книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

видимое изображение. Потенциалоскопы, преобразующие электри­ ческий сигнал непосредственно в видимое изображение, выполняют те же функции, что и осциллографические, радиолокационные труб­ ки, а также кинескопы. Но в отличие от обычных приемных трубок эти потенциалоскопы позволяют длительное время хранить запи­ санную информацию и по мере надобности «выдавать» ее в виде изображения на экране.

Впотенциалоскопах с видимым изображением может приме­ няться различная запись информации, считывание же, как прави­ ло, осуществляется сеточным управлением.

Вкачестве потенциалоскопа с одновременным воспроизведени­ ем выходной информации в виде электрических сигналов и види­ мого изображения используется трубка, принципиально не отли­ чающаяся от потенциалоскопа с коллектором-рефлектором. Отли­ чие состоит лишь в небольшом конструктивном изменении коллектора-рефлектора. Если сделать коллектор-рефлектор в виде сетки, а на поверхность дна колбы нанести слой люминофора, то потенциалоскоп будет создавать электрический выходной сигнал в цепи коллектора-рефлектора, как обычно. Однако за счет сетчатой

структуры коллектора-рефлектора некоторая часть электронов пройдет сквозь него и, попав на экран, образует видимое изобра­ жение. Для увеличения яркости свечения экрана между коллекто­ ром-рефлектором и экраном устанавливается дополнительный ус­ коряющий электрод или же экран снабжается проводящим покры­ тием и к этой проводящей, прозрачной для электронов пленке подводится достаточно высокий (относительно катода считываю­ щего прожектора) положительный потенциал.

Получить выходную информацию одновременно в виде электри­ ческих сигналов и видимого изображения можно также в трубках с бистабильной записью, применяемых в счетно-решающей техни­ ке (см. § 11.3). Если в этой трубке сигнальную пластинку сделать полупрозрачной, а в качестве диэлектрика применить слой люми­ нофора, что возможно благодаря хорошим диэлектрическим свой­ ствам многих промышленных светосоставов, то записанную инфор­ мацию можно наблюдать сквозь сигнальную пластинку в виде изображения. Так как «поддерживающий» луч имеет большую энер­ гию при подходе к положительным (белым) элементам, они будут светиться, т. е. получится белое изображение на черном фоне (при положительной записи) или черное изображение на белом фоне (при отрицательной записи).

Более распространены потенциалоскопы этой группы, выходная информация которых получается только как видимое изображение, причем в осциллографической технике чаще используются биста­ бильные трубки, в радиолокации — полутоновые.

На рис. 11.7 схематически показано устройство потенциалоско­ па с видимым изображением, применяемого в качестве осициллографической трубки.

В трубке используется один прожектор (ЭП) с электростати­ ческой фокусировкой, собранный по схеме иммерсионный объек-

тив + одиночная	линза; отклонение также электростатическое
(ОС). Мишенью	(СМ) является мелкоструктурная сетка, покры­

тая с одной стороны слоем диэлектрика. Диэлектриком служит ли­ бо фтористый кальций, либо окись алюминия или магния. Экран

(Э) имеет проводящее покрытие, к которому подводится высокое положительное (до 6— 10 кв) напряжение, что обеспечивает боль­ шую яркость свечения. Запись бистабильная. Записываемые сиг­ налы подводятся либо к модулятору, либо к катоду записывающего прожектора. Ускоряющее напряжение записывающего прожектора составляет 1,5—2 кв, что обеспечивает а>1.

Интересной особенностью описанной трубки является отсутст­

вие считывающего прожектора. Широкий,			распределенный равно­
РА	см	мерно по			всей		поверхности
		мишени		поток				«считываю­
		щих» электронов						создается
		так	называемым					распреде­
		ленным			катодом				(РК),
		представляющим						собой ряд
		параллельных					проволок			с
		расстоянием				между			ними в
		несколько				миллиметров;
		проволоки				расположены				©
		плоскости,				перпендикуляр­
Рис. 11.7. Потенциалоскоп с видимым		ной	к	оси		трубки,			между
изображением		отклоняющей					системой			и
		мишенью.				Проволоки				по­

крыты оксидным слоем и нагреваются пропускаемым по ним то­ ком до температуры, обеспечивающей заметную эмиссию электро­ нов. Создаваемый распределенным катодом поток электронов, про­ ходя через сетку мишени, попадает в сильное ускоряющее поле; при этом электроны подходят к экрану практически по нормали к его поверхности, что обеспечивает точное воспроизведение на эк­ ране информации, записанной на мишени.

Так как электроны считывающего пучка не попадают на диэлек­ трик (считывание сеточным управлением), потенциальный рельеф надежно сохраняется на мишени. Во всяком случае при непрерыв­ ном считывании вполне удовлетворительное изображение на экра­ не может наблюдаться в течение часа и более.

В радиолокационных индикаторных потенциалоскопах для по­ лучения полутонового изображения используются неравновесная запись и считывание сеточным управлением. Трубки имеют запи­ сывающий прожектор (с электростатической или магнитной фоку­ сировкой), расположенный в наклонной горловине, смещенной от оси трубки. Отклоняющая система в большинстве случаев маг­ нитная. Считывающий прожектор всегда располагается в горлови­ не на оси трубки, так как для правильного (без искажений) вос­ произведения информации необходимо обеспечить нормальное к поверхности экрана падение электронов. Считывающий прожектор собирается по простой оптической схеме: катод+ модулятор + анод,

482

т. е. представляет собой иммерсионный объектив. Электроны счи­ тывающего прожектора за плоскостью скрещения расходятся в ви­ де широкого пучка, облучающего равномерно всю поверхность мишени. Разрешающая способность радиолокационных потенциалоскопов доходит до 50 линий на 1 см, скорость записи составля­ ет несколько тысяч км/сек.

В радиолокационной технике применяются также потенциалоскопы со знаковой индикацией. В отличие от рассмотренных в

		Рис.	11.8. Устройство тайпотрона:
/ — записывающий			прожектор; 2 — пластины		выбора	знака;	3 —
первый	анод; 4 — фокусирующая			катушка;	5 — компенсирующие
пластины;		6 — адресные пластины;		7 — считывающий		прожектор;
8 — второй		анод; 9 — третий анод;		10 — сетка;	// —экран; 12 — ми­
шень;	13 — ионный отражатель;			/-/ — считывающий		пучок;	15 —
			электронный луч;	/5 —матрица

§ 8.3 знакопечатающих трубок потенциалоскоп со знаковой инди­ кацией имеет мишень — потенциалоноситель, на которой сохраня­ ется записанная информация. В этих трубках используются рав­ новесная запись и считывание сеточным управлением. На пути записывающего электронного пучка расположена матрица, придаю­ щая пучку поперечное сечение -в форме определенного знака. При падении такого промодулированного матрицей электронного пучка на сетку-мишень, покрытую слоем диэлектрика, на ней создается потенциальный рельеф в виде записываемого знака. При считыва­ нии луч считывающего прожектора проходит сквозь сетку-мишень лишь в тех местах, где был записан сигнал и, попадая на экран, воспроизводит записанный знак.

Примером знакопечатающего потенциалоскопа может служить трубка, получившая в иностранной литературе название «тайпо­ трон» (рис. 11.8).

В горловине трубки расположены электронный прожектор, пластины выбора знака, направляющие луч на соответствующее место матрицы, а также компенсирующие и адресные пластины. Компенсирующие пластины направляют электронный пучок, про­ шедший матрицу, вдоль оси трубки. Адресные пластины направля­ ют луч в необходимую область мишени. В области за матрицей (до компенсирующих пластин) пучок фокусируется магнитной катушкой, надетой на горловину трубки.

В широкой части колбы установлена мишень в виде мелкоструктурной сетки, покрытой со стороны прожектора слоем диэлектрика. Дно колбы покрыто слоем люминофора. Горловина, переходная область и широкая часть колбы имеют отдельные про­ водящие покрытия с различными потенциалами. На одной из адрес­ ных пластин укреплен считывающий прожектор, создающий широ­ кий несфокусированный поток электронов, облучающих всю по­ верхность мишени. При записи пучок записывающего прожектора, оформленный матрицей в виде знака, направляется адресными пла­

	стинами			на	выбранное					место
	мишени.			Энергия				электронов
	записывающего						пучка должна
	быть достаточно большой, что­
	бы обеспечить а>1.							При этом
	на мишени образуется положи­
	тельный			потенциальный						рель­
	еф	за	счет		ухода			вторичных
	электронов.								медлен­
		При		считывании
	ные электроны						считывающего
	пучка не проходят сквозь сет­
	ку-мишень там, где не было за­
	писи		информации.					В	тех		же
Рнс. 11.9. Потенциалоскоп с фото­	местах,			где		записаны				знаки,
электронным возбуждением люмино­	за	счет		более		высокого				потен­
фора:	циала		мишени электроны								счи­
1 —электронный прожектор; 2 — отклоняю­	тывающего				пучка попадают в
щая система; 3 —экран; 4 —источник све­
та; 5 —проводящее покрытие; 5 —мишень;	ускоряющее					поле,			проходят
7 — фотокатод; 8 — фокусирующая катушка	сквозь			мишень			и,	ускоряясь
	полем		за мишенью, бомбарди­
	руют		экран,			возбуждая					его
	свечение.
Разновидностью потенциалоскопа с видимым изображением
является трубка с фотоэлектронным		возбуждением					люминофора

(рис. 11.9).

В цилиндрической колбе трубки установлена мишень. Дно кол­ бы, противоположное мишени, покрыто слоем люминофора. Колба имеет горловину, расположенную под углом к оси трубки. Внут­ ренняя поверхность цилиндрической части колбы и горловины имеет проводящее покрытие, играющее роль коллектора. Трубка имеет один прожектор, который помещен в горловине и является одновременно записывающим и стирающим. В этом потенциалескопе используются неравновесная запись и считывание сеточным управлением.

Прожектор потенциалоскопа используется только при записи (и стирании). Считывание производится путем освещения мишени внешним источником счета. Прожектор во время считывания вы­ ключается. При записи используется достаточно высокое ускоря­ ющее напряжение, необходимое для получения отрицательного

потенциального рельефа, вследствие того что в области за вторым критическим потенциалом величина а<1. При стирании ускоряю­ щее напряжение снижается, что обеспечивает величину сг>1. Про­ жектор обычно строится по триодной схеме (катод — модулятор —

— анод), в качестве второй линзы используется короткая магнит­ ная катушка, помещенная на горловине колбы. Отклонение луча может быть магнитным или электростатическим.

Мишень представляет собой слой диэлектрика, нанесенного на сигнальную пластинку. На поверхности диэлектрика расположены фоточувствительные частицы (миниатюрные фотокатоды), электри­ чески связанные между собой. Не закрытая фотокатодами поверх­ ность диэлектрика является потенциалоносителем.

При подготовке потенциалоскопа к записи (или стирании ранее записанной информации) поверхность мишени развертывается немодулированным пучком с достаточно большим током при ускоря­ ющем напряжении, обеспечивающим величину сг>1. Сигнальная пластинка и соединенный с ней фотокатод имеют при этом потен­ циал коллектора. В процессе стирания, так как о> 1 , поверхность мишени приобретает равновесный потенциал, примерно равный потенциалу коллектора.

При записи ускоряющее напряжение повышается до значения, превышающего второй критический потенциал, и к модулятору прожектора подводится записываемый сигнал. Так как при этом а<1, потенциал мишени понижается, на поверхности мишени соз­ дается отрицательный потенциальный рельеф, глубина которого примерно пропорциональна току записывающего пучка. Таким об­ разом, рассматриваемая трубка позволяет записывать полутона. Записанный сигнал (потенциальный рельеф) при отсутствии счи­ тывания и стирания может сохраняться длительное время — до не­ скольких дней.

Считывание происходит при освещении элементарных фотока­ тодов внешним источником света. При этом потенциал сигнальной пластинки (и фотокатодов) устанавливается отрицательным отно­ сительно коллектора( проводящего покрытия). Испускаемые фото­ катодами (за счет освещения) электроны ускоряются полем кол­ лектора и фокусируются однородным продольным магнитным по­ лем, создаваемым длинной катушкой, надетой на цилиндрическую часть колбы. Потенциальный рельеф действует подобно управляю­ щей сетке электронной лампы: электроны с фотокатодов, распо­ ложенных вблизи отрицательно заряженных элементов мишени, тормозятся и не доходят до экрана или доходят в меньшем коли­ честве. Так как однородное магнитное поле переносит электронное изображение с мишени на экран, записанный сигнал воспроизво­ дится на экране в виде изображения.

Очевидно, выходной сигнал имеет по сравнению с записывае­ мым сигналом обратную полярность, т. е. максимальной амплитуде входного сигнала соответствуют темные места изображения. Труб­ ка допускает передачу градаций серого, так как при неравновесной записи глубина потенциального рельефа может иметь любые зна­

чения в пределах между двумя равновесными потенциалами (по­ тенциал коллектора и второй критический потенциал); яркость свечения экрана также может меняться в широких пределах в за­ висимости от тока фотоэлектронов. Считывание может продолжать­ ся в течение 10— 15 мин, затем изображение начинает заметно ухудшаться главным образом за счет сглаживания потенциального рельефа положительными ионами.

Г Л А В А Д В Е Н А Д Ц А Т А Я

ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ

§ 12.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Первым этапом процесса телевизионной передачи является преоб­ разование оптического изображения в последовательность электри­ ческих импульсов — видеосигнал, несущий информацию о содер­ жании (распределении градаций яркости) передаваемой картины. Усиленный видеосигнал излучается антенной телепередатчика. Телевизионный сигнал улавливается антенной телеприемника и после усиления подводится к модулятору приемной трубки — кине­ скопа, воспроизводя на его экране распределение яркости, соот­ ветствующее информации, приносимой видеосигналом. При нор­ мальной работе всех элементов телевизионного тракта распреде­ ление яркости на экране кинескопа соответствует распределению яркости по поверхности передаваемого объекта, т. е. на экране по­ лучается неискаженное телевизионное изображение.

Передающая телевизионная трубка является первым элементом телевизионного тракта и предназначается для преобразования оп­ тического изображения в видеосигнал. Таким образом, передающая трубка выполняет функцию, противоположную кинескопу. Принци­ пиально передающую трубку можно представить как фотоэлемент, на катод которого поочередно проектируются отдельные элементы передаваемого изображения. Можно также предположить, что вме­ сто одного фотоэлемента имеется большое число (равное числу эле­ ментов разложения изображения) микроскопических фотоэлемен­ тов, на которые проектируется оптическое изображение. Сигналы от каждого фотоэлемента должны с большой скоростью поочередно переключаться для получения необходимой временной последова­ тельности импульсов. В общем случае возможны три способа раз­ вертки изображения: 1) перемещение оптического изображения относительно неподвижного фотоэлемента; 2) перемещение фото­ элемента относительно неподвижного оптического изображения; 3) электрическое переключение (коммутация) сигналов от множе­ ства неподвижных фотоэлементов, на которые спроектировано оп­ тическое изображение.

Указанные способы развертки могут быть осуществлены путем перемещения всего оптического изображения, светового луча, «зон­ дирующего» объект, или фотоэлемента, а также использования ме­ ханического переключателя (коммутатора) с достаточной быстро­ той действия. Первые телевизионные передающие системы строи­ лись с механической разверткой. Однако по мере повышения теле­ визионного стандарта (увеличения числа элементов разложения)

практическое осуществление механической развертки начало встре­ чать все большие технические затруднения. Поэтому в настоящее время используется электрическая (точнее электронная) разверт­ ка. В этих системах быстрота развертки может быть очень боль; шой, так как вплоть до частот 10— 20 Мгц электронный луч, осуще­ ствляющий развертку, можно считать практически безынерци­ онным.

Электронная развертка, конечно, не может служить для переме­ щения оптического изображения или фотоэлемента. Но если опти­ ческое изображение предварительно (при помощи фотоэлемента) преобразовать в электронное, то последнее может перемешаться с необходимой скоростью мимо приемного элемента. Этот способ практически применяется в передающей трубке — диссекторе. При помощи электронного луча можно также получить перемещающий­ ся с большой скоростью точечный источник света, поочередно осве­ щающий элементы передаваемого объекта. Эта возможность реа­ лизована в системе с бегающим лучом, используемой для передачи кинофильмов и диапозитивов. Системы с перемещающимися фото­ элементами практически не были реализованы.

Наибольшее распространение получили передающие трубки, в которых электронный луч развертывает оптическое изображение, спроектированное на фоточувствительную поверхность, или элек­ тронное изображение, перенесенное с фотокатода на специальную мишень. Первый способ развертки практически используется в пе­ редающих трубках без переноса изображения (иконоскоп, ортикон), второй — в трубках с переносом изображения (супериконо­ скоп, суперортикон). Однако и в первом случае по существу про­ исходит развертка электронным лучом не оптического, а электрон­ ного изображения, так как оптическое изображение, спроектирован­ ное на фотокатод, за счет фотоэмиссии преобразуется на его по­ верхности в электронное изображение.

Передающие устройства, в которых элементы изображения по­ следовательно участвуют в создании электрических импульсов, про­ порциональных яркости передаваемых элементов изображения, по­ лучили название систем мгновенного или поочередного действия. К таким устройствам относятся диссектор и система с бегающим лучом. Трубки другой группы (иконоскоп, ортикон, супериконоскоп, суперортикон, видикон) основаны на принципе накопления заряда (см. § 12.3), поэтому они получили название систем с накоплением заряда.

Независимо от способа преобразования и устройства к передаю­ щим телевизионным трубкам предъявляется ряд общих требова­ ний. Прежде всего для получения высококачественного изображе­ ния необходимо, чтобы отношение полезного сигнала, несущего ин­ формацию о передаваемом изображении, к паразитному сигналу— шуму было достаточно большим. Источником шума является как сама передающая трубка, так и другие элементы телевизионного тракта. На основании теоретических исследований и эксперимен­ тальной проверки было установлено, что дефекты изображения,

вызванные шумами, становятся не заметными на глаз при отноше­ нии сигнал/шум не менее 150. Удовлетворительное изображение еще можно получить при величине этого отношения не меньше 10. Однако указанное требование не является строго обязательным. Опыт показывает, что высококачественное изображение может быть получено и при меньшем отношении сигнал/шум. Так, напри­ мер, условно можно считать, что при использовании трубок типа суперортикон отличное изображение получается при величине ф= = 80— 100 (отношение сигнал/шум), хорошее— при -ф=40— 50, удо­ влетворительное— при ф= 25— 30. Для трубок без вторично-эмис­ сионного усиления (супериконоскоп, видикон) отличное изображе­ ние получается при ф = 25, хорошее — при ф= 10— 12, удовлетвори­ тельное— при г])= 7— 8. Следует отметить, что наличие паразитных сигналов — шумов влияет на такие важные параметры трубок, как передача градаций яркости, разрешающая способность, чувстви­ тельность.

Разрешающая способность передающей трубки определяет наи­ меньшие размеры деталей изображений, которые еще могут быть воспроизведены. Во всяком случае, разрешающая способность пе­ редающей трубки, выраженная числом различимых строк, уклады­ вающихся на всем изображении, должна быть не ниже (желатель­ но выше) принятого телевизионного стандарта — 625 строк в СССР

и ряде зарубежных стран.

Качество изображения в значительной мере определяется чис­ лом различимых ступеней градаций яркости. Хорошо адаптирован­ ный на среднюю яркость изображения глаз может различить до 100 градаций яркости. Однако контрастная чувствительность гла­ за, определяющая число различимых градаций яркости, зависит от средней яркости всего изображения. Чем меньше средняя яркость, тем ниже контрастная чувствительность глаза.

Поэтому весьма желательно, чтобы передающая трубка обеспе­ чивала достаточно большое число (не менее 10) различимых сту­ пеней градаций яркости именно при низких и средних яркостях изображения.

Одной из основных характеристик передающих трубок является зависимость величины полезного сигнала от освещенности соответ­ ствующего элемента фотокатода, воспринимающего световой поток от объекта. Эта зависимость носит название характеристики свет — сигнал или световой характеристики передающей трубки. Очевид­ но, для правильной передачи изображения, т. е. для воспроизве­ дения на экране кинескопа распределения яркости, соответствую­ щего распределению яркости по поверхности передаваемого объек­ та, передаточная характеристика свет— сигнал — свет всего теле­ визионного тракта должна быть линейной. Характеристика сигнал— свет приемной трубки, определяемая модуляционной характеристи­ кой прожектора кинескопа, нелинейна и в общем случае может быть описана зависимостью

Вэ — kzUac ,

( 12. 1).

Рис. 12.1. Оптимальная световая характеристика передающей труб­ ки

где Вэ— яркость свечения экрана; UBC— напряжение видеосигна­ ла, подводимого к модулятору кинескопа; при этом ук>1 (уь-^ 5 /2 для прожекторов с электростатической фокусировкой, см. § 3.3).

Считая, что промежуточные звенья телевизионного тракта — усилители видеосигнала от передающей трубки до кинескопа — имеют линейные характеристики (уу=1), оптимальной характери­ стикой свет — сигнал передающей трубки следует считать зависи­ мость

/вс =	kiE^uT,	(12.2)
где /вс — ток видеосигнала, создаваемого передающей		трубкой;
Е — освещенность фотокатода	передающей трубки;	при этом

Упт^ 1•

Линейность передаточной характеристики всего телевизионного тракта приводит к равенству уПтУуУк= 1> что в первом приближении (при Уу= 1) соответствует Улт= = 0,4. Примерный вид оптималь­

ной световой		характеристики				пе­
редающей	трубки		показан			на
рис. 12.1.	отметить,			что приве­
Следует
денная характеристика					является
оптимальной		и с	точки		зрения
возможности		передачи		большого

числа градаций яркости, так как при такой форме кривой в усло­ виях малой освещенности не­ большие изменения Е вызывают большие изменения видеосигна­ ла, чем при значительных вели­ чинах освещенности. Реальные

передающие трубки имеют световые характеристики, заметно от­ личающиеся от оптимальной; кроме того, эти характеристики не являются однозначными, несколько изменяясь при изменении со­ держания передаваемого изображения (распределения и размеров светлых и темных мест, контраста и т. д.). Поэтому в телевизи­ онном тракте между передающей трубкой и кинескопом прихо­ дится вводить элементы у-коррекции, исправляющие несоответст­ вие характеристик передающей и приемной трубок оптимальным зависимостям.

Существенной характеристикой передающей трубки является спектральная характеристика ее фотокатода. В обычном (не цвет­ ном) телевидении изображение на экране кинескопа имеет неиз­ менный спектральный состав, определяемый типом люминофора экрана приемной трубки. В то же время передаваемый объект в большинстве случаев не является одноцветным. Очевидно, пра­ вильное представление о передаваемом объекте возможно лишь при достаточно точном соответствии спектральной характеристики пе­ редающей трубки «кривой видимости» человеческого глаза. Толь­