Основы телевидения и видеотехники (стр. 13 )

Фотоэлектронное преобразование отражает переход фотонного представления видеоинформации к электронному. Качество фотоэлектронного преобразования характеризуется квантовым выходом η, т. е. отношением числа накопленных фотоэлектронов к числу упавших фотонов.

Освобождение одного фотоэлектрона возникает при поглощении только одного светового кванта (фотона). При внешнем фотоэффекте согласно уравнению Эйнштейна энергия фотона затрачивается на работу выхода P и частично превращается в кинетическую энергию освобожденного электрона: , где h – постоянная Планка, ν – частота излучения, m ‒ масса электрона, Vмакс ‒ его максимальная начальная скорость. Это выражение позволяет объяснить наличие «красной» границы и оценить ее значение. Действительно, если энергии фотона недостаточно на совершение работы выхода, то фотоэффект отсутствует. При получаем . В свою очередь работу выхода можно выразить в электрон-вольтах , где e – заряд электрона, U – величина электрического напряжения. Для ряда материалов имеются справочные таблицы, в которых указана работа выхода в электрон-вольтах.

Таким образом, для внешнего фотоэффекта квантовый выход принципиально не превышает единицы (η˂1). Реальный квантовый выход для внешнего фотоэффекта не превышает значения 0,3.

Для внутреннего фотоэффекта работа выхода равна нулю, поскольку фотоэлектроны не покидают объем фотоэлемента. Происходит лишь переход фотоэлектронов на более высокие энергетические уровни. Поэтому для внутреннего фотоэффекта квантовый выход считается равным единице (η=1).

6.3. Математическая модель звена фотоэлектронного преобразования

Звеном фотоэлектронного преобразования будем считать звено, в котором происходит, как процесс «рождения» фотоэлектронов, так и процесс их накопления в ловушках. Нас интересуют процессы до момента считывания. Кроме того, исключим из этого звена процессы термогенерации, которые можно свести к нулю при сверхнизких температурах.

На практике широко используется подход, согласно которому счет фотоэлектронов и является счетом фотонов. При этом имеется в виду, что полупроводник имеет квантовый выход η≈100%, а изготовленный из этого полупроводника фотоприемник в силу отражения и технологического ограничения фоточувствительной площади обладает, так называемой, квантовой эффективностью а, причем, 0≤a≤1. Считается, например, что стандартный фотоприемник из кремния с внутренним фотоэффектом имеет на λ = 0,7 мкм квантовую эффективность приблизительно a=50–60%, которая падает до 10–20% на границах диапазона спектральной чувствительности λ = 1,0 мкм.

В результате среднее число фотонов N1 равно среднему числу фотоэлектронов N2 с поправкой на величину квантовой эффективности а. При этом исходят также из того, что число фотонов, попадающих в элемент фотоприемника за единицу времени, является случайной величиной, распределенной по закону Пуассона. Таким образом, среднеквадратическое отклонение (СКО) фотонного шума и отношение сигнал-шум для фотонного канала .

Такая модель процесса фотоэлектронного преобразования является детерминированной (рис.6.3), и с электрической точки зрения она может быть сведена к резистивному делителю напряжения с коэффициентом передачи а. Иными словами, множеству X=[X1, X2…Xi…Xn], где Xi – случайное число фотонов, попавших в элемент фотоприемника в единицу времени, однозначно соответствует множество Y=[Y1,Y2…Yi…Yn], где Yi – случайное число фотоэлектронов, образовавшихся в этом элементе фотоприемника, причем, Y1=aX1, Y2=aX2…Yi=aXi…Yn=aXn.

Таким образом, согласно детерминированной модели математическое ожидание и СКО на выходе процесса фотоэлектронного преобразования в диапазоне значений квантовой эффективности 0≤a≤1 равно, соответственно, N2=aN1 и , а отношение сигнал-шум равно . Каскады радиоэлектронного устройства удобно характеризовать коэффициентом мощности шума. Будем считать звено фотоэлектронного преобразования линейным, в котором коэффициент мощности шума соответствует величине . В идеальном (при η=1, a=1) случае . В свою очередь величина порогового контраста К на выходе и входе звена связана через коэффициент мощности шума выражением .

Рис. 6.4. Математическая модель фотоэлектронного преобразования

Детерминированная модель наиболее проста, обладает достаточной точностью. Однако, она явно является упрощением, поскольку далеко не в полной мере отражает реальные процессы в полупроводнике. Тем не менее, рассмотренная модель находится в полном соответствии с практическим выражением для вычисления порогового контраста (контрастной чувствительности), основанным на формуле А. Роуза, в котором учитываются, как параметры оптики, так и параметры фотоприемного устройства:

,

где – пороговое отношение сигнал/шум;

– освещенность объекта, лк;

– коэффициент отражения объекта;

– коэффициент отражения фона;

– относительное отверстие объектива;

– коэффициент пропускания объектива;

– потенциально допустимое ПЗС число фотонов на площади 1 см2 за время 1 с при освещенности 1 лк;

– квантовый выход матрицы ПЗС;

– площадь элемента, см2;

– время накопления матрицы, с.

Практически достигаемые значения К для некоторых размеров элементов фотоприемника приведены в табл. 4.2. Размер 1,5 ´ 1,5 мкм является практически предельным как технологически, так и из-за дифракций на входном зрачке объектива, что ограничивает размер матрицы в пределах до 1 ´ 1 мм при стандартном разрешении 800 ´ 600 элементов.

Таблица 6.2

Пороговый контраст и размер элемента фотоприемника

К, %	d, мкм
0,5	14 ´ 14
2	3,3 ´ 3,3
5	1,5 ´ 1,5

Контрольные вопросы

5.  Каковы ограничения, действующие в фотонном канале?

6.  Каковы основные закономерности фотоэффекта?

7.  Какими параметрами характеризуется фотоприемник?

При составлении лекции использована литература [7, 12, 17, 30].

ЛЕКЦИЯ 7

7.1. Некоторые способы преобразования «свет – сигнал»

Фотоэлектронные умножители

Существуют различные способы получения и усиления слабых фототоков. Один из них основан на вторичной электронной эмиссии и реализован в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Вторичная электронная эмиссия заключается в том, что каждый падающий на поверхность электрон способен выбить из нее несколько вторичных электронов. Процесс характеризуется коэффициентом вторичной электронной эмиссии σ = n2/n1 = i2/i1, где n – соответствующее количество выбитых и падающих электронов, а i – вторичный и первичный токи. ФЭУ содержит несколько каскадов умножения (динодов), каждый из которых имеет коэффициент вторичной электронной эмиссии в пределах от 3 до 10. Число динодов обычно не превышает 16. В результате общий коэффициент усиления ФЭУ составляет К=σm, где m – число динодов. Таким образом, ФЭУ могут усилить фототок в миллионы раз.

Микроканальные пластины

и электронно-оптические преобразователи

Для построения высокочувствительных преобразователей «свет – сигнал» в телевидении используются электронно-оптические преобразователи (ЭОП), называемые также усилителями яркости. Основой ЭОП являются микроканальные пластины (МКП).

Суть работы ЭОП на базе МКП заключается в следующем. Выбитые электроны из фотомишени каждого элемента разгоняются по отдельным туннелям (каналам) до больших энергий. В результате эффекта вторичной электронной эмиссии от соударений электронов со стенками канала образуются электронные лавины, бомбардирующие люминесцентный экран, на котором визуализируется изображение, усиленное по яркости.