика прибора ПЗС является линейной в рабочем диапазоне осве щённостей. Разрешающая способность матричного преобразователя определяется числом элементов накопления. Чрезмерному их увеличению препятствуют технологические трудно сти и ухудшение параметров сигнала из-за неэффективности переноса изображения. Чувст вительность матрицы соизмерима с чувствительностью вакуумных передающих трубок.

2.1.11.4. Камеры черно-белого и цветного телевидения По качественному признаку передающие ТВ камеры подразделяются на бытовые, по лупрофессиональные (камеры видеожурналистики) и профессиональные, по количеству ис пользуемых оптико-электронных преобразователей – на одно-, трёх- и четырёхтрубочные. В бытовых камерах с целью упрощения применяют однотрубочные (одноматричные) преобра зователи.

Структурная схема однотрубочной передающей ТВ камеры содержит (рис. 1.48) систе му 1 автоматического регулирования, привод 2 вариобъектива, объектив 3, цветокодирую щий светофильтр 4, передающую трубку 5, преобразователь 6, систему 7 обработки и коди рования видеосигналов, систему 8 отклонения, систему 9 синхронизации, систему 10 кон троля и индикации, микрофон 11, систему 12 звукового сопровождения и систему 13 пита ния.

Рис. 1.48. Структурная схема передающей телевизионной камеры В бытовых однотрубочных камерах часто применяют специальные передающие трубки 5 на базе видикона (косвитон) и сатикона (сатикон-косвитон) со встроенными в узел мишени полосковыми цветокодирующими светофильтрами 4, либо трубки 5 на базе видикона (три никон) и сатикона (триникон-сатикон) со встроенными светофильтрами 4 на базе индексных методов селекции цветовых сигналов. Снимаемый с трубки 5 электрический сигнал соответ ствует оптически закодированному изображению. Декодирование сигнала и его разделение на цветоделённые видеосигналы U R, U 6 и U B осуществляется в преобразователе 6. Система 7 осуществляет коррекцию искажений видеосигналов, в том числе вносимых оптической системой и оптико-электронным преобразователем, регулировку их параметров, преобразо вание видеосигналов в полный цветовой ТВ сигнал либо в сигналы для записи. Система звукового сопровождения обеспечивает формирование звукового сигнала с использованием установленного на камере микрофона 11 (внешнего микрофона), последующую его обработ ку. Система 10 включает электронный видеоискатель и ряд световых индикаторов.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.