Телемаханик.руТелемаханик - сайт о телевизорах и телевидении
Телемеханик - Системы связи и телемеханики
Системы телеизмерения Системы телеизмерения предназначены для передачи на расстояние значений различных электрических...
Передающие телевизионные трубки иконоскопы
Иконоскоп.

Хотя иконоскоп в настоящее время уже не применяется, но знакомство с принципом его работы позволит лучше понять логику развития передающих телевизионных трубок.

Изобретение иконоскопа явилось революционным скачком при переходе телевидения от механической развертки к электронной. По сравнению с диссектором иконоскоп обладает значительно более высокой чувствительностью и на его базе были созданы первые передающие камеры для ведения как студийных, так и внестудийных передач (при достаточной освещенности передаваемой сцены).

Иконоскоп представляет собой наглядную модель для изучения физических процессов, лежащих в основе принципа действия современных передающих трубок. Иконоскоп имеет стеклянную колбу с горловиной, в которой находится электронный прожектор. Основным элементом иконоскопа является фотомозаика, представляющая собой слюдяную пластинку, на лицевую поверхность которой напылены мельчайшие капельки (зерна) серебра, изолированные одна от другой. Тыльная сторона слюдяной пластины покрыта сплошным слоем серебра. Этот слой называется сигнальной пластиной.
Перед фотомозаикой установлено металлическое кольцо, играющее роль коллектора фотоэлектронов и вторичных электронов. По отношению к коллектору каждое зерно фотомозаики представляет собой микроскопический фотокатод, а по отношению к сигнальной пластике - обкладку микроскопического конденсатора. На горловину надеваются отклоняющие катушки (строчные и кадровые). Сопротивление нагрузки включается в цепь сигнальной пластины. Оптическое изображение передаваемого объекта проецируется на поверхность фотомозаики через стенку колбы.

Чтобы облегчить понимание сложных процессов, протекающих при работе иконоскопа, рассмотрим раздельно следующие три процесса:
коммутация электронным лучом неосвещенной фотомозаики;
образование потенциального рельефа на фотомозаике;
считывание потенциального рельефа, записанного на поверхности фотомозаики, и образование сигнала изображения.
В действительности все эти три процесса протекают одновременно. При отсутствие освещения электронный луч обегает поверхность фотомозаики и, попадая поочередно на все зерна,

выбивает из них вторичные электроны, которые устремляются к коллектору. При этом зерна фотомозаики, скоммутированные электронным лучом, приобретают положительный потенциал и между мозаикой и коллектором возникает тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему перелету вторичных электронов с мозаики на коллектор.

Вторичные электроны, выбиваемые электронным лучом из фотомозаики можно разделить на три группы:
1 группа - наиболее быстрые электроны, способные преодолеть тормозящее поле и достичь коллектора;
2 группа - самые медленные электроны, не способные преодолеть тормозящее поле коллектора и подающие обратно на те зерна, с которых они вылетели;
3 группа - электроны, не способные преодолеть тормозящее поле коллектора, но падающие на соседние зерна мозаики; вторичные электроны 3 группы, оседая на соседних зернах, создают как бы "электронный дождь, который непрерывно "моросить над поверхностью мозаики и снижает потенциал ее зерен.
Опытным путем было установлено, что в момент коммутации зерно скачком приобретает потенциал, равный +3 В, а затем под действием электронного дождя этот потенциал снижается до значения - 1,5 В.
Когда на поверхность фотомозаики спроецировано оптическое изображение, освещенные зерна мозаики начинают напускать фотоэлектроны. При этом чем ярче участок спроецированного изображения, тем больше фотоэлектронов вылетает с соответствующих зерен. Фотоэмиссия освещенной мозаики препятствует снижению потенциала освещенных зерен, потенциал Наиболее ярко освещенных зерен снижается только до +1 В, а потенциал зерен, имеющих промежуточную освещенность, - до значения в пределах от +1 до - 1,5 В.

При каждой последующей коммутации фотомозаики (через период кадра) потенциал каждого зерна снова скачком поднимается до значения +3 В. В результате на поверхности фотомозаики возникает так называемый потенциальный рельеф - наиболее светлым участкам оптического изображения соответствуют более высокие значения потенциалов (около +1 В, а наиболее темным-самые низкие - около - 1,5 В). Одновременно с этим происходит заряд элементарных микроскопических конденсаторов, образованных зернами и сигнальной пластиной. Эти заряженные конденсаторы как бы запоминают (накапливают) оптическую информацию, содержащуюся в оптическом изображении, спроецированном на поверхность мозаики.

Для того чтобы преобразовать потенциальный рельеф на фотомозаике в сигнал изображения, необходимо поочередно "опросить" все зерна или как принято в телевидении "считать" потенциальный рельеф.
Процесс считывания осуществляется в моменты коммутации электронным лучом зерен мозаики. В моменты коммутации зерен происходит стирание потенциального рельефа (неосвещенное зерно имеет потенциал 3 В), так как потенциал всех коммутируемых зерен поочередно доводится до равновесного потенциала +3 В. Но при этом одновременно происходит процесс дозаряда (или перезарядка) элементарных конденсаторов. Токи дозаряда (перезарядка) протекают через сопротивление нагрузки н создают на нем сигнал изображения.

Очевидно, что при коммутации слабо освещенного зерна токи перезарядка будут большими, чем при коммутации ярко освещенных зерен, и, следовательно, полярность сигнала на нагрузке иконоскопа будет отрицательной.
Достоинствами иконоскопа являются высокая четкость передаваемых изображений, малое значение собственных шумов, хорошая передача градаций яркости, высокая стабильность сигнала, большой срок службы. Однако иконоскопу присущи серьезные недостатки: низкая чувствительность, трапецеидальные искажения растра, явление "черного пятна", большие габариты, неудобная форма баллона, невозможность использования светосильных короткофокусных объективов (из-за большого расстояния между передней стенкой баллона и фотомозаикой).

Рассмотрим некоторые недостатки иконоскопа, так как они присущи и другом передающим телевизионным трубкам.
Трапециидальные искажения возникают потому, что ось электронного прожектора направлена под углом к развертываемой поверхности. Верхние строки удалены от центра отклонения на большее расстояние, чем нижние, и при одинаковых угловых отклонениях луча в горизонтальном направлении (вдоль строк) верхние строки оказываются длиннее нижних - растр приобретает форму трапеции в верхние детали изображения оказываются растянутыми в горизонтальном направлении.
Для компенсации трапецеидальных искажений растра ток в строчных отклоняющих катушках модулируют пилообразным напряжением кадровой развертки так, что размер строк в процессе кадровой развертки постепенно увеличивается.

Явление "черного пятна" возникает вследствие неравномерного распределения электронов 3-й группы по поверхности фотомозаики. Большинство их оседает на середине фотомозаики, и там образуется область с пониженным потенциальным рельефом, так называемая потенциальная яма. На экране кинескопа телевизора потенциальная яма видна в виде участка изображения пониженной яркость, так называемого черного пятна. Черное пятно можно скомпенсировать либо оптическим, либо электрическим способом. Идея обоих способов сводится к созданию белого пятна, которое, накладываясь на черное, устраняет затемнение части изображения на экране кинескопа. При оптической компенсации белое пятно создают вспомогательными электрическими лампочками, подсвечивающими ту часть поверхности фотомозаики, на которой образуется потенциальная яма. Однако форма и размеры потенциальной ямы и ее расположение на поверхности фотомозаики в процессе передачи изменяются, так как зависят от характера передаваемой сцены (изображения) и оптическая компенсация не обеспечивает удобства регулировки - в процессе телепередачи перемещение подсвечивающих лампочек крайне затруднительно.

Более удобной является электрическая компенсация, при которой в специальном генераторе формируется напряжение, одинаковое с сигналом от потенциальной ямы, но имеющее обратную полярность; этот компенсирующий сигнал смешивается с сигналом изображения.
Сигнал компенсации черного пятна должен иметь довольно сложную форму и обычно формируется из нескольких составляющих: пилообразной, синусоидальной и параболической

соответственно строчной и кадровой частоты. При этом компенсация черного пятна достигается регулировкой амплитуды и фазы перечисленных составляющих компенсирующего сигнала.
Супериконоскоп. Основным недостатком иконоскопа явилась его низкая чувствительность, требующая очень высокой освещенности передаваемого объекта (5000 - 10000 лк), которую можно

обеспечить только в студии, оборудованной мощными осветительными установками. Это ограничивало возможность использования иконоскопа для телепередачи при низких освещенностях.
Оказалось, что чувствительность иконоскопа практически в 15 - 20 раз ниже теоретической. Объясняется это целым рядом факторов. Из-за влияния отрицательного пространственного заряда, создаваемого большим количеством вторичных электронов, и наличия тормозящего поля между мозаикой и коллектором только примерно пятая часть фотоэлектронов перелетает на коллектор. Кроме этого, вторичные электроны 3-й группы, рассеиваясь по мозаике, сглаживают потенциальный рельеф, а дискретная структура фотомозаики приводит к тому, что значительная часть света освещает промежутки между зернами и не преобразуется в сигнал изображения.

Поиски ученых и инженеров были направлены на устранение причин, снижающих чувствительность иконоскопа. В 1933 г. два советских ученых, П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев, изобрели супериконоскоп или иконоскоп с переносом изображения, обладающий чувствительностью примерно на порядок выше, чем иконоскоп. Благодаря использованию принципа переноса электронного изображения оказалось возможным использовать сплошной, а не мозаичный фотокатод и для образования потенциального рельефа применить отдельную от фотокатода пластину - диэлектрическую мишень.
ускоренные фотоэлектроны, вылетающие из фотокатода, выбивают из поверхности мишени вторичные электроны и создают более глубокий потенциальный рельеф, чем кванты света в иконоскопе. Мишень супериконоскопа можно мысленно разделить на отдельные элементы, поверхность которых, обращенная к фотокатоду, имеет различные потенциалы, однако растекания зарядов на поверхности мишени не происходит, так как она выполнена из диэлектрика.
Но процесс образования сигнала изображения (считывания потенциального рельефа) аналогичен процессу в иконоскопе. Супериконоскопу так же, как и иконоскопу, присущи трапецеидальные искажения растра и явление черного пятна. Супериконоскоп получил широкое применение во всех странах как в телевизионном вещании, так и в прикладных телевизионных системах. По четкости изображения супериконоскоп уступает иконоскопу из-за расфокусировки электронного изображения в процессе переноса.

Чувствительность супериконоскопа была недостаточной для ведения внестудийных телевизионных передач при низких уровнях освещенности, и дальнейшие поиски ученых и инженеров были направлены на устранение этого недостатка. В сороковых годах в США появилась принципиально новая передающая телевизионная трубка суперортикон.
Суперортикон имеет цилиндрическую колбу ступенчатой формы. В широкой части колбы размещается секция переноса электронного изображения. В противоположном конце узкой части колбы смонтирован электронный прожектор, составляющий вместе со вторично-электронным умножителем общий конструктивный узел. Между секцией переноса и секцией электронного умножителя размещается секция коммутации и развертки.