Основы телевидения и видеотехники (стр. 20 )

Покажем справедливость приведенного выше выражения для коэффициента мощности шума ФЭУ, исходя из того, что дисперсия первичного фототока (на входе первого динода) определяется формулой для дробового шума , где среднее значение фототока, измеряемое за время τ, за которое образуется среднее число nср электронов, имеющих заряд e, а Fмакс максимальная частота в спектре сигнала, соответствующая длительности выборки τ . При этом квадрат отношения сигнал-шум составит .

Средний ток на выходе первого динода составит i1=σi0. Дисперсия тока на выходе первого динода D1Σ будет состоять суммарно из дисперсии усиленных им в σ раз флуктуаций первичного фототока и дисперсии D1 флуктуаций фототока, создаваемого самим первым динодом. С учетом правила вычисления дисперсий случайной величины, умножаемой на постоянную величину D(σi)=σ2D(i), получим:

.

Таким образом, .

Средний ток на выходе второго динода составит i2=σi1=σ2i0. Дисперсия тока на выходе второго динода D2Σ будет состоять суммарно из дисперсии усиленных им в σ раз флуктуаций тока первого динода и дисперсии D2 флуктуаций фототока, создаваемого самим вторым динодом:

.

Следовательно,

.

Средний ток на выходе третьего динода составит i3=σi2=σ3i0. Дисперсия тока на выходе второго динода D3Σ будет состоять суммарно из дисперсии усиленных им в σ раз флуктуаций тока второго динода и дисперсии D3 флуктуаций фототока, создаваемого самим третьим динодом:

.

Следовательно, .

Аналогичным образом, средний ток на выходе последнего, m-ого динода составит im=σim-1=σmi0. Дисперсия тока на выходе последнего динода DmΣ будет состоять суммарно из дисперсии усиленных им в σ раз флуктуаций тока предпоследнего, (m−1)-ого динода и дисперсии Dm флуктуаций фототока, создаваемого самим последним динодом: .

Полученное выражение преобразуем в виде:

.

Учитывая, что σm+1>>1, имеем:

.

Таким образом, отношение сигнал-шум на выходе ФЭУ составит: .

Соответственно, квадрат отношения сигнал-шум составит:

.

Тогда коэффициент мощности шума ФЭУ , что и требовалось доказать.

Шум МКП и ЭОП

Оценка коэффициента мощности шума вторичной электронной эмиссии и умножения электронов в каналах МКП определяется соотношением , где ε<1 − коэффициент потерь фотоэлектронов на входе в микроканальную пластину, σ>1 − коэффициент вторичной электронной эмиссии, А – коэффициент умножения электронов вторичной эмиссии внутри каналов.

Случайное число фотоэлектронов, попадающих в микроотверстия пластины, характеризуется распределением Бернулли, вторичная электронная эмиссия характеризуется распределением Пуассона, а случайный процесс умножения электронов внутри каналов – распределением Фарри. При А>>1 имеем . Исключив составляющую, характеризующую процесс умножения вторичных электронов в каналах, и считая, что потери фотоэлектронов на входе отсутствуют, имеем Типичное значение FМКП составляет 3÷4 при соответствующих типичных значениях коэффициента вторичной электронной эмиссии σ=10 и коэффициента потерь ε=0,4÷0,3.

Данная оценка коэффициента мощности шума несколько отличается от рассмотренной выше оценки применительно к фотоэлектронному умножителю: . В таблице приведено количественное сравнение указанных выше оценок в диапазоне значений σ=[2÷12].

Рис.12.1. Зависимость коэффициента мощности шума вторичной электронной эмиссии FЭ от коэффициента вторичной электронной эмиссии σ для двух видов оценок

На рис.12.1 приведены графики зависимостей этих оценок от коэффициента вторичной электронной эмиссии. Анализ оценок показывает, что они совпадают с точностью до 0,1 при значениях σ≥8. Следует также отметить, что первая оценка применима только для значений σ >1, в то время как вторая оценка может быть использована и для других процессов, в которых 0<σ≤1.

Оценка коэффициента мощности шума МКП в зависимости от коэффициента σ при типичных значениях ε=0,3−0,4 приведена в табл.12.2 и на рис.12.2, из которых видно, что за стандартную оценку коэффициента мощности шума МКП может быть взято значение FМКП=3−4.

Таблица 12.1

Оценки коэффициента мощности шума вторичной электронной эмиссии

Коэффициент мощности шума вторичной электронной эмиссии, FЭ (раз)
Формула расчета	Коэффициент вторичной электронной эмиссии (σ>1)
2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	1,5	1,33	1,25	1,2	1,17	1,14	1,13	1,11	1,1	1,09	1,08
	2	1,5	1,3	1,25	1,2	1,17	1,14	1,13	1,11	1,1	1,09

Таблица 12.2

Оценка коэффициента мощности шума МКП

Коэффициент мощности шума МКП, FМКП (раз)
Формула расчета к-та шума МКП	Коэффициент вторичной электронной эмиссии (σ>1)
2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	ε=0,3	6,7	5,5	5,0	4,7	4,4	4,3	4,2	4,1	4,0	4,0	4,0
ε=0,4	5,0	4,3	3,8	3,5	3,3	3,2	3,1	3,0	3,0	3,0	3,0

ε

Рис.12.2. Зависимость коэффициента мощности шума МКП FМКП от коэффициента вторичной электронной эмиссии σ для типичных значений коэффициента потерь ε

Коэффициент мощности шума процесса обратного преобразования электронов в фотоны, осуществляемого в ЭОП с использованием люминофора (катодолюминесценции), будем считать равным единице. Тогда общий коэффициент мощности шума ЭОП FЭОП≈FМКП

Как видно из количественной оценки, коэффициент мощности шума ЭОП равен не менее 3,0 при типичных значениях коэффициента вторичной электронной эмиссии σ=10÷12. Соответственно, ЭОП ухудшает отношение сигнал-шум и пороговый контраст не менее, чем в 1,7 раза по отношению к их входному значению.

12.2. Цветные матричные преобразователи «свет – сигнал»

В современных цветных ПЗС-матрицах используется так называемая технология супер-CCD, по которой структура и расположение цветных фильтров выполнены таким образом, что зеленых элементов оказывается в два раза больше, чем красных или синих. При этом цветной пиксель (выделен жирным шрифтом) состоит из четырех субпикселей: двух зеленых, одного красного и одного синего. Такая стандартная для современных цветных ПЗС-матриц структура фильтров называется структурой Байера (рис. 12.3). Она явилась простой и дешевой альтернативой трехматричным видеокамерам. В этих видеокамерах изображение расщепляется призмой на три, каждое из которых, в свою очередь, попадает на одну из трех черно-белых ПЗС-матриц, перед каждой из матриц установлен свой фильтр основного цвета (R, G, B).