Формування відеосигналу і відтворення зображень
Датчики телевізійного сигналу призначені для перетворення зображення в електричний сигнал. Пристрої розділяють на три групи: передаючі телевізійні трубки; пристрої з біжучим променем; твердотільні фотоелектричні перетворювачі.
Передаючі телевізійні трубки –– найбільш розповсюджена група фотоелектричних перетворювачів. Вони представляють собою електровакуумні пристрої, в яких застосована розгортка зображення електронним променем. Більшість з них працює по принципу накопичення світлової енергії в вигляді електричних зарядів на мішені трубки.
Найбільш характерні для цієї групи пристроїв є трубки з вторинним фотоемісійним, фотопровідним і фотодіодним накопичувачем.
Типовим прикладом трубки з вторинним фотоемісійним накопичувачем являються суперіконоскоп, суперортикон і суперізокон. Суперортикон і суперіконоскоп сьогодні вже не використовуються.
Суперізокон все ще представляє інтерес для наукових застосувань і систем спостереження завдяки великому рівню вихідного сигналу і широкому динамічному діапазону, але в кольорових телевізійних камерах через складність і громіздкість не застосовується.
В віщальних і прикладних телевізійних пристроях найбільш широко застосовуються датчики з фотопровідним накопичувачем (різні варіанти відіконів) і фотодіодним накопичувачем (плюмбікон, кремнікон). Трубки з накопичувачем мають високу чутливість і універсальність, що забезпечує роботу при різних умовах освітлення як в межах світлового діапазону, так і за його межами. Існують також передаючі трубки миттєвої дії –– дисектори, що характеризуються високою лінійністю світлової характеристики, але володіють низькою чутливістю.
Пристрої з біжучим променем використовуються головним чином в спеціалізованих і телепроекційних системах.
Твердотільні фотоелектричні перетворювачі (ФЕП) на основі пристроїв з зарядовим зв’язком, які почали впроваджуватись з 70-х років, знаменують важливий етап в розвитку телевізійної техніки. В передаючих телевізійних камерах вони приходять на зміну вакуумним приладам. Твердотільні ФЕП це не тільки малі габаритні розміри і високі технічні показники. Це ще і жорсткий дискретний растр, що забезпечує легкість суміщення зображення з кількох датчиків, допускає простоту регулювання параметрів розкладання і багатоканальне зчитування, а в сумісності з пам’яттю, що побудована на базі тих же пристроїв, забезпечує багато видів обробки телевізійних зображень.
Принцип накопичення світлової енергії
Принцип накопичення світлової енергії в вигляді електричних зарядів зображено на рис. 1.24.
При освітлені мозаїки з фотоелементів струм що проходить в ланцюгу фотоелемента іФ, заряджає послідовно ввімкнений конденсатор С до деякого потенціалу, який визначається величиною світлового потоку Ф, що попадає на фотоелемент, і часом заряду конденсатора.
Рис. 1.24
Якщо заряд конденсатора проводиться протягом часу тривалості кадру Tк, а фотоелемент працює в режимі насичення, на UФ1 – UФ2 ділянці вольт-амперної характеристики (рис. 1.25), то заряд конденсатор складе:
. (1.28)
Напруга, до якої заряджається конденсатор дорівнює:
,
де ε –– інтегральна чутливість фотоелемента.
Елементарні конденсатори розряджаються через електронний перемикач П на навантажувальний резистор RН, з якого знімається напруга сигналу UC.
Рис. 1.25
Якщо конденсатор (наприклад С1) повністю розряджається протягом інтервалу часу τЕ –– передачі одного елемента зображення, –– то втрачений ним заряд Qр дорівнює:
, (1.29)
де іР – середній струм розряду. Співставивши (1.28) і (1.29) бачимо:
,
де N –– число елементів розкладання зображення.
В системах миттєвої дії (рис. 1.26), де накопичення світлової енергії не виникає, струм через навантаження дорівнює іФ.
Рис 1.26
Виграш в чутливості, який дає ідеальна система з накопиченням, в порівнянні з системою миттєвої дії складає в N разів.
Виграш величезний, якщо врахувати, що для сучасних систем телебачення N≈500 000, але він не повністю реалізовується через недосконалість перемикача, роль якого в передаючих трубках виконує електронний промінь, який володіє необхідною швидкодією, але не забезпечує ідеального переключення.
Потенціал ізольованого екрану
При бомбардуванні електронним променем ізольованої мішені на ній встановлюються певні потенціали, що мають велике значення в роботі передаючої трубки. Величина цих потенціалів визначається коефіцієнтом вторинної емісії мішені, що бомбардується
σ = n2/n1,
де n1– число електронів, які влучили в мішень,
n2 – число електронів, вибитих з мішені.
На рис. 1.27,а представлена крива залежності коефіцієнта вторинної емісії σ від енергії електронів, що бомбардують мішень. Характерні дві критичні точки UКР1 і UКР2, в яких коефіцієнт вторинної емісії σ = 1. Хід кривої пояснюється наступним чином. При низьких швидкостях електрони володіють малою енергією, тому при влучені в мішень вони не здатні вибити багато вторинних електронів, внаслідок цього σ<1. По мірі збільшення напруги на аноді Uа, енергія електронів зростає і при Ua=Uкр1 коефіцієнт вторинної емісії σ стає рівним одиниці.
З подальшим ростом напруги на аноді коефіцієнт вторинної емісії спочатку зростає, а потім починає падати через те що первинні електрони володіючи великими швидкостями занурюються в глибші шари мішені і там віддають свою енергію вторинним електронам, а ті витративши свою енергію при зіткненнях, не в змозі вибратись на поверхню. При Ua=Uкр2 коефіцієнт вторинної емісії знову стає рівним одиниці, а з подальшим збільшенням напруги на аноді –– менше одиниці. При рівності потенціалів мішені і катода електрони не будуть осідати на мішені, тому коефіцієнт вторинної емісії (потенціал мішені дорівнює потенціалу катода) умовно вважають рівним одиниці.
Таким чином, криву залежності коефіцієнта вторинної емісії від напруги на аноді Uа, можна поділити на три області (рис 1.27,б): першу – називають областю повільних електронів (0 < Uа ≤ U Кр1); другу – областю швидких електронів ( UКр1< Uа < Uкр2) і третю – областю граничного потенціалу ( Uа> Uкр2).
В області повільних електронів σ<1 тому число n2 вибитих вторинних електронів менше числа n1 первинних. При роботі в цій області випадковий потенціал ізольованої мішені uм1 буде зменшуватися. Стаціонарний потенціал Uм1 встановиться трохи нижче потенціалу катода внаслідок того, що електрони володіючи початковими швидкостями, здатні подолати невелике гальмівне поле.
Рис 1.27
В області швидких електронів σ>1, відповідно, n2>n1, тому завжди є надлишок вибитих електронів. В цьому випадку потенціал мішені буде визначатися потенціалом того електрода, на який йдуть електрони. Зокрема, це може бути анод. Поки потенціал мішені uм2 менший потенціалу анода Ua2, вибиті вторинні електрони будуть попадати в прискорюючи поле і йти на анод. Але якщо потенціал мішені uм2 виявиться вище потенціалу анода, то вибиті вторинні електрони будуть попадати в гальмівне поле і вертатися на мішень, зменшуючи її потенціал.
Таким чином, рівноваговий потенціал Uм2 приблизно рівний потенціалу анода, а точніше на 2-3В вище потенціалу анода, оскільки вторинні електрони, володіючи початковою швидкістю злету, здатні подолати деяке тормозне поле.
В третій області σ<1 і, відповідно, якщо потенціал мішені uм3 знаходиться в цій області, то він буде падати, але тільки до тих пір поки не стане σ=1. Таким чином, рівноваговим для цієї області являється потенціал Uкр2. Цей же потенціал являється граничним, оскільки в стаціонарному режимі не може бути перевищений.