ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
В последние годы разработано много новых типов телевизионных передающих трубок, чувствительных к излучению в инфракрасной области спектра. Большая часть из них имеет однотипную схему устройства, аналогичную видикону, и отличается только конструкцией и материалом мишени. Особую группу образуют трубки с пироэлектрической мишенью (пириконы), чувствительные к инфракрасному излучению в диапазоне длин волн 8... 14 мкм. Их применяют в тепловизорах, предназначенных для наблюдения слабо нагретых объектов.
Рис. 3.2. Устройство видикона с монокристаллической полупроводящей мишенью
Область спектральной чувствительности обычных видиконов зависит от свойств применяемого материала мишени, который выбирают в зависимости от назначения прибора. Для хорошего накопительного действия слоя его удельная проводимость должна быть порядка 10~п Ом-1 • см-1. Это условие является тяжелым для слоя, чувствительного к инфракрасным лучам, так как его проводимость и длинноволновая граница чувствительности связаны между собой и определяются через энергию перехода АЕ: чем меньше АЕ, тем больше проводимость и длинноволновая граница. Расширение спектральной области чувствительности видикона можно получить с помощью слоя зернистой структуры, запорного слоя, или введением низкоомного материала, чувствительного к инфракрасному излучению.
Основными элементами видикона являются монокристаллическая полупроводящая мишень 3 (рис. 3.2) и электронный прожектор. Мишень преобразует оптическое изображение, сфокусированное объективом 1, в электрические сигналы, прожектор создает коммутирующий луч.
Мишень видикона представляет собой тонкий слой (1...20 мкм) высокоомного фотопроводника, нанесенного на проводящую подложку. Удельное сопротивление фотопроводника подобрано таким образом, чтобы на мишени потенциальный рельеф эффективно накапливался в течение всего кадра. Основным материалом для мишени в течение длительного времени служит сульфид сурьмы. Применяются также селен и сложные соединения, содержащие сурьму, серу, селен, мышьяк. Излучение наблюдаемого объекта попадает на мишень через входное окно 2.
Во время работы видикона мишень заряжается электронным лучом, поперечное сечение которого примерно в 106 раз меньше его площади. Зарядка Отдельных участков мишени производится последовательно, по мере того, как луч строку за строкой прочерчивает мишень. Время, за которое заряжается вся рабочая поверхность мишени (растр), называется временем кадра. Зарядка участка, сравнимого по площади с поперечным сечением луча, длится около 10-'с.
Поступление электронов из луча на мишень вызывает появление такого же по значению тока во внешней цепи сигнальной пластины. Разность между токами, протекающими в цепи сигнальной, пластины, в те моменты, когда луч находится на темном и светлом участках, образует сигнал. Процесс последовательной зарядки отдельных участков мишени движущимся электронным лучом носит, название считывания или коммутации.
Формирование электронного луча и управление его движением осуществляется прожектором и одеваемой на баллон 6 видикона фокусирующе- отклоняющей системой (ФОС). Прожектор видикона состоит из термокатода 13 (см. рис. 3.2), эмитирующего электроны; расположенного около него модулятора 12, который имеет отрицательный потенциал и за счет этого управляет значением тока, отбираемого от катода; первого анода 10, находящегося под положительным потенциалом и создающего необходимое ускоряющее поле для ухода электронов с катода. В первом аноде имеется вырезывающая (апертурная) диафрагма, диаметр отверстия которой соизмерим с диаметром луча у мишени. Потенциал второго анода 9 (t/a2) обычно близок к потенциалу первого анода (t/aI), поэтому линза, образующаяся между анодами, существенной роли в фокусировке электронного пучка не играет. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой производится отклонение луча, и является коллектором вторичных электронов с мишени. Потенциалы первого и второго анодов составляют обычно 280...350 В. Третий анод 8 заканчивается мелкозернистой сеткой. Значения потенциалов сигнальной пластины 4 Uc находятся в интервалах Uс = 0...100 В и Чс= 100 B...t/a2. В первом случае при коммутации потенциал поверхности мишени понижается, стремясь приблизиться к потенциалу катода. Такой режим работы видикона называется режимом с разверткой медленными электронами (или режим отрицательной зарядки). При втором режиме потенциал поверхности мишени повышается, стремясь приблизиться к потенциалу второго анода. Такой режим работы называется режимом с разверткой быстрыми электронами (или режим положительной зарядки). Для работы в режиме медленных электронов второй анод на стороне, обращенной к мишени, обычно имеет мелкоструктурную сетку, создающую перед мишенью однородное электрическое поле.
Фокусирующе-отклоняющая система включает в себя несколько катушек: фокусирующую 5, группу отклоняющих 7 — одна пара создает отклонение по горизонтали (по строкам), вторая — по вертикали (по кадру). Кроме того, ФОС содержит корректирующие катушки 11 — для направления луча параллельно оси трубки (для исправления возможных недостатков сборки прибора).
Видиконы с электростатическими фокусировкой и отклонением луча не имеют внешних ФОС. Наличие ФОС резко увеличивает массу, габаритные размеры и мощность, потребляемую телевизионной камерой. В видиконе с электростатической фокусировкой этот недостаток передающих камер устранен. Фокусировка электронного луча в таких видиконах осуществляется электростатической линзой. Она представляет собой три (или четыре) соосных цилиндрических электрода, один из которых имеет переменный потенциал; варьируя этот потенциал, можно добиться хорошей фокусировки. Недостаток видиконов с электростатической фокусировкой — необходимость уменьшения отверстия апертурной диафрагмы для получения требуемой разрешающей способности прибора.
Существует два типа комбинированных видиконов. Первый тип — видикон (ЕН) с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением луча имеет все преимущества видикона с электростатической фокусировкой. По сравнению с обычными видиконами в этой конструкции имеется выигрыш по габаритам, массе и потребляемой мощности.
Второй тип комбинированных видиконов (НЕ) имеет электростатическое отклонение луча в магнитном фокусирующем поле. Трубки этого класса также имеют все преимущества видиконов с электростатическим отклонением, хотя (ввиду того, что отклонение производится в области, где действует фокусирующее поле) напряжение отклонения велико, т. е. примерно такое, как у магнитного видикона. Однако в таких видиконах разрешающая способность выше, чем в видиконах с магнитным отклонением луча, а равномерность фокусировки по полю изображения значительно лучше. Ортогональность траекторий движения отклоненных электронов к мишени обеспечивает хорошую равномерность сигнала по полю изображения. Из-за наличия внешней фокусирующей катушки габариты, масса и потребляемая мощность почти такие же, как у магнитного видикона.
На рис. 3.3 изображены спектральные характеристики двух современных отечественных видиконов с мишенями из трехсернистой сурьмы и с диодно-мозаичной кремниевой. Последняя выполнена на основе пластины кремния с проводимостью п-типа, в которой легированием в парах бора созданы островки с проводимостью р-типа. Запорная зона, возникающая между ними, создает высокое сопротивление разрядке мишени. Сам кремний низкоомен (р я* 10-1...10 Ом * см), поэтому во избежание проводимости вдоль, мишени, р-участок имеет мозаичную структуру. В мишени на площади 1 см2- образовано более 5 • 105 отдельных р -участков. Чтобы электронный луч не заряжал поверхность мишени между р-участками, они имеют выступы в виде грибков, либо полупроводящее покрытие на этих участках.
Рис. 3.3. Спектральные характеристики видиконов с мишенью из трехсернистой сурьмы (а) и с диодно-мозаичной кремниевой (б)
Благодаря использованию эффективного низкоомного фотопроводника трубка имеет высокую чувствительность и малую инерционность, что достигается малой инерционностью фотоэффекта и небольшой емкостью самой мишени. Запорный контакт обеспечивает малые темновые токи.
Одна из конструкций видикона иностранного производства (с длинноволновой границей чувствительности около 2,5 мкм) изображена на рис. . 3.4. Мишень изготовлена из монокристалла германия. Для того чтобы слой не разрушался электронным лучом, сканирование осуществляется медленными электронами. Равномерное тормозящее поле перед мишенью обеспечивается с помощью сетки. Мишень охлаждается продуктами испарения жидкого азота, непрерывно поступающего в трубопровод из сосуда Дьюара. Температура мишени 78 К поддерживается при расходе жидкого азота 30 см3/ч.
Для устранения термических напряжений все детали системы охлаждения, детали, соединенные сваркой, изготовлены из одного металла.
Эффективное считывание теплового изображения объекта на мишени- (при скорости развертки 50 кадров/с) оказалось возможным при высоком значении электронного тока луча (2,5мкА). Последнее обусловило конструкцию электронного прожектора со сравнительно большими отверстиями в модуляторе и электроде, благодаря чему используется значительная часть эмитирующей поверхности катода.
Излучение, создаваемое накаленным катодом, может привести к засветке мишени. Для устранения этого явления ось электронно-оптическои системы наклонена относительно геометрической оси трубки на угол 4 , так что- световые лучи катода не попадают на мишень; «выпрямление» электронного луча производят поперечным магнитным полем, а его фокусировку перед мишенью — аксиальным магнитным полем.
Крутизна характеристики трубки 1,9 мкА/В при токе луча 6,7 мкА и напряжении на мишени 5 В. При относительном отверстии объектива 1 : 4,5 с помощью трубки различаются объекты с температурой поверхности 180 °С; для объектива с относительным отверстием 1 : 1,5 пороговая температура снижается до 150°С. При меньшей температуре трубка может различать только подсвечиваемые объекты.
В нашей стране разработан видикон с монокристаллической полупроводниковой мишенью для работы в спектральной области до 4 мкм. При испытании трубки получены телевизионные изображения объектов, нагретых до температуры 125 °С и выше.
Рис. 3.4. Видикон с мишенью из монокристалла германия:
1 — модулятор; 2 — коллимирующая камера; 3 — световой луч накаленного катода; 4 — замедляющая сетка; 5— вывод видеосигнала; 6 — трубопроводы с расширенными соплами для подачи жидкого азота; 7 — входное окно; 8 — контур охлаждения; 9— мишень; 10 — электронный луч; 11 — электронно-оптическая система; 12 — катод
Пороговая облученность при этой температуре 1 * 10~6 Вт/см2, получаемое изображение практически безынерционно.
Рис. 3.5. Схема мишени на основе InAs (а) и спектральная характеристика видикона (б):
1 — падающее тепловое излучение, 2 — п+-область; 3 — n-область; 4 — сканирующий электронный луч; 5 — р-область
Для увеличения длинноволновой границы чувствительности видикона применяют мишени на основе InAs (рис. 3.5,а). Здесь n-область обращена к наблюдаемому теплоизлучающему объекту; р-область обегает развертывающий электронный луч. Максимум спектральной характеристики видикона 4рис. 5, б) приходится на длину волны "К = 3,25 мкм [39].
В видиконах обычных конструкций мишень выполняют из тонких полупроводниковых пленок, чувствительных к механическим нагрузкам, вследствие чего долговечность этих трубок невелика. Новейшие разработки видиконов связаны с применением мишени в виде диодной матрицы, отличающейся высокой прочностью и большой чувствительностью. Созданию таких видиконов способствовали достигнутые успехи в технологии производства пленарных кремниевых полупроводниковых структур. Мозаика кремниевых фотодиодов имеет толщину порядка 0,05...0,1 мм.
Параметры видиконов с мишенью в виде мозаики кремниевых диодов число фотодиодов на площади 15,7 X 12,2 мм2 468 тыс., диаметр каждого, диода 7,5...8,0 мкм, расстояние между центрами двух соседних диодов 20 мкм; максимальная чувствительность соответствует длине волны 0,9 мкм и примерно в 20 раз больше, чем у обычного видикона. Последнее объясняется тем, что квантовый выход монокристаллического кремния значительно больше чем у полупроводниковых пленок с множеством центров рекомбинации.
Рис. 3.6. Схема конструкции термикона.
1 — отражающее зеркало; 2 — падающее излучение; 3 — входное окно;
4 — холодильник; 5 — чувствительный элемент; 6— корпус (диаметр 85, длина 285 мм); 7 — фотоумножитель; 8 — выходной сигнал; 9 — кинескоп, создающий бегущий световой луч; 10 — фильтр, поглощающий тепловое излучение; 11 — объектив
Голландской фирмой «Филипс» разработан видикон с мишенью, сформированной из 480 тысяч кремниевых диодов. Диаметр каждого из них 8 мкм, расстояние между двумя соседними диодами 20 мкм. Видикон отличается высокой чувствительностью в красной и инфракрасной областях спектра. По. данным фирмы новая трубка пока не пригодна для применения в телевизионных камерах из-за чрезмерной зависимости темнового тока от температуры, однако ее можно использовать в приборах ночного видения и в диагностической аппаратуре.
При использовании видиконов в тепловизорах возникает две основные проблемы. Первая проблема связана с высоким уровнем потоков излучения от наземного фона в далекой инфракрасной области спектра, что приводит к насыщению мишеней, генерирующих заряды и к обеднению электронами считывающих пучков. Это означает, что передающие камеры с полупроводниковыми мишенями могут успешно работать только на холодном фоне, например на фоне космоса. Вторая проблема состоит в том, что во избежание паразитной модуляции необходимо иметь очень высокую однородность чувствительности мишени видикона. На основе видиконов созданы тепловизиониые системы для наблюдения сильно нагретых объектов.
Термикон и фильтерскан. Основной деталью телевизионной передающей трубки термикон является чувствительный элемент в виде тонко» прозрачной пленки, покрытой с одной стороны веществом, поглощающим тепловое излучение, а с другой — фотоэмиттером, чувствительным к изменению температуры (рис. 3.6).
Малая инерционность ЧЭ достигнута уменьшением его теплоемкости и толщины составляющих компонентов. В качестве основы выбрана пленка из SiO толщиной 5 нм или из А1203 толщиной 20 нм. Поглощающий слой наносят напылением в вакууме золота или серебра на толщину (10...20) нм. Коэффициент поглощения такого слоя примерно одинаков в диапазоне длин волн 3...15 мкм. Толщина фотослоя, нанесенного на пленку с противоположной стороны, составляет 40 нм, диаметр ЧЭ 30 мм, суммарная толщина — 50...70 нм, что обеспечивает постоянную времени около 30 мс. Висмуто-цезиевые и висмуто-рубидиевые слои наносят на подслой из окиси олова. В диапазоне температур 150...170 К температурный коэффициент фототока этих- слоев достигает 0,05...0,07 А • К-1.
Для тепловой изоляции ЧЭ в корпусе создан глубокий вакуум, необходимый также для нормальной работы фотоумножителя. Поле зрения ограничивается диафрагмой, охлаждаемой жидким азотом, которая задерживает излучение от стенок трубки и одновременно охлаждает ЧЭ.
Входное окно, через которое проходит излучение от рассматриваемого объекта, изготовлено из кристалла BaF2,прозрачного для инфракрасных лучей с длиной волны до 15... 16 мкм. Во избежание растрескивания кристалла при охлаждении корпуса прибора кристалл приваривают к корпусу через переходное кольцо из хлористого серебра — эластичного и прочного материала.
Объективом проецируются на ЧЭ изображения наблюдаемого объекта светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки по заданному закону. В отклоняющие катушки трубки ток поступает от генератора развертки. В зависимости от положения светящегося пятна на ЧЭ и распределения температуры по его поверхности количество эмитируемых электронов и выходной сигнал изменяются на 2...3 % на каждый градус изменения температуры. Выходной сигнал подается на модулирующий электрод индикатора, на экране которого получается изображение теплоизлучающего объекта.
Максимальная разрешающая способность термикона 50 линий на всю картину при регулируемом температурном перепаде Д71 = 1° [63].
Рис. 6.7. Схема конструкции фильтерскана
Трубка фильтерскан, изобретенная в 1959 г., состоит из конической в цилиндрической частей, оси которых расположены под углом (рис. 3.7). Инфракрасное изображение наблюдаемого объекта фокусируется объективом 1 на силиконовое входное окно 2 конической части трубки 3. Прошедшее через окно излучение выходит через выходное окно 4, прозрачное для инфракрасных лучей, и фокусируется с помощью зеркально-линзового объектива 6 на ЧЭ внешнего приемника излучения 5.
В цилиндрической части трубки размещен электронный прожектор 7, фокусирующие и отклоняющие катушки 8. Электронный луч 9 направлен на внутреннюю поверхность полупроводникового (силиконового) окна. В точке, где сфокусированный электронный луч.
Отклоняющая система прожектора заставляет электронный луч и создаваемое им пятно перемещаться по полупроводниковому окну, образуя растр. Так как энергия, поглощаемая бегущим пятном, определяется яркостью закрываемого им участка инфракрасного изображения наблюдаемого объекта, выходной сигнал ПИ зависит от изменения яркости по площади изображения. Подавая этот сигнал на приемный кинескоп, развертка которого синхронизирована с движением электронного луча, воспроизводят визуальное (негативное) изображение объекта.
Трубка фильтерскан имеет следующие параметры: площадь бланкирующего пятна 3,1 • 10-4 см2, площадь входного окна 2,24 см2, площадь ЧЭ 0,1 см2.
