Многосигнальные видиконы

4.7. Многосигнальные видиконы

На базе рассмотренных преобразователей строятся не только системы черно-белого, но и цветного телевидения – путем использования трех или четырех преобразователей – как это будет показано позже. В этом случае к преобразователям предъявляются очень жесткие требования по идентичности характеристик свет-сигнал, геометрических искажений, инерционности и др. Естественно также, что трех – или четырех трубочные передающие цветные телевизионные камеры имеют большие габариты, массу, стоимость.

Поэтому понятно стремление к созданию многосигнального видикона, который может осуществлять пространственное разделение светового потока на фоточувствительной поверхности преобразователя.

Рассмотрим принцип действия одного из трехсигнальных видиконов (рис. 4.18). Здесь сигнальная пластина образована тремя группами полосковых электродов 2, нанесенных на соответствующие светофильтры 3. Спектральные характеристики полосковых фильтров приведены на рис. 4.19. Фильтры нанесены на стеклянную пластину (планшайбу) 1.

Образование потенциального рельефа на мишени 4, обладающей внутренним фотоэффектом, происходит как в обычном видиконе. Все электроды «одного цвета» соединяются и на трех выходах трубки формируются три цветоделенных сигнала.

Полосковые светофильтры и сигнальные пластины располагаются перпендикулярно строчной развертке. В одном из таких видиконов использовалось 870 электродов (290 «троек») на строку изображения, расположенных с шагом 17,5 мкм.

Подобный прибор не нашел практического применения, что связано с паразитными емкостными связями между разносигнальными электродами, а также значительными оптическими связями в светоделительном узле. Все это в совокупности снижает качество цветного изображения.

Дальнейшие идеи в развитии многосигнального видикона заключается в кодировании оптически цветоделенных изображений. Используется метод частотного или импульсного (фазового) кодирования. На выходе преобразователя формируется один сигнал, а информация о цветоделенных изображениях разнесена по различным частотным диапазонам выходного сигнала или закодирована в его фазе.

Рассмотрим систему с частотным кодированием (две поднесущих частоты). Оптический кодирующий фильтр устанавливается в плоскости изображения и представляет собой систему наложенных друг на друга полосковых светофильтров, перекрещенных под углом 45 (рис. 4.20). Один из этих фильтров 2 – голубые полоски, а вертикальные полоски 3 – желтого цвета. Наложение полосок 2 и 3 дает участки зеленого цвета. Прозрачные места фильтра обозначены цифрой 1. Таким образом, там, где находится голубая полоска, не пропускается красная часть спектра, а под желтую полоску не проходит синяя часть светового потока.

Частотный спектр выходного сигнала при обходе мишени считывающим лучом состоит из двух поднесущих, определяемых пространственными частотами желтой и голубых масок. Число полосок фильтров на мишень выбирается таким, чтобы спектр сигнала поперек желтых полос был до 5 МГц. Этот сигнал  5 МГц содержит информацию об интенсивности «красного края» изображения, а голубой фильтр, из-за большей своей протяженности в направлении сканирования, даст частоту в раз меньше, т.е. МГц. Прозрачные участки фильтра позволяют формировать сигнал яркости изображения. Тогда весь формируемый сигнал будет представлять собой сумму трех компонент, каждая из которых может быть выделена с помощью частотных фильтров (рис. 4.21).

Более эффективно используется частотный диапазон формируемого сигнала в системе с частотно-фазовым кодированием. Здесь информация о красном и синем цветоделенном изображении передается в одном и том же частотном диапазоне – на краю спектра сигнала. За счет этого расширяется полоса частот для яркостного сигнала, что улучшает четкость изображения. Поднесущая синего и красного выбирается несколько ниже, чем «синий» сигнал в предыдущем случае, но выше, чем для «красного». Это, в свою очередь, снижает требования к фокусировке считывающего луча.

Поднесущие при считывании будут одинаковыми по частоте, которая определяется шагом полосок и углом их наклона. Для углов, показанных на рис. 4.22, сигналы приведены на рис. 4.23.

Шаг и наклон полосковых фильтров выбирается так, чтобы обеспечивался 180 - сдвиг фаз красной и синей составляющей сигнала, что облегчает их последующее разделение.

Такой способ кодирования позволяет получать спектр сигнала яркости до 3,6 МГц. Есть и другие способы кодирования, например, кодоимпульсный.

4.8. Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

Это безвакуумный твердотельный фотоэлектрический преобразователь изображения.

В основе лежат свойства структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структура), которая может собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты в локализованных потенциальных ямах, образующихся в поверхностном слое полупроводника.

Зарядовые пакеты (порции) возникают под действием светового излучения, а переносятся путем управляемого перемещения с помощью уничтожения старых и создания новых потенциальных ям, куда перетекают заряды. Т.е. ПЗС – это аналоговый сдвиговый регистр, который переносит поочередно отдельные заряды из ям на выход, так что заряды проходят все ячейки от места своего первоначального расположения (зарождения) до выходной ячейки. Ячейка ПЗС приведена на рис. 4.23.

Если есть положительный потенциал, то основные носители (дырки) отойдут вглубь подложки, так что под металлическим электродом образуется область, обедненная основными носителями – потенциальная яма, глубина которой зависит от U, степени легирования полупроводника, толщины окисла.

Время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом ее заполнения за счет термогенерации пар «дырка-электрон», электроны которых в качестве неосновных носителей попадают в яму. Время заполнения ямы за счет термогенерации называется временем релаксации. Понятно, что время хранения заряда в яме должно быть меньше этого времени.

Заряд в ПЗС вводится либо электрически, либо излучением. Появляются неосновные носители (т.е. полезный сигнал), количество которых пропорционально освещенности и времени экспозиции.

Направленная передача заряда возможна при условии перекрытия отдельных обедненных областей, так чтобы можно было соединить потенциальные ямы. Заряд будет перетекать туда, где потенциальная яма глубже (рис. 4.24). Пример реализации сдвигового МОП-регистра (трехтактного) показан на рис. 4.25. Каждый электрод линейки подключен к одной из трех тактовых шин с фазами Ф₁, Ф₂, Ф₃, напряжение на которых меняется во времени.

Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на одномерные (линейные) и двумерные (матричные). Линейные преобразователи, формирующие строку, обычно используются для контроля за технологическими процессами, анализа состояния и измерения объектов и т.п.

Двухкоординатная матрица является твердотельным аналогом передающей трубки. Для организации считывания в настоящее время наиболее удобным признается считывание с кадровым переносом (рис. 4.26), где 1 – секция накопления (фотоприемная секция), 2 – секция хранения (памяти). Выход 3 – секция переноса заряда (сдвиговый регистр). Накопленные в секции 1 заряды во время обратного хода кадра переносятся в секцию 2 – секцию памяти, поэтому в такой телевизионной системе передается предыдущий кадр изображения. Для этого во время обратного хода строки в секцию переноса 3 сносятся заряды очередной строки, а во время прямого хода они выносятся из матрицы как бы считывающей строкой.

При такой организации считывания нет смазывания изображения, т.к. считывание идет по неменяющейся картинке. Достаточно просто здесь организовать также чересстрочную развертку.

Промышленность серийно выпускает ПЗС с числом элементов 288232 (144232 элементов накопления и 144232 элементов хранения, а также 235 элементов сдвигового регистра). Есть еще дополнительный компенсационный регистр, на котором компенсируются помехи от таковых импульсов.

Существенно, что число переносов зарядов к выходному элементу зависит от места расположения элемента в кадре – оно максимально для 1-го элемента верхней строки и минимально для последнего элемента нижней строки. Если используется трехтактная схема переноса, то максимальное число переносов n_max=23z+3n. Заряды переносятся неполностью – часть зарядов теряется в ловушках, кроме того, часть зарядов не успеет перенестись полностью и подойдет только со следующим зарядом. Появляется фактор, который называется неэффективностью переноса заряда  – та часть заряда, которая отстала на 1 перенос. Умножив  на n_max, получаем результирующую неэффективность: n_max. Считается удовлетворительным, если  = (10^-410^-5). Тогда суммарная эффективность =1-n. Если  = 10^-4 и n = 1569,  = 84%. Т.е. последовательный перенос тормозит рост матрицы, тем более, что неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего столбца или строки.

Световая характеристика ПЗС линейна в диапазоне (0-8) лк, а разрешающая способность определяется числом элементов ПЗС-матрицы.

92