§ 4.3. Устройство и принцип действия видикона

К числу ФЭП, использующих внутренний фотоэффект, относятся передающие телевизионные трубки типа видикок и его последующие модификации: плюмбикон, кремннкон и др. В преобразователях этого типа реализовано накопление заряда, в связи с чем они обладают высокой чувствительностью, Наиболее просто принцип формирования сигнала в трубках подобного типа можно проследить на примере видикона.

Рис 4 7. Устройство виднкона (а) и узла его мишени (б)

Идея использования внутреннего фотоэффекта для создания ФЭП была высказана академиком А. А. Чернышевым в 1925 г. Промышленные образцы видиконов, удовлетворяющие высоким требованиям вещательного телевидения, появились в 50-х годах нашего столетия,

Рассмотрим устройство и принцип действия видикона. Основой конструкции виднкона (рис. 4.7, а) является цилиндрическая колба 1. Один из торцов колбы служит входным окном, через которое на полупроводниковую мишень (рис. 4.7, б) проецируется изображение передаваемой сцены, На стеклянную пластину И нанесен тонкий, практически прозрачный для проходящего света слой проводника (оксид олова, оксид индия, золото и др.) — так называемая сигнальная пластина 12, соединенная с кольцевым электродом 13, через который снимается выходной сигнал изображения. Непосредственно на сигнальную пластину наносится светочувствительный слой полупроводника 14, который и является мишенью.

преобразующей падающий световой поток в потенциальный рельеф. Толщина этого слоя составляет 2—4 мкм, а материал — полупроводник с высоким темновым сопротивлением и высокой световой чувствительностью. Наибольшее распространение лолучяли мишени из трехсернистой сурьмы вместе с тем используются мишени из селена, оксида свинца, сернистого кадмия и др. Выбор того или иного полупроводника диктуется прежде всего необходимостью получить заданную спектральную характеристику чувствительности преобразователя. Использование трехсернистой сурьмы позволяет получить спектральные характеристики чувствительности, достаточно близкие кривой относительной видности глаза человека. Следует учитывать, что материал мишени определяет и другие характеристики прибора (инерционность, свет—сигнал и др.). Для формирования коммутирующего электронного пучка 4 используется плоский термокатод 10, модулятор 9, имеющий отрицательный потенциал от 0 до 100 В (все потенциалы намеряются относительно потенциала термокатода) и благодаря этому регулирующий ток пучка. Потенциал первого анода 8 с апертурной диафрагмой, непосредственно формирующей коммутирующий пучок, положительный (+280 В). Второй анод 6 с потенциалом 280—350 В), близким потенциалу первого анода, служит для создания эквипотенциальной области, в которой происходит отклонение электронного пучка. Коллектор 3 имеет мелкоструктурную сетку для образования равномерного отбирающего электрического поля в районе мишени и является коллектором вторичных электронов.

Потенциал сигнальной пластины определяет режим работы прибора. При низких положительных потенциалах — до + 100 В (область на рис. — обеспечивается стабилизация потенциала элементов мишени после коммутации их электронным пучком при близком потенциалу катода. Такой режим работы называется режимом коммутации пучком медленных электронов. При потенциалах сигнальной пластины (см. рис. 4.6) стабилизация потенциала элементов мишени происходит при значениях, близких потенциалу коллектора. Этот режим называется режимом коммутации быстрыми электронами. Большинство приборов работает в первом режиме. Рассмотрим приборы, работающие в режиме коммутации пучком медленных электронов.

Фокусирующая катушка 2 обеспечивает фокусировку коммутирующего пучка в плоскости мишени. Отклонение пучка по вертикали и горизонтали осуществляется двумя парами отклоняющих катушек 5, для чего в них генерируются токи пилообразной формы с частотой полей и строк Для направления коммутирующего пучка параллельно оси трубки используют корректирующие катушки 7.

Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора Л», включенного в цепь сигнальной пластины.

Чтобы понять, как формируется сигнал в видиконе, воспользуемся эквивалентной схемой мишени, приведенной нрис. 4.8. Элемент изображения на мишени формируется коммутирующим

пучком. Проводимостью мишени по ее поверхности в первом приближении можно пренебречь и представить мишень как мозаику из элементарных емкостей , зашунтированных сопротивлениями (проводимость мишени). Емкость С» определяется площадью поперечного сечения коммутирующего пучка, площадью элемента толщиной полупроводникового слоя и диэлектрической постоянной материала полупроводника:

Сопротивление элемента мишени определяется проводимостью полупроводникового слоя в рассматриваемом участке мишени:

Оно зависит от освещенности , рассматриваемого элемента изображения, так как Для большинства полупроводников эта зависимость хорошо описывается соотношением

где — темновая проводимость; а — коэффициент, определяющий чувствительность полупроводника к свету; у — коэффициент, учитывающий нелинейную связь между проводимостью и освещенностью; для большинства полупроводников

Рис. 4.8. Эквивалентная схема светочувствительного слоя видикона

При проецировании изображения на мишень различные ее участки имеют разное сопротивление: распределение освещенностей в плоскости изображения преобразуется в распределение сопротивления в объеме полупроводника.

Мишень заряжается коммутирующим пучком. Заряд каждой емкости С, осуществляется в течение времени коммутации рассматриваемого элемента (при стандартных параметрах разложения ) до значения так как в процессе заряда потенциал на правых обкладках конденсаторов становится близким потенциалу катода см, рис. 4 6). На эквивалентной схеме процедура коммутации представлена замыканием ключа переключателя S. В течение времени коммутации емкость заряжается током, обозначенным на рис. 4.8 буквой 3 (заряд). В течение остального времени (практически в течение времени кадра) емкость разряжается током, протекающим по пути, обозначенному буквой Р (разряд).

Скорость разряда определяется постоянной времени а следовательно, как видно из соотношений (4.15) и (4.16), освещенностью рассматриваемого элемента мишени. При увеличении освещенности постоянная времени уменьшается и емкость за ьрамя кадра разряжается быстрее. Таким образом, рельеф сопротивлений преобразуется в потенциальный рельеф Процесс разряда каждого элемента мишени является процессом накопления. Чем быстрее разряжается емкость тем больший ток заряда во время коммутации протекает по цепи 3, т. е. через лагрузочное сопротивление Именно этот ток и является выходным сигналом изображения. Как видно, в процессе заряда элементов мишени потенциальный рельеф преобразуется в сигнал изображения. Элементу изображения с большей освещенностью соответствует меньшее значение а следовательно, больший потенциал мишени и больший ток заряда (сигнала). При указанном на рис 4.8 направлении тока на выходе виднкона формируется сигнал отрицательной полярности.

Для определения зависимости выходного сигнала видикона от освещенности — характеристики свет — сигнал (характеристики преобразования) — воспользуемся эквивалентной схемой рис. 4.8.

Рассмотрим динамику изменения потенциала отдельного элемента мишени, начиная с момента, когда переключатель 5 замыкается, потенциал После размыкания начинается разряд емкости через сопротивление Изменение потенциала можно описать соотношением

Разряд (накопление) продолжается в течение времени кадра и к моменту следующей коммутации, как видно из (4.17), для освещенного элемента

для неосвещенного

где — сопротивления участков соответственно освещенного и неосвещенного элементов мишени.

Усреднение за время коммутации значения сигналов на нагрузочном сопротивлении для освещенного и неосвещенного элементов соответственно составляет

Полезный сигнал, определяемый как разность сигналов освещенного и неосвещенного элементов, как следует из (4.18) -(4.20),

Из соотношений следует, что . С учетом этого для освещенного и неосвещенного элементов выражение (4.21) принимает вид

где — коэффициенты, определяемые свойствами используемого полупроводника и параметрами ТВС.

Для анализа зависимости (4.22) воспользуемся разложением второго слагаемого в степенной ряд и ограничимся двумя членами этого ряда:

где Соотношение (4.23) связывает сигнал на выходе видикона с освещенностью. Такая зависимость часто называется характеристикой свет — сигнал и она хорошо описывает реальные характеристики видиконов. На рис. 4.9 в качестве примера приведены характеристики свет — сигнал видиконов для режима максимальной чувствительности (кривая I), средней чувствительности (кривая 2) и (кривая 3). Видикон ЛИ426 является универсальным и используется как в вещательном, так и в прикладном телевидении. В этик приборах отклонение коммутирующего лучка электромагнитное, а фокусировка электростатическая; размер изображения на мишени при диаметре колбы 26,7 мм; при освещенности на мишени 1 лк ток сигнала 0,1 мкА; разрешающая способность 600 лин. Остаточный сигнал (инерционность) через 40 мс 45%. Типовая спектральная характеристика видикона приведена на рис. 4.3 (кривая 4).

Рис. 4 9 Характеристики свет — сигнал видиконов

Инерционность видикона. Если освещенность элемента мишени изменяется, то сигнал на выходе передающей трубки соответственно также изменяется, но не сразу; в течение нескольких коммутаций он увеличивается, достигая установившегося значения (инерционность «нарастания»), или уменьшается (инерционность «спада»). Инерционность передающей трубки можно характеризовать кривой, соответствующей нарастанию или спаду относительной амплитуды сигнала.

Допущение об изменении потенциала элемента мишени в течение времени коммутации до потенциала катода практически реализовать не удается. За время коммутации коммутирующий пучок должен приносить на мишень заряд, способный изменить ее потенциал от до 0. Если считать, что за время

накопления потенциал рассматриваемого элемента изменится до значения то должно выполняться условие где — коэффициент, определяющий эффективность коммутации.

Зная параметры реального видикона, можно определить необходимое значение При имеем мкА. В реальных условиях формирования коммутирующего пучка на площади одного элемента разложения удается сконцентрировать поток электронов на порядок меньший. Дальнейшее увеличение тока пучка приводит к его расфокусировке. Этот ток оказывается явно недостаточным для того, чтобы обеспечить понижение потенциала элемента до потенциала катода за время т. Поэтому требуется несколько коммутаций.

В моменты коммутации потенциального рельефа на выходе трубки формируется сигнал, определяемый соответствующим остаточным потенциальным рельефом, т. е. проявляется инерционность спала сигнала. Аналогичный характер имеет механизм нарастания сигнала.

При рассмотрении процесса установления потенциалов элементов в переходном режиме следует учесть и влияние инерционности фотоэффекта. Полная инерционность видикона не является простой суммой составляющих, а более сложным образом зависит от инерционности фотоэффекта и инерционности коммутации Инерционность фотоэффекта увеличивается при уменьшении освещенности. Это приводит к увеличению полной инерционности видикона в условиях малых освещенностей (смазывание изображения).

Отечественные видиконы выпускаются четырех типоразмеров: диаметром 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм. Они предназначены для работы как со стандартными (625 строк, 25 кадров), так и нестандартными параметрами разложения.