ГЛАВА 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

§ 4.1. Фотоэлектрические преобразователи мгновенного действия

Фотоэлектрический преобразователь предназначен для формирования электрического сигнала, адекватного изображению, спроецированному на его вход. Основными характеристиками ФЭП являются: характеристика преобразования, чувствительность, спектральная характеристика, разрешающая способность. Работа ФЭП описывается и другими характеристиками (инерционности, равномерности передачи уровней яркости, темного поля и др.), которые рассматриваются в каждом конкретном случае использования ФЭП.

Следует также заметить, что характеристики ФЭП в значительной степени могут зависеть от устройств, обеспечивающих его работу (усилителей, развертывающих устройств, оптических узлов и др.), а также от электрического режима ФЭП. Будем рассматривать ФЭП, использующие для преобразования ахроматического или цветного изображения в электрический сигнал развертку: . В гл. 3 было показано, что развертка используется для поочередной передачи информации о яркости и цветности отдельных элементов изображения. Она осуществляется по выбранному (например, линейному) закону со строго установленной скоростью.

В ФЭП мгновенного действия, или ФЭП без накопления зарядов, световой поток воздействует на площадь элемента разложения в течение времени коммутации (времени формирования электрического сигнала, соответствующего рассматриваемому элементу изображения).

Можно выделить две группы ФЭП мгновенного действия: устройства, в которых вся световая энергия концентрируется на одном элементе изображения и затем преобразуется в электрический сигнал — ФЭП с «бегущим световым пучком»;

устройства, на вход которых поступает световой поток, соответствующий всей передаваемой сиене, а формирование элемента изображения происходит путем его пространственного диафрагмирования в оптическом звене (устройства с диском Нипкова) или электронном (диссектор).

ТВС с бегущим световым пучком можно использовать как для преобразования изображения транспаранта (диапозитива, кинокадра и т. д.) в сигнал (рис 4 I. и), так и для регистрации натурных сцен, освещенных бегущим световым пучком (рис 4.1. 6) Бегущий световой пучок образуется электронно - лучевой трубкой, на экране которой формируется телевизионный растр (в первых ТВС для этих целей использовался диск Нипкова). Люминофор с малым послесвечением является источником света в виде

перемещающейся площадки, формирующей элемент разложения. С помощью объектива Об сформированное световое пятно проецируется в плоскость объекта О (транспарант или передаваемая сцена). Световой поток, промодулированный в результате поглощения света транспарантом или отражения объектами передаваемой сцены, регистрируется с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), на выходе которых формируется сигнал изображения Для концентрации светового потока, прошедшего через транспарант, на фотокатоде ФЭУ используется конденсор (К).

Рис. 4.1. ТВС с бегущим световым пучком для транспаранта (а) и натурной сцены (б)

Если пренебречь инерционностью люминофора, то в любой момент времени вся световая энергия концентрируется на одном элементе растра и после взаимодействия с соответствующими участками передаваемого объекта преобразуется в сигнал изображения.

Телевизионные системы с бегущим световым пучком нашли применение для передачи кинофильмов, в том числе и цветных. Одним из преимуществ этих систем является простота.

Диссектор. В ФЭП типа диссектор (англ. dissect — рассекать) на вход поступает световой поток Ф, соответствующий всей передаваемой сцене, и с помощью полупрозрачного фотокатода (ПФ) он преобразуется в электронный поток (электронное изображение), рис. 4.2, а. Конструкция фотокатода, включающего непосредственно полупрозрачный фотокатод I, металлическую (практически прозрачную для света) подложку 2 и стеклянную планшайбу 3, показана на рис. 4.2, б. С помощью магнитного и электрического полей, создаваемых фокусирующей катушкой (ФК) и ускоряющим электродом (УЭ), изображение фокусируется в плоскости диафрагмы (Д). Отверстие диафрагмы является апертурой, формирующей элемент изображения. Поток электронов, прошедший через отверстие диафрагмы, попадает на вход вторично - электронного умножителя (ВЭУ), на выходе которого формируется сигнал изображения Развертка изображения в диссекторе осуществляется путем отклонения всего электронного изображения относительно отверстия диафрагмы. Для этих целей используется магнитное отклонение, реализуемое с помощью двух пар магнитных отклоняющих катушек (ОК). Таким образом, через отверстие диафрагмы последовательно, элемент за элементом, проходят электроны, соответствующие различным участкам передаваемой сцены.

Видно, что в формировании сигнала изображения на нагрузочном сопротивлении в любой момент времени принимает участие лишь часть число элементов разложения) электронного потока с фотокатода, а следовательно, часть светового потока, поступающего на вход ФЭП. Большая часть светового потока в формировании сигнала изображения участия не принимает. Этим объясняется низкая чувствительность диссектора.

Рис. 4.2. Устройство диссектора

Определим световую чувствительность ТВС с диссектором как величину, обратную освещенности передаваемого объекта необходимой для формирования на выходе сигнала изображения — тока с заданным отношением сигнал - шум Отношение сигнал - шум на входе вторично - электронного умножителя или в фототоке отнесенном к одному элементу изображения, определяется дробовым эффектом фотоэлектронной эмиссии:

со среднеквадратическим значением флуктуаций фототока

где — заряд электрона; — эффективная полоса частот сигнала изображения. Из (4 1) и (4.2) следует

Фототок с элемента изображения, освешенность которого равна средней освещенности фотокатода для рассматриваемой сцены, где — среднее значение фототока со всей поверхности фотокатода; — число элементов изображения.

Учитывая, что а также используя связь между освещенностью изображения и освещенностью передаваемого объекта

(здесь - чувствительность фотокатода; плошадь фотокатода; среднее значение освещенности изображения на фотокатоде; имеем

где — среднее значение коэффициента отражения в передаваемой сцене; — прозрачность объектива; О — относительное отверстие объектива; — коэффициент увеличения оптической системы (при передаче удаленных объектов

Подставляя (4.5) в (4.3) и решая полученное уравнение относительно нетрудно получить

Известно, что при прохождении сигнала через к нему добавляются шумы динодов умножителя. Это приводит к снижению отношения сигнал - шум, которое определяется коэффициентом вторично - электронной эмиссии динодов умножителя:

Соотношение (4.6) может быть преобразовано:

Соотношение (4.7) может быть использовано для определения как чувствительности системы с диссектором, так и освещенности, необходимой для формирования на выходе диссектора сигнала с заданным отношением сигнал - шум

Пример. Параметры ТВС соответствуют вещательному стандарту: (активное число строк), Гц; используется объектив с диссектор имеет следующие характеристики: объектив сфокусирован на удаленные объекты заданное отношение сигнал - шум

Используя приведенные данные и соотношение (4.7), можно определить, что Этот расчет показывает, что диссектор непригоден для работы в реальных условиях передачи (например, максимальная освещенность в солнечный день на открытой местности ниже требуемой более чем в 10 раз). Как видно из соотношения (4.7), чувствительность диссектора существенно возрастает при уменьшении числа строк или снижении скорости передачи изображения. Например, при чувствительность возрастает по сравнению с данными приведенного расчета в 2000 раз.

Рис. 4.3. Спектральные характеристики фотокатодов (1—3) и ФЭП (4-6)

Характеристика преобразования диссектора линейна во всем рабочем диапазоне. Его спектральная характеристика определяется

типом используемого фотокатода. Спектральные характеристики некоторых типов фотокатодов (1 — кислородно - цезиевый; 2 — сурьмяно - цезиевый; 3— многощелочной) приведены на рис. 4.3.

Разрешающая способность диссектора не менее 600 лин., а в малокадровом режиме — не менее 3000 лин.