Методы передачи информации про цвет

Однако, чем ближе вершины треугольника будут лежать к локусу спектральных цветов, тем меньшую яркость будут давать основные цвета из-за малой полосы спектра излучения.

Сказанное иллюстрирует рис. 10.18, где внутри спектрального локуса диаграммы цветности XY изображены два треугольника основных цветов приемника Rп, Gп, Bп Европейского стандарта ЕС (сплошная линия) и Американского стандарта NTSC (штриховая линия), построенных по значениями координат цветности излучений трех люминофоров, приведенных в табл. 10.3 для двух стандартов.

Как видим, треугольник охватывает большую гамму цветов за счет смещения координаты G в сторону увеличения насыщенности зеленого цвета.

Однако светоотдача зеленого люминофора NTSC оказывается в 3...3,5 раза ниже, чем в стандарте ЕС, что затрудняет достижение высокой яркости свечения кинескопа. Поэтому в качестве Европейского стандарта принят треугольник цветов ЕС, являющийся разумным компромиссом между указанными двумя условиями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 10.19 приведены спектральные характеристики излучения трех люминофоров красного К-77, зеленого К-74 и синего К-75 свечения. На графике МКО (см. рис. 10.18) показана область цветов, воспроизводимая в цветной полиграфической печати. Сравнение показывает, что телевизионная система может воспроизвести большую гамму цветов, чем цветная печать. Тем не менее и в телевидении часть реальных цветов, лежащая вне треугольника, будет воспроизведена с пониженной насыщенностью и искаженным цветовым тоном внутри треугольника основных цветов приемника. Это касается главным образом оттенков зеленых и голубых цветов. Однако это обстоятельство не играет большой роли в цветовоспроизведении, так как порог цветоразличимости в данной области цветов для нашего глаза имеет наибольшее значение (см. рис. 10.13), т.е. большему перемещению по цветовому графику соответствует небольшое изменение в ощущении цвета.

Если первичные цвета, на которые телевизионный датчик разлагает воздействующее на него излучение, соответствуют основным цветам приемника Rп, Gп, Bп, то характеристики спектральной чувствительности этого датчика будут представлять собой кривые удельных координат в системе основных цветов Rп, Gп, Bп. Результат количественного расчета их для треугольника основных цветов приемника стандартов NTSC и ЕС (см. табл. 10.3) приводит к выражениям (10.30) и (10.31) соответственно:

(10.30)

(10.31)

где - удельные координаты, приве-денные в табл.10.2. Числовые коэффициенты уравнения (10.31) для удобства умножены на 100.

Полученные в результате расчета (10.30) и (10.31) кривые сложения - спектральные характеристики камеры для треугольника основных цветов стандартов NTSC и ЕС изображены на рис. 10.20 и 10.21.

1.12 Матричная цветокоррекция

Вследствие реальности первичных цветов Rп, Gп, Bп полученные кривые сложения имеют участки отрицательных значений ординат. Практическая реализация датчика с кривыми сложения, имеющими побочные положительные и отрицательные ветви, предполагает наличие для каждой ветви отдельного фотоэлектрического преобразователя и поэтому является чрезвычайно сложной задачей. Из-за невозможности реализации побочных отрицательных и положительных ветвей разработчики ранних ЦТ систем в качестве спектральных характеристик камеры использовали лишь основные положительные ветви кривых сложения. Анализ искажений цветовоспроизведения из-за отсутствия побочных ветвей кривых сложения показывает, что скорректировать эти искажения полностью для всех возможных цветностей невозможно.

С точки зрения практической реализации в качестве кривых спектральной чувствительности датчика удобно использовать кривые сложения, которые применяются в объективной колориметрии (рис. 10.22). Две из этих кривых аналогичны удельным компонентам МКО, а третья является линейной комбинацией всех трех кривых сложения МКО, имеющей (практически) только положительные ординаты и только один максимум. Поскольку первичные цвета Xн, Y, Z формальные и не совпадают с реальными основными цветами Rп, Gп, Bп приемника, сигналы на выходе камеры будут не такие, какие требуются на входе приемного устройства, поэтому в телевизионный тракт следует включить матричное устройство, осуществляющее преобразование сигналов из координат системы Xн, Y, Z в систему Rп, Gп, Bп.

Зависимость выходных сигналов ERп, EGп, EBп от вводимых на матрицу сигналов EXн, EY, EZ описывается в общем виде уравнениями

(10.32)

где а11 - a33 - коэффициенты матрицы, которые могут быть рассчитаны в соответствии с теорией преобразования координатных систем.

Действие матричного устройства эквивалентно изменению формы характеристик спектральной чувствительности телевизионного датчика. Таким образом, принимая форму кривых спектральной чувствительности датчика, удобную для практической реализации (см. рис. 10.22) и включая в тракт передачи матричные пересчетные устройства, получаем на выходе этого устройства сигналы ERп, EGп, EBп, пропорциональные кривым смешения основных цветов приемника и, как следствие, неискаженную цветопередачу всех цветностей в пределах треугольника основных цветов приемника.

Кривые сложения, успешно используемые в объективной колориметрии, все же оказываются малопригодными в качестве спектральных характеристик ЦТ камер, так как с целью уменьшения потерь света и достижения максимальной чувствительности цветоделение в них осуществляется с помощью дихроичных зеркал. Причем наибольшая эффективность достигается, когда спектральные кривые двух цветовых каналов пересекаются на уровне 50 %. Спектральные кривые Xн, Y (рис. 10.22) не отвечают этому условию, так как пересекаются на значительно большем уровне (около 0,9) и реализовать их без больших световых потерь, существенно ухудшающих чувствительность ЦТ камеры, невозможно. Поэтому в качестве кривых спектральной чувствительности камер используются кривые, не связанные линейной зависимостью с кривыми спектральной чувствительности глаза, а именно несколько расширенные основные положительные ветви кривых смешения первичных цветов приемника Rп, Gп, Bп. Выбор конкретной формы этих кривых - рис. 10.23 (сплошная линия) определяется следующими соображениями. Известно, что глаз не различает цвет мелких деталей, поэтому полоса частот каналов передачи сигналов ЕR и ЕB может быть сокращена до 2...3 МГц (см. § 11.2), что уменьшает уровень шума в этих каналах, а также позволяет снизить требование к точности совмещения трех растров. Для получения полной информации о неокрашенных мелких деталях должен быть сформирован сигнал яркости ЕY, передаваемый в полной полосе. С этих позиций положительную ветвь кривой Gп желательно расширить до кривой стандартной относительной видности глаза V(), что увеличивает чувствительность камеры, но ухудшает качество цветопередачи. Поэтому кривые спектральной чувствительности камеры RWB выбраны из условий компромисса между допустимым ухудшением качества цветопередачи и максимальным увеличением чувствительности камеры. Ошибки цветопередачи, вызванные отклонением кривых спектральной чувствительности камеры RWB от кривых смешения основных цветов приемника корректируются с помощью электронной матрицы цветокорректора.

Принцип работы цветокорректора основан на том, что побочные отрицательные и положительные ветви кривых сложения первичных цветов приемника (см. рис. 10.21) расположены под основными ветвями и подобны им по форме. Это позволяет, вычитая из каждого сигнала основных цветов два других в определенных пропорциях, имитировать отсутствие побочных ветвей и таким образом улучшать качество цветопередачи. Математически операция цветокоррекции аналогична матричному преобразованию (10.32) и потому называется матричной цветокоррекцией. Отличие заключается в определении коэффициентов матрицы (10.32), которые рассчитываются с помощью ЭВМ путем поиска оптимальных коэффициентов, при которых ошибки цветоанализа для совокупности испытательных цветов оказываются минимальны. В качестве испытательных цветов используются эталонные цвета, рекомендованные МКО. Применение цветокоррекции позволяет снизить среднюю ошибку цветоанализа для совокупности цветов до нескольких цветовых порогов, но для отдельных цветов они могут оказаться значительными, что снижает эффективность цветокоррекции.

Существенную роль при определении параметров воспроизводящего устройства играет выбор равносигнального цвета, т.е. цвета, воспроизводимого на экране кинескопа при подаче на его управляющие электроды одинаковых по амплитуде сигналов. В качестве эталонного равносигнального цвета стандартизован белый цвет, представляющий определенные удобства при настройке отдельных звеньев телевизионного тракта, а также, как будет показано ниже, позволяющий уменьшить заметность цветовой поднесущей на экране черно-белого телевизора при передаче неокрашенных или малоокрашенных объектов.

В рассмотренных ранее колориметрических системах в качестве эталонного белого цвета использовался равноэнергетический белый цвет Е, удобный для цветовых расчетов, так как имеет равномерную плотность распределения энергии по спектру. Передача сцен натурных объектов происходит или при естественном освещении, или при освещении искусственными стандартными источниками света А, В, С с разной цветовой температурой (табл. 10.4), разным спектральным распределением мощности излучения (рис. 10.24).

Зритель наблюдает изображение этой натуры на экране телевизионного приемника, где кажущаяся цветность белого зависит от цветовой адаптации глаза к окружающему освещению и, конечно, от индивидуальных особенностей зрителя. В связи с этим был выполнен ряд работ по определению цвета свечения телевизионного экрана, который зритель расценивает как белый. В результате за эталонный источник света (опорный белый) в США принят источник С, а в Европе - источник Д6500. По координатам цветности они близки друг к другу (см. табл. 10.4). Цвет оригинала будет воспроизведен кинескопом без искажений, если тип источника освещения объекта (опорный равносигнальный цвет камеры) соответствует опорному равносигнальному цвету приемного устройства. В противном случае все детали телевизионной репродукции приобретут дополнительную окраску. Согласование источника освещения объекта и опорного белого приемника может быть осуществлено оптически с помощью приводных светофильтров или электронным методом, учитывая разницу в опорном белом камеры и приемника при расчете коэффициентов матрицы (10.32).

Условия правильной цветопередачи рассматривались в предположении линейности характеристик преобразования всех звеньев телевизионного тракта от света до света. Отдельные звенья реальной телевизионной системы могут иметь нелинейные характеристики. В большой степени это относится к воспроизводящему устройству - цветному кинескопу, модуляционная характеристика которого имеет коэффициент нелинейности = 2.8…3,5. Наличие нелинейности в ЦТ приводит не только градационным искажениям, но и к искажениям цветности, в основном в сторону увеличения насыщенности при >1 и уменьшения насыщенности при < 1. Поэтому сигналы основных цветов ERп, EGп, EBп, кроме матричного преобразования должны быть подвергнуты нелинейной гамма-коррекции (см. § 13.5). Результирующее значение с учетом включенного в тракт передачи гамма-корректора, рекомендуется принимать несколько больше единицы (рек = 1,2…1,3). Это приводит к небольшому увеличению насыщенности цвета по сравнению с оригиналом, но повышает психологическую точность цветопередачи, частично компенсируя снижение абсолютного значения яркости и контраста на телевизионном экране.

1.13 Цветоделительная система передающей камеры

Цветоделительная система передающей камеры обеспечивает разделение светового потока, отраженного от передаваемого объекта, на три цветовые составляющие в соответствии с выбранными основными цветами передачи. Спектральные характеристики цветоделительной системы выбираются с учетом требуемых спектральных характеристик чувствительности камеры и спектральных характеристик преобразователей свет-сигнал.

Упрощенная цветоделительная система камеры изображена на рис.10.25. Отраженный от передаваемого объекта световой поток, пройдя объектив 1, разделяется на три с помощью двух интерференционных дихроичных зеркал, имеющих высокий коэффициент отражения в определенном участке спектра и пропускающих почти без потерь остальную его часть. Так, зеркало 2 отражает синюю составляющую светового потока к соответствующему преобразователю свет-сигнал (передающей трубке или матрице ПЗС) и пропускает остальную часть спектра излучений. Зеркало 3 отражает красную составляющую к нижнему преобразователю и пропускает оставшуюся зеленую часть к среднему. Способ разделения светового потока на три с помощью дихроичных зеркал весьма эффективен, так как коэффициент отражения (или пропускания) многослойных интерференционных покрытий близок к 100 %, что наглядно иллюстрирует рис.10.26, на котором приводятся спектральные характеристики отражения красного и синего дихроичных зеркал.

Спектральные характеристики отражения зеркала зависят от угла падения лучей на его поверхность, поэтому для неискаженной цветопередачи оптическая схема ЦТ камеры должна обеспечить в пространстве цветоделения одинаковые углы падения лучей на дихроичные зеркала от всех точек передаваемого объекта. Искажения цветопередачи возникают также вследствие частичной поляризации света, попадающего в цветоделительную систему, так как спектральные характеристики дихроичных зеркал изменяются в зависимости от степени поляризации света. Поляризация минимальна при малых углах падения лучей на светоделительную поверхность, что и стремятся обеспечить при конструировании цветоделительных систем для ЦТ сигналов. Обычно при конструировании оптической и цветоделительной системы камеры отражающие покрытия расположены так, чтобы угол падения осевого луча не превышал 20, а разница между углами падения для крайних точек не превышала 4...6.

Требуемые спектральные характеристики ЦТ камеры не могут быть получены применением в схеме цветоделения одних дихроичных зеркал, так как с помощью последних, как это видно из рис. 10.26, формируется только одна из ветвей спектральных характеристик каналов R и В. Заданные характеристики цветоделения достигаются установкой перед фоточувствительной поверхностью передающих трубок специальных корригирующих светофильтров 4, окончательно формирующих спектральные характеристики ЦТ камер. Таким образом, характеристика спектральной чувствительности телевизионной камеры является произведением спектральных характеристик элементов его цветоделительной системы и спектральных характеристик передающих трубок. Для схемы цветоделения, изображенной на рис. 10.25, выражения для спектральных характеристик трех цветовых каналов ЦТ камеры имеют следующий вид:

(10.33)

где - спектральная чувствительность трех цветовых каналов; - спектральные коэффициенты отражения цветоделительных зеркал; и - спектральные коэффициенты пропускания корригирующих светофильтров; - спектральная чувствительность преобразователя свет-сигнал, которая в общем случае может быть разной для разных цветовых каналов. Выражения (10.33) позволяют рассчитать требуемую форму спектральных характеристик пропускания корригирующих светофильтров:

(10.34)

Телевизионная камера должна обеспечивать получение равных сигналов при передаче эталонной белой поверхности, освещенной источником света, имеющим определенную цветовую температуру, обычно 6500 К (источник типа Д6500). Если передаваемый объект освещен искусственным источником света, отличным от выбранного опорного белого, то в состав светоделительной системы следует включить приводной светофильтр, спектральная характеристика пропускания которого определяется следующим образом: фп = Ра/Ри, где Ри и Ра - спектральное распределение мощности излучения источника освещения и источника типа Д6500 соответственно. Несоответствие источников освещения может быть скорректировано также электронным путем, если изменить при смене источника освещения объекта значения коэффициентов матрицы (10.32).

Цветоделительная система камеры, включающая в себя цветоделительные зеркала, приводные и нейтральные светофильтры, вспомогательные отражательные поверхности и т.д., располагается в пределах заднего рабочего отрезка объектива. Поэтому длина хода светового луча, проходящего через перечисленные узлы, не должна оказаться больше этого отрезка Кроме этого, для уменьшения цветовых искажений желательно обеспечить параллельность пучков света, падающих на цветоделительные поверхности Эта задача удачно решается применением для разделения световых потоков цветоделительного призменного блока, представляющего собой единую конструкцию из нескольких призм, на гранях которых нанесены дихроичные покрытия с изменяющимися по спектру коэффициентами отражения и пропускания.

На рис.10.27 изображена схема оптической системы трехтрубочной RWB камеры. Световой поток, пройдя через вариообъектив 1, сменные приводные светофильтры 2 и 3, корректирующие при необходимости источник освещения, поступает на компоненты призменного цветоделительного блока 4. Нанесенные на грани призмы дихроичные слои 5 и 6 расщепляют световой поток на три разделенные по спектру составляющие, которые образуют на фоточувствительной поверхности передающих трубок 7 цветоделенные изображения. Светофильтры 8, наклеенные на грани призм, корректируют спектральные характеристики оптических каналов. Применение призменного блока позволяет реализовать более жесткую конструкцию цветоделительной системы, упростить юстировку, снизить потери света, вызываемые отражением от границы воздух - стекло, а также ввести световой поток от диапроектора, проецирующего изображение тест-таблицы на фотокатоды трех пере дающих трубок.

Рис.10.27. Оптическая система трехтрубочной RWB камеры

На рис.10.28 показана структурная схема цветной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС. Изображение передаваемого объекта вариообъективом проецируется на цветоделительный блок, который осуществляет разделение светового потока на три составляющие. Принцип получения сигнала изображения рассмотрим для одного из каналов.

Рис. 10.28. Упрощенная структурная схема цветной камеры на трех полноформатных ПЗС

Основной элемент каждого из каналов - матрица ПЗС. Она преобразует распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда - потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования кадрового гасящего импульса все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны хранения, экранированные от светового потока (секция памяти). В течение следующего периода накопления во время следования строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки заряды продвигаются к выходному устройству, образованному полупроводниковыми структурами по типу полевых транзисторов. Таким образом, на выходе матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной амплитуды, пропорциональной освещенности элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице ПЗС - развертка изображения - производится с помощью тактовых импульсов синхрогенератора, образующихся в формирователях импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ). При этом отпадает необходимость коммутации элементов мозаики передающей трубки внешним электронным лучом, а следовательно, и наличия термокатода, электронной оптики, отклоняющей системы, вакуумной колбы, относительно высоковольтных источников питания и мощных выходных каскадов разверток - генераторов тока. Все это приводит к значительному уменьшению габаритов, массы и потребляемой мощности, а также к весьма существенному повышению надежности фотоэлектрических преобразователей. Наличие раздельных обособленных секций накопления и памяти и относительно быстрый перенос зарядов из первой секции во вторую позволяют устранить специфические искажения изображения типа “инерционность”.

Лекция 2. Телевизионные преобразователи электрических сигналов в оптическое изображение

2.1 Общие сведения и классификация

цвет колориметрический спектральный зрение

Преобразователи электрических сигналов в оптическое изображение - устройства воспроизведения ТВ изображения - могут быть разделены на устройства прямого наблюдения и проекционные. Наиболее распространены устройства прямого наблюдения - монохромные и цветные электронно-лучевые приемные трубки - кинескопы.

Они обеспечивают получение ТВ изображения площадью до 0,25...0,5 м2, предназначенного для просмотра небольшим числом зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует увеличения размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков квадратных метров. Для этого используются проекционные воспроизводящие устройства: высокояркие проекционные кинескопы, лазерные проекторы и светоклапанные системы.

Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам воспроизведения ТВ изображения, являются: необходимые размеры экрана, достаточная яркость, способность к созданию изображения с высоким контрастом, высокая разрешающая способность, позволяющая различать наиболее мелкие детали изображения, а также размеры воспроизводящих устройств, стабильность их характеристик и т.д.

Рис.14.28 Классификация преобразователей сигнал-свет.

Кинескопы черно-белого телевидения

Кинескоп - приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным, преобразующая мгновенные значения сигнала изображения в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинескопе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением тока 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 в системах бегущего светового луча. Наиболее широко распространены кинескопы прямого наблюдения. Они применяются в 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. 7.1,а. Основными частями являются стеклянная колба 8, электронно-оптическая система 2, формирующая электронный луч, и люминофорный экран 7. 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.

Электронный прожектор

Электронным прожектором называется конструктивный узел электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электродов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью тока 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 фокусирующей катушки, дополнительного увеличения мощности источников питания, менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки.

Конструктивно электронный прожектор представляет собой систему цилиндрических электродов (см. рис.7.1,б) 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 позволяет 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 (рис.7.2) состоит из термокатода 1, модулятора 2 и ускоряющего электрода 3. Благодаря высокой разности потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (Uу = 500 800 В) и малому расстоянию между этими электродами в зоне иммерсионного объектива создается сильная напряженность электрического поля, конфигурация сечения эквивалентных поверхностей которого на рис. 7.2,а обозначена штриховыми линиями.

Эмиттируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерсионного объектива (рис. 7.2,а,б) и собираются в плоскости его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером (Кр). Диаметр кроссовера 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 Кр в плоскость экрана, при этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер Кр. Таким образом, использование двухлинзовой оптической схемы (рис. 7.2,б) позволяет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эмиттирующей поверхности катода.

Экран кинескопа

Для преобразования сигнала в световое изображение используется явление люминесценции, заключающееся 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 такими свойствами, называются люминофорами (lumen - свет (лат.), phoros - несущий (греч.)).

Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано электрическим полем или током, при этом возникает электролюминесценция. Вещества, обладающие свойством электролюминесценции, называются 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. Химический состав люминофора обозначается обычными символами: на первом месте - основное вещество, затем - в скобках - активатор. Например, сульфид цинка, активированный медью, записывается как ZnS (Cu), а активированный серебром - как ZnS (Ag).

Важнейшими характеристиками экрана являются 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 (активированного серебром и цинком) и сульфида кадмия (активированного серебром): ZnS (АgZn 47 %; CdS (Ag) 53 %. Спектральная характеристика излучения данной смеси имеет два максимума (рис.7.3, кривая 1). Первый максимум находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй максимум совпадает с кривой стандартной относительной видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой температуре 9700 К. Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа является его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора з достаточно мала. Основным параметром инерционности люминофора является длительность послесвечения Тпс, в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис 7.4, кривая 1). Длительность послесвечения является существенным параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного назначения. Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длительность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изображения. Требование это становится очевидным, если вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Тальбота (см. 2.2):

где L(t) - функция изменения яркости элемента изображения во времени, которой в данном случае соответствует кривая, характеризующая возгорание и затухание люминофора; Т - период повторения световых импульсов, равный времени передачи кадра Тк. Если L(t) аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 7,4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то

т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых - яркости элемента при возгорании люминофора и яркости элемента при его затухании. Учитывая, что з /Тк < 1/N, где N - число элементов в кадре, примерно равное для вещательного телевизионного стандарта N = 0;5106 , а Тпс/Tк = 1, можем записать Lвиз = 0,2510-6 Lmax + 0,5 Lmax.

Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвечения для приемных телевизионных трубок желательно иметь равной длительности кадра Тк. Увеличение длительности послесвечения приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене кадров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения нежелательно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображения движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдущего кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если оста точный сигнал не превышает 5%.

Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры экранов этих кинескопов должны иметь малую длительность послесвечения, не превышающую время коммутации одного элемента изображения (около 7,710-8). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента изображения. При Тпс > з сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яркостью пятна передаваемого элемента изображения, но яркостями соседних, уже скоммутированных элементов, что приведет к потере четкости и контрастности мелких деталей изображения. Так как получить необходимую длительность послесвечения для экранов, излучающих в видимом диапазоне, не удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусматривается схема коррекции послесвечения.

Эффективность преобразования энергии электронов луча в световое излучение характеризуется светоотдачей экрана k, определяемой отношением силы света I, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изменяться от десятых долей канделы на ватт до 15 кд/Вт.

Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической зависимостью

(7.1)

где k - светоотдача; iл - ток луча; u2 - напряжение второго анода кинескопа; u0 - пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение люминофора.

Для современных люминофорных экранов u0 = 1...2 кВ; п - показатель степени, определяемый физическими свойств люминофоров и условиями его возбуждения. При токе луча iл = 100...150 мкА и ускоряющем напряжении u2 > > 10 кВ; п = 1.

Современные кинескопы работают при u2 = 12...18 кВ и более, поэтому напряжение u0 < u2 и им можно пренебречь. Принимая п = 1, с достаточной для практики точностью можно считать, что сила света

(7.2)

где Ра - мощность электронного луча.

При принятых условиях светоотдача k оказывается постоянной величиной. Поэтому сила света I, а следовательно, и яркость экрана

(где Sэк - площадь экрана кинескопа, м2) могут быть увеличены повышением мощности электронного луча Ра. Поскольку увеличение тока луча свыше 100...150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яркость экрана увеличивают путем повышения ускоряющего напряжения u2. Потенциал экрана необходимо принудительно поддерживать равным потенциалу второго анода кинескопа (для черно-белых кинескопов 12...18 кВ, для цветных - 25 кВ). Для выполнения этого условия на слой люминофора наносится проводящее покрытие, электрически соединенное со вторым анодом прожектора. Это позволяет эффективно отводить вторичные электроны с экрана кинескопа, обеспечивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран современного кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрыт пленкой алюминия толщиной 0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люминофором и вторым анодом прожектора. Пленка практически прозрачна для электронов луча, которые при ускоряющих напряжениях свыше 8...10 кВ беспрепятственно проникают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для световых лучей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана более чем в 1,5 раза.

Кроме увеличения эффективности металлизированный экран позволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при устранении подсветки экрана от внутренних поверхностей колбы, деталей электронного прожектора и соседних участков, расположенных на поверхности. Он также предохраняет люминофор от бомбардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходимость введения в электронный прожектор ионных ловушек.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изображения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис. 7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, на границе стекло -- воздух отражается обратно, освещая соседние с точкой участки (рис. 7.5, точка Г). В результате ярко светящаяся точка экрана оказывается окруженной менее ярким кольцом - ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для увеличения контраста изображения экран колбы современного кинескопа изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным фильтром. Такое стекло называют дымчатым, контрастным, противоо-реольным.

Ослабление ореола происходит за счет поглощения части света в толще экрана колбы. Прямой свет луч I1 от светящейся точки люминофора проходит путь АБ (рис.7.5), а световой луч вредной подсветки 12, вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь АВГД и поглощается значительно больше. Использование противо-ореольного стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в 15 раз.

Промышленностью выпускается большая номенклатура кинескопов с диагональю экрана 6...71 см. Гостированное условное обозначение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, например 6IЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характеризует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана - белый. В обозначении трубки 6IЛКЗЦ буква Ц указывает на то, что кинескоп цветной.

Кинескопы цветного телевидения

Общие сведения. Для получения цветного изображения в большинстве современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств используется один электровакуумный прибор - цветной кинескоп, в котором цветные изображения формируются из трех цветоделенных методом пространственного смешения цветов. В большинстве разработанных кинескопов используется трехрастровая система, при которой на экране кинескопа формируются три одноцветных растра - красный, зеленый и синий, совмещенные с достаточной степенью точности друг с другом. Трехрастровая система предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов и трех люминофорных групп, спектральное излучение которых соответствует красному, зеленому и синему цветам. Разделение цветов, т.е. обеспечение правильного попадания каждого из лучей на люминофорные элементы экрана “своего” цвета, обеспечивается с помощью теневой маски. Такие кинескопы часто называют масочными. По способу расположения прожекторов кинескопы делятся на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и на компланарные кинескопы с расположением прожекторов в одной плоскости и линейчатыми люминофорными группами.

Масочный кинескоп с дельтавидным расположением прожекторов. Схематическое изображение цветного масочного дельта-кинескопа представлено на рис. 7.6.

Особенностью его устройства является расположение трех электронных прожекторов в горловине колбы симметрично относительно оси и наличие мозаичного люминофорного экрана. Прожекторы кинескопа крепятся в вершинах равностороннего треугольника (см. разрез А - А) и наклонены к оси кинескопа на угол примерно 1°. Экран кинескопа: представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность которой в определенной последовательности нанесены группы люминофорных зерен трех цветов: красного, зеленого и синего. Люминофорная группа, состоит из трех разноцветных зерен, называется триадой. Диаметр каждого люминофорного зерна примерно 0,45 мм. Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры с внутренней стороны экрана покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом.

Для направления электронных лучей на “свои” люминофорные зерна используется теневая маска, установленная на расстоянии 12 мм от экрана. Она изготовлена из листовой стали толщиной 0,15 мм и практически повторяет форму экрана. В маске прорезаны круглые отверстия диаметром 0,25 мм, число которых равно числу люминофорных триад, т.е. 550103.

Принцип попадания электронных лучей на “свои” люминофорные зерна заключается в том, что три луча, направленные из трех разнесенных на плоскости ХОУ точек (рис. 7.7), являющихся центрами электронных прожекторов, пересекаются в одной точке, геометрическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные зерна триад. Центры люминофорных зерен триад располагаются в вершинах равностороннего треугольника и являются проекцией центров электронных прожекторов. Для осуществления этого принципа взаимное расположение прожекторов, их наклон к оси кинескопов, расстояние от центра отклонения электронного луча до теневой маски и от теневой. маски до экрана должны быть связаны определенными геометрическими соотношениями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Точность попадания электронных лучей на свои люминофорные зерна зависит от точности реализации этого соотношения, т.е. от технологической точности изготовления кинескопа. Недостаточная точность реализации приводит к нарушению правильности попадания лучей, которое вызывает следующие специфические для цветного кинескопа искажения изображения.

1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием электронного луча частично или полностью на “чужие” люминофорные зерна, которое возникает при боковом смещении или наклоне блока электронных прожекторов относительно оси кинескопа, неправильном положении отклоняющей системы относительно экрана кинескопа, а также под влиянием внешних магнитных полей, в частности магнитного поля Земли.

Нарушение чистоты цвета, вызванное недостаточно точной установкой блока электронных прожекторов и влиянием внешних магнитных полей, корректируется с помощью расположенного на горловине кинескопа магнита чистоты цвета (МЧ) 7 (см. рис. 7.6), позволяющего изменять величину и направление магнитного поля (рис. 7.8,а) и тем самым осуществлять одновременное перемещение трех лучей в одном направлении, добиваясь их правильного попадания на люминофорные зерна. Конструктивно МЧ обычно выполняются в виде двух намагниченных по диаметру колец, вложенных одно в другое и допускающих одновременный или независимый поворот их относительно оси кинескопа (рис. 7.8,а, I).

Магнитное поле изменяется от максимального до минимального значения поворотом колец друг относительно друга на угол (рис. 7.8,а, II). Магнитное поле максимально при = 0 и минимально при = 180. Для изменения направления магнитного поля оба кольца поворачиваются вместе (рис. 7.8,а, III).

2. Несовмещение изображений от разных растров, обусловленное попаданием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в соседние или отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, которое возникает при неточном изготовлении и сборке блока электронных прожекторов, например несоблюдении заданных угловых величин и т.д. Для коррекции этого несовмещения, т.е. сведения трех неотклоненных электронных лучей в одну люминофорную триаду, служат постоянные магниты регулятора сведения 6 (рис. 7.8,б), обеспечивающие возможность независимого перемещения лучей в радиальном направлении, корректирующего их траекторию.

3. Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от центра к краю экрана, обусловленное следующими основными причинами:

а) наличием трех электронных прожекторов, смещенных относительно оси кинескопа и имеющих с ней угол наклона 1°; это приводит к появлению на экране кинескопа трех смещенных друг относительно друга трапецеидальных растров (рис.7.9);

б) нахождением геометрических мест пересечения трех лучей при их отклонении на поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом наклона прожекторов (1°) и значительно меньше радиуса кривизны экрана. Поэтому при отклонении от центра к периферии экрана электронные лучи будут достигать плоскости маски в виде расходящихся пучков (рис.7.10) и попадать на люминофорные зерна разных триад.

Помимо рассовмещения изображений наличие относительно плоского экрана приводит, как и в случае с черно-белым кинескопом, к подушкообразным искажениям растра.

Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведения лучей, для коррекции которого используется система динамического сведения, конструктивно объединенная с системой статического сведения.

Устройство динамического и статического сведения 5, 6 (рис. 7.6) состоит из введенного в конструкцию электронного прожектора цилиндра сведения 1 (см. рис. 7.8,б), содержащего внутри экраны 2 и полюсные наконечники 3, и трех пар П-образных магнитопроводов регуляторов сведения 4. Динамическое сведение обеспечивается путем пропускания через обмотки электромагнитов 5 регулятора сведения токов кадровой и строчной частот специальной формы. Статическое сведение достигается вращением помещенных в зазорах средней части П-образного сердечника постоянных магнитов 6, обеспечивающих независимое радиальное перемещение лучей. В некоторых случаях только радиальное смещение лучей не обеспечивает полное их сведение в одну триаду. Требуется дополнительное тангенциальное перемещение одного из лучей, которое обычно обеспечивается с помощью магнита бокового смещения синего луча, помещенного на горловине кинескопа (рис. 7.8,в).

Масочный кинескоп с триадным дельтавидным расположением прожекторов в настоящее время применяется в большинстве эксплуатируемых телевизоров и ВКУ, однако имеет существенные недостатки, основными из которых являются необходимость сложных схем динамического сведения лучей и малая прозрачность теневой маски, задерживающей более 80 % тока в каждом электронном луче.

Масочный кинескоп с копланарным расположением прожекторов. В масочном кинескопе с копланарным расположением прожекторов 1 оси трехэлектронных прожекторов находятся водной горизонтальной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинескопа, а оси двух других прожекторов повернуты к оси кинескопа на угол 1,5° (рис. 7.11,а). Кинескоп имеет линейчатую структуру люминофорного покрытия экрана З (рис.7.11) и теневую щелевую маску 2. Отверстия в теневой маске выполнены в виде вертикальных прорезей - щелей и имеют горизонтальные перемычки, увеличивающие ее механическую прочность (рис.7.11,в).

Основные преимущества кинескопа с копланарным расположением прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключаются в следующем.

1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости делает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает механизм динамического сведения лучей, так как средний луч (обычно зеленый) направлен вдоль оси кинескопа и дает симметричный относительно осей экрана растр, не требующий сведения. Растры, полученные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении.

2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как щелевая маска обладает более высокой прозрачностью для возбуждающих люминофорный экран электронов, чем маска, имеющая круглые отверстия.

3. Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на “чужую” люминофорную полосу может попадать только в одном (горизонтальном) направлении. По этой же причине на чистоту цвета в компланарных кинескопах значительно меньшее влияние оказывает магнитное поле Земли, конкретно - только ее вертикальная составляющая, сдвигающая луч в горизонтальном направлении.

4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу самосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и схемы статического и динамического сведения. Действительно, в компланарном кинескопе отклонение трех лучей в равномерном магнитном поле приводит к расслоению вертикальных линий слева и справа (рис. 7.11,г). Такое расслоение может быть скорректировано с помощью неравномерного магнитного поля, обладающего астигматизмом при отклонении пучка электронов. Астигматизм, как известно, проявляется в том, что сечение пучка электронов при его отклонении от центра экрана к периферии становится не круглым, а эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована в направлении отклонения (положительный астигматизм) или перпендикулярно к нему (отрицательный астигматизм). Такое изменение формы сечения электронного луча при отклонении можно рассматривать как сближение крайних нитей пучка, образующих вытянутую часть его сечения (эллипса). Аналогичное явление происходит с электронными лучами синего и красного прожекторов, которые при отклонении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом, сближаются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав заданную степень астигматизма, можно полностью скомпенсировать рассовмещение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компланарных кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в центре экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их в не- равномерном поле, обладающем заданным астигматизмом. Требуемое поле создается подбором формы и плотности распределения витков катушек отклоняющих систем.

В системе с самосведением изображения с требуемой точностью могут быть совмещены лишь при условии прецизионного выполнения электронно-оптического узла трубки и точной повторяемости конфигурации магнитного поля отклоняющих систем. Для выполнения этого требования блок прожектора должен быть выполнен в виде единого конструктивного узла, а сам кинескоп выпускается в комплекте с закрепленной к горловине отклоняющей системой, положение которой предварительно тщательно юстируется с целью получения оптимальных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом, используемым при настройке комплекса кинескоп - отклоняющая система, является также магнитостатическое устройство, включающее в себя магниты чистоты цвета и статического сведения, установленные на горловине кинескопа позади отклоняющей системы. По принципу действия эти устройства аналогичны подобным устройствам, работающим в кинескопе с треугольным расположением прожекторов. Однако оптимальное положение их регулирующих элементов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе комплекса кинескоп - отклоняющая система и в дальнейшем в процессе эксплуатации не регулируется.

2.2 Системы большого телевизионного экрана

Общие сведения. Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения является увеличение размеров экрана. Большой экран позволяет производить коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах, санаториях, общежитиях или в специально созданных телевизионных театрах. Он широко применяется и в прикладных ТВ системах, например, для имитации окружающей визуальной обстановки в телевизионных тренажерах, а также при слежении за работой и управлении космическими летательными аппаратами. Телевизионное изображение увеличенного размера оказывает существенно большее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект присутствия при наблюдении. Потребность в увеличении размеров экрана, безусловно, возрастает в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения. Системы с большим ТВ экраном по требуемой площади могут быть условно разделены на две группы: 1) экран с площадью до 12 м2; 2) экран площадью от 12 м2 и выше (обычно не более 100 м2). Принципиально ТВ изображение таких размеров может быть получено как с помощью устройств непосредственного наблюдения с плоскими экранами, так и с помощью проекционных устройств. Плоские ТВ безвакуумные экраны могут быть реализованы на основе газовых и светодиодных самосканирующих панелей, эффекта электролюминесценции в пленочных люминофорах, динамического рассеяния све- та в жидких кристаллах и т.д. Однако устройства с такими экранами до настоящего времени не вышли из стадии лабораторных разработок.