6.3.1. Видикон

Рассмотрим самую распространенную вакуумную телекамеру - видикон (В). В представляет собой вакуумную колбу, в которой находится фоточувствительная мишень ФМ, прожектор и электронно-оптическая система развертки луча (рис. 6.22). ФМ нанесена на торцевую поверхность оболочки В и содержит сигнальную пластину СП (прозрачный электрод, имеющий вывод наружу). Каждый элемент ФМ, материалом которой служат тонкие - около 5 мкм слои полупроводника (аморфного селена, трёхсернистой сурьмы, окиси свинца и ряда других, включая германий и кремний) изменяет свое сопротивление при внутреннем фотоэффекте. От толщины и свойств материала фотопроводника зависят чувствительность, спектральная характеристика и инерционные параметры прибора.

Работает В следующим образом. Развертывающий электронный луч термокатода ТК, уско­ряясь анодами А₁ и А₂, проходит через сеточный анод А₃ и достигает поверхности ФМ, в результате чего на внутренней поверхности фотопроводника в некоторой его точке создается по­тенциал, близкий к потенциалу катода, а между противоположными поверхностями фотопроводника устанавливается разность потенциалов. Далее луч (толщина которого составляет  30 мкм) уходит с этой точки ФМ и освещает следующую точку и т.д. Если на ФМ проецируется изображение, то проводимость различно ос­вещенных участков слоя будет нео­динаковой - возникает рельеф проводи­мости, соответствующий рельефу яр­ко­сти объ­екта. В течение некоторого промежутка времени , определяющего ине­рционность В, каждая из элементарных емкостей (точек экрана) разряжается до оп­ределенного значения, зависящего от ее освещенности - возникает по­тенциальный рельеф. Электронный луч при развертке доводит поверхность всех участков ФМ до одинакового потенциала. При этом, выравнивая потенциалы, луч оставляет на более освещенных участках слоя большее количество эле­ктронов. Таким образом, ток доза­рядки элементарных емкостей несет в себе информацию о распреде­лении освещенности на ФМ. Про­текая, через нагрузочное сопротивление R_н, он создает напряжение видеосигнала. Формирование луча осуществляется прожектором, включающим ТК (эмиттер электронов), модулятор М, управляющий величиной тока (вплоть до запирания прожектора) и двух анодов А₁ и А₂. Анод А₃ представляет собой мелкоструктурную сетку, находящуюся под напряжением, в 1,5 …1,7 раза превышающим напряжения анодов прожектора, что обеспечивает перпендикулярный подход электронов луча по всей поверхности ФМ. Развертка луча осуществляется фокусирующе-отклоняющей системой ФОС, состоящей из системы катушек ФК, КК (корректирующей) и ОК. В зависимости от способа фокусировки и отклонения промышленно выпускаются В с магнитным и электростатическим управлением лучом. (Примерами являются отечественные модели ЛИ 427 и ЛИ 420 соответственно). В робототехнике перспективно использование электростатических ФОС, позволяющих увеличивать скорость развертки при сохранении высокой линейности отклонения луча и реализовывать нестандартные виды развертки (спи­ральную, радиальную).

Характеристики некоторых моделей В представлены в табл. 6.8. Обозначено: _ном и _max номинальная и максимальная освещенности, I_с - ток сигнала,  - рабочий диапазон длин волн. Под инерционностью понимается уровень остаточного сигнала I_{с ост} по истечении 40 мс после прекращения освещения мишени. (Например, для ЛИ-421 это означает, что I_{с ост} = 0,04 мкА).

Таблица 6.8. Примеры промышленных В

Модель	Тип мишени	ном, лк (max, лк)	Инерционность, % через 40 мс	Iс, мкА	, нм	Тип ФОС	, мм
ЛИ-421	Sb2S3	1 (1000)	40	0,1	400 ... 750	Ф-Н, О-Н	26
ЛИ-426	Sb2S3	1 (10000)	45	0,1	400 ... 750	Ф-Е, О-Н	26
ЛИ-439	Si	1 (1,2)	8	0,3	400 ... 1100	Ф-Н, О-Н	26
ЛИ-465	CdSe	1 (2)	18	0,08	400 ... 800	Ф-Е, О-Е	13,6
ВКБ-102		0,7	Разрешение по горизонтали - 600 твл			2040100

Примечания.

1. В типе ФОС обозначено:

Е - электрическая напряженность поля, Н - магнитная. Например, Ф-Е - фокусировка луча - электростатическая, О-Н -отклонение луча - магнитное.

2. Модель ВКБ-102 - охранная система.

В и их разновидности до настоящего времени широко используются для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствительность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80 … +1200С), радиационная стойкость. К недостаткам В необходимо отнести инерционность изображения, значительные габариты и хрупкость. Для современных систем промышленного телевидения разработаны малоинерционные В - кремниконы, в которых на мишени не образуется зарядовый рельеф и развертывающий луч «считывает» лишь сопротивление ее отдельных участков. В широко используются в машиностроении, металлургии, медицине, криминалистике и т.д. в задачах автоматизации операций контроля процессов прецизионной сборки, экспертизы документов, контроля температурных режимов и пр.

Испытания на радиационную стойкость показали надежную работу В при максимальной дозе до 10⁵ рад.

Дальнейшее развитие вакуумных передающих и приемных телекамер происходит в направлении повышения разрешающей способности, яркости и контрастности изображения, улучшения цветопередачи, а также линейности и сведения по всему полю экрана (преимущественно для приемных трубок - кинескопов). Так, увеличение разрешения и яркости (что позволяет увеличить размеры экрана кинескопа до 1 м и более) достигается уменьшением площади триад люминофора с соответствующим уменьшением ячеек теневой мас­ки. Шаг маски и шаг апертурной сетки в трубках типа тринитрон составляет менее 0,25 мм. Наибольшая разрешающая способность 1000 твл до­с­тигается в трубках с дельтавидным расположением электронных прожекторов и точечной теневой маской. Кроме того, для уме­ньшения температурной деформации маски ее изготавливают из инвара (Fe-Ni), имеющего очень малый коэффициент температурного расширения. Такие модели получили название Super Visual. Улучшение четкости изображения достигается уве­личением ускоряющего напряжения трубки. Что касается повышения контрастности, то для этой цели применяют тонирование стекла кинескопа, при котором уменьшается отражение света (трубки Black Trini­tron). При этом контрастность возрастает на 30 … 60%.

Бурное развитие полупроводниковой технологии в конце ХХ века привело к появлению и активному внедрению твердотельных телекамер. Их принято разделять на два ос­новных класса:

• ПЗС камеры;

• камеры на базе фотодиодных (фото­транзистор­ных, и иногда фоторезисторных) матриц.

Сравнительные характеристики этих систем представлены в табл. 6.9.

Таблица 6.9. Сравнительная характеристика твердотельных телекамер СТЗ

Тип ЧЭ	, мкм	Smax, интегральная	Размер элемента, мкм	Шаг, мкм	Размерность, NN	fсч, кГц
фоторезистор	0,4 ...30	1000 В/Вт	1560	50	6464	10
фотодиод	0,4 ... 1,1	25 мА/Лм	432	70	128144	1000
фототранзистор	0,4 ... 1,1	1000 мА/Лм	832	50	128144	100
ПЗС	0,4 ... 1,3	0,1 А/Вт	36	8	795596	1000

Наибольшее распространение получили телевизионные системы на базе ПЗС камер.