Телевидение

ГОСУДАРСТВЕННАЯАКАДЕМИЯ СФЕРЫБЫТА И УСЛУГ

ИНСТИТУТТЕХНИКИ СЕРВИСА

Б. С. РОЗОВ

ТЕ Л Е В И Д Е Н ИЕ

Учебноепособие

Москва,1997

Рецензенты:Волков Ю.А., д.т.н.,зав. кафедройэлектроникиМИФИ; ПетраковА.В.,д.т.н., зав. кафедройавтоматизациипочтовых операцийМосковскоготехническогоуниверситетасвязи и информатики(МТУСИ).

Розов Б.С.Телевидение:Учебное пособие,ГАСБУ. М., 1997.

В настоящемучебном пособиидостаточноярко изложенывопросы теориителевизионныхсистем. Работапредназначенадля студентов,изучающих курс«Телевидение».

ЛицензияЛР № 020362 от 14.01.1997 г.

 Государственнаяакадемия сферыбыта и услуг,1997 год.

1. ПРИНЦИПЫТЕЛЕВИДЕНИЯ

1. Поэлементныйанализ и синтезоптическихизображений

Окружающиенас предметыв той или инойстепени отражаютсветовой поток– либо за счетдиффузного(в основном),либо зеркальногоотражения. Этаспособностьотражать илиизлучать(самосветящиесяобъекты) светопределяетоптическиесвойства объекта,а световойпоток от предметови их деталейнесет зрительную(визуальную)информацию.

Если падающийна объект световойпоток равенF(),то отраженныйпоток F_о()зависит откоэффициентаотражения (),который таки определяется:

Визуальнаяинформациясодержитсяв световомпотоке, посколькуэтот световойпоток неоднороденв пространстве– и не толькоза счет разного().Разной являетсяосвещенностьдеталей объекта,хотя весь онможет иметьодин и тот жекоэффициент(),например, гипсоваяскульптура.Зрительнаяинформацияпереноситсясветовой энергией,попадающейк наблюдателюот точек объекта.

Интенсивностьи спектральныйсостав потокаот каждой такойточки характеризуютяркость (светлоту)и цвет точки,а направлениепотока определяютее пространственноеположение.

Наблюдательвоспринимаетодновременнонекоторую частьпространства,ограниченнуюуглом зрения.При этом существуетнаименьшаяпространственнаядеталь, которуюон еще различает,но в ее геометрическихпределах ужене различаетяркостные илицветовые различия.Размеры этойдетали определяютминимальныйугол разрешения.Две этих величины– угол зренияи угол разрешения– определяют счетное (т.е.конечное) множествоэлементовизображенияN,т.е. площадокразличнойяркости илицветности.

Элементизображения– это та частьизображения,в пределахкоторой всеоптическиехарактеристики(яркость, цветность)принимаютсяодинаковыми,т.е. они могутменяться тольково времени. Впринципе элементизображенияможет быть игораздо большим,чем следуетиз разрешающейспособностиглаза – этозависит отразрешенияаппаратуры,а также от желанияполучить специальныеэффекты – например,размываниекартинки засчет последовательногоуменьшенияколичестваэлементов визображении.

Изображение,образованноесовокупностьювсех элементовизображения,называетсякадром.

Подход, основанныйна принципиальноограниченномколичествеэлементовизображения,давно используетсяв полиграфии.Чем выше должнабыть четкость(детальность)воспроизводимогоизображения,тем большедолжно бытьэлементов nна единицуповерхности.

Итак, плоскоеоптическоеизображениеможет бытьпредставленомножествоминтегральныхисточников,количествокоторых достигаетN510⁵(полмиллиона).В каждом изтаких световыхэлементовсветовое полехарактеризуетсяамплитудой,фазой углами плоскостейполяризации.И все это дляпяти аргументов(x, y, z, ,t):

 (x,y,z,,t),(x,y,z,,t),₁(x,y,z,,t),₂(x,y,z,,t),₃(x,y,z,,t)

Это и естьнаиболее полнаяматематическаямодель изображения(М=25). Это означает,что для N элементовдискретногоизображениянеобходимопередаватьMNинформационныхсообщений, гдеМ=25. При передачеданных о состояниикаждого элементапо независимомуканалу надоиметь 25  5  10⁵ = 1,25  10⁷каналов. Этопрактическиневозможно.

Полную модельсветового поляможно упростить.Для созданияоптическихизображенийиспользуютсянекогерентныеи неполяризованныеисточники,поэтому функциии₁можно не учитывать.Даже если источникикогерентныеи поляризованные,то используемыеныне преобразователисвет-сигнал(также как ичеловеческийглаз) нечувствительнык фазе и плоскостиполяризации.С учетом этого,а также учитываядвумерностьизображения,остается модельв виде (x,y,,t)– для цветногоизображения.Черное изображениеимеет разделяющиесяпеременные(x,y,,t)=₁(x,y,t)₂()= L(x,y,t),т.к. преобразовательсвет-сигналреагируеттолько на мощностьизлучения,которая находитсяпутем интегрированияв пределахвидимого диапазонапроизведения()S(),где S()– спектральнаячувствительностьпреобразователя.

Таким образом,каждый элементизображенияописываетсяфункцией L_i(x,y,t),а изображениев целом – совокупностьютаких функций:

.

Если принятьидею многоканальнойтелевизионнойсистемы, т.е.системы, обеспечивающейсамостоятельныйканал связидля каждогоэлемента изображенияна передающейи приемнойстороне (рис.1.1), то координаты(x,y)каждого элементаоднозначноопределяютсяканалом связи,поэтому приобщем количествеканалов Nпо каждому изних должнопередаватьсязначение яркости(черно-белоеизображение).Для цветногоизображениянеобходимопередаватьтакже значениецвета.

Очевидно,что даже такаяупрощеннаямногоканальнаятелевизионнаясистема нереальна.

Реальнымтелевидение,т.е. передачаизображенийна расстоянии,стало послепоявления идеипоследовательнойпередачи световыхпараметровкаждого элемента(«точки») кадрав определенномпорядке. Такаяпоследовательнаяпередача значенийяркости элементовизображенияназывается«разверткой»изображенияво времени. Наприемной сторонеодновременнос этим происходитпроцесс «свертки»– в том же порядкепроизводитсяобход всехплощадок кадраи каждая из нихзасвечиваетсяв соответствиис текущим значениемсигнала яркости.Если циклразвертка-сверткаповторяетсямного раз всекунду, тоглаз человекав силу своейинерционностивоссоздаетоптическоеизображениекак сплошное.

Главноепреимуществовременнойразверткиизображениязаключаетсяв том, что поодной физическойлинии связи(пара проводов,радиоканал)за счет временногоразделенияпередаютсязначения яркостивсех элементов.Адрес элемента,т.е. его координатыx иyобычно пропорциональнывремени t,прошедшемуот начала цикларазвертки,т.е.:

x = k₁t, y = k₂t

В этом случаекоординатыx,yлинейно растутсо временем,так что передаетсятолько совокупностьсигналов L_i(t),принадлежащихразным элементам.

Очевиднымусловием временнойразверткиявляются одинаковыемоменты началаразвертки иее постояннаяскорость вовремени (строгоговоря, скоростьразвертки можетбыть и не постоянной,но разверткана передающийи приемнойстороне телевизионнойсистемы должнаиметь один итот же законизменения вовремени).

Структураполя изображения,образованногов процессеразвертки,называетсятелевизионнымрастром. Другимисловами, растр– это траекторияобхода элементовразворачиваемогоизображения.

В современныхсистемахтелевизионноговещания принятапрогрессивнаялинейно-строчнаяи линейнаякадровая развертки,т.е. последовательнаяпередача элементовизображенияс постояннойскоростью иодним и тем женаправлениемстрочной икадровой разверток.В телевизионныхсистемах специальногоназначенияиспользуютсяи другие видыразверток (двусторонняястрочная, спиральныеи др.).

Строки и кадрысинхронизируются.Точностьсинхронизации(синхронность)и постоянствоскорости разверток(синфазность)– необходимое(хотя и не достаточное)условие геометрическойточностипередаваемогоизображения.

При линейно-строчнойразверткетелевизионнуюсистему характеризуютчислом строкв кадре zи числом кадровn_kв секунду (параметрыразложения).

Получениесигнала изображенияпри последовательнойпередаче показанона рисунке 1.2.

Видно, чтосущностьтелевизионногоанализа изображениясводится ктому, что двумернаяфункция распределенияяркости (освещенности)преобразуетсяв одномернуюфункцию времени:

L(x,y)u(t)или E(x,y)u(t)

Сигнал u(t)(илиi(t)мал, поэтомуон усиливается,в него замешиваютсядругие, служебныесигналы (синхронизации,гашения и др.).Для передачисигнала используютразные видымодуляции –амплитудная,фазовая и др.Применяют такжецифровые методыпередачи.

В приемнойчасти системыполный сигнализображенияподвергаетсядемодуляциии усилению, азатем осуществляетсясинтез изображения.При синтезеэлектрическиесигналы изображенияпреобразуютсяв яркость (илии цвет) элементовизображения,так что одномернаяфункция сигналаизображениявозвращаетсяк двумернойфункции распределенияяркости наэкране.

Основнаяфункция синтезаторазаключаетсяв объединениипроцессовдекодированияи электронно-оптическогопреобразования.Обычно дляэтого используетсяявление катодолюминесценции– свечениеэкрана прибомбардировкеего сфокусированнымэлектроннымпучком. Развертывающимэлементомявляется электронныйпучок, интенсивностькоторого управляетсясигналом,пропорциональным

Ясно, чтосинтез изображениявозможен тожелишь при наличииразвертки,которая должнабыть синфазнойс разверткойпередающейчасти (анализатора).В процессесинтеза надообеспечитьгеометрическоеи светотехническоеподобие междуоптическим(первичным) ивыходным(репродукцией)изображениями.При этом заоснову принимаетсяфизиологическаяточностьвоспроизведения– когда входноеи выходноеизображенияпри наблюдениив одинаковыхусловиях различаютсямало.

2. Пространственныечастоты поляизображения

Использованиепонятия «элементизображения»означает заменунепрерывнойфункции яркостипо координатамx и yдискретнойфункцией яркостипо полю изображения(рис. 1.3).

Для некоторойстроки с координатойy_iяркость выражаетсяв виде L(kx,y_i),которая отличаетсяот истиннойяркости L(x,y),посколькувнутри элементаизображенияпо любой координатеL=const=L_cp.

После оптическогоизображения может бытьразложено вряды Фурье пообеим координатам.В качествепространственногопериода первойгармоникиразложенияудобно выбиратьгеометрическиеразмеры изображения:“b”по оси абсцисси “h”по оси ординат.Очевидно, чтопри этом всегдаприсутствуетнулевая составляющаяяркости (илиосвещенности,что практически,как будет показанов гл.2, одно и тоже), а такженекоторый наборгармоник первойпространственнойчастоты. Непосредственныйинтерес представляетверхняя пространственнаячастота _вгр,определяемаякак обычночерез минимальныйпространственныйпериод (длинуволны) _нгр:

_вгр=

Минимальнаяпространственнаядлина волны _нгропределяется,в свою очередь,как периоднаиболее мелкойпространственнойрешетки (рис.1.4).

_нгр= 2x, так что_вгр=

.

В направленииxизображениесостоит из N_xэлементов:

N_x=

А в направленииy ,соответственно

N_y=

Если принятьx= y(одинаковоеразрешениев горизонтальноми вертикальномнаправлении),то общее количествоэлементовизображенияNсоставит:

N = N_xN_y=

=

Отсюда:

,а частота .

В ряде случаев(требованияк зернистостилюминофораи т.п.) представляетинтерес обратнаязависимость:

N = 4bh²_вгр

Пространственнаячастота поляизображенияи скоростьформированиярастра (скоростьсканирования)определяют,как будет показанопозже (гл. 6), требованияк полосе частот(временных)аппаратурытелевизионнойсистемы.

1.3. Преобразованиеизображенияв электрическийсигнал

Для черно-белоготелевидениякаждый элементхарактеризуетсямгновеннымзначениемяркости; поэтомупри поэлементнойразверткеобразуетсясигнал яркостикак функциявремени.

Необходимопреобразоватьлучистую энергиюв электрическийсигнал. Дляэтого используютсяфотоэлектрическиепреобразователи– с внешним ивнутреннимфотоэффектом.

Внешнийфотоэффект(А.Г. Столетов,1890) – появлениеэлектроннойэмиссии с освещаемойповерхностинекоторыхметаллов и ихокислов. Внутреннийфотоэффект– изменениепроводимостинекоторыхвеществ приих освещении.

Пусть в плоскостифотокатода(тонкая полупрозрачнаяпленка из металлас внешнимфотоэффектом)сформированооптическоеизображение,так что энергетическоесостояниекаждого элементафотокатодаопределеноосвещенностьюE_iи его спектральнымсоставом. Значит,с каждого элементафотокатодаэмиттируют электроны,плотностькоторых jвблизи поверхностипропорциональнаосвещенности:

j_iE_i ,

аполе электроновотображаетосвещенностьэлемента изображения.Если теперьполностьюотбирать токэлектронов,то он тожепропорционаленсредней освещенности:

i_iE_i

Если осуществляетсяпоочереднаявыборка элементовэлектронногоизображения(временнаяразвертка), тополучаетсясигнал изображенияi(t),величина которогов каждый моментпропорциональнаосвещенностиразворачиваемогоэлемента изображения.

Каким образомосуществитьразверткуизображения?В качествепримера рассмотриммеханическуюсистему, позволяющуюосуществитьпоследовательноеосвещениефотокатодас помощью подвижнойдиафрагмы,равной по площадиодному элементуизображения(диск Нипкова).

Диафрагмыв виде прозрачныхотверстий внепрозрачномдиске перемещаютсяв плоскостиоптическогоизображения,а фоточувствительныйэлемент (один!)располагаетсяза диском (рис.1.5).

Отверстияв диске размещеныпо спирали так,чтобы быласплошная развертка(смещены порадиусу на свойдиаметр). ДискНипкова представляетсобой оптическийкоммутатор.В телевизионнойсистеме этоготипа (в Москве,1931 г.) было 30 строк(z=30),частота кадров– 12,5 Гц. Частотакадров равна¼ частоты сети,что удобно длясинхронизации.Полоса частотбыла малой, чтопозволялопередаватьсигнал порадиовещательномуканалу.

Второй способосуществлениявременнойразверткиизображения– это перемещениеэлектронногоизображенияотносительнодиафрагмы –ловушки поопределенномузакону. И в этомслучае, как исистеме с дискомНипкова, вобразованиифототока принимаетучастие толькота часть светаот данногоэлемента изображения,которая в этотмомент развертывается.

Если полныйсветовой потокизображенияF_o(отраженныйсветовой потокот объекта), тосредний потокодного элементасоставит:

F^`_o=

,

асредний токэлектрическогосигнала i= i_ср= E F^`_o= E

,где Е – чувствительностьпреобразователя .

Если N= kz²,где k– формат кадра(k =

),z –число строккадра, то

i₂= E

Такие системыназываютсясистемамимгновенногодействия.Чувствительностьэтих системобратно пропорциональнаквадрату числастрок разложения,это их главныйнедостаток.Количествосвета (экспозиция)

,т.е. произведениесветовогопотока на времяего использованияза время прохожденияодного элементаизображения

=

Всилу малостисигнала, представляютинтерес способыего увеличения.Известны ииспользуютсядва таких способа.

1. Еслиесть возможность,то можно использоватьвесь имеющийсяв наличии световойпоток дляпоочередногоосвещениядеталей объекта,соответствующихотдельнымэлементамизображения.Это так называемыесистемы с бегущимлучом – например,при передачеизображенийс кинопленки,в факсимильнойсвязи. Весьнеобходимыйдля работысистемы светздесь сосредоточенв одном луче(т.е.

   ),который перемещаетсяпо носителюизображения в соответствиис законом разверткиизображения.Это тоже системамгновенногодействия.

2. Приневозможностиосвещенияобъекта световымбегущим лучом(что обычно иимеет место)используютнакоплениесигнала в течениевсего кадраи последующегоего полногосчитывания(использования)во время коммутацииданного элемента.Из общих соображенийясно, что энергетическиоба способаэквивалентны,хотя системас накоплениемболее универсальна.

1.4.Обобщеннаяструктурнаясхема телевизионнойсистемы

Телевизионнаясистема (ТВС)– комплекстехническихсредств, обеспечивающихпередачу визуальнойинформациипутем ее прямогои обратногопреобразованиячерез электрическиесигналы.

Обобщенные,обязательныедля любой системыустройстваи их функциональнаявзаимосвязьпоказаны нарис. 1.6. С помощьюобъективаформируетсяплоское оптическоеизображениена фотокатодепреобразователясвет-электрическийсигнал (ПСС). ВПСС лучистаяэнергия преобразуетсяв электрическуюв ходе разверткиизображения,так что на выходеПСС получаетсявременнойсигнал, называемыйисходным сигналомяркости E_c,мгновенныезначения которогопропорциональнызначениямяркости передаваемогов данный моментэлемента изображения.

Сигнал свыхода ПССусиливается,и в него вводятсядополнительные(служебные)импульсныесигналы, предназначенныедля запиранияобратногопреобразователясигнал-светв перерывахмежду разверткойстрок и кадров(сигналы гашения).Исходный сигналвместе с сигналомгашения называетсясигналом яркости.

Для обеспечениясинхронностии синфазностииспользуетсяпринудительнаясинхронизация– 1 раз на периодстроки и 1 разна период кадрас помощью специальныхсигналовсинхронизации,подмешиваемыхв сигнал вовремя передачигасящих импульсов.Строчные икадровыесинхроимпульсыбольше по амплитуде,чем гасящиеимпульсы, поэтомуони выделяютсяиз полноготелевизионногосигнала с помощьюамплитудныхселекторов.Между собойстрочные икадровыесинхроимпульсыразличаютсяпо длительности.Сигнал, состоящийиз сигналовяркости вместес синхронизацией,называетсяполным телевизионнымсигналом.

Полный ТВсигнал далеепоступает вканал связи.Это может бытькабельная,радиорелейная,вещательная,волноводная,спутниковаялиния связи,удовлетворяющаятребованиямнеискаженнойпередачи ТВсигнала. В каналесвязи сигналможет неоднократноподвергатьсяразличнымпреобразованиям,но на выходедолжен восстанавливатьсяисходный сигнал,который и поступаетна усилитель-селектор.Усилительобеспечиваетуровень сигнала,необходимыйдля управленияобратнымпреобразователемсигнал-свет.В селекторевыделяются синхронизирующиеимпульсы, которыеподаются науправлениеразверткойТВ-приемника(синтезатораизображения).

КачествоТВ изображения определяетсяпараметрамии характеристикамиТВ системы.Воспроизведениемелких деталейи резких границучастков изображения с разной яркостью(контуровизображения)определяетсяв первую очередьколичествомстрок разложения,т.е. количествомэлементовизображения.Слитностьвосприятияимпульсныхпо своей природесигналов яркостии плавностьдвижений определяютсяколичествомкадров в единицувремени. Числовоспроизводимыхградаций яркостизависит отдинамического диапазонасистемы. Геометрическоеподобие передаваемогои воспроизводимогоизображенийзависит отточностисинхронизации,а также отдифференциальногоподобия развертокпередающейи приемнойсторон ТВ системы.

Таким образом,выбор параметровсистемы зависитот качестваизображения.С другой стороны,повышениекачества влечетза собой усложнениеи удорожаниесистемы. ПосколькувещательнаяТВ системасделана длязрителя, получателяинформации,то ее показателидолжны бытькомпромиссоммежду приемлемымкачеством иприемлемойстоимостью.Еще лучше, еслиесть выбор изнесколькихвозможностей,хотя этого втелевидениипока нет (в отличиеот радиоприема,где качествозвучания иприема в основномзависит откачества приемника,а в эфир «выпускается»сигнал оченьвысокого качества).

Для дальнейшегограмотного,осознанногорассмотрениятелевизионныхсистем необходимообратитьсяпрежде всегок зрительнойсистеме человека.

2. ОПТИЧЕСКОЕИЗОБРАЖЕНИЕИ ЕГО ВОСПРИЯТИЕ

1. Глазчеловека

Глаз – одиниз сложнейшихорганов человека,«световое окно»в мозг. Глазвместе с мозгомобразуют зрительнуюсистему, черезкоторую поступаетпо разным оценкамот 70 до 90% всейинформациииз внешнегомира к человеку.

Блоки зрительнойсистемы (рис.2.1) охвачены прямымии обратнымисвязями, которыесоздают возможностьадаптивнойперестройкиоптическойсистемы исветочувствительногоблока.

Оптическаясистема глазапоказана нарис. 2.2.

Диаметр глазасоставляет25 мм. Зрачок можетменять свойдиаметр от 2 до8 мм (адаптация),что позволяетприспосабливатьсяв широких пределахсветовых потоков.

Роговицаобразует переднююкамеру, котораязаполненавлагой. Передняякамера и хрусталикобразуют оптическуюсистему саккомодацией,образующейдействительноеперевернутоеизображениена сетчатке.Плотностьхрусталиканемного большеплотности воды.Хрусталиксостоит изнесколькихслоев и можетменять своюформу (кривизнупереднейповерхности),так что меняетсядействующеефокусное расстояниеглаза как оптическойсистемы от 22,8до 18,9 мм, т.е. глазобладает способностьюменять своюоптическуюсилу от 60 диоптрийпри рассматриванииудаленныхобъектов до70 диоптрий (близкиепредметы).

Сетчатаяоболочка (ретина)– переплетениеволокон зрительногонерва (810⁵волокон), которыезаканчиваютсяпалочками иколбочками.Количествоколбочек - 710⁶,палочек – 13010⁶;те и другиеобъединяютсяв группы и узлы,а потом ужеприсоединяютсяк нервным волокнам.В палочкахпроисходятфотохимическиереакции наорганическомпигменте –родопсине(зрительныйпурпур), которыйпоглощаеткванты лучистойэнергии и создаетимпульсы внервном волокне.В темноте пурпурвосстанавливается.В колбочкахпроцесс фотохимиине совсем известен.

Абсолютныйпорог чувствительностиглаза определяетсяпалочковымирецепторами(сумеречное,скотопическоезрение) – прибольших углахзрения и длительномнаблюдениив условияхпочти полнойтемноты глазчувствуетэнергию, эквивалентную1 фотону на 5000палочек в 1 сек.(1 фотон (=507нм)=3,9210^-19Дж).В ряде случаевглаз регистрируетединичныефотоны («поющиеэлектроны»,черенковскоеизлучение).Палочки расположеныс уменьшениемконцентрацииот зоны максимальнойчувствительности(1,710⁵1/мм²)к перифериии к центру. Зонамаксимальнойчувствительностинаходится нарасстоянии(10-12)⁰ отоси глаза.

Колбочкиимеют диаметр13мкм. Это рецептордневного(фотопического)зрения. Наиболееплотно онирасполагаютсяв центральномучастке ретины– в желтом пятне,имеющем овальнуюформу. В центрежелтого пятнаесть углубление– центральнаяямка (фовеа),диаметром 0,4 мм. В фовеяесть толькоколбочки, иплотность ихмаксимальна.Поэтому этоместо сетчаткиобразует наиболеечувствительнуюпо остротезону, там плотность1,510⁵колб/мм².

Колбочковыйаппарат имеетцветовуючувствительность,а палочковыйаппарат такойчувствительностине имеет.

2. Элементысветотехники.

Зрительнаясистема человекавозбуждаетсяколебаниямив диапазоне410¹⁴Гц8,510¹⁴Гц,т.е. волны длинойот 350 до 780 нм и вызываютощущение света(рис. 2.3).

Если естьсветовой поток,имеющий равномерныйспектр (одинаковуюспектральнуюплотность) помощности вдиапазоне380770(400-700) нм, то глазощущает белый(серый) цвет.Во всех остальныхслучаях получаютсяразличныеощущения цвета.

Как всякоеполе излучения,электромагнитноеизлучение можнохарактеризоватьколичественнымипараметрами.Вопросамиметрологииэлектромагнитногоизлучения вцелом занимаетсярадиометрия.Естественно,что радиометрияпокрывает иобласть видимогосвета, и ее единуюметодологиюможно было быиспользоватьи для световыхизмерений.Однако, историческисложилось так(именно в силувосприятиячеловекомобласти света),что вначалезародиласьметрологиятолько в областисвета, котораяполучила названиефотометрия.Основой фотометрииявляется свойствастатистическисреднего глазачеловека.

Вначалерасскажем орадиометрическихединицах. Воснове их лежатрадиометрическиеединицы – эрги,джоули и др.

Энергия 1фотона

,где h = 2п;п = 1,0544310^-27эргс(тоже постояннаяПланка), с – скоростьсвета = 310¹⁰смс^-1;– длина волныизлучения см.

Величинуhудобно использоватьв виде: 6,6210^-34Джс

Можно записать:

Для желто-зеленого(= 556 нм = 55610^-9м = 55610^-7см) света

= 3,57 10^-13 мкВтс.Можно сосчитатьнаоборот –сколько фотоновзеленого светав секунду создаютмощность 1 мкВт:

Для 1 Вт N_зел= 2,810¹⁸фот/с

Для фотоновлюбой длиныволны:

– столько фотоновс длиной волныдают мощность1 Вт.

Нужно сказать,что радиометрияи ее единицыиспользуютсяприменительнок световомудиапазонупрактическитолько в случаях,когда световыепотоки используютсяв технологическихцелях (нагрев,закалка, резкалазером и т.п.).Во всех остальныхслучаях преимущественноиспользуетсяфотометрия.

Основнаяособенностьчеловеческогоглаза – различнаячувствительностьк длине волнысвета. Экспериментальноустановлено,сто глаз нетолько не видитвне диапазона(400-700) нм, но и внутриэтого диапазонаего чувствительностьнеодинакова.Максимальнаячувствительностьсреднего глазанаходится около555 нм (зеленыйсвет), а слеваи справа чувствительностьпадает. Функциячувствительностиглаза от длиныволны называетсяфункцией видности(спектральнаяплотностьсвета, т.е. мощностьв диапазоне,постоянна).

Если глазосвещать одинаковымпо мощностисветовым потоком,но разной длиныволны, то ощущениеяркости выглядит так,как это показанона рис. 2.4. Здесьречь идет именнооб ощущениияркости (светлоты),а не цвета.

Криваячувствительностиглаза в логарифмическоммасштабе (чтобылучше ориентироватьсяв области малыхзначенийчувствительности)приведена нарис. 2.5.

Если братьабсолютныезначения световогопотока, то криваявидности приметвид, изображенныйна рис. 2.6.

В максимумекривой видности(для зеленогоцвета = 555 нм) 1 Вт световойэнергии эквивалентен683 люменам световогопотока. Поэтомусчитают, что1/683Вт/лм– это механическийэквивалентсвета. Считаюттакже, что 683 лмсоставляют1 световатт(для любой длиныволны).

2.3. Светотехническиеединицы

Обычно вкачестве основнойвеличины длясветотехническихрасчетов выбираютсветовой потокP (или F),т.е. мощностьпотока лучистойэнергии, котораяизмеряетсяв Вт,фотон/с,свВтили лм.

Как говорилосьвыше, при = 555 нм световойпоток мощностью1 Вт создаетсветовое ощущениев 683 лм. Это световоеощущение иназывается1 свВт (световатт).Для других длинволн мощностьв свВтвсегда меньшемощности, выраженнойв Вт, потомучто Р_{свВт}= Р_Вт,где – коэффициентвидности, меньший1 для всех длинволн, кроме = 555 нм, когда онравен 1.

Для практическойориентацииупомянем, чтоэлектрическаялампа накаливанияс вольфрамовойнитью мощностью100 Вт создаетсветовой потокF =1200 лм, т.е. даетсветовое ощущение,равное 1,76 свВт.В реальнойсветопроекционнойсистеме 35-ммкиноаппаратана экран попадаетуже только 100лм (т.е. 0,15 свВт),а для 16-мм проекторасветовой потокна экране составляеттолько 25 лм (0,04свВт).

Сила светаопределяетсякак величинасветовогопотока Fв единичномтелесном угле,т.е. это плотностьсветовогопотока в пространстве.

,где []= 1 стерадиан= сферы

Сила светав радиометрииизмеряетсяв Вт/стер.В фотометриисила светаизмеряетсяв кенделах: 1кд = 1 лм/1 стер.

Упоминавшаяся100 Вт лампа накаливания,если ее считатьизотропнымисточником,имеет силусвета I= 1200 лм/4= 95,5 кд.

Хотя в качествеисходнойфотометрическойвеличины логичновыбирать (какмы и сделали)световой потокF,однако за исходную(основную) величинув фотометриив действительностибыла выбранасила света.

Кенделаопределяетсякак 1/60фотометрическойсилы света с1 см²поверхностиабсолютночерного телапри температурезатвердеванияплатины (2042 К) инаблюденииизлучения внаправлениинормали к излучающейповерхности.2042 К называетсяфотометрическойстандартнойцветовойтемпературой.В качествевторичногостандартаиспользуютвольфрамовыелампы накаливания.Таким образом,изотропныйисточник излученияс силой светав 1 кд дает световойпоток 4лм (412,56).

В действительностиизотропныхизлучателейнет, все онианизотропны.Поэтому надовыражатьсядостаточноаккуратно, иимеется в видуне просто силасвета, а силасвета в данномнаправлении.Посколькуизлучателианизотропны,в том числелампы накаливания,для их фотометрииберут интегрирующуюсферу, у которойкоэффициентотраженияпрактическиравен 1, а затемизмерения ведутчерез небольшоеокно в этойсфере. Полныйсветовой потоксравниваетсяс известнымстандартом(эталоном).

Яркость –отношение силысвета к излучающейповерхностив нормальномнаправлении.Т.е. яркость –это сила светас единицы поверхности(обозначаютВ или L):

,т.е. I = B S,

гдеS –площадь светящейсяповерхности.

Если направлениенаблюдениясоставляетс нормалью угол,то S_эфф= Scos,поэтому I= BS_эфф= BScos.Для неравномерной(неизотропной)яркости:

.В этом случаечасто используютпонятие средней(габаритной)яркости:

.

Освещенность(светимость– если поверхностьсветится) –поверхностнаяплотностьпадающего(освещающего)потока:

,

.

Для изотропногоизлучателя:

F = I ,поэтому

,

т.е. освещенностьсферы с радиусомR.

Если направлениенаблюдениясоставляетс нормалью кплощадке угол,то S_эфф=Scos,поэтому I= BS_эфф= BScos.Можно написать:

.При необходимостииметь B= B₀= const для разныхуглов надо, чтобы исветовой потокзависел от углатак же, т.е. I= I_ocos.Тогда .

Это условиесоблюдаетсядля ламбертоваизлучателя,т.е. излучателяв виде равномернорассеивающейповерхности,излучающейсвет с силой,пропорциональнойкосинусу угламежду направлениемизлучения инормалью. Кламбертовуизлучателюблизки обычныедиффузныеотражатели(белая бумага).

Посколькуосвещенностьи светимостьзачастую длявнешнего наблюдателянеразличимы(например, светот Луны), представляетинтерес связьмежду Е и В.Рассмотримсферу радиусаr,в центре которойнаходитсяплощадка S,освещеннаяпотоком F_вхи излучающаяво все стороныпоток F_вых(рис. 2.7). Тогда

dF_вых= I d,где

I = BScos– сила светав направлении;

В – яркостьплощадки S;

d- элемент пространственногоугла («угловаящель»);

– по определениюпространственногоугла;

S_сф= 2rsinr d, тогда d= 2sin.

Так что:dF_вых= B S cos2sin.

Весь выходнойпоток:

,

с другойстороны: F_вх= E S, аF_вых= F_вх= E S

ПриравниваяF_выхи F_вых,получим:

.

Если = 1, то В и Е – этоодно и то же сточностью домножителя .

Или:

– освещенностьв фут-ламбертах;

освещенностьв кд/фут,или кд/м²,т.е.

В = Е, где Е= фут-ламберт;

В = Е/,где Е= люкс, т.е. кд/м².

Посмотрим,как связанаосвещенностьзадней стенкиглаза (сетчатки)с яркостьюсоответствующегообъекта. Заменимглаз однойлинзой на местероговицы (рис.2.8), которая проецируетобъект площадьюS ияркостью L,находящийсяна расстоянииRот центра линзы.На сетчаткеизображениеобъекта имеетплощадь .Сила света отобъекта I= L S, а освещенностьв плоскостизрачка составит

.

Световойпоток F,попадающийв глаз:

, где

q _гл– площадь входногоотверстия(зрачка) глаза,

 _гл –коэффициентпропусканияглаза.

Этот световойпоток Fсоздает наретине освещенностьЕ _гл:

.

Отношение

определяетсярасстояниемR ифокусным расстояниемглаза f_гл: ,так что .Тогда освещенностьретины: .

Для нас существенноотметить, чтоосвещенностьучастка ретиныопределяетсяяркостью объекта,который проецируетсяна этот участок.

Обращаетна себя вниманиетот факт, чтосветотехническиеединицы обычнослабо понимаютсяи запоминаются.Частично этообъясняетсядуализмомподхода (энергетическийи фотометрический,т.е. физиологический),а также использованиембольшого количестваназванийсветотехническихединиц, хотямногие из нихсвязаны постояннымикоэффициентами.Поэтому полезнонекоторые изэтих понятийи единиц собратьвоедино и представитьв виде таблиц.

Энергетическиевеличины		Фотометрическиевеличины
Величинаи ее связь с другими	Единица измерения	Величинаи ее связь с другими	Единицаизмерения
Потокизлучения	Вт	Световойпоток; F	люмен(лм)
Энергетическаясила света	Вт/ср	Силасвета	кандела(свеча) (кд)
Энергетическаясветимость	Вт/м2	Светимость	лм/м2
Энергетическаяяркость	Вт/срм2	Яркость	кд/м2(нит)
Энергетическая освещенность(плотностьоблучения)	Вт/м2	Освещенность	люкс(лк)

Достаточноочевидно, чтолюмен (лм) = 1/683световогопотока мощностью1 Вт при длиневолны = 555 нм. Кандела(свеча) (кд) = 1 лмвнутри телесногоугла, равногоодному стерадиану(ср). Единицейяркости, кроменита кд/м²,служит стильб(сб), которыйравен кд/см².

Единицыяркости (в томчисле и несамосветящихсяобъектов):

Единицы Единицы	Стильб кд/см2	Свечас кв.м (нит)	Апостильб(радлюкс)	Ламберт	Футлам- берт	Свечас кв. дюйма
Стильб(сб)	1	104	31420	3,142	2919	6,452
Свечас кв. метра (нит)(децимиллистильб)	10-4	1	3,142	3,142 10-4	0,2919	6,45210-4
Апостильб(асб), радлюкс(рлк)	3,183 10-5	0,3183	1	10-4	0,0929
Ламберт(ламб)	0,3183	3183	104	1	929	2,054
Футламберт(фламб)	3,426 10-4	3,426	10,76	1,076 10-3	1	2,21 10-3
Свечас кв. дюйма	0,155	1550	4869	0,4869	452,4	1

Некоторыеединицы вотечественнойлитературене используются,однако ещеимеют употреблениев англоязычныхматериалах.

Подобнаятаблица полезнатакже для единицосвещенности:

Единицы Единицы	Люкс	Фот	Футсвеча	Люмен наед. площади
Люкс (лк)	1	10-4	0,0929	1 лм/м2
Фот (ф)	104	1	929	1 лм/см2
Футсвеча(фкд)	10,764	0,001076	1	1 лм/фут2

Иногда употребляюттакже такуюединицу освещенности,как фотон, котораяопределяетосвещенностьсетчатки глазапри наблюденииповерхностис яркостью 1кд/м²и площади зрачка1 мм².

Для практическойориентациипроведем значенияяркости некоторыхобъектов внит:

ПоверхностьСолнца – 1,6 10⁹

Наиболееяркая точка60-Вт лампы накаливанияс матовым стеклом– 120000

Наиболееяркие кучевыеоблака – 40000

Белая бумагапод прямымилучами Солнца– 30000

Ясное безоблачноенебо – 7000

Яркие участкиЛуны – 7000

Белая бумагана столе – 85

Телевизионныйрастр – 70

Белая бумагапри свете Луны– 0,03.

2.4.Энергетическиехарактеристикизрения

Энергетическиехарактеристикизрения позволяютговорить обабсолютныхзначения световыхвеличин, прикоторых глазнормальнофункционирует.Не говоря оцветовых ощущениях(это будет позже),остановимсятолько на восприятиияркости оптическогоизображения.

Яркостныйдиапазон глазаочень великблагодаряналичию двухтипов рецепторов.Палочковыйаппарат реагируетот 10^-6кд/м²,глаз реагируетдаже на единичныефотоны. Прияркостях 10кд/м²палочковыйаппарат ослепляется,но уже с 1кд/м² вступаетв действиеколбочковыйаппарат, которыйработает до10⁴кд/м².Глаз не можетодновременновосприниматьсвет во всемдиапазоне ипоэтому существуетмеханизм адаптации,способный в100 раз изменитьосвещенностьсетчатки засчет расширенияи сужения зрачка(«настройкана диапазон»).Это быстраяадаптация.Кроме того,есть медленнаяадаптация –за счет выработкиглазного пурпура– нейтральногопоглощающегофильтра – наповерхностисетчатки (инерционнаяадаптация).

Яркостныйдиапазон называюттакже интерваломяркостей:

Следуетразличатьвосприятиеабсолютногозначения яркости(абсолютныйпорог восприятияяркости) и восприятиеизмененийяркости.

Абсолютныйпорог яркости– минимальноезначение яркости,которое обнаруживает(фиксирует)глаз на черномфоне при полнойадаптации. Какуже говорилось,глаз в принципеможет ощутитьдаже единичныефотоны.

Говоря обабсолютнойчувствительности,следует такжеиметь в виду,что криваявидности глазазависит отабсолютнойяркости (явлениеПуркинье). Принизких уровняхосвещенностивизуальныефотометры несогласуютсяс теми фотометрами,которые соответствуютфотопическойкривой видности.А именно – применьших яркостях(кривая 2, рис.2.9) смещаетсяв сторону болеекоротких волн,т.е. чувствительностьк синим лучамрастет и падаетк красным.

Восприятиеглазом измененийяркости. В общемслучае яркостьнаблюдаемогоизображенияможет менятьсяплавно илискачкообразно.В последнемслучае можноговорить ояркостных (т.е.и пространственныхи временных)границах изображения.Естественно,что «скачкообразно»означает тотфакт, что глазуже различаетвеличину измененияяркости награнице (т.е.при скачкеяркости), в противномслучае мы имеемплавное изменениеяркости.

Если имеетсяскачкообразноеизменениеяркости, товводят понятиеконтрастаяркостнойграницы (контрастаяркости):

,

где L₁– яркость1 части изображения;

L₂– яркость2 (последующей)части изображения.

Это выражениехарактеризуетконтраст перехода.Можно говоритьо контрастеизображения,состоящегоиз двух полей,если величину(L₁-L₂)относить ксредней яркостиэтих полей:

,где

Если количествояркостных полейбольше, чем 2,то средняяяркость по-прежнемуполучаетсяусреднениемвсех полей.Можно говоритьо яркости (средней)ТВ экрана поотношению кфону (ТВ и фоноваязасветка).

Средняяяркость особеннооправдана,когда геометрическиеразмеры полейизображения близки другк другу. Еслипри этом близкии яркости этихполей, т.е. L₁L₂,то: L_срL₁L_2, и контраст

.

Максимальныйконтраст изображения:

.

В этом случаеопределяющуюроль в величинеконтрастаначинает игратьL=L₁-L₂.Когда величинуLглаз перестаетзамечать, топропадает исама яркостнаяграница.

Тем не менее,при «накоплении»измененияяркости можемговорить обизменении Lна некоторуюпредельнуюмалую величинуL.Естественно,что если яркостьплавно меняетсяс геометрическойкоординатойX,то заметномудля глаза изменениюLбудет соответствоватьдостаточнопротяженнаявеличина X,т.е. само понятие«геометрическаяграница» тожеменяется – онастановитсянеопределенной,размытой впределах X.

Экспериментальнообнаружено,что величинаL,которая замечаетсяглазом, не являетсяпостояннойвеличиной –она меняетсяв зависимостиот той яркости,на фоне которойона появляется– она мала принебольших L,и наоборот –при большихLглаз замечаеттолько большиеабсолютныеизмененияяркости.

Было найдено,что минимальноезаметное приращениеощущения пропорциональноотносительномуразностномупорогу

:

или .

Эта дифференциальнаязависимостьназываетсязаконом Вебера-Фехнера.Решим это уравнение:= klnL+D

Если LL_min,то = 0 (глаз не чувствует).Тогда:= klnL_min+D,отсюдаD=-k lnL_min.

В результатеполучим законВебера-Фехнерав интегральномвиде:

.

Видно, чтоощущение яркостипропорциональнологарифмуотношенияяркости к минимальнойяркости. Этотзакон справедливв диапазонеяркостей отдесятых долейкд/м²до10³кд/м² (область«а» на рис. 2.10),где

const=_пор.Изменениеспектральногосостава поляизлученияприводит кнеоднозначности(заштрихованнаяобласть на рис.2.10).

Оценим вобласти действиязакона Вебера-Фехнера(область а)количествоградаций яркости,которые можетзаметить глаз.

Пусть «нулевой»уровень яркостиравен L_min(чуть нижетого, что глазуже замечает).L₀= L_min.

Первый замечаемыйуровень: L₁= L_min+ L=

,потому чтовеличина L/_Lminпостояннав области «а»и равна _пор.

Второй: L₂= L₁+ L=

,потому что L/L₁тоже равно n.Тогда для n-гоуровня яркости:L_n= L_min(1+n)ⁿ.

Отсюда

.

После логарифмирования:

,или .

Отношение

– это наибольшийвозможныйконтраст изображения.Если братьчерный бархат(= 0,009) на снегу (= 0,9), то здесь контраст0,9/0,009= 100. Величинаn0,02.Посколькуln(1+n)n,то :

.

Как видноиз выражениядля n,количествоградаций nзависит отпорога nи контрастанаблюдаемогоизображения(рис. 2.11).Рассмотреннаязависимостьчисла градацийот n и С позволяетоценить требованияк динамическомудиапазонуяркости иконтрастностиизображенияна экране телевизора.Реально контрастна экране лежитв диапазонеот 30 до 100.

2.5.Временныехарактеристикизрения

Пороговаяэнергия, которуюощущает глаз,определяетсятой суммарнойэнергией, котораяпопадает наглаз за времяего засветки(экспозиции)t_п. Этавеличина постояннаяи определяетсяв некоторомдиапазонедлительностисветовогоимпульса ичастоты повторения:Ft_п= const.

Если потокF втечение экспозициинепостоянен,то глаз реагируетна величину

.

Как быстроглаз реагируетна изменениеяркости? Этаэкспериментальнаязависимостьтакже определяетсяперепадомяркости (рис.2.12). Из рисункавидно, что постояннаявремени реакции_pне менее 0,1с.

При прекращениираздраженияглаза светом(или спадоминтенсивностиоблучения)зрительноеощущение такжепропадает немгновенно, ав течениеопределенноговремени. Можно,таким образом,говорить обинерционностизрения, котораяопределяетсяконечной скоростьюпротеканияфотохимическихреакций в рецепторахсетчатки, конечнойскоростьюпередачи сигналав мозг и егопоследующейобработки. Наинерционностьзрения оказываетвлияние такжеизменениеположенияобъекта впространстве.

Практическиочень важнымслучаем являетсяпериодическоевоздействиена глаз световогопотока. В этомслучае можнопостроитьвизуальноевосприятиеяркости Lв зависимостиот истиннойяркости В (рис.2.13). Видно, что Lменяется позакону, близкомук экспонециальномус постояннойвремени ,равной (0,1 0,15)с. Интересноотметить, чтоощущение звукаимеет = 0,16с.

Посколькуглаз инерционен,то при увеличениичастоты следованиясветовых импульсоввидимый (ощущаемый)перепад яркостиуменьшается,а затем принекоторойкритическойчастоте пульсациияркости становитсянезаметным.Эта критическаячастота (рис.2.14.): f_kp= a lgL + b, где aи b– постоянныекоэффициенты,зависящие отскважностиимпульсов, ихформы и спектральногосостава света.

Для L= 30 кд/м²(белый свет),скважности2 (a= 9,6; b = 65)критическаячастота:

f_кр = 41 Гц.

Именно f_кропределяетчастоту сменыкадров в кинои ТВ. (Кстати,у насекомыхf_кр200Гц).

Если частотымельканий вышеf_кр,то яркостьвоспринимаетсякак постояннаявеличина, равная:

,где T– период измененийистинной яркости,L –воспринимаемая(ощущаемая,визуальная)яркость.

Это законТальбота.

Можно утверждать,что современноекино и телевидениезиждятся наинерционностизрения. Можнонапомнить, чтослитностьдвижений наступаетуже при 16 Гц.

2.6. Пространственныехарактеристикизрения (рис. 2.15)

Угол зренияодного глазасоставляет140-160^о,двух глаз –более 200^о.В этом случаеговорят такжео поле бинокулярногозрения, котороеобразуетсявзаимопересечениемконическихфигур с вершинамив каждом глазуи ограничениямииз-за деталейлица (нос, брови,скулы). На полезрения выделяютобласти, достаточнорезко различающиесямежду собой:

Центральноезрение (4^о),ясное зрение(до 35^опо горизонтали,до 22^опо вертикали),периферическое(боковое) зрение(75-90^о).

Из диапазонаясного зренияследует формат3:4, который обычнои используетсяв ТВ и в кино.

Поле ясногозрения увеличивается,а также пропадают«провалы»(напр., слепоепятно) за счетпочти непрерывногодвижения («дрожания»)глаз. Эти движениясинхронны дляобоих глаз иназываютсясаккадическимидвижениями.При расстояниидо объекта 30см (чтение текста)саккадическиедвижения позволяютпросмотретьпространствов 5 букв за 15-20 мс.Для другихзначений угловыхперемещенийтребуютсябольшие времена:

Величинаперемещениярад	Длительностьперемещениямс
0,18	40
0,35	55
0,53	80
0,70	100

Оба глазафокусируютсяна объектеодновременно,при этом обезрительныеоси сходятсяв общей точке.Процесс сведенияосей называетсяконвергенциейи происходитза 165 мс.

Угловаяразрешающаяспособностьглаза оцениваетсяминимальнымуглом зрения_minпод которымвидны две рядомрасположенныедетали изображения,разделенныепромежутком,имеющим яркость,отличную отяркости этихдеталей (рис.2.16).

Величина_minзависит отследующихфакторов.

1.Дифракция светана зрачке. Светпроходит череззрачок диаметромdзр (8 мм). По принципуГюйгенса, каждаяточка зрачкаизлучает (рис.2.17). Если расстояниеот центра зрачкадо точки a равноf, то при некоторомr освещенностьстановитсяравной нулю,потому что лучи1 и 2, 2 и 3 и т.д. различаютсяна /2.При разностихода лучей в/2получаем:

.

При учететого факта, чтоинтерференцияпроисходитне на отрезкеd_зр,а на дискедиаметром d_зр,получим:

.

Диаметрпервого кружкарассеянияинтерференционнойкартины можноопределитьв зависимостиот критериявыбора егограницы. Есливзять критерийРэлея, когдамаксимум изображенияодной точкисовпадает спервым минимумомвторой точки(рис. 2.18), т.е. провалинтенсивностисоставляет27%, тогда:

Для = 500 нм, d_зр= 5 мм, _min= 0,03. Это теоретическийпредел разрешающейспособностиглаза за счетдифракции.

2.Дискретностьструктурычувствительногополя глаза. Дляразличениядвух точекизображениянадо, чтобымежду двумявозбужденнымирецепторамибыл хотя быодин невозбужденный.В желтом пятнерасстояниемежду центрамисмежных колбочексоставляет2 мкм, т.е. расстояниемежду возбужденнымирецепторамиr₀ должнобыть не менее4 мкм, что составляетmin0,06.

3. Другиепричины ограниченногоразрешения– хроматическаяаберрация вхрусталикеи др. Особенносильно сказываетсяуменьшениеяркости – засчет увеличенияразмеров рецептивныхполей.

Оцениваяразрешениеглаза в целом,можно сказать,что при яркости100 кд/м²и предельномконтрасте (100) наименьшийугол зрениясоставит околоодной угловойминуты. Отсюда,зная яркостьизображения,размеры изображенияи расстояниедо экрана, можноопределитьмаксимальноечисло элементовразложения.

Однаковыше речь шлао предельныхзначениях, т.е.о предельнобольшом количествеэлементовразложения.А сильно лисказываетсязрительноуменьшениечисла элементовразложенияот предельнобольшого,определяемогоразрешающейспособностьюглаза?

Эксперимент(Рыфтин, 1933) показал,что кажущеесяизменениечеткости Gпропорциональноотносительномуизменению числаэлементовразложенияNизображения:

,где - коэффициентпропорциональности.

Или:

.

Отсюда: G= lnN + C

При N= 1, G=0 (нулевая четкость),т.е. С = 0.

При G= 1, N = N_max,т.е.

.

Итак:

.

Gпринимаетсяравным 1 прилюбом N,выбранном какN_max,а затем идетухудшениечеткости Gпри уменьшенииих общего количествадо N.

Если N_max = 8510⁴(800 строк,формат 4/3), тографически(рис. 2.19) видно,что изменениечисла элементовизображениявдвое уменьшаеткажущуюсячеткость изображенияна 5,1%, но при маломN_maxчеткостьGпадает оченьсильно.

3. ТЕЛЕВИЗИОННОЕИЗОБРАЖЕНИЕИ ЕГО ПАРАМЕТРЫ

3.1. Согласованиепараметровтелевизионногоизображения(ТВИ) с

характеристикамизрительнойсистемы человека

ТВИ – вторичноеоптическоеизображение,которое должнопо своим характеристикамудовлетворятьзрителя. Срединих: геометрическиеформы и относительныеразмеры, различимостьдеталей, распределениеяркости, передачаотносительногодвижения предметов,цветность идр. ОсобенностиприкладногоТВ – отдельныесвойства могутбыть другимипо сравнениюс вещательнымТВ, где получателемвизуальнойинформацииявляется зрительнаясистема человека.Поэтому длявещательноготелевиденияпараметры ТВИдолжны бытьстатистическисогласованыс параметрамизрительнойсистемы. Согласованиюподлежат масштабные,яркостные ицветовые параметрыТВИ. В литературеприняты трипонятия точностивоспроизведения:

• физическаяточность, т.е.полная идентичностьфизическихпараметроворигинала(первичногоили передаваемогоизображения)и ТВИ (репродукции);

• физиологическаяточность, т.е.визуальнаянеразличимостьизображенийпо яркости ицвету, хотяфизическаяприрода, спектральныйсостав и другиефизическиепоказателинеодинаковы;

• психологическаяточность, т.е.высокая субъективнаяоценка качестваТВИ, когдадостигаетсянаиболееэмоциональноевосприятие.

Физическуюточность получитьтрудно и даженевозможноиз-за ограниченныхвозможностейтехническихсредств. Частов этом и нетнеобходимости,т.к. вступаютв действиеограничениязрительно-анализирующейсистемы. Поэтомув вещательномтелевидениик физическойточности нестремятся,ограничиваясьфизиологическойи (или) психологическойточностью.

Физиологическаяточность требуетобъективныхметодов контроля(измерениеяркости, координатцветности впервичном ителевизионномизображениях),а психологическаяточность определяетсяпутем субъективныхметодов (экспертныеоценки качестваизображения).

В общем случаеТВИ характеризуетсямногими параметрами:размерами,форматом, четкостью,степеньюгеометрическихискажений,наличием окантовок;яркостью, контрастом,количествомградаций яркости,цветовымипараметрамии др. Часть изних определяетсятолько приемником,основная жечасть определяетсявыбраннымипараметрамисистемы – числомстрок разложения,количествомкадров в секунду,формой амплитудно-и фазо-частотныххарактеристиктракта, отношениемсигнал/шум.Почти все онимогут быть поотдельностиизмерены, однаков целом качествоТВИ производитсяпутем субъективныхэкспертиз.Применяют5-балльные шкалыоценок:

Балл	шкалаоценок		Балл	шкала оценок
	качество	ухудшения		качество	ухудшения
5	отлично	незаметно	2	плохо	мешает
4	хорошо	заметно,но не мешает	1	оченьплохо	сильномешает
3	удовлетворит.	заметно,немного мешает

В началеэкспериментапоказывается«опорное»(исходное)изображение,а потом вводятсявсякие новациии дается оценка.

2. Масштабные(координатные)параметры ТВИ

Кним относятсяразмер изображения,геометрическоеподобие, способностьвоспроизведениямелких деталей.

Размер.Наилучшимусловием восприятияплоского изображенияявляется удалениеего от глаз нарасстояниеА, равное 46высотам изображенияh – в этомслучае всеизображениеостается в полеясного зрения.С этого расстояниязритель перестаетразличатьлинейчатуюструктуруизображения,если числострок составляет(500600). Отсюда:h 0,2А.

Дляжилой комнатыА = (2,02,5) м, тогда h =(0,40,5) м. Длябольшого зала,рассчитанногона большоеколичествозрителей, долженрасти размерэкрана.

Форматкадра – отношениеширины ТВИ «b»к высоте «h».В соответствиис полем зрениячеловека форматкадра Kсоставляет4:3 (1,33:1). Такой жеформат был внемом кино, взвуковом киноформат 11:8 (1,37:1). Длятелевизионнойсистемы высокойчеткости (ТВЧ)формат предполагается5:3 (1,67:1). Для обычныхслайдов 24:35мм²формат 1,45:1.

Форматвоспроизводимогоизображенияможет отличатьсяот передаваемого,потому чторазмер кинескоповимеет отношениесторон 5:4 (1,25:1), чтовызвано соображениямиего механическойпрочности.Поэтому еслипо вертикаликинескоп используетсяполностью, топо горизонтали6% изображения(1,33:1,25=1,06) пропадает.

Геометрическоеподобие – сохранениепостоянныммасштаба влюбом местеТВИ. Причинанесохранениямасштаба –неодинаковыескорости разверткипри передачеи приеме. К нарушениюгеометрическогоподобия приводяттакже изменениеформата кадра,искажения,вносимые световойи электроннойоптикой (дисторсияи др.), влияниевнешних электрическихи магнитныхполей, неортогональностьотклоняющихполей (параллелограммвместо прямоугольника)и др. Это всеназывают такжерастровымиискажениями.

К растровымискажениямотносят преждевсего координатныеискажения,которые можнооцениватьколичественнов виде отклонениякоординат ТВИот того идеальногоизображения,которое имееттолько масштабныеотличия оторигинала.Можно считатькоординатныеискажения какдифференциальныеискажениямасштаба.

В ТВ приемникеобычно бываютискажения,показанныена рис. 3.1.

1. Дисторсиив виде «бочки»или «подушки»(причина – вэлектронно-оптическойсистеме кинескопа).Коэффициентгеометрическихискажений:

.

2. Длятрапеции (нарушениеортогональностиоптическойили электроннойоси кинескопаи плоскостиизображения):

.

3. Дляпараллелограмма(причина - неортогональностьотклоняющихполей по строкеи кадру):

.

Из-занелинейностиразверток тожевозникаютискажения,которые можнооценить путемизмеренияискажений припередаче шахматногополя (рис. 3.2.).

, .

Нелинейностьдо 5% практическинезаметна, принелинейностидо 15% изображениевоспринимаетсякак удовлетворительное.

Коэффициентнелинейностиразверткиопределяетсякак:

,где V –скорость развертки.

Детальностьизображенияможет бытьопределеначислом элементовв изображенииNили числомэлементов повысоте z(число строкв растре), т.е.является внутреннимсвойствомтелевизионнойсистемы. Прилинейной строчнойразвертке zопределяетчисло строкв растре, чтоназываетсяноминальнойчеткостью ТВИ.Как было показанов гл.2, при обычныхяркостях глазобладает разрешением1.Поэтому (рис.3.3.): для А=5hжелательноечисло строксоставляет:

,

,

.

Экспериментальноустановлено,что минимальноразличимыйприрост четкостиGв вертикальномнаправлениипропорционаленотносительномуприращениючисла строкz/z,т.е.:

,отсюда G= lnz+C.

Тогда:

.

У нас z= 625, т.е. G= 0,95G_max,где G_max– максимальновозможнаячеткость при z= 660.

В настоящеевремя для ТВвещания принятодва стандарта:z = 625(большинствостран) и z= 525. В системеТВЧ предлагаетсяувеличить числострок до 1125 иболее.

Результирующимпараметром,количественнохарактеризующимразрешающуюспособностьТВ системы,может служитьчеткость ТВИ,оцениваемаяпо испытательнымтаблицам.

Четкостьизображениятем выше, чемвыше резкостьи детальность.Резкостьхарактеризуетсямаксимальнойвеличиной

или и оказываетсярешающей длячеткости, потомучто глаз оченьчувствителенк растяжениюграниц. На четкостьграниц сильновлияет формасигнала изображения,т.е. переходнаяхарактеристикасистемы.

Практическичеткость изображения,т.е. и разрешающаяспособностьТВ системыоцениваетсямаксимальнымчислом темныхи светлых штрихов(линий), которыееще можно раздельноразличать наТВИ при данныхусловиях наблюдения.С этой цельюна испытательныхтаблицах естьвертикальныеклинья (сужающийсянабор линий)для оценкиразрешающейспособностипо горизонталии зонные решетки(короткиегоризонтальныештрихи с разнойчастотой следования)для определенияразрешающейспособностипо вертикали.Рядом с нимиделаются отметкив числе линий(300, 400 и т.д.).

Следуетотметить, чтомаксимальноеколичествогоризонтальныхполос, котороеможно воспроизвестипри помощипринятогостандартаразложения,зависит ещеи от характераизображения.Так, если элементарнаяплощадка напервичномизображениисовпадает сцентром линииразвертки, точеткость повертикали равнаактивномуколичествустрок в кадре(575 из 625). Если жецентр этойплощадки расположенна границестрок, то площадкаможет бытьвоспроизведеналибо на двухстроках, либона одной (этозависит отпорога схем),либо «размажется»на 2 строки. Т.е.,в принципевозможно падениеразрешениявдвое. Реальносчитают четкостьпо вертикали,равную (0,750,85)от количестваактивных строк(432489элементов).Если исходитьиз равной четкостипо вертикалии по горизонтали,то вдоль каждойстроки должнобыть:

N_x= (432489)

{формат}= 576652элемента,а N_max= 489652=319тысяч.

3.3. Временныепараметры ТВИ

Современноетелевидениесоздает зрительнуюиллюзию двумерногоизображенияпри выполнениинекоторыхусловий согласованиявременныххарактеристикглаза и телевизионнойсистемы.

Критическаячастота мельканийзависит отсредней яркостиполя наблюденийи размеровмелькающегоучастка. Былопоказано, чтопри яркостиL =100 кд/м²эта частотасоставляетf_кр= 41 Гц. Если братьцветное изображение,то для желтогоцвета критическаячастота такаяже, а для красногои синего – ниже.Выбрано: f_n= 50 Гц, этобольше f_кри совпадаетс частотойсети.

Из опыта киноизвестно, чтодвижение,передаваемоерядом промежуточныхнеподвижныхизображений,кажется (воспринимается)плавным, еслипередавать16-25 фаз движенияn_ф.Т.е. 2n_фf_кр.

Посколькупропускнаяспособностьзрительнойсистемы человекане очень велика– для распознаванияобраза надоего держатьна экране 4-10 сек.В принципецелесообразноудерживатьв ряде случаев«картинку»достаточнодолго без передачисигнала. Однакосовременныетелевизионныесистемы непозволяютисключитьимеющуюсяизбыточность.

Важнейшуюроль для качествапередачи изображенияиграет стабильностьсинхронизациистрок и кадров,стабильностьво временикоэффициентовпреобразованиясвет-сигнали сигнал-свет.Это связанос тем, что заметностьдинамическихискажений напорядок вышепо сравнениюсо статическими.Например, статическиеискажениярастра (нелинейностьмасштаба ит.п.) не замечаютсязрителем, еслиони даже достигают10%, а быстрыеизменениязаметны ужена уровне долейпроцента.

3.4. Параметры,определяющиевосприятиеяркости, цвета

Яркостныепараметры ТВИзадаются егосредней яркостьюи числом воспроизводимыхградаций яркости.

Яркостьнаилучшеговосприятиязависит отусловий наблюдения,свойств зренияи даже содержанияизображения.Хотя диапазоняркостей вприроде 10⁵, однакоглаз воспринимает«по диапазонам».Повторим, чтодля предельногослучая (черныйбархат на беломснегу) диапазоняркостей 100.

В принципев ТВ может бытьи больший диапазоняркостей, посколькуэкран – светящаясяповерхность(излучающая).Однако всегдаесть внешнееосвещение,которое снижаетконтраст засчет увеличенияяркости в темныхместах изображения.Считается, чтопри хорошемдиапазонеяркости еговеличина достигает100, а при удовлетворительном(3040).

Средняяяркость 30 кд/м²достаточнадля наблюдения.В наиболеесветлых местахизображенияяркость достигает200 кд/м².Средняя яркостьсцены можетменяться взависимостиот условийосвещения,поэтому в общемслучае долженпередаватьсясигнал среднейяркости.

Как уже говорилось,внешняя засветкауменьшаетдиапазон яркостей,т.е. контраст.Без внешней(фоновой) подсветки

,а с подсветкой .Обычно L_фL_min,поэтому: СС.

В некоторомдиапазонеяркостей глаз«работает»по законуВебера-Фехнера:

изобр. Длямалых L: .

Т.е.пропорциональноевоспроизведениеполутонов будетв случае, когда:

lgL= lgL₀+ lgK, или L = KL^₀,

гдеи К определяетсяпутем подстановкив эти уравнениязначений L_max,L_min,L_omax и L_omin:

, ,С -определяетопорный уровеньяркости (обычнояркость лица).Будем считать,что L_maxизображения соответствуетL_0max.

Впринципе возможнытри случаявоспроизведения(рис. 3.4.):

1 случай– нормальнаяконтрастность,когда = 1, L = CL_о(кривая 1);

2 случай– повышеннаяконтрастность:1 – здесь однаградация объектапередаетсянесколькимиградациямиизображения;

3 случай– пониженнаяконтрастность:1 – одна градацияизображения соответствуетнесколькимградациямобъекта.

Еслидиапазон яркостейобъекта большедиапазонаяркостей ТВИ,то полноеиспользованиебольшего диапазонавозможно тольков случае меняющейсяадаптацииглаза, обеспечивающейизменение .

Особыезатруднениявозникают при 1 в цветномтелевидении,т.к. надо обеспечиватьсквознуюхарактеристикудля разныхцветов.

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИОПТИЧЕСКОГОИЗОБРАЖЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙСИГНАЛ

4.1.ДатчикиТВ сигнала иих характеристики

Датчики ТВсигнала преобразуютсветовую энергиюот объекта,попавшую насветочувствительнуюповерхностьдатчика, вэлектрическийсигнал дляпоследующейобработки,передачи, храненияи воспроизведения.Яркость (освещенность)оптическогоизображениязависит откоординат x,y ивремени t,поэтому преобразовательдолжен оценивать(измерять) яркостьучастков изображенияв процессе ихразвертки.

Как уже говорилось(гл. 1), различаютдва основныхтипа преобразователей– мгновенногодействия и снакоплением.По физике действияони делятсяна оптико-механические,электровакуумныеи твердотельные.

Оптико-механические(все мгновенногодействия) могутбыть с бегущимлучом или с«бегущей апертурой»по оптическомуизображению(диск Нипкова).

Электровакуумныепреобразователибывают какмгновенногодействия, таки с накоплением.Сейчас этоосновной типтелевизионныхпреобразователей(анализаторов).

Твердотельныепреобразователипредставляютсянаиболееперспективными,особенно дляцифровых систем.

Характеристикифотоэлектрическихпреобразователей(ФЭП) во многомопределяюткачество ТВИ.среди характеристиквыделим следующие.

Чувствительность– величина,обратная освещенностифоточувствительнойповерхности(ФП), необходимойдля полученияТВ сигнала сзаданным отношениемсигнал/шум.Чувствительностьоценивают влк.

Световаяхарактеристика– зависимостьтока сигналаФЭП от освещенностиФП. Из этойзависимости,в частности,виден диапазон,в котором можетработать ФЭП.

Спектральнаяхарактеристика– зависимостьсигнала отдлины волныравноинтенсивногоизлучения,падающего наФП. Она можетвыходить запределы видимогоизлучения, чтобывает полезнодля прикладныхТВ систем.

Разрешающаяспособность– свойствореагироватьна мелкие деталиоптическогоизображения.О разрешающейспособностиможно судитьпо апертурнойхарактеристике,которая определяетсвязь междуглубиной модуляциисигнала и размерамипередаваемыхдеталей изображения.

Инерционность– запаздываниеизменения ТВсигнала относительноизмененияосвещенностиФП. Она, в частности,проявляетсяв виде тянущегосяследа и размыванияграниц движущихсяобъектов ТВИ.Для этого обычнооцениваетсявеличина остаточногосигнала относительномаксимальногочерез промежутоквремени, равныйдлительностикадра.

Указанныехарактеристикии параметрыпреобразователейне исчерпываютвсех показателей.Есть и другиепоказатели:вес, размеры,стоимость,долговечность,вибростойкостьи др., которыехотя здесь ине рассматриваются,но могут игратьрешающую рольпри выборе ФЭП.

4.2.Фотоэлектронныеэффекты

Фотоэлектроннаяэмиссия лежитв основе всехприборов,использующихвнешний фотоэффект,когда при облучениисветом некоторогоматериала изнего вылетаютэлектроны. Наэтом принципеработаютфотоэлементы,фотоэлектронныеумножители(ФЭУ), передающиеТВ трубки и др.Фоточувствительнаяповерхностьслужит фотокатодом.Между катодоми анодом (коллектором)приложенособирающее(и ускоряющее)электрическоеполе. Если собираютсявсе электроны(ток насыщения),то работа ФЭПописываетсядвумя законами:

1. ЗакономЭйнштейна,который связываетэнергию квантасвета (h)с работой выходае ₀ икинетическойэнергиейфотоэлектронас зарядом eи массой m:

Эмиссияпроисходитпри h> е ₀.Если известенпотенциалвыхода _о,то он определяетдлинноволновую(красную) границуфотоэмиссии:

.

2. ЗакономСтолетова,определяющимвеличину токафотоэлектроновI_ф=F,где -чувствительностьфотокатода

   ,F- световойпоток [лм].

Спектральныехарактеристикифотокатодовзависят от ихматериалов.Фотокатодыиз чистых металловимеют малуючувствительность.Для многокомпонентныхкатодов чувствительностьзначительновыше. На рис.4.1. приведеныдве нормированныххарактеристикифотокатодов:

1– оксидно-серебряно-цезиевыйкатод, чувствительностьюS = (4070)

и максимальнымквантовымвыходом 1%, (т.е. в среднемна 100 квантовсвета вылетает1 электрон)

2– многощелочнойфотокатод,чувствительностькоторого доходитдо 200

,а квантовыйвыход доходитдо 35%.

Всилу различнойчувствительностифотокатодадля разных длинволн излученияпользуютсяпонятием интегральнойчувствительностифотокатода:

,

где()– функция видностиглаза.

Вотличие отвнешнего фотоэффекта,внутреннийфотоэффектне связан свылетом электроновза пределыобучаемогоматериала. Вкачестве материалаиспользуютсяполупроводники,в которых присоблюдениинекоторыхусловий квантыизлучениявырывают электроныиз атомов. Этиэлектроныпереходят иззаполненнойзоны в зонупроводимости,сильно меняялокальнуюпроводимостьматериала, азатем рекомбинируютс дырками. Скоростьрекомбинациивозрастаетс увеличениемконцентрацииэлектронов(и дырок), а скоростьих генерациизависит толькоот освещенности,поэтому скоростьрекомбинации«подтягивается»к скоростигенерации черезнекоторое времяпосле измененияуровня освещенности.Таким образом,установившеесязначение локальнойпроводимостизависит отосвещенностиЕ в каждом местеосвещаемогополупроводника.Время установлениянового значенияпроводимостизависит отхимическогосостава материала,конструктивныхособенностейи величинысветовогопотока. Эти жефакторы определяюти величинувнутреннеголокальногофототока: i_ф= KE^,

гдеК – коэффициентпропорциональности,

 -показатель,зависящий отперечисленныхфакторов.

Обычно лежитв диапазоне(0,51,0).

Также, как и длявнешнего фотоэффекта,внутреннийфототок зависитот спектральногосостава света,начиная с «краснойграницы» _кр= (h)_кр.

Внутреннийфотоэффектимеет большоепреимуществопо причиневысокого квантовоговыхода, превышающего100%.

Втелевизионныхпреобразователяхобычно используютполупрозрачныйфотокатод(независимоот вида фотоэффекта),который имееттолщину от 20до 40 нм.

4.3.Формированиеи переносэлектронногоизображения

Электронноеизображение– поток электронов,распределениеплотностикоторых соответствуетраспределениюосвещенностиоптическогоизображения,спроецированногона фотокатод.Иногда этоэлектронноеизображениепереноситсяна некотороерасстояниеот фотокатодаи перемещается(качается) впространстве.

Необходимоеусловие формированияэлектронногоизображения– надо собратьвсе электроны,вылетевшиеиз одной точкифотокатода,вновь в однойточке в плоскостипереноса.

Для переносаи фокусировкиэлектронныхпучков применяютдлинные фокусирующиекатушки, создающиеоднородноемагнитное полево всем пространстведвижения электронов.Схема движенияэлектроновв однородноммагнитном полепоказана нарис. 4.2,а. ЗдесьS –плоскостьфотокатода(ОИ), S₁– плоскостьпереноса, L– магнитнаякатушка, котораясоздает полеН_Z.

Ускоряющееполе V_Aпереносятэлектроны отфотокатоданаправо. Източки О_Rфотокатодавылетают электроныс разными радиальнымисоставляющимискоростиV_R.Магнитное полевоздействуетна электрон(сила Лоренца):

F_Л= eH_zV_R, где е– заряд электрона.

Эта силаперпендикулярнаоси zи закручиваетэлектрон, т.е.направленак центру(центростремительнаясила). Эта силасоздает траекториюв виде окружности,для которойизвестна связьмежду скоростьюи радиусом:

, где m– масса электрона,R –радиус еготраектории(проекции наплоскость (S).

При F_ц= F_Лнайдем R:

,

а время обходаэтой окружности

.

Видно,что время tне зависит отугла вылета(от V_R).Отсюда следует,что все электроны,вылетевшиеиз т.О₁,будут в виде«веретена»собраны в т.

,потом они опятьразойдутся,опять соберутся(т. )и т.д. Это «веретено»показано нарис. 4.2,б. Траекториивсех электроновпредставляютсобой винтовыелинии, за исключениемтех электронов,которые вылетеливдоль магнитногополя Н_Z,т.е. у которых V_R= 0.

Плоскости

,

,

и.т.д. – это фокальныеплоскостиэлектронногоизображения,которые находятсяна расстоянияхl_iот плоскостифотокатода:

.Очевидно, чтоl^//////

ВеличинуV_z восновном определяетускоряющеенапряжениеU_A,поэтому фокусировкуможно осуществлятькак путем измененияН_Z, таки U_A.

Переносимоеэлектронноеизображение– прямое и имееттот же размер,что и исходноеоптическоеизображениена фотокатоде.Перенос электронногоизображенияиспользуютв диссектореи суперортиконе.

Отметимкстати, чтофокусировкас помощью длиннойкатушки используетсятакже дляформированияразвертывающеголуча. Здесьисточникомизлученияявляется электроннаяпушка (рис. 4.3.).Здесь Н_ф –фокусирующееполе, Н_о –отклоняющеемагнитное поле.

4.4. Диссектор

Диссектор– трубка мгновенногодействия, предложенав 1930 Франсуортом(рис.4.4). В нейиспользуетсявнешний фотоэффект.

Разверткаосуществляетсяпутем перемещенияэлектронногоизображенияперед диафрагмой(вырезающееотверстие),которая и являетсяразвертывающейапертурой.Диссекторсостоит из трехсекций: секцияпреобразованияоптическогоизображенияв электронное,секция переносаэлектронногоизображенияи его отклоненияи секциявторично-электронногоусиления (ВЭУ).Первая секция– фотокатод,последующиесекции видныиз рисунка.

Напряжениесигнала U_c= i_c R_н. Полярностьсигнала отрицательна,т.к. напряжениев точке А: U_A= U-i_cR_н,т.е. при увеличенииинтенсивностисвета потенциалв т. А падает(«уровень белогониже уровнячерного»).

Обычнокоэффициентусиления ВЭУ 10⁷, такчто ток сигналаможет доходитьдо 100 мкА.

Разрешающаяспособностьдиссекторане менее 600 линийпо всей мишени(фотокатоду),а в малокадровомтелевиденииможет доходитьдо 3000.

Нарядус серьезнымипреимуществами(простота, высокоеразрешение,механическаяпрочность идр.), видиконобладает весьмасерьезнымнедостатком– малой чувствительностьюв широкополосномрежиме работы.В достаточношироком диапазонеосвещенности(от десятыхдолей лк дотысяч лк) световаячувствительностьдиссекторапостоянна иее можно оценитьследующимобразом.

Пустьсуммарный токфотокатодасоставляетI_ф, а общеечисло элементовизображенияN_max= kz².Токфотокатода: I_ф =ES_ф,

где  - чувствительностьфотокатода,

Е– его средняяосвещенность,

S_ф– площадь фотокатода.

ОсвещенностьЕ зависит отосвещенностиобъекта Е₀:

,

где - среднеезначение коэффициентаотраженияобъекта,

 -прозрачностьобъектива,

О– относительноеотверстиеобъектива,

 -коэффициентувеличенияоптическойсистемы ( 0 припроецированииудаленныхобъектов).

Сучетом того,что фототокс элементаизображения

,получим абсолютноесреднее значениефототока содного элементаизображения:

.

Какобычно, представляетинтерес отношениесигнал/шум

.Будем учитыватьтолько дробовуюсоставляющуюшума, т.е.

, где f– полоса частот.

Тогдасигнал/шум:

,

Отсюда:

.

Такимобразом, задаваявеличину _др,можно оценитьнеобходимуюосвещенностьсцены, изображениекоторой передается:

.

Вторично-электронныйумножительуменьшаетотношениесигнал/шум в

раз, где – коэффициентвторичнойэмиссии динодов.Поэтому:

.

Дляпримера положим:к = 4/3, z = 575, f= 7,3 10⁶Гц; объективимеет прозрачность=0,9, относительноеотверстие О= 1:2. Остальныепараметры = 5,  0,  = 0,6. Диссекторимеет чувствительность_ф = 70мкА/лм, S_ф= 24х32 мм². Тогдадля  = 40получим:

Е_о= 1,4  10⁶ лк,что в 10 раз вышеосвещенностив солнечныйдень.

Есликоличествострок zуменьшить до100, то для прежнегозначения сигнал/шумосвещенностьможно уменьшитьв  2000 раз(за счет уменьшенияkz² иf).

4.5. Суперортикон

Этотпреобразовательработает врежиме накопления– световойпоток, попадающийна элементизображения,действует втечение всегокадра, так чтоэлементарныйконденсатор,соответствующийэтому элементуизображения,накапливаетзаряд в течениевсего временикадра, а считываетсяэтот заряд завремя прохождениялучом элемента.Эквивалентнаясхема преобразователяс накоплениемпоказана нарис. 4.5. За времякадра Тк элементарныйконденсаторнакапливаетзаряд: q_зар= i_ф Т_к.

Присчитыванииключ К замыкаетсяна время t_счити конденсаторСэ разряжаетсячерез нагрузочноесопротивлениеR_н. Приполном считыванииq_зар= q_считпоэтому токсигнала:

, где N – количествоэлементовизображения.

Принципнакопленияможет бытьреализованпри использованиимозаичнойфотомишени,состоящей изизолированныхячеек, каждаяиз которыхсодержитмикрофотоэлементи накопительныйконденсаторС (рис. 4.6.). Конденсаторызаряжаютсядо разных напряженийв соответствиис локальнойосвещенностью,образуя потенциальныйрельеф на мишени.Электронныйлуч, перемещающийсяпо мишени всоответствиис законом развертки(прямоугольно-прогрессивныйрастр), поочередноподключаетразличныенакопительныеконденсаторыС_i и разряжаетих через нагрузочноесопротивление,через котороеи протекаетток сигнала.

Принакопленииотношениесигнал/шумувеличиваетсяв

раз. Это означает,что при прочихравных условияхпреобразовательс накоплениемтребует в (kz²)раз меньшейосвещенностина фотокатоде(мишени).

Кромеэффекта накопления,в суперортиконеиспользуетсяусиление первичногофотозарядаза счет вторичнойэлектроннойэмиссии наматериалемишени.

Дляпояснения этогопроцесса рассмотримпроцесс формированияпотенциалаизолированноймишени, котораяоблучаетсяэлектроннымпучком (рис.4.7.). В зависимостиот энергииэлектроновпервичногопучка меняетсякоэффициентвторичнойэмиссии. Полагаемпо-прежнему,что выполняетсяусловие полногоотбора всехвторичныхэлектронов.Зависимостькоэффициентавторичнойэмиссии отускоряющегопотенциалаU_Aприведена нарис. 4.8, а. При ускоряющемпотенциале0 U_A U_kp1 (областьмедленныхэлектронов)мишень получаетнекоторыйотрицательный(относительнокатода) равновесныйпотенциал U_HP(-1,5 B), а затем всеэлектроныотражаютсяот мишени, непроникая в нее.Затем, при U_kp1U_A U_kp2 (областьбыстрых электронов)энергии электроновдостаточнодля проникновенияв мишень несмотряна ее тормозящееполе. Эти первичныеэлектронывыбивают измишени вторичныеэлектроны,количествокоторых большеколичествапервичных, такчто мишеньполучаетположительныйпотенциал,линейно зависящийот ускоряющегопотенциала.В области U_AU_kp2мишень остаетсяотносительнокатода положительнозаряженнойдо величины U_kp2(рис. 4.8, б). Потенциалмишени относительноанода при измененииускоряющегонапряженияпоказан на рис.4.8, в. В областиU_kp1 A kp2 разностьпотенциаловмишень-анодпостоянна исоставляет+3В, т.е. мишеньимеет положительныйпотенциал поотношению каноду.

Вобласти I(U_A kp1) работаютсекции передающихтрубок с разверткойлучом медленныхэлектронов,в области II(U_kp1A kp2) работаютсекции трубокс быстрымиэлектронами.

Наоснове эффектанакопленияи явления вторичнойэлектроннойэмиссии сизолированнойполупроводниковоймишенью в (30-40)-егоды нашегостолетия былиразработанынесколько типовпередающихтрубок, наиболеесовершенной(и самой сложной)из которыхявляется суперортикон(рис. 4.9.). Суперортиконсостоит из трехсекций: созданияи переносаэлектронногоизображения,коммутации(и разряда) мишенилучом медленныхэлектронови секциивторично-электронногоусиления.

Первуюсекцию образуютполупрозрачныйфотокатод 1 навнутреннейстороне торцевойстенки (планшайбы)баллона трубки,ускоряющийэлектрод 2 (короткийпроводящийцилиндр) идвусторонняямишень в видепленки полупроводниковогостекла толщиной5 мкм и находящейсяперед ней нарасстоянии 50 мкмпроволочнойсеткой с густотойдо 1000 отв/мм²и прозрачностьюдля электронов 0,7.

Вылетающиеиз катодафотоэлектроныобразуют электронноеизображение,в первой фокальнойплоскостикоторогорасполагаетсямишень. Ускоряющеенапряжениеэтой секциисоставляет 450 В, поэтомукоэффициентвторичнойэмиссии  1. Вторичныеэлектроныулавливаютсяупомянутойсеткой, так чтооптическоеизображениена фотокатодепреобразуетсяв потенциальныйрельеф мишени.Положительныйзаряд, образованныйна мишени засчет освещенностисоответствующегоэлемента оптическогоизображения,создает напряжениена цепочкепоследовательносоединенныхэлементарныхконденсаторовС_см, С_м иС_ма (рис. 4.10), гдеС_см – емкостьконденсатора,образованногосеткой и левойстороной мишени,С_м – междулевой и правойсторонамимишени и С_ма– между правойстороной мишении тормозящимэлектродом,относящимсяко второй секциисуперортикона.В соответствиис межэлектроднымирасстояниямии значительнойвеличинойдиэлектрическойпроницаемостистекла (в 80 разбольше, чем увакуума) можнозаписать:

С_м С_см С_ма,

т.е.практическивсе напряжениеприложено кобкладкам С_ма,а наименьшаячасть – к С_м.Это означает,что потенциалылевой и правойобкладок С_модинаковы, т.е.потенциальныйрельеф левойстороны мишенибез измененийпередаетсяна правую.

Втораясекция трубкиработает вобласти медленныхэлектронов.Она состоитиз электронногопрожектора8 с апертурой 50 мкм,фокусирующегоанода 6 (металлическоевнутреннеепокрытие баллона)и тормозящегоэлектрода 4(короткийметаллическийцилиндр вблизимишени). Иногдадобавляютвыравнивающуюсетку 5. Лучпрожектораотклоняетсястрочными икадровымикатушками,образуя растрна мишени.

Засчет продольногофокусирующегополя и тормозящегополя последнегоэлектрода 4электроны спрактическинулевой скоростьюперпендикулярно«ощупывают»мишень. Придостаточнобольшом токепучка потенциалмишени доводитсядо нижнегоравновесногозначения U_HPнезависимоот величиныначальногоположительногопотенциала.Для этого требуетсябольшая илименьшая частьтока луча, аостальная частьтока луча, непотребовавшаясядля компенсациинакопленногона мишениположительногозаряда, отражаетсяот мишени ивозвращаетсяв обратномнаправлении.

Третьясекция суперортиконапредназначенадля усилениявозвращеннойчасти токалуча. Она состоитиз пяти кольцевыхэлектродов(динодов) умножителя,на выходе последнегоиз которыхвключен нагрузочныйрезистор R_н.Эта секциятрубки, как ипервая, работаетв режиме быстрыхэлектронов;общий коэффициентусиления достигает10³.

Вцелом суперортиконвырабатываетпозитивныйсигнал, т.е. высокойосвещенностиучастка фотокатода(«уровень белого»)соответствуетмаксимальныйток вторично-электронногоумножителя,т.е. наибольшеезначение напряжениев точке А (рис.4.9.). Световаяхарактеристикатрубки этоготипа приведенана рис. 4.11. Начальныйучасток линеен,что объясняетсятем, что элементарныеконденсаторыС_см не успеваютполностьюзарядитьсяза время кадра,все вторичныеэлектроны,выбитые измишени, отбираютсясеткой и объемныйзаряд междумишенью и сеткойотсутствует.Трубка на линейномучастке правильновоспроизводитсреднюю яркостьизображений.При увеличенииосвещенностифотокатода(участок ВС)фотоэлектроныбудут доводитьпотенциалмишени доравновесногозначения U_BP(рис. 4.8), на нескольковольт вышепотенциаласетки. Образуетсяместное тормозящееполе, создающееобъемный заряд,который уравниваетчисло первичных(фото)электронови число вторичных.собираемыхсеткой. Трубкане будет правильновоспроизводитьсреднюю яркостьизображения.Описаннаяхарактеристикасоответствуетстатическомуоптическомуизображению(«белый квадратна черном фоне»).Несмотря налинейную зависимостьучастка АВ,практическион не используетсяиз-за малогоотношениясигнал/шум.Рабочим участкомслужит диапазонВС, где из-затормозящегообъемногозаряда вторичныеэлектроны,выбитые изучастков мишени,соответствующихнаиболее светлымместам фотокатода,возвращаютсяна близлежащиеучастки, снижаятем самым ихпотенциал.Таким образом,образуютсядинамическиехарактеристикитрубки (пунктирна рис. 4.11), котораясоответствуетпроецированиюна фотокатодполутоновойшкалы (десятьградаций).

Динамическийдиапазоносвещенностейу суперортиконавыше, чем учеловеческогоглаза, однакожелание иметьбольшое отношениес/ш ( 20)заставляетработать сосвещенностямив (2-3) выше Е₁ (рис.4.11), которую принимаютза чувствительностьсуперортикона.

Спектральнаяхарактеристикатрубки, какобычно, определяетсяматериаломфотокатода.

Разрешающаяспособностьсуперортиконаописываетсяапертурнойхарактеристикой(рис. 4.12), т.е. изменением(модуляцией)величины токаi_eчерез нагрузочныйрезистор отколичествастрок z врастре (диаметраапертуры).Разрешающаяспособностьзависит отконечногозначения диаметракоммутирующеголуча и качествафокусировкиэлектронногоизображенияна мишени.

Взаключениееще раз подчеркнемвысокую чувствительностьи разрешающуюспособностьсуперортикона.Как уже отмечалось,эта трубкаимеет существенныенедостатки:

• довольновысокий уровеньшумов;

• неравномерностьсигнала порастру за счетразличныхскоростейсчитывающеголуча в центреи на краях мишени;

• сложнав производствеи эксплуатации;

• большиегабариты,чувствительностьк внешним факторам(удары, вибрации,изменениетемпературы);

• недостаточнаядолговечность(200-750) час;

• большоевремя подготовкик работе послевключения (до30 минут).

4.6. Видикон

Видиконв настоящеевремя являетсясамой распространеннойтелевизионнойпередающейтрубкой в силупростоты, надежностии дешевизныпри небольшихразмерах имассе. Видикониспользуетмишень с внутреннимфотоэффектом,которая служитнепосредственнофотокатодом.

Видиконсостоит из двухосновных узлов– фотомишении электронногопрожектора,создающегокоммутирующийпучок (рис. 4.13). Навнутреннююстенку стекляннойпланшайбынапылена прозрачная( = 0,9) сигнальнаяпластина 1 (Au,Pt или SnO),имеющая вывод.Затем нанесенфотослой 2 ввиде сложногополупроводникаиз соединенийсурьмы, селена,мышьяка, серы.От составаполупроводникаи его толщинызависит чувствительность,спектральнаяхарактеристикаи инерционностьвидикона.

Электроннаякоммутационнаясистема образованаэлектроннымпрожектором(термокатод3, управляющийэлектрод 4 , первый5 и второй 6 аноды)и выравнивающейсеткой 7. Потенциалэтой сетки в(1,52) разапревышаетпотенциалвторого анода,что обеспечиваетнормальную(под углом 90к мишени) ориентациюлуча, необходимуюдля полученияодинаковогоисходногопотенциалапо всей мишени.

Эквивалентнаясхема видиконаприведена нарис. 4.14. Каждыйэлементарныйучасток мишенипредставленв виде конденсатораC_эi,шунтированногосопротивлениемR_эi.Величина этогосопротивленияопределяетсявнутреннимфотоэффектоми зависит отлокальнойосвещенности,т.е. на мишениоптическоеизображениепреобразуетсяв рельеф удельныхсопротивлений,величина которыхлежит в диапазонеот 10¹² Омсм(темные участки)до 10¹⁰ Омсм(наиболее светлые).

Когдамишень обходитсялучом (приразвертке), товсе участкиправой сторонымишени приобретаютпотенциалкатода, т.е. всеэлементарныеконденсаторыимеют разностьпотенциаловU_сп. Затемпри проецированииизображенияменяются R_э,так что С_эразряжаетсячерез свой R_эв течениевремени междудвумя коммутациямис постояннойвремени R_эС_эи потенциалправой обкладкиувеличивается,приближаяськ потенциалулевой обкладки,т.е. потенциалусигнальнойпластины. Нанеосвещенныхместах потенциалменяется гораздослабее. Т.е.создаетсяпотенциальныйрельеф, соответствующийраспределениюосвещенности(и проводимости).

Прикоммутациипотенциальныйрельеф вновьвыравнивается.Там, где былположительныйпотенциал,расходуетсяток луча надозаряд элементарногоконденсаторадо потенциалакатода и этотток луча протекаетчерез цепьсигнальнойпластины. Вточке А напряжениепадает, т.е. большейосвещенностисоответствуетменьший потенциалточки А (негативныйсигнал).

Световаяхарактеристикавидикона (рис.4.15) представляетсобой семействокривых, определяемыхвеличинойнапряженияна сигнальнойпластине U_сп. Хотя световаяхарактеристикавидикона нелинейна,но она малозависит отхарактераосвещенностифотокатода(в отличие отсуперортикона),т.е. контрастполучаетсядостаточновысоким.

Видикондает информациюо средней яркости,т.к. во времяобратного ходасигнал соответствуетуровню черного(если пренебречьтемновым током),т.е. отличаетсяот уровня гасящихимпульсов.

Разрешающаяспособностьвидикона зависитот структуры,размеров исвойств мишени,а также от сечениякоммутирующегопучка. Апертурнаяхарактеристикаодного из видиконов(ЛИ-421) дана на рис.4.16.

Типичнымможно считатьразмер рабочегоучастка мишени12,5  9,5 мм²,диаметр луча 15 мкм,ток луча 0,5 мкА.

Видиконхорошо работаетв диапазонеосвещенности(1-10) лк. Здесь невеликаи инерционность.

Инерционностьобусловленафотоэлектрическимипроцессамив мишени (материалфотополупроводника,примеси, уровеньосвещенности)и недостаточностьютока пучка, чтоне позволяетвыровнятьпотенциалмишени за 1 циклразвертки.Инерционностьвидикона можноуменьшить засчет уменьшенияС_э, чтобы неухудшать разрешенияза счет увеличениятока луча.

Промышленностьвыпускает 30 разновидностейвидиконов сдиаметром колбыот 13,6 до 40 мм.

Однойиз разновидностейвидиконовявляется плюмбикон(глетикон), укоторого принятымеры не толькопо уменьшениюС_э, но и поувеличениюR_э, чтобыне было ситуации,когда R_эС_э настолькомало, что неполностьюиспользуетсяэффект накопления,т.е. постояннаявремени = R_э С_эменьше временикадра (циклакоммутации).

Этодостигаетсяпутем заменыфоторезистноймишени мишеньюфотодиодноготипа, что обеспечиваетмалую инерционностьфотоэффекта,высокое темновоесопротивлениеи линейнуюсветовуюхарактеристику.

Мишеньплюмбиконаи его эквивалентнаясхема приведенына рис. 4.17.

Мишеньплюмбиконасостоит из трехполупроводниковыхслоев. К сигнальнойпластине 1 примыкаетпрозрачныйполупроводник2 с n –проводимостью,затем следуетслой i,представляющийсобой окисьсвинца PbOв виде кристаллическихчешуек размерами0,10,053,0мм³, ориентированныхбольшой сторонойвдоль световыхлучей. Третийслой – полупроводникс р-проводимостью.В такой многослойноймишени резкоуменьшаетсяскорость рекомбинацииносителей, чтоэквивалентноуменьшениютемнового тока,а увеличеннаятолщина мишениуменьшает С_эи увеличиваетэффективностьобразованияфотоэлектроновпроводимости.В момент коммутациипереход p–i-nсмещается вобратном направлении,что еще большеувеличиваетэквивалентноесопротивлениеутечки R_э.

Посвоей чувствительностиплюмбиконнесколькоуступает видикону(рабочая освещенность(5-8) лк). Разрешающаяспособностьсоставляет 600 линийпри отношениисигнал/шумоколо 200. Инерционностьплюмбиконасоответствуетостаточномусигналу 5% спустя одинкадр.

4.7.Многосигнальныевидиконы

Набазе рассмотренныхпреобразователейстроятся нетолько системычерно-белого,но и цветноготелевидения– путем использованиятрех или четырехпреобразователей– как это будетпоказано позже.В этом случаек преобразователямпредъявляютсяочень жесткиетребованияпо идентичностихарактеристиксвет-сигнал,геометрическихискажений,инерционностии др. Естественнотакже, что трех– или четырехтрубочныепередающиецветные телевизионныекамеры имеютбольшие габариты,массу, стоимость.

Поэтомупонятно стремлениек созданиюмногосигнальноговидикона, которыйможет осуществлятьпространственноеразделениесветовогопотока нафоточувствительнойповерхностипреобразователя.

Рассмотримпринцип действияодного изтрехсигнальныхвидиконов (рис.4.18). Здесь сигнальнаяпластина образованатремя группамиполосковыхэлектродов2, нанесенныхна соответствующиесветофильтры3. Спектральныехарактеристикиполосковыхфильтров приведенына рис. 4.19. Фильтрынанесены настекляннуюпластину (планшайбу)1.

Образованиепотенциальногорельефа намишени 4, обладающейвнутреннимфотоэффектом,происходиткак в обычномвидиконе. Всеэлектроды«одного цвета»соединяютсяи на трех выходахтрубки формируютсятри цветоделенныхсигнала.

Полосковыесветофильтрыи сигнальныепластинырасполагаютсяперпендикулярнострочной развертке.В одном из такихвидиконовиспользовалось870 электродов(290 «троек») настроку изображения,расположенныхс шагом 17,5 мкм.

Подобныйприбор не нашелпрактическогоприменения,что связанос паразитнымиемкостнымисвязями междуразносигнальнымиэлектродами,а также значительнымиоптическимисвязями всветоделительном узле. Все этов совокупностиснижает качествоцветного изображения.

Дальнейшиеидеи в развитиимногосигнальноговидикона заключаетсяв кодированииоптическицветоделенныхизображений.Используетсяметод частотногоили импульсного(фазового)кодирования.На выходепреобразователяформируетсяодин сигнал,а информацияо цветоделенныхизображенияхразнесена поразличнымчастотнымдиапазонамвыходногосигнала илизакодированав его фазе.

Рассмотримсистему с частотнымкодированием(две поднесущихчастоты). Оптическийкодирующийфильтр устанавливаетсяв плоскостиизображенияи представляетсобой системуналоженныхдруг на другаполосковыхсветофильтров,перекрещенныхпод углом 45(рис. 4.20). Один изэтих фильтров2 – голубые полоски,а вертикальныеполоски 3 – желтогоцвета. Наложениеполосок 2 и 3 даетучастки зеленогоцвета. Прозрачныеместа фильтраобозначеныцифрой 1. Такимобразом, там,где находитсяголубая полоска,не пропускаетсякрасная частьспектра, а поджелтую полоскуне проходитсиняя частьсветовогопотока.

Частотныйспектр выходногосигнала приобходе мишенисчитывающимлучом состоитиз двух поднесущих,определяемыхпространственнымичастотамижелтой и голубыхмасок. Числополосок фильтровна мишень выбираетсятаким, чтобыспектр сигналапоперек желтыхполос был до5 МГц. Этот сигнал 5 МГцсодержит информациюоб интенсивности«красного края»изображения,а голубой фильтр,из-за большейсвоей протяженностив направлениисканирования,даст частотув

раз меньше,т.е. МГц. Прозрачныеучастки фильтрапозволяютформироватьсигнал яркостиизображения.Тогда весьформируемыйсигнал будетпредставлятьсобой суммутрех компонент,каждая из которыхможет бытьвыделена спомощью частотныхфильтров (рис.4.21).

Болееэффективноиспользуетсячастотныйдиапазон формируемогосигнала в системес частотно-фазовымкодированием.Здесь информацияо красном исинем цветоделенномизображениипередаетсяв одном и томже частотномдиапазоне –на краю спектрасигнала. Засчет этогорасширяетсяполоса частотдля яркостногосигнала, чтоулучшает четкостьизображения.Поднесущаясинего и красноговыбираетсянесколько ниже,чем «синий»сигнал в предыдущемслучае, но выше,чем для «красного».Это, в свою очередь,снижает требованияк фокусировкесчитывающеголуча.

Поднесущиепри считываниибудут одинаковымипо частоте,которая определяетсяшагом полосоки углом их наклона.Для углов, показанныхна рис. 4.22, сигналыприведены нарис. 4.23.

Шаги наклон полосковыхфильтров выбираетсятак, чтобыобеспечивался180 - сдвигфаз краснойи синей составляющейсигнала, чтооблегчает ихпоследующееразделение.

Такойспособ кодированияпозволяетполучать спектрсигнала яркостидо 3,6 МГц. Естьи другие способыкодирования,например,кодоимпульсный.

4.8. Приборыс зарядовойсвязью (ПЗС)

Этобезвакуумныйтвердотельныйфотоэлектрическийпреобразовательизображения.

Воснове лежатсвойства структурыметалл-окисел-полупроводник(МОП-структура),которая можетсобирать, накапливатьи хранить зарядовыепакеты в локализованныхпотенциальныхямах, образующихсяв поверхностномслое полупроводника.

Зарядовыепакеты (порции)возникают поддействиемсветовогоизлучения, апереносятсяпутем управляемогоперемещенияс помощью уничтожениястарых и созданияновых потенциальныхям, куда перетекаютзаряды. Т.е. ПЗС– это аналоговыйсдвиговыйрегистр, которыйпереноситпоочередноотдельныезаряды из ямна выход, такчто зарядыпроходят всеячейки от местасвоего первоначальногорасположения(зарождения)до выходнойячейки. ЯчейкаПЗС приведенана рис. 4.23.

Еслиесть положительныйпотенциал, тоосновные носители(дырки) отойдутвглубь подложки,так что подметаллическимэлектродомобразуетсяобласть, обедненнаяосновныминосителями– потенциальнаяяма, глубинакоторой зависитот U, степенилегированияполупроводника,толщины окисла.

Времяжизни потенциальнойямы ограниченопаразитнымпроцессом еезаполненияза счет термогенерациипар «дырка-электрон»,электроныкоторых в качественеосновныхносителейпопадают в яму.Время заполненияямы за счеттермогенерацииназываетсявременем релаксации.Понятно, чтовремя хранениязаряда в ямедолжно бытьменьше этоговремени.

Зарядв ПЗС вводитсялибо электрически,либо излучением.Появляютсянеосновныеносители (т.е.полезный сигнал),количествокоторых пропорциональноосвещенностии времени экспозиции.

Направленнаяпередача зарядавозможна приусловии перекрытияотдельныхобедненныхобластей, такчтобы можнобыло соединитьпотенциальныеямы. Заряд будетперетекатьтуда, где потенциальнаяяма глубже(рис. 4.24). ПримерреализациисдвиговогоМОП-регистра(трехтактного)показан на рис.4.25. Каждый электродлинейки подключенк одной из трехтактовых шинс фазами Ф₁,Ф₂, Ф₃, напряжениена которыхменяется вовремени.

Фотоэлектрическиепреобразователиизображенияна ПЗС делятсяна одномерные(линейные) идвумерные(матричные).Линейныепреобразователи,формирующиестроку, обычноиспользуютсядля контроляза технологическимипроцессами,анализа состоянияи измеренияобъектов и т.п.

Двухкоординатнаяматрица являетсятвердотельныманалогом передающейтрубки. Дляорганизациисчитыванияв настоящеевремя наиболееудобным признаетсясчитываниес кадровымпереносом (рис.4.26), где 1 – секциянакопления(фотоприемнаясекция), 2 – секцияхранения (памяти).Выход 3 – секцияпереноса заряда(сдвиговыйрегистр). Накопленныев секции 1 зарядыво время обратногохода кадрапереносятсяв секцию 2 – секциюпамяти, поэтомув такой телевизионнойсистеме передаетсяпредыдущийкадр изображения.Для этого вовремя обратногохода строкив секцию переноса3 сносятся зарядыочереднойстроки, а вовремя прямогохода они выносятсяиз матрицы какбы считывающейстрокой.

Притакой организациисчитываниянет смазыванияизображения,т.к. считываниеидет по неменяющейсякартинке. Достаточнопросто здесьорганизоватьтакже чересстрочнуюразвертку.

Промышленностьсерийно выпускаетПЗС с числомэлементов288232 (144232элементовнакопленияи 144232 элементовхранения, атакже 235 элементовсдвиговогорегистра). Естьеще дополнительныйкомпенсационныйрегистр, накотором компенсируютсяпомехи от таковыхимпульсов.

Существенно,что число переносовзарядов к выходномуэлементу зависитот места расположенияэлемента вкадре – ономаксимальнодля 1-го элементаверхней строкии минимальнодля последнегоэлемента нижнейстроки. Еслииспользуетсятрехтактнаясхема переноса,то максимальноечисло переносовn_max=23z+3n.Заряды переносятсянеполностью– часть зарядовтеряется вловушках, крометого, частьзарядов неуспеет перенестисьполностью иподойдет толькосо следующимзарядом. Появляетсяфактор, которыйназываетсянеэффективностьюпереноса заряда – тачасть заряда,которая отсталана 1 перенос.Умножив на n_max,получаемрезультирующуюнеэффективность:n_max.Считаетсяудовлетворительным,если = (10^-410^-5).Тогда суммарнаяэффективность=1-n.Если = 10^-4и n = 1569, = 84%. Т.е. последовательныйперенос тормозитрост матрицы,тем более, чтонеисправностьодного элементавызывает потерюинформациивсего столбцаили строки.

СветоваяхарактеристикаПЗС линейнав диапазоне(0-8) лк, а разрешающаяспособностьопределяетсячислом элементовПЗС-матрицы.

92

5.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИЭЛЕКТРИЧЕСКИХСИГНАЛОВ

В ОПТИЧЕСКОЕИЗОБРАЖЕНИЕ

5.1. Принципывоспроизведенияизображений

Всовременныхтелевизионныхсистемах (ТВС)преобразованиеэлектрическогосигнала в оптическоеизображениев подавляющембольшинствеслучаев осуществляетсяс помощью приемных(воспроизводящих)электронно-лучевыхтрубок – кинескопов.Вместе с тем,последнее времяведутся разработкиплоских кристаллическихэкранов (дисплеев).

Кинескопосуществляетсинтез изображенияна основе явлениякатодолюминисценции,т.е. свеченияспециальноговещества (люминофора)под действиемэлектронногопучка. Кинескоп– оконечноезвено ТВС, поэтомукачество системыв целом определяетсяне в последнююочередь качествомтелевизионноговоспроизводящегоустройства.Общие требованияпо целям (назначению),качествувоспроизведения,а также достаточновысокие эксплуатационныехарактеристикии экономичностьтрансформируютсяв более конкретныетребования,определяемые,прежде всегохарактеристикамизрительнойсистемы человека.

1. Геометрическиеразмеры изображенияh и b, которыепри расстояниирассматривания(наблюдения)А определяютгоризонтальный

   и вертикальный
   углы наблюдения.

2. Достаточнаявертикальнаяи горизонтальнаячеткостьизображения.

3. Допустимыегеометрическиеискажения.

4. Достаточнаяяркость изображения,но без ослепления.

5. Достаточновысокий контрастизображения.

6. Удовлетворительноевоспроизведениеполутонов,согласующеесясо всей системой.

7. Удовлетворительноевоспроизведениецветов.

8. Достаточномалые эффектымелькания,помех и т.п.

9. Высокоекачество разверткии синхронизации.

Кинескопыобеспечиваютполучениечерных и цветныхизображенийразмерами до(0,60,8) м².Для большихаудиторийприменяютсяпроекционныеТВ устройства.

Основнымиэлементамилюбого кинескопаявляютсятермоэмиссионныйкатод, входящийв электронно-оптическуюсистему, называемуюпрожектором.Прожекторформируеттонкий пучок(луч) электроновс помощьюэлектростатическихполей, которыеиспользуютсядля ускоренияи фокусировки.Электростатическаяфокусировкаболее экономичнаяи стабильная,чем электромагнитная.

Отклонениеэлектронногопучка, как ифокусировку,можно реализоватькак статическим,так и магнитнымполем. В кинескопахтелевизионныхприемниковиспользуетсяисключительномагнитноеотклонение,которое позволяетдовести углыотклонениядо 110 ирезко уменьшитьдлину кинескопаи его вес.

5.2. Развертывающиеустройствакинескопов

Электростатическоеотклонение.

Здесьэлектронныйпучок отклоняетсяпоперечнымэлектрическимполем, черезкоторое онпропускается.В простейшемслучае полеобразованопарой пластин(плоский конденсатор),как это показанона рис. 5.1. Здесь – расстояниемежду пластинами,U – отклоняющеенапряжение(разность потенциаловмежду отклоняющимипластинами),U_A-ускоряющийпотенциал (доотклонения).Половинноеотклонениепучка:

.

Видно,что отклонениепропорциональноотклоняющемунапряжению.Для линейной(равномерной)развертки вовремени надоиметь U = k t, т.е. линейную“пилу”. Электрическоеотклонениеимеет такиеположительныекачества, какэкономичность,высокое быстродействиеи малую массу(вес).

Основныминедостаткамикинескоповс электростатическимотклонениемявляется малаячувствительностьи малые углыотклонения.Для большогоэкрана этоозначает большуюдлину трубки.Из-за малойчувствительностиотклоняющиепотенциалыдолжны достигатьнесколько сотенвольт и дажетысяч вольт(1/3 от U_A),что, в частности,трудно делатьна полупроводниках.

Поэтомуэлектростатическийспособ отклонения,широко применяемыйв осциллографах,практическине используетсяв телевизионныхприемниках.

Электромагнитноеотклонение.

Вотличие отэлектростатического,магнитное поледействуеттолько на движущийсяэлектрон. Величинаэтого воздействия(сила Лоренца):

,т.е. ,

гдее – заряд электрона,V – его скорость,Н – напряжениемагнитногополя, - угол междувекторами

и .Если V = 0, или  = 0, то F= 0. Для = 90 (полеи скорость вовзаимоперпендикулярныхплоскостях)сила F = F_max= eV₁H,где V₁– величинасоставляющейскорости электрона,перпендикулярнаяполю Н.

Под действием силыF электрондвижется подуге окружностис радиусом r(рис. 5.2). Точкамипоказано магнитноеполе (перпендикулярноеплоскостирисунка).Центростремительнаясила F уравновешенацентробежнойсилой F_цб,которая определяетсякак

: .

Радиусокружности,по которойдвижется электрон:

.

СоставляющаяV₁ скоростиэлектронаопределяетсяускоряющимполем U_A:

,т.е. .

Отсюда:

.

Рассмотримсхему отклонения(рис. 5.3). От т.О дот.В электрондвижется подуге окружностирадиуса r,а затем – попрямой (касательнойк этой окружности).С – центр окружности.

Перемещениелуча в плоскостиэкрана:

y= L tg.

ТреугольникOEF подобентреугольникуАСВ, поэтому

.

Отклонениелуча на экранекинескопа:

.

гдеl₀ –длина отклоняющегополя (катушки).Отметим, чтов отличие отэлектростатическогоотклонения,здесь отклонениеобратно пропорционально

.

Еслинеобходимо,чтобы y = kt(пропорциональновремени), тонапряженностьполя Н должнаменяться посложному закону.

Обращаетна себя вниманиепоявляющаясяхарактернаянелинейность– отклонениелуча растетбыстрее, чемток, т.е. еслиток (ампервитки)растет линейно,то отклонениерастет нелинейно(см. рис. 5.4.) и краярастра растягиваются.

Нелинейнаязависимостьотклоненияэлектронногопятна по экранукинескопа лишьдля малых угловможет считатьсялинейной, посколькув этом случае

.Тогда отклонениеy:

.

Еслинеобходимо,чтобы y = kt,то поле Н должноменяться вовремени:

.

Нелинейнаязависимостьотклоненияу от напряженностиполя Н можетзначительноменяться путемизмененияпространственногораспределенияотклоняющегомагнитногополя (неодинаковаяплотностьнамотки катушек).Это условнопоказано нарис. 5.5 в видепеременногосечения вертикальныхкадровых катушекW_k,создающихвнутри трубкигоризонтальноеполе Н₁ (отклоняющеелуч в вертикальномнаправлении)и горизонтальныхстрочных катушекW_c,создающихвнутри трубкивертикальноеполе Н₂ (отклоняющеелуч в горизонтальномнаправлении).

Связьмежду напряженностьюполя Н и протекающимчерез катушкус числом витковw током iописываетсяинтеграломАмпера:

,

гдеН – напряженностьполя в эрстедах(Э), i – токв амперах (А),l – длина магнитногопути в см.

Сечениеотклоняющейсистемы показанона рис. 5.6. Магнитнаяпроницаемостьферромагнитногоэкрана многобольше проницаемостивакуума, поэтомуего магнитноесопротивлениев сотни разменьше сопротивлениявсего остальногопути магнитногопотока. Этоозначает, чтовся намагничивающаясила тратитсяна проталкиваниепотока внеэкрана и вместоинтеграла позамкнутомуконтуру lможно взятьинтеграл попути от А до Ввнутри трубки(рис. 5.6.):

,

где - внутреннийдиаметр отклоняющейкатушки (диаметргорловинытрубки). Длянаиболее длиннойсиловой линии,которая проходитпо диаметругорловины (= 90):

.

Соответственно,можно записатьампер-виткикак функциюугла отклонениялуча :

,

.

Такимобразом, полноечисло ампер-витковотклоненияпропорциональноsin углаотклонения.

Дляуменьшенияабсолютногозначения токаотклоненияимеет смыслувеличиватьколичествовитков w.Однако с ростомколичествавитков растетиндуктивностькатушек L,котораяпропорциональнаw², аувеличениеL ведет к понижениюбыстродействиясистемы отклонения.

Используетсяпонятие эффективностиотклоняющейсистемы, котораяпредставляетсобой отношениемаксимальноймощности,затрачиваемойна отклонениелуча в пределахэкрана, к ускоряющемупотенциалуна втором анодетрубки. Этоозначает, чтодля строчнойразверткиполная мощностьпропорциональнареактивноймощности, т.е.магнитнойэнергии катушки:

,

где L– результирующаяиндуктивность,I_{max сгр}– амплитудаотклоняющеготока, U_A– напряжение2-го анода.

Длякадровой катушки:

,

где R– активноесопротивлениекадровой катушки.

Засчет того, чтов цветных кинескопахU_A25 кВ, а в черно-белых 15 кВ, уних сильноразнитсяэффективность.

Неследует забыватьтакже о том,что при большойиндуктивностии малом времениобратного ходана катушкевозникаютбольшие напряжения,что требуетвысокой электрическойпрочностиотклоняющейсистемы. Дляпримера и оценкивеличин дадимхарактеристикидвух отклоняющихсистем – черно-белойи цветной.

Параметр	ЧБТ ОС-110Л для 61 ЛК2Б	ЦТ ОС-110 ПЦ 67 ЛК 110 Ц
 горловины,мм	28,6	29
Индуктивностьдвух строчныхкатушек LмГн	3 0,15	0,31 0,02
Активноесопротивлениекатушек Ом	7,8 0,8	1,5 0,12
Ускоряющеенапряжениев зоне отклоняющейсистемы UAкВ	16	25
Амплитудаотклоняющеготока строчногоА кадровогоА	0,5 0,45	3,0 2,7
Ампервиткикатушек строчных кадровых	170 304	460 340
Амплитудаимпульсногонапряженияобратногохода на строчныхкатушек В	940	585

5.3.Эквивалентнаясхема отклоняющейсистемы

Разницав строчной икадровой разверткахпо частотеповторениясоставляет300 раз ( 15 кГц строки и50 Гц частотаполей). Дляудовлетворительноговоспроизведенияфункции разверткинадо пропускатьвсе гармоникидо 20-й включительно,т.е. до 300 кГц встрочной системеи 1 кГц в кадровой.

Катушкуотклоненияможно представитьв виде L_k,R_k, C_k(рис. 5.7), где С_к– межвитковаяемкость катушки,которой можнопренебречьдля кадровойсистемы и которойнельзя пренебрегатьдля строчной.Если пренебрегаемемкостью С_к(в случае кадровойсистемы), то

.

Еслимы исходим изтого, что токi (т.е. и полеН) меняются попилообразномузакону (линейныйток от времени),т.е.

,тогда

.

Здесьмогут быть дваслучая (рис.5.8):

1. R_K>> L_K,пренебрегаем

   .Тогда
   

2. R_KL_K,пренебрегаем

   .Тогда
   

В общемслучае – естьи то, и другое:R_KL_K.

Видно,что при получениипилообразноготока на катушкеобразуетсянапряжение,содержащеепилообразнуюи импульснуюсоставляющие.

Вобщем случаевсякое развертывающееустройствосостоит изгенератораимпульсов(задающий генератор),каскада формированияуправляющегонапряженияи выходногокаскада. Каскадформированиячасто объединяетсяс задающимгенератором,который запускаетсявнешним синхроимпульсом.

5.4.Кинескопычерно-белогоизображения

Этикинескопы (рис.5.9) выпускаютсяс размерамиэкрана по диагоналиот 4 до 67 см, уголотклонения– до 110.

Экрансостоит изстеклянногодиска (переднийстенки), на ней– люминофор,на нем – Alпленка толщиной0,5 мкм. Al пленкасоединенаэлектрическис анодом А, онапрозрачна дляэлектроновс энергией(12-25) кэВ. Пленказащищает люминофорот разрушениятяжелымиотрицательнымиионами, а такжеотражает свет,повышая светоотдачутрубки.

Люминофорысостоят изосновноговещества инебольшогоколичествапримеси – активатора.В принципе подвоздействиемпучка электроновсветятся оченьмногие вещества,однако, привыборе люминофораприходитсяучитыватьмногие факторы,начиная отуровня светоотдачи,срока службы,длительностипослесвеченияспектральногосостава и заканчиваячисло техническимии экономическими(доступность,стоимость,выделение газовпри облучениии т.п.). Наиболеечасто в качествелюминофоровиспользуютсясульфиды, силикаты,оксиды, фосфатытаких металлов,как цинк, кадмий,магний, бериллий.В качествеактиваторовдобавляютсеребро, медь,марганец др.

Цветизлучениялюминофорапри бомбардировкеэлектронамизависит отсостава люминофора.Обычно спектральнаяплотностьизлучениялюминофорапредставляетсобой непрерывнуюкривую с четковыраженнымипиками (рис.5.9, а). Состав инекоторыесвойства этихже люминофоровданы ниже втаблице.

Тип экрана	Цветсвечения	Максимумспектральнойхарактеристики(нм)	Времяпослесвечения	Люминофор
А	синий	450	короткое	Zn S Ag
Б	белый	460-570	короткое	0,4 SnS Ag, ZnCdS
И	зеленый	520-550	короткое	Zn2SiO4Mn
П	красный	630	среднее	Zn3(PO4)2Mn

Подкоротким временемпослесвеченияпонимаетсяинтервал (10^-5-10^-2)с, средним(10^-2-10^-1) с, длительным– до 15 с.

Влюминофореразличаютразгорание(710^-8 с),«горение» иугасание(послесвечение)– когда яркостьсвечения падаетдо 0,01 от яркостипри «горении».

Яркостьсвечения экранаL зависитот многих факторов,но наиболееявно от светоотдачиэкрана А (зависитот материалалюминофора),средней плотностиэлектронов

в пучке с токомi_л и площадьюсечения S(кроссовер) иускоряющегопотенциалаU:

.

Призаданной плотноститока пучкаяркость можноувеличить засчет U, этовыгодно энергетически.УвеличениеU ведет такжек улучшениюфокусировки,в то время какувеличениетока пучкаведет к ростуего сечения.

Силасвета от элементаизлучения: I_св= SL= SAjU²= Ai_лU².

Можнозаписать: I_св= A₀i_лU,где A₀= AU.

Другимисловами, силасвета от элементарнойплощадки люминофорапропорциональнапроизведениюA₀P_л,где P_л –мощность электронногопучка: I = A₀ P_л,

а величину

называюткоэффициентомсветоотдачилюминофора.Для обычныхлюминофоров,у которых всвет превращаетсяв среднем 5% энергии луча,коэффициентсветоотдачиэкрана составляет(23) кд/Вт,а для алюминированныхэкранов ондоходит до(35) кд/Вт.

Причастоте кадровf_к вышекритическойчастоты мельканийкажущаясяяркость свеченияэкрана определяетсякак средняяяркость запериод ее измененияТ_к = 1/f_к(закон Тальбота):

.

Вслучае безинерционногоэкрана каждаяточка даетпостояннуюяркость Lв течение времениоблучения с периодомповторенияТ_к, так чтокажущаясяяркость:

,

где N– число элементовизображения.В действительностияркость каждойточки экрананарастает ипадает по экспоненте.Во время роста:

,

где а₁– постояннаявремени, L_– предельнаяустановившаясяяркость. Завремя облученияяркость увеличиваетсядо значенияL ()= L_(1 - e^-a1),а затем спадаеттакже по экспонентес постояннойвремени а₂:

.

Тогдасредняя яркость(кажущаяся):

.

Обычноа₁а₂.Хотя инерционностьничего не даетв смысле увеличениясредней яркости,она в принципепозволяетснизить критическуючастоту мельканий,т.е. и частотукадров. Допустимаяинерционностьограничиваетсявозможностьюсмазываниядвижущихсяизображений.Чтобы этогоне было, надо,чтобы остаточноесвечение кначалу следующегокадра не превышало5%.

Однойиз наиболееважных характеристиккинескопаявляетсямодуляционная(световая)зависимостьсреднего тока(рис. 5.10), т.е. и яркостиэкрана, от напряжениямежду модулятороми кадром, котораявыражаетсястепеннойфункцией:

,

где _кин– показательстепени, равныйдля разныхтрубок от 2,5 до3. Напряжениесигнала изображения:

U_{c max}= - U_mo– (U_{m max})= U_{m max}– U_mo,

где U_mmax – величинанапряжения,где обеспечиваетсянаибольшаяяркость экранаL_max.

Световаяхарактеристикакинескопапрактическиснимается какзависимостьтока катодаот напряжениямежду катодоми модулятором,потому что токлуча мало отличаетсяот тока катода,а измерять токлуча значительносложнее.

Иногдамодуляционнуюхарактеристикудают в логарифмическоммасштабе:

lgL = _кинlg Uc.

Важнейшимпоказателемкачества вторичного(телевизионного)изображенияявляется контрастизображенияи разрешение(величина элементапри синтезе).

Контраст,как раньшеговорилось,- отношениеяркости наиболеесветлых участковк наиболеетемным, т.е.

.

ЕслиL_maxопределяетсяяркостью привозбуждениилюминофора,то

L_min= L_внутр+ L_ор+ L_ш+ L_внеш,

где L_внутр– внутренняязасветка экрана,L_ор– яркость ореола,L_ш– шумовая подсветка,L_внеш– внешняя подсветкаэкрана.

НаиболеесущественнойоказываетсяL_внеш,достигающая(0,01 – 0,02) L_maxВместе с темсерьезный вкладвносит такжеореол.

Прибомбардировкеэлектронамилюминофорвозбуждается,причем наиболеевозбужденнымиоказываютсяслои люминофора,обращенныевнутрь трубки.Из-за поглощенияв толще люминофорав прямом направленииполучаетсяменьший световойпоток, чем вобратном (рис.5.11). Более того,сквозь лицевоестекло проходитлишь частьэтого потока– наружу пройдутлишь те лучи,которые идутизнутри подуглами меньшими_пред– угла полноговнутреннегоотражения,величина которогозависит ототношенияпреломлениясред на границе.При n = 1,54 (стеклоколбы) _пред= 41, и проходиттолько 0,42 отначальногосвета в направлениизрителя, а 52% -теряется. Этодля случаяполного оптическогоконтакта зеренлюминофорасо стеклом. Вдействительностиэтого нет, идля зерен, неимеющих оптическогоконтакта состеклом, небудет явленияполного внутреннегоотражения, абудут потерикак от плоско-параллельнойпластинки,поэтому практическитеряется только(15-20) %.

Частьсветовогопотока, котораяне проходитк наблюдателю,после повторныхотраженийвнутри трубкиможет опятьпопасть кнаблюдателю.

Световыелучи, претерпевшиеполное внутреннееотражение,возвращаютсяк наблюдателюна расстоянииR_ор = 2dtg _пред.Из-за диффузногоотражения слоемлюминофорапоявляетсявторой ореоли т.д., т.е. появляетсясерия размытыхколец диаметрами2R_ор, 4R_ор,6R_ор ит.д. Наибольшуюяркость имеетпервое кольцо,остальнымиможно пренебречь.

Явлениеореола снижаетчеткость иконтраст вдеталях. Так,контрастностьв деталях можетупасть до 20 приобщем контрасте 100.

Наиболееэффективнымсредствомповышенияоптическихсвойств кинескопаявилось использованиеAl экранов(покрытий). Покрытиевыполняет рольотражателя,направляющегонаружу световойпоток, первоначальношедший внутрьтрубки. Введениеэкрана повышаетоптическуюэффективностьв (1,5-2) раза. Крометого, экранулучшает тепловойрежим люминофора,защищает егоот отрицательныхионов.

Существеннымобразом наповышениеконтрастакинескопасказалосьиспользованиедымчатогостекла (нейтральныйфильтр) в качествелицевого стеклакинескопа. Этостекло эффективноослабляетвлияние ореолаи внешней засветки.Полезная частьсветовогопотока F_nослабляетсяна пути d,а лучи ореолапроходят путь (1 + 2/cos_пред),поэтому есликоэффициентпропусканиядля F_nсоставляет_n,то для F_ор:

.

Для = 0,5, _ор= 0,08, т.е. ореолослабляетсяболее чем в 5раз.

Дымчатоестекло ослабляети внешнюю засветку– полезныйпоток проходитчерез стеклоодин раз, а внешнийсвет – дважды(туда и обратно).

Оптическиепоказателинекоторыхчерно-белыхкинескоповприведены втаблице.

Тип кинескопа	b мм	h мм	Радиусэкрана Rэ мм	n	Lmax кд/м2	КонтрастС	NГ,линий
							в центре	на краях
16 ЛК 1Б	120	98		0,45	100	100	600	550
47 ЛК 2Б	384	305	1219	0,46	120	100	600	550
59 ЛК 3Б	489	385	1012	0,42	120	150	600	550
65 ЛК 1Б	530	416	1219	0,39	150	150	600	550

Добавим некоторыетехническиеподробностидля трубки 59ЛК 3Б (размердиагонали 59см). Длина трубки370 мм, вес – 16 кг,угол отклонения- 110, токпучка – 350 мкА,запирающеенапряжениемодулятора 80В, размахсигнала в цепимодулятора45В, напряжениеанода 20кВ.

5.5.Трехлучевойцветной кинескоп

Цветнойкинескоп позволяетвоспроизводитьцветное изображение.Существуетнесколькоразновидностейцветных кинескопов

 –видный кинескоп– наиболеераспространенныйв настоящеевремя кинескоп(рис.5.12). Он содержит3 прожектора(1), которые расположеныв вершинахтреугольника(отсюда название),а также трехцветныйточечный (мозаичный)экран 3 и теневуюмаску 2. Для созданияцветного изображенияиспользуетсяметод пространственногосмешения цветов.

Элементамиэкрана 3 служаттриады кружков( 0,45 мм)люминофоров,свечение которыхсоответствуетосновным цветам:красному (R),зеленому (G)и синему (B),предназначенныхдля синтезаэлемента изображениялюбого цвета.Из-за малостиразмера триадыглаз воспринимаетрезультирующийцвет в соответствиисо степеньювозбуждениякаждого излюминофоров.Число триадна экранесоответствуетчислу элементовразложения(номинальному).

Передэкраном нарасстоянии 12 ммрасположенаметаллическая(сталь) маска2 с отверстиями,которые расположенынапротив каждойтриады. Маскасферическая,толщина 0,15 мм,диаметр отверстий0,3 мм. Маска обеспечиваетпопаданиекаждого лучана «свой» люминофор,что позволяетобеспечитьнезависимоевозбуждениелюминофоровв триаде. Существенно,что маска формируетиз каждогопучка электроновдостаточноузкий электронныйлуч, диаметромне больше кружкалюминофора.Посколькуформированиепроисходитза счет вырезаниячасти пучка(диафрагмирование),это резко уменьшаетполезный токлуча и снижаетсветоотдачу.Прожекторы1 расположеныв горловинетрубки в вершинахравностороннеготреугольника.Оси прожекторовсоставляютс осью трубкиугол 1. Лучисходятся вплоскоститеневой маски2, проходят черезотверстия,затем опятьрасходятсяпо вершинамтриады.

Нагорловине колбынаходятся такжевнешние узлы:отклоняющая(развертывающая)система 4, регуляторрадиальногосведения лучей5, магнит чистотыцвета 6 и магнитсинего луча7.

Отклоняющаясистема разворачиваетодновременновсе три пучка.

Регуляторрадиальногосведения лучей5 предназначендля статического(в центре экрана)и динамического(по полю изображения)сведения лучей.Он состоит извнешних магнитовМ_св, работающихсовместно сполюсныминаконечниками8, расположеннымивнутри колбы.Магнит М_свнамагниченпо диаметру,поэтому в зависимостиот его угловогоположения междуполюсныминаконечникамисоздаетсяпоперечноемагнитное полеразличнойвеличины, котороеи «подворачивает»электронныйпучок в радиальномнаправлении.Совместнойрегулировкоймагнитов М_свдобиваютсястатическогосведения пучков.

Из-занеточностисборки трубкиможет возникнутьнеобходимостьсмещения одногоиз лучей втангенциальномнаправлении.Для этого перемещают«синий» лучмагнитом 7. Полеэтого магнитанаправленовдоль радиусаколбы, поэтомусиний луч смещаетсяпо окружности.

Статическоесведение лучейв центре экранане обеспечиваетих совпаденияв отверстияхмаски, удаленныхот центра. Длядинамическогосведения служаткатушки К₁ иК₂ электромагнитоврадиальногосведения, черезкоторые пропускаютсятоки специальноподобраннойформы, которыеменяются одновременнос отклоняющимитоками. Экраны9 сделаны дляавтономизациирегулировкипучков.

Из-занеточной сборкикинескопа вцелом можетвозникнутьнеобходимостьсведениягеометрическихосей электронныхпрожекторовс осью кинескопа.Для этогоиспользуетсякольцевоймагнит 6 (намагниченпо диаметру).

Каждыйиз трех прожекторовимеет раздельныевыводы катодов,модуляторов,ускоряющихи фокусирующихэлектродов.Теневая маскасоединенагальваническисо вторым анодомА.

Длятрубки 61 ЛК 4Ц(типичный кинескопдля цветныхтелевизоров):

• отрицательноенапряжение,запирающеелуч – (100190)В;

• ускоряющеенапряжение(250750) В;

• фокусирующеенапряжение(4,75,5) кВ;

• полноеускоряющеенапряжение 25 кВ

Яркостьэкрана в белыхместах 110 кд/м², разрешение550 мм по вертикалии 450 – по горизонтали.Контраст 120, число градацийяркости 8, _кин= 2,6  3,3, наработкана отказ 10⁴ час.

Вмасочных трубкахподобного типа80% тока каждогоиз пучковзадерживаетсямаской, чтоведет к уменьшениюяркости. Длядостиженияжелаемой яркостиприходитсяувеличиватьтоки лучей до1,5 мА и повышатьускоряющийпотенциал до25 кВ. При этомпоявляетсярентгеновскоеизлучение, дляуменьшениякоторого используюттяжелое стеклодля колбы (добавкиPb, Sr⁹⁰).

Наличиетрех независимыхпрожекторовприводит кпроблеме получениябелого во всехдиапазонахяркостей. Причинаэтого – разбросмодуляционныххарактеристиккаждого изпрожекторов(рис. 5.13).

Дляподгонки яркостей(«баланс белого»)меняют ускоряющиенапряжениялучей, чтобысовместитьнапряженияотсечки. Однако,этого мало –наклоны модуляционныххарактеристикразные, поэтомурегулируюттакже коэффициентыусиления усилителейяркостныхсигналов.

Цветнойкинескоп слинейнымрасположениемпрожекторов.

Недостаточнаяяркость экрана,сложностьнастройки,сложная технологиявынудили искатьдругие вариантыконструкцийкинескопов.Один из них –линейное (планарное)расположениеэлектронныхпрожекторов.

Экранимеет штриховуюструктуру ввиде тонкихвертикальныхполосок чередующихсялюминофоровR, G, B. Передэкраном находитсяметаллическаяцветоделительнаямаска с вертикальнымищелями и горизонтальнымиперемычками(для прочности).

Пучокзеленого прожекторанаправлен пооси кинескопаи создаетсимметричныйрастр, не нуждающийсяв сведении.ПрожекторыR и BрасположенысимметричноотносительнопрожектораG и находятсяс ним в однойплоскости(«планарность»).Симметрия даетвозможностьиметь одинаковыеискажения, чтоупрощает сведениелучей в динамике.

Яркостьсвечения здесьвыше, чем в мозаичныхкинескопах,т.е. щелеваямаска болеепрозрачна, чеммаска с круглымиотверстиями.Сдвиг любогопучка в вертикальномнаправлениине вызываетискажений, т.к.пучки не сходятсо «своих»полосок люминофоров.

Планарныекинескопыпозволяютделать системысамосведенияпучков, чтоневозможнов мозаичном.Для этого подбираютформу отклоняющихкатушек и плотностьвитков в нихтак, что катушкагоризонтальногоотклонениясоздает «подушку»,а вертикального– «бочку». Посленастройкикатушки приклеиваютк колбе.

Такиекинескопывыпускаютсяс углом отклонения90 и 110.Например, кинескоп32 ЛК 1Ц: запирающеенапряжение– (50100) В,фокусирующеенапряжение(2,55,5) кВ,ускоряющийпотенциал 18кВ. Яркость –150 кд/м², неравномерность 40% по полюизображения,контраст 60, разрешениесоставляет350350.

Другаямодель планарногоцветного кинескопа(51 ЛК 2Ц) обеспечиваетяркость в беломдо 250 кд/м² притоке катодов 1мА,напряжениианода 25кВ. Разрешениедостигает450х450 элементов.

Упомянемеще одну разновидностьцветного кинескопа– однолучевойхроматрон.Экран трубкиимеет линейчатуюструктуруперемежающихсялюминофоров,перед которымирасполагаетсяцветокоммутирующаясетка (рис. 5.14).Полоски люминофорарасполагаютсявертикальнов последовательностиRGBGRGBGRGBG… Ширинаполосок Rи В составляет0,2 мм, полоскаG имеетширину 0,1 мм. Одинэлемент цветногоизображенияобразует RGBG.

Экрантрубки алюминировани соединен санодом, находящемсяпод напряжением15 кВ относительнокатода. Передэкраном нарасстоянии20 мм натянутывертикальныепроволочныеструны 0,036 мм с шагом 0,3мм, так что нечетныеструны помещеныперед полоскамикрасного люминофора,а четные – передсиними. Всечетные струнысоединенывместе (одинвывод цветокоммутирующейсетки), а всенечетные такжесоединены иимеют вывод.Если напряжениена секцияхсетки одинаковые(слабо отрицательные),то электронныйлуч прожекторапроходит междуструнами ипопадает назеленый люминофор(рис. 5.14), а принекоторомнапряжениив зависимостиего знака лучпопадает либона красный,либо на синийлюминофор.Сетка в целомимеет довольнобольшую емкость,поэтому в течениеодной строкипотенциал сеткине меняется,а меняется лишьодин раз за тристроки растра,т.е. образуютсяпоследовательнотри строкиодинаковогоцвета (интенсивностькаждой из нихзависит отсигнала намодуляторе)– красная, зеленая,синяя. Получаетсяпространственноесмешение цветов,но с потерейцветовой четкостив 3 раза. Приколичествеструн 400 горизонтальнаячеткость составляет 300 строк.

Подобныйкинескоп (хроматрон25 ЛК 1Ц) при яркости200 кд/м² требуетток луча 200 мкА,ускоряющийпотенциал равен5 кВ. Потенциалкоммутационнойсетки 200В, что при частотекоммутации15 кГц : 3 = 5 кГц требуетмощности 1 Вт.

6. ХАРАКТЕРИСТИКИТЕЛЕВИЗИОННОГОСИГНАЛА

6.1.Пространственныечастоты изображения

Длядетальногорассмотрениятелевизионногосигнала, в частности,его важнейшейхарактеристики– спектральногосостава – обычноиспользуетсяспектральныйанализ. Целесообразностьтакого подходаобъясняетсятем, что исходноеоптическоеизображениепредставляетсобой полеосвещенности,распределенноепо плоскости.Пространственноепредставлениеэтого поля, втом числе и ввиде рядовФурье, имеетболее универсальныйсмысл, чем временноепредставление.Это легко видно,например, изтого факта, чтонеизбежноеналичие пространственныхапертур в любойтелевизионнойсистеме, дажев случае отсутствияперемещающихсяапертур, сказываетсяна разрешении,частотномдиапазонесигнала и т.д.Для многопроводнойсистемы, гденет временнойразвертки,пространственнаяапертура определяетсяналичием ячеекв светочувствительнойматрице напередающейстороне ивоспроизводящейматрице наприемной.

Второезамечаниесвязано с тем,что разложениев ряды Фурьепроизводитсятолько дляпериодическихфункций, т.е.строго говоря,суммой членовряда можнозаменить толькобесконечноповторяющуюсяпоследовательностьнеизменныхизображений,полностьюидентичныхмгновенномуизображениюкадра. В действительностиэтого нет, однакоучитывая достаточнонизкие частотыпространственныхизменений впередаваемойсцене, которыемогут восприниматьсязрительно-аналитическойсистемой человека(25Гц), можнопо крайней меренесколькокадров (5) считать принципиальнонеизменными.Именно на этомоснован используемыйниже подход,который исходитиз считываниябесконечно-длиннойпространственнойкартины, имеющейпространственныйпериод, равныйдлине кадраb, на которуюналожена вертикальнаяпоследовательностьс длиной волныh.

Итак,рассмотримнеподвижноебесконечноповторяющеесяизображение,один из фрагментовкоторого (кадр)показан на рис.6.1. в виде поляосвещенностиE (x, y).

Вдольпрямой, проходящейчерез точку(x, y) и параллельнойоси х, любаяфункция оптическойнеоднородностиможет бытьзаписана черезряд Фурье:

,

где_m– длина m-ойпространственнойволны в направлениих,

_m– фаза m-ойслагаемой ряда,

Е_у– текущая амплитудаm-ой составляющей,т.к. она зависитот координатыу.

Надлине экранаb укладывается«m» пространственныхдлин волносвещенности(яркости), потомучто мерой взяливеличину b,т.е. _mm = b. Тогдаможно записать:

.

Ясно,что m слеваравно 0, а справаравно ,т.е. не ограничено.

ВеличинаE_m(y)сама может бытьразложена вряд по координатеу:

,

где_n=

– пространственнаядлина волныяркости в направленииу,

E_mn– амплитудаn-го компонентапо высоте (внаправленииу),

_n– фаза этогокомпонента.

Подставим:

,

где

.

Т.к.при фиксированномm слагаемые,содержащиеn в аргументепервой косинусоидальнойзависимостив последнемвыражениименяются от0 до +  , ав аргументевторой - от 0 до-, то ихможно объединитьв одну косинусоидальнуюпоследовательностьс пределамисуммированияот -  до+. Фазатоже будетсуммарной: _mn= _m+ _n(с учетом того,что в ряде, где-  n 0 она вычитаетсяиз _m,но cos – четнаяфункция). Тогда:

,

илив комплекснойформе

:

,

где

.

Видно,что здесь впервый рядсуммируетсяв пределах -  m .

Такимобразом, любоеизображениеможет бытьпредставленов виде суммыкосинусоидальныхволн с - m =

и - n = .Содержаниеизображенияопределяетамплитуды E_mnи фазы _mnкомпонентовряда.

6.2.Пространственнаяфильтрацияизображения

(фильтрацияпространственногоспектра изображения)

Посколькув электрическийсигнал преобразуетсясветовой поток,проходящийчерез весьэлемент разложения(или отраженныйот всего элементаизображения),то полезноввести функциюпрозрачностиапертуры, котораяучитываетколичествопроходящегочерез негосвета. Именноэтот свет иобразует сигнал.

Дляквадратнойапертуры (дискНипкова, приборыс зарядовойсвязью ПЗС)прозрачностьравномернапо всей площадиапертуры: (x,y)= 1 (рис. 6.2, а). Этоже справедливодля круглыхотверстий(диссектор) впределах площадиэтого отверстияS:

,

гдеx,y– координатыточек апертурыотносительноее центра 0(рис. 6.2, б).

Дляэлектронногокоммутирующегопучка прозрачностьэквивалентнаплотностиэлектронногопучка, распределениекоторой описываетсягауссовымзаконом (рис.6.2, в):

Здесьr_e –условный радиус,где плотностьэлектроновпадает в «е»раз.

Вдействительностипрозрачностьячейки ПЗСскорее можносчитать некубом, а трапециоидальнымпараллелепипедом(усеченнаяпирамида)(рис.6.2,г).

Впринципе следуетговорить обинтегральнойпрозрачностивсей апертуры(объем прозрачности):

.

потомучто в линейномфотоэлектрическомпреобразователечерез апертурупроходит световойпоток

.

гдеx, y – координатыцентра апертуры.

Еслиспектральнаячувствительностьфотослоя одинаковапо всей площадиапертуры S,то ток сигнала:

,

Еслиосвещенностьизображенияв пределахплощади Sпостоянна иравна Е_о, то

.

Передачаграницы освещенности.Пусть освещенностьЕ меняетсяскачком от 0 доЕ_о. Тогдатекущее значениесигнала (текущейкоординатойявляется х):

,

где

– объем прозрачностиосвещеннойчасти апертуры.

Вводятпонятие переходнойапертурнойхарактеристики,которая определяетсяотношениемтекущих значенийсигнала (илипрозрачности)к их установившимся(предельным)значениям. Этоотношениеменяется сизменениемкоординатыцентра апертуры:

.

Рассмотримслучай, когдав т. х=0 освещенностьменяется скачкомот 0 до Е_о (рис.6.3,а). Возьмем сечениеапертуры нарасстояниих от еецентра (щельс размерами2r_xdx).Тогда прозрачность:

.

Длясимметричногораспределения:

.

Например,пусть апертура– квадрат dd.ddx– щель с размерамиd, dx.Тогда (рис. 6.3,б)

.

Установившеесязначение прозрачности_o= d ², поэтому

.

Видно,что переходнаяхарактеристикадля прямоугольнойапертуры,перемещающейсятак, что ее сторонаостается параллельнойгранице освещенности,имеет линейныйхарактер (рис.6.4, а).

Прилюбой другойориентациипрямоугольнойапертурыхарактеристикабудет нелинейной.Для круглойапертуры диаметромd апертурнаяпереходнаяхарактеристика(рис. 6.4, б):

.

Характеристикав т.О имеетмаксимальнуюскорость нарастания,т.к. она пропорциональнатекущей длинехорды апертуры.

Если в телевизионнойсистеме естьдве сканирующихсистемы - передающаяи воспроизводящая,то результирующаяпереходнаяхарактеристикастанет ещехуже.

Такимобразом, бесконечноузкая границадвух разныхпо оптическойплотности(яркости, освещенности)областей изображения,т.е. скачокосвещенностиЕ, растягиваетсяпо меньшей мерена размер апертуры,т.е. ухудшаетсячеткость. Вэтом смыслеапертурныеискажения посвоим результатамподобны расфокусированиюизображенияиз-за объектива.

Еслипрозрачностьраспределенапо Гауссу, то(кривая 6.4, в):

Дляэтого случаяH(x) простираетсяв обе стороныбесконечно,однако за границыпереходногопроцесса принимают2r_e(0,08 и 0,92 от _о).

Еслиесть две одинаковыегауссовы апертуры,то получаетсяв итоге как быодна характеристикас гауссовымзаконом (кривая5) и условнымрадиусом r_s=

r_e.Соответственно,в раз увеличиваетсяи протяженностьпереходнойкривой:

.

Апертурно-частотнаяфильтрация.Ясно, что приувеличениипротяженностиграниц переходовосвещенностидолжна менятьсятакже частотнаяпространственнаяхарактеристикаизображения.Грубо говоря,если мы ощупываемпространственныйрельеф каким-то«толстым щупом»,то верхниечастоты (мелкиедетали изображения)будут теряться.Для аналитическойзаписи этогофакта рассмотримпространственноеполе, котороезависит отодной координатых:

.

Здесьвыделена нулеваячастотнаясоставляющая(средняя илипостояннаяосвещенностьЕ_о) гармоническогоразложенияи она вынесеназа знак суммирования,т.е. на нее разделеныамплитуды всехгармоник, такчто:

- глубина модуляцииm-го компонента(амплитуда m-гокомпонентаотносительнопостояннойсоставляющей).

Подобнорассмотренномуранее, можнопоказать, чтосчитанныйсигнал

.

СомножительU^/_mопределяетапертурно-частотнуюхарактеристикусканирующегоустройства.Для примерарассмотримапертурно-частотнуюхарактеристикудля квадратнойапертуры dd.Обычно берутне U^/_m,а U_m,который отличаетсядругим направлениемх, т.е.

.Тогда для квадратнойапертуры

- кривая1 (рис. 6.5).

Длягауссовойапертуры:

(кривая 2).

Кривая1 пересекаетось абсцисспри целочисленныхd/_m,убывая по амплитуде.Кривая 2 осиабсцисс непересекает.Физически этосвязано с тем,что «щуп» ввиде электронногопучка с плотностьюэлектроновпо закону Гауссане имеет плоскойчасти и есть«еще болееострая часть»,которая ощущаетвсе более иболее мелкиедетали.

Понятно,что идеальноезначение U_m– горизонтальнаяпрямая с ординатой1,0. При двух диафрагмах(передача-прием)апертурно-частотнаяхарактеристикаопределяетсяквадратом U_m.Если есть двеапертуры, тополучаетсякривая 3, еслидве гауссовых– кривая 4.

Можноутверждать,что конечныеразмеры апертурсрезают частьверхних пространственныхчастот, т.е. числокомпонентовпространственногоспектра ограниченозаданной глубиноймодуляции. Этоэквивалентнотому, что введениеапертуры создаетфильтр пространственнойчастоты.

Влюбом случае,как говорилось,это дает уменьшениечеткости изображений,что можно выразитьколичественно.

Разрешающаяспособностьтелевизионнойсистемы оцениваетсяколичествомполупериодов

пространственнойчастоты, воспроизводимойс глубиноймодуляции,большей чемпорог (отсчетныйуровень) _о(см. рис. 6.5).

Всилу принципапострочногоразложенияизображенияпродольное(вдоль строк)разрешениеопределяетсятакже полосойчастот в каналесвязи (кривая5). Если эта полосачастот имеетпрямоугольнуюформу, т.е. граничнаяпространственнаячастота

,где = 2– период измененияяркости, тоэто, в свою очередь,апроксимируетсяраспределениемпрозрачностив такой апертуревида:

.

Поперечноеразрешениеопределяетсядискретностьюрастра, т.е. засчет строчногоразложения,и это разрешениеобычно бываетменьше продольного.Если увеличиватьчисло строк,то и поперечноеразрешениеприближаетсяк тому, котороеопределяетсяапертурнойфильтрацией.

6.3.Частотныйспектр сигналаизображения

Небудем обращатьвнимание навремя обратногохода разверткии ее нелинейность.Тогда координатыпередаваемыхэлементовизменяютсяво временилинейно:

,

гдеV_x –скорость сканированияпо х; b –максимальныйгоризонтальныйразмер; z– полное числострок в кадре;f_k –частота кадров;h – вертикальныйразмер кадра;V_y –скорость изменениякоординатыу при разложении.

Считанныйсигнал во времени:i (t) = c E (x, y), где Е– освещенность.

Было:

.

Такчто:

.

Слагаемыев круглых скобках:

- имеетразмерностьчастоты. Можноназвать:

f_гр= z f_k –частотагоризонтальнойразвертки,

f_вр= f_k –частота вертикальнойразвертки.

Тогдасчитанный токможно представитьв виде гармоник:

.

Этовыражениеопределяетспектр телевизионногосигнала. Видно,что он имеетдискретныйхарактер исодержит гармоникис номерами 0m ,кратные частотегоризонтальнойразвертки,около каждойиз которыхгруппируютсягармоники сномерами -n , кратныечастоте вертикальнойразвертки.

Вчастном случае,когда освещенностьменяется толькопо вертикали(горизонтальныеполосы), в спектресохраняютсялишь n-ыегармоникивертикальнойразверткиf=nf_вр.Хотя теоретическиn_max= ,апертурнаяфильтрацияделает количествогармоник nнебольшим, даи величина f_врневелика. Еслиже освещенностьполя изображенияменяется толькопо горизонтали(вертикальныеполосы), в спектрене будет n-ыхгармоник, атолько одниm-ые. Так какf_гр= zf_вр, тои гармоникиmf_грпростираютсядалеко по осичастот.

Вобщем случае,когда освещенностьменяется погоризонталии по вертикали,спектр сигналагруппируетсявокруг нулевой,первой, второйи т.д. гармоникf_гр(рис. 6.6). Огибающаяэтих гармоникзависит отраспределенияосвещенностивдоль строк.

Огибающиебоковых спектровзависят отраспределенияосвещенностив поперечном(вертикальном)направлении.

Т.к.отношение f_гри f_вропределяетсяструктуройрастра и равноz, то междудвумя гармоникамиf_грможет расположиться2z гармоникчастоты вертикальнойразвертки.Однако еслиz мало илиесли n (реальноучитываемоеколичествовертикальныхгармоник) велико,то может получитьсяналожениебоковых гармоник,которые совпадутдля n –положительногокрыла спектрагармоникигоризонтальнойразвертки с(n+1) – отрицательнымкрылом спектраследующейгармоникигоризонтальнойразвертки (рис.6.7). Как видно изрисунка, произошлоналожениечастот за счетперекрытиябоковых, т.е.на одной и тойже частоте идутсигналы разныхкомпонентов(горизонтальныхи вертикальных):

f= m f_cгр+ n₁f_k =(m+1) f_cгр– n₂f_k.

Еслиесть еще болеедальнее перекрытие,то

f= m_if_cгр+ n_kf_k = mf_cгр+ n_lf_k.

Наложениебоковых составляющихсоздает своеобразныепосторонниеизображения(муар).

Доэтого рассматривалисьнеподвижныеизображения.Передача движущихсяизображенийсопровождаетсяамплитудноймодуляциейгармоническихсоставляющих(горизонтальныхи вертикальных),что добавляетв спектре ещедополнительныебоковые составляющие(вокруг всехгармоник). Ширинаэтой добавкине превышает3 Гц накаждую составляющую(дальше не надо,ибо не воспринимаетглаз в силусвоей инерционности).

6.4. Полосачастот телевизионногосигнала

Какуже говорилосьраньше (гл. 1),полоса пространственныхчастот однозначносвязана с количествомэлементовразложения,а реальныйспектр зависитот конкретногоизображения(сюжета), передаваемогопо ТВС.

Низшаячастота спектраf_Hопределяетсяминимальнойпространственнойчастотой, котораяопределяетсямаксимальнымидеталями изображения.Очевидно, чтотакая детальможет заниматьпочти весьэкран и ее временнаячастота составляетf_K,т.е. требуетсявсе время кадраТк, чтобы еепередать:

.

Самое простоепередаваемоеизображение– две горизонтальныеполосы (чернаяи белая) одинаковойширины и ссинусоидальным«сечением пояркости»(освещенности),рис. 6.8.

Здесь в принципетолько однагармоника, несчитая постояннойсоставляющей,т.к. освещенностьне может бытьменьше 0.

Более сложнаякартинка спектрадаже при условиивсе тех же двухполос (белаяи черная) получается,если полосыимеют болеерезкие границыи (или) полосыимеют различнуюширину.

Всовременныхтелевизионныхсистемах применяетсятолько чересстрочнаяразвертка (см.след. раздел),при которойчастота кадровв два раза нижечастоты полей(полукадров).В этом случаенаиболее простоеизображение,дающее нижнюючастоту, должнобыть таким,чтобы в течениепервого полукадраполе изображениябыло светлым,а в течениевторого – темным(или наоборот).Практическитакой случайреализуетсяв виде горизонтальныхполос ширинойв одну строку,разделенныхтакими же темнымипромежутками.

Очевидно,что высказанныесоображенияотносительнонижних частотсигнала будутсправедливыи для вертикальныхполос – минимальная(и единственная)частота телевизионногосигнала, соответствующаяодной темнойи одной светлойвертикальнойполосе, имеющимсинусоидальное«сечение»освещенности,равна первойгармоникестрочной частоты.По мере увеличениячисла полоси (или) резкостиграниц будетрасти количествогармоник строчнойчастоты.

В любомслучае существенноподчеркнуть,что низкиечастоты спектрателевизионногосигнала несутинформациюо распределениияркости покрупным деталямизображения,а высокие – омелких деталяхизображения,в том числе ио контурах(границах) крупныхдеталей.

Высшаячастота спектраf_Bсоответствуетминимальномуэлементу изображения,за которойпринят квадратсо стороной,равной ширинестроки

.Первая гармоникапри считываниитаких мелкихдеталей (элемент+ пропуск): ,где k– формат изображения.Для воспроизведениясамых мелкихдеталей достаточнопередаватьтолько первуюгармонику,определяющуюсреднюю величинуяркости этихдеталей, потомучто глаз почтине замечаетискажениераспределенияяркостей впределах малогоэлемента. Этачастота и естьвысшая составляющаяспектра телевизионногосигнала.

Часть строкрастра теряетсяна обратныйход кадра (z),так что активное(действительное)число строкуменьшаетсядо z (1-).Изменениесоотношениямежду прямойи обратнойчастью периодакадра сказываетсяна реальнойчеткости повертикали засчет уменьшениячисла строкразложения.В то же времяобратный ходкадра (его время)не влияет наскорость движенияразвертывающеголуча, т.е. не меняетни верхней, нинижней границполосы частот.

Длительностьпрямого ходапо строке засчет обратногохода по строкепри заданномпериоде строкуменьшаетсяна время T_СГР,т.е. в действительности

Т_СГРАКТ = Т_СГР(1 - ).

Считая,как и раньше,размер элементовразложенияодинаковымпо вертикалии горизонталии равным

,получим: .Учитывая, что , найдем:

.

В нашемтелевизионномстандартеразложениявыбрано:

 = 0,08, т.е. 50 строк– на обратныйход кадра (z= 625),

 = 0,18, т.е. t_сбр= 11,52 мкс при Т_стр= 64мкс, Т_сгракт = 52,48 мкс.

Коэффициентопределяетсяследующимисоображениями.В горизонтальномнаправленииминимальныйразмер элементаравен толщинестроки, а ввертикальномнаправлении(поперек строк)такая же детальможет воспроизводитьсялибо однойстрокой (когдацентр этойдетали совпадаетс центром строкирастра), либодвумя строками(когда центрдетали лежитпосерединестрок), т.е. четкостьпо вертикалине являетсяпостояннойвеличиной исоставляетот 1 до 0,5 от величинычеткости погоризонтали.Чтобы нескольковыровнятьчеткости пообоим направлениям,четкость погоризонталиуменьшаетсяза счет полосычастот в раз. Практическиполоса уменьшаетсяв 1,1 – 1,2 раз.

Если подставитьв последнююформулу = 0,82, z= 625,f_k= 50 Гц, выбранныеисходя изпространственнойи временнойхарактеристикзрения, получим:

МГц.

6.5. Чересстрочнаяразвертка

Какбыло показано,полоса частоттелевизионногосигнала простираетсяот 50 Гц до 12 МГц.Обработкасигналов втакой полосетрудна, поэтомупредставляетинтерес пулиее уменьшения.Реально можноуменьшитьчастоту кадров,однако, чтобыне было мельканий,можно сделатькадр в видедвух полукадров(полей), в каждомиз которых 312,т.е. z/2 строк.Это допустимо,т.к. глаз замечаетчастоту мельканийпрежде всегодля крупныхдеталей, а длядвух близкорасположенныхточек (элементов),яркость которыхменяется отнуля до максимальной,обе точки кажутсясветящимисянепрерывно,если суммачастот их яркостныхмельканий вышекритической.Т.е. для мелкихдеталей предельнонизкая частотамельканийуменьшаетсяпрактическивдвое.

Строкиполуполейчередуются– 1 полукадрсодержит нечетныестроки, II– четные. Длявыполненияэтого количествострок в кадредолжно бытьнечетным: z= 2m+ 1 (для нашегостандарта m= 312), кроме того,должна бытьжесткая связьчастот:

,т.е. .Это соотношениеобеспечиваетсясинхрогенераторомпередатчика.

В принципеможно братьчересстрочнуюразвертку ис большей кратностью,чем 2:1, например,3:1, или 4:1. Однакоздесь уже становитсязаметным мелькание,уменьшаетсячеткость объектов,движущихсяв вертикальномнаправлении.

Для любогочересстрочногоразложенияесть эффект«скольжениястрок» – покалуч чертиттекущую строку,его яркостьмаксимальна,а яркость предыдущейстроки, прочерченнойв предыдущемполе, имеетспадающийхарактер. Этотэффект малозаметен прикратности 2:1,а при большихкратностяхсказываетсяочень сильно.

К этомуможно добавить,что периферийноезрение менееинерционно,поэтому принаблюденииТВ изображенияс близкогорасстояния(когда большойугол зренияи участвуетпериферияглаза) становитсязаметным мельканиепри принятыху нас частотах(f_k=25Гц). Установлено,что истинная625-строчнаяразвертка (нечересстрочная)по четкостиэквивалентная900-строчной счересстрочнымпринципом.

Чересстрочное(любое) разложениетребует нецелогоотношениячастот:

,z – целаячасть (целоечисло строкв поле)-дробнаячасть: .

В общем случае:

За первоеполе (z+ )строк

за два поля2(z+ )строк

за Wполей W(z+ )= Wz+W= z₀– полное числострок в кадре,после чего циклзаканчивается.

Т.к. z₀и Wz– целые числа,то и Wдолжно бытьцелым.

Если обратитьсявновь к спектральномусоставу ТВсигнала, то вслучае чересстрочногоразложенияна интервалемежду гармоникамистрочной частотыукладываетсяне z₀частот кадровойразвертки, аz +интервалови при перекрытиибоковых спектрових гармоническиесоставляющиеперемежаются.Т.е. увеличениев Wраз временипередачи кадра(Wполей в кадре)сопровождаетсяуплотнениемв Wраз частотногоспектра сигнала.В случае

гармоники изнижнего боковогоспектра (m+ 1)-й гармоникистрочной частотырасполагаютсяровно посерединемежду составляющимиверхнего боковогоспектра m-ойгармоникистрочной развертки,т.е. линейчатыйчастотныйспектр сигналав целом уплотняетсяв 2 раза.

7.СИНХРОНИЗАЦИЯПРОЦЕССОВРАЗВЕРТКИ

Процессыразвертки напередающейи приемнойстороне телевизионнойсистемы должныбыть синфазными,т.е. долженсканироватьсяодин и тот жеэлемент изображения– передаваемогои воспроизводимого.В принципесинфазностьне обязательноозначаетсинхронность,т.е. одинаковыечастоты строки кадров. Частотымогут бытькратными, однаков действительностипроцессы анализаи синтеза идут(проводятся)и синфазно, исинхронно.

1. Методысинхронизации

Автономнаясинхронизацияозначает независимуюсинхронизациюпередающейи приемнойстороны, которыекаким-то образомвначале установлены.

При автономнойсинхронизации(два независимыхгенератора)получаютсяпрактическиневыполнимыетребованияк стабильностичастоты обоихгенераторов.Обычно заданата относительнаячасть строки,смещение накоторую становитсязаметным, чтоэквивалентнопромежуткувремени t_стр, где t_стр– длительностьстроки. Очевидно,что суммарноеотносительноерасхождениеза время наблюденияТ_н недолжно превышать:

.

При = 0,01 (что уже заметно),t_стр= 64 мкс и Т_н= 1 час:

.

Эта жевеличинахарактеризуети требованияк стабильностичастоты независимыхгенераторов.Как видно, этитребованияневыполнимы,хотя для факсимильныхсистем передачиизображения(Т_н1 мин) автономнаясинхронизацияреализуемапри кварцевойстабилизациичастоты генераторов.

Принудительнаясинхронизациятребует организацииспециальногосигнала синхронизации.

В этом случаеможет быть одиниз следующихспособов:

• внешняясинхронизация,когда передатчики приемникорганизуютсвою работуот некоторойвнешней системы(сигнал единоговремени и т.п.);

• синхронизацияприемника отпередатчика;

• синхронизацияпередатчикаот приемника.

Ввещательныхтелевизионныхсистемах используетсяисключительнопринудительнаясинхронизация,в которой ведетпередатчик.Однако в техслучаях, когдаесть несколькоисточниковсигналов (датчиков),которые могутработать автономно(передвижныетелестанции)и даже с разнымипараметрамиразложения(международныйобмен программами),приходитсядостигатьсинхронностиза счет записисигналов (сообщений)синхронно ссигналом источникасообщения, асчитывать(иногда тут же)– синхроннос сигналамипередающейстанции.

2. Требованияк сигналамсинхронизации

Навсе развертывающиеустройствателевизионнойсистемы подаютсяспециальныесинхронизирующиесигналы (импульсы),определяющиеначало обратногохода и кадра(поля).

Для синхронизацииприемных устройствв общем каналес сигналомизображения(яркости) передаетсясигнал синхронизации.Кроме этого,в сигнал изображениявводятся гасящиеимпульсы, запирающиеэлектронныелучи передающихи приемныхтрубок надлительностьобратного ходастрок и кадров.Для передающихтрубок этонеобходимо,чтобы не искажатьпотенциальныйрельеф во времяобратных ходов,а на приемных– чтобы не былодополнительнойзасветки экрана,снижающей общийконтраст изображения.

Длительностьобратного ходастрочной икадровой развертоксущественноразличны, поэтомугасящие импульсыстрок намногокороче во времени,чем кадровые.Длительностьгасящих импульсовприемникадолжна бытьбольше, чем упередатчика– чтобы избежать,например, сдвиговза счет разнойдлины кабелейот разных передающихкамер.

Сигналсинхронизацииприемниковсоздается нателевизионномцентре (ТЦ) ипередаетсяна приемникиво время передачигасящих импульсов,побуждая генераторыначинать обратныеходы разверток.Вершины гасящихимпульсовслужат «пьедесталами»,на которыхрасполагаютсяимпульсысинхронизации.Уровень сигналагашения равенили больше«уровня черного»,поэтому синхроимпульсыидут на уровне«чернее черного».Это позволяетподавать накинескоп полныйканальный(телевизионный)сигнал безподавлениякаких-либо егосоставляющих,в том числесинхроимпульсов.

С другойстороны, импульсысинхронизациидолжны четкоотделятся отсигнала изображения,а также другот друга.

Благодарярасположениюсинхроимпульсовна гасящихимпульсах,появляетсявозможностьих выделенияс помощью простогоамплитудногопороговогоустройства(дискриминатора).

Для разделениястрочных икадровых импульсовможно было бытоже использоватьразницу в ихамплитудах,однако дляотчетливогоразделенияпотребовалосьбы существенноувеличитьмощность передатчика.Поэтому дляразделениястрочных икадровыхсинхроимпульсовиспользуетсявременноеразличие –длительностькадровых импульсовмного большестрочных.

Различнаядлительностьсинхроимпульсовпозволяетдостаточнопросто их разделитьс помощью простейшихдифференцирующихи интегрирующихцепочек (рис.7.1).

Этот способне только прост,но и достаточнопомехоустойчив,все короткиеимпульсы практическине влияют накадровыйсинхроимпульс.

Недостатоктакого способаразделениястрочных икадровыхсинхроимпульсов– очень пологийфронт сигналапосле интегрирования,поэтому возможнанечеткая временнаяпривязка выходногоимпульса –из-за шумов,помех, дрейфапорога дискриминациии т.п.

Превышениесинхроимпульсомимпульса гашения(синхроимпульсы«чернее черного»)может бытьреализованодвояким образом– когда амплитудаимпульсасинхронизациипревышаеттелевизионныйсигнал и когдасинхроимпульспредставляетсобой минимальноезначение сигнала(рис. 7.2). В первомслучае телевизионныйсигнал называетсянегативнымили отрицательнойполярности,потому чтосигнал яркостиуменьшаетсяпри увеличенииосвещенностии уровень белогосоответствуетминимальномусигналу. Позитивныйсигнал (рис.7.2,б), или сигналположительнойполярности,имеет наибольшеезначение принаибольшейосвещенности.На первый взгляд,между ними нетпринципиальнойразницы, однаков действительностипрактическивсе телевизионныесистемы используютнегативнуюполярностьсигнала. Этообъясняетсятремя серьезнымипреимуществами:

1. Импульссинхронизации– наибольший,поэтому вероятностьсбоя синхронизациииз-за шумов инаводок будетнаименьшей,в то время какдля позитивногосигнала вероятностьсбоя будетнаибольшей.

2. Экстремальныезначения мощностипередатчикапри негативномсигнале будуттолько во времяпередачисинхроимпульсов,что резко уменьшаетнеобходимуюсреднюю мощностьпо сравнениюс позитивнымсигналом.

3. Статистикапередаваемыхсюжетов свидетельствуето преобладаниисветлых деталейи изображенийв целом, чтотакже заставляетотдать предпочтениенегативномусигналу.

3. Формасигналовсинхронизации

При построчном(не чересстрочном)разложениимежду двумякадровымиимпульсами (переднимифронтами) помещаютсяzстрочных импульсов.Длительностьстрочных импульсовt_ccво много разменьше длительностикадровых импульсовt_ck.После дифференцирующейцепи положительныеимпульсы идутна синхронизациюгенераторастрочной развертки,а отрицательныене используются.

Длительностьt_ckмного большедлительностистроки, поэтомуво время егопередачи нетстрочныхсинхроимпульсов.В результатегенераторстрочной развертки(ГСР) будет идтисамоходом (вавтоколебательномрежиме), поэтомупервые несколькострок полямогут быть«сбиты». Длясохраненияпринудительнойсинхронизациистрок во времякадровогосинхроимпульсав кадровыйсинхроимпульсвводят «врезки»,идущие со строчнойчастотой.Длительностьврезок равнадлительностистрочныхсинхроимпульсов,но онисдвинуты повремени надлительностьстрочногосинхроимпульса,так что их задниефронты (положительные)соответствуютпередним фронтамстрочных СИ(рис.7.3).

В этом случаепосле дифференцирующейцепочки появляютсяположительныеимпульсы и вовремя кадровогоимпульса, т.е.принудительныйзапуск ГСРобеспечен.

После интегрирующейцепочки врезкидадут зубцы,однако онибудут одинаковымиу всех импульсовкадров, поэтомуих влияниебудет незаметным.

Несколькотруднее выполнитьусловие четкойсинхронизациипри чересстрочномразложении.Здесь количествострок z– нечетно вкадре и междудвумя последовательнымисинхроимпульсамиполей размещается(n+ 0,5) периодовстрочной частотыН. Для синхроимпульсовчетных и нечетныхполей картинабудет различной(рис. 7.4).

Из-за болеераннего началакадровогосинхроимпульсанечетного поля (первый полукадрзаканчиваетсяна половинестроки) послеинтегрирующейцепи напряженияI иII кадровогоСИ будутразными повеличине, ипосле дискриминаторапоявляетсяи разница во времени.

Если такиеимпульсы податьна синхронизациюгенератораразверткиполей, то появляетсясдвиг, которыйможет достигатьполовины длительностистроки, т.е.чересстрочнаяразверткаразрушается,строки полейсливаются(«спариваниестрок»), чторезко ухудшаеткачество изображения– уменьшитсяколичествоэлементов повертикали (в2 раза уменьшаетсяколичествострок) и погоризонтали– складываютсядва элементаиз разных строк.Для того чтобыликвидироватьразличие междучетными и нечетнымиимпульсамипосле интегрирующейцепочки, надоликвидироватьпервопричинув различииинтегрированныхкадровых импульсов– разные временныеинтервалы междустрочными икадровымиимпульсами.Поэтому вводятна время кадровогосинхроимпульсаврезки удвоеннойстрочной частоты.На такое нововведениегенераторстрочной частотыне реагирует,потому чтопервый импульс,врезанный междустрочнымиимпульсами,приходит слишкомрано и если егоамплитуда нечрезмерна, тогенераторстрочной разверткина него простоне отзоветсяи генераторработает какбы в режимеделения частотыс коэффициентовделения 2.

Хотя в этомслучае ₂тоже есть, ноон меньше, чемраньше (рис.7.5): ₂₁.

Однакои это неприятно.Чтобы еще большесблизитьрезультирующеенапряжениес интегрирующейцепочки, передсинхроимпульсомполя и сразуза ним вместообычных синхроимпульсовстрок в каналподаются этиже импульсы,но удвоеннойчастоты. Этиимпульсы называютсяуравнивающими,они по-прежнемупросчитываются(не замечаются)генераторомстрочной развертки.Чем больше ихколичество,тем более идентичнысинхроимпульсычетных и нечетныхполей. Уравнивающиеимпульсы в 2раза корочестрочных.

Такимобразом, дляполученияустойчивойчересстрочнойразверткиприходитсядовольно сильноусложнятьсинхроимпульсполя (рис. 7.6).

4. Генераторсинхроимпульсов

Как былопоказано, дляреализациичересстрочнойразвертки нужныимпульсы разныхчастот, разныхдлительностейи различныхсдвигов междуними, чтобысформироватьудовлетворительныйсигнал синхронизации.В основе синхрогенераторателевизионногопередатчикалежит кварцевыйгенераторчастотой 2МГцс относительнойнестабильностью10^-6 (поГОСТ 7845-75 погрешностьчастоты строк0,016 Гц). Функциональнаясхема синхрогенераторадана на рисунке7.7. После первогоделителя частоты(:64) получаетсячастота строк.

Счетчики(:25) построенына двоичномпринципе собратной связью.После этогоидут формирователи,которые образуютнужную длительностьи форму сигналов.После смещениясигналов инеобходимыхсдвигов вовремени получаютвсе необходимыесоставляющиедля формированияполного ТВсинхросигнала.

5. Полныйтелевизионныйсигнал

Полныйтелевизионныйсигнал содержитсигнал изображения(яркости), гасящиеи синхронизирующиеимпульсы, соотношениямежду которымипо амплитудеи длительностиопределеныГОСТ 7845-79.

Стандартомустановлено,что импульсысинхронизациирасположенына вершинахгасящих импульсови их амплитудысоставляют43% от перепадамежду уровнемчерного и уровнембелого. Помещаютсясинхроимпульсыближе к левомукраю гасящихимпульсов. Дляразверткилучше, еслисинхроимпульсбудет возможнолевее, т.к. именнос приходомсинхроимпульсаначинаетсяобратный ходразвертки, т.е.тем самым добавляетсявремя на обратныйход. Однаконачинать одновременноимпульс гашенияи СИ нельзя,чтобы на началоимпульсасинхронизациине накладывалсясигнал яркости,который можетбыть близкимк уровню черногона момент окончанияпрямого ходастроки. Надо,чтобы закончилисьпереходныепроцессы отсигнала (т.е.установилсягасящий импульс),а потом уженачинался СИ,т.е. должен бытьчетко выраженныйуступ в видеимпульса гашения,а затем начинатьсяСИ. Полосапропусканияканала синхронизациив телевизионныхприемникахсоставляет(1 2) МГц, что соответствуетдлительностипереходныхпроцессов 0,5 мкс. Следовательно,уступ передстрочным СИдолжен бытьне меньше 0,5 мкс.ГОСТом этавеличина установленав 1,5 мкс.

На уступегасящего импульсакадра передСИ поля должнобыть 5 уравнивающихимпульсов, чтои определяетдлительностьэтого уступа– не менее 160 мкс.

Эти требованияк каналу синхронизацииустоялись идействуют какв России, таки в других странах.Довольно сложнаяформа СИ поляоправдана, т.к.позволяетполучить хорошую(устойчивую)чересстрочнуюразвертку прииспользованиипростой интегрирующейцепочки.

Строкикадра нумеруютсяот 1 до 625, начинаяот переднегофронта кадровогосинхроимпульса(КСИ) в первомполе.

Первоеполе – то, у которогопередние фронтыКСИ и ССИ совпадают.Таким образом,первое (I)поле включаетстроки с 1 по312+1/2 строки №313, авторая половинастроки №313 и всепоследующиестроки по 625-ювключительнообразуют IIполе. Длительностьпрямого и обратногохода строки64 мкс, поля – 20 мс,длительностьстрочного СИd =4,7 мкс, уравнивающегор = 2,35 мкс, строчногогасящего а = 12мкс, гасящийимпульс кадраj =25Н + а = 25 64 + 12 = 1612 мкс. Первыйуступ l= 2,5Н = 160 мкс, затемследует синхроимпульсполя m= 2,5Н, потом втораяпоследовательностьуравнивающихимпульсов n= 2,5Н. В несколькихстроках (строчныхинтервалах)КСИ передаютсясигналы цветовойсинхронизации,которые будутрассмотреныпозже.

7. СИСТЕМАЧЕРНО-БЕЛОГО(ЧБ) ТЕЛЕВИЗИОННОГОВЕЩАНИЯ

1. Звеньятракта передачи

Трактвещательноготелевидения(ГОСТ 18471-83) состоитиз тракта передачиизображенияи тракта звуковогосопровождения.Первый трактвключает техническиесредства отобъекта передающейкамеры до экранакинескопа,тракт звука– от микрофонадо громкоговорителятелевизионногоприемника.

Рассмотримтракт передачиизображения.Сюда входят(рис. 8.1):

• канализображенияаппаратно-студийногокомплекса АСК

• канализображениясети распределениятелевизионныхпрограмм СРТП

• канализображениярадиотелевизионнойпередающейстанции РТПС

• ретрансляционнаястанция (еслиесть) РТС

• канализображениятелевизионногоприемника ТПр

• антеннаприемника А.

Канал АСКпреобразуетизображениев ТВ сигналы,обрабатываетих и передаетна вход последующегозвена тракта.Начало – объективпередающейкамеры, конец– выходноегнездо оконечногоустройства,работающегона линию связи.

КаналСРТП осуществляетпоследовательноесоединениеканалов изображениямеждугородныхтелевизионныхаппаратных(МТА) и каналовизображениятелевизионныхсоединительныхлиний (ТВСЛ)для передачиполного ТВсигнала из АСКгорода, гдеформируетсяпрограмма, дорадиотелевизионнойпередающейстанции илиАСК другогогорода, где этапрограммаиспользуется.

Канал РТПСпредназначендля преобразованияполного ТВсигнала в радиосигнализображенияи его излученияв эфир.

Ретрансляционнаястанция РТСпринимаетсигнал вещательноготелевидения,его преобразованияи повторноеизлучение вдругом радиоканале.

Телевизионнаяприемная система(А) – совокупностьтехническихсредств изпассивных иактивных(усилительныхи преобразовательных)элементов,предназначенныхдля преобразованияэлектромагнитногоизлучения врадиосигналывещательноготелевидения,передачи ираспределенияих на входытелевизионныхприемников.

Канализображениятелевизионногоприемника ТПрпредназначендля преобразованиярадиосигналав телевизионноеизображение(от гнезда антенныдо экрана кинескопа).

Требования,нормы, показателикачества звеньевтракта изложеныв соответствующихстандартах.Аппаратно-студийныйкомплекс представляетсобой совокупностьтелевизионныхстудий и телевизионныхаппаратныхтелевизионногоцентра (ГОСТ19871-74). Наиболеесложным звеномявляетсяаппаратно-студийныйкомплекс, который,в свою очередь,содержитаппаратно-студийныйблок АСБ, центральнуюаппаратную(АЦ) и аппаратно-программныйблок (АПБ).

АСБ (рис.8.2) – это автономнаяпроизводственнаяединица дляподготовки,консервациии трансляциипередач, ааппаратно-программныеблоки – дляформированияпрограмм изотдельныхфрагментов.АСБ и АПБ оснащенывсеми видамидатчиков ТВсигнала (передающиекамеры, видеомагнитофоны,телекинодатчики,телеэпипроекторыи т.п.) и имеютнесколькокамерных каналов.

АЦ (рис. 8.3)– центральнаяаппаратная– осуществляеткоммутациювсех входныхи выходныхлиний. Одновременнос ТВ сигналомкоммутируютсясигналы звуковогосопровождения,сигнализациии связи.

На рис 8.4показанафункциональнаясхема формированияполного телевизионногосигнала ЧБизображения.Она содержиткамерный каналтракта изображенияс элементамикоммутации.Сигнал беретсяот передающейТВ камеры.

В передающейТВ камере размещенвидеоискатель– малогабаритноевидеоконтрольноеустройство(ВКУ), необходимоеоператору приработе.

Сигналс передающейтрубки усиливаетсяс помощьюпредварительногоусилителя,расположенноговблизи трубки,затем в промежуточноми линейномусилителях,где осуществляетсятакже дополнительнаяобработкасигнала (апертурнаяи гамма-коррекция,восстановлениесредней (постоянной)составляющей,а также формируетсяполный ТВ сигнал.Сигнал на выходепромежуточногоусилителя имеетположительнуюполярность– потенциалбелого вышепотенциалачерного. Формаи уровень сигналаконтролируютсяосциллографом,а изображение– с помощьюВКУ.

С выходапромежуточногоусилителясигнал поступаетна микшерно-коммутирующееустройство,на котороепоступаютсигналы и отдругих камер(датчиков). Здесьпроисходитвыбор передающейкамеры, регулировкауровня и принеобходимости– смешение(вытеснение)одного изображениядругим.

Основноеназначениелинейногоусилителя –ограничениеразмаха сигналаи замешиваниев сигнал изображения(сигнал яркости)импульсовсинхронизации.Импульсысинхронизациисоздаютсягенераторомсинхронизацииодновременнос гасящимиимпульсами.На выходе линейногоусилителяполучаетсяполный ТВ сигнал,который затемпоступает вцентральнуюаппаратнуюи далее – нарадиопередающееустройство.

Формированиепрограммызвуковогосопровожденияпроизводитсясвоим каналом.Источникисигналов –высококачественныемикрофоны имагнитофоны.Каждый микрофонимеет свойусилитель, свыходов которыхсигналы подаютсяна микшерно-коммутирующееустройство.

С помощьюмикшерно-коммутирующегоустройствазвукорежиссеросуществляетвыбор источниказвука, регулировкуи контрольуровня сигнала,наложение исмешение звуковыхсигналов. Здесьже могут добавлятьсяспециальныезвуковые эффекты(например,искусственнаяреверберацияи т.п.).

В линейномусилителепроисходиткомпрессирование(сжатие) динамическогодиапазона,контроль иустановлениевеличины выходногосигнала.

Канал звуковоговоспроизведенияимеет параметрывысшего классакачества:

Диапазончастот 30-15000 Гц.

НеравномерностьАЧХ не более1 дБ (5 дБ на краях).

Коэффициентгармоник 1,52%.

Защищенностьот интегральнойпомехи 55 дБ.

2. Радиосигналвещательноготелевидения

Радиосигналвещательноготелевидениясостоит израдиосигналовизображенияи звуковогосопровождения.

Радиосигнализображения– сигнал несущейизображения,модулированныйполным телевизионнымсигналом (ГОСТ7845-79). Используетсяамплитуднаямодуляция –уровень синхронизирующихсигналовсоответствуетмаксимумурадиосигнала,а уровень белого– минимуму.

Принятаянегативнаяполярностьсигнала (поогибающей)позволяетполучитьупоминавшиеся(гл. 7) преимуществапо сравнениюс позитивнойполярностью.Добавим, чтопри негативнойполярностипомехи импульсногохарактеравоспроизводятсяв виде очаговзатемнения,которые в общемменее заметнына изображении,чем белые – чтобыло бы припозитивнойполярности,т.е. используетсяодна из особенностейпсихофизическойреакции человека.

Уровень,соответствующийбелому в сигнале,должен составлять15%2%,а минимальныйуровень (остатокнемодулированнойподнесущей)72%.Этот остаточныйсигнал несущейизображениясовместно снапряжениемнесущей частотарадиосигналазвуковогосопровожденияиспользуетсяв телевизионныхприемникахдля полученияколебанийвторой промежуточнойчастоты звуковогоканала. Еслив радиосигналеуровень белогобудет снижендо 0, то будетнарушено прохождениесигналов звука.

Полоса частоттелевизионногорадиопередатчикапредставленана рис. 8.6.

Для суженияполосы частотрадиоканалаиспользованочастичноеподавлениенижней боковойполосы сигналаизображения.

Звуковоесопровождениепередаетсяна основе частотноймодуляции.Максимальнаядевиация частоты50кГц. Разноснесущих частотизображенияf_миз и звукаf_мзв составляет:

f_миз - f_мзв = (6,500 0,001) МГц, т.е. f_мзвf_миз

Ещераз отметим,что частота6,5 МГц являетсявторой промежуточнойчастотой каналазвука.

Полосачастот каналаизображениямного большеполосы частотканала звука,поэтому отношениеноминальныхмощностейпередатчиковсигналов изображенияи звука составляет(10 : 1).

Полная номинальнаяширина полосычастот радиоканалателевизионноговещания составляет8 МГц, поэтомудля телевиденияиспользуютсяметровый идециметровыйдиапазон радиоволн.В соответствиис ГОСТ 7845-79 в нашейстране предусмотрено5 частотныхдиапазоновс общим количествомрадиоканалов60.

Частотныйдиапазон	Номер радиоканала	Количествоканалов	Границыдиапазона,МГц
метровый I (6м-4,5м)	1,2	(2)	48,5-66,0
диапазон II (3,9-3м)	3,4,5	(3)	76,0-100,0
III(1,72-1,3м)	6-12	(7)	175,0-230,0
децимет- IV (6,38дм-5,15)	21-34	(14)	470,0-582,0
ровый V (5,15дм-3,80)	35-60	(26)	582,0-790,0

В настоящеевремя освоенметровый диапазони осваиваетсядециметровый.Выбор нижнейграницы Iканала определяетсятем, что длявыделенияполного ТВсигнала израдиосигналанадо, чтобынесущая в несколькораз превышалачастотныйдиапазон сигнала(6 МГц). Кроме того,диапазон до40МГц занят длярадиовещанияи радиосвязи.

Верхняяграница Vдиапазонаограниченатеми длинамиволн, на распространение(поглощение)которых сильносказываетсясостояниеатмосферы.Поэтому дальнейшееувеличениечастоты (1-10 ГГц,т.е. (30-3) см, используютсятолько дляработы в радиорелейныхи космическихсистемах связи,а также длясвязи с передвижнымителевизионнымистанциями.

В соответствиис ГОСТ 7849-79 допускаетсяиспользоватьгоризонтальнуюили вертикальнуюполяризациюволн излучениятелевизионногопередатчика.Преимуществоотдаетсягоризонтальнойполяризации,т.к. в этом случаеменьше сказываютсяпомехи промышленногои транспортногопроисхождения.Кроме того, этооблегчаетконструированиенаправленныхантенн. Однаковертикальнаяполяризацияпозволяетуменьшатьвзаимные помехинесколькихрадиопередатчиков.

3. Телевизионныйприемникчерно-белогоизображения

Телевизионныйприемник(«телевизор»)предназначендля воспроизведенияизображенияи звука телевизионнойпрограммы, атакже выборасамих программ(телевизионныхканалов).

ОсобенностьюТВ приемникаявляетсяодновременныйприем сигналовизображенияи звука, причемсигнал изображенияимеет широкуюполосу частот(6 МГц). Часть блоковприемникавходят в обаканала.

СовременныеТВ приемникивыполняютсяпо супергетеродиннойсхеме, причемканал звуковогосопровождения– по схеме двойногопреобразованиянесущей частоты.ХарактернаяособенностьТВ приемника– широкая полосапропускания.

Обычно телевизионныйприемник делятна радиоканал,канал изображения,звука и каналразвертки (рис.8.7).

Входнымустройствомприемникаявляется селекторканалов, обеспечивающийусилениерадиосигналовв усилителевысокой частоты(УВЧ) и преобразованиеих по спектрус помощью гетеродинаи смесителя.На выходе смесителяесть комбинационныечастоты, в томчисле те частоты,которые являютсяпромежуточнымидля каналаизображенияf_призи звука f^/_прзв:

f_приз= f_г– f_низ= 38,0 МГц

f^/_прзв= f_г– f_нзв= 31,5 МГц,

гдеf_г –(перестраиваемая)частота гетеродина.

Промежуточныечастоты выбраныниже самогонизкочастотногоТВ канала.

Выбор канала(программы)производитсяодновременнымпереключениемконтуров в УВЧи гетеродинеселектораканалов СК, такчто значенияпромежуточныхчастот не меняется.

Основноеусиление сигналов(в 10³ раз)производитсяв усилителепромежуточнойчастоты каналаизображения(УПЧИ).

Посколькупри использованиитолько однойбоковой полосычастот возникаюттак называемыеквадратурныеискажения, тонижняя боковаяподавляетсяне полностью– полоса частотне меняетсядо - 0,75 МГц, а затемлинейно спадаетдо – 1,25 МГц. Поэтомудля получениярезультирующейАЧХ всего трактаизображения,которая отвечаетпостояннойреакцией налюбой сигналв диапазоне(0 6) МГц (криваяверности), АЧХсобственнорадиоканалаизображениядолжна бытьнесколькоискажена (пунктирна рис. 8.8).

Уровеньнесущей частотыдолжен ослаблятьсяв 2 раза (6 дБ),составляющая - 0,75МГц нижнейбоковой должнаослаблятьсяна 20 дБ по сравнениюс частотой 1,5МГц из верхнейбоковой, уровенькоторой принятза опорный.

В этом случаепосле детектированиярадиосигналаизображениясуммарноенапряжение,образующеесяна нагрузкедетектора отодинаковыхчастотныхсоставляющихнижней и верхнейбоковой полос,на любой частотеспектра от 0 6 МГц всегдабудет равнаI(в относительныхединицах), т.е.суммарная АЧХканала изображенияи сигнала будетсоответствоватькривой верности.

Через УПЧИпроходит такжесигнал звука(f^/_прзв).Для того чтобыэтот ЧМ звуковойсигнал не попадална левый склонАЧХ каналаизображения(это вызываетпомехи в видетемных горизонтальныхполос, меняющихсяв такт со звуком),номинальночастотнаяхарактеристикаУПЧИ делаетсясо «звуковымуступом» шириной200-300 кГц (рис. 8.10).

С выходаУПЧИ сигналыпопадают наширокополосныйамплитудныйдетектор, спомощью котороговыделяетсяогибающаяполного ТВсигнала. Размахэтого сигналамал, поэтомуперед подачейв цепь катодакинескопа онусиливаетсяв 30-50 раз (видеоусилитель).

Одновременнос детектированиемвидеосигналав блоке амплитудногодетектора, всилу его нелинейности,получается,в том числе(среди другихкомбинационныхчастот), сигналс разностнойчастотой:

6,5МГц,

котораяявляется второйпромежуточнойчастотой сигналазвуковогосопровождения.Сигналы этойчастоты выделяютсячастотно-избирательнойсистемой в видеусилителяпромежуточнойчастоты звуковогосопровождения(УПЧЗ). Стабильностьчастоты f^//_прзвобеспечиваетсяна передающемтелевизионномцентре, поэтомуимеет оченьвысокий уровень.

Послеусиления в УПЧЗчастотно-модулированныйсигнал промежуточнойчастоты звуковогосопровожденияимеет паразитнуюамплитуднуюмодуляциюсигналамиизображения,поэтому дальшестоит амплитудныйограничитель.Частотныйдетектор выполненпо схеме частотногодискриминатора(детектор отношений).После него идетусилительнизкой частоты(УНЧ).

Каналразвертокначинаетсяс амплитудногоселектора,отделяющегосинхроимпульсы.Для разделенияимпульсов строки полей используютсядифференцирующаяи интегрирующаяцепочки.

Генераторстрочной разверткиболее подверженвоздействиюпомех, поэтомув этих генераторахнередко используютсяавтоматическаяподстройкачастоты и фазыавтономногогенераторасинхронизации(схемы инерционнойсинхронизации).

Иногда делаютдля каналазвука отдельныйамплитудныйдетектор –чтобы сигналзвука не шелпо каналу изображения– его пораньшевыделяют, аостатки уничтожаютрежекторнымфильтром.

ГОСТ 18198-79 определяетследующиепараметры ТВприемниковчерно-белогоизображения:

	Частотныедиапазоны
	I, II, III	IV, V
Чувствительностьканала изображенияне хуже	100 мкВ	140 мкВ
Избирательностьпо зеркальномуканалу	45 дБ	50 дБ
Максимальныйвходной сигнал	87 мВ	87 мВ
Разрешающаяспособностьпо горизонталии вертикали	500 лин	500 лин
Максимальнаяяркость свечения	150кд/м2	150кд/м2
Контрастне менее 150:1 (вкрупных деталях)
Чувствительностьзвуковогоканала	55 мкВ	110 мкВ
Диапазончастот звуковогоканала 10010000Гц

СОДЕРЖАНИЕ

1.	ПРИНЦИПЫТЕЛЕВИДЕНИЯ	3
	1.1.Поэлементныйанализ и синтезоптическихизображений	3
	1.2.Пространственныечастоты поляизображения	5
	1.3.Преобразованиеизображенияв электрическийсигнал	6
	1.4.Обобщеннаяструктурнаясхема телевизионнойсистемы	8
2.	ОПТИЧЕСКОЕИЗОБРАЖЕНИЕИ ЕГО ВОСПРИЯТИЕ	11
	2.1.Глаз человека	11
	2.2.Элементысветотехники	11
	2.3.Светотехническиеединицы	13
	2.4.Энергетическиехарактеристикизрения	17
	2.5.Временныехарактеристикизрения	19
	2.6.Пространственныехарактеристикизрения	20
3.	ТЕЛЕВИЗИОННОЕИЗОБРАЖЕНИЕИ ЕГО ПАРАМЕТРЫ	26
	3.1.Согласованиепараметровтелевизионногоизображенияс характеристикамизрительнойсистемы человека	26
	3.2.Масштабные/координатные/параметрыТВИ	27
	3.3.ВременныепараметрыТВИ	29
	3.4.Параметры,определяющиевосприятиеяркости	29
4.	ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИОПТИЧЕСКОГОИЗОБРАЖЕНИЯВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙСИГНАЛ	32
	4.1.Датчики ТВсигнала и иххарактеристики	32
	4.2.Фотоэлектронныеэффекты	32
	4.3.Формированиеи переносэлектронногоизображения	34
	4.4.Диссектор	35
	4.5.Суперортикон	36
	4.6.Видикон	39
	4.7.Многосигнальныевидиконы	40
	4.8.Приборы сзарядной связью	42
5.	ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИЭЛЕКТРИЧЕСКИХСИГНАЛОВ ВОПТИЧЕСКОЕИЗОБРАЖЕНИЕ	49
	5.1.Принципывоспроизведенияизображений	49
	5.2.Развертывающиеустройствакинескопов	49
	5.3.Эквивалентнаясхема отклоняющейсистемы	53
	5.4.Кинескопычерно-белогоизображения	53
	5.5.Трехлучевой цветной кинескоп	56
6.	ХАРАКТЕРИСТИКИТЕЛЕВИЗИОННОГОСИГНАЛА	64
	6.1.Пространственныечастоты изображения	64
	6.2.Пространственнаяфильтрацияизображения	65
	6.3.Частотныйспектр сигналаизображения	68
	6.4.Полоса частоттелевизионногосигнала	70
	6.5.Чересстрочнаяразвертка	71
7.	СИНХРОНИЗАЦИЯПРОЦЕССАРАЗВЕРТКИ	75
	7.1.Методы синхронизации	75
	7.2.Требованияк сигналамсинхронизации	75
	7.3.Форма сигналовсинхронизации	77
	7.4.Генераторсинхроимпульсов	78
	7.5.Полный телевизионныйсигнал	78
8.	СИСТЕМАЧЕРНО-БЕЛОГО/ЧБ/ ТЕЛЕВИЗИОННОГОВЕЩАНИЯ	81
	8.1.Звенья трактапередачи	81
	8.2.Радиосигналвещательноготелевидения	82
	8.3.Телевизионныйприемникчерно-белогоизображения	83