Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

141

2...3 МГц; длительность нестационарных процессов 0,5 мкс; сдвиг импульса,

образующего уступ перед строчным синхронизирующим импульсом, не мо-

жет быть меньше 0,5 мкс; стандартом установлено значение 1,5 мкс.

На уступе перед синхронизирующим импульсом полей должны быть

расположены пять уравнивающих импульсов. Этим и определяется длитель-

ность уступа на кадровом импульсе.

Итак, в сигнале синхронизации телевизионных приемников

наиболее

сложным по форме является сигнал кадровой синхронизации. Его форма,

принятая стандартом СССР, а также большинством европейских стран и

США, является наиболее совершенной. При ее установлении были учтены

все факторы, даже в незначительной степени влияющие на точность син-

хронизации. Такая форма позволяет получить хорошее качество чересстроч-

ной развертки при наиболее

простом способе разделения сигналов — с по-

мощью интегрирующей цепи — и большую помехоустойчивость.

Основные параметры телевизионного стандарта в соответствии с

ГОСТ 7845-79 приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Параметры телевизионного сигнала

Название параметра

Значение

параметра

Условное

обозначение

по рис. 2.41

Номинальная длительность строки, мкс 64 Н

Длительность гасящего импульса строк, мкс

12±0,3

Длительность синхронизирующего импульса строк, мкс

4,7±0,2

Длительность гасящего импульса полей, мкс 25Н + а j

Длительность первой последовательности уравниваю-

щих импульсов, мкс

2,5Н l

Длительность последовательности синхронизирующих

импульсов полей, мкс

2,5Н m

Длительность второй последовательности уравниваю-

щих импульсов полей, мкс

2,5Н n

Длительность уравнивающего импульса, мкс

2,35 ± 0,1

Длительность синхронизирующего импульса полей, мкс 27, 3 q

Интервал между соседними синхронизирующими им-

пульсами полей, мкс

4,7 ± 0,2

Номинальная длительность поля, мс 20

Основной формат кадра P = 4/3

Максимальное число элементов разложения N = 520833

Количество строк в кадре Z = 625

Число градаций яркости 8...10

Частота полукадровой развертки f

пк

= 50 Гц

Частота кадровой развертки f

= 25 Гц

Частота строчной развертки f

= 15625

Гц

142

3. Принципы построения систем передачи изображений

Передача изображений на любые расстояния, "дальновидение" - дав-

няя мечта человечества, веками воплощавшаяся в сказках. Но от сказочного

волшебного зеркальца до величайшего явления ХХ века, каковым является

телевидение, - почти столетний путь поисков и открытий.

Преобразование оптического сигнала в электрический основывается

на явлении фотоэффекта. Впервые прямое влияние света на электричество

было обнаружено немецким

физиком Г. Герцем во время его опытов с элек-

троискровыми вибраторами. Герц установил, что заряженный проводник,

будучи освещен ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а

электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разно-

сти потенциалов. Замеченное явление было описано Герцем в его статьях

1887-1888 годов, но оставлено им без объяснения

, так как физическую при-

роду его он не знал. Не сумели правильно объяснить действие света на заря-

ды и немецкий физик Гальвакс, и итальянский физик Риги, и даже англий-

ский физик Лодж, который, демонстрируя в 1894 году опыты Герца в своей

знаменитой лекции "Творение Герца", предположил химическую природу

явления. И это

неудивительно: электрон будет открыт Дж. Томсоном лишь в

1897 году, а без упоминания об электроне объяснить фотоэффект невозмож-

но.

Однако 26 февраля 1888 года заслужено считается одним из замеча-

тельнейших дней в истории науки и техники и, в частности, телевидения. В

этот день великий русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-

1896) блестяще осуществил опыт, наглядно

продемонстрировавший внеш-

ний фотоэффект и показавший истинную природу и характер влияния света

на электричество.

Первые опыты со светом А.Г. Столетов проводил с обычным элек-

троскопом. Освещая электрической дугой Петрова цинковую пластину, за-

ряженную отрицательно и соединенную с электроскопом, он обнаружил, что

заряд быстро исчезал. Положительный же заряд не уничтожался,

вопреки

имевшемуся утверждению Риги.

Для постановки точных опытов Столетов создал экспериментальный

прибор, ставший прообразом современных фотоэлементов. Прибор состоял

из двух плоскопараллельных дисков, один из которых был сетчатый и про-

пускал световые лучи. К дискам подводилось напряжение от 0 до 250 В, при-

чем к сплошному диску подключался отрицательный полюс батареи. При

освещении сплошного

диска ультрафиолетовым светом включенный в цепь

чувствительный гальванометр отмечал протекание тока, несмотря на нали-

чие воздуха между дисками. Продолжая опыты, А.Г.Столетов установил за-

висимость фототока от величины напряжения батареи и интенсивности све-

тового пучка. Дальнейшие работы привели к созданию первого в мире фото-

элемента, представлявшего собой стеклянный баллон

с кварцевым окном для

143

пропускания ультрафиолетовых лучей. Внутрь баллона помещались элек-

троды, один из которых был чувствителен к свету, газ откачивался. Совре-

менные фотоэлементы отличаются от первого лишь конструкцией электро-

дов и их структурой.

Фотоэффект - явление вырывания электронов с поверхности вещества

под действием света - был назван А.Г. Столетовым актиноэлектрическим

разрядом. Электронная природа фотоэффекта была

показана в 1899 году

Дж. Томсоном и в 1900 году Ленардом, а полное объяснение было дано лишь

в 1905 году А. Эйнштейном на основе квантовой теории. Сам же чувстви-

тельный к свету фотоэлемент был назван современниками "электрическим

глазом".

Как развитие фотоэлемента в 1934 году советским инженером Кубец-

ким и, независимо, американцем Фарнсвортом был сконструирован

фото-

электронный умножитель (ФЭУ), работа которого основана на использова-

нии вторичных электронов, выбиваемых с

анодов прибора вначале светом, а

затем падающими на аноды первичными электронами. Таким образом, ФЭУ

сочетает в себе фотоэлемент и усилитель с коэффициентом усиления в не-

сколько миллионов единиц.

В 1897 году немецкий физик К.Ф. Браун (1850-1918) сконструировал

электронно-лучевую трубку, ставшую в дальнейшем основным элементом

электронных систем телевидения. 25 июля 1907 года профессор Петербург

ского технологического института Борис Львович Розинг (1869-1933) подал

заявку на способ использования трубки Брауна для приема телевизионного

изображения. В 1908, 1909 и 1910 годах им были получены патенты соответ-

ственно в Англии, Германии и России. А 9 мая 1911 года Розингом был про-

демонстрирован потрясающий опыт: на крошечном экранчике ЭЛТ появи-

лось изображение решетки из четырех

полос, помещенной перед объективом

передатчика. Созданная им приемная трубка с магнитным отклонением луча

содержала катод, анод, диафрагму и люминесцирующий экран, то есть прак-

тически не отличалась от современного кинескопа. Сигналы с передающего

механического устройства поступали на модулирующие пластины, управ-

лявшие интенсивностью электронного луча и, соответственно, яркостью эк-

рана.

Дальнейшим этапом стало

создание схем усилительных фотоэлектри-

ческих цепей. С сентября 1912 по май 1914 года были опробованы 123 схе-

мы, при работе над которыми Розинг открыл явления накопления электриче-

ских зарядов емкостью, заряжаемой фототоком, - еще один основополагаю-

щий принцип современного телевидения.

После первой мировой войны работы по электронному телевидению

возобновились лишь в 1924 году, при этом

интенсивно пошли исследования

по созданию передающей телевизионной трубки с отказом от большого чис-

ла фотоэлементов, коммутируемых каким-либо способом.

144

В 1930 году советский физик А.П. Константинов (1895-1945) впервые

предложил ЭЛТ для передачи изображения, в которой использовался прин-

цип накопления зарядов. В этом принципе реализовывалось важнейшее пре-

имущество ЭЛТ перед механическими системами с точки зрения использо-

вания энергии светового потока. В механических системах каждый элемент

разложения освещался лишь в тот момент, когда

мимо него проходило от-

верстие развертывающего диска Нипкова, то есть получал ничтожную долю

светового потока. С увеличением числа элементов (числа строк и скорости

вращения диска), чего требовало качественное телевидение, этот поток все

уменьшался. При использовании электронных систем весь свет от переда-

ваемого изображения поступал на экран передающей ЭЛТ, причем в

течение

всего времени передачи за исключением краткого мига "считывания" с дан-

ной точки. При этом в каждой точке экрана по мере попадания света накап-

ливался электрический заряд.

Передающая трубка Константинова имела специальный сигнальный

электрод, представляющий собой металлическую решетку с отверстиями,

заполненными диэлектриком, сквозь который пропущены металлические

стерженьки. Иными словами, решетка представляла

собой мозаичную па-

нель, составленную из миниатюрных конденсаторов, обкладками которых

были стерженьки и часть решетки. Поверхность стерженьков, обращенная к

объективу, покрывалась слоем чувствительного к свету металла, например,

цезия.

Преобразование изображения в электрический сигнал происходит

следующим образом. При действии света на мозаичную панель миниконден-

саторы заряжаются пропорционально интенсивности падающего света за

счет потери части электронов. Тем самым оптическое изображение превра-

щается в "изображение", составленное из электрических зарядов. С помо-

щью системы развертки электронный луч в трубке поочередно, строка за

строкой и элемент за элементом, обегает конденсаторную панель, разряжая

миниконденсаторы через сопротивление, с которого сигнал снимается и по-

дается в схему усилителей.

Трубка

Константинова не нашла широкого применения вследствие

чрезвычайной сложности выполнения специального электрода-стерженька

по предложенному автором методу. Но она послужила отправной точкой для

последующих разработок.

В 1931 году советский ученый С.И. Катаев создал передающую труб-

ку с так называемым мозаичным сигнальным электродом - фотокатодом.

Фотокатод представлял собой тонкую пластинку из диэлектрика, например,

слюды, покрытую с одной стороны сплошным слоем металла, а с другой,

обращенной к электронному прожектору, - мельчайшими изолированными

друг от друга металлическими зернами с добавлением цезия или другого

чувствительного к свету щелочного металла. Получилось, что каждое зерно

145

металла стало миниатюрным фотоэлементом и одновременно конденсато-

ром.

В 1933 году в США была продемонстрирована передающая трубка

для телевидения, названная "иконоскопом". Изобретателем ее стал гражда-

нин США Зворыкин В.К. (1889-1982), уроженец г. Мурома и один из учени-

ков В.Л. Розинга, как и Катаев С.И. При внимательном рассмотрении трубок

Зворыкина и

Катаева трудно найти существенные различия, хотя нет сомне-

ния, что оба изобретателя работали абсолютно независимо друг от друга.

Патентные заявки на "передающую телевизионную трубку с накоплением

электрических зарядов на мозаичном фотокатоде" оба инженера подали

практически одновременно в 1931 году - С.И. Катаев 24 сентября (авторское

свидетельство СССР № 29.865 от 30 апреля 1933 г.), В.

К. Зворыкин 13 нояб-

ря (патент США № 2.021.907 от 26 ноября 1935 г.).

В дальнейшем были разработаны более сложные и совершенные

трубки - ортикон, а затем суперортикон Г.В. Брауде (СССР, 1945) суперэми-

трон П.П. Шмакова и П.В. Тимофеева, трубки для цветного телевидения с

последовательной передачей цветов, трехлучевые трубки для параллельной

передачи цветов и

другие, но все это уже не изменило основных принципов,

реализованных в иконоскопе.

3.1 Преобразователи свет-сигнал

3.1.1. Общие требования, предъявляемые к преобразователям

свет-сигнал

Преобразователи свет-сигнал (оптоэлектронные преобразователи

или передающие телевизионные трубки), предназначены для формирования

электрического сигнала, адекватного изображению, спроецированному на

их вход. В настоящее время существует ряд передающих

трубок, в которых

используются различные физические явления и процессы, но ко всем предъ-

являются следующие общие требования: высокие значения отношения сиг-

нал-шум, чувствительности, обеспечивающей получение сигнала при малой

освещенности объектов передачи, и разрешающей способности; способность

работы в широком диапазоне яркостей передаваемых сцен; правильное вос-

произведение световых градаций; требуемая спектральная характеристика

;

малая инерционность. Кроме того, к передающим трубкам предъявляются

требования и эксплуатационного характера, а именно: длительный срок

службы, надежность в работе, простота в эксплуатации, малые габариты и

постоянство спектральной характеристики фотокатода.

Естественно, что существующие передающие трубки не могут отве-

чать всем вышеперечисленным требованиям, поэтому выбор той или иной

трубки определяется конкретным

назначением телевизионной системы.

Характеристики оптоэлектронных преобразователей в значительной

степени могут зависеть от устройств, обеспечивающих их работу (усилите-

146

лей, развертывающих устройств, оптических узлов и др.), а также от элек-

трического режима преобразователя.

По способу превращения оптического изображения в электрические

сигналы передающие трубки можно разделить на две основные группы:

трубки мгновенного действия, к которым относятся диссектор Фарн-

сворта и электронно-лучевые системы, развертывающие изображение по ме-

тоду светового "бегущего

луча";

трубки с накоплением зарядов, к которым относятся суперортикон,

видикон, кремникон, плумбикон и др.

По принципу развертки:

трубки, работающие с разверткой лучом быстрых или медленных

электронов.

По признаку преобразования оптического изображения в элек-

тронное: на трубки, использующие внешний или внутренний фотоэлектри-

ческие эффекты.

3.1.2. Фотоэлектрический эффект

Внешний фотоэффект. Внешним фотоэлектрическим

эффектом, или

фотоэлектронной эмиссией, называют способность веществ эмиттировать

электроны под действием светового потока, падающего на них.

Закономерности, которым подчиняется внешний фотоэлектрический

эффект, были установлены А. Г. Столетовым и А. Эйнштейном:

1. Фототок протекает только в одном направлении от анода к катоду

(фототок униполярен).

2. Фототок пропорционален световому потоку, падающему на фото-

элемент (закон Столетова):

=εФ,

(3.1)

где i

- фототок в цепи фотоэлемента, мкА; Ф - световой поток, лм;

- коэф-

фициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотокатода,

мкА/лм.

Закон Столетова выполняется только в области насыщения, где все

фотоэлектроны, вылетевшие с поверхности фотокатода, достигают анода.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно воз-

растает с частотой падающего на фотокатод излучения и не зависит от его

интенсивности (закон Эйнштейна):

макс

−=

(3.2)

где

макс

- кинетическая энергия, сообщаемая квантом света электрону,

h v - энергия кванта, h - постоянная Планка, v - частота световых колебаний,

Р - работа выхода, расходуемая на освобождение электрона из вещества.

147

Чтобы электрон мог выйти из металла, энергия кванта должна быть

больше работы выхода, т.е. необходимо выполнение неравенства

hv >P.

Величина hv

= Р является порогом, ниже которого фотоэмиссия не-

возможна, а частота световых колебаний v

- называется граничной часто-

той или порогом фотоэмиссии. Энергия кванта света при выполнении hv >P

достаточна для совершения работы выхода электрона, но скорость выбитых

электронов будет равна нулю.

4. Фототок в вакуумных фотоэлементах практически мгновенно сле-

дует за изменениями светового потока. Поэтому вакуумные фотоэлементы

для сигналов с частотами до 100 МГц можно считать

безынерционными.

5. Фототок зависит от напряжения между анодом и катодом.

Вещества, обладающие свойствами фотоэмиссии, используются для

изготовления фотокатодов. Под действием света фотокатод способен непре-

рывно излучать электроны в количестве, пропорциональном падающим

квантам света. Во всех передающих трубках (супериконоскоп, суперорти-

кон), работающих с внешним фотоэлектрическим эффектом, используются

полупрозрачные фотокатоды, за исключением передающей

трубки иконо-

скоп, в которой использовался мозаичный фотокатод. Полупрозрачные фо-

токатоды имеют обычно тонкую металлическую подложку, проницаемую

для световых лучей, на которую наносится фотокатод. Для получения высо-

кой фотоэлектронной эмиссии применяют активирование вещества - покры-

вают вещество одноатомным слоем другого вещества (активатора). При со-

ответствующем подборе последнего работа выхода полученного сложного

фотокатода оказывается меньшей, чем любого из веществ в отдельности.

Существует много разновидностей фотокатодов: кислородно-цезиевые,

сурьмяно-цезиевые и др. За последнее время разработаны многокомпонент-

ные (многощелочные) катоды, в состав которых входит сурьма, натрий, ка-

лий, цезий. Квантовый выход многощелочного фотокатода в 1,5 ... 2 раза

превышает квантовый выход сурьмяно-цезиевого катода.

Внутренний фотоэффект.

Внутренним фотоэлектрическим эффек-

том или фотопроводимостью называется изменение проводимости полупро-

водников при изменении интенсивности падающего на них светового пото-

ка. Под действием квантов света электроны полупроводника переходят в

свободное состояние. Если к полупроводнику приложить напряжение, то во

внешней цепи потечет ток, называемый первичным фотоэлектронным током,

изменяющийся соответственно всем изменениям светового потока

. Под воз-

действием первичных фотоэлектронов нарушается кристаллическая

структура полупроводника и выбиваются вторичные электроны, число кото-

рых в десятки и сотни раз больше первичных. Вторичные электроны обра-

зуются не мгновенно, вслед за изменением освещенности, поэтому внутрен-

ний фотоэффект инерционный.

148

В передающих трубках в качестве покрытий поверхностей, обла-

дающих внутренним фотоэлектрическим эффектом, используются слои се-

лена, таллофида и серно-висмутовых соединений.

3.1.3. Преобразователи мгновенного действия

В преобразователях мгновенного действия, или преобразователях без

накопления зарядов, световой поток воздействует на площадь элемента раз-

ложения в течение времени коммутации (времени формирования электриче-

ского сигнала, соответствующего рассматриваемому элементу изображе-

ния).

Можно выделить две группы преобразователей мгновенного дейст-

вия:

• устройства, в которых вся световая энергия концентрируется

на

одном элементе изображения и затем преобразуется в электрический сигнал

— преобразователи с «бегущим световым пучком»;

• устройства, на вход которых поступает световой поток, соответст-

вующий всей передаваемой сцене, а формирование элемента изображения

происходит путем его пространственного диафрагмирования в оптическом

звене (устройства с диском Нипкова) или электронном (диссектор).

Преобразователи с бегущим

световым пучком можно использовать

как для преобразования изображения транспаранта (диапозитива, кинокадра

и т.д.) в сигнал (рис. 3.1), так и для регистрации натурных сцен, освещенных

бегущим световым пучком (рис. 3.2).

Рис. 3.1. Преобразователь с бегущим световым пучком для транспаранта

Бегущий световой пучок образуется электронно-лучевой трубкой, на

экране которой формируется телевизионный растр (в первых преобразовате-

лях для этих целей использовался диск Нипкова). Люминофор с малым по-

слесвечением является источником света в виде перемещающейся площадки,

формирующей элемент разложения. С помощью объектива сформированное

световое пятно проецируется в плоскость объекта (транспарант или переда

ваемая сцена). Световой поток, промодулированный в результате поглоще-

ния света транспарантом или отражения объектами передаваемой сцены, ре-

гистрируется с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), на выходе

которых формируется сигнал изображения i

. Для концентрации светового

149

потока, прошедшего через транспарант, на фотокатоде ФЭУ используется

конденсор.

Электронно-лучевая

трубка

Объектив

Объект

Фотоэлектронные

умножители

Рис. 3.2. Преобразователь с бегущим световым пучком для натурной сцены

Если пренебречь инерционностью люминофора, то в любой момент

времени вся световая энергия концентрируется на одном элементе растра и

после взаимодействия с соответствующими участками передаваемого объек-

та преобразуется в сигнал изображения.

Телевизионные системы с бегущим световым пучком нашли приме-

нение для передачи кинофильмов, в том числе и цветных. Одним из пре-

имуществ

этих систем является простота.

Диссектор. В преобразователях типа диссектор (англ. dissect—

рассекать) на вход поступает световой поток Ф, соответствующий всей

Рис. 3.3. Диссектор

передаваемой сцене, и с помощью полупрозрачного фотокатода (ПФ) он

преобразуется в электронный поток (электронное изображение), рис. 3.3.

150

Фотокатод включает непосредственно полупрозрачный фотокатод,

металлическую (практически прозрачную для света) подложку и стеклянную

планшайбу. С помощью магнитного и электрического полей, создаваемых

фокусирующей катушкой (ФК) и ускоряющим электродом (УЭ),

изображение фокусируется в плоскости диафрагмы (Д). Отверстие

диафрагмы является апертурой, формирующей элемент изображения.

Поток электронов, прошедший через отверстие диафрагмы, попадает

на вход

вторично-электронного умножителя (ВЭУ), на выходе которого

формируется сигнал изображения i

. Развертка изображения в диссекторе

осуществляется путем отклонения всего электронного изображения относи-

тельно отверстия диафрагмы. Для этих целей используется магнитное от-

клонение, реализуемое с помощью двух пар магнитных отклоняющих кату-

шек (ОК). Таким образом, через отверстие диафрагмы последовательно,

элемент за элементом, проходят электроны, соответствующие различным

участкам передаваемой сцены.

Видно, что в

формировании сигнала изображения на нагрузочном со-

противлении R

в любой момент времени принимает участие лишь 1/n-я

часть (п— число элементов разложения) электронного потока с фотокатода, а

следовательно, 1/n-я часть светового потока, поступающего на вход преобра-

зователя. Большая часть светового потока в формировании сигнала изобра-

жения участия не принимает. Этим объясняется низкая чувствительность

диссектора.

3.1.4. Преобразователи с

накоплением заряда

Низкая световая чувствительность систем мгновенного действия свя-

зана с нерациональным использованием энергии входного сигнала (изобра-

жения). За время T

передачи кадра световая энергия, падающая на элемент

изображения, ΔQ

∫

ΔФ(t)dt.

Если изображение в течение времени Т

неподвижно, то световой по-

ток на элемент—ΔФ =const и ΔQ

= ΔФТ

Непосредственно в формировании сигнала изображения, как следует

из принципа действия диссектора, участвует свет, воздействующий на рас-

сматриваемый элемент изображения в течение времени τ: ΔQ

= ΔФТ

, что

меньше ΔQ

в ΔQ

/ΔQ

= Т

/τ = k Z

раз.

Чтобы использовать для формирования сигнала изображения всю

падающую на элемент преобразователя световую энергию была предложена

идея накопления заряда. В качестве накопителя может использоваться моза-

ичный конденсатор. Одна из обкладок (1 на рис. 3.4) обладает внешним фо-

тоэффектом, другая обкладка 2 является общей сигнальной пластиной, в

цепь которой включен резистор R

. С помощью объектива 5 непосредствен-

но на накопитель проецируется изображение передаваемой сцены. Под дей-

ствием света происходит накопление заряда на элементарных емкостях при