ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

4.1. Датчики ТВ сигнала и их характеристики

Датчики ТВ сигнала преобразуют световую энергию от объекта, попавшую на светочувствительную поверхность датчика, в электрический сигнал для последующей обработки, передачи, хранения и воспроизведения. Яркость (освещенность) оптического изображения зависит от координат x, y и времени t, поэтому преобразователь должен оценивать (измерять) яркость участков изображения в процессе их развертки.

Как уже говорилось (гл. 1), различают два основных типа преобразователей – мгновенного действия и с накоплением. По физике действия они делятся на оптико-механические, электровакуумные и твердотельные.

Оптико-механические (все мгновенного действия) могут быть с бегущим лучом или с «бегущей апертурой» по оптическому изображению (диск Нипкова).

Электровакуумные преобразователи бывают как мгновенного действия, так и с накоплением. Сейчас это основной тип телевизионных преобразователей (анализаторов).

Твердотельные преобразователи представляются наиболее перспективными, особенно для цифровых систем.

Характеристики фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) во многом определяют качество ТВИ. среди характеристик выделим следующие.

Чувствительность – величина, обратная освещенности фоточувствительной поверхности (ФП), необходимой для получения ТВ сигнала с заданным отношением сигнал/шум. Чувствительность оценивают в лк.

Световая характеристика – зависимость тока сигнала ФЭП от освещенности ФП. Из этой зависимости, в частности, виден диапазон, в котором может работать ФЭП.

Спектральная характеристика – зависимость сигнала от длины волны равноинтенсивного излучения, падающего на ФП. Она может выходить за пределы видимого излучения, что бывает полезно для прикладных ТВ систем.

Разрешающая способность – свойство реагировать на мелкие детали оптического изображения. О разрешающей способности можно судить по апертурной характеристике, которая определяет связь между глубиной модуляции сигнала и размерами передаваемых деталей изображения.

Инерционность – запаздывание изменения ТВ сигнала относительно изменения освещенности ФП. Она, в частности, проявляется в виде тянущегося следа и размывания границ движущихся объектов ТВИ. Для этого обычно оценивается величина остаточного сигнала относительно максимального через промежуток времени, равный длительности кадра.

Указанные характеристики и параметры преобразователей не исчерпывают всех показателей. Есть и другие показатели: вес, размеры, стоимость, долговечность, вибростойкость и др., которые хотя здесь и не рассматриваются, но могут играть решающую роль при выборе ФЭП.

4.2. Фотоэлектронные эффекты

Фотоэлектронная эмиссия лежит в основе всех приборов, использующих внешний фотоэффект, когда при облучении светом некоторого материала из него вылетают электроны. На этом принципе работают фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ), передающие ТВ трубки и др. Фоточувствительная поверхность служит фотокатодом. Между катодом и анодом (коллектором) приложено собирающее (и ускоряющее) электрическое поле. Если собираются все электроны (ток насыщения), то работа ФЭП описывается двумя законами:

Законом Эйнштейна, который связывает энергию кванта света (h) с работой выхода е ₀ и кинетической энергией фотоэлектрона с зарядом e и массой m:

Эмиссия происходит при h > е ₀. Если известен потенциал выхода _о, то он определяет длинноволновую (красную) границу фотоэмиссии: .

Законом Столетова, определяющим величину тока фотоэлектронов I_ф=F, где -чувствительность фотокатода , F- световой поток [лм].

Спектральные характеристики фотокатодов зависят от их материалов. Фотокатоды из чистых металлов имеют малую чувствительность. Для многокомпонентных катодов чувствительность значительно выше. На рис. 4.1. приведены две нормированных характеристики фотокатодов:

1 – оксидно-серебряно-цезиевый катод, чувствительностью S = (4070) и максимальным квантовым выходом  1%, (т.е. в среднем на 100 квантов света вылетает 1 электрон)

2 – многощелочной фотокатод, чувствительность которого доходит до 200, а квантовый выход доходит до 35%.

В силу различной чувствительности фотокатода для разных длин волн излучения пользуются понятием интегральной чувствительности фотокатода:

,

где () – функция видности глаза.

В отличие от внешнего фотоэффекта, внутренний фотоэффект не связан с вылетом электронов за пределы обучаемого материала. В качестве материала используются полупроводники, в которых при соблюдении некоторых условий кванты излучения вырывают электроны из атомов. Эти электроны переходят из заполненной зоны в зону проводимости, сильно меняя локальную проводимость материала, а затем рекомбинируют с дырками. Скорость рекомбинации возрастает с увеличением концентрации электронов (и дырок), а скорость их генерации зависит только от освещенности, поэтому скорость рекомбинации «подтягивается» к скорости генерации через некоторое время после изменения уровня освещенности. Таким образом, установившееся значение локальной проводимости зависит от освещенности Е в каждом месте освещаемого полупроводника. Время установления нового значения проводимости зависит от химического состава материала, конструктивных особенностей и величины светового потока. Эти же факторы определяют и величину внутреннего локального фототока: i_ф = KE^,

где К – коэффициент пропорциональности,

 - показатель, зависящий от перечисленных факторов.

Обычно  лежит в диапазоне (0,51,0).

Так же, как и для внешнего фотоэффекта, внутренний фототок зависит от спектрального состава света, начиная с «красной границы» _кр = (h)_кр.

Внутренний фотоэффект имеет большое преимущество по причине высокого квантового выхода, превышающего 100%.

В телевизионных преобразователях обычно используют полупрозрачный фотокатод (независимо от вида фотоэффекта), который имеет толщину от 20 до 40 нм.