Передающие трубки с внутренним фотоэффектом

Первым практически разработанным преобразователем свет-сигнал с внутренним фотоэффектом была малогабаритная передающая трубка видикон, в которой применена фотопроводящая мишень, изготовленная из стибнита (трехсернистая сурьма Sb₂S₃).

Основными достоинствами видиконов при применении в цветном телевидении являются: сравнительная легкость создания требуемых спектральных характеристик, обеспечивающих правильную цветопередачу, достаточная разрешающая способность при токе сигнала 0,1...0,5 мкА.

В то же время видиконам присущи следующие недостатки: гамма-характеристика «свет-сигнал» видикона при широком изменении освещенности на фотомишени непостоянна, что создает трудности при обеспечении баланса белого цвета; большая инерционность сигнала, особенно при малых уровнях освещенности; значительный тепловой ток, зависящий от температуры и создающий неравномерность сигнала изображения на темном, что не позволяет получить однородный цвет по всему полю изображения и затрудняет получение стабильного цветового баланса.

Применение в видиконе светочувствительного фотодиодного слоя, представляющего собой pin-структуру на основе пористой пленки моноокиси свинца, позволило создать передающую трубку плюмбикон. Трубку данного типа иногда еще называют леддиконом, глетиконом. По сравнению с видиконом плюмбикон имеет следующие особенности: меньшая инерционность сигнала (остаточный, сигнал составляет не более 5% основного сигнала через 60 мс после прекращения освещения); тепловой ток примерно в 100 раз меньше тока сигнала, что позволяет обеспечить хорошую равномерность сигнала по всему полю изображения; высокая стабильность характеристики свет-сигнал при достаточно хорошей ее линейности (γ = 0,95 ± 0,05).

Видиконную конструкцию имеет передающая трубка кремникон, мишень которой дискретна и представляет собой упорядоченную фотодиодную матрицу, выполненную по планарной технологии.

Кремникон в сравнении с плюмбиконом имеет более высокую чувствительность, больший световой динамический диапазон, требуемую спектральную характеристику чувствительности и повышенную температурную стойкость мишени.

Для передающих камер ТВЧ на базе видикона разработаны трубки типа сатикон, обеспечивающие значительно более высокую разрешающую способность. Фотопроводящий слой сатикона представляет собой аморфную среду в виде халкогенидного стекла, состоящего из селена, легированного мышьяком и теллуром. Применяемый фотопроводник имеет структуру, которую называют гетеропереходом, благодаря которой и обеспечивается высокое разрешение. Например, 25 мм сатикон с диодным прожектором обеспечивает равномерную по полю мишени разрешающую способность, превышающую 1600 твл в центре и 1200 твл по краям изображения, и малую коммутационную инерционность электронного луча. Спектральная характеристика сатикона позволяет использовать его в каналах R, G, В трехтрубочной передающей камеры без каких-либо ограничений.

Для однотрубочных и двухтрубочных камер цветного телевидения разработаны специальные видиконы с цветокодирующим фильтром, расположенным вблизи мишени, которые получили название косвиконов. Примером является видикон «Spectraplex», разработанный в США. Трехсигнальные видиконы и сатиконы находят ограниченное применение. В телевизионных камерах специального назначения применяются также и особые виды видиконов - пировидиконы, рентгеновидиконы, т.е. трубки, чувствительные соответственно к инфракрасному и рентгеновскому излучениям.

Конструкции видикона, плюмбикона, кремникона, сатикона примерно одинаковы. Для примера на рис. 7.5 показано устройство типовой передающей трубки с фотопроводящей мишенью, магнитной фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа ММ) [21]. Объектив 1 проецирует оптически сфокусированное изображение передаваемого объекта на фотопроводящий слой 6, нанесенный на сигнальную пластину 5, которая напылена на планшайбу 7.

Сигнальная пластина электрически соединена с кольцевым выводом 5. Электронно-оптическая система передающей трубки состоит из катода 12, модулятора 11, первого анода 10, второго анода 9 и выравнивающей сетки 8. Электронный луч фокусируется катушкой 2, а отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками отклонения 4. Назначение корректирующей катушки 3 сводится к компенсации погрешностей, вносимых магнитной и электроннооптической системами. Модулятор 11 предназначен для регулировки тока электронного луча, а первый и второй аноды - для его формирования. Магнитное поле катушки 2 фокусирует электронный луч в плоскости мишени. Перед мишенью установлена выравнивающая сетка. Между мишенью и сеткой создается однородное тормозящее поле, которое обеспечивает нормальное падение электронного луча по всей сканируемой площади фоточувствительного слоя, что позволяет сохранить фокусировку луча и равномерность сигнала по полю изображения.

На рис. 7.6 показана конструкция видикона с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа SM). Как и в видиконе с магнитной фокусировкой, электронно-оптическая система состоит из катода 6 с косвенным накалом, модулятора 5, первого анода 4, второго анода 2 и выравнивающей сетки 1, причем второй анод выполнен в виде двух цилиндров, между которыми установлен дополнительный фокусирующий электрод 3, на который подается напряжение меньшее, чем напряжение на втором аноде. Эта система электродов образует электронно-оптическую линзу.

Рис. 7.5. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ

Рис. 7.6. Конструкция передающей трубки видикон типа SM

Электронный луч отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками 7, а корректируется катушкой 8. Поскольку трубка с электростатической фокусировкой не требует специальной фокусирующей катушки, значительно снижается общая мощность, потребляемая передающей камерой.

Наряду с передающими трубками типа ММ и SM применяются трубки со статической фокусировкой и статическим отклонением (трубки типа SS), в которых фокусирующие и отклоняющие электроды напыляются на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Конфигурацию электродов получают путем прожигания нанесенного металлического слоя. Такие трубки не требуют фокусирующих и отклоняющих катушек, экономичны, имеют малую массу. Кроме того, в подобных трубках обеспечиваются: высокая однородность разрешения по всему полю изображения; малое значение паразитного сигнала передающей трубки; отсутствие потерь на вихревые токи; высокая стабильность совмещения изображений из-за отсутствия теплового дрейфа отклоняющих электродов.

К видиконам нового поколения относится передающая трубка типа Superharpicon (суперхарпикон), разработанная японской фирмой Hamamatsu Photonics К.К. [22]. Основу данной трубки составляет мишень из аморфного селена специальной конструкции - HARP (Highgain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor - аморфный фотопроводник с лавинным умножением) размером 6,6x8,8 мм. В целом, диаметр суперхарпикона составляет 18 мм, а длина 106 мм. В рассматриваемой трубке используется явление лавинного умножения, возникающее при воздействии сильного электрического поля на слой аморфного селена, за счет чего число фотоносителей увеличивается в 200 раз. При напряжении на мишени 250 В лавинное умножение обеспечивает высокую чувствительность с квантовым выходом 10.

Обычно характеристики спектральной чувствительности преобразователя свет-сигнал зависят от ширины запрещенной зоны фотопроводящей пленки. Слой аморфного селена, основного материала фотопроводящей пленки передающей трубки суперхарпикон, обладает запрещенной зоной шириной 2,0 эВ, поэтому он имеет высокую чувствительность к длинам волн менее 620 нм. Установлено, что при толщине мишени в 2 мкм характеристика спектральной чувствительности фотопроводящей пленки суперхарпикона достаточно равномерна в ультрафиолетовом диапазоне излучений с длинами волн от 200 до 400 нм.

Таким образом, суперхарпикон отличается расширенной спектральной характеристикой, особенно в красной области излучений, высокой разрешающей способностью (800 твл), малым темновым током (типичное значение 1 нА) и незначительной инерционностью (3%).

Областями применения видиконов нового типа являются как прикладное, так и вещательное телевидение. Например, японская фирма Hitachi разработала портативную вещательную камеру NTSC/PAL SK-H5 на трех суперхарпиконах.