Видикон

Общие сведения.Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит А.А. Чернышеву, который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны и технологически освоены малоинерционные полупроводниковые фоточувствительные слои, изменяющие электрическую проводимость под действием падающего светового потока. Это изменение проводимости происходит в результате увеличения энергии отдельных электронов вещества за счет поглощения энергии излучения и нарушения связи этих электронов с ядром своего атома. При этом электроны не покидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости, в результате чего значительно изменяется сопротивление вещества. Возбужденный светом электрон спустя некоторое время рекомбинирует — возвращается в заполненную зону, скорость рекомбинации возрастает по мере увеличения концентрации фотогенерированных электронов. Поскольку скорость генерации носителей постоянна при неизменном потоке излучения, а скорость рекомбинации возрастает, через определенные промежутки времени интенсивность рекомбинации становится равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние, характеризующееся стационарным значением проводимости. При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя некоторое время. Это означает, что нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются процессами инерционными.

Инерционность фотопроводника зависит от его химического состава, конструкции, а также от значения воздействующего на фотопроводник светового потока. Фототок i, обусловленный внешним фотоэффектом, связан с освещенностью Е:

i = kЕ^β,

где k — коэффициент пропорциональности; β — величина, зависящая от химического состава и конструкции фотопроводника, ее значение обычно лежит в пределах 0,5...1.

Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрального состава воздействующего излучения. Энергия светового излучения hv должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной зоны в зону проводимости. Длина волны, при которой начинается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. По мере уменьшения длин волн и соответственно увеличения hv излучение воздействует на все большее число электронов заполненной зоны, и фотоэффект усиливается. Конкретные спектральные характеристики фотопроводящих мишеней определяются свойствами вещества слоя и конструктивными особенностями фотомишени.

Конструкция и принцип действия.Видикон отличается простотой конструкции, небольшими размерами и массой и является высоконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа видикон (рис. 8.1,а) содержат два основных узла: фотомишень и электронный прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень 1 состоит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя представляет собой тонкий проводящий прозрачный слой золота, платины или окиси олова, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной пластины (планшайбы). Прозрачность сигнальной пластины превышает 90 %. Поверхностное сопротивление 200 Ом·см. Выводом сигнальной пластины служит металлическое кольцо, вваренное между планшайбой и колбой трубки. На сигнальную пластину испарением в вакууме нанесен фотослой толщиной 1...3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью, в качестве которого используются соединения сурьмы, селена, мышьяка, серы. Материал, из которого изготовлена мишень, а также его толщина определяют чувствительность, спектральную характеристику и инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характеристик, которыми должен обладать конкретный тип видикона, т.е. от назначения передающей трубки.

Электронно-оптическая система видикона содержит электронный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, помещенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогревного катода 2, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5 анодов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча. Потенциал выравнивающей сетки 6 в 1,5-2 раза превышает напряжение второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей поверхности фотомишени под прямым углом. Это позволяет иметь равномерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на всей поверхности мишени, что является одним из условий получения равномерного сигнала по полю изображения. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории развертывающего луча

 

а) б)

Рис. 8.1. Видикон:

а — устройство трубки; б — эквивалентная схема мишени

осуществляются внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.

Процесс образования сигнала изображения в видиконе может быть пояснен с помощью его эквивалентной схемы (рис. 8.1,б). На этой схеме каждый элементарный участок фотопроводящей мишени представлен в виде емкости С_э, конденсатора, образованного элементами сигнальной пластины и правой стороны мишени. Емкость шунтирована резистором, сопротивление R_э которого изменяется в зависимости от освещенности этого участка. При проекции на мишень трубки оптического изображения распределение освещенности на ее поверхности вызовет соответствующее распределение сопротивлений, т.е. рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф сопротивлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника может быть очень велико (порядка 10¹² Ом·см). При максимальном освещении сопротивление мишени уменьшается примерно в 100 раз.

При «развертке» фотомишени коммутирующим (считывающим) лучом ее поверхность приобретает потенциал, определяемый режимом бомбардировки мишени. Трубка может работать в режиме медленных и быстрых электронов. Чаще используется режим медленных электронов. В режиме развертки медленными электронами потенциал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммутации потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддерживается постоянным, поэтому «под лучом» элементарные конденсаторы С_э заряжаются до напряжения U_сп. При проекции на мишень оптического изображения сопротивления R_эшунтирующие элементарные конденсаторы С_э изменяются, так как R_э = f(Е_э)_: где Е_э— освещенность элементарного участка. При этом наиболее освещенным элементам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наоборот, темным участкам мишени — наибольшее сопротивление. В период между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы С_э разряжаются через резистор R_э с постоянной времени τ_р = C_эR_э. Чем сильнее освещен участок мишени, тем меньше R_э и быстрее разряжается С_э. При этом потенциал обкладок конденсаторов С_э, обращенных к лучу, увеличивается, приближаясь в пределе (в наиболее освещенных участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины. На неосвещенных участках мишени он остается практически равным нулю. Таким образом, на поверхности мишени, обращенной к лучу, создается потенциальный рельеф — распределение потенциалов, соответствующее распределению освещенности по поверхности мишени.

Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохождении (коммутации) участков поверхности мишени электронным лучом, выравнивающим потенциальный рельеф, образовавшийся на правой стороне мишени. При этом на освещенных участках мишени, имеющих более положительный потенциал, осаждается значительная часть электронов. А от неосвещенных участков поверхности мишени, потенциал которых примерно равен нулю, электронный луч, отразившись, возвращается обратно. Выравнивание потенциального рельефа приводит к дозаряду элементарных конденсаторов С_э. Причем ток дозаряда протекает в цепи сигнальной пластины через R_н и С_э в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 8.1,б) и является током сигнала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным участкам мишени будут соответствовать разные токи дозаряда, которые, протекая через R_н, при последовательной коммутации участков мишени электронным лучом, образуют сигнал изображения.

Характеристики видикона.Спектральная характеристика видикона определяется свойствами фотомишени. Имеются видиконы, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям. Спектральные характеристики некоторых типов видиконов изображены на рис. 8.2. Здесь S(λ) — спектральная чувствительность трубки, определяемая как отношение тока сигнала i_с(λ) к его максимальному значению i_с(λ)_max.

Световая характеристика видикона определяется зависимостью фотопроводимости мишени от ее освещенности: R = f(Е) и зарядом элементарного конденсатора С_э. Заряд при прочих равных условиях зависит от напряжения на сигнальной пластине U_сп,в связи с чем световые характеристики видикона обычно приводят для различных значений U_сп (см. рис. 8.3). Приведенные на рис. 8.3 характеристики соответствуют максимальной чувствительности (при U_сп1), средней чувствительности (U_сп2) и минимальной чувствительности, обычно используемой в телекинопроекции (U_сп3). Из рисунка следует, что зависимость i_с = f(Е) для трубки видикон нелинейна, причем нелинейность различна для различных напряжений на сигнальной пластине. В приведенном примере γ изменяется в пределах 0,6...0,8. Световая характеристика видикона мало зависит от характера распределения освещенности на мишени и позволяет обеспечить высокий контраст изображения.

Рис. 8.2. Спектральные характеристики видиконов:

1 — ЛИ-421; 2 — ЛИ-418; 3 — ЛИ-426

 

 

Рис. 8.3. Световые характеристики видикона ЛИ-415 при различных напряжениях на сигнальной пластине (U_сп1 > U_сп2 > U_сп3)

Передача информации о средней яркости. При коммутации мишени медленными электронами видикон воспроизводит информацию о средней яркости изображения, так как уровень сигнала во время обратного хода луча соответствует уровню черного. Действительно, от неосвещенных участков мишени (при темновом сопротивлении элемента R_э.т = ∞) луч возвращается обратно и в цепи сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда электронный луч заперт гасящим импульсом. Практически R_э.т ≠ ∞ и конденсатор С_э при отсутствии света также несколько разряжается. Электронный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и создает темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных мест изображения (уровень черного) несколько отличается от уровня гасящих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряжения на сигнальной пластине и может быть неодинаков для разных участков мишени. Поэтому при выборе режима работы трубки стремятся к обеспечению минимального темнового тока, что увеличивает равномерность ТВ сигнала в целом.

Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме коммутации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее освещенным участкам фотомишени соответствует максимальный ток сигнала, который, протекая по нагрузке R_н (см. рис. 8.1,б), понижает потенциал точки А, с которой снимается сигнал изображения. Значит, увеличению освещенности соответствует уменьшение потенциала точки A, т.е. полярность сигнала отрицательна.

 

 

Рис. 8.4.Апертурная характеристика видикона ЛИ-421

 

Разрешающая способность видикона характеризуется его апертурной характеристикой, которая определяется структурой, размерами и конечным значением поверхностной проводимости фотомишени, а также сечением коммутирующего (считывающего) луча. При создании трубки основная задача состояла в получении наименьшего диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при размере рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения луча не должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Сложность технической реализации этих требований заставила разработчиков на определенном этапе развития техники ТВ передающих приборов для увеличения разрешающей способности видикона увеличивать диаметр его мишени до 40 мм. Дальнейшее совершенствование электронно-оптической системы видикона, установление жестких допусков на изготовление и сборку отдельных деталей и всего электронно-оптического узла в целом решило задачу повышения удельного разрешения трубки. Так, апертурная характеристика одного из видиконов, рекомендованных разработчиками для ТВ вещания (см. рис. 8.4), показывает, что на отметке 600 строк видикон обеспечивает глубину модуляции сигнала изображения 20 %.

Высокое качество изображения обеспечивается при освещенности мишени трубки видикон в пределах 1...10 лк, что соответствует максимальной и средней его чувствительности. Увеличение освещенности фотомишени желательно также для уменьшения инерционности трубки. Инерционность видикона является его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения контраста. Обычно инерционность оценивается отношением (в процентах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения экспозиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектрическую и коммутационную составляющие инерционности.

Фотоэлектрическая составляющая инерционности обусловлена физическими процессами в фотомишени. Она зависит от материала применяемого фотопроводника, количества примеси в нем, технологии изготовления и уровня освещенности. Коммутационная составляющая инерционности обусловлена недостаточным значением тока электронного пучка, в результате чего потенциальный рельеф фотомишени не успевает выравниваться за один цикл развертки. Уменьшить коммутационную составляющую можно только уменьшением емкости С_э элементарного конденсатора, так как увеличение тока луча приводит к ухудшению разрешающей способности трубки вследствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. Инерционность может быть существенно уменьшена при увеличении освещенности мишени.

К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствительность, способность к передаче информации о постоянной составляющей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эффектом перераспределения электронов.

Промышленностью выпускается около тридцати модификаций передающих трубок типа видикон с размерами диаметра колбы: 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм, которые благодаря простоте коммутации, малым габаритам и высоким эксплуатационно-техническим параметрам широко применяются в прикладных телевизионных системах различного назначения, а также используются в ТВ вещании для передачи кинофильмов, где возможность обеспечения высокой освещенности позволяет преодолеть основной недостаток видикона — инерционность.