ИНФРАКРАСНЫЙ ВИДИКОН ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЙ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Полезная модель относится к инфракрасным видиконам, служащим для низкоуровневых применений, т.е. для регистрации излучений малой интенсивности, таких, что уровень сигнала может быть сравним с уровнем шумов. Данный прибор может быть использован для научно-исследовательских целей, например, при наблюдении за гидрометеообстановкой, а также для специальных применений.
Инфракрасный видикон - это телевизионная электронная трубка, представляющая собой вакуумированную металлостеклянную колбу с входным окном, прозрачным к регистрируемому излучению, в которой находятся: 1) мишень на основе узкозонного полупроводникового материала, на которую проецируется изображение; 2) Электронный прожектор, включающий в себя катод и систему электродов для формирования пучка, облучающий мишень сфокусированным электронным пучком для предварительной зарядки мишени и считывания сигнала.
Видикон помещается внутрь отклоняюще-фокусирующей системы, содержащей катушки электромагнитного отклонения, фокусировки и корректировки электронного пучка.
Мишень представляет собой многослойную структуру, состоящую из подложки, прозрачной к входному световому потоку, полупроводникового слоя и тонкого накопительного слоя из высокоомного полупроводника. Подложка обладает достаточно высокой электропроводностью и является общим электродом для всей мишени. Этот электрод носит название сигнальной пластины.
Из уровня техники известен видикон, работающий в режиме медленных электронов [1]. В данном видиконе коммутация мишени включает зарядку мишени и считывание зарядового рельефа путем поэлементного сканирования электронным лучом в режиме "медленных" электронов в два этапа: - этап подготовки мишени и этап считывания сигнала. Каждый этап состоит из одинакового числа строк, равного половине общего числа строк растра. Строка подготовки и строка считывания чередуются между собой во времени, но отстоят друг от друга в пространстве. Фактически формируются два растра - растр подготовки и растр считывания, которые состоят из одинакового числа строк и смещены в пространстве друг относительно друга, причем растр подготовки "опережает" растр считывания.
На сигнальную пластину, расположенную со стороны падающего светового потока, подается постоянное положительное напряжение. В начальном состоянии потенциал поверхности мишени со стороны электронного луча равен напряжению сигнальной пластины.
В строке подготовки электронный луч последовательно заряжает элементов одной строки мишени до потенциала, при котором находится катод (с точностью до контактной разности потенциалов катод-мишень, которая в дальнейшем не упоминается, так как компенсируется соответствующим изменением напряжения на сигнальной пластине). В момент зарядки на каждом элементе мишени создается разность потенциалов, возникает электрическое поле, под действием которого в полупроводниковом слое образуется обедненная область. Начинается процесс накопления. При этом в обедненной области полупроводникового слоя под действием входного сигнального и фонового световых потоков, а также за счет термогенерации, генерируются носители заряда, которые разносятся электрическим полем и накапливаются на границе полупроводник - накопительный слой. Потенциал поверхности мишени со стороны электронного луча начинает расти.
В строке считывания электронный луч сканирует данную строку через определенное время (время накопления) и также последовательно дозаряжает элементы данной строки мишени до потенциала, при котором находится катод. Возникает ток дозарядки, который с помощью так называемого предварительного усилителя (ПУ), подключенного к сигнальной пластине, преобразуется в видеосигнал.
В промежутке времени между считыванием каждого элемента мишени и его очередной подготовкой (в следующем кадре), которое значительно больше (в 20-50 раз), чем время накопления, заряд с поверхности элемента мишени стекает через конечные (специально подобранные) сопротивления полупроводникового и накопительного слоев и потенциал поверхности мишени со стороны электронного луча становится равен напряжению сигнальной пластины, то есть мишень приходит в начальное состояние.
Из-за особенностей конструкции инфракрасного видикона, предназначенного для решения задач по регистрации излучений малой интенсивности с высоким качеством, а именно из-за большого рабочего поля мишени и, как следствие, значительного угла отклонения электронного пучка, нарушается условие ортогональности падения электронного пучка на мишень видикона по всей площади рабочего поля. Это приводит к тому, что при сканировании электронным пучком элементы мишени заряжаются не до единого потенциала, равного разности между напряжением сигнальной пластины Usp и потенциалом катода Uk, а до разных потенциалов в пределах от [Usp-Uk] до [Usp-(Uk+ΔU)]. Причем, если [Usp-Uk] обычно составляет величину от 10 V до 15 V, то ΔU может достигать значения до 5 V. Кроме того фоновый и темновой токи также неоднородны по поверхности мишени. Следствием вышеизложенного является возникновение большой неоднородности, как тока мишени, так и тока сигнала по рабочему полю мишени. Эта неоднородность составляет в отдельных случаях до 50%, причем неоднородность тока сигнала по полю означает соответствующее снижение чувствительности прибора.
Известен патент Японии №S5599883 от 30.07.1980 (кл. МПК H04N 5/16, H04N 5/225, патентообладатель Matsushita Electric Ind Со Ltd) «Устройство телевизионной камеры». Данное устройство предназначено для создания однородного тока мишени по всему полю мишени с устранением неоднородности, вызванной отклонением электронного пучка. В данную систему, исходя из того, что ток мишени подвержен параболической неравномерности, вводят компенсирующий, заранее подобранный сигнал. Таким образом, данное устройство не может в автоматическом режиме подстраиваться под уровень поступающего излучения. Данная система не может быть использована для инфракрасного видикона, где неравномерность тока мишени, связанная с нарушением ортогональности падения электронного пучка на мишень видикона по площади рабочего поля и неравномерностью фонового и темнового тока, носит заранее неизвестный характер.
В полном токе мишени инфракрасного видикона значительную часть (до 80-90%) составляют фоновый и темновой токи. Ток мишени величиной 700 нА и в полосе частот 1 МГц создает так называемый "дробовой" шумовой ток, среднеквадратическое значение которого равно ≈0.5 нА, что примерно равно шуму предварительного усилителя.
Кроме того, при считывании большого тока мишени любые пространственные нестабильности электронного пучка приводят к дополнительному шумовому току. Пространственная нестабильность электронного пучка возникает вследствие шумов и наводок в электронных цепях блоков разверток, а также в результате воздействия внешних электромагнитных полей непосредственно на электронный пучок.
Так, например, при среднем токе мишени 500 нА смещение пучка всего на ±1% от размера одного элемента мишени (или примерно ±0.0005% от размера растра) приведут к значению амплитуды шумового тока 10 нА (от пика до пика), или примерно 1.5 нА среднеквадратичного значения, что превышает в 3-5 раз шум предварительного усилителя. Это означает, что во столько же раз снижается реальная чувствительность видикона.
Из уровня техники известен патент США №3716657 от 13.02.1973 Устройство для повышения отношения сигнала к шуму в телевизионных низкоуровневых сценах. В данном устройстве снижение влияния шумов обеспечивается за счет изменения режима считывания сигнала с мишени.
В обычном режиме сканирования мишени электронный луч последовательно заряжает каждый элемент мишени, причем одновременно происходит и считывание накопленного заряда и подготовка (зарядка) мишени к следующему циклу накопления, после чего заряд в данной элементе снова начинает накапливаться. В большинстве видиконов время накопления равно времени кадра.
При низком уровне освещенности необходимо значительное время, чтобы накопить достаточный уровень сигнала на поверхности мишени, а с другой стороны сигнал нужно считывать с достаточной частотой, чтобы не произошло разрядки мишени из-за фоновых и темновых токов. В патенте США №3716657 эта проблема решается тем, что считывание сигнала с каждого элемента мишени происходит не через 1, а через 2 кадра, за счет чего увеличивается время накопления заряда на мишени. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостатком данного решения является фиксированная величина возможного увеличения времени накопления (на длительность одного кадра), данный режим накопления может быть неприемлемым для инфракрасных низкоуровневых применений.
Технический результат полезной модели заключается в повышении чувствительности прибора за счет снижения шумов.
Инфракрасный видикон для излучений малой интенсивности представляет собой электронную трубку, помещенную внутрь отклоняюще-фокусирующей системы, и конструктивно выполненную в виде вакуумированной металлостеклянной колбы с входным окном, прозрачным к регистрируемому излучению, с находящимися внутри нее мишенью из полупроводникового материала, на которую проецируется изображение, электронным прожектором, включающим в себя катод и систему электродов для формирования электронного пучка, отличающийся тем, что содержит блок обратной связи между мишенью и катодом, который путем подачи соответствующего напряжения на катод обеспечивает задание разных уровней тока мишени на этапах подготовки и считывания, а так же компенсацию неоднородности тока мишени на этапах подготовки и считывания, при этом напряжение, подаваемое в катод, пропорционально разности между величиной сигнала текущего тока мишени и постоянным уровнем, заранее установленным как для этапа подготовки, так и для этапа считывания, причем сигнал тока мишени предварительно проходит частотную фильтрацию.
Применение данного технического решения позволяет уменьшить ток мишени и повысить однородность тока мишени и тока сигнала по полю, что, в свою очередь, приводит к уменьшению шумов, а, следовательно, к повышению чувствительности.
В самом деле, повышение однородности тока сигнала обеспечивается за счет компенсации неравномерности тока мишени благодаря блоку обратной связи. Уменьшение шумов обеспечивается за счет уменьшения тока мишени при считывании, благодаря тому, что блок обратной связи может задавать разные уровни тока мишени на этапах подготовки и считывания
На рис.1 изображена схема устройства. Инфракрасный видикон 1 состоит из мишени 2 и электронного прожектора, включающий в себя катод 3 и систему электродов, блок усиления 4 (ПУ - предварительный усилитель), а так же блок обратной связи между мишенью и катодом 5 (БЗСТМ - блок задания и стабилизации тока мишени).
Данное устройство работает следующим образом.
Коммутация мишени 2 осуществляется с помощью поэлементного сканирования электронным лучом в режиме "медленных" электронов в два этапа: - этап подготовки и этап считывания. Каждый этап состоит из одинакового числа строк, равного половине общего числа строк растра. Строка подготовки и строка считывания чередуются друг с другом во времени, но отстоят друг от друга в пространстве. Фактически формируются два растра-растр подготовки и растр считывания, которые состоят из одинакового числа строк и смещены в пространстве друг относительно друга, причем растр подготовки "опережает" растр считывания.
В строке подготовки электронный луч последовательно заряжает поверхность элементов одной строки мишени до потенциала, при котором находится катод 3. В строке считывания электронный луч сканирует данную строку через определенное время (время накопления) и также последовательно дозаряжает элементы данной строки мишени до потенциала, при котором находится катод. Ток, возникающей в цепи сигнальной пластины усиливается и преобразовывается в напряжение предварительным усилителем ПУ 4 и поступает на вход блока обратной связи 5. Для каждого этапа - подготовки и считывания, блоком обратной связи 5 формируется свой опорный уровень тока мишени. Величина тока, поступающего в блок обратной связи 5, сравнивается с заранее заданным опорным уровнем тока мишени. Если эти величины отличаются, то блок обратной связи 5 формирует корректирующее напряжение, которое подается в катод 3, так, чтобы в итоге ток мишени стабилизировался на заданном уровне. При этом автоматически компенсируется неоднородность тока мишени. Благодаря этому сглаживаются неоднородности тока мишени, вызванные неортогональностью падения электронного пучка на мишень и неравномерностью фонового и темнового токов по площади рабочего поля.
В строках считывания также происходит компенсации неравномерности тока мишени из-за нарушений ортогональности пучка. Кроме того, при использовании такого режима считывания обеспечивается возможность считывания не всего накопленного заряда, а только его малой части, несущей информацию о сигнале. Такое резкое (в 5-10 раз) уменьшение тока мишени приводит к уменьшению "дробовых" шумов, вызываемых фоновым и темновым токами примерно в 2-3 раза и в 5-10 раз снижению дополнительного шумового тока, возникающего из-за нестабильности электронного пучка. Благодаря тому, что сигнал тока мишени проходит частотную фильтрацию в блоке обратной связи, уменьшение неоднородности тока мишени не приводит к уменьшению величины полезного сигнала, так как сигнал имеет значительно более высокочастотный спектр.
На рисунках 2 и 3 приведены осциллограммы (в одинаковых масштабах) видеосигнала строк подготовки (слева) и считывания (справа) без использования (рис.2) и с использованием (рис.3) описанного выше технического решения. Сравнение осциллограмм показывает, что, при использовании данного технического решения на этапах подготовки и считывания ток мишени становится гораздо более однородным и, кроме того, величина тока мишени при считывании становится гораздо меньше, что приводит к заметно меньшим шумам. Полезный сигнал, расположенный примерно в середине строки считывания, при этом остается на прежнем уровне. Это означает увеличение чувствительности инфракрасного видикона.
[1] Гершберг А.Е. Передающие телевизионные трубки, использующие внутренний фотоэффект."Энергия", 1964.