Оптические преобразователи

     Разрешающая способность глаза определяется строением сетчатки, которая представляет собой мозаику из светочувствительных нервных окончаний. В соответствии с теорией действительного зрения существует два вида нервных окончаний – фоторецепторов. Колбочки – рецепторы аппарата дневного зрения, характеризуемого малой световой чувствительностью, но зато большой разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки – рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью различать цвета, имеющего малую разрешительную способность, но зато большую световую чувствительность.

     Центральная часть сетчатки содержит только колбочки, а периферия – колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удаления от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со зрительным центром головного мозга.

     Световое  разрешение сетчатки вызывает появление  импульсов с различными частотами  повторения, которые по сложным цепям  проводящей системы поступают к головному мозгу. Но прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, но подвергаются сложной обработке – кодированию.

     Механизм  анализа поступающий извне зрительной информации, ее обработки, кодирования  и расшифровки еще далеко не изучен.

     Зрительный  канал представляет собой сложную  систему преобразований и передачу информации, которая может быть рассмотрена с позиций общей теории связи. Изучение системы с этих позиций, во-первых, позволяет установить закономерность и взаимосвязь большого накопленного экспериментального материала о различных сторонах и свойствах зрительного восприятия, что, в свою очередь, будет способствовать дальнейшему изучению функциональной деятельности сложной системы зрения. Во-вторых, изучение зрительной системы как канала связи облегчит построение ее технических аналогов.

     Весьма  приближенно структурная схема  зрительной системы может быть проиллюстрирована рис. 2. 

     Функции оптической системы и анализатора  изображения выполняет глаз.

     Сетчатая  оболочка глаза трансформирует оптическую информацию сформированного на ней изображения в информацию в форме биотоков и осуществляет ее анализ и кодирование. В сложной нервной системе, соединяющей сетчатку глаза с корой головного мозга, обеспечивается ее дальнейшая обработка: выбор полезной информации, оптимальное кодирование и передача к клеткам головного мозга. Здесь путем сравнения с накопленными ранее сведениями производится декодирование, т.е. расшифровка полученных сигналов или, иными словами, распознавание образа. Сведения о новых образах поступают также в систему памяти, т.е. накопительную систему. Сделаны попытки определить отдельные характеристики зрительной системы исходя из общей теории связи, о чем речь пойдет ниже. Здесь же остановимся на вопросе пропускной способности зрения.

     Формально можно оценить пропускную способность  из следующих соображений. Считая, что  полезная зрительная информация, поступающие в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения, и знаю разрешающая способность глаза и время, необходимое для расшифровки наиболее сложного образа, можно подсчитать максимальный поток информации за единицу времени.

     Приняв  поле ясного зрения за прямоугольник  с размерами ав=12 по вертикали и аг=16 по горизонтали положив разрешение глаза d=1 ,получим число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения N=(aг/d) (aв/d)=(16 60/1) (12 60/1)=700000. Приняв число возможных состояний каждого элемента равным m, определим максимальное количество информации в одном изображении, дв. ед./изобр.: Imax=N log2m. Если время распознавания одного образа равным Тр, то пропускная способность зрительной системы, дв. ед./с: Сзр=Imax/Тр=(N/ Тр)log2m.

     Приведенный расчет значения Сзр не дают возможности однозначно определить пропускную способность зрительной системы и носит скорее формальный характер. В самом деле, определенное здесь Imax характеризует некое гипотетическое изображение, в котором равновероятны любые значения m для каждого элемента, тогда как реальным изображениями всегда присуще большие или меньшие поля равного состояния (по цвету и по яркости). С другой стороны, очевидно, чем сложнее изображение (чем больше I), тем больше время Тр, необходимое для его распознавания, и последнее само является функцией I. В силу сказанного пропускания способность зрительной системы может быть определена лишь экспериментально. Рядом исследователей пропускания способность зрения определялась путем предъявления наблюдателю конечного количества заранее известных образов; время предъявления ограничивалось. Исходя из количества правильно опознанных образов, определялась пропускная способность зрения, которая может быть оценена всего лишь 50…70 дв. ед./с. Это различие в величии не пропускаемой и поступающей в глаз информации еще раз подтверждает осуществление весьма тщательного отбора информации в зрительной системе, а также колоссальную роль психологической деятельности и накопленного опыта в процессе распознавания образов. Для сравнения приведем некоторые значения пропускной способности информационных систем человека (по Купфмюллеру). Скорость при чтении с учетом статистики языка примерно 30…40 дв. ед./с, при сложении двух однозначных чисел 12дв.ед./с, а при вычитании одного числа из другого – всего 3 дв.ед./с.

     В рассмотренной схеме (рис.2) глаз является приемником внешнего раздражения, приемником информации извне. Создавая ту или иную систему воспроизведения изображений, необходимо обеспечить на ее выходе максимально приближение изображения к непосредственному восприятию образа глаза. 

      3. Кинескопы черно – белого телевидения 

     Кинескоп  – приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным экраном, преобразующая мгновенные значения ТВ сигнала в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинескопе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения.

     По  назначению различают кинескопы  прямого наблюдения, в которых  изображение создается непосредственно  на экране, и проекционные. Последние  используются для проекции изображения  на большой экран и системах бегущего светового луча. Наиболее широко распространены кинескопы прямого наблюдения. Они применяются индивидуальных ТВ приемниках, видеоконтрольных устройствах ВКУ, используемых на ТВ центрах, и в промышленных телевизионных устройствах ПТУ, видоискателях передающих телевизионных камер и др.

     Устройство  кинескопа схематически изображено на рис.3. Основными частями являются: стеклянная колба 8, электронно-оптическая система 2, формирующая электронный  луч и люминофорный экран. На горловине  кинескопа помещается отклоняющая система 3, с помощью которой формируется магнитное поле, обеспечивающее перемещение электронного луча в процессе развертки изображения.

     Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тонкой пленкой алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы помещен электронный прожектор 2. Второй анод прожектора соединен с проводящим покрытием 4, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а остальных электродов – через цоколь 1. 

     Рис.3 Кинескоп черно-белого телевидения. 

     4. Электронный прожектор 

     Электронным прожектором называется конструктивный узел Электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электродов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью электронов луча. Электронный прожектор должен сформировать электронный луч с током в несколько сот микроампер и диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также обеспечить возможность модуляции тока луча сигналом изображения. Причем для получения изображения с требуемой контрастностью при приемлемых уровнях модулирующего сигнала прожектор должен обладать достаточно крутой модуляционной характеристикой. Электронный луч может быть сфокусирован с помощью электромагнитных или электростатических полей. Преобладающая часть современных кинескопов имеет электронный прожектор с электростатической фокусировкой, которая не требует увеличения габаритов отклоняющих систем за счет размещения в их корпусе фокусирующий катушки, дополнительного увеличения мощности источников питания, менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки. 

     Рис. 4 

     Конструктивно электронный прожектор представляет собой систему цилиндрических электродов (Рис. 4) и состоит из подогревателя 1, термокатода 2, модулятора 3, ускоряющего электрода 4, фокусирующего электрода 5, второго анода 6. Построенный по такой схеме прожектор называется пентодным. Применение пентодного прожектора в кинескопе позволяют ослабить влияние изменения потенциала ускоряющего электрода на качество фокусировки электронного луча.

     Большинство прожекторов современных кинескопов строят по двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электронного луча осуществляется в двух зонах: в  поле иммерсионного объектива и  в поле главной фокусирующей линзы.

     Иммерсионный  объектив образуют: термокатод 1, модулятор 2 и ускоряющий электрод. Благодаря  высокой разности потенциалов между  катодом и ускоряющим электродом (Uу=500…800В) и малым расстоянием L между этими электродами в зоне иммерсионного объектива создается сильная напряженность электрического поля, конфигурация сечения эквивалентных поверхностей которого на рис.5,а обозначена штриховыми линиями. Эмитируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерсионного объектива (рис. 5,а,б) и собираются в плоскость его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером. 

     Рис.5.Фокусировка  электронного луча: а – выход электронов из прожектора; в – двухлинзовая оптическая система.  

     Диаметр кроссовера Кр оказывается значительно меньше диаметра той части катода, с которой электроны попадают в отверстие модулятора. После кроссовера пучок электронов снова расходится и попадает в фокусирующее поле главной фокусирующей линзы, которая переносит изображение кроссовера в плоскость экрана. При этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер кроссовера. Таким образом, использование двухлинзовой оптической системы (рис.5,б) позволяет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эмитирующей поверхности катода.

     Интенсивность свечения экрана кинескопа определяется плотностью луча, регулировку которой  удобно осуществлять, изменяя потенциал  управляющего электрода – модулятора. 

     5. Экран кинескопа 

     Для преобразования сигнала в световое изображение используется явление люминесценции, заключающиеся в способности атомов, молекул и ионов некоторых веществ испускать свет при переходе из состояния с повышенной энергией (возбужденное состояние) в состояние с меньшей энергией. Вещества, обладающие такой способностью, называются люминофорами.

     Возбуждение атомов некоторых веществ может  быть вызвано электрическим полем  или током, при этом возникает  электролюминесценция. Вещества, обладающие свойством электролюминесценции, называется электролюминофорами.

     В телевидении используется катодолюминесценция  – свечение, вызванное ударами  быстролетящих электронов. Бомбардировка  люминофора быстрыми электронами приводит его в возбужденное состояние, при  котором электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних орбит. Возвращаясь с внешних орбит на прежние уровни, электроны излучают кванты света.

     Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, представляют собой кристаллические  вещества различного химического состава. Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цинка, кадмия, магния, кальция, активированные различными металлами. Активацией добиваются повышения эффективности и необходимого спектрального состава излучения. Электрооптические характеристики люминофорных экранов зависят от химического состава вещества люминофора, технологии его нанесения и условий возбуждения.

     Важнейшими  характеристиками экрана является цвет свечения, инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяется типом выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кинескопов используется люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфида цинка и сульфида кадмия: ZnS(AgZn) 47%; cdS: (Ag)53%. Спектральная характеристика излучения данной смеси имеет два максимума (рис. 6). Первый мах находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй мах совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой температуре 9700 К. 

     Рис.6. Спектральная характеристика

     Рис.7. Характеристика люминофора черно-белых кинескопов послесвечения люминофор 

     Одной из важнейших характеристик работы экрана кинескопа является его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора tэ достаточно мала. Основным параметром инерционности люминофора является длительность послесвечения Тпс, в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис.7, сплошная кривая). Длительность послесвечения является существенным параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного назначения.