3.1.13 Телевизионные преобразователи сигнал - цвет

Преобразователи электрических сигналов в оптическом изображении - устройства воспроизведения ТВ изображения – могут быть разделены на устройства прямого наблюдения - монохромные и цветные электронно –лучевые приёмные трубки - кинескопы горловине кинескопа помещается отклоняющая

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, Лабильность их характеристик и т.д.-

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.

202

Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения.

По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в которые 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, в промышленных теле­визионных устройствах ПТУ, видоискателях передающих

телевизи­онных камер и др.

Устройство кинескопа схематически изображено на рисунок 3.33,а. Основными частями являются: стеклянная колба 8, электронно-оптическая система 2, формирующая электронный луч, и люминофорный экран. На горловине кинескопа помещается отклоняющая система 3,

Рисунок 3. 33 - Кине­скоп черно-белого телевидения

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 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

203

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 (рисунок 3.33,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 (рисунок 3.34) образуют: термокатод 1, мо­дулятор 2 и ускоряющий электрод 3. Благодаря высокой разно­сти потенциалов между

а — выход электронов из прожектора;

6— двухлинзовая оптическая система

Рисунок 3.34 - Фокусировка электронного луча

катодом и ускоряющим электродом (U_y =500…800 В ) и малому расстоянию между этими электродами в зо­не иммерсионного объектива создается большая напряженность элек­трического поля, конфигурация сечения эквипотенциальных поверх­ностей которого на рисунок 3.34,а обозначена штриховыми линиями.

204

Эми­тируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерси­онного объектива (рисунок 3.34,а, б) и собираются в плоскости его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером. 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 схемы (рисунок 3.34, б) позволя­ет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эми­тирующей поверхности катода.

Кинескопы цветного телевидения

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 цветоделенным 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 с расположением прожекторов в одной плоскости и линейчатыми люминофорными группами.

Кинескоп с дельтавидным расположением электронных прожек­торов и мозаичным люминофорным экраном имеет существенные не­достатки, основным из которых является сложная система совмеще­ния трех растров и малая прозрачность теневой маски, лимитирую­щей увеличение яркости экрана кинескопа. По этой причине совре­менные телевизионные приемники и мониторы комплектуют кине­скопами с компланарным расположением электронных прожекторов и линейчатой структурой люминофорного экрана.

Масочный кинескоп с компланарным расположением прожекторов. Схематическое изображение масочного кинескопа с компланарным расположением электронных прожекторов предста­влено на рисунок 3.35. Особенностью его устройства является располо­жение осей всех трех электронных прожекторов в одной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинеско­па, а оси двух других зеленых прожекторов повернуты к оси кине­скопа на угол 1,5°. Экран кинескопа представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность

205

которой нанесены чередующиеся по цвету люминофорные полоски трех цветов: красного, зеленого и синего . Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом. Для направления электрон­ных лучей на «свои» люминофорные полоски используется теневая маска , изготовленная из листовой стали, форма которой практически повторяет форму экрана. В маске вырезаны вертикаль­ные прорези — щели, которые имеют горизонтальные перемычки, увеличивающие ее механическую прочность. •

Рисунок 3.35 - Принцип действия компланарного ( планарного )

кинескопа

Принцип попадания электронных лучей на «свои» люминофор­ные полоски заключается в том, что три электронных луча, напра­вленные из трех прожекторов, пересекаются в одной точке, геоме­трическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные полоски. В планарных кинескопах возникают искажения изображения :

- нарушение чистоты цвета ;

- несовмещение изображений от растров ;

- рассовмещение электронных лучей

Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведения лучей, коррекция которого осуществляется методом самосведения лучей.

Основное преимущество кинескопа с компланарным расположением прожекторов по сравнению с дельта – кинескопом заключается в следующем :

- расположение электронных прожекторов в одной плоскости делает

аберрации при отклонении симметричными, что упрощает механизм

206

динамического сведения лучей ;

- повышается яркость свечения экрана кинескопа ;

- улучшается чистота цвета;

- появляется возможность построить кинескопы по принципу самосведения

лучей.

Вo многих цветных телевизорах японского производства применяются кинескопы типа «тринитрон». В отличие от планарных кинескопов они имеют всего одну пушку 1 с тремя катодами (рисунок 3.36). Электростатические пластины 2, уста­новленные на пути движения электронных лучей, производят необходимое сведение пучков. Вместо щелевой маски применя­ется теневая

решетка или апертурная сетка 3, представляю­щая собой вертикально натянутые струны.

Рисунок 3.36 - Принцип действия тринитрона

Структура люминофорного экрана 4 в тринитроне не от­личается от планарного кинескопа. Кинескопы с теневой ре­шеткой мало подвержены деформации при нагреве во время работы, что обеспечивает постоянство чистоты цвета при дли­тельной работе телевизора. Кроме того, вертикальные полоски теневой решетки ортогональны направлению перемещения лу­чей, что приводит к уменьшению муара, возникающего в дель­та - кинескопах, имеющих точечную теневую маску.

Жидкокристаллические и плазменные экраны

С момента появления электронного телеви­дения основным элементом, осуществляющим развертку, был элек­тронный луч, а само изображение воспроизводилось на экране кине­скопа. Максимально угол отклонения электронного луча в кинескопе 110°, в связи с чем увеличение размеров изображения приводило к значительному увеличению габаритов воспроизводящего устройства — телевизора или монитора. Поэтому в течение многих лет и в на­стоящее время идут упорные поиски идей и конструкций, позволя­ющих наблюдать изображение на плоском экране воспроизводяще­го устройства, что. позволяло найти практическую реализацию вос­производящим

207

устройствам на жидких кристаллах и плоским плаз­менным экранам.

Жидкокристаллические воспроизводящие устройства. Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называе­мых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и мо­дуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сиг­нал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), мо­дулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием мо­дулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становит­ся носителем промежуточного изображения (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению

диапозитива). При этом свето­вой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пик­селей ПМС). Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении по­ляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществля­ют деления изображения путем поляризации световых пучков во вза­имно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает толь­ко ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции ко­торой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости по­ляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид бу­дет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией све­та. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Откры­тие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под дей­ствием электростатического или электромагнитного поля позволили создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность кото­рого меняется под действием приложенного напряжения.

Основными элементами модулятора свет являются два скре­щенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристалли­ческая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой мо­жет регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модуля­тора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляриза­ции . Принцип работы жидкокристаллического экрана по­ясняет рисунок 3.37. Экран состоит из нескольких слоев, основными из которых являются две стеклянные пластины 3, на которых нанесены полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя за­зор, который заполняется жидким кристаллом 4. Полосковые решет­ки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электро­дов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота поляризации, а следовательно, и прозрач­ность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляриза­ции которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вер­тикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключа­ет с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осу­ществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.

Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покры­вают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых со­ответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских телевизоров и

208

мониторов работают на просвет. Поэтому обязатель­ным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки. Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экра­на, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требовани­ем к световому потоку, входящему в ЖК ячейку, является его малая расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными

1 — поляризатор; 2 — полосковые электроды; 3 — стеклян­ные пластины;

4 — жидкий кри­сталл; 5— поляризатор-анализатор

Рисунок 3.37 - Конструкция ЖК электронно-оптического модулятора света

поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность вос­производимого изображения. Необходимость направленного светово­го излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране восприни­мается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10...15° относительно нормали к экрану); Отклонение от заданных углов на­блюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана.

Модуляционная характеристика ЖК ячейки су­щественно нелинейна, что заметно снижает число воспроизводимых градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячей­ку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей форму модуляционной характеристики ячейки.

ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопными, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024x768 точек, высокая яркость (200...250 кд/м²) и контрастность 300:1, отсутствие геоме­трических искажений, отсутствие искажения растров и их мелька­ния. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах, карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях бытовых и профессиональных видеокамер.

209

Плоские плазменные экраны. Сравнительно небольшие раз­меры жидкокристаллических экранов и ограниченный угол наблюдения стимулировали разработку плазменных плоских экранов (пане­лей). Работа плазменной панели основана на свечении люминофоров экрана панели под воздействием ультрафиолетовых лучей, возника­ющих при электрическом разряде в плазме (разреженном газе). Кон­структивный элемент, формирующий отдельную точку изображения — пиксель, включает в себя три субпикселя, излучающих три основ­ных цвета RGB. Каждый субпиксель представляет собой отдельную микрокамеру, заполненную разреженным газом, на стенках которой нанесены люминофоры одного из трех основных цветов. Пиксели расположены в точках пересечения прозрачных разрядных электро­дов, образующих прямоугольную сетку (матрицу). Кроме разрядных электродов каждый пиксель снабжен третьим — адресным электро­дом. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, до­статочное для поддержания разряда, но меньшее, чем напряжение зажигания. На адресный электрод подается импульс, размах

кото­рого достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Во время разряда воз­никает мощное ультрафиолетовое излучение, возбуждающее находя­щийся на стенках ячейки люминофор. При этом электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энерге­тические уровни внешних орбит. При возвращении с внешних орбит на прежние уровни электроны излучают кванты света в соответству­ющем данному люминофору красном, зеленом или синем участке ви­димого спектра излучения. Так происходит преобразование ультра­фиолетового излучения в видимую часть спектра.

Коммутационная система плазменной панели с поэлементной тактовой частотой переключает потенциалы на адресные электроды и со строчной частотой — на разрядные электроды. Интенсивность излучения трех люминофоров пикселя определяется длительностью подаваемых на адресные электроды импульсов, поэтому амплитуда сигналов трех основных цветов Ur, U_G, Ub предварительно модули­руются методами широтно-импульсной модуляции.

Прогресс в развитии плазменных панелей идет необычайно бы­стро. Свидетельство тому выпускаемые плазменные телевизоры с размером экрана по диагонали 127 см. Разрешающая способность экрана 1366x768 пиксель. Яркость 400...500 кд/м². Контраст 3000:1. Число воспроизводимых цветов 16 • 10⁶. Существенным недостат­ком плазменных телевизоров является высокая потребляемая мощ­ность и масса.

Проекционные системы

Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения является увеличение размеров воспроизводящего экрана. Большой экран позволяет осуществлять коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах, санаториях или специально созданных теа­трах. Он широко используется при проведении конференц презентаций, в прикладных ТВ системах, например, для имитации окру­жающей обстановки в телевизионных тренажерах, а также при

сле­жении за работой и управлении космическими летательными аппа­ратами.

210

Телевизионное изображение увеличенного размера оказы­вает существенно

большее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект присутствия при наблюдении демонстрируемых событий. Потребность в увеличении экрана, безусловно возрастет в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения.

В настоящее время для получения ТВ изображения на большом экране широко используется проекционные светоклапанные систе­мы, в которых свет от внешнего источника модулируется простран­ственным модулятором света (ПМС). В ПМС под действием моду­лирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент от­ражения модулирующей среды. Интенсивность излучения, а следо­вательно, и яркость экрана таких систем определяются лишь мощ­ностью внешнего источника. В большинстве проекционных свето - клапанных систем в качестве ПМС используется жидкокристалли­ческая ячейка .

Оптическая схема проекционной системы с жидкокристалличе­скими модуляторами света представлена на рис. 7.9. Световой поток, создаваемый высокоэффективной лампой 1, проходит конденсорную систему 2, компенсирующую спад светового потока от центра к пе­риферии. Далее с помощью нормальных 3 и дихроических 4 зеркал световой поток разделяется на три .спектральных составляющих R, G и В первичных цветов. Разделенные световые потоки посредством конденсорной системы 5 направляются на соответствующую панель ЖК, каждая из которых представляет собой пакет из двух скрещен­ных поляризаторов (входного и выходного поляризатора-анализатора 8) и помещенных между ними ЖК ячеек 7. ЖК панели расположены на минимальном расстоянии от дихроической призмы 9, суммирующей модулированные по интенсивности световые потоки первичных цветов и направляющей их в проекционный объектив 10.

Ячейки ЖК панелей образуют матрицу, степень прозрачности каждого пикселя которой определяется дополнительной поляриза­цией ЖК ячейки. Величина дополнительной поляризации является функцией приложенного к данному пикселю напряжения.

Использование поляроидной сепарации в оптической ЖК пане­ли приводит к 50 % потери света на входных поляризаторах, про­пускающих только полезную Р составляющую линейного поляризо­ванного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S-составляющую. Поэтому в современных высокоэф­фективных проекторах применяются конверторы поляризации, пре­образующие составляющую S светового потока в Р .

Появление новых термостойких ЖК панелей, модулирующих при пропускании или отражении световой поток от мощного источ­ника света, обусловило создание компактных видеопроекционных си­стем. Изображение, получаемое с помощью таких систем, обладает высокой разрешающей способностью — 1280x1024 и более и контрас­том 300:1. Яркость изображения зависит от размеров экрана и зна­чения светового потока, излучаемого проектором, который в лучших образцах достигает 2000 лм.

211

1 — источник света; 2— оптический кон­денсатор; 3 — отражающие зеркала;

4 — дихроические зеркала; 5 — кон­денсорная система; 6— поляризатор;

7 — ЖК панель; 8 -— поляризатор-анализатор; 9—дихроическая приз­ма;

10— проекционный объектив

Рисунок 3.38 - Оптическая схема про­екционной системы с

жидкокри­сталлическим модулятором света

Тесты для самопроверки

1. Преобразователи электрических сигналов в оптическое изображение в

цветных электронно - лучевых приемниках осуществляется в

1. Кинескопах

2. Монохромнах

3. Видиконах

4. Плюмбиконах

2. По назначению различают кинескопы

1. Проекционные

2. Проекционные и прямого наблюдения

3. Прямого наблюдения

4. Визульного наблюдения

3 Конструктивный узел электронно- лучевого прибора, состоящий из

катода и ряда электродов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку

и управления плотностью электронного луча называется

1 Стеклянной колбой

2 Люминофорным экраном

3 Электронным прожектором

4 Щелевая маска

212

4 Расположение всех трех электронных прожекторов в одной плоскости

такой кинескоп называется

1. Компланарный

2. Масочный

3. Жидкокристалический

4. Плазменный

5. Максимальный угол отклонения электронного луча в кинескопе составляет

1. 110 ^о

2.  160^о

3.  320^о

4.  240^о

Задача для самостоятельной работы

Задача

Определите яркость экрана площадью S = 0,07 м².( 0,25…0,5 ) При напряжении второго анода кинескопа u₂ = 18 кВ. (12…25 кВ ) и при токе луча I_л = 150 мкА. ( 100…150 мкА ).

Сила света можно определить по формуле

I = k · I_л· u₂ ,

где k - светоотдача экрана, k = 0,1….15 кд / Вт.

I = 0.1· 150 10^-6 ·18· 10³ = 0,27 кд.

Яркость экрана равна

L_эк = I / S ,

L_эк = 0,27 / 0,07 = 3,85 кд /м².

Литература

1 Виноградов В.А. Уроки телемастера. Часть первая: Устройство и ремонт

современных цветных телевизоров. Учебно – справочное пособие. – СПб.:

КОРОНА принт, 2008.-416с.68…82.

2 Джакония В.Е. и др. Телевидение: Учебник для вузов; под ред. В.Е. Джаконии

4-ое изд. Стереотип. – М .: Горячая линия- Телеком, 2007. -616 с: с 135…152

213

Лекция 20

Экспресс - проверка знаний пройденного материала

1 Нарисовать оптическую схему про­екционной системы с

жидкокри­сталлическим модулятором света

2 Нарисовать конструкцию ЖК электронно-оптического модулятора света

3 Нарисовать рисунок кине­скопа черно-белого телевидения

4 Нарисовать рисунок ,который покажет принцип действия компланарного

( планарного ) кинескопа

5 Нарисовать рисунок , который покажет принцип действия тринитрона

После изучения лекции № 20 студент должен знать : принцип работы структурных схем цветного телевизионного приёмника

Уметь : нарисовать структурные схемы цветных телевизионных приёмников

План ( логика ) изложения материала

3.1.14 Структурная схема цветного телевизионного приёмника

3.1.15 Унифицированный стационарный цветной телевизор (УСЦТ).