Первые оптико-электронные преобразователи. Иконоскоп

Первым электронно-оптическим преобразователем, позволившим перейти от электромеханического принципа развертки изображения (диска Нипкова) к чисто электронной развертке, был ИКОНОСКОП.  

Иконоскоп – Рис. 3.3, был изобретен и запатентован В. К. Зворыкиным, работавшим в это время в компании Radio Corporation of America. Изобретение иконоскопа и внедрение его в практику телевидения было настоящей революцией, позволившей телевидению из чисто экспериментального направления стать продуктом массового потребления. Он впервые позволил реализовать чисто электронное телевидение и в сотни раз (с 30х40 до 300х400, а позднее и 1000х1000 элементов) увеличить количество элементов в телевизионном изображении.

Рис. 3.3 Конструкция иконоскопа

В основе работы иконоскопа лежат явления внешнего фотоэффекта и накопление зарядов. Иконоскопсостоит из вакуумной стеклянной колбы (10), в которой укреплена светочувствительная мишень (11), на которую объективом (31) проецируется изображение; электронно-лучевой пушки (19), размещённой сбоку или снизу от объектива; и систем фокусирования (17) и отклонения (18) электронного луча.

Светочувствительная мишень состоит из очень тонкой пластины изолятора (в оригинале – слюды) и нанесённых с обеих сторон покрытий. Со светочувствительной стороны покрытие состоит из очень мелких (раз- мером в несколько микрон) серебряных капель, покрытых для увеличения светочувствительности  цезием, с другой — сплошное тонкое серебряное покрытие, с которого и снимается выходной сигнал. Получается огромное количество элементарных конденсаторов, одной из обкладок которых является сплошное серебряное покрытие, а второй – светочувствительные капельки.

При освещении светочувствительной мишени под действием фотоэффекта из капелек серебра (ячеек) выбиваются электроны и они приобретают различный положительный заряд, пропорциональный освещённости каждой из капелек. Выбитые из мишени электроны оседают на аноде электронно-лучевой пушки (22). При сканировании мишени электронным лучом (16), происходит перезаряд ячеек-конденсаторов. При этом величина тока перезаряда пропорциональна накопленному на ячейке потенциалу, и тем больше, чем больше освещенность этой ячейки.

Большим недостатком иконоскопа была его низкая чувствительность, требовавшая очень высокой освещенности объекта видеосъемки (до 10.000 лк). Поэтому в телевизионных студиях того времени постоянно были включены прожекторы и температура не опускалась ниже 40° С.

Внешний вид иконоскопа приведен на фото Рис. 3.4

Рис.3.4 Одна из конструкций иконоскопа.

Со временем иконоскопы были вытеснены более совершенными трубками, вначале также на внешнем фотоэффекте (суперортикон), а затем и на внутреннем (видикон и др.). Лишь в 1990-е годы прошлого столетия вакуумные передающие трубки были вытеснены твердотельными устройствами с зарядовой связью (CCD — charge coupled devices, русский термин ПЗС), которые повсеместно применяются сейчас для получения изображений.

Видикон

Фоточувствительные поверхности, использующие явление внешнего фотоэффекта, обладают малой чувствительностью. Существенно увеличить чувствительность трубок и при этом упростить их конструкцию можно, используя фотомишени, построенные на явлении внутреннего фотоэффекта – фотопроводимости.  Таким оптико-электрическим преобразователем был ВИДИКОН, изобретенный в 1950 году.

 

Видикон – Рис. 3.5., отличается простотой конструкции, небольшими размерами и массой и является высоконадежной и достаточно дешевой передающей трубкой.

 

 

Рис.3.5. Устройство видикона

Где - СП – сигнальная пластина (фотомишень);

ВС – выравнивающая сетка;

ФК – фокусирующие катушки;

ОК – отклоняющие катушки;

КК – корректирующие катушки;

А1 – первый анод;

А2 – второй анод

Ф – световой поток;

Uc – напряжение выходного сигнала.

 

Оптико-электронный преобразователь видикон содержат 2 основных узла: фотомишень и электронную пушку.

 

Фотомишень состоит из фотослоя, и сигнальной пластины, которая представляет собой проводящий слой золота или платины, нанесенную на внутреннюю поверхность планшайбы и имеющую прозрачность более 90% и низкое поверхностное сопротивление. На сигнальную пластину нанесен полупроводниковый фотослой толщиной 1…3 мкм из соединения сурьмы, мышьяка и серы.

 

Электронно-оптическая система содержит электронную пушку и мелкоструктурную выравнивающую сетку (ВС) помещенную перед фотомишенью. Пушка состоит из подогреваемого катода, управляющего электрода (УЭ), первого (А1) и второго (А2) анодов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой происходит фокусировка и отклонение развертывающего луча. Потенциал выравнивающей сетки в 1,5-2 раза превосходит напряжение второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей поверхности фотомишени под прямым углом. Это обеспечивает равномерную фокусировку луча, и одинаковый исходный потенциал на всей поверхности мишени, что является одним из условий получения равномерного сигнала по всему полю изображения. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории электронного луча осуществляетсявнешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей катушки ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.

 

Внешний вид видикона без отклоняющих катушек приведен на фото Рис. 3.6.

 

 

Рис. 3.6. Конструкция видикона

 

Видикон, как оптико-электронный преобразователь, работает следующим образом.

 

Каждый элемент фотомишени видикона представляет собой элементарный конденсатор, образованный элементом сигнальной пластины и левой стороной мишени, который зашунтирован резистором, изменяющим свое сопротивление в зависимости от интенсивности освещенности этого участка.  Эквивалентная схема фотомишени приведена на Рис. 3.7.

 

Рис. 3.7 Эквивалентная схема фотомишени видикона

При отсутствии освещения фотослой имеет высокое – «темновое» сопротивление. При освещении мишени за счет поглощения световой энергии внутри фотослоя возникают носители тока. Поэтому при проекции изображения на мишень, сопротивления участков мишени оказываются различными. В местах высокой освещенности оно может уменьшиться более чем в 100 раз, в сравнении с неосвещенными участками. На поверхности фотомишени, таким образом, возникает рельеф сопротивлений.

При коммутации пучком электронов потенциал всех элементов правой стороны мишени последовательно устанавливается равным потенциалу катода – равным нулю, тогда как на левой пластине конденсатора действует потенциал сигнальной пластины, то есть конденсаторы поочередно заряжаются до этого потенциала.

Если фотомишень не освещена, то сопротивления шунтирующих резисторов велико, и элементарные конденсаторы в перерывах между моментами коммутации почти не разряжаются. Поэтому при следующем проходе электронного луча по ячейкам они почти не дозаряжаются, и токи перезаряда елементарных конденсаторов, протекающие через резистор Rн очень малы и практически одинаковы (темновой ток).

Если же какие-то участки фотомишени освещены сильнее, то на этих участках сопротивление фотослоя резко уменьшается, и элементарные конденсаторы от одного прохода луча до другого разряжаются гораздо сильнее (возникает рельеф потенциалов). В результате, при очередном проходе по этим ячейкам электронного луча ток заряда конденсаторов будет значительно большим, и на нагрузочном сопротивлении Rн будет наблюдаться гораздо большее напряжение.

 

К достоинствам видикона можно отнести:

- простоту конструкции и малые размеры;

- высокую чувствительность – современные видиконы позволяют получать изображение при освещенности мишени всего в несколько люкс (в отличие от тысяч люкс для иконоскопа);

- низкую стоимость и высокую надежность трубки.

Недостаток всех видиконов - их большая инерционность.

Видиконы, из-за своей очень высокой светочувствительности, широко применяются и в современных телевизионных системах, особенно в системах промышленного телевидения, системах охраны и ночного видения.