Дисектор. Иконоскоп. Супериконоскоп (видео)

Както е известно от историята на техниката, през 1930-те г. започват редовни телевизионни излъчвания във Великобритания, САЩ и Германия. Всички те, разбира се, предлагат черно-бяло изображение. Едно от нововъведенията при отразяването на Олимпиадата от 1936 г. в Мюнхен е телевизионната камера Olympia-Kanone с електронна развивка на изображението на 180 реда. Тази камера, разбира се, е електронна; при нея механичният диск на Нипков (http://nauka.offnews.bg/news/Tehnologii_7/Mehanichna-televiziia_10377.html) вече е превъзмогнат.

Като се използват особеностите на човешкото око и фотоелектрическият ефект, може да се построи сръвнително лесно система за предаване и приемане на образи на разстояние. За тази цел светлинният образ трябва първоначално да се превърне в еквивалентен "електричен образ".

Но как работят тези устройства, какво съдържат, как се осъществява предаването на телевизионното изображение? Това се постига с помощта на фотоелектрически преобразувател, електроннолъчева предавателна тръба или, както е известно в ,,нашата литература“ от периода – телевизионна снимачна тръба.

Предаване на образи

Опростената блокова схема на телевизионен предавател, както и на цялата телевизионна система с използване на електроннолъчеви тръби, е показана на долната фигура. Обективът създава оптически образ на предавания обект върху мозайката на предавателната тръба. В нея се извършва преобразуването на оптическия образ в електронен. Заедно с това чрез електронния лъч на тръбата се получава разлагане на образа. От снимачната тръба се получават сигнали, съответстващи на образа, които се усилват от специален усилвател — видеоусилвател. В устройството, наречено синхрогенератор, се създават синхронизиращи импулси и гасящи сигнали, които се смесват със сигнала на образа във видеоусилвателя и се получава комплектен телевизионен сигнал. С комплектния сигнал се модулира високочестотно трептене, което след мощно усилване се излъчва в пространството чрез телевизионната предавателна антена. От синхрогенератора се командват и отклонителните генератори за лъча на снимачната тръба. Заедно с предаването на сигнали за образа се предава и звуков съпровод. То се извършва по отделен канал. Носещата честота за звука е обикновено близка до тази за образа, за да могат и двете да се приемат с една и съща приемна антена. Предавателят за звука не се различава по принцип от тези, които се използват в радиопредаването.

Опростена блокова схема на телевизионен предавател

В мястото на приемането сигналите на образа и звука се приемат и усилват по висока честота едновременно, след което се разделят. Сигналът на образа или видеосигналът след усилване се подава към приемната тръба (кинескоп), която го преобразува в оптическо изображение.

В историята на телевизията са предлагани и експлоатирани няколко електроннолъчеви предавателни тръби като описаната по-горе. Те са различни по вид и устройство. Могат да бъдат без натрупване на електрически заряди (каквато е напр. дисекторът) и с натрупване (иконоскопът и последвалите го). Могат да имат външен фотоефект (напр. иконоскоп, супериконоскоп... ), както и вътрешен (някои други).

В два поредни материала ще се запознаем с историята на теливизионните предавателни тръби.

Дисектор

Хронологически първата такава тръба е дисекторът (от лат. dissector – този, който разделя, разсича). Той реобразува оптичното изображение в поредица от електрически сигнали и също работи на основата на външния фотоефект. Първите работещи образци на дисектор са представени от американския изобретател Фило Фърнсуорт (Philo Taylor Farnsworth) през 1931 г., а през 1934 г. той разработва дисектор, обединен в един корпус с вторичен електронен умножител. Тази тръба има ниска чувствителност.

Тя представлява един стъклен цилиндричен балон, от който е изчерпан въздухът. На единия край е разположен полупрозрачният фотокатод. Последният най-често се нанася от вътрешната страна на предната плоска част на тръбата. С помощта на система обективи върху този фотокатод се проектира изображението на предавания обект.

Под действието на падащата светлина фотокатодът излъчва електрони (фотоелектрически ефект) навътре в тръбата, при което броят на излъчените от всеки участък на повърхността електрони е пропорционален на светлинния поток, който пада върху този участък. Под влиянието на ускоряващото електрическо поле, което се създава от батерията 2, излитащите електрони във вид на паралелни "лъчи" се насочват към противоположния край на тръбата, където се намира анодна пластинка с малко отвърстие. Зад него е разположен колекторът 3. С помощта иа магнитно поле, създавано от разположените върху тръбата отклоняващи бобини 4, електронният поток се премества едновременно в хоризонтално и вертикално направление. При това преместване електроните, които се излъчват от различните елементарни участъци на фотокатода, последователно, попадат през анодното отвърстие върху колектора и създават токови импулси, които от своя страна дават върху съпротивлението 5 импулси на напрежение, пропорционални на осветеността на съответните участъци на фотокатода.

Принципно устройство на дисектор

Ниската чувствителност на дисектора се дължи на факта, че тук се използва принципът на последователното действие на отделните елементи на светлочувствителнага повърхност, върху които се проектира предаваното изображение. При този способ се получава, нищожно използване на светлинния поток на предаваното изображение. Така например, ако разгъването разлага изображението на N на брой последователно предавани елементи, всеки елемент на светлочувствителната повърхност работи само в течение на част от периода на разгъването; в останалото време светлинният поток, който пада върху този елемент, не се използва.

А ето в това интересно видео можете да видите две дисекторни предавателни тръби и иконоскоп - всички представени от един забележителен колекционер, работещ под псевдонима LabGuy.

Иконоскоп

По-късно конструкторите стигат до идеята да се изостави принципът на последователното действие и да се възприеме този на натрупване на зарядите.

Иконоскопът е първата видеопредавателна тръба, използвана в ранните телевизионни камери. Той произвеждал много по-силен сигнал от по-ранните механични дизайни и можел да се използва във всякаква добре осветена среда. Това била първата напълно електронна система, успяла да заеме мястото на ранните камери, използващи специални прожектори или въртящи се дискове за да поемат светлина от едно единствено добре осветено петно. Споменатата по-горе германска телевизионна камера Olympia-Kanone от средата на 30-те г. също съдържа иконоскоп в себе си.

История. Идеята, че проблемът за ниската светлочувствителност може да бъде решен с въвеждане на принципа на натрупване на зарядите, е използвана от унгарския инженер Калман Тихани (Kálmán Tihanyi), като неговото решение е камерна тръба, която натрупва и съхранява фотоелектрони в рамките на всеки цикъл на сканиране. Устройството е описано за първи път в негов патент за телевизионна система, наречена Radioskop. Той е подаден в Унгария през 1926 г. През 1930 г. във Великобритания патентът бил обявен за нищожен и изобретателят кандидатствал в САЩ.

Калман Тихани (1897 - 1947)

През 1931 г. по случаен начин до принципите на иконоскопа достигнал американсикя техник Санфорд Есиг (Sanford Essig), който случайно забравил парче посребрена слюда в пещ твърде дълго време. След като го извадил и го изследвал с микроскоп, той забелязал, че сребърният слой бил разделен на безброй мимиатюрни сребърни зрънца. Тогава си дал сметка, че малкият размер на сребърните зрънца ще повиши в немалка степен разделителната способност на устройство за предаване на изображения, съдържащо електроннолъчева тръба с такава слюдена "мозайка". Есиг обаче не се съсредоточил в бъдещи разработки в тази област.

За изобретател на иконоскопа се смята руският учен Владимир Зворикин (1888-1982), който по това време работи в САЩ за Radio Corporation of America. Всъщност Зворикин е етнически руснак, но време на Гражданската война в Русия решава да емигрира в САЩ, и през 1918 година напуска Русия през Сибир и после преминава през Арктика. След кратко завръщане за служба при белогвардейците през 1919, Зворикин отново заминава за САЩ и окончателно се установява там.

Владимир Зворикин и неговата иконоскопна тръба – изображение в списание от 1950

Първите опити в областта на електровакуумната техника били проведени от Зворикин още през 1911 г. в Петербургския технологичен институт под ръководството на Борис Розинг – друг известен изобретател в тази сфера. Вече в САЩ, през 1923 г. Зворикин представя пред генералния мениджър на Westinghouse Electric Corporation свой проект за изцяло електронизирана телевизионна система. Първото изображение с нея е предадено в късното лято на 1925 г., а на 13 юли 1925 г. той подава заявка и през 1928 г. получава за нея US патент № 1 691 324, в който присъства именно иконоскопът. Независимо от това обаче качеството на предадения образ не се харесва на Х. П. Дейвис (генералния мениджър) и той посъветва Зворикин "да се занимава с нещо по-полезно". Заявка за патент за телевизионна система е бил подадена от изобретателя още през 1923 г., но този документ не е надежден библиографски източник, тъй като в периода между подаването и издаването на патента работата продължава и са направени редица промени, а накрая патентът е разделен между други два, издадени 1931 и 1938 г. съответно. Отделно, Зворикин има и патент за "метод и апарат за създаване на изображения на обекти", издаден на 13 ноември 1931 г. – конкретно за самия иконоскоп.

В по-старата руска техническа литература може да се срещне широко разпространеното твърдение, че изобретател на иконоскопа е руският физик Семьон Катаев, който на 24 септември 1931 г. е подал заявка за авторско свидетелство № 29865 за "устройство за предаване на движещи се изображения". Независимо от по-ранната дата на заявката обаче, днес за изобретател на иконоскопа се приема Зворикин, защото в неговите патенти за цялостна телевизионна система присъства и иконоскопът, който ученият решава да патентова отделно едва през 1931 г., но тази тръба присъства в неговите патентни документи от предишното десетилетие. Зворикин става ръководител на изследователската група по въпросите на телевизията в RCA, а след издаването на технически и спецификационни документи за иконоскопа през 1933 г. германската компания Telefunken купува правата за иконоскопната камера и на този принцип построява споменатата по-горе камера, използвана в историческото предаване на Олимпиадата в Берлин през 1936 г.

Американски иконоскоп от 1938

Катаев обаче е човек, който също има интересни идеи. През 1950-те г. предлага проект за спътникова телевизия, като в качеството на пасивен ретранслатор предвиждал да се използва Луната. Отношенията му с неговия руско-американски колега въобще не били обтегнати. След 1936 г. Катаев на няколко пъти отива в САЩ; той подарява на Зворикин излязлата си през тази година книга "Електроннолъчеви тръби". Той дълбоко уважавал и с удоволствие разговарял с човека, с когото работели за осъществяването на една идея.

Устройство. Иконоскопът представлява електровакуумна стъклена колба, в която е закрепена светлочувствителна мишена, на която чрез обектив се проектира изображение. Към колбата под ъгъл е монтирана електроннолъчева пушка, разположена отстрани или по-долу спрямо обектива. Присъства и отклонителна и фокусираща система за електронния лъч.

Схематично изображение на иконоскоп

Мишената се състои от много тънка пластина от изолатор (обикновено слюда) и нанесени от двете страни покрития. Откъм светлочувствителната страна то е от различни по големина сребърни капки (с диаметър от порядъка на десетки микрони), които са покрити с цезий за увеличение на чувствителността. От другата страна има чисто тънко сребърно покритие, от което се снема изходният сигнал. Тази система се нарича фотомозайка.

При осветяването на мишената под действието на фотоефекта сребърните капки получават положителен заряд, пропорционален на осветеността. Електроните биват изхвърлени от мишената. След това, при сканирането й с електронен лъч, капките се зареждат с потенциал, независещ от осветеността.

Всяко сребърно зрънце образува със сигналния електрод един елементарен кондензатор. Когато върху изолираното зрънце пада светлина, от него се отделят електрони, а това значи, че върху кондензатора ще започне да се натрупва електрически заряд. Анодът, който ги привлича, се изработва като вътрешно метално покритие на стъкления балон и играе ролята на колектор. По такъв начин на светлинното изображение, което с помощта на обектива се проектира върху мозайката, съответства някакво електрическо изображение, съставено от зарядите на милиони малки кондензатори. На по-ярките точки в изображението отговарят по-големи заряди в кондензаторите.

Недостатъци. Тази картина обаче не е съвсем идеална. В действителност само една малка част от фотоелектроните достигат колектора. По-голямата част, вследствие недостатъчната интензивност на полето на колектора, образуват около повърхността на мозайката отрицателен обемен заряд, който в значителна степен възпрепятства по-нататъшното отделяне на електрони. Обикновено фототокът на мозайката е около пет пъти по-малък от тока на насищане. Електроните от снопа, които бомбардират мозайката, се движат с висока скорост (напрежението на колектора е от порядъка на 1000 V), тъй че коефициентът на вторичната емисия е по-голям от 1. Само около 1/4 от тях обаче достигат колектора. Останалите 3/4 попадат върху съседните участъци на мозайката и намаляват техния потенциал. Pеалната чувствителност на иконоскопа е около 20 пъти по-ниска в сравнение с теоретичната. Ниска чувствителност – поради използването на външен фотоефект и попадане на части от светлинния поток върху нечувствителни участъци за получаване на качествено изображение е необходима осветеност от около 10 000 лукса.

Друг сериозен недостатък на иконоскопа е наличността на така нареченото черно петно, което влошава изображението. По-голямата част от вторичните електрони се връщат обратно върху мозайката. Поради това че колекторът е разположен по-близо до края на мозайката, отколкото до средата й, по-голямата част от връщащите се обратно върху мишената електрони попадат около центъра на мишената. Това натрупване на електрони в средата е равностойно на намаляване на осветеността в центъра на мозайката. Върху приемния екран то се проявява като затъмнение на централната част на изображението.
За намаление на този вреден ефект са били разработени специални коригиращи сигнали, които се създават в телевизионния предавател.

Още един недостатък на иконоскопа е геометрическото изкривяване на изображението, дължащо се на наклона, под който електронният лъч пада върху мозайката:

Горните редове на мозайката се намират на по-голямо, а долните на по-малко разстояние от електронния прожектор, поради което при еднакво ъглово отклонение горните редове ще бъдат по-големи от долните и изображението (растерът) получава формата на трапец. По тази причина горното явление се нарича трапецоидален ефект. Компенсацията на трапецоидалния ефект се постига чрез увеличение на амплитудата на хоризонтално отклоняващия трионообразен ток при описване на долните редове:

Все пак, независимо от всичко това, иконоскопът е приборът, позволил за пръв път да се осъществи напълно електронизирано телевизионно предаване, без никакви механични развъртащи елементи. Той позволил количеството на елементите в изображението да се увеличи стотици пъти (от 30 × 40 до 300 × 400, а по-късно и 1000× 1000 елемента).

Супериконоскоп

Ефективно повишение на чувствителността може да се получи в предложения по-късно иконоскоп с пренасяне на изображението (супериконоскоп). В него е осъществено разделяне на функциите фотоелектронно преобразуване и натрупване на зарядите. В тази лампа изображението се проектира не върху мозайка, а върху полупрозрачен твърд плътен фотокатод, разположен на вътрешната страна на пред¬ната плоска част на колбата (фигурата по-долу). На другия край на колбата е поместена една мишена, която представлява тънка (слюдена, диелектрична или стъклена) полупроводникова плоча, с възможно по-толям коефициент на вторичната емисия. От другата страна на мишената, както и в иконоскопа, има тънка металическа плочка (сигнален електрод). В тясното цилиндрично гърло иа колбата е разположен обикновен електронен прожектор, излъчващ поток бързи електрони. Вътрешната страна на колбата е покрита с проводящ слой, който служи за колектор на електроните. Фокусировката на електронния сноп и на неговото отклонение във вертикална и хоризонтална посока се осъществява благодарение на магнитните полета на няколко бобини, разположени в гърлото, в което е поместен електронният прожектор.

Върху повърхността на полупрозрачния фотокатод с помощта на обектив се проектира предаваното изображение и фотокатодът емитира електрони навътре в тръбата, при което количеството излъчени от всеки участък електрони е пропорционално на светлинния поток, падащ върху този участък. По такъв начин се получава т. н. електронно изображение, което се пренася върху мишената с помощта на силното ускоряващо електрическо поле, създадено от приложеното между фотокатода и колектора напрежение. За избягване на разфокусирането на електронното изображение то се подлага на действието на постоянно магнитно поле, образувано от една бобина, разположена върху цилиндричната част на колбата, близо до фотокатода. Наличността на това равномерно магнитно поле води до факта, че плътността на електроните във всяка точка на кое и да е сечение паралелно на мишената точно съответствува на плътността, с която електроните напускат фотокатода, т. е. разпределението на плътността на електроните възпроизвежда разпределението на осветеността на предаваното изображение.

Удряйки се с голяма скорост в мишената, всеки фотоелектрон избива няколко вторични електрони и върху мишената се образува потенциален релеф, съответствуващ на разпределението на осветеността на предаваната сцена. На по-светлите участъци съответствуват по-положителни потенциали на мишената.

По-нататък действието на лампата е аналогично на действието на иконоскопа. Електронният сноп, излъчен от електронния прожектор, довежда потенциала на мишената до определено постоянно значение, а вторично-емисионният ток се оказва модулиран от потенциалния релеф. Онази част от вторичните електрони, които попадат върху колектора, образува сигналния ток. Напрежението между фотокатода и колектора е няколкостотин волта, при което се получава наситена фотоелектронна емисия.
Голямо преимущество на супериконоскопа пред иконоскопа е наличието на силното ускоряващо поле на колектора, благодарение на което се стига до насищане на фототока, а също и значителното увеличение на електрическите заряди върху ми- шената за сметка на вторичната емисия. Освен това чувствителността на мишената на плътния полупрозрачен катод на иконоскопа е няколко пъти по-голяма от чувствителността на мозаичния фотокатод. В резултат на това чувствителността на супериконоскопа е около 10 пъти по-голяма от тази на обикновения иконоскоп. Също така в супериконоскопа ефектът на черното петно се проявява в по-малка степен.

Антон Оруш, Sandacite.bg

Източници:
Camera Tubes - http://www.earlytelevision.org/1850_iconoscope.html
Iconoscope - https://en.wikipedia.org/wiki/Iconoscope
Kalman Tihanyi’s 1926 Patent Application "Radioskop" - http://www.unesco.org/new/en/communication-and-information/flagship-project-activities/memory-of-the-world/register/full-list-of-registered-heritage/registered-heritage-page-4/kalman-tihanyis-1926-patent-application-radioskop/
Method of and apparatus for producing images of objects - https://patents.google.com/patent/US2021907A/en
Rambling about various antique television camera tubes! - https://www.youtube.com/watch?v=aQDvVPZnb84
Unknown Optical tube - http://www.radiomuseum.org/forum/unknown_optical_tube.html
US 1691324 A - https://www.google.com/patents/US1691324?hl=bg
US 2022450 A - https://www.google.com/patents/US2022450?hl=bg
US 2141059 A - https://www.google.com/patents/US2141059?hl=bg
Vladimir K. Zworykin - https://en.wikipedia.org/wiki/Vladimir_K._Zworykin
Диссектор или иконоскоп? - http://www.dvdexpert.ru/dissektor_ili_ikonoskop.html
Иконоскоп - https://ru.wikipedia.org/wiki/Иконоскоп
Радиоглаз Катаева и иконоскоп Зворыкина - http://alternathistory.com/radioglaz-kataeva-i-ikonoskop-zvorykina

Марангозов, И., А. Ангелов. Телевизионна техника. София, 1958