Телевизионные передающие трубки

Описание

↑ Введение

Сначала остановимся на существенном различии, которое существует между зрительным процессом человека и работой эквивалентной электронной передающей трубки. Все элементы сетчатки одновременно передают оптическую информацию в мозг;, элементы в передающей трубке сканируются последовательно с достаточно высокой скоростью, так что глаз воспринимает их одновременно. В принципе можно сконструировать передающую трубку таким образом, чтобы ее элементы одновременно передавали информацию приемнику, но такая система получилась бы громоздкой по сравнению с обычными сканирующими системами. Однако не следует ожидать фундаментального различия в чувствительности между системой с одновременной передачей информации и соответствующей сканирующей системой. Процесс сканирования лишь создает свои собственные технические проблемы, не накладывая принципиальных ограничений на характеристики системы.

Первые телевизионные передающие трубки, разработанные в 30-х годах нашего столетия, лучше всего работали при дневном солнечном освещении. Современные передающие трубки надежно функционируют при освещении, создаваемом полной луной, что означает различие в яркости объектов и, следовательно, в чувствительности передающих трубок на шесть порядков. Это отношение хорошо согласуется с отношением чувствительностей, соответствующих работе трубки в идеальном режиме с полным электрическим накоплением (и без него) световых сигналов, когда ограничения обусловлены лишь фотонным шумом. Так, например, в первом диссекторе Фарнсворта свет использовался только в течение экспозиции одного элемента картины. Это означает, что для: картины, состоящей из 10⁵ элементов, свет использовался лишь в течение 10^-5 части от полного времени. Современные передающие трубки накапливают информацию, даваемую светом в течение всего времени экспозиции, и, следовательно, доля использования ими света возросла до 1 по сравнению с величиной 10^-5 у первых трубок типа диссектора.

В настоящей главе мы| рассмотрим ряд передающих трубок, особенно подчеркивая при этом, как в результате непрерывных поисков и улучшения технологии были созданы совершенные современные передающие трубки с полным накоплением, обладающие способностью считать отдельные фотоны.

↑ Сканирующие диски и диссекторы

Одна из первых телевизионных систем (рис. 17) включала линзу, которая фокусировала изображение передаваемого объекта на поверхность вращающегося диска с отверстиями.

Эти отверстия располагались таким образом, что при вращении диска осуществлялась развертка объекта в серию горизонтальных линий. Свет, проходящий через отверстия, направлялся на фотоэлемент, ток которого был пропорционален яркости последовательно освещаемых элементов картины. Ток фотоэлемента усиливался и передавался по проводам или по радио к приемнику, где с его помощью модулировалась яркость лампы. Для того чтобы изображение лампы на экране двигалось синхронно с движением отверстия на передающем сканирующем диске, использовались различные механические устройства. В результате исходное изображение реконструировалось и тем самым демонстрировался основной принцип действия телевизионной системы.

Чувствительность такой системы была ограниченна и в лучшем случае составляла малую долю чувствительности системы с полным накоплением. Это устройство, называемое диссектором, в каждый момент времени передавало информацию, проходящую через одно из малых отверстий, и не использовало остальную информацию. Размер отверстия определял размер элемента изображения. Следовательно, для передачи изображения, состоящего из 10⁵ элементов, в каждый момент времени использовалась лишь 10^-5 доля света.

Фарнсворт усовершенствовал этот вариант диссектора, применив электрическую развертку электронного изображения передаваемого объекта, смещая его относительно малого отверстия (рис. 18).

Электроны, прошедшее через отверстие, попадали на установленный за ним электронный умножитель. Электрическое сканирование позволяло относительно легко осуществить развертку с высоким разрешением. Применение электронного умножителя гарантировало, что работа устройства будет ограничена только шумом, связанным с фотоэлектронами, эмитируемыми фотокатодом, на котором сфокусировано изображение. Если обозначить квантовую эффективность фотокатода через ?, то квантовая эффективность системы диссектора будет равна ?/N, где N — число элементов в одном изображении.?

Диссектор, работающий при ярком дневном освещении 10 ламб), в случае использования линз с относительным отверстием D/f =1:2 и фотокатода с квантовой эффективностью 10% должен был давать изображение, для которого (при разрешающей способности 400 линий и времени накопления информации глазом 0,3 с) отношение сигнал/шум составляет примерно 100. Это изображение хорошего качества.

↑ Иконоскоп

Дальнейшее существенное развитие принцип передачи изображения получил в иконоскопе, созданном Зворыкиным (рис. 19).

Здесь изображение фокусировалось на изолирующую поверхность фотоэмиттера, или мишень, так что номинально в течение всего времени свет воспринимался полностью. Для сканирования мишени использовался тонкий пучок электронов с энергией примерно 1000 эВ. Падая на мишень, эти электроны выбивали из нее вторичные электроны с малой энергией. Выход вторичных низкоэнергетических электронов модулировался электрическими потенциалами, индуцируемыми светом в каждом элементе изображения. Модулированный ток вторичных электронов через сигнальную пластину поступал на первый каскад усилителя как видеосигнал.

Простое добавление накопляющего элемента в конструкцию диссектора, работающего без накопления,?должно было бы увеличить чувствительность последнего примерно в 10⁵ раз, что в принципе дало бы идеальную телевизионную трубку. Однако чувствительность оказалась лишь в 10 раз выше чувствительности диссектора. Увеличения в 10⁵ раз не удалось достигнуть главным образом потому, что в иконоскопе видеосигнал усиливался с помощью обычного вакуумного триода, а не электронного умножителя. Вакуумный триод вносил свой собственный шум, уровень которого в 100—1000 раз превосходит уровень шума электронного умножителя. Более того, шум такого усилителя был постоянным, не зависящим от уровня сигнала, тогда как в умножителе шумовые токи снижаются при уменьшении сигнала.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Иконоскоп обладал и другими недостатками, которые также ограничивали его чувствительность. Собирание в нем фотоэлектронов было неэффективным, а перераспределение по мишени вторичных электронов, создаваемых пучком, еще больше уменьшало эффективность превращения накопленного видеозаряда в видеосигнал. Это перераспределение создавало также значительный фоновый сигнал, вследствие чего вокруг изображения даже в темноте возникал ореол, и это приводило к ухудшению видимости слабо освещенных частей объекта.?

В некотором смысле было удивительным уже то, что иконоскоп вообще работал. Естественно было бы ожидать, что сканирующий пучок разряжает элементы мишени, заряженные за счет внешнего фотоэффекта, создавая на них заряд противоположного знака. Однако в иконоскопе и свет, и электронный пучок заряжали мишень положительно. Видеосигнал возникал лишь благодаря сложному процессу перераспределения создаваемых сканирующим пучком вторичных электронов по остальной части мишени. Это перераспределение приводило к неоднородности фона, неэффективности разряда и паразитной взаимосвязи сигналов, создаваемых различными частями объекта.

Тем не менее именно появление иконоскопа заставило работников промышленности всерьез задуматься над освоением телевизионных систем.

↑ Супериконоскоп

В иконоскопе изображение фокусировалось на изолирующую мишень — фотоэмиттер. В супериконоскопе (рис. 20) изображение фокусируется на полупрозрачный проводящий фотокатод, а затем эмиттируемые фотоэлектроны попадают на изолирующую мишень.

Добавление секции переноса изображения увеличило чувствительность иконоскопа, по меньшей мере в 10 раз. Чувствительность фотокатода можно было сделать более высокой, чем чувствительность поверхности изолятора. Более того, при попадании электронов на мишень картина распределения заряда,?представляющая собой электронное изображение, усиливалась благодаря вторичной эмиссии.

Английский вариант супериконоскопа, суперэмитрон, более десяти лет широко применялся в Англии и других странах Европы. Его наиболее серьезный недостаток заключался в наличии паразитного сигнала.

↑ Ортикон

В ортиконе (рис. 21) впервые был применен принцип сканирования пучком медленных электронов, который использовался почтя во всех последующих модификациях передающих трубок. В темноте электронный пучок заряжает поверхность мишени до потенциала катода электронной пушки (прожектора).

Пучок приближается к мишени со скоростью, близкой к нулю, поворачивает вблизи поверхности мишени обратно и возвращается к электронной пушке. Таким образом мишень равномерно заряжается до нулевого потенциала (потенциала катода), паразитные сигналы в темноте отсутствуют, происходит эффективное собирание фотоэлектронов, и взаимодействия между участками мишени, соответствующими различным частям изображения, не происходит. Пучок просто создает на каждом элементе изображения отрицательный заряд, равный по величине положительному фотозаряду, накопленному в течение предыдущего рабочего цикла. Отрицательный заряд за счет емкостной связи вызывает напряжение на сигнальной пластине, которое подается на вход первого каскада усилителя.

Чувствительность ортикона по крайней мере в 10 раз превышала чувствительность иконоскопа. Это различие могло быть значительно больше в зависимости от того, сколь существенными казались нам паразитные сигналы, создающие ореол в иконоскопе.

Показанное на рис. 21 устройство развертки использовалось в самых первых вариантах ортиконов. Для вертикального отклонения электронного пучка, помимо продольного магнитного поля, использовалось поперечное поле, которое создавалось парой отклоняющих катушек, так что магнитная силовая линия, начинаясь на электронной пушке, изгибалась и попадала в различные точки мишени. Электронный пучок как при движении к мишени, так и при возвращении от нее в первом приближении следовал направлению магнитных линий. Эффекты второго порядка возникают в ортиконе вследствие того, что на отдельных участках электроны движутся по винтовой линии; кроме того, они испытывают действие центробежной силы при прохождении участка, где магнитные силовые линии изгибаются. Горизонтальная развертка осуществляется в ортиконе с помощью пары электростатических пластин, установленных в магнитном поле и отклоняющих пучок перпендикулярно как магнитному, так и электрическому полю. Отклонение можно осуществить и без аксиального магнитного поля, при помощи коротких отклоняющих катушек или пластин. В этом случае вблизи мишени помещают электростатическую линзу, которая изгибает сканирующий пучок таким образом, чтобы он всегда падал на мишень перпендикулярно ее плоскости. В более поздних вариантах ортиконов, как и в видиконе, магнитное поле используется и для горизонтальной, и для вертикальной разверток.

СРБ-эмитрон представляет собой ортикон, у которого фоточувствительный материал напыляется на мишень через экран в виде мелкоструктурной тонкой сетки. Такое устройство обеспечивало более высокую стабильность мишени при потенциале катода даже в условиях работы с яркими импульсными лампами.

↑ Суперортикон

С созданием суперортикона (рис. 22), превосходящего ортикон по чувствительности в 100 или более раз, чувствительность передающих трубок приблизилась, по крайней мере, в ограниченном интервале интенсивностей света, к пределу, определяемому фотонным шумом> Собственная чувствительность (квантовая эффективность) суперортикона в пределах большей части его рабочего диапазона оказалась близкой к чувствительности человеческого глаза.

В суперортиконе передаваемое изображение фокусировалось на полупрозрачный проводящий фотокатод, а не на фоточувствительную изолирующую мишень, как в ортиконе. Затем электронное изображение фокусировалось на одну сторону двусторонней мишени, Двусторонняя мишень представляла собой тонкую пленку из обычного оконного (известкового) стекла, туго натянутого на металлической рамке за счет поверхностного натяжения. Толщина этой пленки составляла всего лишь несколько микрометров. Ионная проводимость стекла, равная 10^-11 (Ом-см)^-1, была достаточна для того, чтобы заряды, находящиеся на противоположных сторонах, нейтрализовали друг друга за время менее 0,1 с. Вследствие малой толщины стекла картина распределения заряда не утрачивала резкости из-за эффектов растекания заряда в стороны в течение времени около 1 с. По той же причине картина распределения заряда, создаваемая на той стороне стекла, где фокусировалось электронное изображение, оказывалась столь же резкой на другой его стороне, куда попадал сканирующий пучок электронов. Благодаря этому по резкости изображения суперортикон не уступал ортикону.

В суперортиконе сканирующий пучок возвращался обратно к электронному умножителю, окружающему электронную пушку. В обычных условиях работы ток пучка был сравним по величине с фототоком, идущим от фотокатода, он модулировался зарядами на мишени, причем глубина модуляции составляла примерно 50%. Следовательно, отношение сигнал/шум для видеосигнала на выходе электронного умножителя было сравнимо с отношением сигнал/шум для тока фотоэлектронов, эмиттируемых с фотокатода. Короче говоря, режим работы этой части трубки почти исключительно определялся ограничениями, связанными с шумом потока фотонов, создающих фотоэмиссию.

Секция переноса электронного изображения в суперортиконе обеспечивает десятикратное увеличение чувствительности по, сравнению с ортиконом, где используется мишень с изолирующей поверхностью. Применение электронного умножителя для сканирующего пучка улучшает отношение сигнал/шум в 10 раз при нормальных уровнях освещенности и примерно в 100 раз при уровнях освещенности, близких к создаваемым полной луной. Благодаря этим двум обстоятельствам чувствительность суперортикона возрастала в 100—1000 раз.

На рис. 23 показана схема установки для сравнения чувствительностей суперортикона и 35-миллиметровой фотопленки марки «Super XX»,

а на рис. 24 приведены результаты такого сравнения для различных уровней освещенности вплоть до освещенности при полной луне.

На рис. 25 представлено первое телевизионное изображение, переданное при свете полной луны.

Основное ограничение чувствительности суперортикона связано с тем, что при сканировании темных участков картины в умножитель попадает полный ток пучка вместе с сопровождающим его дробовым шумом. В, должным образом, сконструированной передающей трубке этот шум стремится к нулю при приближении к нулю видеосигнала. Для преодоления этого недостатка были предложены два метода. Первый заключался в изменении картины модуляции пучка в суперортиконе. Второй метод использовался в различных трубках, где картина распределения заряда в электронном изображении усиливалась в секции переноса электронного изображения таким образом, что шум, обусловленный распределением запасенного заряда, превосходил шум сканирующего пучка, а в более поздних вариантах — также и шум обычных телевизионных усилителей.

↑ Суперизокон

В суперизоконе (рис. 26) удалось в значительной степени изменить картину модуляции, характерную для суперортикона. В последнем при отсутствии освещения в умножитель попадает весь пучок. В суперизоконе в темноте большая часть пучка отклоняется и не поступает на вход умножителя, тогда как пучок, идущий от освещенных частей мишени, попадает в умножитель тем в большей степени, чем выше освещенность.

Изменение картины модуляции было осуществлено с помощью сложного электронно-оптического устройства, которое различало электроны, отраженные от темных частей мишени, и электроны, рассеянные на освещенных частях. Отраженные электроны в виде хорошо сфокусированного пучка возвращались к умножителю, отклоняясь от его входного отверстия. Электроны, рассеянные на освещенных частях, образовывали диффузную картину вокруг сфокусированного пятна отраженных электронов. При этом примерно половина рассеянных электронов попадала в умножитель.

Такая дискриминация отраженных и рассеянных электронов была неполной, но достаточной для того, чтобы шумовые токи от темных частей оказались примерно в 2—3 раза ниже шумовых токов от сильно освещенных частей. По сравнению с суперортиконом изокон отличался значительно лучшими чувствительностью и шумовыми характеристиками и обеспечивал возможность работы при малых освещенностях.

Принцип изокона был использован в трубках накопительного типа, в которых пучок модулировался (отклонялся) благодаря рельефу потенциала на мишени, но не снимал заряда, вызывающего этот рельеф.


Это позволяло производить считывание распределения заряда в течение секунд или минут. Принцип изокона был применен также в описанных ниже трубках типа видикон.

↑ Суперортикон с усилителем изображения

Первоначально второй метод преодоления ограничений, свойственных суперортикону и накладываемых шумом сканирующего пучка, заключался в том, что к суперортикону добавили усилитель изображения (рис. 27).

Электрон, вылетающий из первого фотокатода (слева), ускоряется до энергии 10 кэВ, ударяет в первый флуоресцентный экран и создает несколько сотен фотонов, которые в свою очередь высвобождают несколько десятков электронов из второго фотокатода, расположенного вплотную к флуоресцентному экрану.

Таким путем в трубке с двухступенчатым усилением начальный ток фотокатода возрастает более чем в сто раз по сравнению с током в суперортиконе. Применение усилителя изображения позволило использовать суперортикон при интенсивностях света на фотокатоде менее 10^-7 л к. Укажем для сравнения, что для человеческого глаза минимально возможная интенсивность света на сетчатке составляет примерно 10^-6 л к.

Передача изображения таким ортиконом с усилителем изображения ограничивалась фотонным шумом, уровень которого соответствовал квантовой эффективности фотокатода, равной 10%. Однако коэффициент усиления, создаваемый подобной двухступенчатой секцией усиления, оказался недостаточным для того, чтобы можно было наблюдать следы отдельных фотоэлектронов.

↑ Проводимость, индуцированная быстрыми электронами

Как показали некоторые исследования, проводимость тонкой изолирующей пленки значительно увеличивается при бомбардировке ее быстрыми электронами, энергия которых достаточна для проникновения сквозь пленку (рис. 28);

фактически ток через изолирующую пленку в сто и более раз может превышать ток бомбардирующего пучка . Возможность такого типа умножений была продемонстрирована в 1949 г. Пенсаком, который использовал записывающий пучок с энергией 10 кэВ и считывающий пучок с энергией 1 кэВ. Ему удалось получить коэффициент усиления, равный 100, как для мишеней, у которых пучок быстрых электронов проникал на всю глубину, так и для аморфного селена, где глубина проникновения составляла лишь малую долю толщины мишени. (Последнее явление при сильном поглощении света ранее наблюдал Веймар в селеновом видиконе.) При использовании мишени из окиси свинца Филипс с помощью аналогичного устройства также получил близкие результаты, о которых он докладывал на Лондонской конференции по фотоэлектронным системам изображения. Фирмой «Вестингхауз» был разработан один из видов мишени, который оказалось возможным выпускать в промышленных масштабах. В трубке под названием SEC (Secondary Emission Conducts vity — проводимость, создаваемая вторичными электронами) в качестве мишени использовался пористый щелочно-галоидный материал. Ускоренные до больших энергий электроны изображения создавали вторичные электроны как в самом объеме щелочно-галоидного материала, так и в порах. Для увеличения роли последних к мишени было приложено сравнительно низкое напряжение. Коэффициент усиления подобной системы достигал порядка 100.

Самой последней и наиболее удачной трубкой такого типа является кремниевый матричный фотоумножитель SIT (Silicon Intensifier Tube), в котором мишень представляет собой тонкую пластинку кремния толщиной около 15 мкм. На сканируемой поверхности расположена матрица из р—п-переходов, работающих в режиме обратного смещения. В слое кремния n-типа, прилегающем к поверхности мишени, на которую фокусируется изображение, электрическое напряжение равно нулю. Электронно-дырочные пары, создаваемые электронами, вылетающими с фотокатода, диффундируют с этой поверхности к р—п-переходам, находящимся под действием разности потенциалов на переходе, так что дырки достигают сканируемой поверхности. При напряжении на мишени 10 кВ первичный ток генерирует в мишени ток, в 1000 раз превышающий начальный. Дальнейшее 30-кратное усиление было достигнуто в трубке типа I—SIT (Intensifier — Silicon Intensifier Target — умножитель — кремниевая усилительная мишень), где кремниевая мишень соединяется с одноступенчатым усилителем изображения волоконно-оптическими элементами.

Все эти устройства, в которых используется проводимость, индуцированная быстрыми электронами, позволяют расширить рабочий диапазон суперортикона в сторону низких освещенностей. Отметим, что собственная чувствительность всех этих трубок, включая суперортикон и ортикон с усилителем изображения, одинакова, а именно равна квантовой эффективности фотокатода, то есть примерно 10%. Они различаются главным образом тем, насколько далеко их рабочий диапазон простирается в область малых освещенностей.

Собственная квантовая эффективность, равная 10%, близка к эффективности человеческого глаза, и соответственно качественные характеристики передающей трубки не уступают (но и не превосходят) характеристикам глаза при малых освещенностях, если только диаметр линзы трубки не превышает 8 мм — отверстия зрачка глаза, когда последний адаптировался к темноте. Поскольку в передающих трубках обычно используются линзы с диаметром 2—5 см, то трубки по своим характеристикам в 10 и более раз (в зависимости от отношения площадей линз и зрачка) превосходят глаз.

Это различие в принципе уменьшается или исчезает совсем, когда человек пользуется биноклем или подзорной трубой, поскольку размеры его зрачка в этом случае как бы возрастают.

↑ Видиконы

В основу работы всех рассмотренных выше трубок положен внешний фотоэффект, квантовая эффективность которого не превышает ~10%. Параллельно примерно в 1948 г. была предпринята попытка использовать явление фотопроводимости, в котором квантовая эффективность может достигать 100%.Это привело к созданию нового класса трубок, называемых видиконами (рис. 29).

В этих трубках для сканирования применяется такое же устройство, как и в ортиконе: сканирующий пучок медленных электронов фокусируется и отклоняется однородным магнитным полем. Мишень в видиконе представляет собой фотопроводящий (а не фотоэмиссионный) изолятор, но и в том, и другом случае действие света сводится к генерации на сканируемой поверхности положительных зарядов, которые нейтрализуются сканирующим пучком.

Первая попытка завершилась созданием двух основных типов мишеней: с оптическим контактом с сигнальной пластиной (например, фотопроводник, Sb₂S3[/sup]) и с запирающим контактом (мишень на аморфном селене). В обоих случаях квантовая эффективность близка к 100%. При использовании запирающего контакта ? достигает 1 (то есть сигнал пропорционален интенсивности света), темновые токи и время «фотоответа» мишени чрезвычайно малы. Омический контакт дает величину ? < 1, однако в этом случае при квантовой эффективности, близкой к 100%, темновые токи оказываются того же порядка, что и видеосигнал. Кроме того, трубки с омическим контактом обычно обладают большей инерционностью, чем трубки с запирающим контактом. Причины этого мы рассмотрим ниже, в главе, посвященной фотопроводникам.

Здесь мы лишь отметим, что был найден ряд материалов, свойства которых, подобно свойствам селена, позволяют создать хорошие запирающие контакты. К таким материалам относятся окись свинца, сульфид кадмия, фосфид галлия, селенид кадмия и кремниевые р—п-переходы. Все они при сильном поглощении света обладают квантовой эффективностью, близкой к 100%. Окись свинца широко применяется в цветных передающих трубках, например в плумбиконе.

Благодаря высокой квантовой эффективности фотопроводника в видиконах обратный пучок электронов обычно не усиливается с помощью электронного умножителя, сигнал снимается с мишени. Это позволяет в большей степени избавиться от ложных сигналов (таких, как ореолы), вносимых электронным умножителем. Однако шум усилителя, на который поступает сигнал с мишени, более чем в 10 раз превышает шум обратного пучка, так что чувствительность соответственно уменьшается.

Умножители в видиконах используются для специальных целей, в частности для получения большей чувствительности, либо — благодаря меньшим токам пучка —для более высокого разрешения . В видиконе может использоваться умножитель того же типа, что и в суперортиконе или суперизоконе. Кроме того, как уже говорилось в предыдущем разделе, в конструкцию видикона можно внести секцию переноса электронного изображения, тогда благодаря проводимости, индуцированной быстрыми электронами, ток мишени увеличится в 1000 раз. В случае кремниевого матричного умножителя режим работы, ограниченный только фотонным шумом, можно осуществлять вплоть до уровней яркости объектов ниже той, которая создается звездным небом, то есть менее 10^-8 ламб. В этом случае квантовая эффективность ограничена фотокатодом и составляет примерно 10%.

Мы получили бы идеальную передающую трубку для работы при малых освещенностях, если бы в мишени можно было осуществить режим ударной ионизации в сильных полях, при котором каждый фотоэлектрон, возбужденный светом, генерирует несколько тысяч вторичных электронов. В таких условиях можно было бы регистрировать отдельные фотоны, применив электронное умножение обратного пучка. Подобная трубка обладала бы квантовой эффективностью 100% и могла бы работать при произвольно низких освещенностях, Хотя умножение за счет ударной ионизации в принципе возможно и наблюдалось Б некоторых полупроводниках, его чрезвычайно трудно осуществить в контролируемых условиях в материалах с большой шириной запрещенной зоны (то есть в изоляторах), применяемых в видиконах.

↑ Твердотельные самосканирующиеся матрицы

Во всех передающих трубках, о которых мы до сих пор говорили, для считывания распределения заряда на мишени используется электронный пучок. Это означает, что вакуумная трубка является существенным элементом устройства. В последние десятилетия был развит иной весьма перспективный подход к решению? этой проблемы — установлено, что сканирование элементов фотопроводящей мишени можно осуществить чисто схемотехническими средствами. Ваймар с сотрудниками показал, что матрица, состоящая из 256 строк и столбцов (6-Ю4 элементов изображения), может быть «опрошена» со скоростями, используемы* ми в телевидении,
с помощью матрицы вводов, устроенной таким образом (рис. 30), что каждый элемент изображения находится на пересечении горизонтального и вертикального вводов.

Соединение 6*10⁴ элементов изображения было осуществлено с помощью 5*10² вводов (256 для вертикальных и 256 для горизонтальных линий). Благодаря использованию декодера на интегральных схемах полное число вводов в устройстве удалось уменьшить с 512 до 64.

Техника сканирования была существенно усовершенствована в 1969 т. Сэнгтером и Тиаром, предложившими метод, названный «пожарной цепочкой», а также в 1970 г. Бойлом и Смитом, которые использовали метод так называемой «зарядовой связи». В обоих случаях распределение зарядов, накопленных в линии элементов изображения, сдвигается к одному краю мишени со скоростями, соответствующими частотам видеосигнала, и подается на вход первого каскада видеоусилителя, встроенного в ту же пластину кремния, где находятся элементы изображения (рис. 31). Таким путем можно производить последовательное сканирование линий квадратной матрицы.

Самосканирующиеся матрицы обладают очевидными, характерными также для других чисто твердотельных устройств достоинствами, а именно компактностью, большим сроком службы и малой потребляемой мощностью (рис. 32).

Их фундаментальное преимущество состоит также в том, что первый каскад видеоусилителя строится таким образом, что его емкость оказывается в 10²—10⁴ раз меньше емкости обычных видеоусилителей для видикона. Поскольку шум усилителя меняется пропорционально корню квадратному из входной емкости, то это означает 10—100-кратное улучшение чувствительности. Однако, чтобы получить на практике столь высокую чувствительность, необходимо свести к минимуму компоненты шума, возникающие в процессе сканирования и связанные с зарядом, накопленным в каждом элементе изображения.

В принципе дальнейшее улучшение возможно, если в качестве первого каскада использовать МОП-транзистор, работающий в режиме изолированного затвора. В этом случае заряд с элемента изображения подается на затвор и последний остается электрически изолированным в течение времени считывания одного элемента изображения. За это время заряд, имеющийся на затворе, вызывает протекание через канал МОП-транзистора много большего заряда. После считывания одного элемента изображения этот заряд снимается с затвора и заменяется зарядом со следующего элемента изображения. Благодаря тому что затвор изолирован и не связан с сопротивлением, обычный тепловой шум, создаваемый сопротивлением, отсутствует. Более того, если шум в канале МОП- транзистора можно свести к тепловому шуму, то есть существенно уменьшить избыточный, так называемый «шум 1/f», то это позволяет в принципе детектировать электронные заряды, создаваемые отдельными фотонами. Работа МОП-транзистора в режиме изолированного затвора в значительной мере подобна действию фотопроводника.

Подводя итоги, отметим, что в датчике изображения, основанном на принципе зарядовой связи, формально возможно достигнуть предельного режима, то есть счета фотонов с квантовой эффективностью 100%.

За последние пятьдесят лет чувствительность передающих телевизионных трубок увеличилась в 1 млн. раз. Современные передающие трубки работают с квантовой эффективностью от 10 до 100%. Они превосходят человеческий глаз как по квантовой эффективности, так и по способности работать при чрезвычайно малых яркостях объекта, порядка 10^-10 ламб.

Современные успехи и перспективы развития технологии твердотельных датчиков позволяют надеяться, что в будущем столь же высокими характеристиками будут обладать устройства, несравненно более компактные, дешевые и потребляющие малую мощность.

----

Статья из книги: Зрение человека и электронное зрение А.Роуз 1977