В статье в общих чертах рассматривается работа по созданию прибора, который фактически представляет собой электронный глаз - иконоскоп, обеспечивающий видение той или иной сцены для ее телевизионной передачи и других подобных применений. Доведение первоначальной идеи до нынешней стадии завершенности потребовало десятилетнего труда.
Иконоскоп - это вакуумный прибор с фоточувствительной поверхностью особого типа. Фоточувствительная поверхность сканируется электронным лучом, который служит безынерционным коммутатором. Новый принцип действия позволяет получить весьма высокий уровень сигнала на выходе такого прибора.
В настоящее время чувствительность иконоскопа приблизительно равна чувствительности фотографической пленки при выдержке, соответствующей съемке кинокамерой. Большая разрешающая способность иконоскопа полностью отвечает требованиям телевидения.
В статье описываются принцип действия, характеристики и режим работы прибора.
В применении к телевидению иконоскоп заменяет механическое развертывающее устройство и несколько каскадов усиления. Система в целом является полностью электрической и не содержит ни одной движущейся механической части.
Прием изображения, осуществляется с помощью кинескопа - приемной электронно-лучевой трубки, описанной в одной из предыдущих статей.
Описываемая трубка открывает широкие возможности для ее применения во многих областях в качестве электрического глаза, чувствительного не только в видимом спектре, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
Идея наблюдения событий, происходящих на большом удалении, весьма заманчива. Создание прибора, предоставляющего человеку такую возможность, веками было мечтой изобретателей и в течение нескольких десятилетий являлось целью серьезных исследований.
Сделать эту мечту реальностью и входит в задачу телевидения. Однако такая задача очень сложна и для своего решения требует множества составных элементов, большинство из которых до последних лет не было даже известно.
Смысл вйдения на большом расстоянии можно интерпретировать как мгновенную передачу изображения на данное расстояние. Но для этого необходимы исключительно быстродействующие, безынерционные средства связи. Открытие электричества и развитие электросвязи заложили основу для будущей реализации телевидения.
Первым шагом, который обеспечил возможность преобразования изображения в электрический сигнал, явилось открытие в мае 1873 г. фотопроводимости селена. Дальнейшему продвижению вперед способствовало открытие фотоэлектрического эффекта, сделанное Герцем пятнадцатью годами позже. Последующие годы ознаменовались быстрым развитием данного направления благодаря исследованиям эффекта фотопроводимости, проведенным Гальвак- сом, Элстером, Гейтелем и другими.
О том, с каким энтузиазмом воспользовались экспериментаторы этими новыми достижениями, свидетельствует тот факт, что первое решение проблемы телевидения с помощью селенового элемента было предложено Кэри в 1875 г., т.е. спустя лишь два года после открытия свойств селена. Кэри предложил имитировать человеческий глаз мозаикой, составленной из большого числа миниатюрных селеновых элементов. Следующая попытка сконструировать подобную мозаику с небольшим числом элементов была сделана Айртоном и Перри в 1877 г. Позднее, в 1906 г., Риньо и Фурнье применили мозаику такого типа для передачи простых образов и букв. Их передатчик представлял собой "шахматную доску" из 64 селеновых элементов, каждый из которых соединялся двумя проводами с соответствующим затвором на аналогичной "шахматной доске" приемника. Изображение проецировалось на селеновые элементы, создавая в них электрические токи, которые в свою очередь управляли затворами. Задняя подсветка системы затворов позволяла воспроизводить изображение.
Идея разбиения изображения на небольшие элементы, преобразования яркости каждого из них в электрический ток и передачи этих токов по отдельным проводам сама по себе хороша, но делает систему технически сложной. Чтобы передать высококачественное изображение таким способом, потребовалось бы огромное количество пар проводов, что, разумеется, непрактично. Для упрощения этой задачи Нипков в 1884 г. предложил передавать не все элементы изображения одновременно, а точку за точкой, сканируя изображение с помощью диска. Таким образом, появлялась возможность передачи изображения по одному проводу или по одному каналу связи, что существенно упрощало задачу.
Однако введение одного лишь сканирующего диска еще не решало всей задачи, поскольку не хватало ряда других важных элементов. Почти 40 лет спустя, разработка усилительных электронных ламп для целей радиосвязи и газоразрядных ламп создала предпосылки для реализации телевидения, и рядом изобретателей была продемонстрирована передача телевизионных изображений по радио.
В последующие несколько лет развитие этого направления техники продвигалось быстрыми темпами и, несмотря на трудности, возникавшие в процессе разработок, были получены впечатляющие результаты. Практически все работы проводились с применением механических методов развертки на основе дисков Нипкова, многогранных зеркал, зеркальных винтов и т.п. Такие методы отличались сложностью чисто механического характера, связанной с конструированием прецизионных сканирующих устройств, увеличением числа элементов изображения и особенно с получением достаточной освещенности. Последнее ограничение буквально воздвигло каменную стену, которая не позволяла увеличить разрешение передаваемых изображений и тем самым добиться требуемого качества, что практически исключало всякую надежду на передачу внестудийных сцен, т.е. на достижение истинной цели телевидения.
Чтобы полностью понять причину этой трудности, следует вспомнить, что во всех обычных системах телевидения используется поточечная развертка изображения, при которой на фоточувствительный элемент воздействует свет от той или иной заданной точки лишь в течение очень короткого интервала времени, соответствующего времени освещения одного элемента изображения. Предположим, что для получения изображения высокого качества требуется 70 ООО элементов изображения. При 20 кадрах в секунду это означает, что время передачи одного элемента изображения составляет 1/1 400 000 секунды. С другой стороны, выходной сигнал фотоэлемента, поступающий на усилитель, пропорционален интенсивности света и времени, в течение которого свет воздействует на фотоэлемент. Простой расчет показывает, насколько микроскопичным будет выходной сигнал фотоэлемента при таком числе элементов изображения. Если взять обычную фотографическую камеру с относительным отверстием объектива 1:4,5, то при ярко освещенной внестудийной сцене полный световой поток, падающий на фотопластинку, составит примерно 1/10 люмена. Если фотопластинку, рассчитанную на 70 000 элементов изображения, заменить сканирующим диском и использовать фотоэлемент с чувствительностью 10 микроампер на люмен, то получим фототок от единичного элемента изображения:
Электрический заряд, создаваемый этим током за время развертки одного элемента изображения, равен
Сравнив эту величину с зарядом одного электрона е = 1,5910"19 кулона, найдем, что заряд, накопленный за время сканирования одного элемента изображения, содержит всего 63 электрона. Усиление столь малой энергии связано практически с непреодолимыми трудностями. Если мы теперь сопоставим полученные условия с условиями экспозиции фотопластинки, то увидим, что последние существенно лучше, поскольку в этом случае свет воздействует на все точки пластинки в течение всего времени экспозиции. В студийной обстановке время экспозиции достигает нескольких секунд, а при съемке внестудийных сцен составляет примерно сотую долю секунды, т.е. во много тысяч раз больше, чем в случае сканирования телевизионного изображения. При тех же благоприятных условиях работает и человеческий глаз, который по чувствительности мы считаем идеалом.
Если бы можно было создать телевизионную систему, работающую по принципу глаза, то свет от всех точек изображения воздействовал бы на фоточувствительный элемент все время. Тогда в нашем примере с изображением, состоящим из 70 ООО элементов, выходной фотоэлектрический сигнал от каждой точки был бы в 70 ООО раз больше, чем в обычной системе. Однако поскольку для передачи по одному каналу связи требуется развертка изображения, необходимы какие-то средства для накопления энергии изображения между двумя последовательными моментами сканирования каждой точки.
Автор начал работать над реализацией этой идеи несколько лет назад и нашел несколько решений данной проблемы. Одно из них состояло в использовании специальной электронно-лучевой трубки с мозаичной фоточувствительной структурой, нанесенной на изолированную металлическую пластинку, как показано на рис. 12 из патента, выданного на один из вариантов разработанной системы[17]. Каждый элемент мозаики представляет собой миниатюрный фотоэлемент. Изображение проецируется на мозаику, в результате чего происходит непрерывная эмиссия фотоэлектронов в соответствии с распределением освещенности на поверхности изображения. Заряд, накопленный каждым элементом мозаики, снимается электронным лучом один раз за каждый повторяющийся кадр изображения. Полученные импульсы усиливаются и используются для модулирования интенсивности электронного пучка в приемной трубке, изображение в которой воспроизводится на флюоресцентном экране.
Рис. 12. Передающая трубка со схемой по заявке В.К. Зворыкина 1925 года
Передающие трубки такого типа были изготовлены несколько лет назад и подтвердили правильность основной идеи. В последующие годы эта разработка продолжалась в научно-исследователь- ских лабораториях фирмы "Westinghouse Electric and Manufacturing Co.", в Восточном Питтсбурге.Один из первых успешных экспериментов по приему изображения на электронно-лучевую трубку с использованием в качестве передатчика механического гальванометра был проведен в 1929 г.[18], и его результаты были доложены на собрании Института радиоинженеров в Рочестере в ноябре 1929 г. На следующий год эта работа была передана лабораториям фирмы "RCA Victor Co.", г. Камден, где продолжалась разработка системы на основе электронно-лучевой трубки для приема изображения, сканируемого с помощью диска. Данные исследования описаны в серии статей, опубликованных в журнале "Proceedings of the IRE".
Тем временем продолжалась разработка и передающей трубки, и вскоре полученные результаты стали превосходить результаты механического сканирования, которое в конце было полностью заменено новой трубкой, названной иконоскопом (от греческих слов "икон" - изображение и "скоп" - наблюдение).
Для того чтобы уяснить принцип действия иконоскопа, лучше всего рассмотреть схему одиночного фотоэлектрического элемента мозаики, показанную на рис. 13. Буквой Р здесь обозначен сам фотоэлемент, а С- емкость по отношению к общей пластине всех элементов, которую мы будем называть "сигнальной пластиной". Всю электрическую цепь можно проследить, начиная от катода Рс к емкости С, сопротивлению /?, источнику электродвижущей силы В и кончая анодом Ра. Когда свет от спроецированного изображения падает на мозаику, каждый элемент Рс эмитирует электроны, и в результате конденсатор С положительно заряжается от энергии света, причем величина заряда зависит от интенсивности освещения. При попадании электронного луча, сканирующего мозаику, на данный элемент РсС этот элемент захватывает электроны из пучка и, можно сказать, разряжается.
Разряжающий ток от каждого элемента пропорционален положительному заряду последнего и, следовательно, пропорционален интенсивности света, падающего на этот элемент. С помощью электрической схемы ток разрядки затем преобразуется в напряжение сигнала на выходном сопротивлении R.
Если представить графически рост заряда на элементе РсС с течением времени (рис. 14), то можно увидеть, что за счет света от изображения потенциал непрерывно растет. Крутизна этого роста dv/dt зависит лишь от яркости точки изображения, освещающей данный элемент. Линейность характеристики сохраняется до момента насыщения емкости С, величина которой выбирается такой, чтобы при заданной частоте повторения разрядов N насыщение никогда не наступало. Поскольку частота развертки постоянна, интервал времени t = 1/N также постоянен, поэтому величина заряда зависит лишь от яркости данной конкретной точки изображения. При постоянной интенсивности сканирующего пучка импульс тока, текущего через сопротивление /?, и, следовательно, падение напряжения Vx на этом сопротивлении также пропорциональны яркости данной точки изображения. Потенциал V{, являющийся выходным сигналом каждого отдельного фотоэлемента иконоскопа, поступает затем на усилитель.
Рис. 13. Воздействие света на элемент иконоскопа
Рис. 14. Зависимость между повышением заряда элемента и временем
Рис. 15. Схема развертки изображения с помощью диска
Однако на деле ситуация несколько сложнее, поскольку разряжающий электронный пучок не только нейтрализует положительный заряд на фотоэлементе, но и заряжает его отрицательно. Результирующий равновесный потенциал фотоэлемента определяется скоростью электронного пучка и вторичной эмиссией фотоэмиссионного слоя под воздействием бомбардировки электронами этого пучка. Равновесное условие в темноте для типичного иконоскопа выполняется при отрицательном потенциале от 0,5 до 1,0 вольта. Свет вызывает накопление на элементе положительного заряда, снижая нормально отрицательный заряд, а сканирующий пучок вновь возвращает потенциал к равновесному значению.
Ситуация еще более усложняется из-за наличия (помимо импульсов разрядки) заряжающего тока всей мозаики, обусловленного светом. Этот ток постоянен при неподвижном изображении и меняется, если все изображение целиком (или его часть) начинает перемещаться по мозаике. Такое перемещение, однако, происходит медленно и не оказывает влияния на усилитель, имеющий частоту среза ниже 20 циклов.
Чтобы сопоставить при идентичных условиях величины выходных сигналов рассматриваемой системы и общепринятой телевизионной системы с перфорированным диском, необходимо написать уравнение для выходного сигнала иконоскопа и обычной механической системы. Типичная схема аппаратуры с механической разверткой изображена на рис. 15.
Выходное напряжение фотоэлемента, измеренное на сопротивлении R, для дискового сканера равно:
где L - световой поток, соответствующий изображению в целом, S - чувствительность фотоэлемента, п - число элементов изображения, R - входное сопротивление.
Определяя время, требуемое для формирования сигнала изображения, необходимо учитывать следующее условие: постоянная времени GR входной цепи (С - емкость фотоэлемента и связанных с ним цепей по отношению к заземлению) не должна превышать время сканирования элемента изображения 1/Nn, , где N - число кадров изображения в секунду, т.е.
откуда
Подставив этот результат в уравнение для выходного напряжения фотоэлемента, получим
Отсюда видно, что выходное напряжение обратно пропорционально квадрату числа элементов изображения.
Величина заряда на одном элементе изображения в иконоскопе приблизительно равна
где t - время, в течение которого свет падает на один элемент, примерно равное
Выходное напряжение иконоскопа
где Сх - полная входная емкость иконоскопа и связанных с ним цепей по отношению к заземлению, или
Требование равномерности, которое на первый взгляд представляется трудно выполнимым на практике, удовлетворяется благодаря естественному явлению. Известно, что такой обычный материал, как слюда, может расщепляться на тонкие пластинки, практически идеально равномерные по толщине, благодаря чему она служит прекрасным изоляционным материалом для мозаики. Сигнальная пластина изготавливается путем нанесения металлического покрытия на одну сторону слюдяной пластинки. Сама мозаика может быть изготовлена множеством способов, простейший из которых - непосредственное вакуумное напыление слоя фотоэлектрического металла на поверхность слюды. Если напыленная пленка очень тонка, то она оказывается не сплошной, а состоящей из множества мелких пятнышек, или глобул, распределенных весьма равномерно и изолированных друг от друга. Еще один возможный метод изготовления мозаики - гравировка сплошной металлической пленки с помощью гравировальной машины.
Хотя первоначально фоточувствительная мозаика создавалась путем непосредственного нанесения тонкой пленки щелочного металла на изоляционную пластину, последующее совершенствование технологии изготовления фотоэлементов привело к изменению методов формирования мозаики.
Мозаика, используемая в настоящее время, состоит из очень большого числа мелких серебряных глобул, каждая из которых сенсибилизирована цезием путем специального процесса фотосенсибилизации.
Из-за очень малой величины зарядов необходимо, чтобы изоляционные свойства и диэлектрические потери по возможности были сведены к минимуму. Высококачественная слюда прекрасно отвечает этим требованиям. Тем не менее можно применять и другие изоляционные материалы, в частности тонкие пленки из прозрачных эмалей, показавшие вполне удовлетворительные результаты. Изоляция делалась настолько тонкой, насколько позволяли обычные методы ее изготовления.
Отношение выходных напряжений иконоскопа и дискового сканера составит
или при одинаковой выходной емкости
r| = п (число элементов изображения).
Если принять, как и выше, число элементов изображения я = 70 ООО, то по сравнению с обычной телевизионной системой мозаичная система дает теоретическое значение выигрыша в 70 ООО раз. Необходимо, однако, заметить, что по ряду причин достичь 100%-ной эффективности вряд ли удастся, хотя мы уже добились эффективности 10%, при которой чистый выигрыш составляет несколько тысяч. Такое увеличение выходного сигнала изображения в несколько тысяч раз нельзя расценивать лишь как возможность уменьшения требуемого
Рис. 16. Схема иконоскопа В.К. Зворыкина
усиления. В обычной телевизионной системе мы уже повысили усиление до предела, определяемого допустимым отношением шума к сигналу изображения. Полученный выигрыш, следовательно, является единственным фактором, который позволяет осуществить реальное телевидение, если под этим термином понимать не только передачу изображения с ограниченной четкостью в искусственно создаваемых условиях, но и действительную передачу изображений с высоким разрешением при умеренных, или естественных, условиях освещения.
Приведенные расчеты не относятся к методу сканирования объекта бегущим пятном, поскольку он соответствует совершенно искусственным условиям и не может использоваться для телевизионной передачи изображений удаленных предметов.
Схема всей электрической цепи иконоскопа изображена на рис. 16. Здесь обе части фотоэлемента Р, показанного на рис. 13, полностью разделены. Катоды выполнены в виде фоточувствительной мозаики на поверхности сигнальной пластины и изолированы от нее, а анод является общим и представляет собой посеребрённый участок внутренней поверхности стеклянной колбы.
Емкость С каждого чувствительного элемента по отношению к сигнальной пластине определяется толщиной и диэлектрической проницаемостью изолирующего слоя между этими элементами и сигнальной пластиной. Положительно заряженные элементы разряжаются под воздействием электронного пучка, который создается электронной пушкой, расположенной напротив мозаики под углом 30° относительно нормали, проходящей через центр мозаики. Как мозаика, так и электронная пушка заключены в одну и ту же стеклянную колбу с высоким вакуумом. Наклонное положение пушки выбрано из конструктивных соображений для возможности проецировать изображение на поверхность мозаики.
Разрешающая способность иконоскопа определяется как размерами и числом элементов изображения на мозаике, так и сечением сканирующего электронного пучка. На практике, однако, число отдельных фотоэлементов в мозаике во много раз превышает число элементов изображения, целиком определяемое размером сканирующего пятна (рис. 8). Исходя из допущений, принятых при анализе идеального случая тока отдельных элементов, показанных на рис. 13, можно задать требования к мозаике иконоскопа. Согласно этим допущениям, все элементы должны иметь одинаковые размеры и чувствительность, а также одинаковую емкость по отношению к сигнальной пластине. Поскольку считывающее пятно значительно больше отдельного элемента, данное требование упрощается: усредненные распределения числа удельной чувствительности и удельной емкости элементов в пределах площади мозаики, соответствующей размерам сканирующего пятна, должны быть равномерными. Это позволяет существенно смягчить допуск на размеры отдельного элемента.
При этом чувствительность получается того же порядка, что и у соответствующих высоковакуумных оксидно-цезиевых фотоэлементов. То же можно сказать и о спектральной характеристике (рис. 17). Срез характеристики в голубой части спектра обусловлен поглощением в стекле. Фактическая цветовая чувствительность самих фотоэлементов показана пунктирной кривой.
Характеристики иконоскопа весьма существенно зависят от электронной пушки, создающей пучок электронов. Поскольку разрешающая способность определяется размерами пятна, пушка должна рассчитываться на достижение его размера, точно соответствующего числу элементов изображения, на которое рассчитан иконоскоп. Для рассмотренного примера с числом элементов 70 ООО при высоте мозаичной пластины 4 дюйма (101,6 мм) расстояние между соседними строками составляет 0,016 дюйма (0,42 мм), а диаметр пятна, образуемого электронным пучком, приблизительно равен половине этой величины. Поэтому проблема конструирования электронной пушки оказывается довольно серьезной.
Используемая для данной цели электронная пушка очень похожа на пушку приемной электронно-лучевой телевизионной трубки (кинескопа), уже описанной в нескольких статьях[19]. Компоненты пушки показаны на рис. 18. Она содержит катод косвенного накала С, эмитирующая поверхность которого находится на торце катодного цилиндра. Катод расположен перед диафрагмой D управляющего элемента G. Анод Ах представляет собой длинный цилиндр с тремя диафрагмами, размещенными на одной оси с катодом и управляющим элементом. Пушка смонтирована в узкой длинной стеклянной горловине, соединенной со сферической колбой, где находится мозаичный экран.
Рис. 17. Спектральная чувствительность фотоэлементов
Рис. 18. Электронная пушка иконоскопа
Внутренняя поверхность горловины и части колбы металлизирована и служит вторым анодом пушки, а также коллектором фотоэлектронов от мозаики. Первый анод обычно работает при напряжении, составляющем некоторую долю напряжения второго анода, равного 1000 вольт.
Рис. 19. Распределение эквипотенциальных линий электростатического поля
Рис. 20. Внешний вид иконоскопа
Фокусировка электронного пучка осуществляется электростатическим полем между элементами пушки, а также между самой пушкой и вторым анодом. Распределение эквипотенциальных линий электростатического поля приведено на рис. 19. Теория электростатической фокусировки для пушки такого типа уже описана автором[20]. Вкратце можно сказать, что надлежащим образом сформированное электростатическое поле действует на движущиеся электроны так же, как линза на пучок света.
Рис. 21. Результирующее движение электронного пятна
Действие поля в пушке иконоскопа примерно эквивалентно действию составной линзы из четырех компонентов - двух положительных и двух отрицательных. Оптический аналог изображен на том же рисунке. Внешний вид реального иконоскопа показан на рис. 20. Полная длина данной конкретной модели составляет 18 дюймов (457 мм), а диаметр сферы - 8 дюймов (216 мм).
Отклонение электронного пучка для сканирования мозаики достигается магнитным полем. Отклоняющие катушки расположены в обойме, которая может перемещаться вдоль горловины иконоскопа. Развертка линейна как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости и осуществляется пропусканием через отклоняющие катушки электрических импульсов пилообразной формы, генерируемых специальными ламповыми генераторами. Результирующая форма пути сканирующего электронного пятна в зависимости от времени представлена на рис. 21. Схемы упомянутых генераторов и методы их синхронизации описаны в серии статей, опубликованных в "Proceedings IRE"[21].
Поскольку иконоскоп представляет собой практически автономный передающий блок, на его основе можно создать весьма компактную камеру, содержащую помимо иконоскопа пару усилительных каскадов, соединенных с главным усилителем и блоками отклонения с помощью длинного кабеля.
Рис. 22. Передающая камера с иконоскопом
Портативность камеры позволяет переносить ее в любое нужное для телевизионной передачи место. Фотография такой камеры приведена на рис. 22.
Изображения, передаваемые иконоскопом, принимаются приемной электронно-лучевой трубкой - кинескопом (рис. 23), описанной в опубликованных ранее статьях автора3.
Полная блок-схема аппаратуры на передающем и приемном концах системе изображена на рис. 24.
Основная особенность данной схемы, как видно из рисунка, - отсутствие каких бы то ни было движущихся механических частей и передача изображения чисто электронными средствами.
Рис. 23. Кинескоп
Рис. 24. Схема телевизионного передатчика и приемника
Из спектральной характеристики, представленной на рис. 17, следует, что иконоскоп можно применять для передачи не только изображений в видимом свете, но и невидимых глазом изображений при освещении ультрафиолетовым или инфракрасным излучением.
Чувствительность иконоскопа в настоящее время приблизительно равна чувствительности фотографической пленки при выдержке, соответствующей съемке кинокамерой с такой же оптической системой. Собственная разрешающая способность прибора выше, чем требуется для передачи изображений с числом элементов 70 ООО. Некоторые образцы изготовленных трубок пригодны для передачи с четкостью до 500 строк и имеют достаточные возможности для их дальнейшего совершенствования.
Описанные возможности созданного прибора открывают новые перспективы для высококачественного телевидения. Кроме того, такие трубки могут иметь широкий диапазон применений во многих областях для замены визуальных наблюдений или для наблюдения явлений, которые в настоящее время совершенно недоступны человеческому глазу, как в случае ультрафиолетового микроскопа.
Патент США № 1.691.324. Выдан 13 ноября 1928 г. Заявка от 13 июля 1925 г.
V.K. Zworykin. Radio Engyneering. 1929. December.
V.K. Zworykin. Radio Engyneering. 1929. December; V.K. Zworykin. Journ. Franklin Inst. 1933. May.
V.K. Zworykin. Journ. Frankl. Inst. 1933. May.
V.K. Zworykin. Ргос. IRE. 1933. Vol. 21. December. P. 1631-1706.