tv (Телевидение), страница 9

С_м  С_см  С_ма,

т.е. практически все напряжение приложено к обкладкам С_ма, а наименьшая часть – к С_м. Это означает, что потенциалы левой и правой обкладок С_м одинаковы, т.е. потенциальный рельеф левой стороны мишени без изменений передается на правую.

Вторая секция трубки работает в области медленных электронов. Она состоит из электронного прожектора 8 с апертурой  50 мкм, фокусирующего анода 6 (металлическое внутреннее покрытие баллона) и тормозящего электрода 4 (короткий металлический цилиндр вблизи мишени). Иногда добавляют выравнивающую сетку 5. Луч прожектора отклоняется строчными и кадровыми катушками, образуя растр на мишени.

За счет продольного фокусирующего поля и тормозящего поля последнего электрода 4 электроны с практически нулевой скоростью перпендикулярно «ощупывают» мишень. При достаточно большом токе пучка потенциал мишени доводится до нижнего равновесного значения U_HP независимо от величины начального положительного потенциала. Для этого требуется большая или меньшая часть тока луча, а остальная часть тока луча, не потребовавшаяся для компенсации накопленного на мишени положительного заряда, отражается от мишени и возвращается в обратном направлении.

Третья секция суперортикона предназначена для усиления возвращенной части тока луча. Она состоит из пяти кольцевых электродов (динодов) умножителя, на выходе последнего из которых включен нагрузочный резистор R_н. Эта секция трубки, как и первая, работает в режиме быстрых электронов; общий коэффициент усиления достигает 10³.

В целом суперортикон вырабатывает позитивный сигнал, т.е. высокой освещенности участка фотокатода («уровень белого») соответствует максимальный ток вторично-электронного умножителя, т.е. наибольшее значение напряжение в точке А (рис. 4.9.). Световая характеристика трубки этого типа приведена на рис. 4.11. Начальный участок линеен, что объясняется тем, что элементарные конденсаторы С_см не успевают полностью зарядиться за время кадра, все вторичные электроны, выбитые из мишени, отбираются сеткой и объемный заряд между мишенью и сеткой отсутствует. Трубка на линейном участке правильно воспроизводит среднюю яркость изображений. При увеличении освещенности фотокатода (участок ВС) фотоэлектроны будут доводить потенциал мишени до равновесного значения U_BP (рис. 4.8), на несколько вольт выше потенциала сетки. Образуется местное тормозящее поле, создающее объемный заряд, который уравнивает число первичных (фото)электронов и число вторичных. собираемых сеткой. Трубка не будет правильно воспроизводить среднюю яркость изображения. Описанная характеристика соответствует статическому оптическому изображению («белый квадрат на черном фоне»). Несмотря на линейную зависимость участка АВ, практически он не используется из-за малого отношения сигнал/шум. Рабочим участком служит диапазон ВС, где из-за тормозящего объемного заряда вторичные электроны, выбитые из участков мишени, соответствующих наиболее светлым местам фотокатода, возвращаются на близлежащие участки, снижая тем самым их потенциал. Таким образом, образуются динамические характеристики трубки (пунктир на рис. 4.11), которая соответствует проецированию на фотокатод полутоновой шкалы (десять градаций).

Динамический диапазон освещенностей у суперортикона выше, чем у человеческого глаза, однако желание иметь большое отношение с/ш ( 20) заставляет работать с освещенностями в (2-3) выше Е₁ (рис. 4.11), которую принимают за чувствительность суперортикона.

Спектральная характеристика трубки, как обычно, определяется материалом фотокатода.

Разрешающая способность суперортикона описывается апертурной характеристикой (рис. 4.12), т.е. изменением (модуляцией) величины тока i_e через нагрузочный резистор от количества строк z в растре (диаметра апертуры). Разрешающая способность зависит от конечного значения диаметра коммутирующего луча и качества фокусировки электронного изображения на мишени.

В заключение еще раз подчеркнем высокую чувствительность и разрешающую способность суперортикона. Как уже отмечалось, эта трубка имеет существенные недостатки:

• довольно высокий уровень шумов;

• неравномерность сигнала по растру за счет различных скоростей считывающего луча в центре и на краях мишени;

• сложна в производстве и эксплуатации;

• большие габариты, чувствительность к внешним факторам (удары, вибрации, изменение температуры);

• недостаточная долговечность (200-750) час;

• большое время подготовки к работе после включения (до 30 минут).

4.6. Видикон

Видикон в настоящее время является самой распространенной телевизионной передающей трубкой в силу простоты, надежности и дешевизны при небольших размерах и массе. Видикон использует мишень с внутренним фотоэффектом, которая служит непосредственно фотокатодом.

Видикон состоит из двух основных узлов – фотомишени и электронного прожектора, создающего коммутирующий пучок (рис. 4.13). На внутреннюю стенку стеклянной планшайбы напылена прозрачная ( = 0,9) сигнальная пластина 1 (Au, Pt или SnO), имеющая вывод. Затем нанесен фотослой 2 в виде сложного полупроводника из соединений сурьмы, селена, мышьяка, серы. От состава полупроводника и его толщины зависит чувствительность, спектральная характеристика и инерционность видикона.

Электронная коммутационная система образована электронным прожектором (термокатод 3, управляющий электрод 4 , первый 5 и второй 6 аноды) и выравнивающей сеткой 7. Потенциал этой сетки в (1,52) раза превышает потенциал второго анода, что обеспечивает нормальную (под углом 90 к мишени) ориентацию луча, необходимую для получения одинакового исходного потенциала по всей мишени.

Эквивалентная схема видикона приведена на рис. 4.14. Каждый элементарный участок мишени представлен в виде конденсатора C_эi, шунтированного сопротивлением R_эi. Величина этого сопротивления определяется внутренним фотоэффектом и зависит от локальной освещенности, т.е. на мишени оптическое изображение преобразуется в рельеф удельных сопротивлений, величина которых лежит в диапазоне от 10¹² Омсм (темные участки) до 10¹⁰ Омсм (наиболее светлые).

Когда мишень обходится лучом (при развертке), то все участки правой стороны мишени приобретают потенциал катода, т.е. все элементарные конденсаторы имеют разность потенциалов U_сп. Затем при проецировании изображения меняются R_э, так что С_э разряжается через свой R_э в течение времени между двумя коммутациями с постоянной времени R_эС_э и потенциал правой обкладки увеличивается, приближаясь к потенциалу левой обкладки, т.е. потенциалу сигнальной пластины. На неосвещенных местах потенциал меняется гораздо слабее. Т.е. создается потенциальный рельеф, соответствующий распределению освещенности (и проводимости).

При коммутации потенциальный рельеф вновь выравнивается. Там, где был положительный потенциал, расходуется ток луча на дозаряд элементарного конденсатора до потенциала катода и этот ток луча протекает через цепь сигнальной пластины. В точке А напряжение падает, т.е. большей освещенности соответствует меньший потенциал точки А (негативный сигнал).

Световая характеристика видикона (рис. 4.15) представляет собой семейство кривых, определяемых величиной напряжения на сигнальной пластине U_сп. Хотя световая характеристика видикона нелинейна, но она мало зависит от характера освещенности фотокатода (в отличие от суперортикона), т.е. контраст получается достаточно высоким.

Видикон дает информацию о средней яркости, т.к. во время обратного хода сигнал соответствует уровню черного (если пренебречь темновым током), т.е. отличается от уровня гасящих импульсов.

Разрешающая способность видикона зависит от структуры, размеров и свойств мишени, а также от сечения коммутирующего пучка. Апертурная характеристика одного из видиконов (ЛИ-421) дана на рис. 4.16.

Типичным можно считать размер рабочего участка мишени 12,5  9,5 мм², диаметр луча  15 мкм, ток луча  0,5 мкА.

Видикон хорошо работает в диапазоне освещенности (1-10) лк. Здесь невелика и инерционность.

Инерционность обусловлена фотоэлектрическими процессами в мишени (материал фотополупроводника, примеси, уровень освещенности) и недостаточностью тока пучка, что не позволяет выровнять потенциал мишени за 1 цикл развертки. Инерционность видикона можно уменьшить за счет уменьшения С_э, чтобы не ухудшать разрешения за счет увеличения тока луча.

Промышленность выпускает  30 разновидностей видиконов с диаметром колбы от 13,6 до 40 мм.

Одной из разновидностей видиконов является плюмбикон (глетикон), у которого приняты меры не только по уменьшению С_э, но и по увеличению R_э, чтобы не было ситуации, когда R_э С_э настолько мало, что не полностью используется эффект накопления, т.е. постоянная времени  = R_э С_э меньше времени кадра (цикла коммутации).

Это достигается путем замены фоторезистной мишени мишенью фотодиодного типа, что обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое сопротивление и линейную световую характеристику.

Мишень плюмбикона и его эквивалентная схема приведены на рис. 4.17.

Мишень плюмбикона состоит из трех полупроводниковых слоев. К сигнальной пластине 1 примыкает прозрачный полупроводник 2 с n –проводимостью, затем следует слой i, представляющий собой окись свинца PbO в виде кристаллических чешуек размерами 0,10,053,0 мм³, ориентированных большой стороной вдоль световых лучей. Третий слой – полупроводник с р-проводимостью. В такой многослойной мишени резко уменьшается скорость рекомбинации носителей, что эквивалентно уменьшению темнового тока, а увеличенная толщина мишени уменьшает С_э и увеличивает эффективность образования фотоэлектронов проводимости. В момент коммутации переход p–i-n смещается в обратном направлении, что еще больше увеличивает эквивалентное сопротивление утечки R_э.

По своей чувствительности плюмбикон несколько уступает видикону (рабочая освещенность (5-8) лк). Разрешающая способность составляет  600 линий при отношении сигнал/шум около 200. Инерционность плюмбикона соответствует остаточному сигналу  5% спустя один кадр.

4.7. Многосигнальные видиконы

На базе рассмотренных преобразователей строятся не только системы черно-белого, но и цветного телевидения – путем использования трех или четырех преобразователей – как это будет показано позже. В этом случае к преобразователям предъявляются очень жесткие требования по идентичности характеристик свет-сигнал, геометрических искажений, инерционности и др. Естественно также, что трех – или четырех трубочные передающие цветные телевизионные камеры имеют большие габариты, массу, стоимость.

Поэтому понятно стремление к созданию многосигнального видикона, который может осуществлять пространственное разделение светового потока на фоточувствительной поверхности преобразователя.

Рассмотрим принцип действия одного из трехсигнальных видиконов (рис. 4.18). Здесь сигнальная пластина образована тремя группами полосковых электродов 2, нанесенных на соответствующие светофильтры 3. Спектральные характеристики полосковых фильтров приведены на рис. 4.19. Фильтры нанесены на стеклянную пластину (планшайбу) 1.

Образование потенциального рельефа на мишени 4, обладающей внутренним фотоэффектом, происходит как в обычном видиконе. Все электроды «одного цвета» соединяются и на трех выходах трубки формируются три цветоделенных сигнала.

Полосковые светофильтры и сигнальные пластины располагаются перпендикулярно строчной развертке. В одном из таких видиконов использовалось 870 электродов (290 «троек») на строку изображения, расположенных с шагом 17,5 мкм.

Подобный прибор не нашел практического применения, что связано с паразитными емкостными связями между разносигнальными электродами, а также значительными оптическими связями в светоделительном узле. Все это в совокупности снижает качество цветного изображения.

Дальнейшие идеи в развитии многосигнального видикона заключается в кодировании оптически цветоделенных изображений. Используется метод частотного или импульсного (фазового) кодирования. На выходе преобразователя формируется один сигнал, а информация о цветоделенных изображениях разнесена по различным частотным диапазонам выходного сигнала или закодирована в его фазе.

Рассмотрим систему с частотным кодированием (две поднесущих частоты). Оптический кодирующий фильтр устанавливается в плоскости изображения и представляет собой систему наложенных друг на друга полосковых светофильтров, перекрещенных под углом 45 (рис. 4.20). Один из этих фильтров 2 – голубые полоски, а вертикальные полоски 3 – желтого цвета. Наложение полосок 2 и 3 дает участки зеленого цвета. Прозрачные места фильтра обозначены цифрой 1. Таким образом, там, где находится голубая полоска, не пропускается красная часть спектра, а под желтую полоску не проходит синяя часть светового потока.