Способ фотоэлектрического преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК H04N5/34 

, Изобретение относится к промьшшенности средств связи и может быть использовано при построении телевизионных камер, предназначенных для систем прикладного телевидения.

Наиболее целесообразно использовать это изобретение при построении высокочувствительных телевизионных камер, включающих в себя передающую телевизионную трубку типа суперкремНИКОН и входящих в состав оптикоэлектронных систем, предназначенных для астрофизических наблюдений и исследований, например, для обнаружения и определения положения и блеска елабосветящихся звезд или любых других точечных объектов путем накопления энергии от них в течение нескольких кадров.

Известен способ фотоапектрического преобразования, основанный на накоплении в течение нескольких кадро потенциального рельефа на мишени передающей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), построчном считывании накопленного рельефа в течение одного кадра с формированием и усилением видеосигнала и формировании путем делния частоты следования кадровых синхроимпульсов (КСИ), импульсов, задающих длительности интенвалов накопления Г 1 .

Недостатком этого способа является узость светового динамического диапазона преобразования, определяемого по степени расширения видеоим,пульсов от деталей изображения с увеличением их яркости. Недостаток обусловлен отсутствием во всем интервале накопления считывания потенциального рельефа от ярких объектов.

Указанный способ реализован в устройстве фотоэлектрического преобразования, содержащем передающую ЭЛТ типа видикон со средствами фокусировки и отклонения электронного считывающего луча, видеоусилитель, подключенный к сигнальному выходу видикона, средства прерывания накопления (электронно-механический затвор) и генератор импульсов, задающих ин-тервалы накопления.

Недостатками этого устрорсства являются узость светово.го динамического диапазона, обусловленная отсутствием средств обеспечения считывания потенциального рельефа от ярких объектов в интервале накопления, и его сложность, обусловленная необходимостью введения средств прерывания накопления на время считывания рельефа, накопленного на мишени видикона.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ фотоэлектрического преобразования, заключающийся в непрерываемом во времени накоплении зарядов на мишени передающей ЭЛТ, разделенном на циклы длительностью в /кадров, совмещенном с накоплением частичным считывании накопленных зарядов в первых N -1 кадрах цикла с одновременным их преобразованием в видеосигнал, совмещенном с накоплением, полном считывании накопленных зарядов в N -ом кадре цикла с одновременным преобразованием их в видеосигнал С23

Выигрыш в расширении диапазона можно оценить выражением N (1-ш) спрведливым при гп « 1 (ш-относительньй уровень частичного считывания). Так, для случая N 30 расширение составит 3 раза при m 0,9 iH 10 раз при т 0,7.

Недостатком известного способа является узость светового динамического диапазона, поскольку частичные считывания рельефа от ярких объектов в первых ,N-1 кадрах приводит к расшрению от кадра к кадру потенциального рельефа от ярких объектов и, тем самым, к слиянию с рельефом от близлежащего слабого объекта и к формированию в N-ом кадре лишь видеимпульса от яркого объекта. Недостатком также является и значительный остаточный рельеф от яркого объекта после считьшания в N-ом кадре, обусловленный расширением потенциального рельефа и недостаточной эффективностью его считывания. Снижение уровня m позволяющее уменьшить расширение рельефа от яркого объекта и расширить световой динамический диапазон, ведет к сужению диапазона накапливаемых без искажения (без частичного считывания) сигналов, ограничиваемого сверху уровнем частичного считывания и снизу уровнем накапливаемого рельефа от светового фона и темпового тока мишени.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для фотоэлектрического преобразования, содержащее передающую ЭЛТ с блоками формирования электронного луча, к соответствующим входам которой подключены выходы, генератора строчной развертки и генератора кадровой развертки, а к катоду и управляющему электроду - соответстве но выходы первого и второго формировтелей потенциальных уровней, и генератор импульсов, выход которого соединен с сеткой мишени С23.

Недостатком известного устройства является узость динамического светового диапазона, обусловленная отсутствием средств полного считывания рельефа от ярких объектов в первых N -1 кадрах,

Целью изобретения является расширение динамического светового диапазона фотоэлектрического преобразования и уменьшение остаточного заряда.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу фотоэлектрического преобразования, заключающемуся во времени накоплении зарядов на мишени передающей (ЭЛТ) электроннолучевой трубки разделенном на циклы длительностью в N кадров, совмещенном с накоплением, частичном считвании накопленных зарядов в первьпс N -1 кадрах цикла с одновременным их преобразованием в видеосигнал, jcoвмeщeннoм с накоплением, полном считывании накопленных зарядов в N -ом кадре цикла с одновременным преобразованием их в видеосигнал, в первых N-1 кадрах цикла накопления видеосигналом сравнивают последовательно с первым и вторым пороговыми уровнями, причем второй пороговый уровен1з выше первого, и при превьшеНИИ видеосигналом первого и второго пороговых уровней осуществляют полно считывание накопленных зарядов

Кроме того, в последнем N-OM кадре цикла накопления сравнивают аи деосигнал с третьим пороговым уровнем, который устанавливают. вьщ1е ВТОрого и при его превышении видеосигналом осуществляют дополнительное считвание накопленных зарядов.

Цель достигается также тем, что в устройство для фотоэлектрического преобразования, содержащее передающую ЭЛТ с блоками формирования электронного луча, к соответствзтощим вхо дам которой подключены выходы генератора строчной развертки и генератора кадровой развертки, а к катоду и управляющему электроду - соответственно выходы первого и второго формирователей потенциальных уровней, и генератор импульсов, введены третий формирователь потенциальных уровней, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами первого и второго формирователей потенциальных уровней, и компаратор, первый вход которого соединен с выходом видеоусилителя, второй - с выходом третьего формирователя потенциальных уровней, ,а выход - со вторыми входами первого второго и третьего формирователей потенциальньпс уровней.

На фиг. 1 представлена структурна электрическая схема устройства для фотоэлектрического преобразования i на фиг. 2 - эпюры потенциального рельефа на участке строки в трех смежных кадрах (для случая N -3) и осциллограммы формируемых видеоимпульсов и потенциальных уровней.

.Устройство для фотоэлектрического преобразования содержит передающую ЭЛТ 1, включающую в себя фотокатод 2, ускоряющий электрод 3, мишень 4, катод 5, управляющий электрод 6, первый анод 7, второй анод 8 и фокусирующе-отклонякщую систему 9, (в данном примере - магнитную), генератор 10 строчной развертки, управ(Ляемьй строчными синхроимпульсами, генератор 11 кадровой развертки, управляемый ка:Дровыми синхроимпульсами, видеоусилитель 12, компаратор 13, генератор 14 импульсов, формирующий прямоугольные импульсы из кадровых синхроимпульсов, третий формировтель 15 потенциальных уровней, первы формирователь 16 потенциальных уровней, второй формирователь 17 потенциальных уровней.

Предлагаемый способ фотоэлектрического преобразования представляет собой непрерываемьий процесс накопления потенциального рельефа (фиг. 2) от светового фона (уровни ,) и тчечных объектов (от яркого распределения объекта средней яркости - распределения -pj и от слабого - распределения т,- i ) , совмещенный во времени с периодически повторяющимся считыванием всего потенциального рельефа в N -ом кадре каждого интервала накопления и совмещенньй со считыванием в каждом кадре всего потенциального рельефа лишь от ярких объектов (таких, как объект, с распределением о ), рельеф от которых, достигая уровня насыщения В задолго до момента считывания, имеет плоскую вершину, а видеоимпульс - максимальный размах. Накопление рельефа осуществляется на коммутируемой стороне мишени передаю щей ЭЛТ, например суперкремникона, находящейся под постоянным потенциалом U; (соответствует уровню насыщения В) и обладающей внутренней вторично-электронной эмиссией под действием быстрых фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом суперкремникона при наличии оптического изображения. Величина цикла накопления (число кадров N ) задается периодически повторяющимися прямоугольными импульсами (задающими импульсами) длительностью в один кадр, формируемыми генераторами 14 путем деления частоты следования кадровых синхроим пульсов в N раз. Число N устанавливается от 1 до 30, но может быть и больше в качестве примера, рассматривается состояние N-3). При отсут ствии задающих импульсов в первых двух кадрах на катоде 5 передающем ЭЛТ, т.е. на термокатоде суперкремникона, на время прямоIo хода луча устанавливается потенциал, задаваемый в пределах (0,7-0,95) U, (уровен С на фиг. 2 а), который определя.ет величину m относительного уровня (Частичного считывания (rvi 0,7-0,95) Максимальное значение уровня m в предлагаемом способе ограничивается условием недопустимости полного счит ватия в первых N -1 кадрах потенциал ного рельефа от объектов средней ярк сти (распределения fb,/32 фиг.2 Например, при N-30 рельеф от объек тива средней яркости достигает уровн В в 10-ом кадре (прирост рельефа со ставляет 0,1 В в каяодом кадре). Если необходимо, чтобы считывание всего рельефа проходило лишь в N -ом, ЗО-о кадре, уровень m не должен превосх дить значения 0,9. Уровень же кванто вания видеоимпульсов (уровень В-, на фиг. 2 б) при этом выбирается в пред лах размаха видеоимпульсов от яркого 55 объекта с распределением d- , формируемого при считывании рельефа до уровня С . Уровень D выбирается с учетом следующих условий; наиболее, полного считывания рельефа от объекта в начале зоны (реализуется с уменьшением уровня р., ) . минимального искажения рельефа вокруг распределения о( (ограничивает уменьшение уровня D) и нежелательности полного считывания потенциального рельефа в (N -1)-ых кадрах цикла накопления от объекта средней яркости ft (для примера на фиг. 2 отражено последнее условие - уровень D выше вершины видеоимпульса от распределения р). При подходе электронного луча эмитируемого термокатодом, к участку мишени с потенциальным рельефом d..j (фиг. 2 а) формируется начальный участок до уровня D.npH считывании рельефа до уровня С) переднего фронта видеоимпульса от яркого объекта (фиг. 26). При достижении видеоимпульсом уровня D.формируется передний фронт квантового видеоимпульса (фиг, 26). При этом скачком уменьшается потенциал катода с уровня С-, до уровня С (фиг. 2г) уровня считывания рельефа в третьем (N-ом) кадре, выбираемого заранее в пределах от О до 0,3 U|v. Такясе скачком уменьшается потенциал на управляющем электроде (фиг. 2Э) с уровня до уровня Б..., отличающегося от уровня g на величину разности С . -С и соответствующего номинальному току луча (потенциал на управляющем электроде может и не меняется, если считывание до уровня осуществляется при увеличенном токе луча). Тем самым обеспечивается считывание большей части потенциального рельефа от .; .объекта с распределением от светового фона (уровни на фиг. 2q ) и сохранение от кадра к кадру практически неизменными условий накопления рельефа от ярких объек тов, что и обуславливает расширение светового динамического диапазона (отсутствие полного считывания в прототипе приводит к расширению от . кадра к кадру потенциального релье- . фа от яркого объекта с распределением о6 и формированию в N-ом кадре одного видеоимпульса от объектов cf- тл показано штриховыми линиями на фиг. 2 а,6 ). При изменении потенциалов с уровней С и до уровней С и g резко возрастает видеосигнал от объекта с (фиг. 2 5) и достигнув максимума, спадает по мере считывания потенциаль. Hot-.o рельефа. Задний фронт квантован ных видеоимпульсов (фиг. 2в) формируется при снижении видеосигнала от объекта ot до уровня Dp, выбираемого заранее в интервале между возножным уровнем видеосигнала от свет вого ф-на в первых. Н-1 кадрах и максимумов видеоимпульсов (с. увеличе нием уровня Do уменьшается возможность частичного считывания рельефа от следующего близкорасположенного изображения, но увеличивается остато ный потенциал от объекта о(). Возраст ние уровня квантования D до уровняф осуществляется также под действием квантованных импульсов, но со скоростью, не превышающей скорости нарастания видеоимпульса - осуществляется небольшая временная задержка установки уровня D, а затем и уровня Бх| , чтобы исключить ложные прерывания или запуск квантования, С прекращением квантованных импульсов в первых двух кадрах потенциалы на катоде и управляющем электроде вновь устанавливаются на уровнях С и . , В последнем N-OM кадре каждого интервала накопления под действием импульса, задающего этот инте вал устанавливаются на катоде уровеньзо ной С - уровень окончательного приведения (считывания) потенциала на комм тируемой стороне мишени и уровень g на управляющем электроде, определяющий номинальный ток считывающего луча. Прерывание считывания рельефа на обратном ходу по строке и по кадру осуществляется путем повышения потенциала на катоде на время дей ствия синхроимпульсов до уровня, превьш1ающего уровень р и практическ обеспечивающего гашение луча. Для уменьшения размаха остаточног потенциального рельефа от ярких объе тов (показано штриховыми линиями на в последнем N-ом кадре „..„ .. „„ .™„г каждого интервала накопления на время действия импульса, задающего этот интервал, устанавливается уровень D (фиг. 26 ) квантования видеосигнала, выбранный заранее в пределах 0,70,95 от максимального размаха видео сигнала в N-ом кадре. При нахшчии же квантованных импульсов устанавливается йа катоде пониженньш уровень С (фиг. 2 г), заранее выбранньй в пределах от О до С, а на управляющем элекроде повьппенный уровень f. .1 48 ( фиг. 23) заранее выбранный в пределах от уровня g до уровня, обеспечивающего максимальньй ток луча. Этим и обеспечивается уменьшение размаха остаточного рельефа от ярких объектов. Устройство для фотоэлектрического преобразования работает следующим образом. При наличии оптического изображ.ения участка звездного неба на входе передающей ЭЛТ суперкремникона, т.е. на его мишени 4 накапливается потенциальный рельеф под действием фотозлектронов, эмитируемых фофокатодом 2 и ускоренных до энергии 3-10 кВ ускоряющим электродом 3. Потенциальный рельеф от наиболее ярких звезд достигает в каждом кадре уровня насыщения В (фиг. 2о() - потенциала на мишени U, устанавливаемого заранее в пределах 7-15 В, например, равным 12 В. Считывающий электронный луч, обеспечивающий построчное сканирование миш-ени 4, формируется и отклоняется обычным образом с помощью фокусирующе-отклоняющей системы 9, на которую с генераторов 10 и 11 подаются токи пилообразформы строчкой и кадровой частоты и электродов 5-8 суперкремникона. В первых N-1 кадрах каждого цикла накопления . (на выходе генератора 14 отсутствует импульс) на выходах третьего, первого и второго формирователей 15-17 фиксируются уровни D , С-, , (фиг .,d, ), выставляемые заранее. Уровень D выставляется в относительных пределах 0,1-0,9 от величины размаха видеоимпульса от яркого объекта при считывании рельефа только .до уровня С (режим формируется при Разомкнутой связи компаратором 13 и третьим, первым и вторым формировате. . If Г.„. Р. тывание рельефа в начальной зоне, а при повьщ1ении его обеспечивается сохранение рельефа от объектов средней х « ч яркости с распределением /ь(фиг.2е). Уровень С зависит от выставленной величины выставляется в пределах 6-14 В, например, равным 11 В. Уровень выставляется из условия достаточности тока луча при считывании рельефа до уровня С.., причем повьш1ение уровня Svj(увеличение тока луча) обуславливает опережение в формировании переднего фронта видеоимпуль са и тем самым более -.полное считывание в начальной зоне рельефа от яркого объекта. При считывании потенциального рельефа от яркого объекта цо уровня С-,, на выходе видеоусилителя 12 формируется передний фронт видеоимпульса. При превьшении им уровня D на выходе компаратора 13 формируется передний фронт кванто.ванного нмпулъЬа (фиг. 26), под действием которого на выходах третьего, первого и второго формирователей 15-17 фиксируются заранее выставленные потенциальные уровни) , .; С(С2),( Р максимальном размахе видеосигнала в 1 В и максимальной величине фоновой, составляющей в 0,2 В, уровень Dj выставляется в интервале 0,3-0,9 В, например, равны 0,6 В. Уровень С выставляется в пределах 0,5-3 В, например равным 2 В. При этом уровень €2, зависящий от величины уровня С, выставляется в пределах 0-3 Б, например, равным 1 В.Уровень отличается от уровня величину разности С-,-С. Уровень же Ё2выставляется в пределах от уровня § до. нуля, например, равным минус 5 В. Фиксацией уровней Т) , С, Е на время действия квантованного импульса обеспечивается достаточно полное считывание рельефа от яркого точечного объекта с распределением flLи светового фона (фиг. 2с), которое может быть максимально возможным при установке, уровней Сл, S (штриховые линии на фиг. 2е). При уменьшении заднего фрянта видеоимпульса на выходе видеоусилителя 12 до уровня 1)2 формируется задний фронт кванто ванного импульса и вновь устанавлива ются уровниЛ, С, , В последнем N-OM кадре каждого интервала накопления на выходе генератора 14 формируется импульс длительностью в один кадр под действием которого на выходах фо мирователей 15-17 фиксируются уровни D, С, .При максимальном размахе видеосигнала в 1 В,уровень D выстав-,т. ляется в пределах 0,5-0,96 В,например равным О,-8 В.Фиксацией уровней С, 2 в последнем N-OM кадре обеспечивается полное считывание всего потенциально го рельефа (фиг. 2е), а формирование квантованных импульсов на уровне и установка на время их осуществлени уровней С,Ъ2в последнем N-OM кадр обеспечивается максимально полное считывание рельефов с распределениями с/, (штриховые линии на фиг. 2Р). Цикл накопления от 1 до 30 кадров определяется импульсами с генератора 14 при подаче на его входы кадрового синхроимпульса и цифрового кода коэффициента деления частоты следования кадровых синхроимпульсов. Запуск генераторов 10 и 11 осуществляется строчными и кадровыми синхроимпульсами, которые используются и для формирования уровней гашения считывающего луча в первом формирователе 16. При наличии в устройстве электронно-оптического усилителя (ЭОУ) его работа отличается от указанной тем, что оптическое изображение, формируемое телескопом, проектируется на фотокатод ЭОУ, а на фотокатод 2 передающей ЭЛТ 1 переносится усиленное по яркости световое изображение с выходной планшайбой ЭОУ. Усиление до яркости составляет 20-100 раз в зависимости от напряжения на ЭОУ, устанавливаемого в пределах 5-15 кВ. Использование предлагаемого способа при астрофизических наблюдениях позволяет расширить световой динамический диапазон преобразования, -определяемьш степенью расширения видеоимпульсов от ярких деталей изображения. Оценить величину расширения диапазона можно на основе закона справедливого для суперкремникона (кремникона). По сравнению с прототипом ожидаемьш выигрьш зависит от величины .относительного уровня m , до которого осуществляется в прототипе считывание рельефа в первых Ы-1 кадрах, и может быть оценено как (1- )при1 mS)1 (например, при ,7 выигрьш может быть трехкратным, при ,8 пятикратным). При использовании изобретения в оптико-электронной астрофизической системе указанное преимущество позволяет повысить вероятность обнаружения и определения положения и яркости слабосветящихся точечных объектов путем увеличения времени накопления.,;; Применение изобретения позволяет тахсже уменьшить размах остаточного потенциального рельефа в последнем М-ом кадре интервала накопления.

Рг

1

U{

е

L

JU

Л

1. Способ фотоэлектрического прВ образования, заключающийся в непрерываемом во времени накоплении зарядов на мишени передающей электронно-лучевой трубки -(ЭЛТ), разделенном на циклы длительностью в N кадров, совмещенном с накоплением, частичном считывании накопленных зарядов в первых N-1 кадрах цикла с одновременным их преобразованием в видеосигнал, совмещенном с накоплением, полном считывании накопленных зарядов в N-OM кадре цикла с одновременным преобразованием их в видеосигнал, отличающийся тем,что:, с целью расширения динамического светового диапазона фотоэлектричес кого преобразования, в первых N -1 кадрах цикла накопления видеосигнал сравнивают последовательно с первым, и вторым пороговым уровнями, причем второй пороговый уровень выше первого, и при .превышении видеосигналом первого и второго пороговых уровней осуществляют полное считывание накопленных зарядов, 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения остаточного заряда, в последнем N -ом кадре цикла накопления сравнивают видеосигнал с третьим пороговым уровнем, который устанавливают выше второго, и при его превышении видеосигналом осуществляют дополнительное считывание накопленных зарядов. 3.Устройство для фотоэлектрического преобразования, содержащее i передающую ЭЛТ с блоками формирования электронного луча, к соотвествующим входам которой подключены выходы генератора строчной развертки и генератора кадровой развертки, к выходу вход видеоусилителя, а к катоду и управляющему электроду - соответствено со но выходы первого и второго формирователей потенциальных уровней, и генеК5 ратор импульсов, отличающе vl еся тем, что, с целью расширения сд динамического светового диапазона фотоэлектрического преобразования, в него введены третий формирователь потенциальных .уровней, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами первого и второго формирователей потенциальных уровней, и компаратор, первый вход которого соединен с выходом видеоусилителя, второй с выходом третьего формирователя потенциальных уровней, а выход - со вторыми входами первого, второго и третьего формирователей.