Телекамеры с передающими трубками

Первые эксперименты с телевизионными камерами состоялись в 1930‑х и были проведены инженером русского происхождения Владимиром Зворыкиным (Zworykin) (1889–1982). Его первая камера, созданная в 1931 г., фокусировала изображение на мозаику из фотоэлементов. Напряжение в каждом элементе было мерой интенсивности света в каждой точке и могло быть преобразовано в электрический сигнал.

Эта концепция, не считая небольших модификаций, осталась неизменной в течение десятков лет.

Первые камеры изготовлялись из стеклянных трубок и светочувствительного люминофорного покрытия на внутренней поверхности стекла. Сегодня мы называем их передающими трубками.

Рис. 5.3. Студийная телевизионная камера с передающей трубкой (1952 г.)

Работают передающие трубки по принципу фоточувствительности, основанному на фотоэффекте. Свет, проецируемый на люминофорный слой трубки (называемый мишенью) обладает энергией, достаточной, чтобы вызвать выбивание электронов из кристаллической решетки люминофора.

Число выбиваемых электронов пропорционально свету, и таким образом формируется электрическое представление световой проекции.

При появлении видеонаблюдения существовало два основных типа трубок: видиконы и ньювиконы.

Видикон был дешевле и менее чувствителен. Так называемый автоматический контроль потенциала мишени эффективно контролировал чувствительность видикона и косвенно выполнял функции электронного затвора, как сегодня мы называем этот процесс в ПЗС‑телекамерах. Поэтому видиконы работали только с объективами с ручной установкой диафрагмы. Минимальная освещенность, необходимая для того, чтобы черно‑белый видикон сформировал видеосигнал, составляла порядка 5‑10 лк, отраженных от объекта, при использовании объектива F/1.4.

Телекамеры типа ньювикон были более чувствительны (до 1 люкса), более дорогие и требовали объективов с автодиафрагмой. Внешне они выглядели так же, как и видиконы, так что на вид их различить было непросто. Только опытный специалист по видеонаблюдению мог заметить небольшие отличия в цветах области мишени: у видикона есть темно‑фиолетовая составляющая, а у ньювикона – темно‑синяя. Два типа телекамер управляются различной электроникой, а телекамеры типа ньювикон снабжены разъемом автодиафрагмы.

Рис. 5.4. Принцип работы передающей трубки

Работа всех передающих трубок основывается на принципе сканирования электронным лучом мишени внутри трубки под действием электромагнитного поля. Луч отклоняется электромагнитным полем, генерируемым электронной системой камеры. Чем больше света достигает светочувствительного слоя мишени, тем ниже ее сопротивление в этом месте. При проецировании изображения, благодаря фотоэффекту, формируется потенциальный рельеф. Когда анализирующий электронный луч сканирует фоточувствительный слой, он нейтрализует положительные заряды, так что по локальным сопротивлениям протекает ток. Когда электронный луч попадает в конкретную часть потенциального рельефа, электрический ток теряет заряд пропорционально количеству света. Этот очень слабый ток – порядка пикоампер (1 пА = 10¹² А) – подается на видеоусилитель с очень высоким входным сопротивлением, который и формирует напряжение видеосигнала. В трубке должен быть тонкий и однородный фотослой – это очень важно. Этот слой порождает так называемый теневой ток, который существует даже тогда, когда объектив не проецирует изображение (диафрагма закрыта).

После того, как сигнал сформирован, электронная система телекамеры добавляет синхроимпульсы, и на выходе телекамеры мы получаем полный видеосигнал, называемый композитным видеосигналом.

Функционирование передающих трубок опирается на несколько важных концепций, сейчас мы их кратко рассмотрим; это необходимо для того, чтобы оценить разницу между этой и новой ПЗС‑технологией.

Рис. 5.5. Внутреннее устройство телекамеры с передающей трубкой

Первое: большие габаритные размеры телекамеры как таковой – стеклянная трубка, окружающая ее электромагнитная отклоняющая система и размеры электронных компонент системы – все это делало телекамеры довольно громоздкими.

Второе: необходимость в использовании точного отклоняющего электромагнитного поля, которое заставляет электронный луч сканировать область мишени согласно телевизионным стандартам. Использование электромагнитной системы для сканирования означает, что внешние электромагнитные поля других источников могут влиять на процесс сканирования, вызывая искажения картинки.

Третье: необходимость высокого напряжения (до 1000 В) для придания ускорения электронному лучу и задания его траектории. Поэтому в телекамерах приходится использовать высоковольтные компоненты, что всегда представляет собой потенциальную проблему для устойчивости электронных схем. Старые и высоковольтные конденсаторы могут начать подтекать, влага может создать токопроводящий воздушный слой вокруг компонент и привести к возникновению искровых разрядов.

Четвертое: необходимость наличия люминофорного слоя на мишени, который преобразует световую энергию в электрическую информацию. Люминофор постоянно подвергается электронной бомбардировке, и слой со временем изнашивается. Срок службы люминофорного покрытия трубки ограничен. При постоянной эксплуатации телекамеры (как это и происходит в системах видеонаблюдения) реальный ресурс телекамеры составляет пару лет, после этого срока изображение начинает ослабевать, вследствие выжигания люминофора могут появиться «впечатанные» изображения – если телекамера постоянно направлена на один и тот же объект. В результате мы можем увидеть такую картину: движущиеся люди похожи на призраков, они полупрозрачны и сквозь них просвечивают «впечатанные» изображения.

Пятое: геометрические искажения, обусловленные тем, что луч падает на мишень под различными углами; эта черта принципиально отлична от используемых сегодня ПЗС‑телекамер (и ее следует рассматривать как недостаток) и является врожденным свойством, наследуемым от конструкции трубки как таковой. В частности, траектория электронного луча короче, когда он попадает в центр мишени, по сравнению с его траекторией при сканировании краев. Поэтому возникают геометрические искажения проецируемого изображения. Во многих конструкциях введены магнитные и электронные системы коррекции таких искажений, но при каждом перемещении трубки приходится заново регулировать настройки.

Новая ПЗС‑технология позволила исключить все эти проблемы. Однако вначале одна характеристика трубок на заре ПЗС‑технологий была недосягаемой. Невозможно было достичь разрешающей способности, соответствующей хорошей передающей трубке.

Разрешающая способность по вертикали зависит от стандарта сканирования, и оно более‑менее одинаково и для ПЗС‑телекамер, и для передающих трубок, но разрешающая способность по горизонтали (т. е. число воспроизводимых вертикальных линий) зависит от толщины электронного луча.

Этот фактор вполне успешно контролируется электронной системой, что позволяет воспроизводить очень тонкие детали при сканировании.

Рис. 5.6. Сравнение физических размеров передающей трубки и ПЗС‑матрицы

Вначале микроэлектронная технология была не в состоянии создать элемент изображения (пиксел) на ПЗС‑матрице меньший, чем поперечное сечение электронного луча. Это означает, что на заре технологии ПЗС‑матриц их разрешение значительно отставало от разрешения трубок.

Однако очень скоро удалось повысить разрешение ПЗС‑матриц, так что оно стало сравнимо с качеством телекамер с передающими трубками.