Преобразователи ближнего ИК, видимого и УФ-спектров
Изображения в ближнем ИК, видимом и УФ участках спектра, которые рассмотрены в разделе 1.3, усиливаются и преобразуются в сигнал изображения с помощью ЭОП, усилителей света и передающих телевизионных трубок.
В диапазоне ближнего ИК-излучения с длиной волны до 1 мкм детектирование изображения обычно выполняется с помощью фотокатодов с повышенной чувствительностью к красному свету, которые входят в состав ЭОП или передающих телевизионных трубок с переносом изображения на мишень, сканируемую электронным лучом, или видиконов, мишень которых непосредственно чувствительна к ИК-спектру, В последнее время ведутся разработки твердотельных преобразователей ИК-изображений.
Необходимость в приборах с ИК-преобразователями имеется в офтальмологии при определении диаметра зрачка и для наблюдения наружной части глаза при съемке глазного дна без искусственного расширения зрачка, в дерматологии для обнаружения утолщений или омертвевшей кожи, при исследованиях крови, при получении изображений подкожных вен и в ряде других областей медицины.
Видиконы для инфракрасной области имеют стандартную конструкцию и отличаются лишь применением специальных чувствительных к ИК-области спектра мишеней. Видиконы имеют мишени из кремниевых фотодиодов, стибнита с присадками или из Sb2S3-Sb2Se3 [20]. Например, в приборе для наблюдения наружной части глаза при фотографировании глазного дна без искусственного расширения зрачка японской фирмы «Капоп» применен видикон с фотодиодной мишенью из кремния – кремникон.
Мишень японского кремникона представляет собой диск толщиной 15-25 мкм из монокристалла кремния, на котором сформирована матрица из фотодиодов. В качестве сигнальной пластины используется напыленный со стороны падающего света прозрачный металлический слой. Матрица фотодиодов сформирована на стороне диска, обращенной к электронному лучу. Для этого диффузией бора в монокристалле кремния образованы участки (с дырочной проводимостью) размером 7-15 мкм на расстоянии около 15-20 мкм друг от друга. Каждый такой участок совместно с прилегающей к нему областью диска образует фотодиод. Размеры коммутирующего луча таковы, что он одновременно перекрывает несколько фотодиодов. Фотодиоды включены в запорном направлении. Роль накопительного конденсатора элементов мишени играет запорный слой, а примыкающие к нему области полупроводника с электронной и дырочной проводимостями играют роль обкладок этого конденсатора. Во избежании импульсов тока в цепи сигнальной пластины при попадании электронного луча на участки между фотодиодами эти участки покрыты тонким слоем изолятора (окисью кремния), в котором оставлены отверстия размером 8-10 мкм, позволяющие коммутировать участки с дырочной проводимостью. Для предотвращения неконтролируемой зарядки изолятора используют проводящее покрытие. Проводимость кремниевого диска достаточно велика, так что он находится под потенциалом сигнальной пластины. Так как в фотодиоде запорный ток увеличивается пропорционально освещенности то, как и в мишени обычного видикона, заряд на емкости фотодиода к концу периода накопления будет зависеть от освещенности. При коммутации электронным лучом конденсатор заряжается до величины напряжения, приложенного к диоду, а в периоды между коммутациями разряжается запорным током неосновных носителей, который, как уже говорилось, линейно зависит от освещенности.
Таким образом, мишень представляет собой упорядоченную матрицу из десятков и сотен тысяч таких фотодиодов, выполненных на одном диске из монокристаллического кремния. На растре размером 9,5x12,7 мм получают более 106 фотодиодов.
Кремниконы изготавливаются за рубежом с диаметрами колб, принятыми для видиконов: 13,6; 18; 25; 30; 50; 115 мм и т. д. Наибольшее распространение получили кремниконы с диаметром 18 и 25 мм (растр 6,6X8,8 и 9,5x12,7 мм соответственно). Чем меньше размер растра, тем меньше выходная емкость, темновой ток и коммутационная составляющая инерционности. Однако, когда необходимо передать насыщенное мелкими деталями изображение при большом поле зрения, используются кремниконы с увеличенной площадью растра.
Разрешающая способность кремникона зарубежного изготовления в значительной степени определяется узлом мишени. Для мишени с размером фотодиодов 7-10 мкм и расстоянием между фотодиодами 15-20 мкм амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) мишени имеет спад около 0,85 на пространственной частоте 15 пер/мм. Диффузия носителей в толщине мишени оценивается АЧХ, имеющей спад около 0,7–0,8 на 15 периодах/мм. АЧХ считывающего пучка с эквивалентным радиусом 15 мкм имеет спад 0,6 на 15 пер/мм. Таким образом, результирующий спад АЧХ на пространственной частоте 15 пер/мм будет находиться в пределах 0,35–0,4. Например, JIH-446 с размером растра 9,5X12,7 мм при визуальной оценке обеспечивает разрешающую способность по всему полю 600 строк, что эквивалентно 30 пер/мм.
Кремниконы, как и другие видиконы с фотодиодными мишенями, отличаются малой инерционностью, так как фотоэффект полностью безинерционен и величина остаточного сигнала зависит только от эффективности считывания накопленного за время кадра заряда. Как правило, остаточный сигнал у видиконов с кремниевой фотодиодной мишенью не превышает 10% через 40 мс после прекращения освещения мишени.
Характеристика свет-сигнал кремникона линейная. Поэтому динамический диапазон трубки, составляющий около 50, снизу ограничивают шумы предварительного усилителя, а сверху – максимально возможная мощность электронного пучка трубки.
Чувствительность кремниконов выше, чем видиконов со стибнитовой мишенью. Рабочая освещенность на мишени равна 0,1 лк. При освещенности мишени 0,5 лк ток сигнала кремникона ЛИ-446 равен 0,25 мкА.
Область спектральной чувствительности кремникона охватывает участок спектра от 0,4 до 1,1 мкм, поэтому кремникон находит применение в телевизионных системах, работающих в видимой и ближней ИК-областях спектра.
В ближней ИК-области спектра кроме кремникона могут применяться видиконы с другими фотопроводниками. Например, используя для мишени PbO–PbS, создают видиконы с красной границей 1,7-2,5 мкм.
Видиконы для ультрафиолетового излучения применяются главным образом в телевизионных микроскопах для исследования клеток и тканей живых организмов. Они отличаются от видиконов для видимого света лишь использованием для переднего диска материала, который пропускает УФ-лучи (кварц, увиолевое стекло) [20] и материалом сигнальной пластины. Обычная сигнальная пластина из S11O2, сильно поглощающая УФ-излучение, заменяется сигнальной пластиной из платины. Мишень УФ-видиконов изготавливают из аморфного селена, максимум спектральной характеристики которого лежит в области 400-500 нм, но чувствительность сохраняется до 220 нм.
Если для получения высококачественного изображения исследуемого органа чувствительности передающих телевизионных трубок класса видикон недостаточно, то используют трубки с докоммутационным усилением (суперкремниконы, секоны и др.). В офтальмологических приборах для исследования глазного дна (например, в телевизионном ангиофлюориметре) и приборах для исследования люминесценции органов и тканей (микроскопах, эндоскопах) [60] применяются передающие телевизионные трубки класса суперкремникон (рис. 17). В суперкремниконе фотоэлектроны, эмитированные фотокатодом, ускоряются напряжением 8-10 кВ и фокусируются на кремниевой фотодиодной мишени, которая практически не отличается от мишени кремникона. Генерация носителей тока в мишени суперкремникона происходит при торможении первичного фотоэлектрона. Рождение одной пары электрон – дырка в кремниевой мишени происходит в среднем при отдаче первичным фотоэлектроном энергии 3-4 эВ. Таким образом, для напряжения на секции переноса изображения 10 кВ коэффициент усиления сигнала мишенью может достигать нескольких тысяч.
Рис. 17. Суперкремникон. 1 - фотокатод; 2 – секция переноса изображения; 3 - мишень, 4 - секция считывания; 5 – электронный прожектор
Торцевая часть колбы трубки выполнена из плосковогнутого стекловолоконного диска, что позволяет провести коррекцию электронно-оптических аберраций секции переноса, а также сочленять суперкремникон с усилителями света для дальнейшего снижения уровней рабочих освещенностей.
Добавление секции переноса изображения приводит к некоторому снижению разрешающей способности суперкремникона по сравнению с кремниконом. Так, если в кремниконе ЛИ-446 глубина модуляции на мире с пространственной частотой 20 пер/мм составляет 40%, то в суперкремниконе ЛИ-702 та же мира передается с глубиной модуляции только 24 %.
Инерционность суперкремниконов по сравнению с кремниконами практически не увеличивается. У суперкремникона ЛИ-702, как и у кремникона ЛИ-446 она равна 10% через 40 мс после прекращения освещения мишени.
Динамический диапазон рабочих освещенностей суперкремникона можно расширить по сравнению с динамическим диапазоном кремникона в несколько раз за счет изменения коэффициента докоммутационного усиления трубки, регулируя в процессе работы трубки ускоряющее напряжение на секции переноса изображения с фотокатода на мишень. Суперкремникон ЛИ-702 работает при освещенности от 5х10-3 до 1 лк, т. е. динамический диапазон трубки составляет 200, что в 4 раза больше, чем у кремникона ЛИ-446.
Собственный шум суперкремникона несколько больше, чем у кремникона, что связано с темновым током фотокатода и флюктуациями коэффициента докоммутационного усиления.
В суперкремниконах обычно используют многощелочные фотокатоды с интегральной чувствительностью 150-200 мкА/лм с максимумом спектральной чувствительности в области 460-540 нм. Однако возможно использование фотокатодов, чувствительных к ближней ИК-области спектра.
В эндоскопах, офтальмологических, операционных и световых микроскопах, где требуется получение цветного изображения, наиболее широко применяются однотрубочные и одноматричные цветные телевизионных установки, в которых используются многосигнальные видиконы и твердотельные фотоэлектрические преобразователи. Это связано с возможностью разработки на этих преобразователях свет – сигнал безоператорных цветных телевизионных устройств (ЦТУ), камерные головки которых имеют небольшие габариты и массу, малое энергопотребление. Описание многосигнальных видиконов приведено в работах [19, 57]. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи описаны в главе 3. Более подробная информация о твердотельных фотоэлектрических преобразователях содержится в работах [64, 75].
В настоящее время наиболее совершенным многосигнальным видиконом является «триникон», на нем разработаны телевизионные системы для эндоскопии, офтальмологии и микроскопии [50]. Трехсигнальный видикон типа «триникон» с индексным методом разделения сигналов цветоделенных изображений для однотрубочной камеры цветного телевидения впервые разработан японской фирмой Sony в 1971 г. [7]. В основу разработки триникона положен ряд прогрессивных идей, воплощение которых в одном приборе позволило создать малогабаритную безоператорную ЦТУ с высоким качеством цветного изображения. Реализация этих идей привела к конструкции узла мишени триникона (рис. 18), состоящей из торцевого стеклянного диска 1, кодирующих светофильтров 2, изоляционного слоя 3, сигнальной пластины 4 и фотопроводящего слоя 5. После торцевого стеклянного диска колбы видикона в узле мишени перпендикулярно линиям строчной развертки расположены кодирующие светофильтры в виде триад трех основных (R, Q, В) или трех дополнительных цветов (голубой, пурпурный, желтый). Каждый фильтр выделяет изображение своего цвета. Такая конструкция кодирующих светофильтров обеспечивает при сканировании мишени электронным лучом амплитудную модуляцию красным, зеленым и синим сигналами изображения поднесущих одной и той же частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 120°.
Рис. 18. Мишень триникона
Формирование всех трех сигналов цветоделенных изображений в одинаковых условиях обеспечивает правильную цветопередачу окраски объекта по всему рабочему полю. Прозрачности кодирующих светофильтров подобраны так, что при передаче эталонного белого (серого) поля поднесущая не генерируется трубкой. Таким образом, в триниконе поднесущие модулируются цветоразностными сигналами, поэтому помехи, изменяющие цветоразностные сигналы, влияют только на цветность, не изменяя яркости. А такие помехи значительно менее заметны.
За кодирующими светофильтрами в узле мишени триникона расположена сигнальная пластина 4, отделенная от светофильтров изоляционной прокладкой. Сигнальная пластина триникона состоит из двух гребенок, изолированных друг от друга (см. рис. 18) и установленных параллельно штрихам светофильтра с высокой точностью (перекос не превышает 0,01°). Сигнальная пластина выполняет две функции – служит для съема сигнала с трубки и формирования индексного сигнала, который необходим для разделения сигналов цветностей в синхронных детекторах видеотракта ЦТУ. Индексный сигнал формируется за счет подачи на гребенки сигнальной пластины дополнительного напряжения противоположной полярности размахом около двух В. В результате такой модуляции напряжения сигнальной пластины на нагрузке трубки к сигналу изображения добавляется индексный сигнал, частота которого равна частоте смены зубцов гребенок. Эта частота выбирается равной частоте чередования триад светофильтров. Для отделения индексного сигнала от сигнала изображения производится переключение полярности напряжения с частотой строчной развертки, так что фаза индексного сигнала меняется на обратную (на 180°) от строки к строке. Это позволяет выделить индексный сигнал в видеотракте, используя задержку видеосигнала на время одной строки.
За сигнальной пластиной расположен фоточувствительный слой 5, который коммутируется электронным лучом. В триниконе используется фотодиодная мишень сатиконного типа на основе кремния и селена, легированного мышьяком и талием, которая удовлетворяет специфическим требованиям к мишени многосигнального видикона. Сатиконный слой имеет высокую чувствительность ко всем основным цветам, низкую инерционность фотоэффекта, линейную световую характеристику, широкий световой диапазон, спектральную аддитивность фототока, однородный фон, малый темновой ток.
В триниконах используется магнитная фокусировка электронного пучка и электростатическое отклонение (развертка) с помощью электронно-оптической системы типа дефлектрон [21]. Система отклонения типа дефлектрон обеспечивает разрешающую способность выше, чем у видиконов с отклонением магнитным полем, более высокую равномерность сигналов от крупных и мелких деталей по полю изображения и малые геометрические искажения. Эти преимущества обусловлены тем, что дефлектрон – система с одним центром отклонения и независимым отклонением по осям х и у. Один центр отклонения позволяет ортогонализировать пучок с помощью электронной линзы, считывающей потенциальный рельеф, а независимость отклонения обеспечивает малые геометрические искажения [21].
В электронной пушке триникона использован диодный прожектор, позволяющий по сравнению с общепринятым триодным повысить коэффициент использования тока луча и тем самым уменьшить коммутационную составляющую инерционности [117].
Для снижения инерционности в триниконе используется также подсветка мишени со стороны электронного луча [117].
На основе рассмотренных принципов японской фирмой Sony разработан высококачественный триникон типа СТ-2252 для малогабаритных однотрубочных камер цветного телевидения, которые применяются в эндоскопии, офтальмологии и микроскопии. Частота сигнала от фильтров, которая модулируется по амплитуде сигналом цветности, при вещательном стандарте разложения равна 6 мГц. Триникон СТ-2252 обеспечивает хорошую цветопередачу по всему полю изображения; позволяет получить пространственную разрешающую способность в яркостном канале 30 пар линий на 1 мм; при освещенности мишени 18 лк имеет ток сигнала 0,17 мкА; остаточный сигнал через 50 мс после прекращения освещенности не более 2%. Темновой ток трубки не превышает 0,3 нА.
