Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 31 )

Если размер ПЗС-матрицы меньше размера экрана ЭОП, при использовании ГМП происходит уменьшение масштаба изображения, что снижает разрешающую способность системы, но улучшает качество изображения за счет уменьшения шумов экрана.

Одним из недостатков таких ГМП является увеличение продольных габаритов системы.

В ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург) для стыковки с различными ЭОП разработаны охлаждаемые до –30…-350С ПЗС-матрицы формата 768 х 580 с размерами пикселов 27 х 27 мкм и входным окном в виде ВОЭ с разрешением 50 штр/мм и коэффициентом передачи контраста 0,75. Масса модуля – 1320 г, габаритные размеры – Ǿ72 х 23мм.

Более просты конструкции систем, в которых ПЗС или МПИ встроены в ЭОП, заменяя собой экран-анод, т. е. здесь поток усиленных и сфокусированных электронов бомбардирует непосредственно чувствительный слой МПИ со стороны утонченной подложки. В таких конструкциях меньше потери мощности сигнала, больше отношение сигнал-шум и динамический диапазон принимаемых сигналов, меньше габариты и масса. Нужно отметить, что несмотря на высокую чувствительность разрешающая способность систем с ГМП хуже, чем у обычных телевизионных трубок, что объясняется вводом в оптический тракт дополнительных элементов, прежде всего ЭОП. Кроме того, введение в состав системы ЭОП ухудшает ее помехоустойчивость по отношению к внешним световым помехам и удорожает систему.

Хотя большинство известных устройств подобного рода предназначено для работы в видимой области спектра, создание новых фотокатодов с достаточно большой чувствительностью в ИК-диапазоне позволяет надеяться на успешное использование принципа сопряжения ЭОП и усилителей яркости изображения с МПИ в разнообразных ОЭС «смотрящего» типа.

Еще одним перспективным направлением развитием ЭОП является создание цветных преобразователей и усилителей яркости изображений [19].

5.10.  Передающие телевизионные трубки

Большинство передающих телевизионных электровакуумных трубок (TV-трубки) и систем на их основе работает в видимом диапазоне спектра, в том числе и системы низкоуровневого телевидения (НУТ), используемые при очень малых освещенностях наблюдаемой сцены. То же самое можно сказать и о системах, использующих твердотельные МПИ, прежде всего ПЗС-матрицы (системы твердотельного телевидения). Для очувствления телевизионных систем в ИК-области спектра создаются специальные передающие трубки, фотокатоды которых работают в этой области (в большинстве своем – в ближней ИК-области), а также гибридно-модульные преобразователи изображения (см.§5.8).

Телевизионные системы в последнее время стали применять при использовании активно-импульсного режима работы, осуществляемого с помощью лазеров и лазерных светодиодов. Однако, в силу ограниченности спектрального диапазона фотоприемных устройств, используемых в электровакуумных и твердотельных телевизионных системах, граничные длины волн lгр их рабочего спектрального диапазона близки к длине волны излучения 1,57 мкм, безопасной для зрения и воспринимаемой недавно появившимися фотокатодами с lгр » 1,7 мкм.

Поскольку область спектральной чувствительности TV-трубок, в которых используются фотоэмиссионные катоды (трубок с внешним фотоэффектом), ограничена l = 1,3… 1,4 мкм, а квантовый выход фотокатодов мал, больший интерес для многих ОЭП представляют трубки, в которых используются мишени на основе внутреннего фотоэффекта. Наиболее распространенными трубками этого типа являются видиконы.

Принцип работы видикона иллюстрирует рис. 5.16. Мишень видикона представляет собой тонкий слой фотопроводника, нанесенного на проводящую подложку. Удельное сопротивление фотопроводника подбирается так, чтобы создаваемый на мишени потенциальный рельеф накапливался в течение всего времени кадра. Объектив 1 строит изображение на полупроводниковом фотослое 2, нанесенном на прозрачную подложку. С обратной стороны фотослой сканируется электронным лучом, создаваемым электронным прожектором, состоящим из катода 6 и управляющего электрода 5. Для фокусировки и отклонения луча служат электростатическая 4 и магнитная 3 системы. Пучок электронов, сканируя фотослой, заряжает его, приводя потенциал каждого элемента фотослоя к потенциалу катода Uп. За время Тк просмотра лучом всего кадра потенциал каждого элемента повышается, стремясь достигнуть значения Uп. Чем больше освещенность какого-либо элемента фотослоя, тем меньше его сопротивление и тем больше изменяется его потенциал за время накопления Тк, т. е. компенсация изменения заряда осуществляется бóльшим числом электронов, стекающих через резистор нагрузки Rн и образующих выходной видеосигнал Uв.

Рис. 5.16. Схема видикона

Материал и структура фотоприемного слоя видиконов могут быть различными. Дискретная структура из кремниевых фотодиодов применяется в кремниконах; сплошная на базе соединений свинца (фоторезисторных слоев) – в плюмбиконах; пироэлектрический чувствительный слой – в пириконах и т. д.

В отдельную группу систем с накоплением выделяют трубки с накоплением, в которых используется внешний фотоэлектрический эффект – суперортиконы, изоконы, секоны и др. [9]. Их чувствительность выше, чем у видиконов и других полупроводниковых устройств, однако диапазон спектральной чувствительности ограничен видимой и ближней ИК областями спектра.

Большинство видиконов работает в видимой области спектра, однако ряд таких трубок чувствителен и к ИК-излучению. Снижения темнового тока в этих трубках удается достичь только путем их охлаждения, что весьма усложняет и удорожает конструкцию систем на их основе.

Передающая ЭЛТ с кремниевой мишенью (кремникон ЛИ479) разработана и выпускается ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург). Трубка имеет диаметр мишени 26,2 мм; ее длина составляет 132 мм. Больший диапазон спектральной чувствительности (0,4…2,0 мкм) имеет видикон ЛИ474, у которого темновой ток не превышает 100 нА. Габаритные размеры ЛИ474 те же, что у ЛИ479.

Принципиальными недостатками видиконов и систем на их основе являются невозможность выделять слабо нагретые объекты на фонах с высоким уровнем излучения в среднем и особенно длинноволновом ИК-диапазонах спектра, т. е. на большинстве наземных фонов, где излучение насыщает мишень, а также трудность обеспечить высокую однородность чувствительности по площади мишени. По этим причинам видиконы используются преимущественно при наблюдении сильно нагретых объектов или в условиях очень слабо излучающих фонов, например, космических.

Особенностью фотоэлектронных сканирующих систем с накоплением является необходимость опроса каждого элемента чувствительного слоя через одно и то же время. Это создает одинаковые условия накопления сигнала для любой точки плоскости изображений. Такое ограничение не позволяет применять произвольную траекторию развертки, она в этих системах чаще всего бывает строчной. От этого недостатка свободны сканирующие устройства на базе диссекторов.

Диссектор представляет собой электровакуумное устройство – передающую телевизионную трубку, состоящую из двух секций: переноса изображения и электронного умножения (рис. 5.17). Эмиттируемые под действием падающего на фотокатод 1 потока излучения электроны ускоряются электрическим полем в направлении анода - диафрагмы 4. Фокусирующая система 2 переносит электронное изображение в плоскость диафрагмы 4. С помощью двух пар отклоняющих катушек 3, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля, осуществляется перенос электронного изображения по произвольной траектории в плоскость 4. Этот перенос, т. е. развертка изображения, может быть круговым, строчным и т. п. Электроны, прошедшие через отверстие в диафрагме 4, попадают на электронный умножитель 5, с выхода которого снимается видеосигнал Uв.

Рис. 5.17. Схема диссектора

К основным достоинствам диссектора относятся высокое быстродействие, возможность получения произвольной траектории развертки, простота конструкции, а к основным недостаткам – невысокая чувствительность, обусловленная отсутствием накопления зарядов за период сканирования.

Из отечественных диссекторов можно отметить ЛИ608 и ЛИ608-1, имеющие серебряно-кислородно-цезивые фотокатоды. Темновой ток этих диссекторов составляет 5∙10-7 А (максимальный). Разрешающая способность этих трубок составляет 125 лин/мм в центре поля.

В последние десятилетия наблюдается бурный рост телевизионных твердотельных систем, основу которых составляют фото-ПЗС, чувствительные в УФ, видимом и ближнем ИК-диапазонах (обычно, до lгр = 1,1 мкм). Высокое разрешение (размеры пикселов - отдельных чувствительных элементов МПИ менее 10 мкм); большие форматы (756 х 581, 756 х 473, 658х496 и др.); возможность непрерывного управления экспонированием (от 1/60 до 1/50000 с); хорошая однородность чувствительности отдельных пикселов; большее, чем в электронно-лучевых трубках, отношение сигнал-шум, что улучшает качество изображения при низких контрастах; большой динамический диапазон сигналов; возможности изменять режим считывания практически в реальном масштабе времени; малые габариты, массы и энергопотребление; высокая надежность и длительное время наработки на отказ; наконец, сравнительно низкая стоимость и большая номенклатура выпускаемых промышленностью этих изделий, а также ряд других свойств этих систем обеспечили им широкое распространение в самых различных областях науки, гражданской и военной техники, промышленности, медицине и биологии и мн. др.

В настоящее время в ближнем ИК-диапазоне используются преимущественно телевизионные системы на базе ГМП (см. § 5.8), способные работать в большом диапазоне освещенностей на входе (от 5∙105 до 10-7 лк) и имеющие разрешающую способность от 300 до 600 телевизионных линий при отношении сигнал/шум до 50 дБ.

Контрольные вопросы

1. Дайте сравнительную характеристику фотоэлектрических и тепловых ПИ.

2. Зависит ли чувствительность ПИ от параметров цепи его включения?