Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основные фотоэлектрические процессы в видико- не с окисно-свинцовой мишенью
1.1. Особенности построения окисно-свинцовой мишени и ее свойства 3
1.2. Анализ факторов, определяющих эффективность считывания потенциального рельефа в видиконе с окисно-свинцовой мишенью
1.3. Методы исследования фотоэлектрических процессов в видиконе. Постановка задачи
Глава II. Поиск способа улучшения характеристик глетикона и его теоретическое обоснование
2.1. К вопросу о выборке способа повышения эффективности считывания потенциального рельефа в видиконе
2.2. Расчет апертурных переходных характеристик
Выводы ?3
Глава III. Разработка новых методов для исследования характеристик видикона
3.1. Метод исследования энергетического спектра электронов в::кпммутирующем луче
3.2. Метод измерения емкости мишени видикона
3.3. Метод измерения коммутационной инерционности в видиконе
3.4. Метод измерения фотоэлектрических характеристик в видиконе в режиме пересветки. Испытательное оборудование для измерения выходных параметров, а также специальных методов исследования .9
Глава ІV. Исследование характеристик видикона с окисно-сшнцовой мишенью
4.1. Исследование коммутационной инерционности
4.2. Геометрические искажения в вцциконе в зависимости от светового и электрического режима работы, характеристик электронного луча
4.3. Исследование паразитных биений
4.4. Исследование особенностей работы видикона в режиме пересветки мишени 1?\
Выводы
Глава V. Разработка видикона с улучшенными коммутационными характеристиками электронного луча .
5.1. Обоснование новой конструкции электронного прожектора. Практическая реализация способа считывания лучом увеличенного размера
5.2. Экспериментальные исследования приборов с увеличенным размером считывающего луча.
Анализ результатов обследования І6І.
Выводы
Заключение
Литература
- Анализ факторов, определяющих эффективность считывания потенциального рельефа в видиконе с окисно-свинцовой мишенью
- К вопросу о выборке способа повышения эффективности считывания потенциального рельефа в видиконе
- Метод измерения емкости мишени видикона
- Геометрические искажения в вцциконе в зависимости от светового и электрического режима работы, характеристик электронного луча
Введение к работе
Телевидение в настоящее время характеризуется широким применением в нашей культурной жизни и непрерывным повышением требований к качеству телевизионного изображения. Особенно интенсивное развитие в последние годы получило цветное телевидение, обеспечивающее по сравнению с черно-белым более полную передачу информации о передаваемом объекте.
На современном этапе развития телевидение рассматривается как техническое средство вещания, призванное обеспечивать воспроизведение изображения, сравнимое по качеству с изображением кино.
Уровень технических характеристик, а также потенциальные возможности телевидения,в первую очередь, определяются теми звеньями телевизионной системы, в которых производятся начальные преобразования передаваемого изображения в электрический сигнал. Таким важным звеном является передающая трубка. В телевидении находят применение различные передающие трубки. Из всего многообразия передающих трубок особенно широкое применение в цветном телевидении нашел видикон с окисно-свинцовой мишенью. Уникальность фотоэлектрических характеристик позволяет применять его уже долгие годы в различных цветных передающих камерах. Интерес к этому прибору не ослабевает и в настоящее время. Постоянно ведутся работы по совершенствованию этого типа прибора. Успехи, достигнутые в разработке видикона с окисно-свинцовой мишенью, позволили существенно улучшить эксплуатационные характеристики телевизионных систем. Однако все возрастающие требования к качеству телевизионного изображения предъявляют более жесткие нормы к выходным характеристикам передающих трубок.
На уровне выдвигаемых современных требований следует признать і -J- достигнутые выходные параметры недостаточно удовлетворительными. Так при работе приборов в диапазоне малых освещенностей резко ухудшается качество цветопередачи динамических сюжетов. Неудовлетворительно обеспечивается совмещение монохромных изображений в цветной камере, что приводит к цветовым искажениям. Недостаточно широк световой диапазон работы приборов и качество телевизионного изображения в режиме пересветки и т.д.
Таким образом, исследование электрических и фотоэлектрических процессов приобретает важное значение и без их качественного и количественного анализа невозможно оптимальное построение передающей трубки.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию процессов при коммутации лучом электронов окисно-свинцовой мишени видикона и разработке прибора с улучшенными выходными характеристиками. Наибольшее внимание в работе уделено исследованию таких характеристик, которые в большей степени зависят от физических процессов при считывании потенциального рельефа с мишени видикона лучом электронов. Выбор для изучения процессов коммутации не случаен так как именно характеристики луча в сочетании со свойствами мишени определяют основные электрические и фотоэлектрические процессы, ответственные за выходные параметры видикона.
В результате проведенной работы были обоснованы и сформулиро-ваныгследуюшие научные положения:
I. повышение эффективности считывания потенциального рельефа в глетиконе, а следовательно улучшение всех его основных характеристик, обеспечивается увеличением времени коммутации элементов мишени без изменения режима телевизионного разложения изображения за счет использования луча увеличенного размера с заданным распределением плотности тока в направлении сканирования;
2. применение динамического режима измерения характеристики задержки смещающимся по кадру луча электронов позволяет оператив но (в течении нескольких минут?) и с высокой степенью точности - с относительной среднеквадратической погрешностью не превышающей 2,5$ - оценивать в видиконе энергетический спектрлуча; использование метода зарядки мишени сканирующим лучом в стандартном режиме разложения обеспечивает возможность измерения емкости мишени достаточно малой величины независимо от степени поверхностного растекания заряда мишени с относительной погрешностью не более 5%; применение в видиконе электронного прожектора, формирующего луч увеличенного сечения с определенным распределением плотности тока по фронту сканирования при сохранении разрешающей способности, обеспечивает улучшение следующих параметров: существенное уменьшение инерционности; расширение светового диапазона; устранение паразитных биений; повышение качества передачи цветного изображения в режиме большой освещенности; - увеличение срока службы. Работа состоит из пяти глав.
В первой главе проведен анализ электрических и фотоэлектрических процессов, а так же методов исследования характеристик передающих трубок на основании чего сформулировано направление работы на создание видикона с улучшенными светотехническими параметрами.
Во второй главе приведено теоретическое обоснование способа считывания потенциального рельефа с мишени видикона лучом увеличенного сечения, позволяющего оптимизировать параметры видикона.
Сформулированы требования на характеристики луча увеличенного сечения, расчитан ожидаемый выигрыш по инерционности при использовании данного способа. Расчитаны также переходные характеристики с целью выбора оптимальной формы апертуры.
В третьей главе изложены результаты разработки новых методов, позволяющих оценивать с высокой степенью точности характеристики видикона, необходимых для изучения электрических и фотоэлектрических процессов.
Четвертая глава посвящена исследованию важнейших характеристик видикона и анализу факторов, влияющих на эти характеристики.
Последняя глава посвящена разработке видикона. В ней дано обоснование новой конструкции прожектора, благодаря которой практически реализован способ считывания потенциального рельефа лучом увеличенного сечения. Приведены данные экспериментальных исследований видиконов усовершенствованного типа.
Анализ факторов, определяющих эффективность считывания потенциального рельефа в видиконе с окисно-свинцовой мишенью
Известно, что такие параметры передающих телевизионных трубок как чувствительность, разрешающая способность, инерционность и другие зависят от эффективности считывания лучом электронов потенциального рельефа с мишени видикона.
Под эффективностью считывания потенциального рельефа понимается степень (глубина) зарядки мишени коммутирующим лучом. Эффективность считывания потенциального рельефа можно оценивать конкретными характеристиками, которые определяют зарядку мишени и практически могут быть измерены. В процессе коммутации электронный луч взаимодействует с поверхностью мишени, поэтому и характеристики луча и мишени в той или иной степени будут определять эффективность считывания потенциального рельефа в видиконе.
Цепь зарядки мишени обычно представляют эквивалентной схемой (рис.1.2). Элемент мишени рассматривается как параллельная цепь, состоя Сопротивление электронного луча /. представляет собой обобщенную характеристику коммутирующего луча, которое зависит от ряда факторов: величины тока считывающего луча, ширины энергетического спектра луча, вторично-эмиссионных характеристик фотослоя, специфики и условий работы видикона. Величина сопротивления электронного луча не постоянна и в зависимости от потенциала мишени со стороны коммутации может изменяться в широких пределах. В свою очередь условия работы мишени видикона существенно влияют на процесс коммутации, изменяя его количественную и качественную стороны, при этом возникают такие специфические явления, как эффект самозаострения и подгиб электронного луча /18-27,35/. Указанные факторы в значительной степени усложняют процессы в видиконе и оказывают существенное влияние на формирование выходного сигнала трубки.
Коммутационная способность электронного луча во всем световом диапазоне работы трубки лучше всего определяется вольт-амперной характеристикой вакуумного промежутка или, как ее чаще называют, характеристикой задержки. Характеристика задержки видикона представлена на рис.1.3 (кривая 2).
Наклон кривой определяет проводимость, а ее обратная величина - сопротивление электронного луча. Кривую оседания можно также считать кривой дисперсии скоростей электронов луча. Если дисперсия скоростей электронов уменьшается, то, согласно молекулярно-кинетической теории газов, происходит понижение эквивалентной температуры луча 1 э и его сопротивления Рл ,
Как видно из рис.1.3, расчетная характеристика (кривая I) имеет две области: область насыщения и экспоненциальная. Очевидно, что предельная крутизна характеристики задершш в конечном счете определяется эффективной температурой катода.
Экспериментальные характеристики существенно отличаются от расчетной задержки как крутизной, так и своим видом. В работах /28,29/ отмечается, что в отличие от расчетной зависимости экспериментально снятые характеристики, помимо экспоненциальной области А и области насыщения С (рис.1.3, кривая 2), имеет линейный участок В, причем по мере увеличения тока считывающего луча происходит его расширение. Как считают авторы работы, участок В обусловлен влиянием изменяющегося коэффициента вторичной эмиссии. Область переходного участка характеристик в значительной степени зависит от вторично-эмиссионных свойств мишени.
В работе /30/ приведены данные измерений характеристик задержки на видиконах с ОСМ, из которых следует, что эффективная температура луча в плоскости мишени увеличивается по отношению к температуре катода в 1,8-5 раз.
Результаты детального исследования характеристик электронного луча в передающих трубках представлены в работе /31/. Показано, что величина разброса электронов по энергиям в коммутирующем луче в плоскости мишени составляет 0,6-1,46 на половине высоты функции распределения электронов по энергиям, что в 3-4 раза превышает значение соответствующих характеристик энергетических спектров электронов на катоде.
К вопросу о выборке способа повышения эффективности считывания потенциального рельефа в видиконе
Одним из возможных путей повышения эффективности считывания потенциального рельефа в видиконе является усовершенствование электронно-оптической системы, которае может быть сведено к изменению конструкции.
Известно, что эффективность считывания можно повысить за счет уменьшения разброса электронов по скоростям в коммутирующем луче путем оптимизации режима работы электронного прожектора. Это один путь решения.
Однако, как было показано расчетами, даже при теоретически достижимом значении эффективной температуры луча в плоскости мишени до температуры катода не удается снизить инерционность в видиконе до желаемого значения, при значениях сигнала (освещенности) меньше О.О мкА.
Следовательно, для улучшения коммутационных характеристик электронного луча необходимо применять дополнительные способы. Одним из таких способов является искусственное /82/ повышение потенциала мишени путем ее подсветки. Этот способ весьма эффективен для снижения инерционности видикона и нашел широкое распространение, однако он имеет ряд существенных недостатков: - дополнительная подсветка мишени ухудшает неравномерность сигнала по полю изображения; - усложняется конструкция прибора за счет оптической системы, а такж аппаратура,в которой работает видішон вследствие введения дополнительных источников питания; - возрастает потребляемая мощность видикона.
Другой способ заключается в том, что увеличивается время коммутации элементов мишени. Известен способ /38/, в котором увеличение времени коммутации достигается считыванием остаточного потенциального рельефа на обратном ходу луча. Этот способ сложен, так как, во-первых, требует специального типа электронного прожектора, а, во-вторых, достаточно сложной схемы управления электронным лучом.
Известен также способ /83/, в котором для быстрого стирания остаточного заряда после каждого цикла считывания (съема полезного сигнала) следует цикл стирания. Сигнал во время стирания не снимается, скорость развертки на это время удваивается (растр сканируется дважды) и увеличивается ток луча. Данный способ достаточно сложен, так как требует изменения режима работы прибора и сложной схемы управления. Другим существенным недостатком этого способа является то, что часть рабочего времени прибора отводится на подготовку прибора, что снижает информационную емкость телевизионной системы.
Выше отмечалось, что процесс зарядки мишени видикона сопровождается вторичной эмиссией, сказывающейся на фронтальной и хвостовой частях луча.
Эта особенность зарядки накопительной мишени лучем медленных электронов может быть успешно использована в способе для повышения эффективности считывания потенциального рельефа видикона, который рассматривается ниже.
Предлагаемый способ считывания зарядов мишени отличается от известных простотой реализации и свободен от недостатков, отмеченных в известных способах.
Сущность данного способа заключается в том, что время коммутации увеличивается за счет увеличения площади сечения луча в плоскости мишени при условии сохранения определенного распределения плотности тока в луче по фронту сканирования /ВЗ/. При этом все параметры и прежде всего разрешающая способность, вопреки установившемуся убеждению, остается на уровне параметров приборов, хработаюших в обычном режиме считывания, когда луч имеет стандартное сечение. Как известно, повышение эффективности считывания потенциального рельефа в передающих телевизионных трубках приводит прежде всего к улучшению инерционности прибора.
Очевидно, в случае большой площади сечения луча, когда площади различных групп полос, коммутируемые лучом, примерно равны ( S/ -,) переменная составляющая сигнала будет близка к нулю и соответственно /7? — О, Из приведенного соотношения (2.1) видно, что при увеличении сечения луча разрешающая способность ви-дикона будет уменьшаться пропорционально площади сечения луча. Глубина модуляции по приведенному расчету определяется соотношением размера луча и передаваемых деталей. Однако данное доказательство не учитывает фактор поочередности коммутации деталей изображения, предполагая, что зарядка идет одновременно на всех участках изображения, перекрываемых лучом при одинаковых условиях. Рассмотрим более детально коммутацию потенциального рельефа в виде линейчатой структуры лучами с различной площадью сечения (рис.1.1).
Метод измерения емкости мишени видикона
Элкость мишени является одним из важнейших параметров фотослоя, определяющигл в конечном счете выходные характеристики видикона. Малая величина емкости окисно-свинцовых мишеней является их отличительной особенностью, которая должна учитываться при выборе метода для ее измерения. Ниже рассмотрены разработанные два метод /65/ измерения емкости, в которых устранены некоторые источники ошибок, присущие способам, описанным в работах /59,60/. В первом методе измерения производятся с помощью неподвижного расфокусированного луча электронов. Емкость определяется для части мишени, облучаемой как и в способе, описанном в работе /58/. В качестве регистрирующего устройства используется осциллограф с памятью, включенный в цепь мишени видикона. На катод видикона подается отпирающее напряжение г , при этом на экране осциллографа наблюдается кривая тока зарядки мишени (рис.3.7). Вторым интегралом в формуле (3.15) можно пренебречь у видико нов с малыми темновыми токами. Например, для видикона XQ -.4020 величина темнового тока оставляет 0,5 нА и практически не вносит погрешности в измерени» емкости.
Площадь заряжаемой части мишени, для которой рассчитывается емкость, определяется как и в способе /Ь9/ включением развертывающих устройств и измеряют на видеоконтрольном устройстве. Следует отметить, что при определении размера пятна на некоторых видах мишени с большой поверхностной проводимостью возможна ошибка за счет растекания заряда по поверхности слоя.
Характер деформации потенциального рельефа во времени в зависимости от свойств мишени подробно исследован в работе /64/. С учетом сказанного, время на зарядку мишени и интервал между окончанием зарядки мишени и экспозицией заряжаемого участка на видеоконтрольное устройство должно быть по-возможности ограничено.
Размер сканируемой площади мишени видикона, для которой измеряют емкость, легко определяется путем вписывания сфокусированного изображения тест-таблицы по гасящим импульсам видеоконтрольного устройства.
Для повышения точности измерений в тех видиконах, где не наблюдается перекрытие строк, целесообразно использовать первый способ или режим развертки по кадру следует изменить таким образом, чтобы происходило частичное перекрытие строк. Тем самым будет гарантирована зарядка всей сканируемой части мишени. В этом случае площадь сканирования мишени определяется по относительному изменению размеров тест-таблицы по ВКУ к размерам при оптимальном вписывании изображения тест-таблицы.
Кроме того, можно определить емкость мишени передающих трубок с большими темновыми токами. Однако при этом следует учитывать темновой ток. Например, у видиконов типа ЛИ42І в одном из режимов работы темновой ток может быть порядка 200 нА. Поэтому для видиконов с большим темновым током необходимо измерить вольтампер-ную характеристику темнового тока и произвести вычисления по формуле 3.15.
Если учесть, что темновой ток в значительной мере зависит от приложенного напряжения к фотослою,- то с достаточной степенью точности емкость мишени можно измерить при малом напряжении на сигнальной пластине видикона и рассчитать по формуле (3.16).
Однако измерение с пониженным напряжением на сигнальной пластине с целью снижения темнового тока можно проводить не во всех случаях. Известно, что мишень плгомбикона представляет собой фотодиод, включенный в обратном направлении. Из теории полупроводников известно также, что величина емкости диода может изменяться в широких пределах в зависимости от приложенного к нему напряжения. Поэтому для решениях некоторых исследовательских задач целесообразно измерение емкости проводить в решше видшшна, близкому к рабочему.
При выключенном положении переключателя BI к фотодиоду приложено постоянное напряжение, которое определяется источником Eg. При включении тумблера BI к фотослою прикладывается дополнительное напряжение ( V/ ) от источника Е-r, при этом происходит зарядка емкости мишени, которая и регистрируется на осциллографе 2. Расчет емкости производится по формуле 3.16, при этом вместо i/cti в формулу подставляют 1/,
Итак, выше описаны несколько способов измерения емкости, каждый из которых может быть использован для решения конкретных исследовательских задач. Данные методы использовались для измерения емкостей мишеней передающих трубок типа глетикон, обладающих большим поверхностным растеканием заряда на мишени и относительно малой величиной емкости по сравнению с другими типами видиконов.
Геометрические искажения в вцциконе в зависимости от светового и электрического режима работы, характеристик электронного луча
Точность воспроизведения геометрических размеров передаваемых объектов является одним из важных параметров телевизионных систем. Известно, что для вещательного черно-белого телевидения удовлетворительной считается норма на геометрические искажения в 1%. Эти нормы в значительной степени ужесточаются при использовании телевизионных систем для фотограметрических методов измерений, которые дают ценную количественную информацию для научных исследований. Еще более жесткие требования на геометрические искажения предъявляются при цветном телевизионном вещании. В современных цветных передающих камерах для образования цветного изображения используются 3-4 передающие трубки. Качество передачи цветного изображения во многом определяется точностью совмещения изображений, передаваемых всеми трубками камеры. Таким образом, для более точного совмещения изображения в камерах ЦТ требуются трубки с малыми геометрическими искажениями.
В данной главе рассматриваются геометрические искажения в ви-диконе с ОСМ в зависимости от коммутационных характеристик электронного луча при различных условиях электрического и светового режимов работы передающей трубки.
Обычно считают, что геометрические искажения в видиконе в значительной степени зависят от точности сборки электронно-оптической системы. Однако, как будет показано исследованиями, эти искажения в неменьшей степени определяются особенностью коммутации потенциального рельефа мишени электронным лучом /?9/. В процессе коммутации электронный луч в области сетка-мишень смещаетоя под воздействием полей потенциального рельефа. Степень такого смещения зависит от ряда факторов: глубины потенциального рельефа, энергетического спектра луча, электрического режима работы видикона.
Были проведены исследования зависимости смещения луча от вели -f2S чины сигнала трубки по методу /4Q/. Измерения проводились в центре и на краю растра. На светочувствительный слой передающей трубки проектировалась испытательная таблица 0479, содержащая черные точки по полю изображения размером в один элемент разложения. От генератора электрических точек на входе видеоконтрольного устройства подавались сигналы, которые тщательно совмещались с точками изображения испытательной таблицы.
При изменении освещенности (тока сигнала) изображения контрольные точки смещаются относительно электрических точек. Изменяя постоянный ток в цепи отклоняющих катушек, можно добиться вторичного совмещения точек от генератора на изображении таблицы. Геометрические искажения оценивались по показанию измерительного прибора, включенного в цепь отклоняющих катушек. Смещение контрольной точки измерялось в наносекундах в диапазоне значений тока сигнала от 20 до 60 нА.
Усредненные характеристики смещения контрольной точки в зависимости от тока сигнала прибора приведены на рис.М.8. Большую количественную разницу в смещении контрольной точки на краю растра в сравнении с центром можно объяснить в основном влиянием потенциального поля некоммутируемой части мишени, которое значительно превышает поле коммутации, хотя есть и другая причина, связанная с изменением характеристики электронного луча в краевой зоне растра /24/.
Относительное смещение координаты контрольной точки в диапазоне малых значений тока сигнала значительно превышает смещение при больших значениях тока сигнала. Величина смещения луча зависит от ряда факторов, но в конечном счете определяется распределением поля в промежутке сетка-мишень. В данном случае уменьшение относительного смещения луча при больших значениях тока сигнала можно объяснить размытием потенциального рельефа мишени за счет евето-рассеивания при больших освещенностях, т.е. уменьшением относительного влияния поля коммутации.
Известно, что в зависимости от физико-химических свойств мишени поверхностное растекание заряда может существенно изменяться /ВО/. Как показали экспериментальные исследования в приборах с малым поверхностным растеканием, смещение луча значительно больше, чем в приборах с большим поверхностным растеканием.
Если же провести измерения смещения контрольной точки вблизи потенциального порога при постоянной величине тока сигнала, то зависимость смещения от потенциального порога будет практически линейной. Потенциальный порог при данных измерениях создавался искусственно подачей запирающего импульса в непосредственной близости от контрольной точки в центре растра. На не коммутируемой части растра в зоне запирающего импульса устанавливался потенциал, соответствующий напряжению сигнальной пластины. Изменение потенциального порога задавалось изменением напряжения на сигнальной пластине ( Vc/t) Измерения проводились при малой освещенности и величине тока сигнала 20 нА.
Для количественной оценки величины смещения луча в реальном световом диапазоне работы видикона вблизи потенциального порога, близкого к потенциалу сигнальной пластины (режим пересветок), измерения смещения были проведены при величинах тока сигнала 200 и 20 нА. Были получены смещения 32 и 57 не соответственно. Так как при величине тока сигнала 20 нА потенциальный порог больше, чем при 200 нА, то и отклонение луча больше.
