Датчики мгновенного действия

Датчик с бегущим лучом. Рассмотрим функциональную схему и фотоэлектронный усилитель такого датчика.
В качестве источника освещения передаваемого объекта используется проекционный кинескоп с большой яркостью свечения, но обладающий малым временем послесвечения экрана.
Изображение светящегося развертывающего пятна с экрана кинескопа проецируется с помощью объектива на передаваемый объект в виде светового "зайчика". В процессе развертки световое пятно перемещается по экрану кинескопа, формируя телевизионный растр, а световой "зайчик" по закону телевизионной развертки обегает всю поверхность передаваемого объекта.
Часть светового потока, отраженного передаваемым объектом, попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Когда "зайчик" освещает светлые детали передаваемого объекта, уровень сигнала на выходе фотоэлектронного умножителя возрастает, когда освещает темные детали - падает.
Датчик с бегущим лучом прост, обеспечивает высокое качество передаваемых изображений и может быть использован для передачи цветных изображений, для чего необходимы 3 фотоэлектронных умножителя с тремя светофильтрами (красным, зеленым, синим).
Недостатком является невозможность его работы при наличии постороннего освещения. Такие датчики применяются для передачи различных графических документов, а также для передачи диапозитивов и кинофильмов на просвет. Для разделения светового потока в этом случае используется система цветоотделительных зеркал.
Фотоэлектронный умножитель представляет собой комбинацию в одном баллоне вакуумного фотоэлемента и вторично-электронного умножителя. Изобрел фотоэлектронный умножитель советский ученый Л. А. Кубецкий в 1930 г. и независимо от него Фарнсворт (США).
Кванты света, попадая на поверхность фотокатода, выбивают фотоэлектроны, которые устремляются к первому аноду (в фотоэлектронных умножителях аноды называют динодами - от слова динатронный эффект).
Сущность динатронного эффекта основана на явлении вторично-электронной эмиссии быстро летящие электроны, встречая на своем пути твердое вещество (металл, диэлектрик, полупроводник), внедряются в толщу этого вещества и отдают его атомам свою энергию. При этом энергия электронов вещества возрастает. Возбужденные электроны, способные покинуть вещество (совершить работу выхода), становятся вторичными электронами.
Благодаря динатронному эффекту каждый из фотоэлектронов выбивает из первого динода несколько вторичных электронов, которые в свою очередь устремляются к следующему диноду, имеющему более высокий положительный потенциал, и также выбивает вторичные электроны.
Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии, который зависит, во-первых, от скорости первичных электронов и, во-вторых, от свойств вещества, из которого выбиваются вторичные электроны при бомбардировке его первичными.
Явление вторично-электронной эмиссии играет большую роль в работе передающих телевизионных трубок, и поэтому остановимся на нем подробнее. Как известно, скорость электрона в электрическом поле определяется ускоряющим напряжением, создающим это поле.
При малых скоростях электроны обладают малой "диетической энергией" и число вторичных электронов значительно меньше, чем первичных - коэффициент вторично-электронной эмиссии меньше единицы. При повышении ускоряющего напряжения коэффициент вторично-электронной эмиссии растет, но достигнув некоторого максимума, значение которого зависит от свойств вещества, начинает падать. Это объясняется тем, что при очень больших скоростях первичные электронов глубоко внедряются в толщу вещества и возбужденные им вторичные электроны вещества оказываются неспособными совершить работу выхода.
Достоинством вторично-электронного умножителя по сравнению с ламповыми и транзисторными усилителями являются: низкий уровень собственных шумов; широкая полоса пропускания; простота конструкции, малые габариты и масса.
Диссектор (от английского слова "рассекать") предложен Фарнсвортом (США). В основу конструкции инспектора положены следующие три принципа: перенос электронного изображения, использование для развертки из движения анализирующей аппаратуры, как в диске Нипкова, а движения электронного изображения относительно неподвижной апертуры (предложено Дикманом и Хеллом - США 1926 г.); вторично-электронное усиление сигнала изображения, Принцип переноса электронного изображения был впервые использован в электронно-оптических преобразователях приборов ночного видения. Простейший электронно-оптический преобразователь (ЭОП) представляет собой стеклянный баллон с плоскими параллельными торцовыми стенками. На внутреннюю поверхность его передней торцовой стенки нанесен полупрозрачный фотокатод, чувствительный к инфракрасным лучам, а на внутреннюю поверхность задней стенки - люминофор. Между катодом н люминесцирующим экраном прикладывается напряжение в несколько киловольт, ускоряющее фотоэлектроны.
Наблюдаемые в темноте предметы освещаются инфракрасными лучами, источником которых может быть любой температурный источник света (прожектор, автомобильная фара и т. п.), закрытый инфракрасным светофильтром. Отраженные от наблюдаемого объекта лучи создают на фотокатоде электронно-оптического преобразователя невидимое инфракрасное изображение. Кванты инфракрасного света выбивают из фотокатода фотоэлектроны, которые под действием ускоряющего поля переносятся на экран и создает на нем уже видимое глазом изображение наблюдаемого в темноте объекта.
В процессе переноса электронного изображения происходит расфокусировка из-за взаимного отталкивания электронов, летящих от фотокатода к экрану. Поэтому в современных электронно-оптических преобразователях применяют либо электростатическую либо магнитную фокусировку.
Диссектор представляет собой стеклянный баллон, содержащий две секции: секцию переноса электронного изображения и секцию вторично-электронного умножения сигнала изображения. На входе вторично-электронного умножителя помещена диафрагма - непрозрачная пластина с маленьким отверстием, размеры которого определяют один элемент разложения.
Снаружи на баллон надеваются длинная фокусирующая катушка (катушка переноса) и отклоняющая система ОС, состоящая из двух пар отклоняющих катушек - строчных и кадровых.
Рассмотрим роль длиной фокусирующей катушки. Фотоэлектроны, вылетая из фотокатода, имеют разную начальную скорость и летят под разными углами. Под действием ускоряющего поля U, (считаем, что фокусирующая катушка пока отсутствует) траектории электронов, летящих под углом к оси трубки, искривляются и становятся параллельными данной оси.
Фокусирующая катушка создает между фотокатодом и диафрагмою равномерное магнитное поле, силовые линии которого направлены параллельно силовым линиям ускоряющего электрического поля. На фотоэлектроны, вылетающие из фотокатода параллельно оси трубки, действует только ускоряющее электрическое поле. Продольное магнитное поле фокусирующей катушки воздействует только на те электроны, которые вылетают с поверхности фотокатода под углом к оси трубки или начинает отклоняться от параллельной траектория из-за взаимного расталкивания. Под действием магнитного поля траектория электронов как бы закручивается по спирали, диаметр которой определяется напряженностью магнитного поля, а шаг - напряженностью электрического ускоряющего поля. Период оборота зависит только от напряженности магнитного поля. Он не зависит ни от скорости электронов, ни от угла вылета.
Ускоряющее напряжение, и напряженность магнитного поля подбирается такими, чтобы фотоэлектроны, вылетающие из любой точки фотокатода под различными углами к оси трубки, делали один оборот и собирались на поверхности диафрагмы тоже в одной точке.
При отсутствии отклоняющего поля через отверстие в диафрагме будут пролетать только фотоэлектроны, эммитируемые центром фотокатода. При наличии отклоняющего поля будет смещаться все электронное изображение, проецируемое на поверхность диафрагмы по горизонтали с частотой строк и по вертикали с частотой кадров. В результате через отверстие в диафрагме будут поочередно пролетать фотоэлектроны, эмиттируемые различными участками фотокатода, т. е. будет осуществляться развертка передаваемого изображения.
Фотоэлектроны, пролетавшие через отверстие в диафрагме, попадают в секцию фотоэлектронного умножителя, и с нагрузки коллектора снимается усиленный сигнал изображения.
Достоинства диссектора:
простота, надежность, практически неограниченный срок службы (трубка ие имеет накаливаемого катода);
безынерционность;
хорошая передача градаций яркости передаваемого изображения;
высокая разрешающая способность;
неискаженная передача средней яркости изображения (нет потери "постоянной составляющей" сигнала) .
Однако, как и все системы мгновенного действия, диссектор обладает низкой чувствительностью, поэтому в первые годы развития телевидения он использовался только для передачи кинофильмов.
В настоящее время диссектор с большим успехом используется в различных системах прикладного телевидения там, где можно обеспечить достаточную освещенность передаваемого объекта.