Nguyên lý chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện dựa trên cơ sở lần lượt chuyển đổi độ chói của từng điểm ảnh thành tín hiệu điện tương ứng.
) (t kf kL U trong đó: k là hệ số tỷ lệ.
Để chuyển đổi độ chói thành dòng điện (điện áp) tương ứng, ta dùng hiệu ứng quang điện trong và hiện tương quang điện ngoài.
Người ta chiếu ảnh của vật lên Catot quang điện, khi đó trên bề mặt Catot sẽ xuất hiện hiện tượng quang điện, mật độ điện tích ở mỗi điểm trên Catot tỷ lệ với độ rọi trên điểm đó. Như vậy từ ảnh quang đã chuyển thành ảnh điện tử. Dựa trên nguyên lý quét, người ta chuyển ảnh điện tử này thành dòng tín hiệu điện.
Những yêu cầu cơ bản của dụng cụ biến đổi quang – điện:
- Độ nhạy cao, nghĩa là khi vật được chiếu sáng với độ rọi yếu mà tín hiệu lấy ra vẫn tốt. - Làm việc được trong dải sáng rộng.
- Có khả năng truyền đạt các bậc sáng của ảnh một cách trung thực.
- Có khả năng tạo được tín hiệu điện tương ứng với các chi tiết nhỏ của ảnh cần truyền đi. Nếu tạo được tín hiệu điện ứng với các chi tiết nhỏ, ta nói dụng cụ biến đổi quang - điện có độ phân biệt cao.
- Quán tính nhỏ.
- Ngoài ra trong sử dụng đòi hỏi dụng cụ biến đổi quang – điện phải bền, làm việc với độ tin cậy cao, gọn nhẹ, sử dụng đơn giản, ổn định.
Dụng cụ phổ biến để chuyển đổi ảnh thành tín hiệu điện là ống Vidicon, hiện nay với sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn và vi mạch tích hợp người ta đã dần sử dụng những bộ cảm biến ảnh với chip CCD hay CMOS để thay thế cho ống Vidicon.
Để hiểu rõ về nguyên lý chuyển đổi ảnh thành tín hiệu điện sau đây ta sẽ nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống Vidicon – Bộ phận chính trong những camera tương tự.
Hình 3.4 Cấu tạo ống Vidcon Cấu tạo ống Vidicon gồm 3 phần chính:
- Bia (Target): Là nơi ánh sáng từ vật qua hệ thống thấu kính (camera lens) chiếu vào, và được tia điện tử quét qua để tạo thành tín hiệu. Gồm một màng kim loại rất mỏng có thể cho ánh sáng truyền qua được (transparent conducting layer), được phủ lên mặt trong của thành trước bia. Trên lớp kim loại này phủ một lớp mỏng (khoảng 3µm) vật liệu quang dẫn (photoconductive film). Từ lớp kim loại này có lối lấy ra tín hiệu qua tải.
- Súng điện tử (electron gun): Có nhiệm vụ tạo ra dòng tia điện tử quét lên bia. Súng điện tử gồm catot (cathode) được nung nóng bởi sợi đốt đặt bên trong, bức xạ ra điện tử. Các lưới điều khiển (control grid), lưới tăng tốc (accelerator grid) và lưới tạo ra điện trường gần bia (collimating mesh), có tác dụng gia tốc cho chùm electron và hướng nó quét vào bia.
- Hệ thống tiêu tụ: Có nhiệm vụ điều khiển chùm tia điện tử quét chính xác vào bia. Hệ thống tiêu tụ gồm các cuộn dây: cuộn làm lệch (deflection coil), cuộn tiêu tụ (focus coil) và cuộn chỉnh (aligmet coil).
Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của ống Vidicon dựa trên hiện tượng quang điện trong, nghĩa là điện trở của vật liệu quang dẫn thay đổi phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng vào nó. Mỗi phần tử của bia coi như một điện trở và một tụ điện mắc song song trong đó điện trở là điện trở của lớp quang dẫn, tụ điện có một bản tụ là lớp kim loại, bản kia là lớp quang dẫn. Ta xét sự hình thành tín hiệu trên một phần tử bia.
- Khi không có ánh sáng rọi tới bia và không có tia quét, tụ không được tích điện. Do vậy không có tín hiệu ra.
- Khi không có ánh sáng rọi tới bia và có tia quét, tụ điện được tích điện (do chùm tia điện tử tới), nhưng do không có ánh sáng rọi tới nên điện trở của lớp quang dẫn rất lớn nên tín hiệu ra sẽ rất nhỏ.
- Khi có ánh sáng rọi tới bia và có tia quét, tụ điện được tích điện, lúc này điện trở của lớp quang dẫn thay đổi phụ thuộc vào cường độ sáng rọi tới, do vậy dòng tín hiệu (dòng phóng của tụ điện) sẽ thay đổi tương ứng với sự thay đổi điện trở lớp quang dẫn, nghĩa là thay đổi theo độ sáng của ảnh . Ta cũng có thể coi có một dòng điện tử chạy từ Katot của súng điện tử, tới bia, qua bản cực của tụ điện, qua lớp kim loại, tới tải rồi về cực dương của nguồn. Tương ứng có dòng điện theo chiều ngược lại, có cường độ phụ thuộc vào điện trở của lớp quang dẫn.