fW5B0fDXqV

9.6. Минимальный сигнал с тестовой панели. В данном случае под сигналом с тестовой панели понимается та часть строки изображения, которая представляет собой отображение тестовой панели на ПЗС матрице и соответственно ее представление в видеосигнале.

10. Исследование эффекта растекания заряда

10.1.Выбрать на осциллографе тестовую строку с изображением тестовой панели.

10.2.Установите напряжение, при котором минимальный сигнал с тестовой панели стал равен минимальному (см. предыдущий пункт).

10.3.Плавно повышая напряжение определить момент начала растекания заряда, который характеризуется началом увеличения времени, которое удерживается максимальное напряжение на тестовой панели. (горизонтальный участок напряжения в пределах одной сороки.). Напряжение на лампе не должно превышать 80 вольт.

11. Выключить осциллограф. Для этого повернуть ручку 6 в крайне левое положе-

ние.

12. Выключить ВКУ, выключить блок питания видеокамеры.

Расчет основных величин

Для расчета большинства пунктов понадобится определение освещенности ПЗС матрицы. Данный параметр может быть рассчитан из напряжения на лампе. Так как от напряжения на лампе будет зависеть мощность, выделяемая на лампе, то это приводит к изменению эффективности лампы, сопротивления лампы и ряда других параметров. Для упрощения расчетов приводится следующая формула (1.1.):

где: Ee – энергетическая освещенность, Uл – напряжение на лампе, Kпр – коэффициент преобразования, рассчитанный для данной оптической системы и равный 0.00175, Фе – поток излучения, Sa - размер активной части кристалла. Sa = Sгор•S вер, Sгор = 6,47 мм, Sвер = 4,83 мм, Nф - коэффициент преобразования фокусирующей системы = 3.5 в случае если фокусирующего устройство установлено, Nо - коэффициент преобразования объектива видеокамеры = 1.3 в случае если объектив установлен, So – отношение площади тестового изображения к общему изображению, So = 289, в случае использования объектива, Kф – коэффициент ослабления фильтра, Kф = 22. Количество пикселей матрицы может быть рассчитано на основе полученных данных с объективом и без него.

Расчет разрешающей способности без объектива может быть проведен следующим образом (1.2):

Np = Ng * Nv = (Ng 2 * 3) / 4

(1.2)

где Ng = Nl * Kv , Np – общее число пикселей матрицы, Ng – число пикселей в строке, Nv

– число строк, Nl - условное число линий на тестовом изображении которое можно распознать отдельно, Kd - коэффициент пропорциональности определяющий ту часть поверхности тестовой панели, которая воспринимается видеокамерой. Kd= 1.8.

Параметр Nl может быть определен графически. Для этого необходимо построить зависимость разности напряжений черной и белой линий (пункт 1) от числа линий в условиях оптимального напряжения на лампе. Условием нахождения Nl считать dU=0.1•dUmax. Оптимальное напряжение на лампе может быть найдено по максимальной разности напряжения между линиями при Nl=200 линий.

Расчет разрешающей способности с объективом может быть проведен следующим образом (1.3):

Ng = Nt * 2 * La / Ld

(1.3)

11

где Nt – число линий в тестовом изображении по горизонтали, Nt = 260, La – расстояние на котором тестовое изображение полностью отображается ПЗС матрицей. La= 15 см, Ld – расстояние на котором dU с тестовой панели стало равно удвоенному сигналу шума,

Чувствительность можно рассчитать по формуле (1.4)

где: Ud = Uш*Фопт/ Фt = Uш* (Uллоп 5 / 2 /Ut 5 / 2 ) , Uш – шумовое напряжение, Фt - по- ток излучения при котором сигнал с матрицы равен шуму, Фопт - поток излучения при оптимальном напряжении, Ut – напряжение на лампе при котором сигнал с матрицы равен шуму, Uлоптоптимальное напряжение на лампе. Для определения Фe используется оптимальное напряжение.

Квантовая эффективность находится по формулам (1..5) – (1.6), динамический диа-

Содержание отчета

1.Графики зависимостей dU от освещенности матрицы для всех пройденных режимов испытательной таблицы

2.Расчет разрешающей способности видеокамеры без объектива.

3.Графики зависимостей dUmin и dUmax от расстояния между тестовой панелью

иобъективом при измерении разрешающей способности ПЗС матрицы с объективом.

4.Расчет разрешающей способности видеокамеры с объективом.

5.Графики зависимостей Uсигн/Uшум от освещенности матрицы.

6.Определение минимального значения чувствительности ПЗС матрицы.

7.Расчет отношения сигнал/шум.

8.Графики зависимостей dUmin и dUmax от освещенности на основе пункта «Исследования максимального значения чувствительности ПЗС матрицы».

9.Расчет динамического диапазона.

10.Определение освещенности при которой начинается растекание заряда (на основе пункта «Исследование эффекта растекания заряда» ).

11.Определение оптического формата ПЗС матрицы.

12

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКРАНОВ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ

Целью работы является ознакомление с основными характеристиками и параметрами экранов электронно-лучевых приборов (ЭЛП).

Параметры и характеристики экранов

Одним из основных элементов широкого класса ЭЛП, в большой степени определяющих их качество, является люминесцентный экран. Экран преобразует энергию электронного пучка в световую энергию, обычно в видимой части спектра, и представляет собой тонкий слой катодолюминофора, нанесенный на дно баллона прибора.

В ЭЛП используется явление катодолюминесценции, возникающей при бомбардировке люминофоров быстрыми электронами. Люминофоры представляют собой кристаллические вещества с низкой электропроводностью и по своим физическим свойствам близки к примесным полупроводникам. В качестве люминофоров обычно используются смеси солей цинка, кадмия, кальция и некоторых других элементов. Наиболее широкое применение нашли сульфидные люминофоры (сульфиды цинка и кадмия, активированные серебром или медью). Путем изменения состава компонентов можно получить широкий спектр цветов излучения.

Как видно из рис. 2.1, внутри достаточно широкой (1,5 ÷ 2 эВ) запрещенной зоны W0 имеются локальные разрешенные уровни, возникшие за счет примесей и дефектов кристаллической решетки.

При бомбардировке люминофора электронами пучка большая часть энергии преобразовывается в тепло, вызывая тепловые колебания кристаллической решетки. Небольшая часть энергии вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости

(переходы 1-2, 3-4, 7-8 иа рис.2.1).

13

Если в результате таких переходов электроны окажутся в зоне проводимости выше потенциального барьера (переход 3-4), то они смогут покинуть кристалл - возникнет вторичная электронная эмиссия. Однако лишь некоторая доля вторичных электронов покидает экран. Значительная их часть взаимодействует с кристаллами люминофора, вызывая новые акты возбуждения или выход третичных электронов, которые, в свою очередь, могут возбуждать люминофор. Акты возбуждения вторичными и третичными электронами даже более вероятны, чем непосредственное возбуждение быстрыми (первичными) электронами.

Электроны, переброшенные в зону проводимости, но не вышедшие за пределы кристалла, быстро переходят на свободные нижние уровни зоны проводимости (переходы 2-5, 8-9), эти переходы не сопровождаются излучением, так как электроны отдают часть своей энергии на взаимодействие с колебаниями решетки. У этих электронов имеются две возможности для рекомбинации с дыркой либо переход непосредственно в валентную зону, который, как следует из теоретических расчетов, маловероятен, либо переход на один из локальных уровней (5-6). Так как в реальных кристаллах имеется целый ряд локальных уровней, спектр излучения люминофора обычно занимает некоторую полосу с выраженным максимумом, соответствующим переходам электронов с нижнего уровня зоны проводимости на наиболее распространенные в данном кристалле локальные уровни. Кроме того, размытие спектра в значительной мере обусловлено тепловыми колебаниями атомов кристаллической решетки.

Переходы 1-2-5-6 протекают довольно быстро (10-8 ¸ 10-9 с), поэтому возникновение и прекращение свечения люминофора должно было бы происходить практически мгновенно. Однако опыт показывает, что затухание свечения люминофора после прекращения электронной бомбардировки может растягиваться до нескольких секунд и даже минут. Наличие длительного послесвечения объясняется задержкой электронов в так называемых электронных ловушках - локальных дефектах кристаллической решетки, захватывающих электроны из зоны проводимости и удерживающих их там длительное время. Из ловушки электрон за счет теплового возбуждения или внешнего воздействия может перейти в зону проводимости, а оттуда на один из локальных уровней с выделением кван-

та света (переход 7-8-9-10-11-12).

Время, в течение которого наблюдается свечение катодолюминофора после прекращения возбуждающего воздействия, носит название времени послесвечения. Затухание свечения зависит от состава люминофора и происходит по экспериментальному закону (2.1)

где t - время; τ - константа затухания; B0 - установившееся значение яркости (рис.2.2).

Рис. 2.2. Определение времени послесвечения

14

Однако некоторые люминофоры имеют более сложный характер затухания. Время послесвечения таких экранов зависит, помимо свойств люминофора, от режима возбуждения. В этом случае понятие "константа затухания" теряет конкретный смысл.

Методики исследования характеристик экранов и описание установки

Блок-схема установки для исследования яркостных характеристик экрана приведена на рис.2.3. Измерение яркости свечения трубки сводятся, как видно из рисунка, к измерению светового потока, излучаемого светящейся поверхностью. Величина светящейся поверхности (растра) должна оставаться постоянной в процессе измерений. Изменение размера растра приводит к изменению условий возбуждения экрана, так как при этом либо меняется плотность тока, либо время возбуждения люминофора.

Рис.2.3. Блок-схема установки для измерения яркости свечения экрана

В установке предусмотрены регулировки размера растра по горизонтали и вертикали в широких пределах. Кроме того, для уменьшения ошибок измерений необходима возможно большая линейность отклонения луча по экрану. Это требование вытекает из необходимости сохранения постоянства времени возбуждения для различных участков экрана. Принцип действия схемы заключается в следующем. Световой поток с экрана трубки 1 падает на фотокатод ФЭУ 4 (фотоэлемент или радиационный термоэлемент), и возникающий при этом ток регистрируется микроамперметром 5.

Для определения времени послесвечения, а следовательно и инерционности экрана, необходимо получить кривую изменения интенсивности свечения экрана во времени с момента прекращения возбуждения. Наиболее простым способом является осциллографический, при котором кривая послесвечения воспроизводится на экране осциллографа, а затем либо фотографируется, либо (для приближённой оценки) зарисовывается. Блоксхема соответствующей установки приведена на рис.1.5, принцип действия ее заключается в следующем. Так как время послесвечения экрана не зависит от параметров возбуждающего пучка (плотности тока и энергии электронов), то можно использовать возбуждение неподвижным расфокусированным пучком. При этом длительность возбуждения должна быть близка к таковой для реальных условий работы, например, для кинескопов она должна быть близка к 10-7 с (таковой для реальных условии работы является время нахождения пучка на элементе разложения при стандарте 625 строк).

Подачей отрицательного смещения на модулятор трубка запирается, и экран не светится. Отпирающие прямоугольные импульсы требуемой длительности вырабатываются генератором прямоугольных импульсов 2 и подаются на модулятор трубки. Одновременно через линию задержки подается импульс, запускающий ждущую развертку осциллографа 6. Частота следования импульсов должна быть такой, чтобы между двумя последующими импульсами свечение экрана успевало затухнуть.

15

Рис.2.4. Блок-схема установки для определения времени послесвечения

Световой поток с экрана трубки попадает на фотокатод ФЭУ 4 и в цепи коллектора последнего потечет ток, пропорциональный величине потокa. Следовательно, на нагрузочном сопротивлении, включенном в цепь коллектора, возникает импульс напряжения, по форме совпадающий с законом изменения светового потока экрана, а следовательно интенсивности свечения его. Импульс напряжения подается на вертикальный вход осциллографа, горизонтальная развертка осциллографа уже запушена, и луч запишет кривую затухания на экране осциллографа.

Определение времени послесвечения экрана по полученной осциллограмме производится следующим образом. Значение ординаты кривой в максимуме (момент прекращения возбуждения t1) Jmax принимается за единицу. После этого находится точка на кривой, ордината которой равна 0.01Jmax (момент t2). Время t=t2-t1 и будет временем послесвечения. Масштаб времени определяется масштабом развертки осциллографа.

Установка для снятия световых, спектральных, временных и вторичноэмиссионных характеристик экранов ЭЛП состоит из большого числа блоков, скомпанованных в единое целое на общем каркасе.

Всостав ее входят высоковольтный регулируемый выпрямитель на напряжение 25 кВ, низковольтные выпрямители для питания электродов ЭЛП, генератор отклоняющих токов, генератор прямоугольных импульсов, осциллограф, стабилизированный выпрямитель для питания ФЭУ, монохроматор, фотоэлектронный умножитель, смонтированный на выходе монохроматора.

Взависимости от вида снимаемой характеристики экрана, работают те или иные блоки установки.

16

Порядок выполнения работы

1.Снятие спектральной характеристики свечения экрана

l.1. Включить генератор разверток и тока фокусирующей катушки кнопками "Развертка" и "Фокусировка". Подать высокое напряжение кнопкой "Анод".

1.2.Выставить напряжение модулятора равное не менее –90 В.

1.3.Включить тумблер "Сеть" и нажать кнопку "Пуск" на пульте 2.

1.4.Вращением ручки регулятора высокого напряжения, установить анодное напряжение 14 кВ по киловольтметру С-96, расположенному на пульте 2. убедившись, при этом, что генератор разверток начал работать (по характерному свисту строчного трансформатора),

1.5.Ручкой потенциометра «Напряжение модулятора» установить ток катода, равным 60 мкА (по микроамперметру «Ток катода»).

При этом анодное напряжение поддерживать на уровне 14 кВ.

1.6.Перекрыв входную щель монохроматора ручкой, расположенной на его объективе, убедиться, что темновой ток ФЭУ равен нулю. Затем щель снова открыть.

1.7.Ручкой микрометрической регулировки ширины выходной щели монохроматора отрегулировать ширину щели так, чтобы при положении монохроматора, дающем на микроамперметре «Ток ФЭУ» максимальный ток, величина этого тока не превышала последнего деления шкалы прибора.

Снять спектральную кривую f (λ ) . Отсчет интенсивности производится по микроамперметру "Ток ФЭУ", а длина волны λ отсчитывается в делениях барабана монохроматора.

1.8. Снять спектральную характеристику при анодных напряжениях равных 10 и 12 кВ. При этом регулировку ширины щели не производить.

2.Снятие зависимости яркости свечения экрана в относительных единицах от средней плотности тока пучка на экране.

2.1.Установить барабан монохроматора в положение, соответствующее максимуму спектральной характеристики.

2.2.При трех значениях анодного напряжения 10 кВ, 12 кВ и 14 кВ снять зависимость показаний "Ток ФЭУ" от изменения тока катода (ток катода менять ручкой потенциометра «Напряжение модулятора» в пределах от 10 до 60 мкА). При этом анодное напряжение необходимо поддерживать постоянным.

3.Снятие зависимости яркости сечения экрана от изменения анодного напряжения при постоянном токе катода.

3.1.Установить анодное напряжение 5кВ. Установить ток катода равным 20 мкА. Изменяя анодное напряжение от 5 до 14 кВ и поддерживая постоянными ток катода, снимать показания "Ток ФЭУ".

3.2.Повторить измерения по п. 3.1. при токах катода 40 и 60 мкА.

4.Определени времени послесвечения экрана.

4.1.Выключить кнопки "Развертка" и "Фокусировка".

4.2.Включить генератор импульсов Г5-54 и установить частоту следования импульсов 400-500 Гц.

4.3.Переключатель "П" поставить в положение "2". Включить осциллограф.

4.4.Установить анодное напряжение равным 14 кВ, а ток катода 10 мкА.

4.5.Добиться четкого и неподвижного изображения кривой на экране С1-83.

4.6.Зарисовать кривую послесвечения на кальку для значений анодного напряжения 10 и 14 кВ.

Содержание отчета

1.Описание механизма катодолюмннесценции.

2.Блок-схемы и краткое описание методики исследования.

17

3.Таблицы и графики спектральной характеристики (градуировочная кривая монохроматора приведена на рис.1.6).

4.Таблицы и графики зависимостей яркости свечения В от средней плотности тока

jср и ускоряющего напряжения U, графики ln B = ln(A × j) + n × ln(U -U 0 ), значение n.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Целью работы является ознакомление с устройством, принципом действия и характеристиками газоразрядных индикаторов (ГРИ).

Устройство и принцип действия газоразрядных индикаторов

Принцип действия ГРИ основан на эффекте свечения газоразрядной плазмы при протекании электрического тока. Излучение происходит вследствие рекомбинации возбужденных электронами атомов газа.

Все типы ГРИ представляют собой комбинацию диодных промежутков. Возбуждение и свечение газового объема происходит, когда напряжение на электродах достигает значения напряжения возникновения разряда Uв. Величина Uв зависит от рода и давления газа, от материала электродов и расстояния между ними. После возникновения разряда ток, протекающий через газоразрядный промежуток, резко возрастает, а напряжение на нем падает. Обычно ток через ГРИ ограничивают последовательным включением резистора. Напряжение, при котором поддерживается стационарное состояние газового разряда Uп, зависит, в основном, от рода газа и материала катода. Уменьшение напряжения на газоразрядном промежутке приводит к прекращению разряда. Напряжение прекращения разряда Uпр зависит от вида вольт-амперной характеристики ГРИ и последовательно включенного ограничительного резистора.

Вподавляющем большинстве ГРИ используется так называемый короткий разряд, не имеющий положительного столба. Источником излучения является отрицательное тлеющее свечение. Светоотдача его невелика и обычно не превышает 0.2 лм/Вт.

Вкачестве наполняющего газа в ГРИ используются в основном смеси на основе неона (неон-аргон, гелий-неон и некоторые другие), дающие видимое излучение в краснооранжевой части спектра. Необходимое разнообразие цветов получают с помощью фото-

люминофоров, возбуждаемых ультрафиолетовым излучением газового разряда. Яркость большинства ГРИ составляет 50…150 кд/м2, что вполне достаточно для применения в устройствах отображения информации.

Анод

Катод

Рис. 3.1. Конструкция ИНС-1

18

На рис. 3.1 приведена конструкция точечного светового индикатора типа ИНС-1. Подобные приборы могут использоваться для индикации точки в устройствах индивидуального и коллективного пользования. Индикатор содержит цилиндрический полый катод, покрытый изнутри цезием, и цилиндрический анод меньшего диаметра.

Полый катод в такой конструкции позволяет повысить рабочий ток, понизить Uв и Uп, а также увеличить срок службы (уменьшается распыление материала катода). Снижение рабочего напряжения связано с тем, что цезий имеет малую работу выхода.

Для отображения больших массивов знакографической информации применяются газоразрядные индикаторные панели (ГИП). Они представляют собой приборы интегрального типа, объединяющие в плоском корпусе множество светоизлучающих ячеек. Типичная конструкция ГИП постоянного тока приведена на рис. 3.2. Ячейки панели образованы отверстиями в матрице 1. Каждая ячейка находится на пересечении электродов строк 2 и столбцов 3, которые расположены на стеклопластинах 4. Газовый разряд локализован отверстиями в матрице.

Панель загерметизирована по периметру и заполнена неон-аргоновой смесью при давлении около 2.66·104 Па. Формирование изображения осуществляется методом построчной адресации. При этом импульсы сканирования подаются на катоды (электроды столбцов), а информационные импульсы – на аноды (электроды строк). Ограничительные резисторы включаются в цепи строк. Поэтому в данный момент времени разряд может гореть в адресуемых ячейках только одного столбца, к которому приложен импульс сканирования.

Таким образом, индикаторное поле не запоминает информацию и необходима регенерация изображения в каждом кадре. Скважность, с которой возбуждается разряд в индикаторных ячейках, зависит от числа элементов в матрице. Поэтому при увеличении числа столбцов падает средняя яркость ГИП.

Рис. 3.2. Конструкция ГИП постоянного тока

Типичным примером индикаторной панели постоянного тока является ГИП-10 000. Панель содержит 100×100 ячеек, размер ячейки – 0.6 ×0.6 мм, шаг ячеек – 1 мм. Цвет свечения – оранжево-красный, яркость – 50 кд/м2. Индикаторный модуль на основе этой панели ИМГ-1-03 обеспечивает воспроизведение 96 символов (русские и латинские буквы, цифры, специальные знаки). Информационная емкость модуля составляет 160

19

знаков, размер знаков (при формате 5×7) – 4.6 ×6.6 мм. При нормальной остроте зрения 2- 3′ расстояние считывания для такого индикатора составляет около 2.5 м.

Для отображения информации на большой площади используются наборные экраны, составленные из крупноэлементных ГИП с узким швом герметизации. Поэтому индикаторные панели стыкуются между собой без нарушения шага ячеек, т. е. без потери информации в местах стыковки. Такие ГИП не имеют матрицы, а индикаторные ячейки образуются за счет создания на обкладочных стеклопластинах прямоугольных выступов и продольных пазов (рис. 3.3). Анодные электроды в виде тонких проволочек располагаются на анодной пластине (АП), покрытой слоем люминофора. Катодные электроды укладываются в пазы катодной пластины (КП), а выступы на АП обеспечивают их жесткую фиксацию и формируют ячейки.

Для реализации многоцветных ГИП в качестве газового наполнения используется смесь Ne + 1% Xe с добавкой паров ртути для увеличения выхода ультрафиолетового излучения.

КП

АП

Рис. 3.3. Конструкция крупноэлементной ГИП

Базовой ГИП данного типа является индикаторная панель ИГГ1 – 32 ×32Л зеленого цвета свечения с 1024 индикаторной ячейкой размером 3×3 мм, форматом индикаторного поля 32×32 и яркостью 200 кд/м2.

Основными электрическими параметрами ГРИ являются напряжение возникновения разряда Uв, напряжение поддержания Uп и прекращения разряда Uпр. Значения этих величин определяются вольтамперной характеристикой и нагрузочными прямыми. Из рис. 6.4 видно, что между значениями напряжений, характеризующих ГРИ, существует соотношение Uв > Uпр > Uп. Значения токов Imin и Imax определяют протяженность плато вольт-амперной характеристики, т. е. области нормального тлеющего разряда.

Переходные процессы, определяющие частотные свойства ГРИ, характеризуются временем запаздывания возникновения разряда tз и временем деионизации tд. Время запаздывания имеет две составляющие: время статистического запаздывания tст и время формирования tФ.

Значение tст может изменяться в очень широких пределах (от 10-5 до 10 с) в зависимости от конструктивно-технологических факторов и электрического режима ГРИ. Значение tф обычно не превышает нескольких микросекунд.

Время статистического запаздывания tст тем меньше, чем больше начальная концентрация свободных электронов в приборе n0 и больше анодное напряжение.

Разность между анодным напряжением Ua и напряжением возникновения разряда Uв (напряжением статического пробоя газоразрядного промежутка) называют перенапря-

жением ( U a = U a − U в ) .

Для приемлемого значения времени статистического запаздывания возникновения разряда относительное пере-напряжение ∆Ua / Uв должно быть не менее 30…40 %. Иными

20