close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

astratov babenko

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. С. Бабенко, О. С. Астратов
Физические основы
телевидения
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2009
УДК 621.397.13
ББК 32.94
Б12
Рецензенты
АО «Трактъ» кандидат технических наук, Н.Е.Матвеев;
кафедра автоматики и процессов управления СПб ГЭТУ (ЛЭТИ);
кандидат технических наук доцент И. И. Канатов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Бабенко В. С., Астратов О. С.
Б12 Физические основы телевидения: учеб. пособие / В. С. Бабенко,
О. С. Астратов. – СПб.: ГУАП, 2009. – 128 с.
В пособии рассматривается широкий круг вопросов, связанных
с физическими основами телевидения. В частности, рассмотрены
принципы телевизионной передачи, особенности зрительного восприятия, параметры телевизионных систем, качество телевизионных изображений, телевизионные преобразовательные приборы,
принципы цветного телевидения. При изложении материала учтен
современный уровень развития телевидения.
Пособие в первую очередь предназначено для студентов заочного факультета по направлению «Радиотехника», но также будет полезно и студентам очной формы обучения.
УДК 621.397.13
ББК 32.94
© ГУАП, 2009
© В. С. Бабенко,
О. С. Астратов, 2009
Предисловие
Настоящее пособие по физическим основам телевидения предназначено для студентов ГУАП всех форм обучения, специализирующихся в области радиоэлектронной техники. Необходимость
издания этого пособия вызвана тем, что к настоящему времени
уже издано немало учебников и пособий по телевидению, в которых достаточно фундаментально рассматривается широкий круг
вопросов телевидения и телевизионной техники, но, имея в виду
уровень знаний студентов, впервые сталкивающихся с этой областью техники, пользование ими затруднительно. Особенно это относится к студентам вечерней и заочной форм обучения. Каковы
недостатки изданных к настоящему времени учебных пособий по
телевидению?
Прежде всего, это значительный объем книг, изначально психологически отпугивающий студентов: «Такой толстый учебник,
разве я его осилю?» Это вызвано чрезмерной перегрузкой учебников описанием частностей и несущественных деталей, что не
только увеличивает объем книги, но и нередко скрывает суть.
Студентам, впервые знакомящимся с телевидением, очень трудно
отделить главное от второстепенного.
Еще одна особенность, затрудняющая усвоение материала —
это чрезмерная перегруженность сложными математическими
выражениями. Правильность, строгость и даже полезность этих
выражений не вызывает сомнений. Но при первоначальном освоении курса телевидения многие из представленных соотношений
не только сложны для запоминания, но и, в какой-то мере, маскируют сущность явлений. Как говорится, за сухими математическими «деревьями», не видно сущности описываемых процессов.
И еще одно замечание. Во многих учебниках отсутствуют или
нечетко представлены определения и толкования основных понятий и терминов. В частности, это относится к таким основополагающим терминам, как «телевидение», «телевизионная система»,
«телевизор» и др. Авторы, по-видимому, полагают эти понятия само собой разумеющимися и не требующими пояснений. Но это не
вполне корректно. Студенты должны четко выражать свои мысли. В настоящем пособии эти ограничения, в основном, устранены. Материалы по основам телевидения представлены в сжатой,
доступной и, в тоже время, достаточно строгой форме. Приведены
четкие определения и толкования основных терминов и понятий.
3
Основной упор сделан на изложении основополагающих принципов телевидения в несколько «идеализированном» виде, без учета
побочных и второстепенных факторов. Эти факторы лишь упоминаются с пояснением их сущности. Предполагается, что студенты
при желании углубить свои знания в области телевидения могут
обратиться к более фундаментальным учебникам.
4
Введение
В настоящее время практически трудно найти область общественной деятельности, где бы человеку не приходилось сталкиваться в той или иной форме с телевидением. Телевидение стало
неотъемлемым компонентом современного общества, важным
фактором научно-технического прогресса. Неуклонно возрастает
роль телевидения как эффективного средства массового воздействия на общество. Расширяется область применения телевидения и телевизионных методов в различных сферах деятельности
человека.
Научная и техническая база телевидения в последние годы
возросла. Это подтверждается: значительным ростом накопленных знаний в области телевидения; влиянием на телевидение результатов прогресса радиоэлектроники, кибернетики, вычислительной техники и других смежных научных областей; возрастающим объемом и качеством технических средств телевидения;
ростом промышленного производства телевизионной аппаратуры
и т. д. Уже сейчас телевидение не только конкурирует с другими
средствами передачи информации, но и в ряде случаев занимает
доминирующее положение. Все больший удельный вес приобретает телевидение как средство автоматизации производственных
процессов и научных исследований, как обучающее средство и
т. д.
Краткая история развития телевидения. Телевидение в современном его виде было создано в результате длительных усилий
ученых многих стран. Отметим наиболее важные этапы развитая
телевидения.
В 1875 г. Дж. Кэри (США) предложил систему электрической
передачи изображений на основе принципа дискретизации, в
1879 г. Де Пайва (Португалия) — использование для передачи
изображений по одному каналу связи принципа развертки. В
1879 г. Перозино (Италия), в 1880 г. П. И. Бахметьев (Россия), в
1881 г. Ш. Бидуэлл (Англия) и Сенлека (Франция) разработали
проекты различных модификаций систем передачи изображений
методом развертки. П. Нипков (Германия) в 1884 г. предложил
практический метод реализации принципа развертки с помощью
вращающегося сканирующего диска.
В 1888 г. А. Г. Столетов (Россия) обосновал основные законы
внешнего фотоэффекта, широко используемого в телевизионных
устройствах. В 1895 г. А. С. Попов (Россия) изобрел радио, кото5
рое впоследствии было использовано для передачи телевизионных изображений на расстояние. В 1907 г. Б. Л. Розинг (Россия)
предложил использовать электроннолучевую трубку для воспроизведения изображения, а в 1911 г. Кемпбелл Свинтон (США) —
для образования видеосигналов.
В 1925 г. А. А. Чернышев (СССР) предложил использовать в
телевидении принцип фотопроводимости (реализованный в дальнейшем в трубке видикон), в 1928 г. Г. Дженкинс (США) — принцип накопления зарядов, существенно повысивший чувствительность телевизионных передающих устройств. А. Б. Константинов
(СССР) в 1930 г. разработал первый проект телевизионной передающей трубки с накоплением зарядов. В 1931 г. С. И. Катаев
(СССР) и независимо от него В. К. Зворыкин (США) предложили
передающую трубку, получившую впоследствии название иконоскоп. П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев (СССР) в 1933 г. разработали
проект передающей трубки, явившейся прототипом супериконоскопа.
Г. В. Брауде (СССР) в 1938 г. предложил использовать двустороннюю мишень, которая легла в основу передающей трубки типа
суперортикон. В 1925 г. И. А. Адамиан (СССР) разработал проект
первой системы цветного телевидения, основанной на последовательной во времени передаче изображений в основных цветах. В
1928 г. Д. Бэрд (Англия) продемонстрировал телевизионную передачу цветных изображений.
Таким образом, к середине 30-х годов были разработаны основные методы и устройства, для электронного телевидения. В последующие годы основные идеи телевидения интенсивно разрабатывались во многих странах — СССР, США, Англии, Франции
и др.
Усилия ученых и инженеров были направлены в основном на
создание теоретических основ телевидения, разработку более совершенных передающих и воспроизводящих телевизионных
устройств, новых методов и схем формирования и передачи сигналов изображений, расширение областей практического применения телевизионных систем и т. д.
6
1. Принципы телевизионной передачи
1.1. Особенности телевизионного метода
передачи информации
Телевидение — это передача на расстояние информации, представленной в форме оптических изображений движущихся объектов, с помощью электрических сигналов. Совокупность технических средств, позволяющих реализовать передачу информации методом телевидении, называется телевизионной системой
(ТВС).
Из приведенного выше определения телевидения следуют следующие свойства ТВС;
информация на входе и выходе представлена в виде оптических изображений;
эти изображения могут быть движущимися, т. е. меняющимися во времени;
при передаче используется принцип преобразования вида
энергии носителя информации;
для передачи информации используются электрические сигналы;
передача информации производится на расстояние.
ТВС является одной из разновидностей так называемых изображающих систем — систем, осуществляющих передачу и обработку информации в виде оптических изображений.
Интересно сопоставить телевизионные системы с изображающими системами (ИС) других типов с точки зрения реализации в
них указанных выше свойств. Сравнительные данные приведены
в табл. 1.1, где приняты следующие обозначения: ОС — оптичеТаблица 1.1
Характеристические признаки
ОС
ФС
КФС
ЦФА
ФТЛГ
ТВС
Сообщение представлено в
форме оптических изображений
Возможна передача изображений движущихся объектов
Используется принцип преобразования формы энергии
Используются электрические
сигналы
Передача на расстояние
+
+
+
–
+
+
+
–
+
–
–
+
–
+
+
+
+
+
–
–
–
+
+
+
+
+
+
–
+
+
7
ская система, ФС — фотографическая система, КФС — кинематографическая система, ФТЛГ — фототелеграф, ЦФА — цифровой фотоаппарат.
Здесь наличие в той или иной системе того или иного свойства
обозначается знаком «плюс», а его отсутствие — знаком «минус».
Можно видеть, что ТВС является единственной системой, в которой реализуются все указанные выше свойства. И поэтому является наиболее совершенной. Но, как правило, ТВС сложнее всех
остальных систем. Может возникнуть вопрос, если все задачи
по передаче оптических изображений можно решать с помощью
ТВС, то почему существуют другие ИС. Ответ прост. Когда от ИС
не требуется выполнения всех указанных выше свойств, целесообразно использовать другие, более простые ИС.
Преимущества телевизионного метода передачи информации
сводятся к следующему:
– в телевидении передаваемые сообщения воспринимаются
зрительной системой, обладающей наибольшей из всех органов
чувств человека пропускной способностью. В результате возможна одновременная передача большого количества информации;
– в отличие от других информационных систем с визуальной
регистрацией процессов (например, с выходом на стрелочные
приборы и индикаторы) в телевидении информация передается в
форме изображений реальных объектов, т. е. в привычной для человека форме, и ее обработка занимает минимальное время;
– использование для передачи сигналов электрического канала позволяет сравнительно просто разнести передающую
и приемную части системы. Это дает возможность наблюдать
за объектами, находящимися на значительных расстояниях, в
труднодоступных для непосредственного наблюдения местах, в
неблагоприятных для человека окружающих условиях и т. п.;
– использование принципа преобразования световой энергии в электрическую позволяет увеличивать яркость и преобразовывать спектральный состав излучений, образующих
изображение. Это дает возможность наблюдать слабоосвещенные
или освещенные невидимыми лучами объекты. Простота управления параметрами электрического канала связи дает возможность построить системы, которые не только переносят изображения в пространстве, но и выполняют над ними другие операции:
увеличивают размеры без уменьшения яркости, осуществляют
геометрические преобразования, образуют комбинированные
изображения и т. д.
8
1.2. Основные процессы при телевизионной передаче
Обобщенная схема телевизионной передачи показана на рис. 1.1.
Объекты телевизионной передачи (ОТП) посылают в сторону телевизионной системы свет, образуя на ее входе оптическое изображение. В телевизионной системе входное оптическое изображение с помощью оптикоэлектрического преобразователя (ОЭП)
преобразуется в электрический сигнал изображения (видеосигнал), который передается по электрическому каналу связи (ЭК)
и затем с помощью злектрооптического преобразователя (ЭОП)
преобразуется в выходное оптическое изображение. Выходное
оптическое изображение воспринимается наблюдателем (Н) или
заменяющим его устройством.
Во внешних звеньях схемы телевизионной передачи (от ОТП
до ОЭП и от ЭОП до Н) переносчиком информации служит свет, во
внутренних звеньях (от ОЭП до ЭОП) — электрическая энергия.
Математическое описание телевизионной передачи. Объекты
телевизионной передачи в общем случае расположены в трехмерном пространстве. Каждая точка объекта характеризуется определенной яркостью и цветом. При движении объектов и изменении условий освещения меняется характер распределения яркости и цвета точек поверхности объектов во времени. Поэтому математическая модель объектов представляет собой многомерную
функцию пространственно-временного распределения яркости В,
цветового тона λ и насыщенности цвета р, т. е.
B = fB (x, y, z,t)ïüï
ï
λ = fλ (x, y, z,t)ïý,
ï
p = fp (x, y, z,t)ïïïþ
где х, у, z — пространственные координаты; t — время.
«¾Ä¾»ÁÀÁÇÆƹØÊÁÊ˾Ź
§«¨
§¶¨
ª»¾Ë
¶£
›Á½¾ÇÊÁ¼Æ¹Ä
¶§¨
¦
ª»¾Ë
Рис. 1.1. Обобщенная схема телевизионной передачи изображений
9
Электрический канал связи характеризуется одномерной зависимостью напряжения от времени, т. е.
u = fu (t).
(1.1)
На выходе электрооптического преобразователя образуется
изображение, которое математически может быть описано совокупностью трех многомерных функций:
B ¢ = fB¢ (x, y, z,t)ïïü
ï
λ ¢ = fλ¢ (x, y, z,t)ïý.
ï
p ¢ = fp¢ (x, y, z,t)ïïïþ
Значки «штрих» означают, что выходные величины в общем
случае не совпадают со входными.
Основная задача синтеза телевизионной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы выходное изображение
с заданной степенью точности соответствовало бы объектам телевизионной передачи. Изоморфное преобразование трех многомерных функций, описывающих объекты телевизионной передачи,
в одномерный видеосигнал невозможно. Поэтому практически
вносят определенные упрощения в передаваемые изображения,
упрощая тем самым и их математические описания. В табл. 1.2
приведены математические описания более простых частных моделей изображений.
Можно видеть, что даже в простейшем случае плоского чернобелого неподвижного изображения объекты телевизионной передачи описываются двумерным распределением яркости и не моТаблица 1.2
Характер входного����������
изображе���������
ния
Плоское цветное движущееся
Трехмерное черно-белое
движущееся
Плоское черно-белое движущееся
Плоское черно-белое неподвижное
10
Частные условия
Математическое
описание
Z=const
B = fB (x, y,t)üïï
ï
λ = fλ (x, y,t)ïý
ï
p = fp (x, y,t)ïïïþ
λ= const, p= const
B = fB (x, y, z,t)
Z= const, λ= const,
p= const
Z= const, t= const,
λ= const, p= const
B = fB (x, y,t)
B = fB (x, y)
гут быть непосредственно преобразованы в одномерный видеосигнал. Для решения этой задачи в телевидении применяются
два фундаментальных принципа — дискретизация и развертка
изображений.
Дискретизация изображений. В телевизионных системах широко используется пространственная и временная дискретизация. В отдельных случаях, в частности в цифровом телевидении,
применяется и энергетическая (яркостная) дискретизация изображений.
Пространственная дискретизация заключается в том, что поле передаваемого изображения разбивается на конечное число
дискретных элементов (рис. 1.2). В пределах каждого элемента
изображения яркость полагается постоянной. Пространственная
дискретизация позволяет свести передачу информации о яркости
бесчисленного множества точек изображения к передаче информации о яркости некоторого конечного числа его элементов.
В предположении равномерной пространственной дискретизации, каждый дискретный элемент изображения будет иметь размеры Δx по горизонтали и Δy по вертикали, определяемые соответственно соотношениями ∆x = b / m, ∆y = h / n, где b и h соответственно ширина и высота изображения, а n и m число элементов по вертикали и горизонтали. При этом координаты дискретных элементов в плоскости изображения определяются
дискретными последовательностями x1, x2, …, xm и y1, y2, …yn, где
xm координата последнего элемента изображения, yn координата
последней строки. Общее число элементов изображения будет составлять N = mn.
Z
YZ YZ
YNZ
YZ
I
Y
YNZO
YZO
C
Рис.1.2. Пространственная дискретизация изображения
11
Временная дискретизация заключается в том, что информация о яркости каждой данной точки (или элемента) изображения
передаётся не непрерывно, а в дискретные моменты времени: t1,
t2 = t1 + Δt, t3 = t2 + Δt, …, где Δt — шаг временной дискретизации.
В реальных условиях Δt =Tk где Tk — время передачи одного кадра. Тогда время, отводимое на передачу одного элемента изображения, будет составлять τ ý = Tk / N.
Введение пространственной и временной дискретизации допустимо по следующим соображениям:
1) объекты телевизионной передачи в общем имеют дискретную пространственную структуру с конечной скоростью изменения процессов во времени;
2) приемник изображения (глаз) имеет ограниченную пространственную и временную разрешающую способность;
3) шаг дискретизации в телевизионных системах можно всегда выбрать достаточно малым, чтобы удовлетворить требованиям
точности воспроизведения пространственной и временной структуры телевизионных изображений.
Принцип развертки изображений. Введение дискретизации
позволяет реализовать в телевизионных системах принцип развертки изображений. Развертка заключается в последовательной
во времени передаче информации о яркости элементов изображения с различными пространственными координатами. Осуществляется развертка движением развертывающего элемента (сканирующего отверстия, электронного пучка и т. п.) по поверхности
изображения в определенной последовательности. Это означает,
что координаты коммутируемых (развертываемых) точек изображения являются некоторыми функциями времени:
x = ϕ x (t); y = ϕ y (t).
Совокупность траекторий движения развертывающего элемента по полю изображения называется телевизионным растром.
Пространственное распределение яркости плоского чернобелого неподвижного изображения (см. табл. 1.2) при развертке
преобразуется во временную последовательность
B = fB (x, y) = fB éë ϕ X (t), ϕY (t)ùû = fBt (t).
(1.2)
Таким образом, при развертке в каждый данный момент времени передается информация о яркости только одного элемента
изображения. Зависимость (1.2) подобна (1.1), т. е. образованные
12
при развертке сигналы могут быть переданы по одному каналу
связи. Один цикл передачи информации о яркости всех элементов изображения соответствует развертке одного телевизионного кадра. После развертки первого кадра производится развертка
второго кадра, затем третьего кадра и т. д.
При воспроизведении изображения на экране воспроизводящего
устройства (электрооптического преобразователя) образуется светящееся пятно, соответствующее элементу изображения. Это пятно приводится в движение (развертывается) по поверхности в соответствии с законом, по которому развертывается изображение в
передающем устройстве (оптикоэлектрическом преобразователе),
образуя приемный растр. Яркость бегающего светящегося пятна,
образующего приемный растр, управляется подведенным к оптикоэлектрическому преобразователю видеосигналом. В результате
на экране образуется оптическое изображение, подобное входному
изображению телевизионной системы. Таким образом, в процессе
электрооптического преобразования происходит превращение временной последовательности видеосигналов в пространственное распределение яркостей. С математической точки зрения при воспроизведении изображения имеет место процедура свертки одномерного временного видеосигнала в двумерное пространственное распределение. Однако, в виду того что особенности и работа устройств,
реализующих процедуру развертки в воспроизводящем устройстве,
аналогичны тем, что и в процессе развертки в передающем устройстве, на практике термин переносится и на процедуру свертки.
Следует отметить, что развертки в телевизионной системе, использующей принцип развертки, при передаче черно-белых изображений по линии связи должны передаваться три потока информации — яркостный и два координатных. Ибо при воспроизведении телевизионного изображения в общем случае для каждого элемента необходимо указать его координаты и яркость. При
этом координатные сигналы, в отличие от яркостного, не зависят
от структуры изображения, а определяются только принятым законом развертки
Особенности передачи изображений движущихся, цветных
и объемных объектов. Возможность временной дискретизации
изображений позволяет осуществлять передачу по электрическим каналам связи изображений, описываемых более сложными функциями (см. табл. 1.2).
Например, передача движущихся изображений, как и в кино,
достигается последовательной во времени передачей неподвиж13
ных кадров, соответствующих различным фазам движущихся
объектов. При достаточно большой частоте смены кадров у наблюдателя за счет инерции зрения создается иллюзия непрерывного движения.
Цветные изображения, описываемые совокупностью трех
функций, в частности содержанием в них красного, зеленого и
синего цветов, могут передаваться либо одновременно по трем каналам связи, либо по одному каналу связи, но последовательно
во времени. Для воспроизведения объемных изображений, учитывая особенности стереоскопического зрения, необходимо одновременно по двум каналам или последовательно по одному каналу передавать две группы сигналов, соответствующих изображениям для правого и левого глаза наблюдателя.
Этот принцип может быть использован для передачи более
сложных изображений. Во всех случаях шаг дискретизации во
времени должен быть достаточно мал, чтобы каждый цикл передачи был завершен за пределами временного разрешения приемника изображения (глаза).
1.3. Развертка телевизионных изображений
Виды разверток. Закон развертки телевизионного изображения в общем может быть произвольным. Необходимо лишь, чтобы
развертки в оптико-злектрическом и в электрооптическом преобразователях осуществлялись по одному закону. Поэтому в зависимости от закона движения развертывающего элемента по поверхности изображения возможны различные виды разверток;
а) линейно-строчная — при движении вдоль прямых линий;
б) спиральная — при движении вдоль витков спирали;
в) радиально-круговая — при движении вдоль радиусов окружности и т. д.
При выборе типа развертки в телевизионной системе обычно
учитывают ряд дополнительных факторов, таких как форма поля изображения, требование постоянства качества изображения,
простота реализации развертки и т. д. Преимущественное распространение в телевидении получили линейно-строчные развертки с постоянной скоростью движения развертывающего элемента вдоль строк (по горизонтали) и равномерным перемещением строк (по вертикали) поля изображения, в частности прогрессивная и чересстрочная развертки.
Прогрессивная развертка. При прогрессивной развертке последовательно считываются сигналы с первой, второй, третьей и
14
т. д. строк передаваемого изображения. Считыванием сигналов с
последней строки завершается развертка одного кадра, после чего начинается развертка последующего кадра. Схема движения
развертывающего элемента по полю изображения при прогрессивной развертке показана на рис. 1.3. а. Развертывающие функции представляют собой пилообразные кривые (рис. 1.3, б и в),
описываемые уравнениями:
ïìï æç t
1ö
- ÷÷÷ ïðè 0 £ t £ T1ñ
ïïbçç
ï è T1ñ 2 ø÷
x = ïí
,
ïï æ 1 t - T ö
÷
1ñ
ç
÷÷÷ ïðè T1ñ £ t £ T2ñ
ïïïbçç 2 - T
2ñ ø
ïî è
ïìï æç 1
t ö÷
ïïh çç ÷÷ ïðè 0 £ t £ T1k
ïï è 2 T1k ø÷
,
y =í
ïï æ t - T
1 ö÷
1
k
ç
ïïh ç
- ÷÷ ïðè T1k £ T £ Tk
ïïî çè T2k
2 ø÷
(1.3)
(1.4)
Y
а)
Y
I
C
б)
Y
¨ÉØÅÇÂÎǽ
§ºÉ¹ËÆÔÂÎǽ
C
в)
Z
U
5D
5D
5D
¨ÉØÅÇÂÎǽ
§ºÉ¹ËÆÔÂÎǽ
I
U
5L
5L
5L
Рис. 1.3. Прогрессивная развертка: а) образование растра;
б) закон движения развертывающего элемента по горизонтали;
в) закон движения развертывающего элемента по вертикали
15
где t — текущее время.
Первая функция определяет движение развертывающего элемента вдоль горизонтальной оси и называется строчной разверткой. Период строчной развертки равен Тс. Нарастающий участок
кривой называется прямым, а падающий — обратным ходом. Т1с
и Т2с — соответственно длительности прямого и обратного ходов,
причем Т1с + Т2с = Тс. Движение развертывающего элемента происходит в пределах от — b/2 до +b/2,где b — ширина поля передаваемого изображения. Вторая функция определяет движение
развертывающего элемента вдоль вертикальной оси и называется
кадровой разверткой. Период кадровой развертки равен Тk. Падающий участок кривой — прямой ход, нарастающий — обратный ход кадровой развертки. Т1k и Т2k — длительности прямого и
обратного ходов кадровой развертки, причем Т1k + Т2k = Тk. Движение развертывающего элемента вдоль вертикальной оси происходит в пределах от +h/2 — –h/2, где h — высота изображения.
При развертывающих функциях вида (1.3) и (1.4) движение
развертывающего элемента на интервале прямого и обратного ходов строчной развертки происходит по наклонным линиям. При
этом за период строчной развертки развертывающий элемент сместится на величину δ = h/nс, называемую межстрочным расстоянием. Здесь пс — число строк разложения. При сравнительно
большой величине пс величина наклона незначительна и практически незаметна.
Считывание сигналов, т. е. передача информации об изображении, происходит только на интервале прямых ходов развертки
(сплошные линии на рис. 1.3, а). Обратные ходы (пунктирные линии на рис. 1.3, а) используются лишь для возврата развертывающего элемента в исходное положение и их длительность должна
быть сведена к минимуму. Физические процессы в схемах разверток не позволяют свести к нулю длительности обратных ходов. Поэтому обычно стремятся выполнить условия Т1с>> Т2с, Т1k>> Т2k.
Практически Т2с ¢= (0,10—0,12) Тс ; и Т2k = (0,07—0,08) Тk.
Чересстрочная развертка. При чересстрочной развертке передача информации об изображении осуществляется в два приема:
вначале с нечетных строк, затем с четных. Телевизионный растр,
состоящий из половины строк, называется телевизионным полем. Таким образом, один телевизионный кадр передается в результате развертки двух полей. Схема образования чересстрочного растра приведена на рис. 1.4. Сплошными линиями показаны
нечетные строки, образующие первое поле, а пунктиром — чет16
ные строки, образующие второе поле. Расстояние между строками одного поля равно двум межстрочным расстояниям. Частота
кадровой развертки равна частоте полей, т. е. удвоенному числу
кадров в секунду:
Чтобы получить чересстрочный растр при одинаковой величине перемещения по вертикали в обоих полях, число строк выбирается нечетным. В этом случае при развертке одного поля прочерчивается целое число строк плюс половина строки (см. рис.
1.4). Благодаря этому строки второго поля автоматически располагаются между строками первого поля. Для устойчивого сдвига
полей на половину периода строки между частотами строчной fс и
кадровой fk разверток должна быть жесткая связь.
Если поле изображения имеет мозаичную структуру, т. е. состоит из набора дискретных элементов, то законы разверток
имеют не пилообразный, а ступенчатый характер. Заметим, что
в этом случае растр состоит уже не из наклонных, а из горизонтальных строк.
Синхронизация разверток заключается в согласовании процессов разверток в передающей и приемной частях телевизионной системы. Для этого с передающей стороны на приемную передаются специальные электрические сигналы, получившие название сигналов синхронизации, или синхросигналов. Таким образом, для нормального функционирования телевизионной системы по электрическому каналу наряду с видеосигналом должны
передаваться и синхросигналы.
Объем сигналов синхронизации зависит от априорно известных данных о закономерностях передающих разверток. Одно из
основных преимуществ линейных построчных разверток с фика)
в)
б)
Рис. 1.4. Образование чересстрочного растра
17
сированными параметрами — малый объем сигналов синхронизации. Для согласования таких разверток с передающей стороны на приемную необходимо передавать лишь информацию о
начале прямых ходов разверток. Для этих целей используются
кратковременные импульсные сигналы, получившие название
синхроимпульсов. Так как развертка поверхности изображения
осуществляется двумя развертывающими функциями (строчной и кадровой), то общая задача синхронизации может быть
сведена к двум частным задачам — строчной и кадровой синхронизации. В соответствии с этим по каналу связи передаются
две группы синхроимпульсов — кадровые и строчные. Передача строчных и кадровых синхронизирующих импульсов обычно осуществляется в яркостном канале, путем его амплитудного уплотнения (уровень синхронизирующих импульсов выше
уровня видеосигнала). Совмещение видеосигнала с синхронизирующими импульсами имеет еще одно преимущество — в этом
случае отсутствуют временные искажения, вызванные различием скоростей пробега сигналов в каналах изображения и синхронизации.
1.4. Структурная схема системы электронного телевидения
В механической телевизионной системе развертка изображения при оптикоэлектрическом и электрооптическом преобразовании осуществляется механическими устройствами (вращающимся диском, зеркальным винтом и т. п.). В электронных системах изображения развертываются электронным (или электрическим) путём.
Электронные телевизионные системы, по сравнению с механическими, обладают большей чувствительностью и надежностью,
а также меньшей инерционностью. Поэтому подавляющее большинство практически реализованных телевизионных систем относится к классу электронных.
Основные элементы системы электронного телевидения.
Упрощенная структурная схема системы электронного телевидения, основанная на учете описанных ранее процессов, приведена на рис. 1.5. Система состоит из двух частей — передающей и
приёмной, соединенных электрической линией связи. Основные
элементы передающей части: оптическая система ОС, оптикоэлектрический преобразователь ОЭП, генераторы строчной ГСР1 и
кадровой ГКР1 разверток ОЭП, видеоусилитель ВУ1 и синхрогенератор СГ. Приемная часть включает в себя электрооптический
18
§ª
§¶¨
›¬
œª©
ªœ
¤ÁÆÁØ
Ê»ØÀÁ
›¬
¶§¨
£ª
œª©
œ£©
¨¾É¾½¹×Ò¹ØйÊËÕ
œ£©
¨ÉÁ¾ÅƹØйÊËÕ
Рис. 1.5. Структурная схема электронной системы телевидения
преобразователь ЭОП, видеоусилитель приемной части ВУ2, канал синхронизации КС и генераторы строчной ГСР2 и кадровой
ГКР2 разверток приемной части.
Оптическая система проецирует изображение объектов телевизионной передачи на вход ОЭП, преобразующего его в видеосигнал. В качестве ОЭП используются специальные электронные
приборы (передающие трубки, матричные формирователи телевизионных сигналов и др.). Процедура развертки в ОЭП обеспечивается перемещением развертывающего элемента по его поверхности, что достигается с помощью генераторов строчной ГСР1 и
кадровой ГКР1 разверток. Синхрогенератор СГ вырабатывает
синхронизирующие импульсы строчной и кадровой частоты, которые управляют работой соответствующих генераторов развертки передающей части. Видеоусилитель ВУ1 служит для усиления
сравнительно слабого видеосигнала на выходе до величины, достаточной для передачи по линии связи. Кроме того, в этом видеоусилителе в видеосигнал заводятся подаваемые от синхрогенератора синхронизирующие импульсы для синхронизации генераторов разверток приемной стороны.
Видеосигналы, поступившие по линии связи на вход приемной части, усиливаются видеоусилителем ВУ2 до величины, достаточной для нормальной работы ЭОП. В ЭОП происходит преобразование видеосигналов в выходное оптическое изображение.
В качестве ЭОП используются специальные электронные приборы (кинескопы, жидкокристаллические экраны и др.). Процедура развертки обеспечивается генераторами строчной ГСР2 и кадровой ГКР2 разверток. Канал синхронизации КС выделяет из
поступающего видеосигнала синхроимульсы (по амплитудному
признаку) и разделят их на кадровые и строчные (по признаку
длительности). Выделенные таким образом строчные и кадровые
синхроимпульсы используются для управления соответствующими генераторами разверток приемной части.
19
а)
£¹º¾ÄÕ
¤ÁÆÁØÊ»ØÀÁ
б)
œ›°
£¹º¾ÄÕ
¥
¤ÁÆÁØÊ»ØÀÁ
в)
©¨©¥
©¨©
¤ÁÆÁØÊ»ØÀÁ
Рис. 1.6. Схема линий связи в замкнутых и незамкнутых
телевизионных системах
Каждый из показанных на рис. 1.5 структурных элементов в
реальности представляет сложную систему, содержащую большое число подсистем, узлов и блоков. С другой стороны, любую
сколь угодно сложную телевизионную систему можно привести к
приведенной на рис. 1.5 структурной схеме. Следует подчеркнуть,
что рассмотренная структурная схема отражает лишь основные
процессы в телевизионной системе. Реально в телевизионную систему входит множество других вспомогательных элементов, необходимых для ее работы, в частности электропитания, контроля, управления, автоматизации и т.п.
Замкнутые и незамкнутые телевизионные системы. В зависимости от характера линии связи телевизионные системы подразделяются на замкнутые и незамкнутые. Возможные схемы
линий связи показаны на рис. 1.6. В замкнутых телевизионных
системах передача производится без выхода в эфир (рис. 1.6, а и
б). Видеосигналы передаются по специальной кабельной линии
связи на видеочастоте (рис. 1.6, а) или на высокой частоте (рис.
1.6, б). В последнем случае (рис. 1.6, в) на входе линии связи устанавливается модулированный генератор высокой частоты ГВЧ,
осуществляющий перенос видеосигналов в область высоких частот, а на ее выходе -демодулятор ДМ, осуществляющий обратный перенос видеосигналов из области высоких в область низких
частот.
20
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение телевидения. Каковы особенности телевидения как системы передачи информации?
2. Перечислите преимущества телевизионного метода перед
другими методами передачи информации.
3. Из каких основных элементов состоит система телевизионной передачи информации? В какой форме передается информация в основных звеньях системы?
4. Что представляет собой математическая модель телевизионного изображения и видеосигнала? В чем заключается основная
задача телевизионной системы?
5. Каковы математические модели упрощенных телевизионных изображений? Какие условия должны быть выполнены при
их реализации?
6. В чем заключается принцип дискретизации изображений?
Какие соображения обусловливают правомочность использования принципа дискретизации изображений?
7. В чем заключается принцип развертки изображений?
8. Какова особенность передачи по электрическому каналу связи изображений движущихся, цветных и объемных объектов?
9. Каковы особенности прогрессивной развертки? Как математически описываются развертывающие функции по координатам х и у? Каковы соотношения кадровой и строчной частот с параметрами телевизионной системы?
10. В чем заключаются особенности чересстрочной развертки?
Какие условия должны быть выполнены для получения чересстрочной развертки?
11. В чем заключается сущность синхронизации разверток?
Какие сигналы необходимо передавать по каналу связи при синхронизации линейных построчных разверток?
12. Какие элементы входят в состав электронной системы телевидения и каково их назначение?
13. Чем отличаются замкнутые телевизионные системы от незамкнутых? Каковы особенности линий связи в замкнутых и незамкнутых телевизионных системах?
21
2. Особенности зрительного восприятия
2.1. Устройство глаза
Зрительная система человека включает в себя глаза, нервные
волокна и зрительные участки коры головного мозга. Зрение есть
результат совместного действия всех компонентов зрительной системы. Механизм зрения человека до настоящего времени полностью не ясен, хотя многие стороны зрительного процесса исследуются уже давно.
Внешним органом зрительной системы является глаз, схема
которого в разрезе показана на рис. 2.1. Глаз представляет собой
шаровидное тело, заключенное в тонкую непрозрачную оболочку — склеру. Передняя часть склеры — роговица прозрачна. За роговицей расположена радужная оболочка. В середине радужной
оболочки находится отверстие — зрачок, размеры которого изменяются в зависимости от освещенности объектов наблюдения. За
радужной оболочкой находится двояковыпуклое прозрачное тело — хрусталик. Передняя камера (пространство между роговицей и хрусталиком) заполнена жидкостью, а внутренность глазного яблока наполнена прозрачным веществом — стекловидным
телом.
Роговица, передняя камера и хрусталик образуют систему,
проецирующую изображения объектов внешнего мира на внутреннюю поверхность глазного яблока. С помощью глазных
мышц кривизна хрусталика может изменяться, благодаря чему
происходит перефокусировка глаза на объекты, находящиеся на
различных расстояниях. Это явление получило название аккомодации.
ªÃľɹ
ª¾ËйËù
©¹½Ì¿Æ¹Ø
ǺÇÄÇÐù
¨¾É¾½ÆØØ
ùžɹ
Ÿ¾ÄËǾ
ÈØËÆÇ
©Ç¼Ç»ÁϹ
ɹÐÇÃ
§ÈËÁоÊùØ
ÇÊռĹÀ¹
®ÉÌÊ˹ÄÁÃ
ªË¾ÃÄÇ»Á½ÆǾ
˾ÄÇ
ÉÁ˾ÄÕÆÔÂ
ƾɻ
Рис. 2.1. Устройство глаза
22
Задняя стенка глазного яблока покрыта сетчаткой (ретиной),
состоящей из светочувствительных элементов: палочек и колбочек. Количество палочек — около 130 млн, колбочек — около 7
млн. Палочки распределены по сравнительно большой поверхности глазного дна, колбочки сосредоточены в центральной ямке —
желтом пятне.
Колбочковый аппарат — аппарат дневного зрения — имеет
сравнительно низкую чувствительность, но обладает цветоразличительными свойствами. Палочковый аппарат — аппарат сумеречного зрения — обладает большой светочувствительностью,
но не обладает цветоразличительными свойствами.
С сетчаткой связан зрительный нерв, содержащий около одного миллиона волокон. По нерву, после предварительной обработки в сетчатке, биотоки передаются в соответствующие участки
коры головного мозга, образуя зрительные ощущения, а затем
процессы более высокого порядка — зрительные восприятия и
представления.
На выбор основных параметров телевизионной системы влияют прежде всего психофизические характеристики зрения, связанные с восприятием объективных характеристик внешнего мира: пространственных, энергетических и временных.
2.2. Пространственные характеристики
§ËÆÇÊÁ˾ÄÕƹØÇÊËÉÇ˹ÀɾÆÁØ
Эта группа характеристик определяет особенности зрительного восприятия пространственных соотношений внешнего мира.
Основной характеристикой, оценивающей способность зрения воспринимать мелкую про
странственную структуру объектов внешнего мира, является
острота зрения (рис. 2.2).
Острота зрения представляет
ΔI
собой величину, обратную ми
нимальному углу между двумя
близко расположенными раздельно воспринимаемыми гла
s s s зом мелкими деталями. Экспе
©¹ÊÊËÇØÆÁ¾ÇË¿¾ÄËǼÇÈØËƹ¼É¹½
риментально установлено, что
при наиболее благоприятных
Рис. 2.2. Зависимость относиусловиях величина минималь- тельной остроты зрения от углоно разрешаемого угла составля- вого положения деталей объекта
на сетчатке глаза
ет (0,5—2,0) угловые минуты.
23
§ºÄ¹ÊËÕ
ºÁÆÇÃÌÄØÉÆǼÇÀɾÆÁØ
¤¾»¹ØǺĹÊËÕ
ȾÉÁ;ÉÁоÊÃǼÇÀɾÆÁØ
¨É¹»¹ØǺĹÊËÕ
ȾÉÁ;ÉÁоÊÃǼÇÀɾÆÁØ
Рис. 2.3. Поле зрения человека
Острота зрения зависит от яркости фона В и контрастности K
мелких деталей. Разрешающая способность глаза максимальна
в области желтого пятна (рис. 2.2) и быстро падает по мере удаления к периферии. Поле ясного зрения, в пределах которого образуется относительно четкое изображение, составляет в вертикальной плоскости (12—16)° и в горизонтальной плоскости (16—
20)°. Общее поле зрения человека представляет собой две частично пересекающиеся области полей зрения левого и правого глаза.
Часть общего поля зрения, видимого обоими глазами называется
бинокулярным (двуглазым) зрением, боковые, монокулярные (одноглазые) области соответствуют периферическому зрению.
Общее поле зрения одного глаза составляет примерно 120°,
двух глаз — 180)°. Недостаточная острота зрения компенсируется
высокой подвижностью глаза.
Важное значение имеют характеристики глубинного зрения,
т. е. способности зрительного аппарата определять удаленность
и объемность предметов внешнего мира. Пространственное восприятие обусловлено действием монокулярных и бинокулярных
факторов. Монокулярные факторы: линейная и цветовая перспектива, аккомодация, загораживание одних предметов другими, динамический стереоэффект и др. играют определенную
роль в оценке наблюдателем пространственных соотношений. Однако преобладающими факторами глубинного зрения, особенно
на сравнительно небольших расстояниях, являются бинокулярные факторы: конвергенция — схождение осей глаз и диспаратность — различие в изображениях на сетчатке правого и левого
глаза при наблюдении объектов, находящихся на конечном расстоянии от наблюдателя.
24
2.3. Энергетические характеристики зрения
К энергетическим можно отнеš»ÁÀ
сти характеристики восприятия
яркостных и цветовых соотношений объектов внешнего мира. В
данном разделе мы рассмотрим
лишь особенности характеристик
#
яркости восприятия.
Рис.2.4. Зависимость визуально
Способность глаза воспринимать
воспринимаемой яркости
мелкую яркостную структуру оцеот истинной.
нивается контрастной чувствительностью, определяемой как
B - Bô
,
σ=
Bô
где В — яркость обнаруживаемой детали; Вф — яркость фона.
Экспериментально установлено, что в широком диапазоне яркостей контрастная чувствительность глаза практически постоянна, она составляет σ=0,02—0,05.
Постоянство контрастной чувствительности означает, что с увеличением яркости фона величина абсолютного порога различения
яркостей увеличивается. Из этого следует, что между визуально
воспринимаемой (субъективной) и истинной (объективной) яркостью имеется логарифмическая зависимость (закон Вебера — Фехнера), т. е. Bâèç = a ln B + b, где a и b — некоторые постоянные коэффициенты. Ход этой зависимости показан на рис. 2.4.
2.4. Временные характеристики зрения
Возникновение и прекращение зрительного ощущения при
воздействии на сетчатку глаза световых импульсов происходит
не мгновенно, а в течение некоторого времени, определяемого
инерцией зрения. На рис. 2.5, а показана последовательность световых импульсов на сетчатке глаза, а на рис. 2.5, б создаваемое
ими зрительное ощущение яркости. Форма кривой нарастания и
спадания ощущения близка к экспоненциальной и может быть
описана формулами:
ì
ï
BM (1 - exp(-t / τ1 )) ïðè 0 £ t £ Tè
ï
ï
ï
æ æ t - T öö÷
Bâèç = í
.
è ÷÷÷ ïðè T £ t £ 2T
ï
BM = expççç-ççç
÷
ï
è
è
÷
÷
÷
ï
èç è τ2 øø
ï
î
25
а)
#
U
5
б)
5
#»ÁÀ
U
Рис.2.5. Зрительное восприятие световых импульсов: а)- истинные
световые импульсы, b) — визуально воспринимаемые импульсы
Здесь Bвиз — визуальная яркость; В — истинная яркость импульса; t1 и t2 — постоянные времени глаза, причем t1 > t2. Величина t2 =0,1с. При увеличении частоты световых импульсов величина видимого перепада яркостей вследствие инерционности
зрения уменьшается. При некоторой частоте, называемой критической частотой мельканий, пульсации яркости становятся незаметными и импульсы воспринимаются как немелькающее свечение. Критическая частота мельканий зависит от яркости импульсов и определяется выражением fкр=clgBи+d, где c и d — постоянные коэффициенты, зависящие от формы и скважности световых импульсов, яркости фона и других условий наблюдения.
Для яркостей, не превышающих (500—1000) кд/м2, критическая
частота мельканий составляет fкр=(45—50) Гц. Величина визуальной постоянной яркости при частотах пульсаций яркости выше критической определяется законом Тальбота:
T
Bâèç =
1
B(t)dt,
Tò
0
,
где B(t) —закон изменения; Т — период изменения истинной яркости.
Вопросы для самопроверки
1. Из каких элементов состоит зрительная система человека ?
2. Поясните устройство глаза человека.
3. Укажите основные группы характеристик зрительного восприятия.
4. Что такое острота зрения? Как она зависит от углового положения относительно центральной ямки?
5. Каково общее поле зрения одного и двух глаз? Ч то такое поле ясного зрения и каковы его пределы?
26
6. Что такое глубинное зрение и что оно характеризует?
7. Что такое контрастная чувствительность глаза? Каков характер восприятия яркостных соотношений?
8. Что такое инерционность зрения? Как она влияет на восприятие периодически изменяющихся световых импульсов?
9. Что такое критическая частота мельканий? Какова сущность закона Тальбота?
27
3. Параметры телевизионных систем
3.1. Человек и телевизионная система
Человек и телевизионная система (Ч — ТВС) представляют в
общем случае некую эргатическую (человеко-машинную) систему, в которой человеческие и машинные (технические) компоненты взаимосвязаны и взаимно обусловлены и действуют как единое целое. Заметим, что здесь под понятием человек имеется в виду не конкретный человек, а люди, вообще. Действительно, человек создает телевизионную систему и пользуется результатами ее
функционирования. И это могут быть разные люди.
Как и в любой эргатической системе, в системе Ч — ТВС человеческие и машинные звенья охвачены прямой и обратной связью (рис. 3.1). Прямая связь заключается в выборе параметров,
конструировании и создании телевизионной системы. И человеческое звено в этом случае — это конструкторы и создатели телевизионной системы. Обратная связь заключается в восприятии и
оценке качества продукции телевизионной системы, т. е. телевизионных изображений. И человеческое звено здесь — пользователи телевизионной системы (зрители, операторы). Из инженерной
психологии известно, что эргатическая система оптимальна, если
ее человеческие и машинные звенья взаимно согласованы. В полной мере это относится и к системе Ч — ТВС. Практически это
означает, что параметры телевизионной системы должны быть
согласованы с характеристиками, в данном случае зрительными,
человека.
°¾ÄÇ»¾Ã
›ÔºÇÉ
ȹɹžËÉÇ»
ªÇÀ½¹ÆÁ¾
¡ÊÈÇÄÕ
ÀÇ»¹ÆÁ¾
§Ï¾Æù
ùоÊË»¹
«¾Ä¾»ÁÀÁÇÆƹØ
ÊÁÊ˾Ź
Рис. 3.1. Телевизионная система
как элемент человеко-машинной системы
28
Так как влиять на характеристики зрения существенно нельзя, то решение задачи согласования полностью возлагается на машинную часть, т. е. на телевизионную систему. Из этого вытекает
два следствия. Во-первых, выбор принципов построения и параметров телевизионной системы должен производиться с учетом
свойств и характеристик зрения человека; во-вторых, оценка качества телевизионных изображений также должна производиться с их учетом.
Надо отметить, что при выборе принципов построения и параметров телевизионной системы, должны учитываться также
технические показатели, в частности, такие, как минимум аппаратных, программных и прочих затрат. Короче говоря, при создании телевизионной системы имеет место компромисс между качеством изображения, достаточным для использования по назначению, и ее сложностью.
3.2. Параметры разложения
Подход к выбору параметров разложения. Одной и важнейших задач при проектировании телевизионных систем является
оптимальный выбор ее параметров. Телевизионная система оптимальна, если она решает обусловленные назначением задачи при
минимальных аппаратурных и энергетических затратах. В оптимальной телевизионной системе ее параметры должны быть согласованы как с характеристиками объектов передачи, так и с характеристиками зрительного восприятия. Должны быть согласованы между собой и отдельны звенья телевизионной системы.
При проектировании оптимальной телевизионной системы
существенную роль играет выбор параметров разложения. К
этим параметрам относятся тип развертки, число строк разложения, формат кадра и частота смены кадров. Параметры разложения определяют предельное качество воспроизведения
пространственно-временной структуры изображений, которое
может быть: получено на выходе телевизионной системы. Ужесточение параметров разложения в общем приводит к улучшению качества изображения. При этом, однако, увеличиваются
аппаратурные затраты, габариты и стоимость; снижается надежность телевизионной системы. Параметры разложения не должны превышать пределов, при которых глаз практически не замечает улучшения качества передаваемых объектов, ибо это улучшение не влияет на результаты решаемой телевизионной системой задачи.
29
В зависимости от того, как изменяются параметры разложения в процессе функционирования, телевизионные системы можно подразделить на системы:
– с фиксированными параметрами разложения;
– с перестраиваемыми параметрами;
– адаптивные.
В телевизионных системах первого типа параметры разложения
в процессе работы не меняются. В телевизионных системах второго типа возможна перестройка параметров разложения для согласования их с характеристиками объектов передачи нового класса.
В адаптивных телевизионных системах возможна автоматическая
следящая перестройка параметров разложения в соответствии с
текущим изменением характеристик объектов передачи.
Так как характеристики объектов в процессе телевизионной
передачи обычно изменяются, то система с фиксированными параметрами не может быть полностью оптимальной. Большим
приближением к оптимальной является система с перестраиваемыми параметрами. И наиболее полно условия оптимизации могут быть выполнены в адаптивных системах.
Реализация телевизионных систем с перестраиваемыми параметрами и, тем более, адаптивного типа сопряжена с большими
практическими трудностями. Поэтому большинство телевизионных систем выполнено с фиксированными параметрами разложения. Задача оптимизации здесь заключается в таком выборе
параметров разложения, которые наиболее полно были бы согласованы с характеристиками наиболее часто встречающихся объектов телевизионной передачи.
Тип развертки. Выбор типа развертки во многом определяется
характером решаемых телевизионной системой задач. В телевизионном вещании и во многих установках прикладного телевидения применяется линейная чересстрочная развертка с горизонтальным расположением строк. В прикладном телевидении в отдельных случаях применяется прогрессивная развертка.
В ряде специфических случаев прикладного телевидения возможно и целесообразно применение других видов разверток. Прежде всего, это модификации линейных многострочных разверток: с вертикальным или диагональным расположением строк, с
многократным перемежением строк, скользящим растром и т. д.
Иногда для разверток используются не пилообразные, а синусоидальные колебания. В некоторых установках применяется спиральная развертка и т. д.
30
ªÌºÓ¾ÃËÁ»Æ¹Ø
оËÃÇÊËÕ
™ÈȹɹËÆÔ¾
À¹ËɹËÔ
OD
°ÁÊÄÇÊËÉÇÃɹÀÄÇ¿¾ÆÁØ
Рис. 3.2. Характер зависимости субъективной четкости и
аппаратных затрат от числа строк разложения
Число строк разложения. Качество передачи мелкой структуры изображения непосредственно определяется числом строк
разложения. Чем больше число строк разложения, тем более мелкие детали способна передавать телевизионная система и тем выше создаваемое ею качество изображения. Однако, как показывают исследования, качество изображения с увеличением числа
строк растет в логарифмической зависимости (рис. 3.2).
С другой стороны, с ростом числа строк увеличивается ширина спектра видеосигнала. Это приводит к увеличению аппаратурных затрат, причем в показательной зависимости от числа строк.
Для условий наблюдения, типовых для телевизионного вещания,
оптимальное число строк, при котором обеспечивается сравнительно высокое качество изображения при умеренных аппаратурных затратах, составляет 500—800. Именно в этих пределах
находится число строк разложения, принятое в различных странах. Число строк разложения при чересстрочной развертке выбирают нечетным, что необходимо для ее реализации.
Конкретные значения чисел строк выбраны так, чтобы они
были образованы путем произведения нескольких относительно
небольших чисел. Это объясняется тем, что при чересстрочной
развертке частоты строчной и кадровой развертки должны быть
жестко связаны между собой. Практически для этого кадровую
частоту получают делением строчной на число строк. Так как
устойчивое деление частоты возможно лишь с небольшой кратностью, то деление на число строк производится в несколько этапов.
В частности, деление на 625 осуществляется четырьмя ступенями деления на 5.
Здесь необходимо отметить, что невысокое число строк разложения (405) в английском стандарте определялось в какой-то
31
а)
б)
в)
I
C
Рис.3.3. Телевизионные кадры различного формата:
a) p=1:1; б) p=4:3; в) p=2:1
мере консерватизмом англичан. И, наоборот, революционный характер французов привел к использованию повышенного числа
строк разложения (813). Но время показало неоптимальность такого выбора, и англичане и французы перешли к стандарту разложения на 625 строк.
В прикладном телевидении, в зависимости от целевого назначения, возможно применение параметров разложения на иное,
чем в телевизионном вещании, число строк Известны, например,
однострочные системы, системы с разложением изображения на
50—100 строк, на 1000 —2000 строк и др
Формат кадра. Форматом кадра р называется отношение ширины b изображения к его высоте h (рис. 3.3), т. е. p=b:h.
В телевизионном вещании и во многих прикладных телевизионных установках используется формат 4 : 3 (рис. 3.3, б). Выбор
такого формата был продиктован в свое время стандартами кино
и сохранился по настоящее время. В прикладных телевизионных
установках, предназначенных для наблюдения объектов с равноценными направлениями по горизонтали и вертикали, применяется формат кадра р=1:1 (рис. 3.3, а). Если же объекты имеют значительную протяженность или преимущественно перемещаются
в одном направлении (например, горизонтальном), применяются
широкие форматы изображения — 2:1 и более (рис. 3.3, в).
Частота смены кадров, или число кадров в секунду. Эта величина определяет периодичность обновления телевизионной информации и, соответственно, качество передачи движения объектов телевизионными системами. Чем выше частота кадров, тем
выше качество передачи временных изменений объектов в телевизионном изображении. Однако при увеличении частоты кадров
возрастает ширина спектра и, соответственно, увеличиваются аппаратурные затраты. Практически частота кадров телевизионной
системы выбирается из соображений:
– правильной передачи изображений движущихся объектов;
– незаметности мельканий яркости;
– согласования с частотой питающей сети.
32
Для передачи движения большинства встречающихся в телевизионной практике объектов с учетом инерционности зрения
число дискретных фаз должно быть не менее 15—20 в секунду.
Чтобы мелькания яркости, вызываемые сменой кадров, были незаметны, частота пульсаций яркости должна быть выше критической частоты мельканий, т. е. выше 45—50 Гц.
Для согласования с частотой питающей сети, равной в СССР
и европейских странах 50 Гц, частота кадров должна быть равна
25, 50 Гц и т. д. В США, где частота питающей сети равна 60 Гц,
частота кадров должна быть равной 30, 60 Гц и т. д. В этом случае
помехи, создаваемые на изображении пульсациями выпрямленного напряжения или наводками от питающей сети, будут неподвижными. При незначительном рассогласовании частот кадров
и питающей сети помехи перемещаются вверх или вниз со скоростью, пропорциональной разностной частоте, и поэтому более
заметны. Правда, в последнее время, в связи с междугородным
и международным обменом телевизионными программами, это
условие полностью выполнить нельзя. Частота кадров привязывается к частоте питающей сети города — источника программ,
которая может быть не связана с частотой питающей сети местного телецентра.
При прогрессивной развертке частота пульсаций яркости равна частоте кадров. Указанным выше трем условиям удовлетворяет
частота кадров 50 Гц. При чересстрочной развертке частота пульсаций яркости равна частоте полей, т. е. вдвое выше частоты кадров. Поэтому условия, накладываемые на выбор частоты кадров,
выполняются уже при 25 Гц. Именно возможность снижения частоты кадров вдвое и соответственно снижение ширины спектра
видеосигнала является причиной широкого применения в телевизионных системах более сложной чересстрочной развертки.
Современное состояние телевизионной и электронной техники
позволяет отказаться от многих ограничений, введенных на раннем этапе создания телевизионных систем. В частности, необязательна нечетность числа строк разложения, равенство их произведению небольших чисел и вообще использование чересстрочной
развертки, привязки к частоте питающей сети и т. п. Несмотря на
это, выбранные ранее стандарты параметров разложения телевизионных систем сохраняются и поныне. Правда, в последние годы проявляется интерес к телевизионным системам повышенной
четкости, в частности с разложением изображения на 1280 или
даже 1920 (HDTV).
33
3.3. Видеосигнал и его характеристики
Особенности видеосигнала. Видеосигнал — это совокупность
электрических импульсов, пропорциональных яркости элементов передаваемого изображения. Характер видеосигналов зависит от структуры (содержания) передаваемого изображения и
принятого способа развертки. Общие свойства видеосигнала:
а) униполярность, так как яркость всегда имеет положительные значения; при этом видеосигнал называется позитивным,
если с увеличением яркости детали величина видеосигнала увеличивается, и негативным, если при увеличении яркости величина сигнала уменьшается (рис. 3.4);
б) видеосигнал имеет импульсный характер и содержит резкие перепады и относительно пологие участки; при этом пологие
участки соответствуют передаче сигналов с поверхности протяженных объектов, а резкие перепады — передаче контуров объектов;
в) ввиду переменной структуры величину видеосигнала нельзя измерять в эффективных или амплитудных значениях; измерение производится обычно в пиковых значениях относительно
некоторого фиксированного уровня либо размахом от «белого» до
«черного» — перепадом сигнала, образованного при передаче самого светлого и самого темного участков изображения.
Заметим, что в процессе передачи и обработки видеосигнала
его полярность непрерывно меняется. В телевидении это не играет существенной роли. Важно, чтобы к ЭОП воспроизводящего
устройства видеосигнал подходил в нужной полярности. В противном случае, выходное телевизионное изображении будет нега#NBY
#
Y
6D 6DNBY
6D 6D
6D NBY
¨ÇÀÁËÁ»ÆÔ»Á½¾ÇÊÁ¼Æ¹Ä
¦¾¼¹ËÁ»ÆÔ»Á½¾ÇÊÁ¼Æ¹Ä
U
U
Рис. 3.4. Фрагмент телевизионного изображения и соответствующие
ему позитивный и негативный сигналы
34
тивным, т. е. как и в фотографии, белому будет соответствовать
черное и наоборот.
Телевизионный сигнал и его состав. Информация об объектах
передается только во время прямых ходов строчной и кадровой
разверток. На время обратного хода передающие трубки заперты
и сигнала не выдают. На этих интервалах должны быть заперты
и приемные устройства. Для этого в видеосигнал на интервале обратных ходов вводятся строчные и кадровые гасящие импульсы.
Во время обратных ходов разверток в телевизионных системах
передаются служебные сигналы, строчные синхроимпульсы —
для синхронизации строчной развертки и кадровые синхроимпульсы — для синхронизации кадровой развертки приемного
устройства. Эти импульсы могут передаваться по отдельным каналам связи, но чаще они вводятся в видеосигнал. В ряде телевизионных систем во время обратного хода разверток передается дополнительная информация: сигналы звукового сопровождения,
синхронизации частоты цветовой поднесущей в цветном телевидении, измерительные сигналы для автоматического контроля
телевизионного тракта во время передачи и т. д.
Сигнал, состоящий из видеосигнала, гасящих и синхронизирующих импульсов, получил название полного телевизионного
сигнала. На рис. 3.5, а показана форма полного телевизионного
а)
6Ê
ªËÉÇÐÆÔ¾ÊÁÆÎÉÇÁÅÈÌÄÕÊÔ
œ¹ÊØÒÁ¾ÁÅÈÌÄÕÊÔ
¬ÉÇ»¾ÆÕÊÁÆÎÉÇ
›Á½¾ÇÊÁ¼Æ¹Ä
¬ÉÇ»¾ÆÕ¼¹ÊØÒÁÎ
¬ÉÇ»¾ÆÕоÉÆǼÇ
¬ÉÇ»¾ÆÕ
º¾ÄǼÇ
5ªœ
U
5Ê
5ªª
б)
U
5Ê
Рис. 3.5. Форма полного ТВ сигнала: а) строки; б) кривая строчной
развертки
35
сигнала в негативе на интервале времени передачи нескольких
строк. На рис. 3.5, б для иллюстрации временных соотношений
показана кривая строчной развертки приемного устройства.
Минимальным является уровень белого. Уровень гасящих
импульсов выбирается несколько больше уровня черного — для
надежного запирания приемного устройства на время обратного
хода. Уровень синхронизирующих импульсов еще выше. Это обусловливает возможность отделения синхронизирующих импульсов от видеосигнала по амплитудному признаку.
Передние фронты синхроимпульсов, определяющие переход
развертки от прямого хода к обратному, сдвинуты во времени относительно соответствующих гасящих импульсов. Это сделано
для того, чтобы к моменту перехода развертки к обратному ходу приемное устройство было бы надежно заперто гасящими импульсами. Длительность обратного хода развертки определяется
физическими процессами в генераторе развертки. Чтобы искаженные по форме начальные участки прямого хода развертывающих кривых не участвовали в развертке изображения, длительность обратного хода должна быть меньше длительности соответствующих гасящих импульсов,
Параметры телевизионного сигнала. Выбор параметров телевизионного сигнала зависит от типа телевизионной системы. Форма полного телевизионного сигнала при чересстрочной развертке
на 625 строк с частотой кадров 25 в секунду показана на рис. 3.6.
Âèäåîñèãíàë
ñòðîêè
Êàäðîâûé
ñèíõðîèìïóëüñ
l
j
m
Ñòðî÷íûé
ãàñÿùèé èìïóëüñ Óðîâíè:
áåëîãî
n
Êàäðîâûé
2-å ïîëå 1-å ïîëå
Ñòðî÷íûé
Óðàâíèâàþùèå
ñèíõðîèìïóëüñ ãàñÿùèé
èìïóëüñû
èìïóëüñ
l
m
1-å ïîëå
2-å ïîëå
j
n
÷åðíîãî
ãàøåíèÿ
cèíõðîèìïóëüñîâ
Óðîâíè:
áåëîãî
÷åðíîãî
ãàøåíèÿ
cèíõðîèìïóëüñîâ
Рис. 3.6.Форма полного телевизионного сигнала на интервале
кадровых гасящих импульсов для вещательного стандарта
36
Основные временные параметры импульсов имеют значения:
период строчной развертки 64 мкс, период кадровой развертки
20 мс; длительность строчных гасящих импульсов 12 мкс, синхроимпульсов — 4,7 мкс; сдвиг начала строчного синхроимпульса относительно начала гасящего импульса 1,5 мкс; длительность
кадровых гасящих импульсов j = 1600 мкс, синхроимпульсов —
m = 160 мкс; сдвиг начала кадрового синхроимпульса относительно начала гасящего импульса l = 160 мкс. Значения уровней
компонентов полного телевизионного сигнала в телевизионном
вещании: синхроимпульсов — 100%, гасящих импульсов — 75%,
черного — 65%, белого — (10—15)%. Таким образом, для передачи собственно видеосигнала отведено порядка (50—55)% общего
размаха видеосигнала.
Для передачи информации о синхронизации строчной развертки во время кадрового гасящего импульса на последние насаживается строчный синхроимпульс, а во время кадрового синхроимпульса делаются врезки. Чтобы уравнять формы кадровых синхроимпульсов в нечетном и четном полукадрах врезки делаются с
двойной строчной частотой (для улучшения качества чересстрочности). Стрелочками указаны активные элементы строчной синхронизации во время передачи кадровых гасящих импульсов.
В системах телевизионного вещания зарубежных стран значения временных интервалов и уровней полного телевизионного
сигнала отличны. Существенно отличными от принятых в телевизионном вещании могут быть и параметры телевизионного сигнала в системах прикладного телевидения. Во многом они зависят от способа передачи сигналов и требований, предъявляемых
к телевизионной системе.
3.4. Частотный спектр видеосигнала
Структура частотного спектра видеосигнала. При рассмотрении частотного спектра важны два вопроса: структура спектра и
его ширина. Эти данные необходимы для выбора метода передачи сигналов и определения полосы пропускания видеотракта телевизионной системы. Структура спектра зависит от содержания
изображения и параметров развертки. Предположим, что в телевизионной системе применяется прогрессивная развертка с горизонтальным расположением строк и движением развертывающего элемента слева направо и сверху вниз, На рис. 3.7 слева показаны изображения различной структуры, посредине — идеализи37
рованная форма видеосигнала, а справа — соответствующие им
спектры.
Показанное на рис. 3.7, а изображение состоит из светлой и
темной частей, расположенных по вертикали. Видеосигнал представляет собой прямоугольные импульсы с кадровой периодичностью — Tk. Видеосигнал, пользуясь преобразованием Фурье,
можно представить как сумму гармоник частоты повторения импульсов, в данном случае:
Uñ
S
а)
t
fk 2fk 4fk
Tk
Uñ
f
S
б)
t
fñ
Tñ
2fñ
3fñ
f
Uñ
t
Tñ
Tk
в)
S
fk 2fk
fñ –fk
fñ
fñ +fk
f
Рис. 3.7. Формы видеосигнала и их частотные спектры при передаче
изображений различной структуры
38
Uñ (t) =
¥
å Umk cos éë(2πmk fk )+ ϕmk ùû,
nk =0
здесь fk — частота кадров mk = 1, 2, 3,... — номера гармоник кадровой частоты, и их амплитуды и jmk фазовые сдвиги. Спектр в
этом случае состоит из гармоник кадровой частоты с убывающей,
в общем случае амплитудой. Если изображение состоит из светлой и темной вертикальных полос (рис. 3.7, б), то видеосигнал
будет представлять собой прямоугольные импульсы со строчной
периодичностью Tс=1/fс. В этом случае видеосигнал можно представить в виде
Uñ (t) =
¥
å
mñ =0
Umñ cos ëé(2πmñ fñ )+ ϕmñ ûù,
где mс — 1, 2, 3,... — номера гармоник строчной частоты, Umс и
jmс — их амплитуды и фазовые сдвиги. Спектр частот состоит из
гармоник строчной частоты fс, 2fс, …mfс с убывающей амплитудой. Так как, fс>>fk, то в этом случае спектральные составляющие расположены с большими интервалами, чем в первом случае. Наконец, если изображение представляет собой светлый квадрат на темном поле (рис. 3.7, в), то видеосигнал получится в виде
групп прямоугольных импульсов строчной частоты, следующих
с кадровой периодичностью. В этом случае сигнал описывается
выражением
Uñ (t) =
¥
¥
å å
mk =0 mñ =0
Umkñ cos éë(2πmk fk + φmk )ùû cos éë(2πmñ fñ )+ ϕmñ ùû.
И после преобразований
¥
Uñ (t) = å
¥
å Umkñ cos ëé(2π(mñ fñ + mk fk )+ ϕmñk ûù.
-¥ -¥
Такой видеосигнал содержит не только гармоники кадровой
и строчной частот, но и комбинационные частоты, определяемые
формулой mñ fñ ± mk fk , где mс= 1, 2, 3... и mk= 1, 2, 3...
При изображениях другой (чем на рис. 3.7) структуры или при
другом виде развертки распределение амплитуд компонент спектра может быть иным. Однако в любом случае сохраняются следующие общие свойства:
39
– дискретность спектра;
– наличие компонент, представляющих собой гармоники
строчной и кадровой частот и их комбинации;
– наличие значительных энергетических пустот в спектре,
особенно между гармониками строчной частоты.
Ширина спектра видеосигнала. Ширина спектра Δf определяется разностью наивысшей fв и наинизшей fн частот спектра видеосигнала. Наинизшую частоту дает изображение, состоящее из
темной и светлой горизонтальных полос (рис. 3.7, а). При прогрессивной развертке образуется видеосигнал, представляющий собой прямоугольные импульсы с частотой следования fk (рис. 3.7,
б). При чересстрочной развертке также образуются прямоугольные импульсы, но с вдвое более высокой частотой, т. е. fk = 2nk,
где nk —число кадров в секунду.
Наинизшая частота спектра fн — это частота основной гармоники. Поэтому при прогрессивной развертке fн= fk = nk, а при чересстрочной fн= fk = 2nk, т. е. в обоих случаях fн= 50 Гц.
Для определения наивысшей частоты следует рассмотреть сигнал при передаче изображения, содержащего мелкоструктурные
элементы. Таким изображением может служить, например, шахматное поле, состоящее из чередующихся черных и белых квадратов шириной в один элемент изображения (рис. 3.8). Видеосигналы при развертывающем элементе бесконечно малого сечения
представляют собой прямоугольные импульсы, период следования которых равен времени передачи двух (черного и белого) элементов (рис. 3.8, a).
В действительности развертывающий элемент имеет конечное
сечение. Оно, в частности, может быть круглой формы и размерами в один элемент изображения. При развертке в моменты времени, когда центры развертывающего элемента и элемента изображения не совпадают, происходит считывание сигнала частично с
черного, частично с белого квадрата. Видеосигнал в зависимости
от соотношения охваченных развертывающим элементом частей
черного и белого квадратов будет иметь промежуточное значение.
В результате происходит размазывание фронтов, и реальный сигнал будет иметь вид, показанный на рис. 3.8, б. Искажения этого
вида получили название апертурных, так как вызываются тем,
что сечение (апертура) развертывающего элемента имеет конечную величину.
Учитывая реальную форму видеосигнала с мелкоструктурного изображения, за наивысшую частоту принимается частота
40
а)
6Ê
U
б)
6Ê
U
Рис. 3.8.
К определению наивысшей частоты спектра видеосигнала:
a) идеальный видеосигнал; б) видеосигнал с учетом апертурных
искажений
первой гармоники сигнала, образованного при развертке изображения типа, показанного на рис. 3.8.
Наивысшая частота, таким образом, равна числу периодов высокочастотного колебания в секунду. Число периодов высокочастотного колебания при передаче одной строки равно рпс/2, где
р — формат кадра, а пс — число строк разложения. При передаче
одного кадра образуется уже (рпс/2) пс = р пс2 /2 периодов высокочастотного колебания. И, наконец, за одну секунду передается
(р пс2 /2) пk периодов, т. е. fв =0,5 р пс2 пk. Подстановка в эту формулу значений p=4 : 3, п с = 625 и пk =25 дает fв=6,5 МГц.
Таким образом, при принятых в телевизионном вещании стандартах ширина спектра видеосигнала получается сравнительно
большой. Практически формула (3.5) модифицируется: вводится
коэффициент k, выравнивающий соотношение между вертикальной и горизонтальной четкостями изображения, и учитываются
потери части изображения во время обратных ходов кадровой и
строчной разверток. Тогда
fâ =
kpnñ2nk (1 - T2k / Tk )
2(1 - T2ñ / Tñ )
.
Полагая k=0,75, Т2k/Тk = 0,08 и Т2с/Тс = 0,18, получаем fв =
= 5,5 МГц, т. е. реальная ширина спектра может быть несколько
уменьшена.
41
Средняя составляющая видеосигнала. Одна из особенностей видеосигнала — наличие в спектре ча
стот средней (постоянной) составля¥œÏ
œÏ
œÏ
G
ющей, переносящей информацию о
средней яркости телевизионного изоРис. 3.9. Общий спектр
бражения. Воспроизведение средней
телевизионного сигнала
составляющей является обязательным условием получения качественного телевизионного изображения. Величина средней составляющей, например при передаче
неподвижных изображений, может быть длительное время неизменной. Этому случаю соответствует нулевая частота средней составляющей. С другой стороны, при смене сюжета, например при
переходе от дневных сцен к ночным, величина средней составляющей может существенно изменяться. В этом случае, при потере
средней составляющей видеосигнала дневные и ночные сцены будут выглядеть одинаково серыми.
Практика показала, что максимальная частота средней составляющей не превышает (2—3) Гц. Таким образом, общий спектр
видеосигнала содержит две области частот: средней (постоянной)
составляющей (0—3) Гц и переменной составляющей 50 Гц —
6 МГц (рис. 3.9).
Передача средней составляющей. Прямая передача средней
составляющей практически невозможна. Реально исползуется
косвенный метод передачи. В этом случае средняя составляющая
теряется, но информация о ней сохраняется и пердается по каналу
связи и в процессе обработки видеосигналов. Как это происходит?
Это проиллюстрировано на рис. 3.10 на примере двух изображений: темной вертикальной полосы на светлом фоне и светлой вертикальной полосы на темном фоне (рис. 3.10, а). Соответствующее
им распределение яркости в горизонтальном направлении показано на рис. 3.10, б. А видеосигнал при развертке этих изображений с учетом гасящих импульсов будет иметь вид, показанный на
рис. 3.10, в. Можно видеть, что средние составляющие в этих случаях существенно отличны. В первом изображении средняя составляющая смещена к области бнлого, во втором — к области
черного. При потере средней составляющей (рис. 3.10, г) информация о ней сохраняется в виде изменений уровней гасящих импульсов. При необходимости средняя составляющая может быть
восстановлена если привязать уровни гасящих имульсов к какойлибо постоянной величине, как это показано на рис. 3.10, д.
4
42
а)
X
B
б)
Bmax
Bmin
в)
BÑÐ1
B ÑÐ2
t
Uñ
UÑÐ1
Uc max
ÑÃÈ
г)
U¢
ÑÃÈ
UÑÐ2
t
Óðîâåíü áåëîãî
Óðîâåíü
áåëîãî
~2 Uc
t
Óðîâåíü
÷åðíîãî
Óðîâåíü
áåëîãî
Óðîâåíü
÷åðíîãî
д)
U ¢¢
UÑÐ1
Óðîâåíü
ôèêñàöèè
Uc
UÑÐ2
t
Рис. 3.10. Особенности передачи сигнала о средней составляющей при
разных значениях средней яркости изображения.(СГИ — строчные
гасящие импульсы)
3.5. Международные стандарты телевидения
В настоящее время установлены международные стандарты
вещательного телевидения, которыми пользуются многие страны. Стандарты состоят из двух частей: первую часть составляют
43
стандарты черно-белого телевидения, вторую — стандарты, определяющие дополнения и видоизменения, вносимые переходом
к цветному телевидению. Существует десять стандартов чернобелого телевидения, отличающихся параметрами разложения,
шириной спектра видеосигналов, а также параметрами передачи
их по радиоканалу. Обозначаются они заглавными буквами латинского алфавита.
Во всех стандартах принят прямоугольный формат кадра с соотношением сторон 4:3, чересстрочная развертка в направлении
слева—направо и сверху—вниз. Остальные параметры разложения и связанные с ними частоты для основных стран приведены
в таблице.
Таблица
Страна
Стандарт
nс,
строк
nk,
Кадр/с
f в,
MГц
f с,
Гц
f k,
Гц
Германия
B
625
25
5,0
15625
50
50
Россия
D
625
25
6,0
15625
Англия
I
625
25
5,5
15625
50
США
M
625
30
4,2
15750
60
В этой таблице nс — число строк разложения; nk — частота
смены кадров; fв — наивысшая частота видеосигнала; fс — частота строчной развертки и fk — частота кадровой развертки. Указанные в таблице страны являются, так сказать базовыми. Фактически стандарами этих стран пользуются множество других,
так или иначе связанных с базовыми. Поэтому стандарт В иногда
называют западноевропейским, стандарт D — восточноевропейским и стандарт М — американским (в широком смысле).
Вопросы для самопроверки
1. Поясните особенности телевизионной системы как элемента
человеко-машинной системы.
2. Какие величины относятся к параметрам разложения? Каков общий подход к выбору параметров разложения?
3. Какие соображения принимаются во внимание при выборе
числа строк разложения?
4. Что такое формат кадра? Какие факторы влияют на формат
кадра?
5. Какие соображения принимаются во внимание при выборе
частоты кадров? Что дает в этом отношении применение чересстрочной развертки?
44
6. Что такое видеосигнал и каковы его особенности?
7. Дайте определение полного телевизионного сигнала. Укажите взаимосвязь элементов телевизионного сигнала с процессами развертки и передачи информации об изображениях.
8. Укажите величины уровней и временных интервалов телевизионных сигналов, принятых в телевизионном вещании.
9. Какие факторы определяют частотный спектр телевизионного сигнала? Как связана структура частотного спектра с содержанием изображения? Каковы основные особенности частотного
спектра видеосигнала?
10. Как определяются верхняя и нижняя частоты спектра видеосигнала? Каков порядок ширины спектра видеосигнала в современных телевизионных системах?
11. Что такое средняя составляющая видеосигнала? В каких
частотных пределах она находится?
45
4. Качество телевизионного изображения
4.1. Оценка качества изображения
В идеальном случае телевизионная система должна образовывать на выходе изображение, во всех отношениях подобное оригиналу — объектам телевизионной передачи. Реальные системы не
способны создавать идеальное изображение. Некоторые качества
в изображении могут полностью отсутствовать, другие — воспроизводиться в ограниченном объеме. Для оценки степени соответствия изображения оригиналу введено понятие качества изображения.
Субъективная оценка качества изображения наблюдателем
является результатом интегральной обработки частных свойств
телевизионного изображения. В связи с этим появилась тенденция к созданию интегральных (обобщенных) критериев, с помощью которых одним числом или характеристикой можно было
бы оценить качество изображений и, соответственно, качество телевизионной системы. Однако эта задача не решена и по настоящее время.
Практически качество изображения оценивается частными
критериями — некоторой совокупностью параметров, на которые могут быть установлены определенные нормы. К таким параметрам относятся размер, яркость, четкость, контрастность, воспроизведение полутонов, зашумленность и геометрическое подобие телевизионных изображений.
Такие параметры, как размеры и яркость изображений, не требуют особых пояснений. Необходимо, чтобы размеры и яркость
изображений были бы достаточными для комфортного наблюдения телевизионных изображений. При небольшом числе зрителей и расстоянии наблюдения порядка 1,5—2 м высота изображения на экране должна быть порядка 0,3—0,4 м. Яркость изображения при умеренной внешней подсветке должна составлять
порядка 100 кд/м2. Существующие приемные трубки удовлетворяют этим требованиям.
Возможны вариации как размеров, так и яркости, в зависимости от назначения установки. Так, в телевизионных установках для коллективного просмотра размеры изображения должны
быть значительно увеличены. При интенсивной внешней засветке должна быть увеличена яркость изображения и т. д.
46
4.2. Четкость изображения
Четкость характеризует степень воспроизведения в изображении мелкой структуры объектов передачи. Чем выше четкость,
тем более мелкие детали могут быть воспроизведены в изображении. Ввиду анизотропности (т. е. различия свойств в различных
направлениях) телевизионной системы различают вертикальную
и горизонтальную четкость. Причем в общем случае они могут
быть неодинаковыми. Так как четкость в различных участках поля изображения обычно неодинакова, вводится понятие четкости
в центре и четкости на краях. Вертикальная четкость определяется в основном двумя факторами: числом строк разложения и размерами апертуры развертывающего элемента. Вертикальная четкость тем выше, чем больше число строк разложения и чем меньше
апертура развертывающего элемента. Горизонтальная четкость зависит в основном от ширины полосы пропускания тракта передачи
видеосигналов и апертуры развертывающего элемента. Чем шире
полоса пропускания и чем меньше апертура развертывающего элемента, тем выше горизонтальная четкость. Четкость оценивается
числом раздельно воспроизводимых линий (строк), отнесенных к
высоте изображения. Этот принцип относится к оценке как вертикальной, так и горизонтальной четкости. Например, горизонтальная четкость в центре 400 строк означает, что, если различаемые в
центре горизонтальные линии распространить на отрезок, равный
высоте изображения, то число таких линий достигнет 400.
Практически четкость оценивается по таблице, состоящей из
групп светлых и темных линий различной пространственной частоты. Для определения вертикальной четкости используются горизонтально расположенные линии, горизонтальной четкости —
вертикально расположенные. Четкость фиксируется по группе
наибольшей частоты, линии которой воспроизводятся раздельно
при визуальной оценке. Для оперативной оценки четкости часто
используются таблицы, состоящие из клиновидных полос. Здесь
четкость фиксируется по наиболее узкому участку клина, в котором линии воспроизводятся раздельно.
Четкость по вертикали не может быть больше активного числа
строк разложения. При этом под активными подразумеваются те
строки, которые приходятся на прямой ход кадровой развертки, т. е.
æ T ö
nñ.àêò = nñ ççç1 - 2k ÷÷÷.
Tk ø÷
è
47
При принятом в телевизионном вещании стандарте nс.акт = 575
строк. Это число определяет предельную вертикальную четкость
телевизионной системы. Четкость по горизонтали непосредственно не связана с числом строк разложения и в общем случае может
быть больше.
4.3. Контрастность и воспроизведение полутонов
Контрастность определяет диапазон яркостей, которые могут быть воспроизведены на выходе телевизионной системы, т. е.
K=Bmax /Bmin.
Контрастность телевизионных изображений значительно меньше, чем объектов; она составляет 30—100. Величина контрастности существенно зависит от размеров деталей, на которых определяется контраст. С уменьшением размеров деталей контрастность
падает. Для оценки этого явления используются так называемые
K/K0
апертурно-частотные характеристики (рис. 4.1). Если на этой
характеристике провести прямую, соответствующую порогу
контрастной чувствительности
глаза, до пересечения с кривой,
σ
то соответствующая этому переnñ
сечению пространственная чаРис. 4.1. Апертурно-частотная стота определяет четкость телехарактеристика телевизионной визионной системы.
Для оценки возможностей тесистемы
левизионной системы необходимо знать не только общую контрастность изображения, но также
число и характер распределения полутонов по диапазону яркости. Принцип определения числа воспроизводимых градаций яркости проиллюстрирован на рис. 4.2.
Здесь указаны два предельных уровня яркости — минимальный Bmin и максимальный Bmax. Между ними расположены промежуточные уровни яркости, различимые глазом.
Первая градация яркости ΔB1, определяемая относительно
уровня Bmin, будет составлять ΔB1=σ Bmin, где σ — контрастная
чувствительность глаза, которую мы полагаем в первом приближении постоянной. Тогда уровень яркости первой градации будет
составлять
B1= Bmin+ ΔB1= Bmin(1+ σ).
48
Bmax
ΔBm
ΔB3
B3
ΔB2
B2
B1
Bmin
ΔB1
Рис. 4.2. К определению числа воспроизводимых градаций
Вторая градация яркости ΔB2 определяется уже относительно
B1 яркости ΔB2 = σ B1,а соответствующей ей уровень. яркости будет составлять B2 = B1+ ΔB1 = B1(1+ σ) = Bmin(1+ σ)2.
Третья градация яркости ΔB3 определяется относительно яркости B2, а соответствующий ей уровень яркости B3= Bmin(1+ σ)3.
Анализируя эти выражения, можно заметить определенную закономерность: степень выражения, стоящего в скобках, равна номеру градации яркости. Пользуясь методом индукции можно записать, что для последней m-й градации имеет место соотношение Bm= Bmin(1+ σ)m. Полагая Bm = Bmax и учитывая, что σ << 1,
получаем
m»
1
ln K.
σ
При K = 30—100 и σ = 0,05, m = 70—90. Смысл этого выражения вполне объясним. Число градаций тем больше, чем выше
контрастная чувствительность
Bîá
(меньше σ) и чем больше диапаý
зон яркостей (контрастность K). Bîá2
ýý
А то, что K находится под зна- Bîá2
ком логарифма, учитывает лога- Bîá2 ýýý
γ<1
рифмический характер восприяγ =1
тия яркости глазом.
γ>1
ý
Распределение полутонов по Bîá1
ýý
диапазону яркостей оценивает- Bîá1
ся характеристикой преобразо- Bîá1 ýýý
Bîá 1
Bîá 2
вания, представляющей зависиРис.4.3. Характеристики
мость яркости изображения Виз
преобразований яркости
от яркости объектов передачи
телевизионной системой
Воб (рис. 4.3). Характеристика
49
преобразования в общем может быть аппроксимирована показательной функцией Виз=А Вобg, где А — некоторый постоянный коэффициент; g — коэффициент контрастности (гамма), определяющий форму характеристики преобразования.
При g = 1 характеристика преобразования линейна, т. е. распределение полутонов в объектах передачи и в изображении подобны. При g < 1 характеристика преобразований имеет выпуклую форму, это означает, что улучшено воспроизведение полутонов в областях малых яркостей и ухудшено — в областях больших яркостей. При g > 1 характеристика преобразования имеет
вогнутую форму, при которой улучшается воспроизведение полутонов в области больших яркостей и ухудшается — в области
малых яркостей. Выбор показателя преобразований g зависит от
назначения телевизионной системы и типа передаваемого изображения. В большинстве случаев g = 1—1,3.
4.4. Зашумленность изображения
В процессе преобразования и передачи телевизионной информации в электрический канал попадают паразитные электрические сигналы, которые усиливаются вместе с видеосигналом и
при воспроизведении представляются в виде мешающих деталей
различной формы и яркости. Такие сигналы получили название
помех и подразделяются на: а) регулярные периодические помехи; б) импульсные помехи; в) медленно меняющиеся помехи; г)
флуктуационные помехи.
Помехи первых трех групп попадают в телевизионный канал
извне и путем принятия соответствующих защитных мер принципиально могут быть сведены к любому приемлемому уровню.
Флуктуационные помехи возникают при образовании видеосигнала и в процессе его передачи и поэтому принципиально неустранимы.
Основные источники флуктуационных помех — дробовой
эффект эмиссий, тепловые флуктуации во входных цепях усилительного тракта и т. д. — имеют сплошной спектр в пределах
большого диапазона частот. Влияние флуктуационных помех
сказывается в уменьшении четкости вследствие появления мелких ложных деталей, а также в общем ухудшении качества из-за
заметности на изображении помеховой структуры.
Действие флуктуационных помех в телевидении оценивается
отношением сигнал/помеха:
ψ= ис/ ип или ψдБ = 20 Ig ψ.
50
Здесь ис — пиковое значение (максимальный размах от черного до белого) видеосигнала; ип—среднеквадратичное значение помех. Вторая форма записи выражает отношение сигнал/помеха в
децибелах.
Величина отношения сигнал/помеха не определяет полностью
действие помех на воспроизводимое изображение. Влияние помех
зависит от их распределения по спектру — низкочастотные помехи более заметны, чем высокочастотные. По-разному сказываются помехи на объектах различной яркости — на темных деталях
они более заметны, чем на светлых, и т. д. Помехи не заметны
при ψ >=200 (46 дБ); едва заметны, но не снижают качество при
ψ = 110—200 (41—46 дБ), заметны, но допустимы при ψ = 30—100
(30—40 дБ).
4.5. Геометрическое подобие
Геометрическое подобие предполагает правильное воспроизведение телевизионной системой геометрической формы и размеров изображения объектов передачи. Нарушение геометрической формы объектов передачи может быть результатом координатных искажений телевизионной системы. Координатные искажения, проявляющиеся в нарушении правильности передачи
геометрических координат передаваемого изображения, условно
подразделяют на нелинейные и геометрические искажения.Нелинейные искажения вызываются неравномерностью скорости
движения развертывающих элементов в процессе развертки. Последнее имеет место, если прямые ходы разверток отклоняются
от прямой линии. Нелинейные искажения не нарушают форму
растра, но перераспределяют масштабы по полю растра. Влияние
нелинейности кадровой развертки (в), строчной развертки (б) и
обоих разверток (г) на изображение квадратной сетки (а) показано
на рис. 4.4. Результирующие нелинейные искажения обусловливаются совместным действием нелинейности передающего и приемного растров. Если нелинейности разверток на передающем и
приемном концах одинаковы по форме и величине, нелинейные
искажения будут отсутствовать.
Нелинейные искажения оцениваются по строкам Δс и по кадрам Δk формулами
∆b - ∆b1
∆h - ∆h1
Ɩ = 2 2
100%; ∆ k = 2 2
100%,
∆b2 + ∆b1
∆h2 + ∆h1
51
а)
ik
iñ
Tk
Δb2
iñ
t
Δb1
ik
Δh1
Δh2
ik
г)
t
Tñ
ik
б)
в)
t
t
iñ
t
t
iñ
t
t
Рис. 4.4. Влияние нелинейностей строчной, кадровой и обеих
разверток на изображение квадратной сетки
где Δb2 и Δb1 — максимальная и минимальная ширина; Δh2 и
Δh1 — максимальная и минимальная высота квадратов сетки испытательного изображения.
Нормы на нелинейные искажения зависят от назначения системы. В телевизионном вещании допустимы Δс = (10—12)%, Δk =
(5—8)%. В прикладных установках требования могут быть менее
жесткими, если они предназначены для визуального наблюдения
объектов, и более жесткими, если они предназначены для метрических целей.
Геометрические искажения проявляются в искажении формы растра. Они возникают в результате влияния формы экрана
приемной трубки и искажений, вносимых системой отклонения
в передающих и приемных трубках. Эти искажения отличаются большим разнообразием. Наиболее характерные показаны на
рис. 4.5. Это бочкообразные, подушкообразные, трапецеидальные
52
а)
б)
Δb
Δh
h
h
Δh
Δb
b
в)
b
l1
г)
D2
D1
l2
Рис. 4.5. Бочкообразные (а), подушкообразные (б), трапецеидальные (в)
и параллелограммные (г) геометрические исажения телевизионных
изображений
и параллелограммные искажения. Оцениваются они с помощью
формул: бочкообразные и подушкообразные — по горизонтали и
вертикали, соответственно:
∆h
∆b
GC =
100%; GK = 100%
b
b
трапецеидальные и параллелограммные, соответственно:
l -l
D - D1
GT = 2 2 1 100%; GP = 2 2
100%
l2 + l1
D2 + D1
Нормы на геометрические искажения также определяются назначением системы. При этом более жесткие требования предъявляются к искажениям, связанным с искривлением прямых линий, и поэтому более заметным. В частности, подушкообразные и
бочкообразные искажения не должны превышать (1—2)%.
53
4.6. Испытательные таблицы и сигналы
Для оценки качества и настройки телевизионных систем используются различного рода испытательные изображения. Некоторые из них проиллюстрированы на рис. 4.6. Эти таблицы позволяют оценить нелинейные и геометрические искажения. Есть
испытательные таблицы для оценки четкости, передачи полутонов и др.
Для комплексной оценки качества телевизионных систем используются так называемые универсальные испытательные таблицы. Наиболее известными являются универсальные испытательные таблицы ТИТ 0249 (рис. 4.7, a) и УЭИТ (рис. 4.7, б), с помощью которых можно производить оценку некоторой совокупности показателей.
Таблица ТИТ 0249 — оптическая, черно-белая. Устанавливается она перед объективом телевизионной передающей камеры
так, чтобы она точно вписывалась в растр. Эта таблица позволяет
а)
б)
Рис.4.6. Изображения,
формируемые
испытательными
сигналами: а) сетчатое
поле; б) шахматное поле
54
Рис. 4.7. Универсальные
испытательные таблицы
Рис. 4.8. Эскиз универсальной испытательной таблицы
оценивать качество всей телевизионной системы, так сказать, от
света до света. По этой таблице могут быть определены горизонтальная и вертикальная четкость изображения, как в центре, так
и в углах (клинообразные элементы), геометрические искажении
(квадратная сетка), качество передачи полутонов (элемент со ступенчатым изменением светлоты) и некоторые другие параметры.
УЭИТ — универсальная электронная таблица. Ее эскиз представлен на рис. 4.8. Главная ее особенность заключается в том,
что она не имеет оптического прототипа. В этом случае электронным путем, с помощью импульсных схем, формируется видеосигнал, который при воспроизведении дает ее изображение. Таким
образом, УЭИТ позволяет оценивать лишь часть телевизионной
системы от места ввода в него сигнала таблицы и ЭОП, т. е. только воспроизводящего устройства.
Другая особенность УЭИТ заключается в том, что она является цветной, позволяя оценивать не только такие показатели, как
четкость, геометрические искажения, передачу полутонов чернобелого изображения, но и правильность передачи цветов. Для
этого в ней предусмотрены полосы с различными характерными
цветами.
Вопросы для самопроверки
1. В чем отличие обобщенных и частных критериев качества
телевизионных изображений? Какие параметры определяют
частные критерии качества?
55
2. Что такое четкость телевизионного изображения? Какие
факторы определяют горизонтальную и вертикальную четкость?
Как оценивается четкость изображения? Что такое активное число строк?
3. Что такое контрастность изображения? Как зависит контрастность от размеров деталей изображения? Каково число полутонов? Что такое характеристика преобразования? Как влияет
коэффициент g на форму характеристики преобразования?
4. Что представляют собой помехи в телевизионном изображении? Как оценивается влияние флуктуационных помех в телевидении?
5. Какие искажения нарушают геометрическое подобие телевизионных изображений объектам передачи? Как оцениваются
нелинейные и геометрические искажения?
6. Какие испытательные таблицы используются для оценки
качествателевизионных изображений?
7. В чем различие испытательных таблиц 0249 и УЭИТ в выполнении контрольных функций.
56
5. Телевизионные оптико-электрические
преобразователи
5.1. Общая характеристика
Телевизионные оптико-электрические преобразователи (телевизионные ОЭП) или, как часто их называют, преобразователи «свет—сигнал» представляют собой приборы или устройства,
преобразующие оптические изображения в электрический сигнал
(видеосигнал). ТВ ОЭП являются неотъемлемым входным звеном
любой телевизионной системы. Основными функциями телевизионных ОЭП являются преобразование входного оптического
изображения в соответствующее ему электронное изображение и
последовательная коммутация элементов этого изображения по
закону развертки. При этом под электронным подразумевается
изображение, подобное оптическому, но образованное пространственным распределением значения какого-либо электрическому
параметра (тока, напряжения, сопротивления и т. п.).
Дополнительной (необязательной, но желательной) функцией большинства ТВ ОЭП является процедура накопления энергии, суть которой будет рассмотрена позже. Заметим лишь, что
использование принципа накопления позволяет существенно повысить чувствительность ТВ ОЭП. При этом процедура накопления имеет место после фотоэлектрического преобразования, т. е.
в электронной части ТВ ОЭП. В результате упрощенная структурная схема ТВ ОЭП можно представить в виде, показанном на
рис. 5.1, где ФЭП — фотоэлектрический преобразователь, УН —
устройство накопления, УК — устройство коммутации, Электронное изображение на выходе УН является вторичным. Вторичное электронное изображение подобное по структуре первичному, но энергетически усиленное.
ÎÒÏ
Îïòè÷åñêîå
èçîáðàæåíèå
ÔÝÏ
Ýëåêòðîííîå
èçîáðàæåíèå
ÓÍ
ÓÊ
Ýëåêòðîííîå
èçîáðàæåíèå
ÝÊ
Âèäåîñèãíàë
Рис.5.1. Упрощенная структурная схема телевизионного ОЭП
57
Телевизионный ОЭП обычно выполняется в виде самостоятельного прибора, в котором все структурные элементы (ФЭП,
УН и УК) объединены в единое целое. Можно выделить два основных типа ТВ ОЭП: электронно-лучевые приборы, называемые телевизионными передающими трубками, и твердотельные формирователи телевизионных сигналов. При этом передающие трубки
представляют собой вакуумные баллоны, внутри которых размещены все элементы ОЭП, а коммутация осуществляется узким
электронным пучком. Твердотельные формирователи телевизионных сигналов это полупроводниковые приборы, выполненные
обычно в виде больших интегральных схем.
Свойства телевизионной системы в целом во многом определяются свойствами телевизионного ОЭП. Действительно то, что не
создано телевизионным ОЭП, не может быть восполнено последующими звеньями телевизионной системы. Описываются свойства телевизионного ОЭП некоей совокупностью параметров и
характеристик. При этом некоторые показатели оцениваются по
выходному изображению телевизионной системы в предположении, что все последующие за ОЭП звенья являются идеальными.
Основными показателями ОЭП являются:
геометрические параметры, определяющие форму и размеры
входного оптического изображения, а также геометрические искажения, вносимые телевизионными ОЭП в выходное оптическое
изображение;
разрешающая способность, характеризующая способность телевизионного ОЭП создавать сигналы от самых мелких деталей
передаваемых изображений. Оценивается числом телевизионных линий на высоту изображения;
чувствительность, характеризующая способность работать
при низких уровнях освещения. Оценивается минимальной освещенностью, при которой воспроизводимое изображение имеет
приемлемое по назначению ТВС качество;
световаяя характеристика —зависимость величины выходного сигнала ТВ ОЭП от освещенности на ее входе;
спектральная характеристика, представляющая собой зависимость величины сигнала, от длины волны падающего света;
инерционность — показатель, характеризующий скорость
процессов преобразования.
Наряду с этими практически используются и некоторые другие показатели, в частности темновой ток, уровень собственных
шумов, апертурные характеристики, распределение основных
58
показателей по полю изображения и др., позволяющие более полно охарактеризовать свойства телевизионной системы.
В данном разделе рассмотрены особенности телевизионных
ОЭП для случая черно-белого телевидения. Они проще в понимании процессов. Кроме того, в своей основе они могут быть перенесены и на системы цветного телевидения.
5.2. Фотоэлектрическое преобразование
Фотоэлектрический преобразователь — это первый узел телевизионного ОЭП, на который проецируется оптическое изображение объектов телевизионной передачи. Так как оптическое изображение является двумерным, размерами b × h, то соответствующей должна быть и входная поверхность фотоэлектрического
преобразователя. При этом фотоэлектрический преобразователь
можно представить как некоторую панель, состоящую из реальной или условной совокупности элементарных фотоэлектрических преобразователей, каждый из которых соответствует элементу изображения и действуют независимо друг от друга (рис.
5.2). При этом полагаем, что по строке укладывается m элементов, по кадру — n, а всего N = mn. Буквой i обозначаем произвольный элемент, который может принимать значения от 1 до
N = mn. (m =1, n =1).
В основе элементарных фотопреобразователей, как и фотопреобразователя в целом, лежит фотоэлектрический эффект — эф1-é ýëåìåíò
2- é ýëåìåíò
Y
m-é ýëåìåíò
X
h
b
N- é ýëåìåíò
Рис. 5.2. Представление телевизионного ОЭП в виде совокупности
элементарных фотопреобразователей
59
фект, при котором в веществе под действием света изменяются
какие-либо электрические параметры. Наиболее известными являются фотоэлектронная эмиссия, фотопроводимость, фотодиодный и фотозарядовый эффекты. Отметим, что хронология практического применения указанных выше фотоэффектов в телевизионных ОЭП происходила именно в той же последовательности.
Фотоэлектронная эмиссия (фотоэмиссия), или внешний фотоэффект, заключается в том, что под действием света поверхность
облучаемого материала начинает излучать электроны, называемые иногда фотоэлектронами. Суть фотоэмиссии заключается в
следующем. Под действием света атомам материала сообщается
определенная энергия. Это приводит к высвобождению и сообщению энергии электронам. Если энергия электронов, находящихся
у поверхности, превышает работу выхода, то они могут покинуть
материал. Напомним, работа выхода — это та энергия, которую
должен затратить электрон на преодоление сил, препятствующих
его выходу из вещества.
Основные особенности фотоэмиссии:
1) прямая пропорциональность между световым потоком F и
образованным им фототоком iф (для случая насыщенной фотоэмиссии, образованным эмитированными электронами током),
т. е. iф = eF, где e — чувствительность фотоэмиссии, зависящая от
фотоэмитиррующего материала,
2) безынерционность, заключающаяся в том, что фототок
практически мгновенно следует за изменениями светового потока и
3) обладает невысокой эффективностью преобразования, так
как является поверхностным эффектом, т. е. в образовании фототока принимают участие только электроны, находящиеся на поверхности фотокатода.
В фотоэлектронном преобразователе, основанном на использовании фотоэмиссии, необходимо выполнить два условия:
во-первых, фотопреобразующий материал должен находиться
в вакууме;
во-вторых, должен иметься электрод с положительным относительно материала потенциалом, необходимый для отбора эмитированных электронов.
Таким образом, фотопреобразователь, основанный на фотоэмиссии, всегда является электровакуумным прибором. Элемент
прибора, излучающий под действием света электроны, называется
фотокатодом, а электрод, принимающий электроны, — анодом.
60
Простейшим фотопреобразователем является фотоэлемент,
состоящий из одного фотокатода и одного анода. При включении
фотоэлемента в электрическую цепь в ней возникает электрический ток, называемый фототоком. Телевизионный фотоэлектрический преобразователь, основанный на использовании фотоэмиссии, состоит из множества элементарных фотоэлементов, число которых равно числу элементов телевизионного изображения
N.
Фотопроводимость, или внутренний фотоэффект, заключается в том, что под действием света изменяется проводимость (сопротивление) полупроводникового материала. Суть фотопроводимости в том, что световая энергия, проникшая в глубь полупроводника, возбуждает атомы и приводит к генерации свободных электронов, увеличивая тем самым его проводимость (иначе,
уменьшая его сопротивление). Причем действие этого эффекта
сказывается тем сильнее, чем больше падающий на него световой поток. При включении такого элемента в электрическую цепь
через него начинает протекать ток, зависящий от его проводимости.
Основные свойства фотопроводимости:
1) нелинейная зависимость между световым потоком и проводимостью, обуславливаемая сложным характером фотоэлектрического преобразования;
2) процесс является инерционным, так как генерации свободных электронов не является мгновенным процессом;
3) обладает сравнительно высокой эффективностью, так как
процесс является объемным.
Фотоэлектронный преобразователь, основанный на использовании эффекта фотопроводимости, представляет собой множество элементарных фоторезисторов, число которых равно числу
элементов телевизионного изображения, и может быть выполнен
как в электровакуумном, так и в полупроводниковом приборах.
Узел фотоэлектронного преобразования, основанный на использовании эффекта фотопроводимости, в электровакуумном приборе называется фотомишенью, в полупроводниковом приборе —
фотоэлектрической матрицей. В случае использования фотопроводимости в электровакуумном приборе должны быть выполнены два условия, указанные выше для фотоэмиссии.
Фотодиодный эффект. В этом случае фотоэлектронный преобразователь состоит из множества элементов с фотодиодной структурой. Каждый такой элемент представляет собой фотодиод, со61
стоящий из двух полупроводников разного типа проводимости,
образующих переход. При прямом включении в цепи фотодиода
образуется ток, вызванный основными носителями заряда. При
освещении эмиттерной области в ней за счет световой энергии
происходит дополнительная генерация носителей заряда, что
при включении фотодиода в электрическую цепь приводит к увеличению тока.
Фотоэлектрический преобразователь, основный на фотодиодном эффекте, обладает рядом достоинств, в частности линейной
зависимостью тока от светового потока, достаточно высокой чувствительностью и невысокой инерционностью. Фотозарядовый
эффект основан на формировании под действием света в полупроводнике так называемых зарядовых пакетов, величина заряда
которых пропорциональна падающему световому потоку. Этот
эффект используется только в виде полупроводниковых приборов. Принцип преобразования зарядовых пакетов в сигнал носит
не столько схемный, сколько внутри полупроводниковый характер. И к рассказу о нем мы обратимся позже.
Для иллюстрации принципа образования видеосигнала рассмотрим схемы включения элементарных фотоэлектрических
преобразователей, основанных на использовании фотоэмиссии и
фотопроводимости (рис. 5.3). Здесь ФЭ — фотоэлемент, ФП — фотопроводник, R — сопротивление нагрузки, E — ЭДС источника
питания, F — падающий световой поток, F¢ — ток в цепи фотопреобразователя, U — выходной сигнал.
В случае фотоэмиссиии (рис. 5.3, a) iФ = eF и U = IФR = eF R.
Из этого видно, что изменение светового потока приводит к соответствующему изменению выходного сигнала. В случае фотопроводимости
IФ =E /( R + Rм ) и U = E R/( R + Rм) ≈ E R/ Rм, так как R<< Rм.
а)
F
б)
iÔ
E
R
u
F
iÔ
E
R
u
Рис.5.3. Схема образования видеосигнала в случае использования
преобразователей основанных на фотоэмиссии (а)
фотопроводимости (б).
62
Здесь Rм — сопротивление фотопроводника, являющееся обратной функцией светового потока F. Учитывая, что сопротивление фотопроводника Rм обратно пропорционально падающему
на него световому потоку, можно видеть, что изменение светового
потока приводит к соответствующему изменению выходного сигнала.
5.3. Принципы мгновенного действия и накопления
Телевизионные ОЭП могут быть подразделены на две группы:
системы мгновенного действия и системы с накоплением. Рассмотрим особенности этих систем в случае фотоэмиссионного преобразователя. Полученные при этом выводы в принципе приложимы и к фотопреобразователям других типов.
В системах мгновенного действия видеосигнал от данного элемента изображения создается лишь за счет светового потока, падающего на него в момент коммутации. Схема образования видеосигнала в системе мгновенного действия с некоторого, допустим
i-го ( i = 1, 2, 3, …, N ) элемента изображения, показана на рис. 5.4.
В этой схеме ключ К, отображающий коммутирующее устройство, замкнут только в течение времени передачи одного элемента
изображения, т. е. tэ = Tk/N, где N — общее число элементов изображения. В остальное время он полагается разомкнутым.
Когда ключ разомкнут (рис. 5.4, а), фототок, несмотря на наличие светового потока Fi, отсутствует, и напряжение видеосигнала U = 0. Напряжение видеосигнала с i-го элемента в момент
коммутации (рис. 5.4, б) в предположении насыщенной фотоэмиссии, будет составлять Ui = IФi R = e RFi = kм Fi.
Здесь kм = e R — коэффициент фотоэлектрического преобразования в системе мгновенного действия, являющийся при данных
условиях величиной постоянной, а образованный в схеме видеоа)
б)
ÔÝ
F
Ê
E
R
u=0
ÔÝ
F
Ê
E
IÔ
R
u
Рис. 5.4. Схема образования видеосигнала в элементарной ячейке
системы мгновенного действия: a) ключ разомкнут, б) ключ замкнут
63
сигнал является функцией только одной переменной, т. е. светового потока.
Работа фотоэлектрического преобразователя по принципу
мгновенного действия соответствует крайне неэффективному режиму использования световой энергии. Ведь световая энергия
поступает на данный элемент изображения в течение передачи
кадра Tk, а используется только та часть, которая передается за
время tэ. Этот недостаток устраняется при использовании принципа накопления. В этом случае световая энергия, падающая на
каждый элемент изображения в течение периода кадра, аккумулируется и расходуется в момент коммутации при образовании
видеосигнала. Накапливать действие света в оптическом звене
практически очень сложно. И в существующих телевизионных
ОЭП накопление производится после фотоэлектрического преобразования, т. е. в электрическом звене tэ = Tk/N.
Схема образования видеосигнала с i-го элемента изображения
системы, работающей по принципу накопления (заряда) показана на рис. 5.5. Элементом, накапливающим действие светового
потока, является конденсатор, подключенный на выходе фотоэлемента. Несмотря на то, что элемент не коммутируется, фототок
iФi протекает в течение всего кадра, заряжая конденсатор С (рис.
5.5, а, ключ разомкнут). В момент коммутации (рис. 5.5, б, ключ
замкнут) конденсатор разряжается, создавая в сопротивлении
нагрузки R ток iФi.
Оценим приближенно влияние эффекта накопления заряда на
видеосигнал, приняв, ради простоты, несколько идеализированные условия. Предположим, во-первых, что заряд и разряд конденсатора происходят по линейному закону и, во-вторых, заряд
полностью снимается с конденсатора за время коммутации элемента изображения tэ.
а)
б)
ÔÝ
F
iÔ
+
E
-
+
-Ñ
ÔÝ
F
K
u =0
R
K
E
I
+
p
-
R
u
Рис. 5.5. Схема образования видеосигнала в элементарной ячейке
системы с накоплением заряда: a) ключ разомкнут; б) ключ замкнут
64
За время периода прямого хода, примерно равного Tk, конденсатор i-го элемента изображения приобретет заряд Qi = iФi Tk. При
этом потенциал верхней обкладки принимает значение Ui = Qi/ C =
= iФi Tk/ C = e(Tk/ C) Fi.
Так как величины e, Tk и C — при заданных условиях являются постоянными, то потенциал конденсатора оказывается прямо
пропорциональным падающему на данный элемент изображения
световому потоку Fi. Тогда, если рассмотреть распределение потенциалов на конденсаторах всех N элементов изображения, образуется потенциальная картина, повторяющая распределение
световых потоков в оптическом изображении. И это распределение потенциалов можно назвать потенциальным электронным
изображением.
При коммутации (ключ на схеме рис. 5.5, б замкнут) происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки Rн.
При этом ток разряда iрi, и вызванный им видеосигнал Uсiн будут
определяться выражениями
iрi = Qi/tэ = iФi Tk/tэ = iФi N; Uсiн = iрi Rн = e N Rн Fi = kн Fi.
Так как величины e, N и Rн при заданных условиях являются величинами постоянными, то можно видеть, что и в этом случае видеосигнал является функцией падающего на элемент изображения светового потока. Коэффициент фотоэлектрического
преобразования в данном случае равен kн = e N Rн. Выигрыш в
эффективности системы с накоплением по отношению к системе
мгновенного действия, как и следовало ожидать, будет составлять
kн / kм = Uсiн / Uсiм = N.
Полагая для современного стандарта разложения N = 4000000,
эта цифра будет соответствовать и возможному выигрышу в эффективности при использовании принципа накопления. Как видим, цифра получается внушительной. Если же говорить о реальных, а не идеализированных условиях, то выигрыш обычно значительно меньше, но все же составляет значительную величину.
Подчеркнем, что представленное на рис. 5.5 относится лишь
к одному элементу изображения. В принципе, число таких схем
должно равняться числу элементов телевизионного изображения. Но процессы в каждом из них имеют одинаковый характер,
разница лишь в том, что их коммутация происходит последовательно во времени в соответствии с законом развертки. Поэтому
выводы, сделанные для схемы одного элемента, могут быть рас65
пространены на все элементы телевизионного изображения. Полученные здесь выводы относительно схем с накоплением заряда, для случая фотоэмиссионного преобразователя, в принципе,
с некоторыми вариациями, могут быть перенесены на фотоэлектрические преобразователи, основанные на других видах фотоэффекта.
5.4. Коммутация
Коммутация является обязательным процессом любого телевизионного ОЭП. Заключается она в последовательном во времени
(по закону развертки) снятием зарядов с элементов изображения.
Благодаря коммутации происходит преобразования двумерного
потенциального электронного изображения U(x,y) на конденсаторах накопления в одномерный видеосигнал Uс(t). В телевизионных ОЭП коммутация осуществляется сугубо электронными
(электрическими) методами. Конкретное выполнение узла коммутации зависит от типа телевизионного ОЭП. Можно указать
три основных типа устройств коммутации.
В телевизионных ОЭП электровакуумного типа (передающих
трубках) коммутация осуществляется с внутривакуумного баллона с помощью узкосфокусированного электронного пучка (его
сечение должно быть не больше размера одного элемента изображения), перемещающегося по поверхности фотопреобразователей
по закону развертки. При этом процесс коммутации обычно осуществляется путем нейтрализации элементов положительно заряженного потенциального электронного изображения электронами пучка. Для формирования электронного пучка используется электронный прожектор, а для его перемещения по поверхности мишени две системы отклонения — горизонтальная (строчная) и кадровая (вертикальная).
Второй способ коммутации используется в твердотельных матричных формирователях телевизионных сигналов. Здесь процесс коммутации заключается в последовательном подключении
ячеек матрицы, соответствующих элементам изображения, к
сопротивлению нагрузки. Обычно это делается по адресной схеме. В этом случае система коммутации состоит из двух взаимно
перпендикулярных шин: вертикальных (столбцовых) и горизонтальных (строковых). На вертикальные шины последовательно
во времени подаются коммутирующие импульсы длительностью
tэ, осуществляющие строчную развертку, на горизонтальные —
последовательность импульсов длительностью Tk (кадровая раз66
вертка). Заряд снимается с ячейки, на которой одновременно
присутствуют коммутирующие импульсы столбцов и строк. Третий вид коммутации используется в твердотельных приборах с
зарядовой связью. Заключается он в том, что внутри полупроводника между ячейками матрицы организуется внутреннее (конвейерное) движение зарядовых пакетов с последовательным выводом их во внешнюю цепь. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен позже.
5.5. Передающие трубки. Видикон
Передающие трубки — это вакуумные электроннолучевые
приборы, осуществляющие преобразование двухмерного оптического изображения в одномерный видеосигнал. В течение длительного периода они были основным типом телевизионных ОЭП.
Первая передающая трубка типа иконоскоп была создана в 1934
году В. К. Зворыкиным и существовала вплоть до 40-х годов.
Иконоскоп содержал три упомянутых ранее структурных элемента: фотоэлектрический преобразователь фотоэмиссионного
типа, накопитель зарядов, выполненные в едином устройстве —
фотомозаичной мишени, и устройство коммутации узкосфокусированным электронным пучком. Однако иконоскоп обладал рядом существенных недостатков: невысокой чувствительностью,
значительными искажениями и имел сравнительно большие габариты.
Следующим типом практически используемой передающей
трубки был супериконоскоп. По своему принципу действия и
конструкции супериконоскоп был сходен иконоскопу. Однако
для повышения чувствительности в супериконоскопе функции
фотопреобразования и накопления были разделены между двумя узлами — фотокатодом и мишенью, между которыми был размещен усилитель электронного изображения. За счет именно этого усилителя повышалась чувствительность передающей трубки.
Хотя чувствительность была заметно повышена, но не столь существенно как требовалось.
В дальнейшей борьбе за повышение чувствительности была
разработана новая передающая трубка типа суперортикон. В суперортиконе для повышения чувствительности помимо усилителя электронного изображения был использован внутренний усилитель видеосигнала в виде вторично-электронного умножителя. В итоге в суперортиконе была достигнута рекордно высокая
чувствительность. Некоторые типы суперортиконов могли нор67
мально работать при свете зажженной свечи. Однако погоня за
чувствительностью привела к значительному усложнению конструкции, принципа действия, схемы подключения и эксплуатации. Помимо этого он имел все же сравнительно большие габариты — примерно 400 мм длиной и 80 мм — в диаметре.
Результатом борьбы за упрощение конструкции, уменьшение
габаритов и упрощения системы включения была разработана
передающая трубка типа видикон. В основе процесса фотопреобразования в видиконе была использована не фотоэмиссия, а фотопроводимость. В итоге видикон обладал большей простотой,
малыми габаритами при приемлемой чувствительности. Именно
этот тип передающей трубке мы рассмотрим более обстоятельно.
Конструкция видикона представлена на рис. 5.6. Это стеклянный цилиндрический баллон с высокой степенью вакуума. Внутри баллона в его торцевой части находится узел мишени, состоящий из прозрачной сигнальной пластины и фотопроводящего
материала. Именно в этом узле происходят процессы фотопреобразования и накопления. В противоположной стороне баллона
находится электронный прожектор, формирующий узкий пучок
электронов, направляемый в сторону мишени. Электронный прожектор выполнен по традиционной для электронно-лучевых приборов схеме и состоит из термокатода, модулятора, первого и второго анодов.
¥ÁѾÆÕ
Ôîêóñèðóþùàÿ
ñèñòåìà
™Æǽ
Êîððåêòèðóþùàÿ
êàòóøêà
Ìîäóëÿòîð
Êàòîä
UÌ
Uñ
UÀ1
UÔÝ
RÍ
UÑÏ
Îòêëîíÿþùàÿ
ñèñòåìà
Рис. 5.6. Конструкция видикона
68
™Æǽ
Термокатод имеет нулевой потенциал, модулятор — отрицательный, аноды — положительные потенциалы, задаваемые соответствующими источниками питания. На сигнальную пластину через сопротивление нагрузки подается небольшой 10—30 В
потенциал. Электронный пучок, выходящий из электронного
прожектора со сравнительно большой скоростью, вблизи мишени
резко затормаживается и его действие сказывается лишь в оседании электронов пучка на соответствующем участке мишени.
Для фокусировки пучка используется фокусирующая система,
представляющая собой длинную катушку (соленоид). Она создает продольное магнитное поле, действующее на электроны пучка
на протяжении всей траектории их полета от электронного прожектора до мишени. Отклоняющая система состоит из двух пар
отклоняющих катушек, создающих поперечные магнитные поля, отклоняющие электронный пучок в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Принцип действия видикона. Для его пояснения обратимся
к эквивалентной схеме видикона, изображенной на рис. 5.7. Для
этого условно разобьем мишени на участки (ячейки), соответствующие элементам изображения. Каждый такой элемент, например i-й (i = 1, 2, 3, …, N, где N = mn — общее число элементов
изображения), можно представить в виде параллельного соединения конденсатора Cм и сопротивления Rм. При этом сопротивление образовано участком материала ячейки мишени, а конденсатор — емкостью внутренней поверхности этого участка и сигнальной пластиной. F — световой поток, падающий на этот участок.
Остальные элементы — сопротивление нагрузки Rн и источник
питания E являются общими для всех элементов изображения.
Следует еще раз подчеркнуть, что на эквивалентной схеме видикона (рис. 5.6) ради простоты показан эквивалент участка миа)
'J
б)
Rì
ÑÏ
+ –
Ñì
u
Ñì IÐ
Ê
R
Ê
R
E
+
Rì
ÑÏ
'J
–
E
iç
+
–
Рис. 5.7. Эквивалентная схема элементарной ячейки видикона:
a) в момент коммутации; б) в интервале между коммутациями
69
шени, соответствующего лишь одному элементу изображения. В
действительности их должно быть столько, на сколько элементарных ячеек подразделена мишень. При однородной мишени,
равенстве размеров элемента изображения, одинаковом, падающего на них светового потока параметры всех Cм Rм цепочек одинаковы. И выводы, полученные для одного элемента изображения могут быть распространены на все остальные элементы.
В момент коммутации i-й ячейки (рис. 5.7, а) образуется замкнутая электрическая цепь «катод — электронный пучок — Cм
Rм цепочка, сигнальная пластина — сопротивление нагрузки
Rн — источник питания Е». В цепи возникает ток, который заряжает конденсатор Cм. Полагаем, ради простоты, что ток электронного пучка достаточен для того, чтобы за время коммутации
одного элемента изображения довести потенциал внутреннего
участка мишени до нуля. Это соответствует заряду конденсатора до потенциала источника питания сигнальной пластины Е.
Когда электронный пучок перемещается для коммутации других элементов изображения, то эта цепь разрывается (рис. 5.7, б).
Но в этой ситуации конденсатор Cм i-й ячейки мишени начинает
разряжаться через собственное сопротивление Rм, Разность потенциалов на элементе емкости мишени уменьшается, стремясь
к нулю (рис. 5.8), а потенциал ее внутренней стороны повышается, стремясь к напряжению источника питания сигнальной пластины. Скорость разряда зависит от постоянной времени цепочки
Cм Rм.
Разряд конденсатора ячейки происходит до тех пор, пока электронный пучок не вернется и не замкнет цепь заряда, т. е. через
период кадра Tk. Параметры мишени таковы, что конденсатор не
успевает полностью разрядиться, т. е. на мишени существует некоторый остаточный потенциал. И при коммутации ячейки происходит подзаряд ее емкости до поUì
Δu ¢
Δu ¢¢
тенциала сигнальной пластины Е.
E
¢
Зарядный ток iз пропорционален наCìRì
пряжению ∆Uм, до которого дозаря¢¢
CìR ì
жается ячейка мишени. Именно этот
зарядный ток, протекая через сопротивление нагрузки образует на нем
t
0
напряжение видеосигнала.
Tk2
Tk1
При изменении светового потока,
Рис. 5.8. Работа ячейки
падающего на ячейку мишени, ее совидикона во времени
противление изменяется. Соответ70
ственно изменяются и все последующие величины: постоянная
времени, скорость разряда емкости, остаточный потенциал ячейки мишени, напряжение дозарядки, зарядный ток и видеосигнал. Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1) увеличение (или уменьшение) падающего на ячейки мишени светового потока приводит к соответственному увеличению
(или уменьшению) напряжения на сопротивлении нагрузки. При
пробеге электронного пучка по поверхности мишени, участки которой по разному освещены, напряжение на сопротивлении нагрузки будет следовать всем изменениям светового потока на ее
участках, т. е. является видеосигналом;
2) видеосигнал является позитивным, так как с увеличением
светового потока увеличивается и напряжение на выходе;
3) так как напряжение дозарядки конденсаторов ячеек мишени и, соответственно, зарядный ток являются результатом действия светового потока в течение всего периода кадра, то в видиконе также использован принцип накопления, хотя он реализован в инверсном виде. Результат накопления происходит не за
счет заряда конденсаторов ячеек, а за счет их разряда.
Характеристики видикона. Световая характеристика видикона нелинейна, имеет примерно логарифмический характер. Объясняется это своеобразным эффектом насыщения эффекта фотопроводимости — с увеличением светового потока количество свободных электронов, и, соответственно, проводимость растут медленнее. Типовые световые характеристики видикона при различных напряжениях на сигнальной пластине показаны на рис. 5.9.
Заметим, что световые характеристики имеют прямой вид
вследствие того, что по оси абсцисс использован логарифмический масштаб. Можно также видеть, что с увеличением напряжения на сигнальной пластине уровень видеосигнала возрастает.
Объясняется это тем, что с увеличением Uсп (ранее его мы полагали равным Е) возрастает потенциал, до которого заряжаются
конденсаторы ячеек, возрастает напряжение дозарядки и соответственно, ток и напряжение видеосигнала. Спектральная характеристика видикона существенно зависит от материала мишени. На рис. 5.9 представлены спектральные характеристики
для окисно-свинцовой мишени (PbO) и мишени из трехсернистой
сурьмы (SbS3). Там же приведена кривая видности глаза. Можно
видеть, что спектральные характеристики обоих видиконов имеют максимумы, не совпадающие с максимумом кривой видности,
что может привести к яркостным искажениям. Для их устране71
а)
Uc =30Â
Ic , ìêÀ
Uc=20Â
Uc=10Â
0,1
0,01
1
б)
1,0
10
3
2
Å,ëê
100
в)
IÎÑÒ/Ic
1,0
1,0
,75
0,75
,50
0,50
,25
0,25
t
400
500
600
700
800 λ
ÍÌ
TK
2TK
3TK
Рис. 5.9. Характеристики видикона: a) световая; б) спектральная;
в) гистограмма остаточного сигнала
ния в оптическом звене необходимо применять корректирующие
светофильтры, приводящие результирующую спектральную характеристику к кривой видности глаза.
Характеристика инерционности. Одной из особенностей видикона является наличие заметной инерционности. Заключается она в том, что при появлении нового кадра на вновь создаваемый сигнал накладываются остаточные сигналы от предыдущих
кадров. Объясняется наличие инерционности двумя факторами — фотоэлектрическим и коммутационным. Фотоэлектрическая компонента связана с тем, что процесс фотопроводимости
мишени не является мгновенным. Коммутационная же компонента вызвана тем, что в процессе коммутации элементов изобра72
жения одного кадра не происходит полного очищения мишени и
подготовки ее к формированию сигналов последующих кадров.
Влияние инерционности проявляется в том, что на изображении
последующих кадров накладываются ослабленные изображения
предыдущих кадров. Оценивается инерционность с помощью гистограммы (рис. 5.10), представляющей собой зависимость уровня остаточного сигнала на втором и последующих кадрах.
Модификации видиконов. Стандартный (однодюймовый) видикон имел стеклянный баллон диаметром 26 мм и длиной 160 мм.
Фокусировка и отклонение электронного пучка — магнитные.
Мишень из трехсернистой сурьмы. Чувствительность — 0,5—1 лк,
разрешающая способность — 500—600 телевизионных линий.
Однако по тем или иным параметрам (габаритам, разрешающей
способности, инерционности и др.) этот видикон не удовлетворял
конструкторов. С другой стороны, простота конструкции и эксплуатации были привлекательными. Поэтому новые разработки
передающих трубок заключались в модификациях видиконов.
Первые модификации носили чисто количественный характер. Так, стремление уменьшить габариты привели к созданию
13-мм (полудюймового) видикона. Правда, при этом страдала разрешающая способность, она была снижена до 400 телевизионных
линий. Наоборот, для телевизионных систем повышенной четкости был разработан 40-мм (полуторадюймовый) видикон, разрешающая способность которого составляла 700—800 телевизионных линий. Для уменьшения габаритов системы «видикон +
фокусирующе-отклоняющая система» и уменьшения потребляемой энергии были разработаны видиконы с электростатической
фокусировкой и отклонением электронного пучка.
Однако указанные выше модификации видикона не решали
главной проблемы — невысокой чувствительности и значительной инерционности. Поэтому другим направлением модификации было коренное (качественное) изменение структуры и принципа действия. Было немало модификаций видикона, получивших название кремникон — с кремневой мишенью, секон — с
вторично-эмиссионным усилителем электронного изображения и
др. Однако эти модификации не устраняют в полной мере такие
недостатки, как нелинейность световой характеристи и инерционность.
Свободной от этих недостатков оказалась модификация видикона, получившая название плюмбикон. Главной особенностью
плюмбикона является использование не простой однослойной
73
мишени из чувствительного к свету полупроводника, а многослойной мишени фотодиодного типа. В частности, мишень содержит слои полупроводников типа n, образующих фотодиодный n-p-переход. Использование фотодиодной мишени привело
к повышению чувствительности при высокой линейности световой характеристики и невысокой инерционности. И в свое время
плюмбиконы широко использовались как в вещательном, так и
прикладном телевидении.
Следует упомянуть еще об одном направлении модификации — создание видиконов для решения специальных задач в
прикладном телевидении. Это видиконы, преобразующие изображения, образованные в невизуальных, т. е. в невидимых глазом, излучениях, в видеосигналы. В дальнейшем после передачи
и обработки эти сигналы преобразуются в видимые изображения. К этой группе относятся рентгеновидиконы, чувствительные к рентгеновским излучениям, пировидиконы — к тепловым
излучениям, ультразвуковые видиконы, воспринимающие изображения в ультразвуковых излучениях, и др.
5.6. Полупроводниковые телевизионные ОЭП
Общие особенности. Достижения в области полупроводниковой технологии и создании больших интегральных микросхем
позволили построить телевизионные ОЭП, основанные на использовании новых, совершенно иных, чем в электронно-лучевых
приборах, принципах. Прежде всего, они являются безвакуумными или, как их иногда называют, твердотельными устройствами. Фактически они представляют собой интегральную микросхему, содержащую большое число ячеек (равное числу элементов телевизионного изображения), каждая из которых содержит
в себе элементы фотоэлектрического преобразования, устройств
накопления и коммутации. Ячейки в преобразователе этого типа
расположены упорядоченно, обычно в матричном виде, т. е. вдоль
строк и столбцов. Поэтому часто называют их матричными формирователями видеосигналов (МФВС). Основные достоинства полупроводниковых телевизионных МФТС:
малые габариты;
невысокие питающие напряжения;
небольшая потребляемая мощность;
жесткая структура расположения ячеек.
Эти особенности позволили создать малогабаритные телевизионные ОЭП с простыми маломощными источниками питания.
74
Достижения в этом направлении столь велики, что твердотельные МФТС практически вытеснили передающие трубки как в вещательном, так и прикладном телевидении.
МФТС с адресной коммутацией. В этом случае фоточувствительная поверхность представляет собой множество индивидуальных фотопреобразующих ячеек, не связанных прямо друг с
другом. Упрощенную схему одной, например i-й ( i = 1, 2, 3, ….,
N ), ячейки такого МФТС можно представить в виде, показанном
на рис. 5.10.
Она включает в себя выполненные в интегральном исполнении фотодиод ФД, накопительный конденсатор С и коммутирующий диод Д, который посредством отпирающих импульсов периодически подключает ячейку к сопротивлению нагрузки Rн, общему для всех ячеек. В период между коммутациями, примерно
равный Tк, коммутирующий диод заперт. Падающий на фотодиод световой поток Fi вызывает ток ii, заряжающий конденсатор C.
В момент коммутации на диод Д подаются отпирающие импульсы длительностью tэ, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, создавая на нем сигнал Uci от данной ячейки. В
процессе развертки отпирающие импульсы последовательно со
сдвигом во времени tэ подаются на другие ячейки, подключая их
к сопротивлению нагрузки, образуя тем самым видеосигнал со
всего изображения.
При поэлементной коммутации число коммутационных выводов должно равняться общему числу элементов, т. е. N = mn. При
m = 800 и n = 600, число таких выводов должно составлять 480
тысяч. Понятно, что это вступает в противоречие с требованием
минимизации габаритов преобразователей. Число коммутацион+U
Ìåòàëë
SiO 2
Îêèñåë
Íåîñíîâíûå
íîñèòåëè
Si
P
Îáåäíåííàÿ
îáëàñòü
Ïîëóïðîâîäíèê
Îñíîâíûå
íîñèòåëè
Рис. 5.10. Принцип образования зарядового пакета в ФПЗС
75
ных выводов может быть существенно уменьшено при использовании адресной коммутации, при которой должно быть m столбцовых и n строковых выводов, т. е. всего m +n выводов. При тех
же значениях m и n, необходимо уже только 1400 выводов. Это,
конечно, значительно меньше, но все же достаточно велико. Эта
проблема была решена в МФТС типа фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС).
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью оказались
столь удачным решением телевизионного оптико-электрического
преобразования, что получили в настоящее время доминирующее положение в телевизионной аппаратуре различного назначении. И поэтому структуры и процессы в фотопреобразовательных
приборах этого типа рассмотрим более детально. Как и все твердотельные ОЭП, ФПЗС представляют собой интегральную микросхему, фоточувствительные элементы которой имеют матричную
структуру и обладают всеми указанными выше достоинствами
твердотельных ОЭП. Однако ФПЗС имеют ряд принципиальных
особенностей. Каковы же они?
Одной из них является то, что носителем информации о световом потоке являются электрические заряды в виде так называемых зарядовых пакетов, образующихся в полупроводниковой среде ячеек. Но главное все же заключается в том, как реализуются в них процессы развертки и коммутации. В отличие от
других типов МФТС они осуществляются внутри полупроводниковой структуры путем управляемого конвейерного движения
зарядовых пакетов различных ячеек с последующим последовательным выводом этих зарядов во внешнюю схему. В этом случае
сигнальным фактически является лишь один (!) вывод — на конце «конвейера» зарядовых пакетов.
Рассказ о процессах в ФПЗС ради наглядности удобно провести в три этапа:
1) фотоэлектрическое преобразование и образование зарядовых пакетов;
2) принцип организации движения зарядовых пакетов в полупроводнике;
3)организация структуры ФПЗС, обеспечивающей получение
видеосигналов.
Принцип образования зарядовых пакетов рассмотрим на
примере одной ячейки, полагая, что в остальных ячейках картина аналогичная. Типовую ячейку ФПЗС можно представить в
виде, показанном на рис. 5.10. Она представляет собой своеобраз76
ный конденсатор, имеющий МДП-структуру. Одной из обкладок
такого конденсатора является прозрачный для света металлический электрод, а другой — легированный полупроводник, в данном случае кремний Si с проводимостью р-типа. Между обкладками находится тонкий слой окиси кремния SiO2, являющийся
диэлектриком.
Напомним, что в полупроводнике р-типа основными носителями являются дырки, имеющие положительный заряд, неосновными — электроны с отрицательным зарядом. Надо сказать,
что даже при не включенном в схему полупроводнике имеет место генерация носителей заряда — дырок и электронов, вызванная тепловой энергией, так как он находится при температуре
около 300 К. При приложении к конденсатору разности потенциалов с положительным полюсом на металлической обкладке, в
полупроводнике происходит разделение носителей зарядов, дырки уходят к отрицательному электроду, в результате чего в области, примыкающей к диэлектрику, образуется обедненная основными носителями заряда зона, в которой находятся неосновные
носители заряда — электроны. Часто обедненную зону называют
потенциальной ямой. Чем больше разность потенциалов приложена к конденсатору, тем шире обедненная область (глубже потенциальная яма).
Если на полупроводник попадает световой поток F, прошедший сквозь металлический электрод и диэлектрик, то в нем за
счет световой энергии происходит дополнительная генерация носителей заряда, которые также разделяются — дырки уходят к
отрицательному электроду, а электроны пополняют отрицательный заряд в обедненной зоне. Величина объемного заряда, образованного электронами, называемая зарядовым пакетом, прямо
связана с падающим световым потоком. Чем больше световой поток, тем больше генерируется носителей заряда и тем больше величина зарядового пакета.
Величина зарядового пакета зависит также от времени, в течение которого на ячейку падает световой поток. Чем дольше падает на ячейку свет, тем больше генерируется электронов и тем
больше величина зарядового пакета, т. е. здесь имеет место принцип накопления заряда и, соответственно, увеличение чувствительности прибора. Время накопления для всех ячеек одинаково
и равно Тk. Тогда, при одинаковости параметров и режимов всех
ячеек ФПЗС, величина зарядового пакета является функцией
лишь одной переменной — падающего на них светового потока.
77
Таким образом, в ячейках ФПЗС реализуются две функции телевизионного ОЭП — преобразование оптического изображения
в электронное изображение, состоящее из зарядовых пакетов, и
реализация принципа накопления заряда.
Организация движения зарядовых пакетов вдоль полупроводника. В этом случае структура ячейки усложняется — в нее,
кроме основного, формирующего зарядовые пакеты электрода U2,
должны быть включены еще два вспомогательных электрода U1 и
U3 (рис. 5.11). Эти электроды непрозрачные и служат лишь для перемещения зарядов. Для того чтобы организовать движение зарядового пакета вправо, на правый электрод U1 должно быть подано
более высокое, а на левый электрод U3 более низкое, чем на центральный электрод положительное напряжение, т. е. U1 <U2 < U3.
Это, если следовать гидромеханической аналогии, используемой
в ряде учебников, соответствует ситуации, когда под левым электродом находится менее глубокая, а под правым электродом более
глубокая, чем под центральным электродом потенциальная яма. В
а)
F
F¢
U1
U2
U3
U1¢
U1
в)
U2
U3
U1¢
U2¢
U3¢
U2¢
U3¢
F¢
F
U1
U3¢
F¢
F
б)
U2¢
U2
U3
U1¢
Рис. 5.11. Принцип организации движения зарядовых пакетов
78
результате зарядовый пакет как жидкость перекатывается в более
глубокую потенциальную яму. Ситуация при переносе зарядового
пакета слева направо проиллюстрирована на рис. 5.11.
Однако процесс переноса зарядовых пакетов в этой ситуации
можно более просто объяснить на основе электрических процессов в полупроводнике. Различие потенциалов между электродами приводит к тому, что между центральным и правым электродами внутри полупроводника образуется ускоряющее поле и
зарядовый пакет перемещается в сторону электрода с более высоким потенциалом. Между левым и центральным электродами
образуется тормозящее поле, препятствующее движению зарядового пакета в левом направлении. В результате спустя какоето время зарядовый пакет переместится из области центрального
электрода в область правого электрода.
Для организации конвейерного движения зарядовых пакетов
необходимо создать условия, при которых зарядовые пакеты всех
ячеек согласованно перемещаются от одной ячейки к другой. Это
можно пояснить с помощью рис 5. 13, где показаны элементы двух
соседних ячеек. Перемещение зарядовых пакетов из одной ячейки в соседнюю происходит за три такта — перемещения между
UÔ1
t1
t2
t3
t1
t2
t3
t
UÔ 2
t
UÔ3
t
Рис. 5.12. Трехфазные напряжения для организации движения
зарядовых пакетов
79
Íàïðàâëåíèå
ñäâèãà
Uô í1
Uô í2
Uô í3
Ñåêöèÿ
íàêîïëåíèÿ
Uô õ1
Uô õ2
Uô õ3
õðàíåíèÿ
Ñáðîñ
Íàïðàâëåíèå
ñäâèãà
Ñåêöèÿ
Âûõîäíîé
ðåãèñòð
Íàïðàâëåíèå
ñäâèãà
Uôð3
Uôð2
Uôð1
Âûõîäíîå
óñòðîéñòâî
Рис. 5.13. Схема ФПЗС с покадровым переносом зарядовых пакетов
электродами U2 ® U3, между электродами U3 ® U1 и электродами
U1 ¢ ® U2 ¢. (значки «штрих» означают, что они относятся к электродам следующего элемента). Это достигается подачей на электроды соответствующих напряжений. Картина аналогична для
всех ячеек. Поэтому соответственные электроды всех ячеек электрически соединяются, и на них от специального генератора подается трехфазное управляющее напряжение.
Организация структуры ФПЗС. Теперь рассмотрим, как указанные выше процессы в полупроводниках используются для
создания телевизионного ОЭП типа ФПЗС. Это лучше всего пояснить на примере так называемой ФПЗС с кадровым переносом,
упрощенная схема которой приведена на рис. 5.13. Она состоит
из трех секций — накопления, хранения и выходного регистра.
Секция накопления имеет матричную структуру с фоточувствительными ячейками, в которых под действием света формируются зарядовые пакеты. Секция хранения аналогична секции накопления по размерам, количеству и ориентации ячеек с той лишь
80
разницей, что ее ячейки прикрыты от света. Выходной регистр
содержит ячейки одной строки, также не доступные для света.
Для этого схема ФПЗС организована так, что в секциях накопления и хранения возможно движение зарядов вдоль столбцов, а в выходном регистре — вдоль строки. На выходе выходного регистра находится устройство, преобразующее поток зарядовых пакетов в видеосигнал. Каждая секция управляется своей группой трехфазных
напряжений, соответственно Uфн1, Uфн2 и Uфн3, Uфп1, Uфп2 и Uфп3,
Uфр1, и Uфр2 и Uфр3. Эти группы трехфазных напряжений, хотя и согласованы друг с другом, но являются самостоятельными, так как
работают в различное время и с различным темпом.
Рассмотрим принцип действия ФЗПС с кадровым переносом в
предположении прогрессивной развертки. В период прямого хода кадровой развертки Тk1 во всех ячейках секции накопления
происходит фотоэлектрическое преобразование и формирование
зарядовых пакетов. Во время обратного хода кадровой развертки Тk2 зарядовые пакеты с помощью трехфазного напряжения
Uфн1, Uфн2 и Uфн3 переносятся вдоль столбцов из секции накопления в секцию хранения. При этом секция накопления оказывается очищенной и готовой к формированию зарядовых пакетов
следующего кадра.
Во время обратного хода строчной развертки Tс2 зарядовые
пакеты в секции хранения с помощью трехфазного Uфп1, Uфп2 и
Uфп3 напряжения смещаются вниз на одну строку. При этом зарядовые пакеты нижней строки перемещаются в соответствующие ячейки выходного регистра. Во время прямого хода строчной
развертки Тс1 с помощью трехфазного напряжения Uфр1, и Uфр2
и Uфр3 зарядовые пакеты в выходном регистре последовательно,
поэлементно поступают на выходное устройство, в котором они
превращаются видеосигнал.
К концу прямого хода строчной развертки выходной регистр
очищается от зарядовых пакетов первой строки и готов к приему
зарядовых пакетов второй строки. Для этого в период обратного
хода строчной развертки зарядовые пакеты из секции хранения
смещаются вниз еще на одну строку. Процесс построчного смещения зарядовых пакетов в выходной регистр и их поэлементный
вывод в выходное устройства происходит до тех пор, пока не будут выведены зарядовые пакеты последней строки. Происходит
это к концу прямого хода кадровой развертки. При этом секция
хранения оказывается полностью очищенной и готова к приему
из секции накопления зарядовых пакетов следующего кадра.
81
Модификации ФПЗС. Надо сказать, что описанные выше схема и работа ФПЗС иллюстрируют лишь общие принципы телевизионных ОЭП этого класса. В действительности не все так просто
и однозначно. Во-первых, в составе ФПЗС существуют вспомогательные элементы, необходимые для реализации таких функций,
как принцип чересстрочной развертки, повышение четкости и
чувствительности, подавление различного рода помех, создаваемых, в частности, тактовыми импульсами и др. Во-вторых, есть
модификации ФПЗС, отличающиеся способом переноса зарядов.
В частности, существуют ФПЗС со строчным и строчно-кадровым
переносом зарядовых пакетов. Это, конечно, усложняет структуру ФПЗС. Однако суть описанных выше процессов в них сохраняется.
Существуют соображения в пользу тех или иных усложнений
и вариантов ФПЗС, на которых мы останавливаться не будем.
Важно отметить главное преимущество ФПЗС — малое число
внешних выводов, необходимых, как можно было убедиться, для
подведения трех групп трехфазных напряжений. И, естественно,
все преимущества МФТС, указанные ранее, в частности малые
габариты, низкие питающие напряжения и потребляемая мощность и др.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое телевизионный ОЭП и каковы его функции?
2. Укажите основные структурные элементы ТВ ОЭП.
3. Перечислите основные характеристики ТВ ОЭП.
4. Какие физические процессы используются в ТВ ОЭП для
фотоэлектрического преобразования?
5. В чем заключается принцип накопления заряда и каков создаваемый им эффект?
6. Укажите основные характеристики передающих трубок.
7. Каково устройство и принцип действия видикона?
8. Каковы модификации видиконов?
9. Что собой представляют матричные формирователи телевизионных сигналов с адресной коммутацией?
10. Как формируются зарядовые пакеты в фоточувствительных приборах с зарядовой связью?
11. Как организуется движение зарядовых пакетов в фоточувствительных приборах с зарядовой связью?
12. Поясните принцип действия фоточувствительного прибора
с зарядовой связью.
82
6. Телевизионные электрооптические
преобразователи
6.1. Общие характеристики
Телевизионные электрооптические преобразователи (ТВ
ЭОП) — это устройства, преобразующие одномерный видеосигнал в двумерное оптическое изображение. ТВ ЭОП является неотъемлемым элементом любой телевизионной системы, ее конечным звеном. В телевизионном ЭОП условно можно выделить такие процессы, как электросветовое преобразование, модуляция,
коммутация и накопление. При этом электросветовое преобразование, модуляция и коммутация являются принципиально необходимыми процессами и имеют место в любом телевизионном
ЭОП. А вот процесс накопления является необязательным, но желательным, так как позволяет повысить яркость воспроизводимого изображения.
В процессе электросветового преобразования происходит превращение электрической энергии в световую, при модуляции интенсивность светоизлучения меняется в соответствии с уровнем
видеосигнала, коммутация же определяет положение воспроизводимого элемента в плоскости изображения. Надо отметить,
что каждый из этих процессов не обязательно происходит в отдельных структурных элементах. В дальнейшем можно убедиться, что в одних телевизионных ЭОП процессы электросветового
преобразования и накопления реализуются в одном структурном
элементе, в других — коммутация и накопление.
6.2. Основные показатели и
характеристики телевизионных ЭОП
Размеры и яркость воспроизводимого изображения — показатели ТВ ЭОП, не требующие особых пояснений. Они должны соответствовать требованиям, вытекающим из целевого назначения
телевизионной системы и условий наблюдения изображений.
Разрешающая способность — показатель, характеризующий
способность ТВ ЭОП воспроизводить в изображении мелкие детали. Оценивается числом раздельно воспроизводимых линий,
укладывающихся по высоте кадра, в предположении идеальности сигнала на входе ЭОП. В аналоговых (электронно-лучевых) ТВ
ЭОП разрешающая способность определяется размерами аперту83
ры — сечением электронного пучка, в дискретных (матричных)
ТВ ЭОП — числом строк или общим числом элементов в светоизлучающей матрице.
Спектральная характеристика представляет собой зависимость интенсивности излучения от длины волны света. Она зависит от свойств светоизлучающих материалов ТВ ОЭП. Надо, однако, отметить, что в данном случае играет роль не сама спектральная характеристика, а то, какому цвету в восприятиях наблюдателя она соответствует. Для черно-белого телевидения необходимо, чтобы ТВ ЭОП имели такую спектральную характеристику,
при которой светоизлучение воспринималось как белый цвет.
Характеристика последействия определяет закон, по которому изменяется яркость светоизлучающего элемента после его
коммутации. Для электронно-лучевых ТВ ЭОП последействие заключается в неуправляемом послесвечении экрана, в матричных
оно зависит от коммутирующих и управляемо. Если последействие не превышает период кадровой развертки Tk, то оно может
рассматриваться как реализация принципа накопления, а в случае превышения Тk, как инерционность. Первое — хорошо, так
как увеличивает яркость изображения, второе — плохо, так как
приводит к появлению искажений типа «смаз» изображения.
Модуляционная характеристика — это зависимость яркости
излучения ТВ ЭОП от величины подведенного к нему видеосигнала.
Существующие телевизионные ЭОП отличаются большим разнообразием по размерам воспроизводимого изображения, принципу действия, характеристикам и т.д. Чтобы систематизировать
телевизионные ЭОП, выделим признаки, на основе которых они
могут быть классифицированы.
1. Размеры изображения: а — малые, б — большие экраны.
2. Характер поля изображения: а — аналоговый (сплошной),
б — дискретный (матричный).
3. Принцип построения: а — электронно-лучевые, б — газоплазменные, в — твердотельные.
4. Способ представления изображений: а — непосредственное,
б — проекция на светорассеивающий экран.
5. Метод модуляции: а — непосредственно источника света,
б — пространственно-временным модулятором независимого источника света.
Все известные телевизионные ЭОП характеризуются определенным набором реализаций указанных выше признаков. Неко84
торые варианты признаков являются предпочтительными. Но,
конкретно, использование тех иди иных вариантов ТВ ЭОП зависит от назначения, технической реализуемости, экономических и
других соображений. Далее будут рассмотрены широко используемые в настоящее время ТВ ЭОП: кинескопы (признаки 1а, 2а,
3а, 4а, 5а), жидкокристаллические экраны (признаки 1а, 2б, 3в,
4а, 5б), газоразрядные панели (признаки 1б, 2б, 3б, 4а, 5а) и проекционные системы (признаки 1б, 2б, 3в, 4б, 5б).
Электросветовое преобразование. Вид используемого электросветового преобразования существенно влияет на структуру,
конструкцию и характеристики телевизионного ЭОП. При этом
при электрооптическом преобразовании необходимо не только
превращать электрическую энергию в световую, но изменять (модулировать) его интенсивность. В большинстве случаев электросветовое преобразование основано на использовании явления люминесценции.
Люминесценция — это процесс излучения света, основанный
на непосредственных квантовых процессах в веществе. Суть ее
заключается в том, что при подведении к веществу некоторой
энергии, его атомы приходят в возбужденное состояние. При возврате в исходное состояние они отдают энергию в виде светового
излучения. Вещество, которое обладает свойствами люминесценции, называется люминофором. Свойства люминофора, (в частности, интенсивность и спектральный состав излучения) во многом
зависят от материала и свойств образующего его вещества. Процесс люминесценции происходит в соответствии с квантовыми
законами. Так, атомы вещества могут находиться лишь в определенных (разрешенных) энергетических состояниях (уровней) Е0,
Е1, Е2, Е3, … (рис. 6.1). При возврате атомов в исходное состояние (с минимальным энергетическим уровнем) излучаются фотоны, частота которых имеет строго определенные значения, выE3
E2
E1
E0
Âîçáóæäåíèå
Èçëó÷åíèå
Рис. 6.1. Пояснение механизма люминесценции
85
текающие из известного квантового закона ∆E = hν, где ν — частота света, h — постоянная Планка, ∆E — разность энергетических уровней. Так как энергетических состояний (уровней) может быть много, то излучения происходят не на одной частоте,
а в виде некоторого спектра частот. Надо отметить, что явление
люминесценции прямо не связано с температурой вещества. Она,
в отличие от теплового излучения, может иметь место при сравнительно низких температурах, благодаря чему получила название «холодный свет».
В зависимости от вида энергии, подводимой к веществу, существуют различные виды люминесценции: — хемилюминесценция — свечение за счет энергии химических реакций, биолюминесценция — свечение за счет биологической энергии живых существ, катодолюминесценция — за счет кинетической энергии
электронных пучков, электролюминесценция — за счет энергии
электрического поля, фотолюминесценция — за счет лучистой
энергии и др. В телевизионных ЭОП используются только катодолюминесценция, электролюминесценция и фотолюминесценция.
Специфична фотолюминесценция, в этом случае лучистая
энергия подводится к люминофору и лучистая энергия (свет) излучается им. Так как при проникновении лучистой энергии в вещество имеют место неизбежные потери, то энергия фотонов излучаемых ниже энергии падающих фотонов. Поэтому в случае
фотолюминесценции частота излучаемого света, ниже частоты
поступающей на вещество лучистой энергии.
Модуляция и коммутация. Интенсивность излучения люминофора прямо зависит от подводимой к люминофору энергии,
варьируя которой, можно изменять величину светового излучения, т. е. осуществлять его модуляцию. В телевизионных ЭОП
электронно-лучевого типа (кинескопах) коммутация поля изображения производится с помощью узко сфокусированного электронного пучка, перемещающегося по полю изображения по закону развертки. Эффект же модуляции достигается путем изменения его плотности. Таким образом, в этом случае процесс модуляции предшествует процессам коммутации и светоизлучения.
В телевизионных ЭОП типа самосветящихся экранов (газоплазменные и электролюминесцентные панели), выполняемых
обычно по матричной схеме, используется адресная коммутация.
Но и в этих случаях коммутация и модуляция предшествует светоизлучению.
86
В последнее время используется еще один тип организации
процессов формирования телевизионных изображений — путем
пространственно-временной модуляции постоянного светового
потока, излучаемого независимым источником света. В этом случае функции генерации светового потока и его модуляции выполняются отдельными независимыми элементами. При этом такой
показатель как яркость определяется источником света, а качество изображения (четкость, контрастность) — пространственновременным модулятором света (ПВМС). При этом под ПВМС понимается некоторое устройство, прозрачность которого по некоторой поверхности неодинакова, соответствуя структуре воспроизводимого изображения и эта структура может изменяться во
времени в соответствии с видеосигналом. В телевизионных ЭОП,
основанных на этом принципе, последовательность функций такова: генерация света, коммутация, модуляция.
6.3. Кинескоп
Кинескоп представляет собой вакуумный электронно-лучевой
прибор, осуществляющий преобразование одномерного электрического сигнала (видеосигнала) в двумерное оптическое изображение. Кинескоп был тем телевизионным ЭОП, который в 1934
году вместе с иконоскопом образовали первую полностью электронную телевизионную систему. Кинескоп и по настоящее время является наиболее распространенным типом телевизионного
ЭОП. Хотя со времени своего создания кинескоп претерпел множество изменений и модификаций, его основная схема и принцип
работы сохранились неизменными.
Устройство кинескопа. Упрощенная схема кинескопа для воспроизведения черно-белых изображений приведена на рис. 6.2.
Кинескоп представляет собой вакуумный баллон, состоящий из
расширенной части — колбы и узкой цилиндрической части —
горловины. В горловине расположен электронный прожектор,
формирующий узко сфокусированÎÑ
Ý
ный электронный пучок, направляеÝÏ
мый в сторону днища колбы, на которое нанесен люминесцентный экран.
На стыке горловины и колбы кинескопа находится отклоняющая система, обеспечивающая отклонение
Рис. 6.2. Упрощенная схема
электронного пучка в горизонталькинескопа
ном и вертикальном направлениях.
87
Электронный пучок движется с большой скоростью, и кинетическая энергия электронов вызывает свечение экрана. Рассмотрим
отдельные узлы кинескопа.
Электронный прожектор. Упрощенная схема электронного
прожектора показана на рис. 6.3, а. Он состоит из термокатода К,
имеющего нулевой потенциал, модулятора М, имеющих отрицательный потенциал, т. е.Uм < 0 и двух анодов А1 и А2, имеющие
положительный потенциал, причем UА2 > UА1. Катод является
источником электронов. Электрическое поле между катодом, модулятором и первым анодом образуют электронную линзу предварительной фокусировки, а электрическое поле между первым
и вторым анодом — линзу главной фокусировки. Линза предварительной фокусировки выполняет две функции — образует область сужения электронного пучка и изменением отрицательного потенциала на модуляторе регулирует плотность электронного
пучка. Линза главной фокусировки проецирует область сужения
образованной линзой предварительной фокусировки в плоскость
экрана.
Огибающая электронного пучка имеет в этом случае вид, показанный на рис. 6.3, б. При этом электроны пучка выходят из
электронного прожектора со скоростью, определяемой потенциалом второго анода. Для черно-белых кинескопов он составляет
12—16 кВ. В расширенной части кинескопа электрическое поле
отсутствует, и электроны пучка летят по траекториям, определяемым электронным прожектором, и подходят к экрану со скоростями, определяемыми потенциалом второго анода.
Отклоняющая система. В кинескопах, в отличие от осциллографических трубок, используется не электростатическое, а магнитное отклонение. Это позволило уменьшить диаметр горловины кинескопа и получить более широкие углы отклонения. Реа)
Ê
б)
Ì
À1
À2
Ê
Ý
Рис. 6.3. Схема простейшего электронного прожектора (a) и
огибающая электронного пучка (б)
88
ализуется оно с помощью отклоняющей системы, состоящей из
двух пар ортогонально расположенных отклоняющих катушек.
Одна пара катушек, называемая строчной, создает вертикально
ориентированное, поперечное к оси кинескопа магнитное поле.
Другая пара катушек, называемая кадровой, также создает поперечное оси кинескопа поле, но ориентированное горизонтально. Напомним, что несовпадение ориентации магнитных полей с
направлением отклонения электронного пучка обусловлено тем,
что вектор силы, действующей на электрон, перпендикулярен
плоскости, в которой находятся векторы магнитного поля и скорости движения электрона. Электроны пучка, попав в сферу действия магнитного отклоняющего
поля, начинают двигаться по дуr
гам окружностей (рис. 6.4). Радиус кривизны r зависит от силы
магнитного поля; чем она выше,
тем меньше радиус кривизны и
тем больше закручиваются электроны. За пределами отклоняюРис. 6.4. Схема отклонения
щего магнитного поля электроэлектронного пучка
ны движутся по прямолинейным
траекториям, касательными к дуге окружности в месте их выхода. Итак, чем выше отклоняющий
ток, тем выше напряженность магнитного поля, тем меньше радиус кривизны дуги окружности и тем больше отклонение пучка. К горизонтально отклонявшим катушкам подводится пилообразный ток строчной развертки, обеспечивающий перемещение
электронного пучка в плоскости экрана вдоль строк. А к вертикально отклоняющим катушкам — пилообразный ток кадровой
развертки, благодаря чему происходит смещение строк по вертикали.
Экран. Наиболее ответственной частью кинескопа, существенно влияющей на его общие характеристики, является люминесцентный экран. Основу экрана составляет катодолюминофор — кристаллическое вещество, способное излучать свет под
действием кинетической энергии электронного пучка. В качестве
катодолюминофора используются такие материалы, как сернистый цинк ZnS, оксид цинка ZnO и др. Важную роль играют так
называемые активаторы — металлы, которые в небольших количествах добавляют к катодолюминофору. Роль активаторов
следующая. Активаторы, деформируя кристаллическую решет89
ку катодолюминофора, создают множество новых разрешенных
энергетических уровней. А это, с одной стороны, повышает эффективность излучения, а с другой стороны — подбором материалов менять цвет излучения. В качестве активаторов используются цинк Zn, марганец Mn и некоторые другие металлы. Материал
катодолюминофора, активированного металлом обозначают ZnO.
Zn, что означает оксид цинка, активированный цинком.
При попадании электронного пучка на некоторый, например
i-й, i = 1,2,3,…, N) участок экрана, происходит эффект возгорания — процесс увеличения яркости свечения катодолюминофора в этом участке.. Возгорание происходит не мгновенно, но достаточно быстро. (рис. 6.5). После ухода электронного пучка для
коммутации других участков экрана, на i-том участке начинается процесс затухания яркости, которое происходит относительно медленно. Это явление называется послесвечением. Наличие
послесвечения, с одной стороны, является положительным эффектом, так как оно в какой-то мере реализует принцип накопления, увеличивая тем самым яркость свечения. А, с другой стороны, если оно будет чрезмерным, то будет проявляться инерционность — наложение на последующие кадры остаточных изображений предыдущих кадров. Реально послесвечение должно быть
таково, чтобы к новому приходу (в следующем кадре) электронного пучка на i-й участок свечение, вызванное предыдущим кадром, практически упало до нуля.
Катодолюминофор, нанесенный на стеклянную поверхность
экрана, излучает свет во все стороны. Часть световых лучей проB/B max
1,0
0,8
1
0,6
2
0,4
0,2
τý
0,01
0
0
10
20Tk 30
TÏÑ
40
50
t,mc
Рис. 6.5. Характеристика послесвечеия люминофора: 1 — оптимальное
время послесвечения; 2 — послесвечение превышающее время кадра
90
ходит сквозь стекло и создает видимое изображение. Однако часть
лучей направляется внутрь колбы. Это не только уменьшает полезный световой поток, но, многократно отражаясь от стенок колбы, возвращается на экран, создавая паразитную подсветку. Это
снижает контрастность видимого изображения. Свободными от
этих эффектов являются так называемые металлизированные
экраны, в которых на обращенную внутрь колбы сторону катодолюминофора нанесена тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка
достаточно тонкая, позволяя пробивать ее практически без энергетических потерь. Для излучения люминофора она является
своеобразным отражателем, направляя весь световой поток в сторону стеклянного основания. В этом случае весь световой поток,
излучаемый люминофором, является полезным. Алюминиевая
пленка улучшает и другие физические характеристики экрана:
стабилизирует потенциал экрана, улучшает отвод тепла и др.
Характеристики кинескопа. Одной из основных характеристик кинескопа являются его конструктивные данные. Все современные кинескопы выполняются с прямоугольными экранами
с отношением ширины к высоте, равным 4:3 (или 5:4). Основной
его конструктивной характеристикой является размер диагонали
экрана. Она определяет размеры телевизионного изображения,
наблюдаемого зрителем. Здесь наблюдается широкий диапазон
размеров: от 12 до 61 см. Все зависит от назначения телевизионного устройства, в котором используется кинескоп. Второй важной конструктивной характеристикой является максимальный
угол отклонения электронного пучка, определяемый по диагонали экрана. Типичные значения этого угла 55, 70, 90 и 110 градусов. Угол отклонения существенно влияет на длину кинескопа
(расстояние от цоколя на горловины до экрана). Чем больше угол
отклонения, тем меньше длина кинескопа и, соответственно, глубина устройства, в котором он используется. Правда, при больших углах возникают сложности, связанные с необходимостью
увеличения мощности системы отклонения и компенсации возникающих искажений. Модуляционная характеристика кинескопа представляет собой зависимость яркости свечения от приложенного к модулятору напряжения. Типичная модуляционная
характеристика показана на рис. 6.6. Она имеет нелинейный характер. И это должно быть учтено при определении характеристики преобразования телевизионной системы в целом.
Рабочая область световой характеристики находится в области отрицательных напряжений на модуляторе. Телевизионный
91
сигнал подается в позитиве, как
это показано на рис. 6.6. Напряжение смещения и размах телевизионного сигнала выбираются такими, чтобы уровень гасящих импульсов соответствовал
uM
uM3
потенциалу запирания кинеuñ
0
скопа, а уровень белого не заходил в положительную область.
В принципе кинескоп может работать и при негативном телевизионном сигнале. В этом случае
его следует подавать на катод
при соблюдении указанных выше условий.
t
Спектральная характеристика
кинескопа определяется веРис. 6.6. Типичная
ществом люминофора и испольмодуляционная
зуемых в нем активаторов. Эти
характеристика кинескопа
характеристики
отличаются
%
большим разнообразием. Однако
80
во всех случаях желательно, чтобы максимум спектральной ха60
рактеристики находился в преде40
лах видимой части спектра.
20
Практически знание спектральной характеристики не яв0
0,4
0,5
0 ,6
λ,íì
ляется первостепенным. Главным критерием является цвет
Рис. 6.7. Спектральная
свечения, т. е. как воспринимает
характеристика люминофора
глаз излучение с заданной спекчерно-белых кинескопов
тральной характеристикой. В
(пунктир—кривая видности
черно-белом телевидении он доглаза)
жжен быть белым. Следует отметить, что однокомпонентных люминофоров, имеющих белое
свечение, нет. Поэтому в черно-белых кинескопах используются
двухкомпонентные люминофоры, излучающие соответственно
желтый и голубой цвет, которые при наблюдении дают ощущение белого цвета (рис. 6.7).
Модификации кинескопов. В процессе своего исторического
развития кинескопы претерпевали множество изменений и улучÓðîâåíü ÑÈ
92
BÑ
Óðîâåíü ÃÈ
B
шений. Увеличивались размеры и характеристики экранов; совершенствовались электронные прожекторы, системы фокусировки и отклонения. И в этом отношении были достигнуты серьезные успехи. Однако интенсивное развитие цветного телевидения в последние десятилетия привели к тому, что надобность
в черно-белых кинескопах, особенно с экранами больших размеров, практически отпала. В разработку и производство пошли
цветные кинескопы. Принципиальная схема (вакуумный баллон, электронный прожектор, система отклонения и люминесцентный экран), а также характер основных процессов (формирование узких электронных пучков, их отклонение, бомбардировка электронами люминесцентного экрана) сохранены и в цветном
кинескопе. Однако необходимость воспроизведения цветных изображений накладывает на цветные кинескопы ряд специфических функций, реализация которых существенно усложняют и
конструкцию и процессы.
6.4. Жидко-кристаллические (транспарантные) экраны
В последнее время все большее распространение получают телевизионные ЭОП, получившие название жидкокристаллических
экранов. Это название не вполне корректное, так как основано на
учете лишь одного, хотя и специфичного, структурного элемента — пространственно-временного модулятора света, а не системы
воспроизведения телевизионных изображений в целом. Более логично их назвать транспарантными, так как они устроены и действуют по принципу оптических транспарантов. В этом случае источник белого света создает однородно светящееся поле, размеры
которого соответствует размерам воспроизводимого изображения.
Перед источником света устанавливается полупрозрачная маска,
на которую нанесено воспроизводимое изображение — текст, картина и т. п. При этом эта маска является своего рода пространственным модулятором независимого источника света.
В телевизионных ЭОП транспарантного типа используются
пространственно-временные модуляторы света (ПВМС), которые
модулируют световой поток не только пространственно, т. е. по
полю изображения, но и во времени, изменяя структуру изображения в соответствии с видеосигналом. Реализуемость транспарантных экранов, во многом определялась возможностью создания простого, эффективного, качественного ПВМС. Таким оказался ПВМС, основанный на использовании свойств жидких кристаллов.
93
Повышенный интерес и все более широкое распространение
телевизионных ЭОП с жидкокристаллическими ПВМС объясняется рядом существенных достоинств, а именно:
1) более высокие яркость, четкость и контрастность изображений;
2) невысокие питающие напряжения и невысокая потребляемая мощность;
3) отсутствие опасных рентгеновских излучений;
4) малые габариты по глубине и вес.
Особенности жидких кристаллов. Жидкие кристаллы — это
вещества, являющиеся жидкостями, но имеющие свойственную
кристаллам упорядоченную кристаллическую структуру. В зависимости от характера упорядоченности различают три типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.
В первых двух типах молекулы линейно упорядоченные по всем
слоям (в смектических более строго, чем в нематических). В холестерических жидких кристаллах молекулы от слоя к слою поворачиваются на определенный угол. Эту особенность называют
«твист-эффектом».
В телевизионных ПВМС используется нематические жидкие
кристаллы При прохождении света сквозь жидкий кристалл в
соответствии с ориентацией молекул происходит поворот плоскости поляризации света. При приложении к жидкому кристаллу напряжения происходит раскручивание молекул по слоям, и
уменьшение угла поворота плоскости поляризации проходящего
сквозь него света.
Для того чтобы преобразовать «твист-эффект», в общем-то,
прозрачного жидкого кристалла, для изменения его прозрачности в состав ПВМС включают два поляризатора П1 и П2, установленные, соответственно, перед и после жидкого кристалла. Схема
действия такого ПВМС проиллюстрирована на рис. 6.8.
Здесь ИС — источник света, П1 и П2 — поляризаторы, ЖК —
жидкий кристалл. Плоскости поляризации поляризаторов полагаем ориентированными вертикально. Полагаем также, что параметры ПВМС выбраны так, что при отсутствии напряжения на
жидком кристалле поворот плоскости поляризации проходящего
через него света составляет 90 градусов.
Тогда при отсутствии на жидком кристалле напряжения (U = 0)
картина будет выглядеть следующим образом (рис. 6.8, a). После
прохождения первого поляризатора П1 из естественного (неполяризованного) света источника света ИС остаются только верти94
а)
F
æê
φ=90 °
ÈÑ
Ï1
б)
Uñ =0
F ¢= 0
Ï2
F
0<Uñ <Uñ max
æê
0<φ<90°
ÈÑ
¢
0< F ¢< F max
Ï2
Ï1
в)
Uñ=Uñmax
F
ÈÑ
Ï1
æê
φ=0
¢
F ¢=Fmax
Ï2
Рис. 6.8. Схема действия ПВМС
кально поляризованные составляющие. Проходя через жидкий
кристалл ЖК, происходит поворот плоскости поляризации света
на 90 градусов, т. е. свет становится горизонтально поляризованным.
Свет на выход не проходит, так как второй поляризатор П2
пропускает лишь вертикально ориентированные составляющие.
Если подать на жидкий кристалл некоторое напряжение (0 < U
< Uс.max) то, при прохождении сквозь него вертикально поляризованного света, угол поворота плоскости будет меньше, чем 90
градусов (рис. 6.9, б). Это означает, что прошедший сквозь жидкий кристалл свет будет иметь горизонтально ориентированную
составляющую плоскости поляризации, которая проходит через поляризатор П2. При дальнейшем увеличении напряжения
на жидком кристалле угол поворота будет уменьшаться, соответственно будет увеличиваться горизонтальная составляющая
плоскости поляризации и величина прошедшего сквозь систему
светового потока. Это будет происходить до тех пор, пока не достигнет некоторого максимального значения Umax, при котором
поворота плоскости поляризации света не будет и он полностью
пройдет через второй поляризатор П2. Таким образом, меняя на95
пряжение на жидком кристалле можно регулировать величину
проходящего сквозь систему светового потока, т. е. осуществлять
его модуляцию. При изменении величины напряжения во времени, соответственно будет меняться и световой поток.
Рассмотренные выше процессы поясняют принцип реализации модулирующего эффекта с помощью жидких кристаллов
применительно к одной ячейке, соответствующей одному элементу телевизионного изображения. В действительности поле изображения состоит из большого числа жидкокристаллических
ячеек. В этом случае для их управления используется адресная
система коммутации. Для этого к матрице жидкокристаллических ячеек подключают с одной стороны столбцовые шины, а с
другой стороны — строковые шины. Коммутируется та ячейка,
в которой одновременно существуют строчные и столбцовые отпирающие импульсы. На эти же шины подаются управляющие
импульсы для модуляции ячеек.
В процессе развертки последовательно, в соответствии с видеосигналом, на ячейки подаются модулирующие напряжения. Так
как, в общем случае, напряжение видеосигнала неодинаково для
разных ячеек, то неодинаковой будет их прозрачность. Распределение напряжений на ячейках и, соответственно, их прозрачность могут изменяться не только в пределах кадра, образуя двумерные изображения, но и от кадра к кадру, обеспечивая изменение их структуры во времени.
Обычно жидкокристаллические экраны используются не в
черно-белом, а в цветном варианте. В этом случае одному цветному телевизионному элементу соответствуют три ячейки жидкокристаллического экрана, перед которыми устанавливаются светофильтры основных цветов, принятых в цветном телевидении, а
именно красного, зеленого и синего цветов. Эти ячейки должны
управляться видеосигналами красного, зеленого и синего каналов.
6.5. Большеэкранные телевизионные системы
К большеэкранным телевизионным системам условно относят телевизионные ЭОП, в которых размеры воспроизводимых
изображений превышают 1 м по диагонали. Интерес к большеэкранным телевизионным ЭОП проявляется по двум причинам.
Во-первых, для индивидуальных пользователей увеличение размеров экрана означает увеличение расстояния рассматривания.
При этом у зрителя при рассматривании плоских изображений
96
легче возникают отображенные в них пространственные образы.
Объясняется это тем, что с увеличением расстояния рассматривания ослабляется противодействие бинокулярных факторов,
фиксирующих находящийся на конкретном расстоянии плоский
экран. Во-вторых, и это, пожалуй, главное, они являются средством воспроизведения изображений для коллектива зрителей,
например в лекционных аудиториях, зрительных залах и т. п.
Основные направления развития большеэкранных телевизионных ЭОП — многокинескопные системы, проекционные системы и газоплазменные панели.
Многокинескопные системы. Одним из направлений получения телевизионных изображений больших экранов является использование многокинескопных систем. В этом случае зрительное поле образуется экранами нескольких расположенных по
высоте и ширине зрительного поля кинескопов. Так при девяти
кинескопах, расположенных по схеме 3 × 3, размеры зрительного
поля увеличиваются по длине и ширине в три, а по площади — в
девять раз. В этом случае треть строки воспроизводится на первом кинескопе, другая треть — на втором рядом находящемся
кинескопе, третья треть — на третьем кинескопе. Соответственно по вертикали первый ряд кинескопов воспроизводит первую
треть, второй ряд — вторую треть, третий ряд — третью группу
строк.
Особенностью этого метода является еще и то, что, варьируя
числом кинескопов по горизонтали и вертикали, можно менять
формат изображения. Так, схеме 4 × 3 соответствует формат 16
: 9, также используемый в телевидении. Светоизлучения экранов кинескопа в широких углах определяет еще одно достоинство
многокинескопных систем — возможность наблюдения составного изображения зрителями, находящимися под большими углами к его поверхности.
Однако в многокинескопных большеэкранных системах не все
так просто. В таких системах должна использоваться специальная схема управления, распределяющая видеосигнал по кинескопам зрительного поля. Существенную проблему представляет
поддержание на экранах составляющих кинескопов одинаковой
яркости, контрастности и других показателей качества изображений. Определенную проблему составляет и наличие темных
стыков между экранами составляющих кинескопов, заметность
которых влияет на восприятие составного изображения. Поэтому многокинескопные системы имеют ограниченное применение,
97
В частности, они используются в основном в концертных залах.
Там они служат как средство увеличения, дающее возможность
зрителям, находящимся в дальних рядах зрительного зала, видеть крупным планом лицо докладчика, артиста и т. п.
Проекционные системы. Принцип действия телевизионных
ЭОП проекционного типа аналогичен тому, что имеет место при
диа- и кинопроекции. Маленькое светящееся изображение оптическим путем проецируется с увеличением на большой светорассеивающий экран и рассматривается зрителями. В этом случае
яркость изображения на светорассеивающем экране Вэ и светящегося изображения Ви связаны соотношением
Bý = ηîñ rý Bè / V ,
где hос — световой КПД оптической системы; rэ — коэффициент
яркости светорассеивающего экрана; V — линейное увеличение
системы проекции. Реально hос даже для специальных оптических систем не превышает 5—10 %, rэ для светорассеивающих
экранов умеренной направленности — 2—5, так что произведение hос rэ находится примерно в пределах 0,1—0,5, т. е., хотя и
влияет на соотношение яркостей, но не столь существенно, как
увеличение V, входящее в это уравнение в квадрате. Так уже при
десятикратном увеличении яркость светящегося изображения
должна быть увеличена по сравнению с яркостью на светорассеивающем экране в 100 раз. При больших увеличениях эта разница будет еще более существенной. И именно это обстоятельство
всегда было главной причиной сложности построения телевизионных проекционных систем. В историческом плане можно выделить три этапа развития подобных систем.
На первом этапе в качестве источника светящегося изображения использовались специальные проекционные кинескопы, отличающиеся повышенной яркостью свечения. Такие кинескопы
имели диаметр экрана 6—17 см. Для увеличения яркости в них
использовалось повешенное до 25—50 кВ ускоряющее напряжение и увеличенный ток электронного пучка. На основе таких кинескопов при использовании специальной зеркально-линзовой
оптики и направленных светорассеивающих экранов был создан
ряд проекционных систем с размерами изображений от 1 до 10 м
по диагонали.
Такие системы, помимо громоздкости, малого срока службы и
сложности эксплуатации, позволяли получать приемлемые изображения лишь при условии рассматривания их в затемненном
98
помещении, что не всегда было удобным. Главное ограничение в
повышении яркости и размеров изображения на светорассеивающем экране заключалось в том, что проекционный кинескоп, как
и обычный, являлся одновременно генератором света и его модулятором. Стремление увеличить яркость неизбежно вело к снижению качества изображения, в первую очередь четкости и контрастности.
Ограничения, свойственные проекционным кинескопам, привели к повышенному интересу к проекционным системам, основанным на принципе пространственно-временной модуляции
светового потока независимого источника света. И вторым этапом развития проекционных систем следует считать использование в них пространственно-временных модуляторов, основаных
на электронно-лучевом принципе. Такие модуляторы представляли собой вакуумные электронно-лучевые приборы, содержащие некую двумерную мишень, прозрачность (или отражающая
способность) поверхности которой изменяется в соответствии со
структурой телевизионного изображения. Формирование такого
изображения происходило за счет созданного электронным прожектором узко сфокусированного электронного пучка, перемещающегося по мишени по закону развертки, плотность которого управлялась видеосигналом. Световой поток независимого источника света, проходя сквозь мишень, создает ярко светящееся
изображение, которое оптически проецируется на светорассеивающий экран.
Практически были реализованы два типа таких систем — на
скиатроне и типа «Эйдофор». В скиатроне использовалась мишень
из хлористого калия. Под действием электронного пучка происходила ионизация, вызывавшее потемнение, пропорциональное его
плотности. Плотность системы «Эйдофор» основана на использовании так называемого «прозрачного» модулятора, в котором под
действием электронного пучка происходит деформация модулирующей среды, вызывающая рассеяние проходящего сквозь нее
светового потока. Для того чтобы преобразовать эффект рассеяние в потемнение, необходимое для модуляции светового потока,
модулирующая среда помещается между двумя системами щелей. Они установлены так, что при отсутствии деформации модулирующей среды, свет, прошедший через первую систему щелей,
перекрывается непрозрачными перегородками второй системы
щелей, так что свет не проходит через модулятор. При облучении
модулирующей среды электронным пучком, возникшие на ней
99
деформации рассеивают проходящий через нее световой поток и
часть его проходит сквозь вторую систему щелей. При этом, чем
больше плотность электронного пучка, тем выше вызванные им
деформации модулирующей среды и ее рассеивающее действие.
Соответственно выше и прошедший сквозь вторую систему щелей световой поток.
Системы скиатрон и «Эйдофор» можно рассматривать как
примеры практических реализаций непрозрачных и прозрачных пространственно-временных модуляторов света электроннолучевого типа. Однако широкого практического применения они
не получили. Скиатрон, хотя и является более простым вариантом решения пространственно-временной модуляции, не обеспечивает необходимого качества изображений из-за низкой контрастности и значительной инерционности. Система же «Эйдофор» оказалась чрезвычайно сложной и громоздкой конструкцией. В частности, помимо электронной части, в ней предусматривались вакуумный насос для поддержания необходимого вакуума,
холодильная установка — для охлаждения модулирующей среды
и др.
Третий этап соответствует созданию проекционных систем, в
которых используются матричные пространственно-временные
модуляторы света. Они отличаются малыми габаритами, обеспечивают высокую яркость и качество изображений. Существует
целый ряд вариантов проекционных систем, отличающихся типом и принципом действия. Наиболее часто используются проекционные системы с жидкокристаллическими пространственновременными модуляторами света (ЖК ПВМС). Действие таких
модуляторов света аналогично
описанному ранее телевизионному ЭОП транспарантного тира
на жидких кристаллах. Отличие заключается в том, что они отличаются значительно меньшими габаритами 20—40 мм и более
высокой термостойкостью, ибо интенсивно освещаются высокоинтенсивным источником света.
Упрощенная оптическая схема такой системы проекции показана на рис. 6.9.
На рисунке: ИС — высокоинтенсивный метало-галоидный
источник света, близкого к белому, К — конденсор, обеспечивающий равномерное освещение жидкокристаллического
пространственно-временного света с помощью объектива, проецирующего яркое изображение на выходе ЖКМ на светорассеивающий экран.
100
ÆÊÌ
ÈC
Îáúåêòèâ
Ê
Ýêðàí
Рис. 6.9. Упрощенная схема системы проекции на экран
Обычно источник света, конденсор, ЖК модулятор и объектив представляют собой единую конструкцию, называемую видеопроектором. Габариты видеопроекторов этого типа невелики и
он обычно выполняется в виде переносного блока.
Газоплазменные панели. Это большеэкранные телевизионные ЭОП, относящиеся к категории самосветящихся экранов.
Представляют собой панель сравнительно больших размеров, состоящую из большого числа индивидуальных ячеек, каждая из
которых соответствует одному элементу изображения. Ячейка
представляет собой замкнутую чашеобразную конструкцию, заполненную газом. На дне находятся два электрода. На стенки и
дно чашки нанесен фотолюминофор. При коммутации ячейки к
ее электродам подается определенное напряжение, вызывающее
внутри нее газовый разряд (плазму), в результате которого возникает интенсивное ультрафиолетовое излучения. Эти излучения
попадают на фотолюминофор, который за счет фотолюминесценции излучает видимый свет.
Свечение ячейки продолжается столько времени, сколько действует поддерживающее разряд напряжение. Это время может
быть сделано равным периоду кадра, т. е. и в данном случае действует принцип накопления световой энергии, повышающий яркость свечения ячейки. Коммутация ячеек газоплазменной панели — адресная. Для этого один из электродов ячеек подключен к
строковым шинам, другой к столбцовым. Загорается та ячейка, у
которой совпадают отпирающие импульсы обеих шин. Светится
она до тех пор, пока на нее не подается запирающий импульс.
Интересна организация процедуры модуляции светового потока. Она необычна. Дело в том, что управлять интенсивностью
газового разряда путем изменения отпирающего напряжения
практически невозможно. Газовый разряд либо существует, либо
101
его нет. Поэтому изменение видимой яркости ячеек достигается
путем широтно-импульсной модуляции, т. е. изменением времени газового разряда в течение периода кадра. По закону Тальбота
визуальная яркость определяется средней яркостью свечения за
период кадра. Так, если газовый разряд существует в течение периода кадра, то визуальная яркость максимальна. По мере уменьшения длительности разряда, визуальная яркость будет падать и
становится равной нулю, когда разряд вообще не возникает.
Понятно, что по своей конструкции и принципу действия экраны на газоплазменных панелях могут быть реализованы только
в случае сравнительно больших размеров. Яркость изображений,
создаваемая газоплазменными панелями сравнительно высока,
достигая 700 кд/м2, и мало зависит от размеров ячейки. И это понятно. Чем больше панель, тем больше размеры ее ячеек и тем
выше излучающая свет поверхность. Определенными ограничениями служат сравнительно большой расход мощности и высокие тепловые излучения, зависящие от размеров панели.
В отличие от проекционных систем, содержащих разнесенные
в пространстве видеопроекторы и экраны, газоплазменные панели самодостаточны, т. е. все что нужно для воспроизведения телевизионных изображений содержится в самой панели. И еще одна
особенность — малая зависимость яркости от угла, под которым
находится наблюдатель относительно экрана. Практически они
используются в телевизорах большого экрана (размерами от 0,8
до 1,6 м по диагонали), но чаще они устанавливаются в больших
залах и даже на улицах.
В принципе газоплазменные панели могут быть построены в
черно-белом варианте. Для этого следует ячейки покрыть смесью лиминофоров, излучающих белый свет. Практически однако
газоплазменные панели выпускаются только цветными. В этом
случае одному цветному телевизионному элементу соответствуют
три газоплазменные ячейки, покрытые, соответственно, люминофорами красного, зеленого и синего свечения.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое телевизионный электронно-оптические преобразователь и каковы его характеристики?
2. Что такое люминесценция и каковы ее характеристики?
3. Расскажите об устройстве кинескопа.
4. Какова структура и характеристики экранов кинескопов?
102
5. Каково устройство и принцип действия жидкокристаллических экранов?
6. Расскажите об особенностях телевизионных систем.
7. Каковы особенности телевизионных проекционных систем с
модуляцией независимого источника света?
8. Как устроены и работают газоплазменные панели?
103
7. Цветное телевидение
7.1. Роль цвета в телевидении
Цветное телевидение — это телевидение, в котором информация об объектах передается и воспроизводится в цвете. В этом
случае поток информации, передаваемый по электрическому каналу, должен содержать не только яркостную, но и цветовую компоненту. Цветная телевизионная система в принципе более сложна, чем черно-белая. Но передача цветовой информации дает следующие преимущества.
Во-первых, упрощается процесс восприятия объектов внешнего мира. Когда-то профессор П. В. Шмаков, известный специалист в области цветного телевидения, сказал, что черно-белое
телевидение осуществляет насилие над психикой человека. Действительно, человек, наблюдая черно-белую картину, видит листву деревьев и кустов черными, лица людей — серыми и т. п. Это
противоречит жизненному опыту человека и ему мысленно приходится преодолевать это противоречие. Во-вторых, наличие цвета в телевизионном изображении усиливает эмоциональное воздействие на человека, особенно при передаче праздничных, концертных и тому подобных сюжетов. И, наконец, в-третьих, цвет,
особенно в прикладных телевизионных установках, может выполнять служебные функции, например цвет огней светофора,
различного рода светосигнальных систем и т. п.
В развитии цветных телевизионных систем можно выделить
три этапа. Первый этап — от возникновения телевизионных систем примерно до середины 50-х годов прошлого столетия. Практически все используемые телевизионные системы были чернобелыми. И это обуславливалось не столько нежеланием, сколько невозможностью реализации цветных систем при том уровне
техники. Тем не менее определенные исследования по разработке принципов построения, создания лабораторных макетов цветных телевизионных систем проводились. Второй этап, примерно
60—80-е годы прошлого столетия, соответствовал периоду сосуществования черно-белых и цветных телевизионных систем.
Объясняется это тем, что, хотя цветные телевизионные системы
были разработаны и доведены до практического использования,
существовало еще немало и черно-белых систем. Третий этап — с
конца прошлого века по настоящее время — это эра цветного телевидения.
104
Принципы построения и выбор параметров и характеристик
цветных телевизионных систем в целом и ее отдельных звеньев
основаны на глубоком учете особенностей цветового зрения человека. Именно благодаря этому была обеспечена реализуемость
цветных телевизионных систем и достигнуто их высокое качество при современном состоянии телевизионной техники. Отсюда
следует важность знания особенностей цветового зрения человека. Следует, однако, отметить, что пользователем таких телевизионных систем может быть только человек.
7.2. Особенности цветового зрения
Сразу следует подчеркнуть, что цвет является сугубо психологическим феноменом, он существует только в сознании человека.
Дело в том, что реально существующие объекты, излучающие видимый свет, характеризуются мощностью и ее спектральным (по
диапазону волн) распределением. Мощность светового излучения
воспринимается человеком как яркость, а вот спектральные распределения трансформируются зрительной системой в цветовые
ощущения.
Как происходит преобразование спектральных распределение излучений объектов внешнего мира в цветовые ощущения,
несмотря на многочисленные исследования, в полной мере не известны до сих пор. Большинство исследований цветового зрения
происходит, так сказать, на психофизическом уровне, а именно — на вход зрительной системы подаются некие объективные
стимулы и смотрят, каков будет отклик на эти стимулы в сознании человека.
Известно, что в цветовом восприятии человека принимают
участие колбочки сетчатки. Считается, что существует три типа колбочек, отличающиеся спектральными характеристиками
чувствительности (рис. 7.1). Все типы колбочек имеют чувствительность, т. е. реагируют на изучения, в широком диапазоне
длин волн. Но они имеют максимумы в различных частях спектра. Поэтому их условно называют синечувствительными (С), зеленочувствительными (З) и красночувствительными (К).
При падении в глаз монохроматического (т. е. одной длины
волны) излучения, например λ1, происходит раздражение всех
трех групп колбочек, но в разной степени. Есть основание полагать, что этой комбинации раздражений соответствует ощущение определенного цвета. Как это происходит не ясно. Но извест105
1,4
Îòíîñèòåëüíàÿ
ÿðêîñòü
1,2
1,0
0,8
Ñ
Ç
0,6
Ê
0,4
0,2
L íì
400
500 λ1
600 λ2
700
Рис. 7.1. Кривая спектральной чувствительности зрительного
анализатора человека
но, что излучению с другой длиной волны, например λ2, соответствует другая комбинация раздражений колбочек и другой цвет.
Надо полагать, что комбинации раздражений колбочек для различных длин волн света не повторяются, не повторяются и ощущения цвета. Действительно, если менять длину волны света от
λ = 400 нм до λ = 700 нм, то это воспринимается зрительной системой человека как разные, плавно переходящие друг в друга
цвета. Эти цвета получили названия спектральных. Условно, область спектральных цветов подразделяется по мере увеличения
длины волны на семь областей: фиолетовую, синюю, голубую, зеленую, желтую, оранжевую и красную.
А что произойдет, если на вход зрительной системы одновременно попадают два монохроматических излучения, допустим
λ1 и λ2? Доказано, что создаваемые ими раздражения по каждой
группе колбочек складываются. При этом образуется новая комбинация раздражений, свойственная уже другому цвету. Если на
глаз одновременно действуют множество излучений различных
длин волн, то раздражения колбочек от всех них суммируются,
образуется некоторая их комбинация, соответствующая определенному цвету.
Из этого вытекают важные следствия. Во-первых, ощущения
тех или иных цветов человека определяются соответствующими
им суммарными комбинациями раздражений колбочек независимо от того, как оно получено. Во-вторых, ощущение того или
иного цвета, в общем случае, можно получить не только моно106
хроматическими излучениями, но и смешением монохроматических излучений, соответствующих другим цветам. Естественно,
при этом действуют определенные закономерности. В принципе,
цветовое зрение человека переводит пространство спектральных
характеристик объектов внешнего мира в пространство цветовых
ощущений человека. Эти пространства взаимосвязаны, как было
показано, преобразования их элементов не взаимно однозначно.
И еще один вопрос, вязанный с цветовым зрением. Почему такой сугубо психологический феномен, как ощущение цвета, переносится на практике на объекты внешнего мира? Объясняется
это несколькими факторами. Во-первых, характеристики цветового восприятия людей с нормальным цветовым зрением, практически одинаковы. Поэтому субъективный феномен восприятия цвета для каждого отдельного человека, для множества людей превращается в объективный. Во-вторых, сказывается такое
свойство зрительной системы, как объективационность. Результат происходящих внутри него зрительных процессов человек
переносит на объекты внешнего мира. Наконец, в-третьих, в повседневной практике людям удобно пользоваться понятием цвета, чем спектральными характеристиками.
7.3. Элементы колориметрии
Колориметрия — это наука, занимающаяся цветовыми измерениями и расчетами. Играет важную роль при выборе методов
передачи и параметров, расчете характеристик цветных телевизионных систем. Основана колориметрия на учете основных особенностей и характеристиках цветового зрения человека. И главным является доказанная экспериментально трехкомпонентная
теория цветового зрения. Согласно этой теории ощущение любого цвета может быть получено смешением трех линейно независимых цветов. При этом линейно независимыми считаются цвета, когда ни один из них не может быть получен путем линейной
комбинации. Такие цвета в колориметрии называются основными или первичными.
Колориметрическая система RGB. В колориметрической системы RGB в качестве первичных цветов приняты: красный R
(Red, λR = 700 нм), зеленый G (Green, λG = 546,1 нм) и синий B
(Blow, λB = 435,3 нм). Кривые смешения, представляющие собой
зависимость удельных координат составляющих цветов R, G и
B от длины волны r(λ), g(λ) и b(λ) в этой системе имеют вид, по107
g L r L
казанный на рис. 7.2. Эти кривые, как и следовало ожидать,
в определенной мере подобны
зависимости чувствительности
0,24
колбочек зрительной системы
человека (см. рис. 7.1). Несовпа0,16
дение вызвано тем, что представление произвольного цвета
0,08
в виде суммы цветов R, G и B,
есть аппроксимация, приемлемая для практических целей,
0,00
но не исчерпывающая всей полноты процессов цветового зрения.
íì
400
500
600
700 L,
Основное
колориметричеРис. 7.2. Система R(λ)G(λ)B(λ)
ское (цветовое) уравнение, учитывающее законы смешения
цветов, в колориметрической системе RGB имеет вид
0,32
rgb
b L mЦ = r¢R +g¢G + b¢B, (7.1)
где Ц — произвольный цвет; R, G, B — соответственно, координаты красного, зеленого и синего цветов; m = r¢ +g¢ + b¢ — модуль
произвольного цвета Ц. Это выражение говорит о том, в каких количествах надо взять первичные цвета, чтобы получить новый
цвет Ц, а модуль — количество нового цвета. Следует отметить,
что выражение (7.1) учитывает не только цветности, но и яркости. Если же отвлечься от количественной оценки цвета, ограничившись только на цветностях, то выражение (7.1) может быть
приведены к виду
Ц = rR +gG + bB,
где r= r¢/m, g = g¢/m и b= b¢/m — трехцветные коэффициенты,
причем в данном случае отражают не количество цвета, а лишь
пропорции, в которых надо взять первичные цвета. Очевидно
r +g + b = 1, из чего следует, что если речь идет о цветностных соотношениях, то достаточно знать лишь два трехцветных коэффициента, например r и b; третий g можно найти из соотношения
g = 1– r– b.
При цветовых расчетах часто используется графическое представление этого уравнения. Пространство цветностей представляется в виде равностороннего треугольника, вершины которого
108
соответствуют первичным цветам R,
G
G и B (рис. 7.3). Высоты треугольника приняты равными единице. Все
цветности, которые могут быть получены путем сложения первичных
r
b
цветов, расположены внутри этого
Ö
треугольника. При этом трехцветные
g
коэффициенты определяются величиной перпендикуляра, опущенного B
R
из точки данного цвета на сторону,
противоположную вершине первичРис. 7.3. Система RGB
ного цвета (см. рис. 7.2). Сторона цветового треугольника RG соответствует смеси красного и зеленого
цветов, сторона GB — смеси зеленого и синего цветов. Для белого
цвета (точка W) принято условие r = g = b = 1/3.
Связь между спектральными характеристиками излучений
и координатами цвета устанавливается следующими интегральными соотношениями
r¢ =
700
ò
400
p(λ)r (λ)dλ; g ¢ =
700
ò
400
p(λ)g(λ)dλ; b ¢ =
700
ò
p(λ)b(λ)dλ, (7.2)
400
где p(λ) — спектральная плотность излучения объектов внешнего
мира; r(λ), g(λ) и b(λ) — кривые смешения системы RGB (рис. 7.3).
Формулы (7.2) являются функционалами, преобразующее
пространство спектральных характеристик объектов внешнего
мира в цветовое пространство координатной системы RGB.
Колориметрическая система XYZ. Исследования показали,
что кривая спектральных цветов выходит за пределы цветового
треугольника RGB. Это означает, что не все спектральные цвета
могут быть получены сложением первичных цветов R, G и B, так
как в основном колориметрическом уравнении некоторые компоненты (в основном, красные) должны быть взяты с отрицательным знаком. В этом случае в кривых смещения появляются отрицательные ветви (см. рис. 7.2). Это оказалось неудобным и при
цветовых расчетах, и при реализации цветных систем. Поэтому
была разработана новая колориметрическая система XYZ, в которой первичными были приняты некие, существующие только
математически, цвета X, Y и Z. В этом случае основное колориметрическое уравнение имеет вид
mЦ = x¢X + y¢Y + z¢Z.
109
Здесь x¢, y¢ и z¢ — координаты цветов X, Y и Z; m — модуль нового цвета, равный в данном случае m = x¢+ y¢ + z¢. Аналогично
выглядят все остальные соотношения, а именно:
Ц = xX + yY + zZ: x + y + z = 1; y = 1– x — z.
При выборе колориметрической системы XYZ накладывались
следующие условия:
1) кривая спектральных цветов должна находиться внутри
цветового треугольника XYZ;
2) энергетическая информация должна содержаться в одной
цветовой координате, конкретно y¢;
3) белому цвету должно соответствовать условие x = y = z = 1/3.
Надо отметить, что колориметрические уравнения в системах
цветов RGB и XYZ линейно связаны между собой:
x¢ = а xr r¢+ а xg g¢+а xs b¢
y¢ = а yr r¢+а yg g¢+ а yb b¢
z¢ = а zr r¢ +а zg g¢+ аzb b¢
Здесь aij (i = x, y z; j = r,g, b) — коэффициенты матрицы пересчета координат цвета из системы RGB в систему XYZ. Следует отметить, что в этих соотношениях некоторые коэффициенты имеют
отрицательные значения. Что же касается координат x¢ y¢ z¢, то
они всегда положительны.
Для колориметрической системы XYZ может быть построен
цветовой треугольник с цветами X, Y и Z в его вершинах. Однако практически используется проекция его на плоскость X0Y, получивший названия графика МКО (Международная комиссия
по освещению) Он имеет вид равнобедренного прямоугольного
треугольника (рис. 7.4). По оси абсцисс откладываются значения
трехцветного коэффициента x, по оси ординат — y. Третий трехцветный коэффициент z — может быть найден из соотношения
z = 1– x – y.
На этом графике представлен цветовой треугольник RGB и
кривая спектральных цветов, вдоль которой указаны длины
волн для отдельных ее точек. Как видим, и то, и другое расположено внутри графика МКО. Белый цвет расположен в точке с
координатами x = y = 1/3. Отрезок, соединяющий концы кривой
спектральных цветов, соответствует цветам, являющимся смесью фиолетового (синего) и красного цветов. Эти цвета называются пурпурными. Они отсутствуют в спектре, но глаз их воспринимает. К пурпурным цветам, в зависимости от соотношения сине110
y
520
0,8
530
540
510
GÏ
0,7
550
560
0,6
0,5
570
500
580
0,4
0,3
590
600
C
490
RÏ
700
0,2
480
0,1
0
BÏ
0,1
0,2 0,3
0,4
0,5 0,6
0,7
x
Рис. 7.4. Колориметрическая система XYZ
го и красного, относятся сиреневый, лиловый, малиновый и тому
подобные цвета.
Для оценки цветовых свойств объектов, помимо трех координат цвета в системах RGB или XYZ, используются три других более доступных для понимания величины, а именно яркость, цветовой тон и насыщенность Яркость находится в прямом соотношении с мощностью излучения. Цветовой тон и насыщенность
цвета характеризуют цветностные свойства объектов. Цветовой
тон характеризует оттенок цвета (красный, желтый, зеленый и
т. д.), насыщенность — степень разбавленности данного цветового тона белым цветом. Например, розовый цвет — это менее насыщенный красный цвет, салатный цвет — менее насыщенный
зеленый цвет и т. д. На графике МКО цветовой тон определяется доминантной длиной волны спектра, насыщенность — относительной величиной. При этом максимальной (100%) насыщенности соответствует кривая спектральных цветов, минимальной
(0) — точка белого цвета.
Эти показатели определяются на графике МКО следующим
образом. Через точки белого и данного цветов проводится прямая
до пересечения с линией спектральных цветов. Соответствующая
точке пересечения длина волны является доминантной для данного цвета. Насыщенность определяется отношением длины от111
резка, соединяющего точки данного и белого цветов, к длине отрезка, соединяющего белый цвет с кривой спектральных цветов.
Учет особенностей цветового зрения и колориметрии в цветном
телевидении. Одним из главных результатов такого учета является то, что в цветном телевидении вместо множества спектральных
излучений объектов передачи достаточно передавать сигналы, соответствующие трем координатам цвета r¢, g¢ и b¢. Таким образом, на
выходе цветной передающей камеры (ЦПК) должны формироваться три сигнала. При этом обычно принимают условие: для белого
цвета U¢R = U¢G = U¢B Соответственно, на вход цветного воспроизводящего устройства (ЦВУ) должны подаваться три сигнала U¢¢R,U¢¢G
и U¢¢B, пропорциональные сигналам U¢R,U¢G и U¢B
Образно выражаясь, можно сказать, что цветная телевизионная
система на своем входе выполняют функцию спектрального разделения (цветоделения) излучений на три первичных цвета, выполняемую при непосредственном наблюдении колбочками глаза. На
выходе телевизионной системы, в ЦВУ, на разные группы колбочек
попадают уже цветоделенные изображения. Отсюда вытекает требования колориметрического подобия, предъявляемое к телевизионной системе в целом и соответственно к соотношению сигналов
U¢R, U¢G и U¢B.
Система воспроизводимых цветной телевизионной системой цветов задается ее ЦВУ. В качестве первичных принимаются цвета,
близкие R,G и B, ибо только в этом случае путем сложения можно
получить наибольшее количество цветов. Если на цветную телевизионную систему накладывается условие колориметрического подобия, то спектральные характеристики ЦПК должны соответствовать кривым смешения, определяемым первичными цветами приемного устройства. В принципе, можно построить камеры со спектральными характеристиками, соответствующими кривым смешения иных первичных цветов, в частности X, Y и Z. Но в этом случае
в телевизионной системе необходимо устройство пересчета сигналов
из одной системы цветов в другую.
Реализация отрицательных ветвей кривых смешения в системе цветов RGB связана с определенными трудностями как в передающей, так и в воспроизводящей части. Но влияние их на цветовоспроизведение невелико. Поэтому практически в ЦПК их обычно
отбрасывают, а возникающие при этом искажения компенсируют в
какой-то мере видоизменением положительных ветвей.
Особенности цветового зрения при создании цветных телевизионных систем учитывается не только в колориметрическом отноше-
нии, но и по ряду других показателей. Исследования цветового
зрения показали, что существуют определенные цветовые пороги
восприятия как по цветовому тону, так и по насыщенности цвета.
Установлено, что с учетом этого на кривой спектральных цветов
человек различает порядка 180 тонов, причем пороги распределены неодинаково, например в зеленой части они заметно выше,
чем в синей или красной частях спектра. Установлено также, что
по насыщенности число порогов значительно меньше. Так, в зависимости от участка спектра число порогов по насыщенности
составляет всего 4—20. В реальной телевизионной системе всегда возникают определенные искажения сигналов, которые могут
привести к искажению цветопередачи. Из этого следует вывод:
метод передачи и характеристики передачи сигналов должны
быть выбраны такими, чтобы вызванные ими искажения проявлялись в области более высоких цветовых порогов, т. е. там, где
глаз менее чувствителен к изменениям цвета.
И еще одна специфика цветового зрения — это различие пространственной разрешающей способности глаза к различным
цветам. Так она является наибольшей для зеленого цвета, которая приближается к яркостной разрешающей способности. Пространственная разрешающая способность для синего цвета вдвое,
а для красного цвета — втрое ниже, чем яркостная. Это обстоятельство также обыгрывается при построении цветных телевизионных систем.
7.4. Цветные телевизионные ОЭП
Основу цветной телевизионной камеры (ЦПК) составляет цветной телевизионный ОЭП, который преобразует посылаемые объектами телевизионной передачи излучения в три сигнала UR, UG
и UB, соответствующих содержанию в них красного R, зеленого G
и синего B цветов. В общем случае цветной телевизионный ОЭП
содержит главный объектив, цветоделительную систему и систему ФЭП (три односигнальных или один трехсигнальный). Главный объектив проецирует изображение объектов телевизионной
передачи на фоточувствительные поверхности ФЭП. Цветоделительная система разделяет общий световой поток на три компоненты, соответствующие красному, зеленому и синему цветам.
ФЭП в каждом канале преобразует эти цветоделенные изображения в видеосигналы.
Цветные телевизионные ОЭП должны удовлетворять следующим требованиям. Первое, сквозные спектральные характери113
стики в каждом канале должны соответствовать кривым смешения, что обусловлено принципами колориметрии. Второе, должно быть обеспечено совмещение цветоделенных изображений.
Это означает, что развертка всех цветоделенных изображений
происходит согласованно. При этом различают оптическое совмещение, когда согласуются размеры и положение цветоделенных
изображений, и электронное совмещение, когда подобные условия накладываются на развертывающие растры ФЭП. Третье,
рабочие участки световых характеристик ФЭП должны быть линейными. Нелинейность нарушает линейный характер преобразований, что приводит к цветовым искажениям. Четвертое, инерционность должна быть минимальной. В противном случае возможно появление хвостов за движущимися объектами, особенно
в тех случаях, когда инерционность ФЭП разных каналов неодинакова.
ЦПК на основе передающих трубок. Классическая схема цветного телевизионного ОЭП приведена на рис. 7.5. Главный объектив О проецирует сквозь светоделительную систему СДС оптическое изображение объектов телевизионной передачи на фоточувствительные поверхности телевизионных ОЭП, в данном случае
передающих трубок красного ПТR, зеленого ПТG и синего ПТB
каналов. Светоделительная система состоит из двух дихроичных
З1 и З2 и двух обычных З3 и З4 зеркал. Дихроические зеркала —
это изготовленные по особой технологии многослойные поверхности, которые одну часть спектра излучений отражают, другую
часть — пропускают, причем это разделение происходит с минимальными энергетическими потерями. Параметры зеркала З1 выбраны так, что отражают лучи красного цвета, но пропускают луÔB
Ç3
UB
ÏÒB
O
F
FB
Ç1
FG+FB
FG
ÔG
UG
ÏÒG
Ç2
FR
Ç4
ÔR
ÏÒR
UR
Рис. 7.5. Схема цветного телевизионного ОЭП
114
чи зеленого и синего цветов, а зеркала З2 так, что отражают лучи
синего цвета, но пропускают лучи зеленого и красного цветов.
Работа СДС происходит следующим образом. Общий световой
поток F, попадая на первое дихроическое зеркало З1, делится на
две части: отраженную FR и пропущенную FG + FB. Прошедший
световой поток, попадая на второе дихроческое зеркало З2, в свою
очередь, делится на две части: прошедшую FG и отраженную FB.
В принципе, через второе зеркало З2 могли бы пройти и лучи
красного цвета FR, но их на нем нет, они были отобраны зеркалом
З1. Зеркала З3 и З4 являются вспомогательными и служат для излома оптического пути с целью сделать конструкцию ЦПК более
компактной. При этом длина оптического пути во всех каналах
должны быть одинаковыми.
Передающие трубки каждого цветового канала должны обладать достаточно высокой чувствительность к лучам своей части
спектра. Светофильтры ФR, ФG и ФB являются корректирующими, доводя спектральные характеристики в каждом канале до
соответствующих кривых смешения. По этой схеме в прошлом
строились ЦПК на суперортиконах, а в последующем и на плюмбиконах, обладавшими линейной световой характеристикой и
невысокой инерционностью. Конструкция и принцип действия
передающих трубок в этом случае подобны тем, что и в случае
черно-белого телевидения.
В процессе развития ЦПК светоделительную систему на раздельных зеркалах заменили на оптические призменные блоки.
Схема одного из них показана на рис. 7.6. Он обладает жесткой
конструкцией. Дихроические слои в данном случае нанесены на
грани составляющих блоков. Один из блоков имеет одно входное
и три выходных окна, к которым непосредственно примыкают
передающие трубки. Применение
UR
призменного блока делает конструкцию ЦПК более компактной
и упрощает проблему оптического
Ç2
совмещения цветоделенных изоUG
бражений. Существовали попытÇ1
ки создания трехсигнальных передающих трубок. Одним из варианUB
тов было создание трехсигнального видикона. В таких видиконах
Рис. 7.6. Схема
перед мишенью устанавливается
светоделительной системы
решетчатый светофильтр, состоя115
щий из чередующихся полосок красного, зеленого и синего цветов. При этом одному элементу телевизионного изображения соответствуют участки всех трех цветов. За этими полосками расположены полосчатые сигнальные пластины, объединенные в
три группы, соответствующие сигналам красного, зеленого и синего цветов. Все остальные элементы трехсигнального видикона
аналогичны односигнальному видикону.
За исключением мишени, все основные элементы и процессы
аналогичны. В процессе развертки электронный пучок поочередно коммутирует участки мишени с полосками светофильтров и
сигнальных пластин разных цветов, создавая на выходе три сигнала. При этом механизм образования сигналов в каждом цветовом канале аналогичен односигнальному видикону.
Несмотря на кажущуюся простоту, это направление не получило развития из-за сложности конструкции, низкой разрешающей
способности, инерционности, технологических трудностей и др.
ЦПК на основе МФТС. Успехи в области полупроводниковой
интегральной технологии создали предпосылки для активного использования матричных формирователей телевизионных сигналов в ЦПК, позволив улучшить многие характеристики и сделать
ее более компактной. В одном из вариантов три МФТС используются совместно с призменным блоком. В этом случае используется призменный блок типа показанного на рис. 7.6, на выходах которого устанавливаются не передающие трубки, а МФТС, в частности ФПЗС. При этом МФТС закрепляются непосредственно на
призменном блоке, что делает конструкцию не только более компактной. В виду пространственно-дискретной структуры МФТС
упрощается проблема электронного совмещения. Конструкция и
механизм работы МФТС каждого канала аналогичны тем, что используются в черно-белом телевидении.
Другой вариант цветных телевизионных ОЭП, используемый в компактных ЦПК, заключается в использовании цветных
МФТС. Надо отметить, что в настоящее время существует множество вариантов конструкций, организации процессов накопления и движения носителей зарядов и др. Рассматривать детально
различные варианты не представляется возможным, да и не целесообразно. Отметим лишь общие особенности.
В матрицах таких преобразователей каждому элементу телевизионного изображения соответствует группа из трех ячеек, перед фоточувствительными элементами которых устанавливаются светофильтры красного, зеленого и синего цветов. Эти свето116
фильтры могут быть выполнены либо в виде чередующихся цветных вертикальных полосок, либо мозаичного типа, т. е. индивидуальных для каждой ячейки. Как и в черно-белых МФТС, здесь
существуют секции накопления и хранения зарядовых пакетов
и выходных регистров, соответственно для каждого из трех цветов. Коммутация осуществляется движением зарядовых пакетов
одновременно, но по раздельным каналам. Считывание производится на выходах трех регистров.
7.5. Цветные телевизионные ЭОП
Общая характеристика. Цветные телевизионные ЭОП, являющиеся основой ЦВУ преобразуют три цветовых сигнала в цветное
оптическое изображение. При этом решаются две задачи: преобразование видеосигналов в три цветоделенных изображения и их
совмещения Процесс получения цветоделенных изображений, в
общем, аналогичен тому, что происходит в черно-белых телевизионных ЭОП. Он может быть основан на использовании люминесценции. Тогда используются люминофоры красного, зеленого
и синего свечения или же от источника белого света, но с использованием цветных управляемых светофильтров.
Вопрос совмещения цветоделенных изображений здесь играет столь же важную роль, как и в цветных телевизионных ОЭП.
Суть его заключается в том, что при воспроизведении цветоделенных изображений соответственные элементы красного, зеленого
и синего цветов совпадали, т. е. имело бы место точное наложение
во всех точках цветоделенных изображений. Здесь проблема совмещения распадается на две: в оптическом и электронном звеньях. Совмещение в оптическом звене возможно либо механически — наложением источников цветоделеннвх изображений друг
на друга, либо оптически — путем оптического наложения видимых наблюдателем цветоделенных изображений. Суть электронного совмещения та же, что и в цветных телевизионных ОЭП —
согласование параметров растров цветоделенных изображений.
При механическом совмещении каждый элемент телевизионного изображения состоит из цветовых триад — трех рядом расположенных элементов красного, зеленого и синего изображений,
управляемых независимо друг от друга. При нормальном расстоянии рассматривания наблюдателю будет казаться, что световой
поток триады исходит из одной точки. Принцип оптического совмещения реализуется с помощью дополнительных оптических
элементов (объективов, призм, зеркал). Цветные телевизионные
117
ЭОП с механическим совмещением обычно выполняются в виде единой конструкции. В случае оптического совмещения конструкция системы представляет собой набор компонентов — три
источника цветоделенных изображений, светосовмещающую систему и др.
Основные требования, предъявляемые к цветным телевизионным ЭОП, сводятся к следующему: 1) достаточно высокая яркость
свечения (от 100 до 500 кд/м); 2) необходимые размеры изображения (от 40 до 100 см по диагонали — в устройствах индивидуального назначения, и свыше 1 м — в устройствах коллективного
пользования); 3) правильная цветопередача и широкий диапазон
воспроизводимых цветов в соответствии с требованиями колориметрического подобия; 4) высокая разрешающая способность (порядка 700 — 1000 раздельно воспроизводимых элементов в строке); 5) отсутствие искажений, связанных с нарушением условий
совмещения цветоделенных изображений; и, естественно, такие
общетехнические требования, как надежность, удобство в эксплуатации, малое потребление энергии.
Цветные телевизионные ЭОП, используемые в настоящее время, отличаются большим разнообразием по конструкции, принципу действия и характеристикам. Рассмотрим такие цветные
телевизионные ЭОП, как цветные кинескопы и газоплазменные
панели — устройства, относящиеся к категории самосветящихся, у которых функции генерации и модуляции светового потока
совпадают; цветные жидкокристаллические экраны и цветные
телевизионные проекторы — устройства, основанные на принципе модуляции светового потока независимого источника света.
Цветные кинескопы. Наиболее распространенными видами
цветных телевизионных ЭОП вплоть до настоящего времени, являются цветные кинескопы. Цветной кинескоп — это электроннолучевой прибор, преобразующий три сигнала, соответствующих
красному, зеленому и синему первичным цветам, в многоцветное
оптическое изображение. Фактически цветной кинескоп представляет собой единый стеклянный вакуумный баллон, в котором размещены элементы трех одноцветных кинескопов. К настоящему времени разработано немало вариантов цветных кинескопов, отличающихся конструкцией и характеристиками. Рассмотрим особенности цветных кинескопов на примере наиболее
распространенного варианта конструкции с планарным расположением электронных прожекторов, упрощенная схема которого
(вид сверху) приведена на рис. 7.7.
118
U¢B
ÝÏB
U ¢G
ÝÏG
ÝÏR
U ¢R
R
G
B
Рис. 7.7. Конструкция цветного кинескопа
В цилиндрической части баллона кинескопа под некоторым
углом к оси в горизонтальной плоскости расположены три электронных прожектора ЭПR, ЭПG и ЭПB, на модуляторы которых
подаются видеосигналы красного UR¢¢, зеленого UG¢¢ и синего UB¢¢
цветов. Посылаемые ими электронные пучки направляются в
сторону экрана. С помощью общей отклоняющей системы электронные пучки перемещаются по поверхности экрана в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Экран цветного кинескопа состоит из большого числа чередующихся вертикальных полосок, покрытых люминофорами красного, зеленого и синего цветов. При этом три рядом расположенные полоски разных цветов соответствуют одному цветному элементу изображения. Перед экранами расположена непроницаемая для электронов маска с вертикальными прорезями. Причем
прорези находятся против средних полосок триады люминофоров элемента изображения.
Угол схождения (конвергенции) электронных пучков, посылаемых электронными прожекторами, выбран так, чтобы оии пересекались в области прорези маски. Прошедшие через прорези
маски пучки за нею несколько расходятся и попадают каждый
на полоску люминофора своего цвета. При этом яркость свечения
каждой цветной полоски пропорциональна плотности приходящих на нее электронных пучков, т. е., в конечном счете, пропорциональна сигналам UR¢¢, UG¢¢ и UB¢¢. Следует отметить, что сравнительно большое удаление маски от экрана приведено лишь
для наглядности. В действительности маска расположена почти
вплотную к экрану, так как прошедшие через ее отверстие пучки
расходились лишь в пределах одной триады цветов.
Одной из серьезных проблем цветных кинескопов является
проблема сведения электронных пучков на маске. Ибо только
сведенные на маске электронные пучки обеспечивают нормальную работу цветного кинескопа. Проблема сведения распадается
119
на две части: статическое и динамическое сведение. Статическое
сведение является первичным — это сведение неотклоненных
пучков. Вторичным и более сложным является динамическое
сведение, т. е. сведение электронных пучков на маске при отклонении его от центрального положения. Объясняется это тем, что
расстояние от центра отклонения до маски при отклонении пучка
увеличивается. В результате, если ничего не предпринимать, то
пересечение пучков будет перед маской, тем большее, чем больше
угол отклонения. Для того чтобы свести пучки на маске, необходимо при отклонении одновременно уменьшать угол схождения
пучков. В данном кинескопе это достигается соответствующей
организацией полей отклоняющей системы, которая в данном
случае не только отклоняет пучки, но и обеспечивает сведение
пучков.
Наличие непрозрачных участков маски приводят к значительным потерям электронов пучков и, соответственно, яркости
свечения люминофоров. Поэтому для увеличения кинетической
энергии пучков в цветных кинескопах используется повышенное
ускоряющее напряжение (25 кВ). Это создавало определенные
схемные сложности, но, главное, в этом случае экран кинескопа
являлся источником рентгеновского излучения, не безопасного
для человека. Правда, оно является мягким и его интенсивность
быстро падает с увеличением расстояния наблюдения. И, если в
телевидении, где расстояния рассматривания сравнительно большие, с этим можно не считаться, то в мониторах компьютеров,
когда оператор смотрит на экран с малого расстояния, это является уже серьезной проблемой.
Цветные жидкокристаллические экраны. Если цветные кинескопы, особенно последних модификаций, в определенной мере
удовлетворяли требованиям телевидения, то для компьютерной
техники указанные выше ограничения по рентгеновскому излучению заставили конструкторов принимать определенные защитные меры. Вначале это были примитивные меры, вроде рентгенопоглощающих лицевых стекол кинескопов, специальных рентгенозащитных экранов и др. Но успехи в области электронных технологий привлекли внимание к использованию в компьютерных
мониторов цветных жидкокристаллических дисплеев. Это явилось толчком к использованию жидкокристаллических экранов
и в телевидении.
Конструкция и принцип цветных жидкокристаллических
экранов аналогичен описанному ранее для черно-белого вариан120
та. Тот же транспарантный принцип: на источник, и злучающий
по всей поверхности равномерный белый свет, накладывается
жидкокристаллический пространственно-временной модулятор
матричного типа. Отличие заключаются в том, что элемент матрицы экрана здесь состоит из трех жидкокристаллических ячеек, перед которыми установлены, соответственно, красный, зеленый и синий светофильтры. Так что, что на жидкие кристаллы
попадают уже цветоделенные световые потоки.
Типичная конструкция такого трехячеечного элемента матрицы цветного жидкокристаллического экрана показана на рис. 7.8.
Те же поляризаторы, жидкие кристаллы, адресная система управления. Коммутация ячеек производится одновременно по закону
развертки, а вот управляющие напряжения на ячейки, прикрытых светофильтрами разных цветов, подаются в соответствии с
видеосигналами соответствующих цветов. В итоге световые потоки, выходящие из ячеек, оказываются промодулированными
в соответствии с содержанием в них первичных цветов. Наблюдателю, находящемуся на нормальном расстоянии наблюдения,
будет казаться, что световые потоки трех ячеек разного цвета выходят из одной точки, т. е. в данном случае имеет место механическое смешение цветов.
Цветные газоплазменные панели. Еще одним типом цветных
телевизионных ЭОП, рассчитанных на большие экраны, являются цветные газоплазменные панели. Все принципы действия
газоплазменных панелей, описанные ранее в предположении
черно-белого варианта, в полной мере приложимы и к цветному
Ðàññåèâàòåëü
Ñâåò
Ïîëÿðèçàöèîííûé ôèëüòð
ÆÊ
ìîäóëÿòîð
Ñòåêëî
ÆÊ ìàòåðèàë
R
G
Ýëåêòðîäû àäðåñàöèè è
óïðàâëåíèÿ
B
Ýëåìåíò
èçîáðàæåíèÿ
R
G
Ïîëóïðîçðà÷íûå
ýëåêòðîäû
Ñâåò
Рис.7.8. Схема ячейки ЖКЭ
121
варианту — та же матричная структура и адресная система коммутации и управления. Надо сказать, что газоплазменные панели изначально создавались как цветные. И приведенное ранее
описание черно-белого варианта следует рассматривать как гипотетическое, но наглядное средство пояснения принципов действия и характеристик газоплазменных панелей.
Главное отличие цветной газоплазменной панели от чернобелой заключается в том, что элемент матрицы, соответствующий одному телевизионному элементу, состоит не из одной ячейки с люминофором белого свечения, а из трех ячеек с люминофорами красного, зеленого и синего свечения. Как и в случае жидкокристаллического экрана, в газоплпзменных панелях ячейки
разных цветов коммутируются одновременно, а управляющие
широтно модулированные сигналы по разным каналам — в соответствии с видеосигналами красного, зеленого и синего цветов.
Цветные проекционные системы. Цветные телевизионные
изображения на больших экранах, предназначенные для коллективного просмотра, как мы видели, могут быть получены с помощью цветных газоплазменных панелей. Но такие панели весьма
громоздки, имеют большое потребление энергии и, как правило,
выполняются в стационарном варианте. Известные преимущества в этом отношении имеют цветные проекционные системы,
в которых яркие цветоделенные изображения малых размеров
проецируются с увеличением на большой светорассеивающий
экран. Часто конструктивно они выполняются из двух более или
менее самостоятельных частей — цветной видеопроектор и экран
(как в кино — кинопроектор и экран).
Интерес к цветным проекционным системам проявлялся еще
и потому, что он позволял формировать цветное изображение путем оптического совмещения цветоделенных изображений, избегая проблем, связанных с технологическими трудностями систем с механическим совмещением. На первом этапе использовались цветные проекционные системы с использованием трех кинескопов, на экранах которых формировались, соответственно,
красное, зеленое и синее цветоделенные изображения. Изображения с кинескопов ПКR, ПКG и ПКB с помощью объективов О1,
О2 и О3 проецируются на общий светорассеивающий экран Э. Однако цветные проекционные системы не получили развитие, вопервых, из-за принципиальных ограничений, описанных в разделе черно-белых проекционных систем; во-вторых, из-за проблемы совмещения цветоделенных изображений на светорассеиваю122
щем экране. Дело в том, что проекция с красного и синего кинескопа производится под углом к нормали экрана, что приводит к
появлению в красном и синем каналах трапецеидальных искажений противоположных знаков, что нарушает совмещение цветоделенных изображений на экране. Второе дыхание цветные проекционные системы получили после создания пространственновременных модуляторов малых размеров и высокой четкости.
Известно много вариантов решения этой задачи, отличающихся
принципом действия, конструкцией и характеристиками. В качестве примера рассмотрим распространенную схему цветной проекционной системы с жидкокристаллическим пространственновременным модулятором, показанную на рис. 7.9.
Интенсивный световой поток F, создаваемый источником белого света ИС с помощью светоделительной системы, состоящей
из двух дихроических зеркал З1 и З2 делится на три части — красную FR, зеленую FG и синюю FB. Эти световые потоки, проходят
соответственно, через три жидкокристаллических модулятора
ЖКМR, ЖКМG и ЖКМB, управляемых видеосигналами UR, UG
и UB. Прошедшие через жидкокристаллические модуляторы промодулированные световые потоки F¢R F¢G F¢B поступают на светосовмещающую систему, состоящую из двух дихроических зеркал
З7 и З8. Совмещенные цветоделенные изображения проецируются на светорассеивающий экран общим объективом О. Зеркала З3,
З4, З 5 и З 6 являются обычными, играют вспомогательную роль,
делая систему более компактной.
FR
Ç6
Ç2
ÈÑ
¢
FR
ÆÊÌ R
FR
FG
F
Ç3
Î
F¢
¢
FG
ÆÊÌG
Ç1
FB
Ç5
Ç7
ÆÊÌ B
FB
F B¢
Ç8
Рис. 7.9. Схема цветной проекционной системы с
жидкокристаллическим пространственно-временным модулятором
123
Представленная на рис. 7.9 схема не является единственно
возможной. Так, вместо трех жидкокристаллических модуляторов может быть использован один трехцветный, вместо дихроических зеркал — дихроические призмы и др. Источник света,
светоделительная система, жидкокристаллические модуляторы,
светосовмещающая система и объектив вместе с электрическими
узлами (видеоусилители, схемы развертки, источники питания,
устройства управления и др.), как правило, выполняются в виде
единой конструкции, называемой видеопроектором. Обычно он
выполняется в виде переносного блока и может быть использован
в любом подходящем помещении: лекционной аудитории, конференционном зале, клубе и т. д.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое цветное телевидение, каковы его преимущества
перед черно-белым телевидением?
2. Расскажите об общих особенностях цветового зрения.
3. Что такое колориметрия и какие задачи она решает?
4. Расскажите об колориметрической системе и ее геометрическом представлении.
5. Каковы основы и свойства колориметрической системы?
6. Что дает колориметрия цветному телевидению?
7. Каковы особенности телевизионных ОЭП в цветном телевидении? Что такое цветоделительная система?
8. Расскажите об особенностях цветного кинескопа со щелевой
маской?
9. Каковы особенности жидкокристаллических экранов и газоплазменных панелей для воспроизведения цветных телевизионных изображений?
10. Расскажите об особенностях цветных проекционных систем.
124
Рекомендуемая литература
1. Телевидение: учебник для вузов / В. Е. Джакония, А. А. Гоголь, Я. В. Друзин и др.: Под ред. В. Е. Джакония. М.: Радио и
связь, 2003. 616 с.
2. Быков Р. Е. Основы телевидения и видеотехники: учебник
для вузов. М.: Горячая линия — Телеком, 2006. 399 с.
3. Мамчев Г. В. Основы радиосвязи и телевидения: учеб. пособие для вузов. М.: Горячая линия — Телеком, 2007. 416 с.
4. Лузин В. И. и др. Основы телевизионной техники: учеб. пособие. М.: СОЛОН-Пресс. 432 с.
125
Содержание
Предисловие........................................................... Введение ................................................................ 1. Принципы телевизионной передачи........................ 1.1. Особенности телевизионного метода передачи
информации.................................................. 1.2. Основные процессы при телевизионной
передаче....................................................... 1.3. Развертка телевизионных изображений............ 1.4. Структурная схема системы электронного
телевидения.................................................. Вопросы для самопроверки.................................... 2. Особенности зрительного восприятия...................... 2.1. Устройство глаза............................................ 2.2. Пространственные характеристики.................. 2.3. Энергетические характеристики зрения ........... 2.4. Временные характеристики зрения.................. Вопросы для самопроверки.................................... 3. Параметры телевизионных систем.......................... 3.1. Человек и телевизионная система..................... 3.2. Параметры разложения.................................. 3.3. Видеосигнал и его характеристики................... 3.4. Частотный спектр видеосигнала....................... 3.5. Международные стандарты телевидения........... Вопросы для самопроверки.................................... 4. Качество телевизионного изображения.................... 4.1. Оценка качества изображения ......................... 4.2. Четкость изображения ................................... 4.3. Контрастность и воспроизведение полутонов...... 4.4. Зашумленность изображения........................... 4.5. Геометрическое подобие ................................. 4.6. Испытательные таблицы и сигналы.................. Вопросы для самопроверки.................................... 5. Телевизионные оптико-электрические
преобразователи...................................................... 5.1. Общая характеристика................................... 5.2. Фотоэлектрическое преобразование.................. 5.3. Принципы мгновенного действия и накопления. 5.4. Коммутация.................................................. 126
3
5
7
7
9
14
18
21
22
22
23
25
25
26
28
28
29
34
37
43
44
46
46
47
48
50
51
54
55
57
57
59
63
66
5.5. Передающие трубки. Видикон ......................... 5.6. Полупроводниковые телевизионные ОЭП ......... Вопросы для самопроверки.................................... 6. Телевизионные электрооптические
преобразователи...................................................... 6.1. Общие характеристики................................... 6.2. Основные показатели и характеристики т
елевизионных ЭОП ........................................ 6.3. Кинескоп...................................................... 6.4. Жидко-кристаллические (транспарантные)
экраны......................................................... 6.5. Большеэкранные телевизионные системы......... Вопросы для самопроверки.................................... 7. Цветное телевидение............................................. 7.1. Роль цвета в телевидении................................ 7.2. Особенности цветового зрения.......................... 7.3. Элементы колориметрии................................. 7.4. Цветные телевизионные ОЭП........................... 7.5. Цветные телевизионные ЭОП........................... Вопросы для самопроверки.................................... Рекомендуемая литература....................................... 67
74
82
83
83
83
87
93
96
102
104
104
105
107
113
117
124
125
127
Учебное издание
Бабенко Валерий Cергеевич
Астратов Олег Семенович
Физические основы
телевидения
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Верстальщик А. Н. Колешко
Сдано в набор 27.02.09. Подписано к печати 29.05.09. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 8,0. Уч.-изд. л. 7,8.
Тираж 100 экз. Заказ № 393.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
7 030 Кб
Теги
babenko, astratov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа