1 Преобразование видимого изображения в электрические сигналы

1.1 Преобразование с помощью камер с электровакуумными передающими телевизионными трубками

1. На рисунке 1 показан принцип преобразования, осуществляемого с помощью иконоскопа. Преобразующей частью этой передающей телевизионной трубки является мозаика, состоящая из миллионов мельчайших изолированных друг от друга зерен серебра, нанесенных на слюдяную пластинку. Подвергнутые специальной обработке, зерна обладают способностью испускать электроны под действием падающего на них света. На противоположную сторону пластинки нанесено металлическое покрытие, называемое сигнальным слоем. Каждое зерно мозаики образует с сигнальным слоем микроскопический конденсатор, в котором под действием света за определенное время накапливается тем больший электрический заряд, чем сильнее он освещен. Диэлектриком такого конденсатора является слюда. Когда на мозаику с помощью фотообъектива проецируют оптическое изображение, заряды по ее поверхности распределяются в точном соответствии с освещенностью тех или иных участков изображения. На мозаике появляется его «электрическое изображение».Чтобы получить электрический сигнал, нужно в определенной последовательности «снять» заряды с зерен мозаики, или, как говорят, осуществить развертку изображения. Для этого используется узкий пучок электронов – электронный луч, направляемый на мозаику из электронного прожектора, одной из основных частей которого является подогревной катод. На горловине передающей трубки расположены отклоняющие катушки, через которые идут переменные токи, вырабатываемые развертывающим устройством. Переменное магнитное поле отклоняющих катушек заставляет электронный луч перемещаться по мозаике в строго определенном порядке. Начав свое движение в левом верхнем углу мозаики, луч с равномерной скоростью перемещается вправо, как бы прочерчивая на мозаике горизонтальную строку, затем со значительно большей скоростью возвращается в левую часть мозаики, прочерчивает новую строку под первой строкой и т. д. Прочертив последнюю строку, луч быстро возвращается в исходное положение в левом верхнем углу мозаики, после чего процесс повторяется в том же порядке. Чаще всего изображение в РФ разлагается на 625 строк. За время, в течение которого мозаика покрывается 625 строками, создается один кадр развертки; от числа кадров, создаваемых в 1сек. – частоты кадров, зависит качество телевизионного изображения. При малой частоте кадров изображение на экране будет мелькающим. Однако увеличение частоты кадров приводит к значительному усложнению телевизионной системы. Поэтому применяют так называемую чересстрочную развертку, обеспечивающую достаточно высокое качество телевизионного изображения. При этом способе развертки один кадр создается в два приема. Первоначально по мозаике электронным лучом прочерчиваются нечетные строки, а затем находящиеся в промежутках между ними четные. В этом случае применяют термин «частота полукадров». Перемещение луча слева направо называется прямым ходом строчной развертки, а сверху вниз-прямым ходом кадровой развертки. Перемещение луча в направлении справа налево и снизу вверх называется соответственно обратным ходом строчной и кадровой разверток.

   1.2 Преобразование с помощью камер на ГОС

   1.2.1 Физические основы работы ПЗС

   ПЗС- это многоэлементный приемник излучения с внутренней коммутацией элементов, осуществляемой переносом зарядов в полупроводнике вдоль его поверхности под воздействием тактовых импульсов. ПЗС бывают одномерные (линейные) и двумерные (матричные). Основной элемент ПЗС – МОП-ёмкость для хранения зарядовых пакетов, показанная на рисунке 2. Обычно затвор – поликремний. Если на него подать напряжение смещения Uз, то основные носители отталкиваются от границы Si-SiO2 и у поверхности образуется обедненный слой. Не основные носители локализуются у раздела в узком слое (около 0,01 мкм). Обычно ПЗС работают в режиме нестационарного состояния МОП-емкости, при котором эффектом термогенерирования можно пренебречь. Поэтому МОП-емкость может использоваться как хранилище зарядового пакета из неосновных носителей, полученных фотогенерацией. Для таких неосновных носителей МОП- емкость является потенциальной «ямой».Если две МОП-емкости расположены достаточно близко друг к другу, то при переключении высокого потенциала с левого электрода на правый, показанный на рисунке 3 зарядовый пакет перетечет в потенциальную яму под правым электродом, а яма под левым электродом «схлопывается». ГОС состоит из линейного или матричного набора таких МОП-емкостей, расположенных на одной подложке, расстояние между которыми обеспечивает взаимодействие потенциальных ям за счет электрических полей. Взаимодействие их позволяет организовать направленный перенос фотогенерированных зарядовых пакетов, задавая соответствующее изменение потенциала затвора. В трехфазном ГОС, на рисунке 4, для направленного переноса требуются три МОП-ячейки на каждый зарядовый пакет. При изменении фазных напряжений таким образом, чтобы глубина потенциальных ям увеличивалась слева направо, происходит «скатывание» электронов в более глубокую яму и перенос зарядовых пакетов к выходному устройству.Таким образом, при работе ПЗС в передающей телевизионной камере распределение освещенности в регистрируемом изображении преобразуется в распределение носителей заряда (зарядовый рельеф), сохраняемый в зарядовых ямах под электродами МОП. Считывание сигнала осуществляется путем последовательного или параллельного переноса зарядового пакета от одних МОП-структур к другим с регистрацией соответствующих изменений потенциала, наводимых на электродах выходных МОП-структур. Спектральный диапазон работы ПЗС определяется материалом полупроводниковой подложки и для большинства приборов, выполняемых из кремния, включает видимую и инфракрасную области.

   1.2.2 Устройство видеокамеры КТМ-1 на ПЗС

   Камера предназначена для преобразования оптического изображения объекта наблюдения в стандартный электрический видеосигнал и может быть использована самостоятельно, как двухкоординатный сканатор изображения с возможностью визуализации изображения на экране телевизионного приемника, либо видеоконтрольного устройства (видеомонитора), в составе системы технического зрения и т. п. (Технические характеристики приведены в приложении 1). В качестве формирователя видеосигнала в камере используется матричный фотоэлектрический преобразователь на ПЗС типа К1200ЦМ7Б (Тех. характеристики см. в приложении 2). Электронная схема камеры размещена на пяти платах. ПЗС установлен на первой (ближайшей к объективу) плате таким образом, чтобы его матрица находилась в плоскости изображения объектива. На этой же плате размещены, микросхемы согласующих усилителей и других элементов схемы подключения ПЗС. На второй плате располагаются микросхемы усиления мощности импульсных сигналов, используемых в ПЗС, и идущих во внешние цепи камеры, а так же усилители напряжения, необходимые для настройки ПЗС. На третьей плате расположена микросхема и радиоэлементы задающего генератора, осуществляющего формирование всех импульсных сигналов. На четвертой плате расположены микросхемы и радиоэлементы видеотракта (видеоусилители, фильтры, схемы привязки к уровню «черного», схемы смешивания синхросмеси с видеосигналом и др.). На пятой плате расположены элементы некоторых цепей питания.