АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК H04N5/30 

Предлагаемое акустоэлектронное устройство для сканирования оптических изображений предназначено для преобразования оптических изображений в электрический радиосигнал в радиоэлектронных устройствах обработки и передачи изображений, в частности в телевидении.

Известно устройство для сканирования оптических изображений, выполненное на основе конвольвера поверхностных акустических волн (ПАВ), осуществляющее однокоординатное сканирование оптического изображения. Устройство выполнено в виде монолитной структуры, содержащей фоточувствительный пьезополупроводниковый звукопровод (из окиси цинка), размещенный в зазоре электрического конденсатора, осуществляющего съем выходного сигнала.

Оптическое изображение проектируется на звукопровод ПАВ через полупрозрачный электрод конденсатора, имеющий отрицательное смещение и служащий в качестве параметрического электрода конвольвера. Зарядовое изображение, формируемое при этом в освещенных областях звукопровода, считывается с использованием свертки встречно распространяющихся ПАВ.

Это устройство имеет ограниченные чувствительность и динамический диапазон, что обусловлено трудностями создания материала звукопровода одновременно с высокими фотополупроводниковыми и пьезоэлектрическими свойствами.

Лучшие чувствительность и динамический диапазон имеет другое известное устройство для сканирования оптических изображений, в котором фоточувствительный и пьезоэлектрический элементы выполнены из различных материалов. Оно содержит пьезоэлектрический звукопровод ПАВ с размещенными на его рабочей поверхности фоточувствительным элементом в виде фотополупроводниковой пластины и возбудителями импульсов ПАВ, расположенный в межэлектродном зазоре электрического конденсатора, электроды которого образуют выходное плечо устройства.

Оптическое изображение проектируется на фотополупроводниковую пластину через один из электродов конденсатора, выполненный полупрозрачным. Распределение проводимости в фотополупроводниковой пластине, соответствующее ее освещенности, считывается с использованием свертки встречно распространяющихся короткого и протяженного импульсов ПАВ. Модуляция выходного сигнала, снимаемого с электродов конденсатора на суммарной частоте взаимодействующих ПАВ, представляет собой развертку освещенности фотополупроводниковой пластины - сигнал оптического изображения (одна строка). Используя механическую развертку по второй координате (например, перемещая изображение), можно получить развертку всего кадра.

Устройство-прототип имеет ограниченную чувствительность (определяемую чувствительностью используемого фотополупроводника) и ограниченный динамический диапазон (определяемый соотношением световой и темновой проводимостей фотополупроводника и характеристиками нелинейного взаимодействия ПАВ, связанными с нелинейными свойствами фотополупроводника).

Целью изобретения является повышение чувствительности и увеличение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для сканирования оптических изображений, содержащем пьезоэлектрический звукопровод ПАВ с возбудителями импульсов ПАВ, светочувствительный элемент и систему вывода сигнала взаимодействия ПАВ, светочувствительный элемент выполнен в виде оптико-электронного преобразователя изображений (т. е. преобразователя сигнала оптического изображения в сигнал электронного изображения, модулированного по плотности тока по пространству потока электронов) и введена система электрического переноса электронного изображения с выхода оптико-электронного преобразователя на рабочую поверхность звукопровода ПАВ.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предложенное устройство отличается выполнением светочувствительного элемента - в виде оптико-электронного преобразователя изображений, наличием нового элемента: системы электрического переноса электронного изображения (т. е. модулированного по плотности тока по пространству потока электронов) с выхода оптико-электронного преобразователя на рабочую поверхность звукопровода ПАВ, и новыми связями светочувствительного элемента и системы электрического переноса электронного изображения с остальными элементами устройства.

Таким образом, предложенное устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что оптико-электронные преобразователи изображений и система переноса электронного изображения с выхода оптико-электронного преобразователя на мишень (например, люминофорный экран) широко известны и применяются в усилителях яркости изображений на основе плоских микроканальных ЭОП.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в предложенное устройство, указанные элементы проявляют новые свойства, что приводит к повышению чувствительности и увеличению динамического диапазона устройства для сканирования оптических изображений.

На чертеже представлена схема устройства для сканирования оптических изображений.

Оно содержит звукопровод 1 ПАВ, выполненный в виде пластины пьезоэлектрика, например, ниобата лития; возбудители импульсов ПАВ, выполненные в виде размещенных на звукопроводе 1 электроакустических (например, встречноштыревых) преобразователей 2 и 3 ПАВ, подключенных к генератору 4 коротких радиоимпульсов и генератору 5 протяженных во времени радиоимпульсов соответственно, подключенных входными плечами по синхронизации к генератору 6 синхронизирующих импульсов напряжения; систему вывода сигнала взаимодействия ПАВ, выполненную, например, в виде сетчатого 7 и экранирующего 8 электродов, образующих обкладки электрического конденсатора, в зазоре которого размещен звукопровод 1; оптико-электронный преобразователь, выполненный, например, в виде фотокатода 9, работающего в режиме "на прострел"; систему электрического переноса электронного изображения с выхода оптико-электронного преобразователя на рабочую поверхность звукопровода 1, выполненную, например, в виде микроканального усилителя электронного изображения на основе микроканальной пластины 10, ускоряющего сетчатого электрода 7, одновременно являющегося электродом конденсатора системы вывода сигнала, подключенным совместно с оптико-электронным преобразователем (в виде фотокатода 9) и экранирующим электродом 8 к источнику 11 питающих напряжений.

Элементы устройства для сканирования: звукопровод 1 и оптико-электронный преобразователь размещены в вакуумированном корпусе 12 с оптическим окном 13.

Устройство работает следующим образом.

Входное оптическое изображение 14 проектируется на фотокатод 9, преобразуется им в электронное изображение и переносится ускоряющим электрическим полем системы электрического переноса электронного изображения на рабочую поверхность звукопровода 1, подвергаясь усилению микроканальной пластиной 10. Облучение рабочей поверхности звукопровода 1 осуществляется электронами изображения, ускоренными до энергий ≈ 1 кэВ, что в результате вторичной электронной эмиссии приводит к образованию над рабочей поверхностью звукопровода, неоднородного по плотности распределения пространственного заряда, соответствующего поступающему электронному изображению.

Возбудители ПАВ формируют импульсы ПАВ, распространяющиеся навстречу друг другу. Сигнал свертки импульсов этих волн, снимаемый электродами 7 и 8 системы вывода, например, на суммарной несущей частоте частот взаимодействующих волн, представляет собой развертку электронного изображения и, следовательно, в масштабе - сигнал развертки входного оптического изображения.

В известном устройстве для сканирования оптических изображений (прототипе) чувствительность определяется световой чувствительностью используемого фотополупроводника (используется внутренний фотоэффект) и потерями при преобразовании сигнала наведенной фотопроводимости в электрический сигнал свертки ПАВ.

В предложенном устройстве чувствительность выше по двум причинам:
используется явление внешнего фотоэффекта, характеризующееся существенно большим значением квантового выхода (в спектральном диапазоне входного оптического сигнала вплоть до ≈ 1,2 мкм); это обуславливает большую чувствительность (меньшие энергетические потери) первого преобразования (светового изображения в электронное);
используется более эффективный (на 20-40 дБ) механизм свертки сигналов ПАВ в пространственном заряде вторичных электронов (а не в фотополупроводниковой среде, как в прототипе), что приводит к меньшей величине потерь сигнала в тракте последующего преобразования (светового сигнала в электрический сигнал).

По указанным причинам чувствительность предложенного устройства может быть доведена до величины, характерной для оптико-электронных преобразователей на внешнем фотоэффекте и существенно превышающей чувствительность фотоприемного устройства на внутреннем фотоэффекте.

В устройстве - прототипе динамический диапазон определяется диапазоном изменения нелинейных электрических свойств фотополупроводника (обуславливающих параметрическое взаимодействие распространяющихся ПАВ) в диапазоне значений светового потока от элементов изображения. Этот диапазон определяется соотношением световой и темновой проводимостей материала ("кратностью", и, как правило, не превышает 10²-10³). Наличие темновой проводимости фотополупроводника существенно ограничивает значение минимальной яркости преобразуемых изображений снизу. Характеристики фотопроводника в состоянии максимальной световой проводимости ограничивают значение максимальной яркости преобразуемых изображений.

В предложенном устройстве параметрической средой, в которой осуществляется взаимодействие ПАВ, является облако вторичных электронов в слое, в котором существуют электрические поля ПАВ. Толщина этого слоя порядка длины ПАВ (практически 10-100 мкм). Диапазон изменения нелинейных электрических свойств этой среды значительно больше, поскольку определяется изменением хода вольт-амперной характеристики системы эмиттер - коллектор от режима отсутствия до режима наличия пространственного заряда максимальной плотности, создаваемого вторичными электронами.

Значение минимальной яркости преобразуемых изображений в предложенном устройстве уже практически не ограничивается характеристиками параметрической среды (облака вторичных электронов), поскольку нижний предел плотности потока вторичных электронов может быть доведен до нуля, а свертка ПАВ в облаке вторичных электронов по эффективности превышает свертку ПАВ в полупроводниковой среде на величину до 20-40 дБ, что известно из техники ПАВ-конвольверов на вторичных электронах. Этому случаю (нулевой плотности потока) соответствует нулевое значение выходного сигнала для элементов изображения нулевой яркости. Нижний предел значений яркости преобразуемых изображений будет ограничиваться в предложенном устройстве уже другими факторами: чувствительностью оптико-электронного преобразователя и чувствительностью тракта усиления выходного параметрического сигнала. Однако эти факторы значительно (на порядок и более) снижают ограничения на величину минимальной яркости элементов преобразующих изображений в сравнении с прототипом.

Предложенное устройство характеризуется также и большим (практически на ≈ 10 дБ) значением динамического диапазона. (56) Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Под ред. И. П. Голяминой. М. : Сов. энциклопедия, 1979, с. 50.

Использование: в устройствах для сканирования оптических изображений для преобразования оптических изображений в электрический сигнал. Сущность изобретения: акустоэлектронное устройство для преобразования оптических изображений содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 поверхностных акустических волн с возбудителями импульсов, возбудители импульсов ПАВ выполнены в виде электроакустических преобразователей 2, 3, подключенных к генератору коротких радиоимпульсов 4, генератору протяженных импульсов 5 и генератору синхронизирующих импульсов 6. Система вывода электрического сигнала 7 содержит сетчатый электрод 8 и экранирующий электрод 9, оптико-электронный преобразователь 10, пьезоэлектрический звукопровод 1, система вывода электрического сигнала 7 и оптико-электронный преобразователь размещены в вакуумированном корпусе 11 с оптическим окном 12. 1 ил.

АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ, содержащее пьезоэлектрический звукопровод поверхностных акустических волн (ПАВ) с возбудителями импульсов ПАВ, систему вывода электрического сигнала взаимодействия ПАВ, выполненного, например, в виде электрического конденсатора, в межэлектродном зазоре которого размещен звукопровод ПАВ, и светочувствительный элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения динамического диапазона, светочувствительный элемент выполнен в виде оптико-электронного преобразователя сигналов изображений, а в устройство введена система электрического переноса электронного изображения с выхода оптико-электронного преобразователя на рабочую поверхность звукопровода ПАВ между возбудителями импульсов ПАВ, например, в виде микроканального усилителя электронного изображения на основе микроканальной пластины, размещенной между выходом оптико-электронного преобразователя и рабочей поверхностью звукопровода, причем элементы устройства для сканирования оптических изображений размещены в вакуумированном корпусе с оптическим окном, совмещенным с входом оптико-электронного преобразователя.