Лекция 9. Преобразователи свет – сигнал

В телевидении применяются два типа преобразователей свет – сигнал: электровакуумные передающие телевизионные трубки и твердотельные преобразователи.

Электровакуумные передающие телевизионные трубки можно разделить на два класса: использующие внешний фотоэффект и использующие внутренний фотоэффект. Трубки первого класса (иконоскоп, суперортикон) сегодня не используются, т.к., обеспечивая высокую чувствительность и хорошую четкость, они имеют большие размеры и требуют высоких (до 2...3 кВ) питающих напряжений. Это особенно неудобно в небольших репортажных камерах и трехтрубочных камерах цветного телевидения.

Классическим представителем трубок с внутренним фотоэффектом является видикон.

*

2 9 3 8 6 7 1 + Е СП + 300 В 4 5 + 150 В

Рис. 29.

Устройство видикона:

1 – сигнальная пластина – напыленный на дно колбы прозрачный слой металла.

2 – фотопроводящая мишень. В классическом варианте это слой аморфного селена толщиной 3...5 мкм, имеющий мозаичную структуру.

3 – выравнивающая мелкоструктурная сетка. Ее назначение – обеспечить равномерность электрического поля в районе мишени и собирать вторичные электроны в случае их появления.

4 – второй анод (ускоряющий).

5 – первый анод (фокусирующий).

6 – модулятор

7 – катод

8 – отклоняющая система.

9 – фокусирующая катушка.

Каждую ячейку мозаичной мишени можно представить как параллельное соединение емкости и фоторезистора. Все ячейки одной стороной присоединены к сигнальной пластине, а вторая сторона в процессе развертки коммутируется электронным лучом.

*

U E СП UВ t Т К t к + Е СП

Рис. 30.

В случае обычного для видикона режима медленных электронов (когда электроны достигают мишени с малой скоростью, так что коэффициент вторичной эмиссии меньше единицы) потенциал правой стороны мишени устанавливается равным потенциалу катода.

При изложении принципа действия видикона часто используется методический прием условного разделения во времени основных процессов, протекающих в видиконе:

· коммутация электронным лучом всех элементов затемненной мишени, в результате чего все элементарные конденсаторы за интервал времени t _к (это время нахождения электронного луча на одной ячейке мозаики) приобретают одинаковый потенциал, приблизительно равный потенциалу сигнальной пластины + Е _СП (обычно напряжение Е _СП порядка 20...30 В);

· экспонирование мишени светом, в результате чего на ней образуется рельеф сопротивлений;

· интервал времени Т _К до следующего цикла коммутации (период коммутации, равный периоду кадров), в течение которого рельеф сопротивлений преобразуется в рельеф напряжений (потенциальный рельеф);

· второй цикл коммутации, в результате которого за счет протекания тока дозаряда элементарных конденсаторов через внешнее сопротивление нагрузки на этом сопротивлении образуется напряжение видеосигнала (в разных ячейках ток дозаряда разный).

Следует понимать, что это лишь методический прием, облегчающий восприятие материала, а на самом деле эти процессы идут по сути одновременно.

Достоинствами видикона по сравнению с суперортиконом являются заметно меньшие размеры и питающие напряжения (до 400 В). Диаметры видиконов соответствуют ряду 0,5¢¢, 1¢¢, 1,5¢¢ (13 мм, 27 мм, 38 мм). При этом их длина порядка 100...200 мм. Трубка в принципе проста по конструкции и надежна. Чувствительность – десятые доли люкса. Световая характеристика линейна до освещенностей мишени порядка 10 лк. Четкость зависит от диаметра и достигает 450...550 строк. Отношение сигнал / шум хорошее, хотя амплитуда сигнала невелика – единицы милливольт (ток сигнальной пластины порядка 0,1...0,3 мкА).

Главным недостатком видикона является инерционность. Существует две причины или две составляющих инерционности.

Фотоэлектрическая составляющая. Дело в том, что явление внутреннего фотоэффекта инерционно по своей природе. Эта компонента уменьшается с ростом освещенности мишени, поэтому видиконы прежде всего нашли применение в телекинопроекции.

Коммутационная составляющая. До сих пор предполагалось, что сопротивление электронного пучка достаточно мало, чтобы обеспечить полный дозаряд элементарных конденсаторов мозаичной мишени до Е _СП за время t _к. К сожалению, это не так. Поэтому на конденсаторах сохраняется остаточный потенциальный рельеф – след предыдущего кадра (30% и даже больше).

Можно уменьшить постоянную времени заряда, увеличив ток луча, но при этом ухудшится фокусировка, т.е. четкость. Можно уменьшить элементарные емкости, увеличив толщину мишени. Но в таком случае уменьшится и постоянная времени разряда, а это приведет к ухудшению линейности световой характеристики (в светлых местах изображения элементарные конденсаторы за время Т _К успеют разрядиться полностью).

*

n i p -

Выход был найден в применении pin - диодной мишени с толщиной слоя i до 15 мкм. При этом одновременно уменьшилась емкость ячейки и увеличилось сопротивление (в том числе темновое – за счет выбора материала), т.к. переход смещается электронным пучком в запирающем направлении.

Рис. 31.

Выпускается несколько разновидностей таких трубок, отличающихся материалом мишени. Если материал мишени – окись свинца (Pb O), название трубки плюмбикон. Если мишень выполнена на основе кремния – кремникон. Если это сплав селен-мышьяк-теллур (Se–As–Te) – сатикон.

Все эти трубки имеют такую же конструкцию, как видикон, но имеют заметно меньшую инерционность и лучшую линейность световой характеристики.

Последняя разработка в этой области – дефлектрон. Материал мишени этой трубки – селен-мышьяк-теллур. Она имеет электростатическое отклонение луча, причем отклоняющие электроды сложной формы напылены на внутреннюю поверхность колбы. Трубка обеспечивает при диаметре 38 мм четкость до 1200 строк – заметно больше, чем у лучших матриц ПЗС и вдвое больше, чем у обычного плюмбикона. Такие трубки перспективны для применения в студийных передающих камерах.