RU2007049C1

RU2007049C1 - Acoustoelectronic device for scanning optical images

Info

Publication number: RU2007049C1
Authority: RU
Inventors: О.П. Обрубов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Комета"
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: TV. SUBSTANCE: acoustooptical device for scanning optical images has piezoelectric acoustic line 1 of surface acoustic waves with pulse exciters. SAW pulse exciters are manufactured in the form of electroacoustic converters 2, 3 connected to short radio pulse generator 4, to extended pulse generator 5 and to synchronization pulse generator 6. System 7 of output of electric signal includes mesh electrode 8, shielding electrode 9, opticoelectronic converter 10, piezoelectric acoustic line 1. System 7 of output of electric signal and opticoelectronic converter 10 are placed into vacuumed body 11 with optical window 12. EFFECT: improved reliability of device. 1 dwg

Description

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. The proposed acoustoelectronic device for scanning optical images is intended to convert optical images into an electrical radio signal in electronic image processing and transmission devices, in particular in television.

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. A device for scanning optical images, made on the basis of a convolver of surface acoustic waves (SAW), carrying out single-axis scanning of an optical image. The device is made in the form of a monolithic structure containing a photosensitive piezoelectric semiconductor sound duct (made of zinc oxide), located in the gap of an electric capacitor that carries out the output signal.

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. The optical image is projected onto the surfactant sound line through a translucent capacitor electrode having a negative bias and serving as a convolver parametric electrode. The charge image, which is formed in this case in the illuminated areas of the sound duct, is read using a convolution of counterpropagating surfactants.

Это устройство имеет ограниченные чувствительность и динамический диапазон, что обусловлено трудностями создания материала звукопровода одновременно с высокими фотополупроводниковыми и пьезоэлектрическими свойствами. This device has limited sensitivity and dynamic range, which is due to the difficulties in creating sound duct material simultaneously with high photoconductor and piezoelectric properties.

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. The best sensitivity and dynamic range has another known device for scanning optical images, in which the photosensitive and piezoelectric elements are made of various materials. It contains a piezoelectric sound guide SAW with a photosensitive element in the form of a semiconductor wafer and pulse exciter SAW located on its working surface, located in the interelectrode gap of the electric capacitor, the electrodes of which form the output arm of the device.

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. The optical image is projected onto the semiconductor wafer through one of the capacitor electrodes made translucent. The conductivity distribution in the photoconductor wafer, corresponding to its illumination, is read using a convolution of counterpropagating short and extended surfactant pulses. The modulation of the output signal taken from the electrodes of the capacitor at the total frequency of the interacting surfactants is a scan of the illumination of a photoconductor wafer - an optical image signal (one line). Using a mechanical scan along the second coordinate (for example, moving the image), you can get a scan of the entire frame.

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). The prototype device has a limited sensitivity (determined by the sensitivity of the used semiconductor) and a limited dynamic range (determined by the ratio of light and dark conductivity of the semiconductor and the characteristics of the nonlinear interaction of surfactants associated with the nonlinear properties of the semiconductor).

Целью изобретения является повышение чувствительности и увеличение динамического диапазона. The aim of the invention is to increase the sensitivity and increase the dynamic range.

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. This goal is achieved by the fact that in a device for scanning optical images containing a piezoelectric sound guide SAW with exciter pulses SAW, the photosensitive element and the output signal interaction SAW, the photosensitive element is made in the form of an optoelectronic image converter (i.e., an optical image signal converter an electronic image signal modulated by current density over the space of the electron flow) and an electric transfer system is introduced and electronic image output from the opto-electronic converter on the working surface acoustic conductor surfactant.

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. Comparative analysis with the prototype showed that the proposed device is distinguished by the implementation of the photosensitive element - in the form of an optical-electronic image converter, the presence of a new element: the system of electric transfer of an electronic image (i.e. modulated by current density in space of the electron flow) from the output of the optical-electronic transducer to the working surface of the surfactant sound duct, and new connections of the photosensitive element and the electronic transfer system of the electronic image ia with other elements of the device.

Таким образом, предложенное устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the proposed device meets the criteria of the invention of "novelty."

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. A comparison of the claimed technical solution with other technical solutions shows that the optoelectronic image converters and the electronic image transfer system from the output of the optoelectronic converter to the target (for example, a phosphor screen) are widely known and are used in image brightness amplifiers based on flat microchannel image intensifiers.

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. However, when they are introduced in this connection with the remaining elements in the proposed device, these elements exhibit new properties, which leads to an increase in sensitivity and an increase in the dynamic range of the device for scanning optical images.

На чертеже представлена схема устройства для сканирования оптических изображений. The drawing shows a diagram of a device for scanning optical images.

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. It contains a sound guide 1 SAW, made in the form of a piezoelectric plate, for example, lithium niobate; SAW pulse exciters made in the form of electro-acoustic (for example, interdigital) SAW transducers 2 and 3 placed on the sound duct 1, connected to a generator of 4 short radio pulses and a generator of 5 long-duration radio pulses, respectively, connected by input arms in synchronization to a generator 6 of synchronizing voltage pulses; a SAW interaction signal output system, made, for example, in the form of a mesh 7 and screening 8 electrodes forming the plates of an electric capacitor, in the gap of which a sound duct 1 is placed; optoelectronic converter, made, for example, in the form of a photocathode 9, operating in the "on cross"; a system for electric transfer of an electronic image from the output of the optoelectronic converter to the working surface of the sound duct 1, made, for example, in the form of a microchannel amplifier of an electronic image based on a microchannel plate 10, an accelerating mesh electrode 7, which at the same time is a capacitor electrode of a signal output system connected in conjunction with an optical -electronic converter (in the form of a photocathode 9) and a shielding electrode 8 to the source 11 of the supply voltage.

Элементы устройства для сканирования: звукопровод 1 и оптико-электронный преобразователь размещены в вакуумированном корпусе 12 с оптическим окном 13. Elements of the device for scanning: the sound pipe 1 and the optoelectronic converter are placed in a vacuum case 12 with an optical window 13.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. The input optical image 14 is projected onto the photocathode 9, converted into an electronic image and transferred by the accelerating electric field of the electric transfer system of the electronic image to the working surface of the sound duct 1, being amplified by a microchannel plate 10. The working surface of the sound duct 1 is irradiated by image electrons accelerated to energies ≈ 1 keV, which as a result of secondary electron emission leads to the formation of an inhomogeneous density of spatial charge distribution corresponding to the incoming electronic image.

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. Pathogen surfactants form surfactant pulses propagating towards each other. The convolution signal of the pulses of these waves, recorded by the electrodes 7 and 8 of the output system, for example, at the total carrier frequency of the frequencies of the interacting waves, is a scan of the electronic image and, therefore, the scale is the scan signal of the input optical image.

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. In the known device for scanning optical images (prototype), the sensitivity is determined by the light sensitivity of the used semiconductor (using the internal photoelectric effect) and losses when converting the induced photoconductivity signal into an electrical convolution signal of a surfactant.

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).In the proposed device, the sensitivity is higher for two reasons:
the phenomenon of an external photoelectric effect is used, which is characterized by a significantly larger value of the quantum yield (in the spectral range of the input optical signal up to ≈ 1.2 μm); this leads to greater sensitivity (less energy loss) of the first conversion (light image to electronic);
a more efficient (by 20-40 dB) mechanism of convolution of surfactant signals in the spatial charge of secondary electrons (and not in a semiconductor medium, as in the prototype) is used, which leads to a smaller value of signal loss in the path of the subsequent conversion (light signal into an electrical signal).

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. For these reasons, the sensitivity of the proposed device can be brought to a value characteristic of optoelectronic converters on the external photoelectric effect and significantly exceeding the sensitivity of the photodetector on the internal photoelectric effect.

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.In the prototype device, the dynamic range is determined by the range of variation of the nonlinear electrical properties of the photoconductor (causing parametric interaction of propagating surfactants) in the range of luminous flux from image elements. This range is determined by the ratio of the light and dark conductivities of the material ("multiplicity", and, as a rule, does not exceed 10 ² -10 ³ ). The presence of the dark conductivity of the photoconductor significantly limits the value of the minimum brightness of the converted images from below. The characteristics of the photoconductor in the state of maximum light conductivity limit the value of the maximum brightness of the converted images.

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. In the proposed device, the parametric medium in which the surfactant interacts is a cloud of secondary electrons in the layer in which the surfactant electric fields exist. The thickness of this layer is about the length of a surfactant (almost 10-100 microns). The range of variation of the nonlinear electrical properties of this medium is much larger, since it is determined by the change in the current – voltage characteristic of the emitter – collector system from the absence mode to the mode of the presence of a space charge of maximum density created by secondary electrons.

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. The value of the minimum brightness of the converted images in the proposed device is almost not limited by the characteristics of the parametric medium (cloud of secondary electrons), since the lower limit of the flux density of secondary electrons can be brought to zero, and the convolution of the surfactant in the cloud of secondary electrons exceeds the convolution of the surfactant in a semiconductor medium by value up to 20-40 dB, which is known from the technique of surfactant-convolvers on secondary electrons. This case (zero flux density) corresponds to a zero value of the output signal for image elements of zero brightness. The lower limit of the brightness values of the converted images will be limited in the proposed device by other factors: the sensitivity of the optoelectronic converter and the sensitivity of the amplification path of the output parametric signal. However, these factors significantly (an order of magnitude or more) reduce the restrictions on the minimum brightness of the elements of the transforming images in comparison with the prototype.

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. The proposed device is also characterized by a large (almost ≈ 10 dB) value of the dynamic range. (56) Ultrasound. Little Encyclopedia. / Ed. I.P. Golyamina. M.: Sov. Encyclopedia, 1979, p. fifty.

Claims

ACOUSTOELECTRONIC DEVICE FOR SCANNING OPTICAL IMAGES, containing a piezoelectric sound guide of surface acoustic waves (SAW) with SAW pulse exciters, a system for outputting an electric signal of SAW interaction, made, for example, in the form of an electric capacitor, in the interelectrode gap of which there is a sound guide duct, and a photosensitive element the fact that, in order to increase sensitivity and increase the dynamic range, the photosensitive element is made in the form of optics o-electronic image signal converter, and the device has been introduced a system of electric transfer of electronic image from the output of the optical-electronic converter to the working surface of the surfactant sound path between the exciters of surfactant pulses, for example, in the form of a microchannel electronic image amplifier based on a microchannel plate located between the output of the optical electronic transducer and the working surface of the sound duct, and the elements of the device for scanning optical images in an evacuated enclosure with optical window aligned with the input of opto-electronic converter.