Приборы приёма и воспроизведения изображений

Г. Г. Червяков

ПРИБОРЫ ПРИЁМА

И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»
Инженерно-технологическая академия

Г. Г. Червяков

ПРИБОРЫ ПРИЁМА

И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЯ

Учебное пособие

Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 621.383(074)
ББК 32.85я73

Ч456

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета

Рецензенты:

доктор техн. наук, профессор Волгоградского государственного 

унвеситета Захарченко В.Д.;

доктор техн. наук, профессор кафедры конструирования электронных 

средств ЮФУ Малюков С.П.

Червяков, Г. Г.

Приборы приёма и воспроизведения изображения : учебное 

пособие / Червяков Г. Г. ; Южный федеральный университет. 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2016.
 252 с.

ISBN 978-5-9275-2070-1

В пособии рассмотрены вопросы теории и принципы работы 

существующих 
приборов 
и 
устройств 
приёма 
и 
воспроизведения 

изображения. Основное внимание уделено полупроводниковым приборам и 
устройствам, применяемым в повседневной практике, начиная с ФПЗСматриц и заканчивая
сенсорными экранами и системами записи и 

воспроизведения 
статических 
и 
динамических 
объектов.
Уделено 

определенное 
внимание 
цифровым 
и 
индексным 
приборам 

воспроизведения 
и 
эргономическим 
свойствам 
различных 
систем 

воспроизведения видеоизображения

Рассмотрены также вопросы истории развития вакуумных приборов 

приёма и воспроизведения изображения, анализа систем фокусировки и
формирования изображений в таких приборах, включая фотоумножители и 
преобразователи спектра. 

Предназначено 
для 
студентов 
укрупненной 
группы 
11.00.00 

«Электронная техника, радиотехника и связь» направлений 11.03.01 
«Радиотехника», 11.03.04 «Конструирование и технология электронных 
средств» и 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

ISBN
978-5-9275-2070-1
УДК 621.383(074)

ББК 32.85я73

© Южный федеральный университет, 2016
© Червяков Г.Г., 2016

Ч456

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………...….
5

1. ПРИНЦИПЫ ПРИЁМА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ……..………..
7

1.1. Приборы приёма видеоизображения………………………......
7

1.2. Системы мгновенного действия………………………………......
14

1.3. Эффект накопления заряда………………………………….….
17

1.4. Иконоскоп……………………………………………………......
19

1.5. Ортикон…………………………………………………….......
28

1.6. Иконоскоп с переносом изображения (супериконоскоп)…….
34

1.7. Ортикон с переносом изображения (суперортикон)…….......
39

1.8. Видикон………………………………………………………..
47

2. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНЫХ ПОТОКОВ…………….......
55

2.1. Траектории электронов в осесимметричных полях………......
55

2.2. Электронные и магнитные линзы………………………….....
67

2.3. Отклоняющие системы………………………………………....
91

3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ 
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ.…………………...
95

3.1. Фотоэмиссия, фотокатоды, вакуумный фотоэлемент…….......
95

3.2. Электронно-оптические преобразователи……………………..
97

4. ПРИБОРЫ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ
118

4.1. Основные характеристики датчиков изображения…………....
118

4.2. Характеристики зрительного восприятия……………….….…
120

4.3. Классификация и общие сведения об электронно-лучевых 

приборах………………………………………..……………...............
126

4.4. Полицветные ЭЛТ………………………………………….........
134

5. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 
И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ……………...
141

5.1. Приборы с зарядовой связью…………………………………...
141

5.2. Видеокамеры……………………………………………….........
156

5.3. Варианты цветного восприятия изображения…………….......
159

6. СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ………………..
169

6.1. Информационные модели, параметры и характеристики 

средств отображения информации ………………………………….
169

6.2. Жидкокристаллические индикаторы…………………………..
175

6.3. Цветные LCD-мониторы………………………………………..
181

6.4. Плазменные панели……………………………………………..
188

6.5. Устройства воспроизведения на дискретных индикаторах…..
191

6.6. Управление дискретными индикаторами……………………...
219

6.7. Сенсорные экраны…………………………………………...….
224

7. СИСТЕМЫ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ 
ВИДЕОИНФОРМАЦИИ……………………………………………...
234

7.1. Магнитная видеозапись………………………………………….
234

7.2. Цифровые видеомагнитофоны………………………………….
235

7.3. DVD – оптический цифровой дисковый носитель………..…...
237

7.4. Flash-карты…………………………………………………...…..
241

Вместо заключения…………………………………………………....
245

Библиографический список………………………..............................
250

ВВЕДЕНИЕ

Человек связан с окружающей реальностью через органы 

чувств. Большую часть информации (80 – 90 %) человек получает по 
зрительному каналу – визуально, т.е. в виде изображений.

Любой наблюдаемый, т.е. светящийся, объект может быть 

описан 
функцией 
яркости 
B 
= 
f(x,y,z,,t), 
где 
x,y,z
–

пространственные координаты элементов объекта,  – длина волны 
излучения, t
–
время. Изображение этого объекта, созданное 

техническими 
средствами 
воспроизведения 
изображений, 

описывается аналогичной функцией B= f′(x,y,z,,t), где x,y,z –
координаты точек, образующих в совокупности изображение 
объекта.

Очевидно, что наблюдаемый человеком объект, излучающий 

вне оптического диапазона (0,38 – 0,76 мкм) – в ИК-, УФ- или 
рентгеновском диапазоне длин волн, – также может быть отображен 
при преобразовании такого невидимого изображения.

Отметим, что функции f и f не равнозначны, а лишь подобны, 

поскольку они связаны с техническими возможностями средств 
передачи и воспроизведения (приёма) изображений, а любая 
отображающая система вносит определенные искажения, f  f.

Поэтому можно говорить о качестве изображения,
т.е. 

степени соответствия воспроизводимого с помощью технических 
средств изображения и той картины, которая воспринимается 
человеком 
при 
непосредственном 
наблюдении
(качество 

воспроизведения изображения оценивается степенью соответствия 
воспроизводимого изображения и оригинала).

В свое время оригинал, как и его изображение, оценивается 

рядом параметров – яркость, контрастность, чистота и насыщенность 
цвета, число градаций яркости в мелких деталях и другие. Если эти 
параметры у оригинала и у воспроизводимого изображения 
одинаковы (с учетом особенностей человеческого зрения),
то 

говорят о физически точном воспроизведении изображения. 

Существует 
также 
понятие 
психологически 
точного

воспроизведения изображения, когда, например, яркость, цветность 
и 
другие 
характеристики 
оригинала
не 
соответствуют

характеристикам воспроизводимого изображения, но по восприятию 
человеком оно подобно оригиналу, т.е. соответствует представлению 

человека о нем, соответствует ассоциациям, которые хранятся в 
нашем сознании.

Кроме того, в технике передачи изображений широко 

используется 
их 
обработка, 
т.е. 
внесение 
в 
формируемое 

изображение тех или иных изменений по сравнению с оригиналом: 
увеличение 
контраста 
мелких 
деталей 
изображения, 

перераспределение градаций яркости, изменение цветности и 
прочее. 
Это 
способствует 
формированию 
художественного 

воздействия
и 
психологически 
точному 
воспроизведению 

изображения в соответствии с нашими ассоциациями.

Рассмотрим классификацию изображений.
Изображения могут быть объемными и плоскими. Плоское 

изображение описывается функцией двух координат

B = f′(x,y,,t).

Изображения могут быть монохроматичными и цветными. 

Спектр излучения каждого элемента цветного изображения или 
более крупных его фрагментов различен; спектр излучения каждого 
элемента монохроматичного изображения одинаков и занимает 
узкую спектральную зону.

Изображения могут быть статическими и динамическими, т.е. 

изменяющимися во времени. Статическое изображение описывается 
функцией яркости, не зависящей от времени. Например, запись 
B=f′(x,y,) 
означает, 
что 
изображение 
плоское, 
цветное, 

статическое.

Формирование 
изображений, 
предназначенных 
для 

зрительного восприятия, осуществляется с помощью электронных 
устройств.

Передающие устройства преобразуют реальное изображение 

в электрический сигнал. Преобразование электрических сигналов в 
видимое изображение осуществляют устройства воспроизведения 
изображений.

История создания средств передачи и воспроизведения 

изображений восходит к концу двадцатых годов, когда были 
разработаны годные к промышленному применению передающие и 
приёмные телевизионные трубки. С тех пор эта область техники 
интенсивно развивается, появляются новые приборы для передачи и 
воспроизведения 
изображений, 
основанные 
на 
различных 

физических принципах, и их технические параметры непрерывно 
совершенствуются.

В области передающих устройств развитие шло по пути 

усовершенствования 
и 
создания 
новых 
типов 
видиконов 
–

фотоэлектронных 
преобразователей 
(ФЭП), 
использующих 

внутренний 
фотоэффект. 
Появились 
фоточувствительные 

передающие 
приборы 
для 
инфракрасной 
области 
спектра 

(пировидиконы, тепловизоры), преобразователи изображений на 
базе полупроводниковых приборов с зарядовой связью (ПЗСструктур).

В 
устройствх 
воспроизведения 
изображений 
наряду 
с 

приёмными 
телевизионными 
трубками 
(ЭЛТ) 
все 
большее 

применение находят так называемые плоскопанельные матричные 
дисплеи на основе газового разряда, полупроводниковых структур, 
жидких кристаллов. Можно с уверенностью сказать, что в настоящее 
время созданы устройства воспроизведения изображений на основе 
физических явлений практически во всех известных средах: вакууме, 
газовом разряде, твердых и жидких телах, а также в специфических 
средах типа жидких кристаллов.

1. ПРИНЦИПЫ ПРИЁМА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ

1.1. Приборы приёма видеоизображения
История развития и общие принципы работы устройств
приёма видеоизображения
Первым 
этапом 
процесса 
передачи 
видеоизображения

является 
преобразование 
оптического 
изображения 
в 

последовательность 
электрических 
импульсов,
несущих

информацию о содержании (распределении градаций яркости) 
передаваемой 
картины. 
Усиленный 
видеосигнал 
модулирует 

высокочастотное когерентное электромагнитное колебание, которое 
и излучается антенной в свободное пространство. Такой сигнал 
улавливается антенной телеприемника и после преобразования и 
усиления подается на модулятор приемной трубки  кинескоп, 
который и воспроизводит его на экране в виде распределения
яркости, 
соответствующего
информации, 
приносимой 

видеосигналом. При нормальной работе всего тракта приёма на 
экране кинескопа получаем распределение яркости по поверхности 
передаваемого объекта, т.е. на экране получается неискаженное 
телевизионное изображение.

Таким образом, передающая трубка является первым 

элементом 
телевизионного 
тракта 
и 
предназначается 
для 

преобразования оптического изображения в видеосигнал, выполняя
функцию, 
противоположную 
кинескопу. 
Принципиально 

передающую трубку можно представить как фотоэлемент, на катод 
которого 
поочередно 
проектируются 
отдельные 
элементы 

передаваемого изображения. Можно также предположить, что 
вместо одного фотоэлемента имеется большое число (равное числу 
элементов 
разложения 
изображения) 
микроскопических 

фотоэлементов, 
на 
которые 
проектируется 
оптическое 

изображение. Сигналы от каждого фотоэлемента должны с 
большой скоростью поочередно переключаться для получения 
необходимой временной последовательности импульсов. В общем 
случае возможны три способа развертки изображения: 

1) перемещение оптического изображения относительно 

неподвижного фотоэлемента (поэлементное считывание); 

2) перемещение фотоэлемента относительно неподвижного 

оптического изображения (сканирование пространства); 

3) электрическое переключение (коммутация) сигналов от 

множества 
неподвижных 
фотоэлементов, 
на 
которые 

спроектировано оптическое изображение (фотоПЗС-матрица).

Указанные способы развертки могут быть осуществлены 

путем перемещения всего оптического изображения, светового 
луча, «зондирующего» объект, или фотоэлемента, а также 
использования механического переключателя (коммутатора) с 
достаточной 
быстротой 
действия. 
Первые 
телевизионные 

передающие системы использовали механическую развертку, но с
увеличением
числа 
элементов 
разложения
практическое 

осуществление такой развертки стало практически невозможным и 
на смену ей пришла электронная развертка. При этом частота
развертки достигала 10  20 МГц за счет того, что электронный 
луч, 
осуществляющий 
развертку, 
является 
практически 

безынерционным.

Наибольшее распространение получили передающие трубки, 

в которых электронный луч развертывает оптическое изображение, 
спроектированное 
на 
фоточувствительную 
поверхность, 
или 

электронное 
изображение, 
перенесенное 
с 
фотокатода 
на 

специальную мишень. Первый способ развертки практически 
используется в передающих трубках без переноса изображения 

(иконоскоп, ортикон), второй 

в трубках с переносом 

изображения (супериконоскоп, суперортикон). Однако и в первом 
случае по существу происходит развертка электронным лучом не 
оптического, а электронного изображения, так как оптическое 
изображение, спроектированное на фотокатод, за счет фотоэмиссии 
преобразуется на его поверхности в электронное изображение.

Передающие устройства, в которых элементы изображения 

последовательно участвуют в создании электрических импульсов, 
пропорциональных яркости передаваемых элементов изображения, 
получили название систем мгновенного или поочередного 
действия. К таким устройствам относятся диссектор и система с 
бегающим лучом. Трубки другой группы (иконоскоп, ортикон, 
супериконоскоп, суперортикон, видикон) основаны на принципе 
накопления заряда, поэтому они получили название систем с 
накоплением заряда.

Независимо от способа преобразования и устройства к 

передающим телевизионным трубкам предъявляется ряд общих 
требований. Прежде всего, для получения высококачественного 
изображения необходимо, чтобы отношение полезного сигнала, 
несущего 
информацию 
о 
передаваемом 
изображении, 
к 

паразитному 
сигналу 
(шуму)
было 
достаточно 
большим. 

Источником шума является как сама передающая трубка, так и 
другие 
элементы 
телевизионного 
тракта. 
На 
основании 

теоретических исследований и экспериментальной проверки было 
установлено, что дефекты изображения, вызванные шумами, 
становятся незаметными на глаз при отношении сигнал/шум  не 
менее 150. Удовлетворительное изображение еще можно получить 
при величине  не меньше 10. Однако указанное требование не 
является строго обязательным.

Опыт показывает, что высококачественное изображение 

может быть получено и при меньшем отношении сигнал/шум. Так, 
например, при использовании трубок типа суперортикон отличное 
изображение получается при величине  = 80 100, хорошее  при 
 =40  50, удовлетворительное  при  = 25  30. Для трубок без 
вторично-эмиссионного 
усиления 
(супериконоскоп, 
видикон) 

отличное изображение получается при  = 25, хорошее  при  = 10 
12, удовлетворительное  при  = 7  8. Отметим, что наличие шумов 
влияет на такие важные параметры трубок, как передача градаций 
яркости, разрешающая способность, чувствительность.

Разрешающая способность передающей трубки определяет 

наименьшие размеры деталей изображений, которые еще могут 
быть воспроизведены. Разрешающая способность передающей 
трубки, выраженная числом различимых строк, укладывающихся 
на всем изображении, должна быть не ниже принятого в России и 
ряде зарубежных стран телевизионного стандарта  625 строк.

Качество изображения в значительной мере определяется 

числом 
различимых 
ступеней 
градаций 
яркости. 
Хорошо 

адаптированный на среднюю яркость изображения глаз может 
различить до ста
градаций яркости. Однако контрастная 

чувствительность 
глаза, 
определяющая 
число 
различимых 

градаций яркости, зависит от средней яркости всего изображения. 
Чем 
меньше 
средняя 
яркость, 
тем 
ниже 
контрастная 

чувствительность глаза.

Поэтому весьма желательно, чтобы передающая трубка 

обеспечивала достаточно большое число (не менее 10) различимых 
ступеней градаций яркости именно при низких и средних яркостях 
изображения.

Одной из основных характеристик передающих трубок 

является зависимость величины полезного сигнала от освещенности 
соответствующего 
элемента 
фотокатода, 
воспринимающего 

световой поток от объекта. Эта зависимость носит название 
характеристики свет 
сигнал или световой характеристики 

передающей 
трубки. 
Для 
воспроизведения 
на 
экране 

распределения 
яркости, 
соответствующего 
реальному 

передаваемому
объекту, 
передаточная 
характеристика 

светсигналсвет всего телевизионного тракта должна быть 
линейной. 
Данная 
характеристика
для
приемной 
трубки 

определяется
модуляционной 
характеристикой 
прожектора 

кинескопа в общем случае нелинейна и описывается следующим 
выражением:

Вэ = k2Uк

BC,
(1.1)

где Вэ  яркость свечения экрана; UBC  напряжение видеосигнала, 
подводимого к модулятору кинескопа; при этом к > 1 (к  5/2 для 
прожекторов с электростатической фокусировкой). 

Считая, что промежуточные звенья телевизионного тракта (от 

передающей 
трубки 
до 
кинескопа)
имеют 
линейные 

характеристики (y = l), оптимальной характеристикой свет 
сигнал передающей трубки следует считать зависимость