Электронный глаз [1963 Штейнгауз А.И.

Преобразование, о котором мы только что говорили, довольно давно известно ученым. Оно применяется не только в фототелеграфии, но и в самом совершенном виде современной связи - в телевидении. Создать его без помощи такого преобразования было бы немыслимо. И столь же немыслимым оказалось бы изобретение "зеницы" телевидения - передающих телевизионных трубок, самых совершенных электровакуумных приборов, основанных на фотоэффекте.

В фототелеграфе плоскость изображения обегал тоненький, как игла, луч света. При телевизионной передаче тоже иногда применяется подобный метод. Здесь он носит название "развертка бегущим лучом". Правда, в отличие от фототелеграфа, в телевидении бегущий луч не отражается от поверхности изображения, а чаще всего работает на просвет. Ясно, что при этом можно передавать изображения, нанесенные на прозрачную основу: кинофильмы, диапозитивы, рисунки на стекле, в частности различные неподвижные вставки, которые часто показывают по телевидению во время перерывов.

С помощью развертки бегущим лучом были переданы на Землю и фотографии невидимой с Земли стороны Луны.

Но для передачи пространственных сцен и особенно для внестудийных передач такой способ непригоден. Поэтому основной метод телевизионной передачи изображения иной. Разумеется, принцип последовательной, поэлементной передачи остается неизменным и в этом случае.

При телевизионном методе передачи изображение всегда освещено полностью, а разбивается оно на отдельные элементы ("квадратики") при помощи очень большого количества фотоэлементов. Их берется столько, сколько требуется для передачи всех элементов изображения. Так, в отечественном телевидении предусмотрена разбивка изображения (кадра) на 625 строк. В строке же содержится 865 элементов¹. Следовательно, все изображение раскладывается на 625 X 865 = 540 625 элементов. На первый взгляд кажется, что установить совместно такое огромное количество фотоэлементов невозможно. Правда, оно значительно меньше количества светочувствительных клеток в сетчатке, но тем не менее очень велико. Изобретатели все же нашли выход: вместо такого большого числа отдельных фотоэлементов они предложили использовать один, но особого рода. Называется такой фотоэлемент мозаикой.

¹ (Фактически по ряду причин строка разбивается на меньшее число элементов. В плохих телевизионных камерах и в плохих телевизорах количество элементов в стро ке может понизиться даже до 400-450.)

Мозаика... Не вызывает ли это слово каких-либо ассоциаций? Вы уже, наверное, вспомнили сетчатку глаза, очень похожую на мозаику, сложенную из палочек и колбочек. И эта ассоциация действительно не случайна. Телевизионная мозаика тоже сложена из огромного количества отдельных светочувствительных крупинок, каждая из которых представляет собой чрезвычайно малый по размерам фотокатод или микроскопический фотоэлемент.

Для изготовления мозаики берут тщательно обработанную и очищенную пластинку из прозрачного изоляционного материала и в специальной установке наносят на одну из ее поверхностей мельчайшие капельки светочувствительного вещества, такого же, как и в фотокатодах обычных фотоэлементов. Их наносят путем распыления, через особого рода пульверизатор. Сделать мозаику хорошего качества нелегко. Нужно, чтобы все мельчайшие крупинки равномерно покрыли всю поверхность и в то же время не соприкасались между собой. Ведь если они будут иметь между собой электрический контакт, то отдельные миниатюрные фотокатоды сольются в один большой катод. С его же помощью разложить изображение на отдельные элементы будет невозможно.

Мозаику помещают в специальную электронную лампу - передающую телевизионную трубку. На поверхность мозаики, так же как и в обычных фотоаппаратах, проектируют с помощью объективов изображение. Под воздействием света фотокатоды испускают большее или меньшее количество электронов, которые притягиваются к специальному собирающему электроду. Сами по себе эти электроны не нужны. Важно здесь то, что, отдавая электроны, светочувствительные зерна мозаики приобретают положительный заряд. Величина заряда зависит от освещенности зерна, от яркости "точки" изображения, которая сфокусирована на данный участок мозаики.

Неужели от каждого такого фотоэлемента должны отходить проводники? 540 625 проводников? Конечно, нет! Здесь-то и применяется принцип преобразования поверхности изображения во время - принцип последовательной, поэлементной передачи изображения. Благодаря ему мы можем заменить 540 625 отдельных проводников всего лишь одним проводником, на конце которого будет контакт, попеременно подключающийся к каждому из фотоэлементов, обегая их в соответствии с законами нашего преобразования.

Как же перемещается такой контакт? Закон его движения остается точно таким же, как и закон движения бегущего луча. Контакт перемещается со строго постоянной скоростью слева направо вдоль горизонтального ряда зерен мозаики, или, как называют такой ряд, строки. Дойдя до правого конца строки, он мгновенно возвращается обратно, на левый край, и, встав в начале следующей строки, возобновляет равномерное движение. Пробежав таким образом все строки, контакт мгновенно возвращается в исходное положение, в начало первой строки. И все повторяется вновь и вновь на протяжении всей телевизионной передачи.

Контакту пришлось бы перемещаться с огромной скоростью. Так, при ширине мозаики 12 сантиметров и стандарте разложения 625 строк за время передачи одного кадра, равное 0,04 секунды (частота смены кадров в отечественном телевидении равняется 25 в секунду, что с точки зрения инерционных свойств глаза вполне достаточно, чтобы не ощущать мерцания и воспринимать все движения непрерывными), контакт пробежит расстояние 150 метров. А за секунду 3750 метров.

Это огромная скорость. И ни один обычный проводничок, ни один обычный контакт нельзя заставить перемещаться столь быстро. Поэтому их заменяет проводник, контакт особого рода - тончайший электронный луч. Заставить конец электронного луча, "упирающийся" в мозаику, перемещаться со столь большой скоростью уже нетрудно.

Чтобы нагляднее представить сказанное, лучше всего ознакомиться с устройством одного из типов передающих телевизионных трубок, который называется "ортикон".

Как видно из чертежа, ортикон представляет собой удлиненную стеклянную цилиндрическую колбу, имеющую расширение в передней части. Внутри колбы находятся мозаика и несколько электродов. После изготовления из трубки удаляется, по возможности, весь воздух.

Мозаика крепится на внутренней стороне передней торцевой поверхности трубки. В противоположном конце находится термокатод. Он раскаляется до высокой температуры с помощью специального электрического подогревателя, представляющего собой свитую в виде миниатюрной пружинки проволочку, напоминающую спиральку электрической плитки. Электроны, испускаемые термокатодом, летят в самых различных направлениях. Для того чтобы сформировать из них тончайший луч, состоящий из электронов, движущихся в одном направлении, и для того чтобы придать им необходимую скорость, в полости трубки помещена специальная электронно-оптическая система, состоящая из упомянутых уже электродов

Схематическое изображение передающей телевизионной трубки типа ортикон, помещенной в систему электромагнитных катушек

Снаружи трубку охватывает длинная электромагнитная катушка - соленоид. Через катушку пропускают постоянный ток, и образующееся магнитное поле позволяет довести толщину электронного луча до очень малой величины¹. Между этой катушкой и баллоном трубки устанавливают еще две пары катушек, которые называются отклоняющими. В каждой паре протекает переменный ток особого вида. Под воздействием двух электромагнитных полей, создаваемых токами, протекающими через две пары отклоняющих катушек, осуществляется отклонение луча в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Скорости отклонения луча по горизонтали и по вертикали различны.

¹ (Сечение электронного луча стараются сделать, по возможности, круглым. Диаметр сечения луча в месте его падения на мозаику должен быть точно равен ширине одной строки.)

Одна пара катушек, обеспечивающих отклонение по вертикали, заставляет электронный луч медленно и равномерно смещаться по мозаике сверху вниз, а затем очень быстро возвращаться в исходное положение. Другая пара катушек отклоняет луч с равномерной скоростью по горизонтали слева направо, а затем мгновенно возвращает его назад, на левый край.

Частота тока в катушках вертикального отклонения во много раз меньше частоты тока, протекающего через катушки горизонтального отклонения. Поэтому и скорость движения луча по вертикали во много раз меньше, чем скорость движения по горизонтали. И, следовательно, электронный луч прочертит на мозаике столько горизонтальных строк (фактически они несколько наклонены вправо вниз), во сколько раз скорость движения вдоль строки превышает скорость смещения по вертикали, или, как говорят, по кадру.

Подобный метод последовательного разложения, развертки изображения на элементы с помощью электронно-лучевой трубки был предложен в России в 1907 году изобретателем Борисом Львовичем Розингом (1869-1933 гг.).

Итак, электронный луч, падающий на мозаику, выполняет роль проводника, контакта, последовательно замыкающего цепи всех элементарных фотоэлементов. Каждый из них, испуская электроны под воздействием света, накапливает положительный заряд. Такое накопление происходит в каждом из зерен мозаики. Оно длится между двумя последующими моментами, в которые на данное зерно падает электронный луч. Время, в течение которого электронный луч упирается в данное зерно, очень мало¹. Но его вполне достаточно, для того чтобы термоэлектроны луча полностью заместили излученные фотоэлектроны и свели положительный заряд зерна мозаики к исходному, нулевому.

¹ (Если кадр разбивается на 540 625 элементов и все они передаются за ¹/₂₅ секунды, то длительность пребывания луча на одном из элементов составляет всего 0,00000008 секунды!)

Как только луч покинет элементарный фотокатод, последний вновь начнет испускать фотоэлектроны. В единицу времени он отдает их тем больше, чем он ярче освещен. Такой попеременный процесс отдачи фотоэлектронов и их восполнения термоэлектронами происходит на каждом из зерен мозаики в течение всего времени телевизионной передачи.

Так как освещенность всех зерен мозаики различна, то различной будет и убыль электронов. Следовательно, количество электронов, забираемых у луча, будет меняться при движении его от одного элементарного фотокатода к другому. И так как луч движется непрерывно, то это количество меняется непрерывно. В результате создается пульсирующий ток, который и представляет собой не что иное, как сигналы изображения, закодированные тем же шифром, что и раньше.

Эти сигналы усиливаются с помощью электронных усилителей. В них дополнительно вводятся сигналы, определяющие начало движения в горизонтальном направлении (по строкам), и сигналы, определяющие начало движения луча по вертикали (по кадру). Такие сигналы называются синхронизирующими, так как они нужны для того, чтобы заставить электронный луч в приемной трубке, в обычном телевизионном кинескопе, отклоняться строго в соответствии, синхронно с лучом передающей трубки.

Сигналы изображения и синхронизирующие сигналы передаются по радио или по специальному кабелю к приемникам изображения - к телевизорам.

Ортикон был описан здесь столь подробно лишь потому, что на его примере можно проще всего объяснить важные принципы работы передающих трубок. Но ортикон не является ни единственным, ни лучшим среди своих "собратьев". В настоящее время есть значительно лучшие типы трубок.

Первой трубкой, успешно использовавшейся в телевидении, был так называемый иконоскоп. В настоящее время он почти вышел из употребления и заменен более совершенным супериконоскопом¹. Трубки этого типа широко применяются при передаче из студий и теперь. За много лет своего существования супериконоскоп очень хорошо отработан и освоен промышленностью. С его помощью можно получать изображения высокой четкости и с очень хорошим воспроизведением полутонов. Но у него есть один очень большой недостаток - малая чувствительность, столь малая, что для нормальной работы телевизионной камеры требуется очень большая освещенность передаваемой сцены. Практически ее можно обеспечить только в телестудии с помощью специальной осветительной аппаратуры. Другой недостаток супериконоскопа состоит в том, что он громоздок, имеет сложную форму и плохо вписывается в конструкцию камеры.

¹ (Слово "супер" - составная часть сложных слов, обозначающая высшее качество или повышенное, улучшенное действие.)

Уже известная вам трубка ортикон по чувствительности и четкости мало отличается от супериконоскопа и тоже применяется в телевизионном вещании. Особенно популярна она в Англии.

В конце 40-х годов появилась новая трубка - суперортикон, обладающая исключительно хорошими параметрами. Главный из них - чувствительность - столь высок, что изображение хорошего качества может быть получено в сумерки или даже при лунном освещении. Четкость изображения, даваемого этой трубкой, также очень высокая: она может быть доведена даже до 1000 строк. Суперортикон имеет хорошую конструктивную форму, но его габариты тоже велики (длина примерно 500-600 миллиметров, а наибольший диаметр 50-60 миллиметров). Кроме того, мы не должны забывать о системе катушек, охватывающих трубку. Они тоже занимают много места и весят добрый десяток килограммов. К недостаткам суперортикона следует отнести и очень большую сложность эксплуатации, высокую стоимость, малый срок службы и малую прочность - он очень плохо переносит сильные удары, сотрясения и вибрации.

И все-таки его достоинства искупают все эти серьезные недостатки. Суперортикон считается и еще долго будет одной из наилучших трубок для применения в тех случаях, где на первом месте стоит чувствительность. В телевизионном вещании трубки типа суперортикон имеют весьма широкое распространение.

Суперортиконам скоро минет двадцать лет, но, несмотря на это, их продолжают непрерывно совершенствовать. И в самое последнее время добились новых больших успехов. Не так давно появились новые суперортиконы, чувствительность которых столь высока, что во много раз превосходит чувствительность человеческого глаза. Усовершенствовать суперортикон помог наш старый знакомый - электронно-оптический преобразователь. Его использовали для того, чтобы он проектировал на суперортикон уже усиленное по яркости изображение.

Все перечисленные до сих пор трубки были основаны на явлении внешнего фотоэффекта. Но мы знаем, что овладение внутренним фотоэффектом позволило инженерам и ученым создать различные устройства, аналогичные по своему назначению устройствам с внешним фотоэффектом. Значит, мы вправе ожидать, что могут быть созданы и телевизионные передающие трубки, основанные на внутреннем фотоэффекте. И такое предположение оказывается справедливым.

Передающие телевизионные трубки: суперортикон, обычный и миниатюрный видиконы. Длина суперортикона примерно 0,5 метра; длина миниатюрного видикона меньше сантиметров

Такие трубки были действительно разработаны. Первые их образцы появились в начале 50-х годов. Их свойства столь хороши, что и в настоящее время они являются не только самыми распространенными, но и самыми любимыми трубками всех телевизионщиков. Трубки такого типа носят название "видикон".

У видикона много достоинств. Прежде всего он имеет очень хорошую чувствительность. Она, правда, ниже, чем у суперортикона, но значительно выше, чем у всех остальных типов трубок, и вполне достаточна для того, чтобы получить хорошее изображение при естественном дневном свете (даже в пасмурную погоду) и при обычном комнатном электрическом освещении. По четкости изображения новейшие модификации видиконов тоже практически не уступают суперортикону. Появившиеся в самом конце 1960 года сообщения говорят, что четкость изображения может быть доведена до 1000 строк.

В правой руке репортера камера с миниатюрным видиконом; левой рукой он придерживает очень маленький, контрольный приемник, по экрану которого репортер контролирует качество изображения; в ранце, за спиной, телепередатчик

Очень важно и то, что видикон необыкновенно прост в эксплуатации, очень надежен, не боится ударов и вибраций, значительно более долговечен и дешев. Есть у него и еще одно огромное достоинство - видикон имеет очень малые размеры: его диаметр равен всего лишь 25 миллиметрам, а длина - 160. При этом вес системы катушек может быть доведен до нескольких сотен граммов.

Но это еще не предел. Уже созданы в ряде стран и отлично работают миниатюрные видиконы (их иногда называют минивидиконами), которые по своим размерам не больше сигареты. Диаметр такого видикончика всего лишь 13 миллиметров, а длина - 80. Вес системы катушек может не превышать 150-200 граммов. Правда, наивысшая четкость изображения, которую до настоящего времени удалось достигнуть с его помощью, не превышает 300-400 строк. Но ведь минивидикон совсем еще "юная" трубка, и от нее многого можно ожидать в будущем. И, в частности, того, что благодаря исключительной простоте конструкции эту трубку смогут изготавливать на автоматических линиях в таких же количествах и при такой же стоимости, как и обычные электронные лампы. А это означает, что телевидение сможет проникнуть во многие области жизни и деятельности человека.

Передающая телевизионная камера специальной телевизионной установки с трубкой суперортикон. Положением этой камеры и установкой диафрагмы объектива можно управлять на расстоянии

Как и все устройства, основанные на внутреннем фотоэффекте, видиконы можно сделать чувствительными к инфракрасным лучам с такими длинами волн, которые не смогут воспринимать все типы трубок с внешним фотоэффектом.

Но именно это же обстоятельство (внутренний фотоэффект) определяет и основной недостаток современных видиконов - они инерционны. Инерционность в этом случае выражается в размазывании быстро движущихся изображений, в падении чувствительности трубки при передаче таких изображений. Возникают и последовательные образы, но в большинстве случаев они почти незаметны. С инерционностью сейчас уже довольно успешно борются, и новые типы видиконов обладают уже вполне приемлемой для телевизионного вещания инерционностью.

Итак, вы прочитали об иконоскопе и суперйконоскопе, об ортиконе и суперортиконе и, видимо, обратили внимание на то, что трубки, названия которых начинаются со слова "супер", лучше своих предшественниц. Возникает вопрос: "Не может ли быть создан и супервидикон?" Пока что ответить на него вполне определенно нельзя. Но не исключено, что трубка такого рода появится.

Не так давно в печати был описан принцип действия новой трубки, которой, хотя и не вполне основательно, можно было бы присвоить такое название. Все же изобретатели, понимая, что она еще не на все 100 процентов отвечает признакам, которыми должен обладать супервидикон, назвали ее иначе. Ее имя - "эбикон".

Если верить сообщениям, то свойства эбикона окажутся совершенно поразительными. Ожидается, что чувствительность этой трубки превзойдет чувствительность глаза и даже электронно-оптического преобразователя и будет близка к теоретически возможному пределу. Эбикон позволит хорошо наблюдать объекты даже в облачную безлунную осеннюю ночь.

Пока что эта трубка существует только на бумаге, но можно не сомневаться, что со временем такие трубки начнут делать, как бы ни был труден путь к их практическому осуществлению.