Snímacia elektrónka - Vidicon

Jedným z prvých masovo využívaných snímacích zariadení bola vákuová elektrónka – Vidicon. Princíp činnosti tohto snímača spočíva v zmene rezistivity svetlo-citlivého materiálu. Principiálna schéma je zobrazená na nasledujúcom obr.1. 

Rozkladová elektróda je umiestnená na čelnej strane sklenenej banky a je tvorená dvoma časťami. Z vonkajšej strany je na dosku nanesená priehľadná vodivá signálová elektróda, ktorá má na okraji vodivý prstenec pre pripojenie vodiča, ktorým sa bude odvádzať signál. Akumulačná elektróda z fotorezistivného materiálu je nanesená z vnútornej strany banky. Tento materiál mení svojou vodivosť v závislosti na intenzite elektromagnetického žiarenia, ktoré na neho dopadá, a na základe fotoelektrického javu uvoľňuje po dopade daného žiarenia elektróny. Pokiaľ tento materiál nie je ožiarený, má veľmi vysoký odbor (približne 20 Mohm). Naopak, ak je vystavený svetelnému žiareniu jeho odpor sa v závislosti od intenzity mení v rozmedzí 2 Mohm – 20 Mohm. Tieto hodnoty potom zodpovedajú hodnote odtieňov sivej. Signálová vrstva má kladný potenciál. Keď svetlo dopadá na fotorezistívnu vrstvu, dochádza k uvoľneniu voľných elektrónov a tieto sa presúvajú na pozitívnu signálovú vrstvu. Takto vzniká deficit elektrónov na strane, kde dopadá elektrónový lúč. Tento deficit elektrónov proporčne zodpovedá intenzite obrazu premietnutého na snímacie zariadenie. Vzniká tak potenciálový obraz.  Takto je vytvorený obraz, ktorý sa následné sníma elektrónovým lúčom. Elektrónový lúč je vychyľovaný pomocou vychyľovacích cievok. Vychyľovanie prebieha po riadkoch. Pritom,ako lúč prechádza po rozkladovej elektróde eliminuje deficit elektrónov. Toto sa prejaví na prúde, ktorý tečie obvodom katóda – záťaž – vodivý prstenec. Časovo závislé napätie na zaťažovacom rezistore potom predstavuje optický signál prevedený na elektrický.

Bežné vidikony majú magnetické ostrenie a magnetické vychyľovanie. Pozdĺžne magnetické pole vytvára cievka zaostrenia, elektrónový lúč vychádzajúci z limitačnéj clony G2 sa zaostruje do roviny rozkladovej elektródy. Pomocné elektrostatické ostrenie je realizované elektródou G3. Vychyľovacie cievky magnetickým poľom zabezpečujú vychyľovanie lúča v horizontálnom aj vertikálnom smere tak aby tento postupne po riadkoch prešiel cez celú plochu rozkladovej elektródy.

Farebný obraz sa sníma pomocou troch elektróniek , ktoré v prednej časti majú nainštalovaný farebný filter.

Obr.1    Vnútorné usporiadanie vidiconu

Obr. 2 Závislosť medzi optickým a potenciálovým obrazom (čierne bodky predstavujú deficit elektrónov) 

Obr. 3 Princíp skenovania obrazu

CCD snímač

Označenie CCD pochádza zo skrátenia slov charge-coupled device, čo v preklade znamená Nábojovo viazané zariadenie. V Slovenskej literatúre sa ustálil termín nábojovo viazaná štruktúra. Koncept CCD bol navrhnutý v roku 1969 výskumníkmi Willardom Boyleom a Georgeom E. Smithom  z Bellovho laboratória. V roku 2009 za tento objav získali Nobelovú cenu za fyziku. CCD sa stal základom digitálnych fotoaparátov a kamier. Prvý krát bol použitý už v roku 1975, kedy Steven Sasson vyvinul prvý digitálny fotoaparát.

CCD obrazový snímač je vo svojej podstate posuvným registrom, ktorý dokáže uchovávať informáciu o pôsobení svetla. Využíva pritom fotoelektrický jav, za popis ktorého Albert Einstein v roku 1921 získal Nobelovou cenou za fyziku.

Princíp činnosti registra je zobrazený na nasledujúcom obrázku. Register je tvorený spojením polovodivého materiálu kremíka a izolačným materiálom oxidu kremíka. Spodná časť tvorená kremíkom je v celej ploche pokrytá vodivým materiálom a tvorí tak katódu. Vrchná časť je pripojená k  trom striedavo opakujúcim sa elektródam. Na tieto je striedavo pripojené kladné napätie. Výstup registra musí byť zosilnený zosilňovačom. Na obr. 4 vidíme tri pixely oddelené zelenou bodkovanou čiarou. Proces snímania obrazu pozostáva z 2 fáz.

1. Fáza - expozícia

Vrchné elektródy označené číslom 1 sú pripojené na kladné napätie. CCD snímač je následne vystavený svetlu. V pixeloch, na ktoré dopadli fotóny sa uvoľnia elektróny, ktoré sú kladným potenciálom priťahované k elektróde č. 1. Pod danou elektródou tak vznikajú potenciálové studne tvorené zhlukom elektrónov. V polovodiči po týchto elektrónoch ostávajú kladné diery, ktoré sú priťahované k nulovému potenciálu smerom k spodnej elektróde.

2. Fáza – zosnímanie obrazu

V tejto fáze sa uskutočňuje odčítanie hodnoty záporného potenciálu, ktorý sa vytvoril pod elektródou č. 1. Samotné odčítanie sa uskutoční postupne na konci registra. Potenciálové studne sa k vstupu zosilňovača privedú posúvaním tak, že kladné napätie sa privedie na elektródu č. 2 a elektróda č. 1 sa následne od napätia odpojí. Keďže kladný potenciál je teraz na elektróde č. 2, voľné elektróny sa posunú pod túto elektródu. Následne sa pripojí elektróda č. 3 . Ako si môžeme všimnúť, elektróda č. 3 je na začiatku nového pixelu resp. poľa registra. Záporný náboj sa teda takto posúva cez celý register. Opäť sa pripojí elektróda č. 1 a proces pokračuje až dokiaľ nie sú odčítané hodnoty z celého registra. Za predpokladu, že po expozícii došlo k zatemneniu CCD snímača (zavretím uzávierky), po odčítaní všetkých hodnôt ostáva register prázdny a je možné proces opakovať.

Doposiaľ sme uvažovali iba jeden posuvný register. CCD snímač pre obraz je však tvorený týmito registrami tak, že vytvárajú maticu pixelov. CCD registre predstavujú stĺpce obrazového snímača a ich výstupy sú pripojené k ďalšiemu posuvnému registru (obr. 6.) V jednom takte pre odčítanie jedného riadka sa posunú hodnoty na konci vertikálnych registrov do horizontálneho registra, ktorý sa celý odčíta. Následne sa realizuje ďalší posun vertikálnych registrov a proces sa opakuje.

Farebný obraz je získaný tak, že svetlo dopadajúce na CCD senzor je filtrované farebnou maskou. Vzniká tak obraz s presne definovaným vzorom. Keďže na zelenú farbu je ľudské oko najcitlivejšie, najviac pixelov je práve pre zelenú farbu. 

Obr. 4 Fáza expozície CCD snímača

Obr. 5 Fáza zosnímania CCD snímača

Obr. 6 Zapojenie CCD snímača do matice