§ 4.2. Принципы накопления заряда

Низкая световая чувствительность систем мгновенного действия связана с нерациональным использованием энергии входного сигнала (изображения). За время Тк передачи кадра световая энергия, падающая на элемент изображения,

Если изображение в течение времени неподвижно, то световой поток на элемент

Непосредственно в формировании сигнала изображения, как следует из принципа действия диссектора, участвует свет, воздействующий на рассматриваемый элемент изображения в течение времени что меньше в раз.

Рис. 4.4. Обобщенная схема преобразователя изображения

Чтобы использовать для формирования сигнала изображения всю падающую на элемент ФЭП световую энергию, была предложена идея накопления заряда. Принцип преобразования светового изображения в электрический сигнал с использованием накопления заряда рассмотрен в [10]. В качестве накопителя может использоваться мозаичный конденсатор. Одна из обкладок на рис. 4.4) обладает внешним фотоэффектом, другая обкладка (2) является обшей сигнальной пластиной, в цепь которой включен резистор . С помощью объектива 5 непосредственно на накопитель проецируется изображение передаваемой сцены. Под действием света происходит накопление заряда на элементарных емкостях при прохождении в цепи коллектора 3 тока

За время накопления каждая элементарная емкость принимает заряд Если считывание заряда производится путем последовательного разряда элементарных емкостей с помощью коммутатора (например, электронным пучком 4), то в цепи нагрузочного резистора протекает средний ток разряда

Сопоставляя (4.8) и (4.9), видим, что Ток разряда является током сигнала изображения: Таким образом, ток сигнала изображения больше фототока (тока сигнала в системе без накопления заряда) в раз Поскольку число элементов изображения определяется параметрами разложения: увеличение сигнала при переходе к системе с накоплением заряда пропорционально числу элементов разложения или квадрату числа строк. Например, при ток сигнала по сравнению с системой без накопления может возрасти примерно в 500 000 раз.

Для определения выигрыша в чувствительности в системе с накоплением заряда необходимо учесть, что одновременно с увеличением полезного сигнала происходит накопление шумов, вызванных дробовым эффектом фототока.

Как было показано, полезный заряд на элементарном накопителе Для описания статистических свойств потока зарядов, поступающих с фотокатода на мишень, может быть использовано распределение Пуассона. Среднеквадратнческое отклонение накопленного заряда определяется соотношением

Отношение сигнал - шум, определяемое как отношение энергии накопленного заряда к энергии шума, равно

Учитывая, что в системе мгновенного действия время усреднения сигнала равно времени передачи элемента изображения , а в системе с накоплением заряда (время передачи кадра), из соотношения (4.10) имеем

Для определения необходимой освещенности сцены или чувствительности системы с накоплением можно воспользоваться полученным соотношением, из которого следует, что а также выражением (4.3), так как для рассматриваемого случая Тогда

следовательно,

С учетом соотношения (4.12), а также известной связи между освещенностью изображения и передаваемой сцены (4.4) имеем

Чувствительность системы определяется обратной величиной. Сопоставляя соотношение (4.13) с (4.6), определяющим необходимую освещенность в системе без накопления, нетрудно видеть, что при использовании накопления требуемая освещенность сцены снижается в раз и во столько же раз увеличивается чувствительность системы.

При реализации принципа накопления зарядов используются как дискретные накопительные преобразователи (иконоскоп, матричные ФЭП и др.), так и непрерывные (видикон, суперортикон и др ).

Для понимания механизмов накопления и считывания зарядов на мишени передающих трубок необходимо рассмотреть вопросы образования потенциального рельефа мишени, бомбардируемой пучком электронов.

Рис. 4 5. К определению равновесных потенциалов накопителя

Рис. 4.6. Зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии (а) потенциала мишени (б) от скорости первичных электронов

Равновесные потенциалы элементов накопителя. Накопление зарядов в современных ФЭП — передающих трубках с внешним или внутренним фотоэффектом — осуществляется на диэлектрической или полупроводниковой мишени. Весьма важным с этой точки зрения для понимания принципа работы ФЭП является изучение процессов установления равновесных потенциалов на элементах накопителя при бомбардировке их электронами.

Рассмотрим схему экспериментальной установки, приведенную на рис. 4.5. На пути электронного пучка 1, формируемого электрон - ион пушкой 2, установлена диэлектрическая мишень 3. Между источником электронов и коллектором 4 приложено ускоряющее электрическое поле. Характер зависимости коэффициента эффективной вторичной эмиссии от скорости первичных электронов имеет вид, приведенный на рис. 4.6, а; здесь коэффициент вторичной

электронной эмиссии — (отношение тока вторичных электродов к току первичных ). Как видно из рис. 4.6, а, на кривой можно выделить три участка:

Снижение коэффициента истинной электронной эмиссии на начальном участке кривой при понижении — потенциала коллектора связано с уменьшением энергии первичных электронов. Вместе с этим при приближении к 0 начинает сказываться электронно - оптическое отражение первичных электронов, и их доля в общем числе электронов, уходящих с мишени (ток при стремится к 100%. Этим объясняется сложный характер зависимости коэффициента эффективной вторичной эмиссии, отношения общего числа электронов, уходящих с мишени (ток к числу приходящих электронов (ток в начальном участке кривой (сплошная линия на рис. 4.6). Ход истинного коэффициента вторичной эмиссии на участке показан штриховой линией

С увеличением энергия первичных электронов возрастает, что приводит к росту о. Уменьшение о с дальнейшим ростом на участке вызвано увеличением глубины проникновения первичных электронов в толщу мишени и связанным с этим затруднением выхода вторичных электронов.

Определим равновесный потенциал элементов накопителя при бомбардировке его электронами для каждой из указанных областей

1. В области следовательно, число вторичных электронов меньше, чем первичных, и бомбардируемый участок мишени заряжается отрицательно, его потенциал падает. Когда он достигнет потенциала катода электронной пушки, электроны, имеющие нулевую начальную скорость вылета, достигнут мишени и возвратятся обратно, не изменял потенциала поверхности мишени Следонательно, в этом случае, если бы начальная скорость вылета всех электронов Сыла действительна равна нулю, то стационарным потенциалом мишени было бы Однако известно, что эмиссия электронов происходит с некоторой началь ной скоростью (точнее, описывается распределением по начальным скоростям вылета) Энергия этих электронов оказывается достаточной, чтобы преодолеть тормочящее поле мишени и понизить ее потенциал. В результате одновременного лротекания процессов понижения потенциала и утечки электронов вследствие явленнй поверхностной и объемной (полупроводниковая мншеиь) проводимостей устанавливается некоторый равновесный потенциал практически

Таким образом, при любом исходном потенциале коллектора (в пределах при электронной бомбардировке мншенн потенциал ее поверхности стремится к значению

2. В области Число вторичных электронов больше, чем число первичных, и на бомбардируемом участке иншенн устанавливается избыточный положительный потенциал С ростом положительного потенциала соэда ется тормозящее иоле между мишенью и коллектором Когда потенциал мншенн становится выше потенциала коллектора, с мишени уходят лишь те электроны, начальная скорость вылета которых больше нуля. Чем выше потенциал мишени, тем меньшее число вторичных электронов уходит на коллектор и большее число и возвращается на мншень Наконец, когда потенциал мишени станет таким, что на коллектор будет уходить столько электронов, сколько приходит с первичным пучком, потенциал мишени перестанет изменяться и наступит состояние равновесия с равновесным потенциалом где начальная ско рость вылета вторичных электронов, зависящая от материала мишени и составляющая около 3 В.

3. В области следовательно, с мишени уходит больше электронов, чем приходит на нее. Потенциал элемента мишени снижается и достигает значения Дальнейшего понижения потенциала не происходит, поскольку здесь

Таким образом, установлено, что потенциал поверхности изолированной мишени в результате ее бомбардировки стабилизируется при значениях, указанных на рис. 4.6, б.