книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

ко при таком соответствии характеристик фотокатода и глаза наи­ более яркие элементы объекта будут более яркими и на телевизи­ онном изображении. Поэтому при разработке передающих трубок необходимо использовать фотокатоды, имеющие спектральные ха­ рактеристики, достаточно близкие к «кривой видности» среднего глаза. В некоторых случаях для коррекции спектральной характе­ ристики фотокатода приходится использовать цветные светофильт­ ры. Фотокатоды передающих трубок в системах цветного телеви­ дения должны иметь максимальную чувствительность соответствен­ но в синей, зеленой и красной частях спектра.

Передающая телевизионная трубка должна обладать достаточ­ но высокой чувствительностью. Чувствительность трубки оцени­ вается минимальной освещенностью фотокатода, при которой еще обеспечивается отношение сигнал/шум, соответствующее удовле­ творительному воспроизведению изображения. Чем выше чувстви­ тельность, тем меньше освещенность объекта, изображение кото­ рого удовлетворительно передается данной трубкой. Требование высокой чувствительности особенно важно для трубок, используе­ мых при передаче внестудийных (натурных) объектов. Современ­ ные высокочувствительные трубки позволяют получать удовлетво­ рительные изображения (ф=15— 20) при освещенностях фотока­ тода меньше 1 лк.

Одним из требований, предъявляемых к передающим трубкам, является малая инерционность. Остаточный сигнал от ранее пере­ данного кадра не должен быть сильно заметен при передаче оче­ редного кадра, так как в противном случае при передаче изобра­ жений движущихся объектов возникнут сильные искажения.

И, наконец, желательно, чтобы передающая трубка воспроизво­ дила уровень черного, т. е. тот начальный уровень, от которого производится отсчет абсолютной величины видеосигнала. В самом деле, при передаче видеосигнала от передающей трубки к кине­ скопу радиотехническими средствами сохраняется лишь перемен­ ная составляющая, несущая информацию об изменении освещен­ ности элементов фотокатода. Для правильного воспроизведения изображения на экране кинескопа необходимо выбрать исходную точку на модуляционной характеристике прожектора приемной трубки, соответствующую началу отсчета величины видеосигнала. Эта исходная точка соответствует наиболее темному (черному) уровню освещенности объекта (и фотокатода). Некоторые типы передающих трубок позволяют формировать (во время обратного хода электронного луча, развертывающего изображение) сигнал, соответствующий уровню черного, что заметно упрощает задачу правильного, соответствующего объекту воспроизведения распре­ деления яркости на экране кинескопа.

Приведенные общие требования, конечно, не являются одина­ ково важными для всех передающих трубок; в зависимости от назначения и конструкций трубок некоторые из требований могут оказаться несущественными, другие же, наоборот, приобретают особое значение. Однако практически во всех случаях требование

достаточной величины отношения сигнал/шум является одним из определяющих.

Нетрудно показать, что чувствительность современных фотока­ тодов при использовании систем поочередного действия недоста­ точна для получения удовлетворительного изображения даже весь­ ма ярко освещенных объектов.

Оценим величину отношения сигнал/шум, считая, что основная составляющая шума обусловлена статистическими флуктуациями тока фотокатода. Среднее значение квадрата тока шума, возника­ ющего из-за флуктуаций фототока,

Гш = 2е»фД/,

(12.3)'

где 1ф — фототок; Af — полоса частот, используемая при передаче изображения.

Рассчитаем возможную величину фототока, создаваемого пло­ щадкой фотокатода, соответствующей одному элементу разложе­ ния передаваемого изображения. Допустим, что объект имеет яр­ кость Во. Этот объект проектируется на фотокатод через оптиче­ ский объектив с апертурным углом 0. Тогда освещенность изобра­ жения на фотокатоде

	£ 0 = n 5 0s in 2 -|-.	(12.4)
Световой поток, падающий на фотокатод площадью $ф,
	Ф = £ 05ф.	(12.5)
При	телевизионном стандарте N строк и отношении	сторон
растра	3 :4 число элементов разложения
	n = Y N2-	(12.6)
При чувствительности фотокатода &ф фототок с одного элемен­
та изображения будет равен
	0
	£<j>n£osin2— 5ф
	1фп —	(12.7)
	~~4
	— Nг
	3

В яркий солнечный день освещенность может достигать 105 л/с, что соответствует яркости идеально отражающей поверхности (на­ пример, снега) — около 30000 нт. При чувствительности фотокато­ да &ф= 50 мка/лм, апертурном угле 0= 90 ° (что выполнимо для

хороших объективов), площади фотокатода 0,02 м2 и числе строк N=600 величина фототока каждого элемента составит

,ф„ = 50- lO-e-3,14-3- Ю‘ -0,5- 10~г ж м .

-^(600)*

Средняя величина шумового тока при полосе частот 5 Мгц бу­ дет равна

|’шп = У 2е/ф„Д/ = У 2 •1,6 * 10-19 * 5,2 ♦10-12 - 5 * 10е «

= 2,8-10 -12 а.

Полученный результат показывает, что даже в случае идеально освещенного объекта отношение сигнал/шум оказывается меньше двух, что недостаточно для получения удовлетворительного изо­ бражения.

Таким образом, поэлементная передача изображения с обычны­ ми фотоэлементами не может быть практически реализована. По­ этому при разработке передающих телевизионных трубок исполь­ зуется либо усиление фототока в самом приборе, либо усиление изображения (как в ЭОПах) и повышение чувствительности за счет вторично-электронного умножения, либо так называемый эф­ фект накопления, либо, наконец, сочетание этих факторов.

Применение внешних электронных усилителей фототока, оче­ видно, не приведет к улучшению отношения сигнал/шум, так как при этом вместе с полезным сигналом будет в равной мере усилен и шум.

§ 12.2. СИСТЕМЫ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Одной из первых передающих трубок был прибор мгновенного дей­ ствия, так называемый диссектор (рис. 12.2).

В этом приборе оптическое изображение проектируется на по­ лупрозрачный фотокатод, сформированный на внутренней поверх-

Рис. 12.2. Схематическое устройство диссектора:

ФК— фотокатод; ВО— вырезывающее	отверстие; Э—
экран; К — коллектор

ности плоского дна цилиндрической вакуумной трубки. Напротив фотокатода расположен металлический экран с небольшим выре­ зывающим отверстием, равным по величине одному элементу теле­ визионного изображения. Между фотокатодом и экраном имеется разность потенциалов, создающая примерно однородное продоль­ ное электростатическое поле, ускоряющее фотоэлектроны по на­ правлению к экрану. Вся трубка размещена в продольном одно­ родном магнитном поле, создаваемом длинным соленоидом, нахо­ дящимся снаружи трубки. Магнитное поле переносит электронное изображение с фотокатода на экран. При помощи двух пар откло­ няющих магнитных катушек, питаемых пилообразно изменяющи­ мися токами с частотой строчной и кадровой разверток, электрон­ ное изображение в плоскости экрана перемещается так, что с вырезывающим отверстием поочередно совмещаются строка за строкой, последовательно все элементы изображения. Очевидно, в любой момент времени сквозь отверстие проходит фототок, соот­ ветствующий освещенности одного элемента изображения. Таким образом, в цепи коллектора, установленного за вырезывающим от­ верстием, формируется последовательность импульсов электриче­ ского тока, т. е. создается видеосигнал.

Простейший диссектор может создать удовлетворительное изо­ бражение (достаточно большое отношение сигнал/шум) лишь при очень высоких освещенностях объекта (не менее нескольких сот тысяч люкс), поэтому он не получил практического распростране­ ния для передачи натурных объектов. В то же время диссектору присущи высокая четкость и разрешающая способность (опреде­ ляемая размером вырезывающего отверстия, которое может быть сделано достаточно малым), простота устройства (определяемая отсутствием электронного прожектора с накаленным катодом), ма­ лые габариты и вес. Световая характеристика диссектора практи­ чески линейна. Положительные свойства диссектора позволили ис­ пользовать его для передачи кинофильмов, так как в этом случае можно получить достаточно высокую освещенность фотокатода све­ товым потоком от мощного внешнего источника.

Разработка эффективных малошумящих вторично-электронных умножителей позволила значительно усовершенствовать диссектор. В современных диссекторах фототок от каждого элемента изобра­ жения, прошедший через вырезывающее отверстие, воспринимается входным динодом вторично-электронного умножителя, помещенно­ го непосредственно за экраном против отверстия. Вторично-элек­ тронный умножитель может обеспечить усиление фототока до 106 раз. Так как уровень собственных шумов умножителя сравнитель­ но невысок, удается получить отношение сигнал/шум порядка не­ скольких десятков при сравнительно небольших освещенностях объекта. При использовании вторично-электронного умножения дис­ сектор в ряде случаев благодаря своей простоте, надежности и долговечности, связанной с отсутствием прожектора с накаленным катодом, а также высокой разрешающей способности может ус­ пешно конкурировать с другими типами передающих трубок.

Весьма перспективным является использование в диссекторе так называемого канального электронного умножителя. Канальный электронный умножитель представляет собой трубку из специаль­ ного полупроводящего стекла, имеющего высокий коэффициент вторичной эмиссии. К концам трубки подводится напряжение, со­ здающее внутри канала трубки продольное электростатиче­ ское поле.

В канале трубки электрон ускоряется электростатическим по­ лем и, попадая на стенку канала, выбивает несколько вторичных электронов. Вторичные электроны снова ускоряются полем и, по­

падая	на стенку канала, выбивают новые вторичные электроны
и т. д.	(рис. 12.3).

S)

Рис. 12.3. Канальный электронный умножитель:

а — устройство; б — траектории электронов

При правильном выборе геометрических соотношений (длины и диаметра) трубки и ускоряющего напряжения можно получить умножение в 106 раз и более. Поскольку вырезывающее отверстие диссектора должно быть достаточно малым, за ним удобно распо­ лагать канальный умножитель с небольшим диаметром трубки. Для уменьшения габаритов прибора трубка канального умножите­ ля может быть свернута в спираль.

Другим передающим устройством поочередного действия яв­ ляется система с бегающим лучом, применяемая для передачи про­ зрачных объектов — кинофильмов и диапозитивов. Установка с бе­ гающим лучом (рис. 12.4) состоит из кинескопа 1 с небольшим ярко светящимся экраном и высокой разрешающей способностью, светооптической системы 2, проектирующей сформированный на экране кинескопа телевизионный растр на прозрачный объект (ки­ нопленку) 3, и фотоэлектронного умножителя 4, воспринимающего световой поток, прошедший сквозь объект.

Поскольку при развертке электронного луча по экрану кине­ скопа в каждый момент времени светится отдельный элемент экра­ на, соответствующий одному элементу разложения передаваемого

изображения, свет, прошедший сквозь пленку, будет промодулирован в соответствии с распределением прозрачности элементов Изо­ бражения на пленке. Таким образом, на выходе умножителя будет сформирован видеосигнал. Использование специальных кинескопов с магнитной фокусировкой и отклонением луча при ускоряющих напряжениях 15— 20 кв позволяет получить яркость свечения экра­ на не менее нескольких тысяч нит при разрешающей способности до 1000 строк. Установка с бегающим лучом обеспечивает переда­ чу высококачественных изображений кинофильмов, она сравни­ тельно проста и надежна в работе.

0

Рис. 12.4. Схема установки с бегающим лучом

Таким образом, в системах поочередного действия, нашедших практическое применение, используется принцип вторично-элек­ тронного усиления фототока в самом приборе, так как только в этом случае удается получить достаточно большую величину отно­ шения сигнал/шум, обеспечивающую воспроизведение изображений высокого качества.

§ 12.3. ЭФФЕКТ НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯДА

Как было указано, существенным недостатком передающих систем поочередного действия является использование для формирования видеосигнала в каждый момент времени весьма малого фототока с одного элемента изображения. В системах с накоплением заряда для формирования видеосигнала используется электрический заряд, образующийся на фоточувствительной поверхности за время пере­ дачи одного кадра, т. е. всех п элементов изображения, что позво­ ляет существенно повысить чувствительность передающей системы и улучшить отношение сигнал/шум. Принцип накопления заряда, используемый в передающих телевизионных трубках, не отличает­ ся от рассмотренного в § 11.1 принципа создания потенциального рельефа на мишени потенциалоскопа. В телевизионных трубках с накоплением заряда оптическое изображение проектируется на по­ верхность фоточувствительной мишени. При этом за счет ухода фотоэлектронов на этой поверхности создается потенциальный рельеф, который затем при развертке электронным лучом преоб­ разуется в последовательность электрических импульсов. Следова­ тельно, передающая телевизионная трубка с накоплением заряда является потенциалоскопом с записью информации за счет фото­

электронной эмиссии мишени и считыванием при помощи разверт­ ки поверхности мишени электронным лучом. В трубках с накопле­ нием заряда электроны, испускаемые фотокатодом непрерывно в процессе проектирования на него оптического изображения, ис­ пользуются для заряда элементарных конденсаторов, образуемых элементами фоточувствительной мишени и сигнальной пластинки. При развертке электронным лучом заряженные конденсаторы раз­ ряжаются, создавая последовательность электрических импульсов. Если величина накопленных элементарными конденсаторами заря­ дов пропорциональна световым потокам, падающим на каждый элемент фотокатода, то, очевидно, разрядные токи конденсаторов •будут правильно передавать распределение освещенности по по­ верхности фотокатодов.

Так как заряд конденсаторов происходит в течение всего про­ межутка времени, пока развертывающий луч пробежит п— 1 эле­ ментов изображения, можно ожидать, что величина сигнала при разряде конденсатора будет в п раз больше величины сигнала от каждого элемента в системах поочередного действия.

Допустим, что на весь фотокатод падает световой поток Фо. При п элементах разложения световой поток, падающий на каж­ дый элемент, равен Фп=Фо/л. Этот световой поток при чувстви­ тельности фотокатода £ф вызовет фототок с одного элемента 1фП= =£фФоIn. За время Т развертки всего растра луч будет находиться на каждом элементе в течение времени х=Т/п. Если каждый эле­ мент фотокатода соединен с элементарным конденсатором емкости С, то за время коммутации развертывающим лучом всех элемен­ тов катода заряд, накопленный в конденсаторе, будет равен

т

( 12.8)

о

Если за время передачи одного кадра освещенность данного элемента остается постоянной, то i= con st= 1ф„. Тогда заряд, на­ копленный элементарным конденсатором, будет равен

(12.9)

п

Разряд конденсатора происходит за время коммутации одного элемента, т. е. за время х=Т/п. Средний разрядный ток прибли­ женно равен

( 12.10)

Выражая световой поток через яркость передаваемого объекта Во, получим

( 12.11)

Сравнивая полученное выражение с (12.7), видим, что разряд­

ный ток каждого элемента увеличился по сравнению с фототОКом 4

в 4/3 N2 раза, т. е. in = — М2/ф„.

О

При этом чувствительность, определяемая минимальной осве­ щенностью объекта, создающей полезный сигнал, в 10 раз превы­ шающий сигнал шума, может возрасти далее несколько больше, Чем в п раз. Это объясняется тем, что при заряде конденсатора слу­ чайные колебания (флуктуации) фототока за период развертки могут происходить равновероятно как в сторону уменьшения, Так и в сторону увеличения. Поэтому флуктуации разрядного тока в общем случае могут быть меньше, чем флуктуации фототока.

Таким образом, эффект накопления заряда теоретически позво­ ляет повысить чувствительность передающего устройства более Чем в N2раз, где N — число строк разложения.

Использование эффекта накопления заряда позволило разрабо­ тать высокочувствительные передающие трубки, обеспечивающие величину отношения сигнал/шум более 10 при очень небольших освещенностях объекта — порядка 100— 200 лк (яркостях объекта несколько десятков иит). Сочетание эффекта накопления заряда с электронным усилением изображения позволяет еще в несколько раз повысить чувствительность передающих систем. В настоящее время трубки с накоплением заряда и с электронным усилением обеспечивают высококачественные изображения при освещенностях фотокатода менее 1 лк, что соответствует яркости передаваемых объектов не более 1 нт.

§12.4. ИКОНОСКОП

Ик о н о с к о п — это первая, нашедшая практическое применение передающая трубка с накоплением заряда. Иконоскоп представля­ ет собой запоминающую трубку (потенциалоскоп) с фоточувствцтельной мишенью, разверткой пучком быстрых электронов, за­ писью и считыванием при помощи перераспределения зарядов по поверхности мишени. Устройство иконоскопа относительно простое, так как он не имеет электронного усиления (переноса изображе­ ния) и вторично-электронного умножения. Принципы действия

иконоскопа были сформулированы в 1931 г. советским ученым С. И. Катаевым; несколько позже в США В. К. Зворыкин создал первый образец такой трубки. Несмотря на некоторые недостатки, иконоскоп долгое время являлся самой распространенной трубкой, так как при достаточной освещенности передаваемого объекта он мог обеспечить получение изображений высокого качества.

Схематическое устройство иконоскопа приведено на рис. 12.5, Иконоскоп состоит из стеклянной цилиндрической колбы с гор­

ловиной,	расположенной под углом примерно	30°	к оси колбы.
В колбе	помещается фоточувствительная мишень,		состоящая	из
большого	числа элементарных фотоэлементов,	расположенных		на

тонкой пластинке из диэлектрика. Обратная сторона диэлектриче-

скои пластинки покрыта металлическим слоем, имеющим вывод. Этот слой является сигнальной пластинкой. В наклонной горловине помещается электронный прожектор, создающий хорошо сфокуси­ рованный пучок быстрых электронов. При помощи отклоняющего устройства электронный луч перемещается по поверхности мишени, образуя обычный телевизионный растр -строчной структуры.

Проводящее покрытие стенок колбы является коллектором фо­ то- и вторичных электронов, уходящих с мишени. Изображение, передаваемое оптическими средствами, проектируется на переднюю (фоточувствительную) сторону мишени. Видеосигнал снимается с сигнальной пластинки. Фоточувствительная поверхность мишени состоит из отдельных металлических частиц, изоли­ рованных друг от друга. Каж­ дая частица образует элемен­ тарный фотоэлемент, т. е. фо­ точувствительную поверхность мишени можно рассматривать как совокупность независимых фотоэлементов, число которых превышает число элементов разложения телевизионного изображения. Ввиду дискрет­

ной	структуры	фоточувстви-	Рис. 12.5. Устройство иконоскопа:
тельного слоя мишени его на­			1 — электронный прожектор; 2 — откло­
			няющая система; 3 — оптический объек­
зывают мозаикой.			тив; 4 — коллектор; 5 —мозаика; 6 —
Элементарные		фотоэлемен­	сигнальная пластинка
ты	мозаики и сигнальная пла­

стинка, разделенные диэлектриком, образуют конденсатор емко­ стью 100—300 пф на 1 см2 поверхности. Фоточувствительность мо­ заики достигает 10— 15 мка/лм. Так как развертка осуществляется пучком быстрых электронов, коэффициент вторичной эмиссии мо­ заики оказывается больше единицы и в зависимости от способа изготовления мишени может изменяться в пределах 3—7.

Ток электронного луча обычно выбирается небольшим (0,1— 0,3 мка). Так как коэффициент вторичной эмиссии мозаики боль­ ше единицы, можно было бы ожидать, что при развертке н е о с в е ­ щ е н н о й поверхности мишени потенциал ее примет равновесное значение, несколько превышающее потенциал коллектора.

Однако вследствие сравнительного большого -расстояния от ми­ шени до коллектора (проводящего покрытия) поле у поверхности мишени очень слабое. Поэтому значительная доля вторичных элек­ тронов, освобождаемых лучом, возвращается обратно на мишень, снижая ее потенциал. При развертке электронным лучом неосве­ щенной поверхности мозаики потенциал любой ее точки не остает­ ся постоянным. Непосредственно под электронным лучом за счет вторичной эмиссии элемент мозаики приобретает положительный потенциал 3—4 в относительно коллектора. Возвращающиеся на

мозаику вторичные электроны снижают ее потенциал, причем ток этих электронов распределяется по всей поверхности мишени, за счет чего элементы мозаики, не подвергающиеся в данный момент электронной бомбардировке, приобретают потенциал на 1— 1,5 в ниже потенциала коллектора. По достижении небольшого отрица­ тельного значения дальнейшее понижение потенциала прекращает­ ся, так как вторичные электроны уже не могут вернуться на отри­ цательно заряженную мишень.

Таким образом, при развертке электронным лучом неосвещен­ ной поверхности мозаики потенциал ее элементов меняется в пре­ делах от + (З-г-4) до — (l-r-1,5) в относительно коллектора. Однако средний ток вторичных электронов, уходящих с мишени, остается неизменным во времени и равным току пучка, т. е. видеосигнал от­ сутствует.

При проектировании на мозаику оптического изображения эле­ менты ее за счет фотоэмиссии начинают терять электроны, заря­ жаясь положительно. Так как у поверхности мишени нет доста­ точно сильного поля, способного обеспечить отвод от мишени всех фотоэлектронов, значительная часть их возвращается на мозаику. Поэтому в целом фотоэмиссия является ненасыщенной. Таким об­ разом, запись изображения происходит в основном путем перерас­ пределения зарядов по поверхности мозаики. Вследствие такого перераспределения на поверхности мишени создается потенциаль­ ный рельеф, соответствующий распределению освещенности эле­ ментов мозаики. Так как световое изображение проектируется непрерывно, процесс перераспределения зарядов происходит так­ же в течение всего промежутка времени между коммутациями дан­ ного элемента электронным лучом. Следовательно, несмотря на ненасыщенность фотоэмиссии, эффект накопления используется в достаточной мере.

Считывание записанного на мишени изображения происходит при развертке ее поверхности электронным лучом. При попадании электронного луча на элементы мишени потенциал их будет изме­ няться примерно на такую же величину, что и при развертке неос­ вещенной поверхности мишени. Но из-за наличия потенциального рельефа, созданного оптическим изображением за счет фотоэмис­ сии, число электронов, уходящих с различных элементов мишени, будет неодинаковым. С освещенного элемента будет уходить мень­ ше вторичных электронов, с неосвещенного — больше, так как по­ тенциалы этих элементов неодинаковы. Вследствие этого ток на коллектор, а следовательно, и емкостный ток в цепи сигнальной пластинки будет изменяться в соответствии с изменением освещен­ ности мишени. Промодулированный емкостный ток, проходя по со­ противлению в цепи сигнальной пластинки, создает изменяющееся пропорционально освещенности мозаики падение напряжения, яв­ ляющееся видеосигналом. Примерное изменение потенциала неос­ вещенного и освещенного элементов мозаики в промежутке времени между коммутациями элемента электронным лучом показано на рис. 12.6.