Твердотельные преобразователи свет-сигнал
Реализуются на приборах с зарядовой связью, а так же на их способности накапливать, хранить и перемещать зарядовые пакеты.
ПЗС формируются на основе МОП конденсаторов, которые представляют собой полупроводник с диэлектрической подложкой. Если, используя полупроводник p-типа, на металлический затвор подать положительный потенциал, то под действием электрического поля основные носителя зарядов устремятся вглубь полупроводника и под затвором образуется потенциальная яма, то есть область, обедняемая основными носителями. Глубина потенциальной ямы будет зависеть от приложенного напряжения, толщины и диэлектрической проницаемости. Если в потенциальную яму поместить зарядовый пакет из неосновных носителей зарядов, то он может храниться достаточно долго. Так как основных носителей зарядов в яме нет, то и рекомбинировать будет не с чем.
Если рядом расположить 2 МОП конденсатора с общей полупроводниковой подложкой и на затворы подавать различное напряжение, то под одним из затворов будет формироваться более глубокая потенциальная яма и зарядовые пакеты. Если после формирования зарядовых пакетов поменять значение потенциалов зарядов, то под вторым затвором сформируется более глубокая потенциальная яма и зарядовый пакет «перетечет» в нее
За счет данной особенности можно осуществить перенос зарядовых пакетов МОП конденсаторов в больших количествах используя прямоугольные импульсы различной амплитуды, что существенно упрощает процесс развертки. Таким образом, при функционировании твердотельных преобразователей свет-сигнал можно выделить два этапа:
— наполнение зарядовых пакетов
— этап их переноса
Разделение этих этапов между собой может быть посредственным или временным.
При временном разделении сначала происходит процесс накопления заряда, после чего механически прекращается доступ к источнику света и происходит процесс переноса заряда. Данный способ применяется при преобразовании статического изображения.
При пространственном разделении используется две отдельные области МОП конденсатора (наполнения и переноса), разделенные между собой металлическим затвором. Сначала происходит процесс наполнения заряда, после чего «открывается» металлический затвор и сформированные зарядовые пакеты перемещаются из области наполнения в область переноса. После чего металлический затвор «закрывается» и в области накапливания происходит накапливание новых зарядовых пакетов, а в области переноса – перенос поступивших туда. Данный способ разделения применяется при формировании подвижных изображений.
Твердотельные преобразователи свет-сигнал делятся на линейные и объемные.
Линейные преобразователи представляют собой МОП конденсаторы, соединенные между собой по одной линии. Данные преобразователи используются в сканерах, камерах, факсах.
Объемные преобразователи представляют собой МОП конденсаторы, соединенные друг с другом в одной плоскости. Они используются в фото- и кинокамерах и других устройствах, в которых применяется электронная развертка. В объемном преобразователе свет-сигнал используется построчный или покадровый перенос зарядовых пакетов.
При построчном переносе, фотомишень преобразователя разбивается на отдельные строки, каждой из которых будет соответствовать своя отдельная область переноса, считывание зарядовых пакетов из которых будет осуществляться последовательно.
При покадровом переносе, фотомишени преобразователя будет соответствовать отдельная область хранения, в которую зарядовые пакеты будут перемещаться, а за тем последовательно считываться.
Твердотельные преобразователи свет-сигнал обладают следующими достоинствами:
— низкая потребляемая мощность
— простая система развертки
— высокая надежность и долговечность.
Благодаря этим достоинствам, на сегодняшний день, в качестве преобразователя свет-сигнал используются твердотельные преобразователи.
Передающие телевизионные трубки (ПТТ)
ПТТ используются в телевизионных камерах в качестве преобразователей свет-сигнал.
Трубки классифицируются на:
— трубки мгновенного действия
— трубки с накоплением зарядов
В трубках мгновенного действия преобразование освещенности отдельного участка изображения осуществляется мгновенно.
В трубках с принципом накопления зарядов преобразование происходит поэтапно: в текущем и последующем кадре.
Трубки, в которой реализован принцип накопления зарядов, получили большое распространение, так как уровень выходного сигнала у них был заметно выше по сравнению с ПТТ мгновенного действия.
Рассмотрим ПТТ типа «Видикон»
Данная трубка состоит из светочувствительной поверхности, электрического прожектора и сигнальной пластины.
Светочувствительная поверхность представляет собой тонкий слой полупроводника, обладающего внутренним фотоэффектом.
Внешняя поверхность полупроводника покрывается тонким слоем, который образует сигнальную пластину. Эта пластина обеспечивает электронный контакт со всеми элементарными участками фотомишени. Выполняется, как правило, из золота или его окиси, обеспечивая прозрачность светового потока не менее 90%.
Электрический прожектор обеспечивает формирование развертывающего элемента (электронного луча) и подачу его на светочувствительную поверхность.
Электрический прожектор состоит из:
— первого и второго анодов
Катод обеспечивает формирование электронного луча. Управляющий электрод обеспечивает предварительную фокусировку и ускорение электронного луча. Первый и второй аноды обеспечивают основную фокусировку и подачу электронного луча на светочувствительную поверхность. Так же между вторым анодом и светочувствительной поверхностью располагают выравнивающую сетку, которая обеспечивает выравнивание электронов по краям светочувствительной поверхности, предотвращая тем самым возникновение ионного пятна по центру изображения.
Перемещение электронного луча и его дополнительную фокусировку обеспечивают фокусирующие и отклоняющие катушки.
Рассмотрим принцип работы ПТТ «Видикон» по эквивалентной принципиальной схеме.
Элементарный участок светочувствительной поверхности будет представлен в виде емкости с параллельным включенным сопротивлением.
Сопротивление будет обозначать фотопроводимость полупроводника, а емкость будет образовываться между сигнальной пластиной и внутренней поверхности фотомишени. Электрический прожектор, развертывающий элемент и отклоняющая система на эквивалентной схеме будут представлены виде электронного коммутатора.
При проецировании на фотомишень происходит распределение освещенности каждого элементарного участка. В результате изменяется сопротивление резисторов фотопроводимости обратно пропорционально освещенности каждого участка. То есть, участку с больше освещенностью будет соответствовать небольшое сопротивление R, а участку с меньшей – большее.
При подключении к развертывающим элементам отдельного участка и цепи протекания тока от источника питания будет заряжаться конденсатор элементарного участка. После прекращения коммутации, конденсатор будет разряжаться через резистор, причем, время разрядки конденсатора будет зависеть от сопротивления фотопроводимости, то есть чем больше сопротивление – тем медленнее будет разряжаться конденсатор и, следовательно, к моменту следующего коммутирования конденсатор будет обладать либо большим, либо меньшим отрицательным потенциалом.
Таким образом, для участка с большей освещенностью спустя кадр потенциалы будут менее отрицательными, а для участков с меньшим – более отрицательным.
Так как коммутация осуществляется электронным лучом, а электроны являются отрицательно зараженными частицами, то в момент коммутации в зависимости от потенциала конденсатора большая или меньшая часть электронов луча будет поступать на светочувствительную поверхность.
Преобразователи сигнал-свет
Предназначены для преобразования электрических сигналов в оптическое излучение, энергия которого будет пропорциональна энергии электрического сигнала. Преобразователи свет-сигнал делятся на 2 типа:
При прямом преобразовании, электрический сигнал непосредственно переходит в оптическое излучение посредством специального вещества (люминофора). Данный способ используется в кинескопах, плазменных панелях, мониторах, видеоконтрольных устройствах и т.д.
При косвенном преобразовании, электрический сигнал управляет световой энергией, поступающей от отдельного источника света. Данный способ применяется в жидкокристаллических устройствах отображения, мультимедийных проекторах и так далее.
Источник
Преобразователи свет- сигнал
Преобразователи оптических изображений в электрические сигналы – датчики ТВ сигнала – преобразуют световую энергию в последовательность электрических сигналов. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать способностью преобразовывать значения яркости отдельных элементов (пикселей) изображения в электрический заряд.
В современных ТВ камерах цифровых фотоаппаратах преобразование свет – сигнал осуществляется матрицами ПЗС или КМОП.
Светочувствительные ПЗС или КМОП – матрица состоит из множества элементов (пикселей) изображения (около – 8-15 мегапикселей и более). При проецировании изображения элементы матриц накапливают электрический заряд, пропорциональный световому потоку. При считывании электрических зарядов (потенциального рельефа) получаем электрический сигнал, который можно передать далее по каналу связи или записать в устройство памяти. Передача сигналов происходит поочередно – элемент за элементом. Число элементов (пикселей) определяет четкость изображения. При цветном изображении ячеек в матрице в 3 раза больше, чем при черно – белой передаче. Здесь 3 ячейки – красная R, зеленая G, синяя B образуют один элемент изображения (пиксель) (рисунок 4.1.). Всего в ТВ растре размещается ZxZxK пикселей, где Z – число строк, а К–формат кадра (К=4/3 или 16/9). Пример: 625х625х4/3=520833 пикселей.
В телевизионной (ТВ) камере в одну секунду передается 25 (или 50) кадров в секунду (как в кино), поэтому при записи устройство хранения информации должно иметь очень большую емкость.
Рисунок 4.1. Горизонтальный сдвиговый регистр считывания.
Структура светочувствительной ПЗС-матрицы
В фотоаппаратах емкость хранения информации намного меньше (8 – 15 ГБ). Это примерно около 1000 – 1500 снимков в зависимости от числа пикселей матрицы. В телевидении при такой емкости можно записать 30-минутную передачу. Современные фотоаппараты по своим возможностям приближаются к видеокамерам – у них есть функция видеосъемки. Видеокамеры и фотоаппараты широко используются при съемках документального кино, сюжетов для видеороликов рекламного и хозяйственного назначения.
Кратко рассмотрим структуру и работу фотоаппаратов и видеокамер.
Дата добавления: 2016-11-04 ; просмотров: 3458 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Лекция 9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТ – СИГНАЛ
В телевидении применяются два типа преобразователей свет – сигнал: электровакуумные передающие телевизионные трубки и твердотельные преобразователи.
Электровакуумные передающие телевизионные трубки можно разделить на два класса: использующие внешний фотоэффект и использующие внутренний фотоэффект. Трубки первого класса (иконоскоп, суперортикон) сегодня не используются, т.к., обеспечивая высокую чувствительность и хорошую четкость, они имеют большие размеры и требуют высоких (до 2. 3 кВ) питающих напряжений. Это особенно неудобно в небольших репортажных камерах и трехтрубочных камерах цветного телевидения.
Классическим представителем трубок с внутренним фотоэффектом является видикон.
  2 9      3 8 6 7        1
+ Е СП + 300 В 4 5 + 150 В 1 – сигнальная пластина – напыленный на дно колбы прозрачный слой металла. 2 – фотопроводящая мишень. В классическом варианте это слой аморфного селена толщиной 3. 5 мкм, имеющий мозаичную структуру. 3 – выравнивающая мелкоструктурная сетка. Ее назначение – обеспечить равномерность электрического поля в районе мишени и собирать вторичные электроны в случае их появления. 4 – второй анод (ускоряющий). 5 – первый анод (фокусирующий). 8 – отклоняющая система. 9 – фокусирующая катушка. Каждую ячейку мозаичной мишени можно представить как параллельное соединение емкости и фоторезистора. Все ячейки одной стороной присоединены к сигнальной пластине, а вторая сторона в процессе развертки коммутируется электронным лучом.
В случае обычного для видикона режима медленных электронов (когда электроны достигают мишени с малой скоростью, так что коэффициент вторичной эмиссии меньше единицы) потенциал правой стороны мишени устанавливается равным потенциалу катода. При изложении принципа действия видикона часто используется методический прием условного разделения во времени основных процессов, протекающих в видиконе: · коммутация электронным лучом всех элементов затемненной мишени, в результате чего все элементарные конденсаторы за интервал времени t к (это время нахождения электронного луча на одной ячейке мозаики) приобретают одинаковый потенциал, приблизительно равный потенциалу сигнальной пластины + Е СП (обычно напряжение Е СП порядка 20. 30 В); · экспонирование мишени светом, в результате чего на ней образуется рельеф сопротивлений; · интервал времени Т К до следующего цикла коммутации (период коммутации, равный периоду кадров), в течение которого рельеф сопротивлений преобразуется в рельеф напряжений (потенциальный рельеф); · второй цикл коммутации, в результате которого за счет протекания тока дозаряда элементарных конденсаторов через внешнее сопротивление нагрузки на этом сопротивлении образуется напряжение видеосигнала (в разных ячейках ток дозаряда разный). Следует понимать, что это лишь методический прием, облегчающий восприятие материала, а на самом деле эти процессы идут по сути одновременно. Достоинствами видикона по сравнению с суперортиконом являются заметно меньшие размеры и питающие напряжения (до 400 В). Диаметры видиконов соответствуют ряду 0,5¢¢, 1¢¢, 1,5¢¢ (13 мм, 27 мм, 38 мм). При этом их длина порядка 100. 200 мм. Трубка в принципе проста по конструкции и надежна. Чувствительность – десятые доли люкса. Световая характеристика линейна до освещенностей мишени порядка 10 лк. Четкость зависит от диаметра и достигает 450. 550 строк. Отношение сигнал / шум хорошее, хотя амплитуда сигнала невелика – единицы милливольт (ток сигнальной пластины порядка 0,1. 0,3 мкА). Главным недостатком видикона является инерционность. Существует две причины или две составляющих инерционности. Фотоэлектрическая составляющая. Дело в том, что явление внутреннего фотоэффекта инерционно по своей природе. Эта компонента уменьшается с ростом освещенности мишени, поэтому видиконы прежде всего нашли применение в телекинопроекции.
Коммутационная составляющая.До сих пор предполагалось, что сопротивление электронного пучка достаточно мало, чтобы обеспечить полный дозаряд элементарных конденсаторов мозаичной мишени до Е СП за время t к . К сожалению, это не так. Поэтому на конденсаторах сохраняется остаточный потенциальный рельеф – след предыдущего кадра (30% и даже больше). Можно уменьшить постоянную времени заряда, увеличив ток луча, но при этом ухудшится фокусировка, т.е. четкость. Можно уменьшить элементарные емкости, увеличив толщину мишени. Но в таком случае уменьшится и постоянная времени разряда, а это приведет к ухудшению линейности световой характеристики (в светлых местах изображения элементарные конденсаторы за время Т К успеют разрядиться полностью). Выход был найден в применении pin — диодной мишени с толщиной слоя i до 15 мкм . При этом одновременно уменьшилась емкость ячейки и увеличилось сопротивление (в том числе темновое – за счет выбора материала), т.к. переход смещается электронным пучком в запирающем направлении. Выпускается несколько разновидностей таких трубок, отличающихся материалом мишени. Если материал мишени – окись свинца (Pb O), название трубки плюмбикон.Если мишень выполнена на основе кремния – кремникон.Если это сплав селен-мышьяк-теллур (Se–As–Te) – сатикон. Все эти трубки имеют такую же конструкцию, как видикон, но имеют заметно меньшую инерционность и лучшую линейность световой характеристики. Последняя разработка в этой области – дефлектрон.Материал мишени этой трубки – селен-мышьяк-теллур. Она имеет электростатическое отклонение луча, причем отклоняющие электроды сложной формы напылены на внутреннюю поверхность колбы. Трубка обеспечивает при диаметре 38 мм четкость до 1200 строк – заметно больше, чем у лучших матриц ПЗС и вдвое больше, чем у обычного плюмбикона. Такие трубки перспективны для применения в студийных передающих камерах. Источник |
