Фотоэлектронные сканирующие системы

Фотоэлектронные сканирующие системы осуществляют сканирование в пространстве изображений. Объектив приемной оптической системы строит изображение всего поля обзора в плоскости чувствительного слоя приемника излучения фотоэлектронной сканирующей системы. Образовавшийся зарядовый рельеф считывается чаще всего с помощью электронного луча (фотоэлектронные вакуумные сканирующие системы, передающие телевизионные трубки) или путем переноса носителей тока, как это имеет место в полупроводниковых анализаторах. Иногда для считывания используется световой луч, например в термиконах [10, 12].

Системы такого типа подразделяют на две группы:

- - с накоплением;

- - мгновенного действия (без накопления).

Они часто, как уже указывалось, выполняют и функции анализаторов изображений. Эти системы можно разделить также:

- - на электровакуумные;

- - полупроводниковые.

Одними из наиболее распространенных фотоэлектронных вакуумных устройств, применяемых для сканирования плоскости изображений с накоплением заряда, являются видиконы — передающие телевизионные трубки, у которых фоточувствительный слой выполнен из полупроводника.

Принцип работы видикона иллюстрирует рис. 8.10. Объектив 1 строит изображение на полупроводниковом фотослое 2, нанесенном на прозрачную подложку. С обратной стороны фотослой сканируется электронным лучом, создаваемым электронным прожектором, состоящим из катода 6 и управляющего электрода 5. Для фокусировки и отклонения луча служат электростатическая 4 и магнитная 3 системы. Пучок электронов, сканируя фотослой, заряжает его, приводя потенциал каждого элемента фотослоя к потенциалу катода. За время Т_к просмотра лучом всего кадра потенциал каждого элемента повышается, стремясь достигнуть значения U_п. Чем больше освещенность какого-либо элемента фотослоя, тем меньше его сопротивление и тем больше изменяется его потенциал за время накопления Т_к, т.е. компенсация изменения заряда осуществляется большим числом электронов, стекающих через резистор нагрузки R_н и образующих выходной видеосигнал U_в.

Рис. 8.10. Схема видикона

Материал и структура фотоприемного слоя видиконов могут быть различными. Дискретная структура из кремниевых фотодиодов применяется в кремниконах; сплошная на базе соединений свинца (фоторезисторных слоев) — в плюмбиконах; пироэлектрический чувствительный слой — в пириконах и т. д.

В отдельную группу систем с накоплением выделяют трубки с накоплением, в которых используется внешний фотоэлектрический эффект — суперортиконы, изоконы, секоны и др. [10, 12]. Их чувствительность выше, чем у видиконов и других полупроводниковых устройств, однако диапазон спектральной чувствительности ограничен видимой и ближней ИК областями спектра.

Принципиальной особенностью фотоэлектронных сканирующих систем с накоплением является необходимость опроса каждого элемента чувствительного слоя через одно и то же время. Это создает одинаковые условия накопления сигнала для любой точки плоскости изображений. Такое ограничение не позволяет применять произвольную траекторию развертки, она в этих системах чаще всего бывает строчной. От этого недостатка свободны сканирующие устройства на базе диссекторов.

Диссектор представляет собой электровакуумное устройство — передающую телевизионную трубку, состоящую из двух секций: переноса изображения и электронного умножения (рис. 8.11). Эмиттируемые под действием падающего на фотокатод 1 потока излучения электроны ускоряются электрическим полем в направлении анода - диафрагмы 4. Фокусирующая система 2 переносит электронное изображение в плоскость диафрагмы 4. С помощью двух пар отклоняющих катушек 3, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля, осуществляется перенос электронного изображения по произвольной траектории в плоскость 4. Этот перенос, т.е. развертка изображения, может быть круговым, строчным и т.п. Электроны, прошедшие через отверстие в диафрагме 4, попадают на электронный умножитель 5, с выхода которого снимается видеосигнал.

Рис. 8.11. Схема диссектора

Достоинства диссектора :

- - высокое быстродействие,

- - возможность получения произвольной траектории развертки,

- - простота конструкции.

Недостатки:

- - невысокая чувствительность, обусловленная отсутствием накопления зарядов за период сканирования.

В последние годы все шире в качестве сканирующих устройств стали использовать твердотельные аналоги передающих телевизионных трубок и прежде всего ПЗС-структуры. Принцип их действия был рассмотрен выше. Это — системы с накоплением зарядов со всеми присущими им достоинствами и недостатками.

ДостоинстваПЗС-структуры по сравнению с фотоэлектронными вакуумными сканирующими устройствами:

- - жесткий растр;

- - малые размеры, масса и потребляемая мощность;

- - большая степень интеграции;

- - большие надежность, стабильность работы и срок службы

О других их достоинствах, как и о недостатках (дороговизна, неоднородность чувствительности, ограниченный спектральный диапазон), речь шла выше.

Помимо ПЗС в сканирующих (самосканирующих) системах используются сканисторы, фотоматрицы, приборы с инжекцией заряда и ряд других устройств [10, 20, 30]).

8.5. Сканирующие системы с электрическим управлением пространственным положением оптического пучка

Сканирующие системы с электрическим управлением пространственным положением оптического пучка широко применяют как при активном, так и пассивном методах работы ОЭП. При лазерном источнике излучения иногда используют внутрирезонаторные системы отклонения, которые позволяют осуществить как непрерывное, так и дискретное сканирование пространства предметов.

Наибольшее распространение получили способы «внешнего» сканирования с помощью электрооптических, акустооптических и некоторых других устройств — дефлекторов. Эти устройства применяются как в передающих, так и в приемных оптических системах ОЭП.

Электрооптические дефлекторы действуют на основе использования линейного электрооптического и магнитоэлектрического эффектов.

Они характеризуются:

- - числом ячеек (каскадов) отклонений;

- - числом позиций, на которое можно отклонять пучки лучей, а также разрешающей способностью;

- - рабочим спектральным диапазоном и коэффициентом пропускания в этом диапазоне;

- - остаточным (фоновым) уровнем сигнала при отключенном каскаде отклонения;

- - быстродействием, определяемым временем перехода с одного элемента разрешения на соседний;

- - электрическим напряжением переключения каскадов.

Каждая ячейка дискретного дефлектора состоит из поляризатора, предназначенного для превращения излучения в линейно поляризованное и использующего электрооптический (Y₃Fe₅О₁₂, СrВr₃ и др.) или магнитооптический (KН₂РO₄, NH₄H₂PO₄, LiNbO₃ и др.) эффекты; переключателя плоскости поляризации, служащего для изменения направления поляризации входного пучка на 90°; отклоняющего элемента, обеспечивающего пространственное (угловое) разделение пучков лучей со взаимно ортогональной поляризацией.

Достоинствадефлекторов:

- - позволяют обеспечить большую частоту сканирования;

- - высокую пространственную разрешающую способность.

Недостатки(основные) дефлекторов:

- - довольно высокое питающее напряжение;

- - ограниченный спектральный диапазон;

- - большие потери на поглощение.

Акустооптические дефлекторы работают по принципу отклонения лучей при периодическом пространственном изменении плотности среды (ячейки) под воздействием акустических волн, возбуждаемых в ней. Акустические волны образуют фазовую решетку с периодом, равным их длине. Пучок, проходящий через ячейку, дифрагирует на этой решетке. Изменяя длину l_а акустической волны, можно менять положение отдельных максимумов дифракционного изображения. Если пучок падает на бегущую акустическую волну под определенным углом, то наблюдается только дифракция первого порядка (дифракция Брэгга). При изменении l_а меняется угол прихода лучей, соответствующих этой дифракции, т.е. происходит сканирование. В качестве материалов для акустооптических дефлекторов используются ТеО₂, РbМоO₄, и многие др.

Электрoоптические и акустооптические дефлекторы позволяют создать двумерные многопозиционные системы с числом позиций 10³...10⁴ и частотой переключения порядка 10⁷ Гц и более. Мощности, необходимые для управления ими, составляют несколько ватт при размерах входных зрачков до нескольких десятков миллиметров.

Глава 9. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ