Opneembuizen voor televisie

Tijdschrift van het Nederlands Radiogenootschap

September 1951

Deel XVI No. 5

Opneembuizen voor televisie

L Indeling en wijze van werken van opneembuizen door H. Bruining

Natuurkundig Laboratorium N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken Eindhoven^Nederland

Voordracht gehouden voor het Nederlands Radio Genootschap op 21 M aart 1951.

SUMMARY

In this paper a general outline is given on different types of pick-up- tubes. A fter an introduction on the two w ays of potential stabilisation of a surface of insulating m aterial by low and high velocity scanning electrons resp., the constructions of the orthicon, image orthicon, vidicon, iconoscope and image iconoscope are discussed. The mechanisms of storage, measuring and wiping out of electric charges due to bom bardm ent by ph otoelectrons or due to photoconductivity are treated in detail. At the end a survey is given of tubes w ith their special names.

H et doel van de televisie is het overbrengen van beelden langs electrische weg en wel met een zodanige snelheid, dat bewegende beelden kunnen w orden overgebracht. In de practijk w ordt dit doel nagestreefd door het uit te zenden beeld op te splitsen in een aantal beeldelem enten; ieder beeldelem ent heeft dus een bepaalde helderheid en het sam enstel van deze elemen­

ten vorm t het totale beeld.

In de opneem -apparatuur w ordt de helderheid van element na element electrisch gemeten, bijvoorbeeld in de vorm van electrische stromen. Deze strom en kunnen langs een kabel of door de aether w orden overgezonden en kunnen w orden ge­

bruikt om aan de ontvangzijde de overeenkomstige elementen van een scherm licht te doen uitzenden met een intensiteit, die overeenkom t met de elementen aan de zendzijde.

210 H. Bruining

D e signaalstroom kan van slechts één beeldelem ent tegelijk w orden uitgezonden. W il men een beeld ontvangen dat van de­

zelfde aard is als dat in de bioscoop, dan dient men per sec. ca. 25 volledige beelden uit te zenden, terw ijl men, om een voldoende definitie te behalen, het beeld moet oplossen in enkele honderd­

duizenden beeldelem enten. M .a.w . het is noodzakelijk om de intensiteit van de beeldelem enten aan de zendzijde te meten in een tijdsduur van de orde van grootte IO ⁷ sec. Cam pbell- Sw inton wees reeds in 1908 op de noodzakelijkheid hiervoor de practisch traagheidsloze electronische apparaturen te gebruiken.

Ter verduidelijking van de methode w aarop hier w ordt ge­

doeld, zal een apparatuur beschreven w orden, die tegenwoordig veel in gebruik is voor het

ovcróeiiien

van filmbeelden (fi S- D

O p het fluorescerend scherm .S van een kathodestraalbuis

A

w ordt een televisieraster geschreven. D it raster w ordt afge- beeld m et de lens

L z

op het over te seinen filmbeeld

C.

H et

A pparatuur voor het opnemen van filmbeelden. A. kathodestraalbuis,

L\ , Li lenzen, B. filmbeeld, C. fotokathode van een multiplier.

doorgelaten licht w ordt met de lens Z^,2 op de fotokathode

C

van een m ultiplier-fotocel geworpen, die daardoor een stroom geeft, w aarvan de grootte fluctueert met de doorlaatbaarheid van de beeldelem enten van de film. M et behulp van dit signaal kan men de intensiteit moduleren van de electronenbundel in een kathodestraalbuis aan de ontvangkant, die synchroon met de bundel in de buis

K

over het fluorescerende scherm bew eegt en op deze wijze het oorspronkelijke filmbeeld w eergeeft.

O p analoge wijze zou het mogelijk zijn het beeld uit te zen­

den van een bepaald voorw erp, door dit op dezelfde wijze te belichten als het filmbeeld en het verstrooide licht op te van­

gen met een fotocel. De practijk leert echter, dat in dit geval de fotostrom en zo klein w orden dat de statistische ruis van de

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 211

foto-electronen in het beeld aan de ontvangzijde zeer hinderlijk zichtbaar w ordt als een soort regen. 1)

H et gebrekkige van deze overigens niet zeer gecompliceerde methode is, dat men ieder beeldelem ent slechts gedurende ^{IO- 7} sec. belicht en het verder met de fotostroom van deze uiteraard beperkte lichthoeveelheid moet stellen. M en kan zich evenwel ook indenken, dat het voorw erp in kw estie continu w ordt be­

licht en dat men het resultaat van de belichting van ieder beeldelem ent gedurende de gehele ^1/25 sec. uitzendt in plaats van het resultaat van de belichting gedurende ^{IO 7} sec.

Als een practische uitvoeringsvorm hiervan kan men zich een stuk gaaf mica voorstellen dat aan een zijde met een doorlopende m etaallaag is bedekt, aan de andere zijde evenwel met een mozaïek van van elkaar gescheiden elementen, die onder bestraling van licht electronen kunnen em itteren. M en heeft dan een groot aantal condensatortjes die opgeladen kunnen w orden en w aar­

van de lading per beeldelem ent in IO ⁷ sec. w ordt geneutraliseerd en gemeten door de condensatoren kort te sluiten met een af­

tastende electronenbundel als schakelaar.

Deze werkwijze is inderdaad gerealiseerd en wel het eerst door Zw orykin in 1933.

Opneem buizen w aarin dit principe w ordt toegepast heten

„storage"-buizen.

Afgezien van enkele buizen voor filmopname w erken alle hedendaagse opneembuizen volgens dit beginsel.

Indeling van de belangrijkste opneembuizen.

In de belangrijkste moderne opneem-buizen voor televisie w ordt met behulp van het lichtbeeld een „potentiaalbeeld" opgebouwd op een „trefplaat", die dan door een gefocusseerde electro­

nenbundel (aftastbundel) punt voor punt w ordt afgetast en teruggebracht op een bepaalde stabilisatiepotentiaal, hetgeen op de een of andere wijze een electrisch signaal oplevert.

De methode die hierbij gebruikt w ordt om een trefplaatele- ment terug te brengen op de stabilisatiepotentaai levert een indeling op van de opneembuizen in tw ee belangrijke groepen.

9 H et verschil is namelijk dat men bij de in fig. 1 geschetste appara­

tuur al het doorgelaten licht kan opvangen in de fotocel, terwijl men in het geval van een voorw erp slechts een zeer klein gedeelte van het in alle richtingen verstrooide licht kan opvangen.

Een isolator zal onder electronenbom bardem ent in één van tw ee stabiele potentiaalsituaties kunnen verkeren, n.¹. :

a) . E r komen geen electronen op terecht en er gaan ook geen electronen af, of

b) . E r gaan evenveel electronen af als erop vallen.

W e zullen nu nagaan hoe een geïsoleerd trefplaatelem ent zich zal gedragen tijdens de beschieting van electronen.

Bij een dergelijke beschieting zullen de opvallende zgn. pri­

maire electronen uit het m ateriaal secundaire electronen vrij­

maken, w aarvan het aantal per opvallend prim air electron af­

hankelijk is van het trefplaatm ateriaal en de snelheid w aarm ee de prim aire electronen aankomen. H et verband tussen het aan­

tal secundaire eletronen per prim air electron en de snelheid der prim aire electronen zal in het algemeen de vorm van tig. ² hebben :

212 H. Bruining

Fig. 2.

Coëfficiënt van secundaire emissie <5 als functie van de energie der prim aire electronen Vpr', Vi en F² zijn de w aarden van Vpr, w aar­

bij <5 = 1.

V oor de meeste m aterialen zijn er tw ee w aarden van

Vpr

w aarbij

ö =

I is: W e noemen de kleinste

Vlf

en de grootste

K -

Bij deze kromme is verondersteld, dat er een collector in de buurt van de trefplaat is, w aarvan de potentiaal hoog genoeg is om alle secundaire electronen die van de trefplaat afkomen naar zich toe te trekken.

Is dit niet het geval, m aar ligt de potentiaal van de collec­

tor bijvoorbeeld ergens tussen

Vx

en

Va

in, dan onstaat een verband tussen de stroom naar de collector en

Vpr,

zoals fig. 3

aangeeft.

Indien namelijk de potentiaal van het trefplaat-elem ent hoger

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 213

is dan die van de collector, dan moeten de in eerste instantie vrijgem aakte secundaire electronen tegen een potentiaalveld in­

lopen om de collector te bereiken en nu hangt het dus geheel af van hun energie en de geometrie van de opstelling of ze hiertoe in staat zijn, of terug zullen vallen op de trefplaat..

In het algemeen is het zo, dat het potentiaal

V3,

w aarbij de secundaire stroom die de collector bereikt net w eer gelijk is aan de prim aire stroom, enkele volts hoger ligt dan de col*

lectorpotentiaal.

U it de figuren 2 en 3 is nu duidelijk te zien, dat er tw ee potentialen zijn, w aar een trefplaatelem ent op gestabiliseerd kan w orden (we zullen

V

² buiten beschouwing laten) door elec- tronenbom bardem ent, n.¹. de potentiaal van de gloeikathode

Aantal secundaire electronen per prim air electron, dat de collector kan bereiken (<5cff} als functie van de energie der prim aire ellectro- nen V/>r. ^Bij Vi is <5 = ¹ ; bij Vo ^zakt <$eff ^{en bij} V^{3 is} — ^1.

Vf>r ^{= 0 en} V/>r = V³ zijn stabiele situaties.

van de aftastbundel

(Vj,r = o)

en J 3, dat is practisch de collec- torpotentiaal.

1. Is de potentiaal van het element namelijk hoger dan die van de kathode, m aar lager dan

Vx

, dan is

d

<C I, zodat de potentiaal zakt to td at de electronen het niet meer kunnen bereiken, dat wil zeggen totdat het element zich op de kathodepotentiaal bevindt.

2. Is de potentiaal hoger dan

VT,

m aar lager dan

V

3, dan is <5 > I , zodat de potentiaal oploopt naar

V3;

en is de potentiaal hoger dan

V

³ dan gaan er minder secundaire electronen naar de collector dan er prim aire op de tref­

plaat vallen, zodat de potentiaal w eer zakt naar

V3.

214 H. Bruining

Opneembuizen w aarin de eerste methode van stabilisatie w ordt toegepast heten „low-velocity” opneembuizen of C(athode) — P(otentiaal) — S(tabilised)-buizen.

D e tw eede methode levert de ,,high-velocity” opneembuizen.

Low-velocily opneembuizen.

AVij willen nu in de eerste plaats de buizen behandelen, die berusten op het principe van de „low-velocity” aftasting. H et aftastm echanism e is op zichzelf zeer eenvoudig. De elementen van de trefplaat, die w orden aangebracht op een stuk gaaf mica, zoals reeds eerder beschreven, w orden door de belichting positief opgeladen en de aftastende bundel neutraliseert de la-

Low-velocity opneembuis (C .P.S. emitron)

(D eze figuur is met weglaten van enkele details ontleend aan J. D. JMcGee, Proc. lnst. E. E. ⁹⁷, 377, 1950).

ding. R esultaat: ieder photo-electrisch geëm itteerd electron geeft een electron signaalstroom . (W e zullen zien, dat het aftastm echanism e bij de high-velocity aftastsystem en veel ge­

com pliceerder is).

In lig. 4 ziet men een concreet voorbeeld van een low -velocity opneembuis en wel een buis, die ongeveer een jaar geleden door E. M . I. op de m arkt is gebracht en de naam draagt C. P. S.

Em itron (,,cathode potential stabilised” om dat de trefplaat op de­

zelfde potentiaal is als de kathode die de aftastbundel opw ekt, in dit geval aarde). Deze buis bestaat uit een electronenkanon dat gem onteerd is in een c³dindrische buis, w aarvan de w and een deel van het electronensysteem uitm aakt. Aan het andere eind is de trefplaat opgesteld. De binnenw and van de cylinder

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 215

is 200 V positief ten opzichte van de kathode van het kanon.

Om de voldoend fijne spot te krijgen op de trefplaat w ordt de bundel geleid door een axiaal magnetisch veld, opgew ekt door de lange spoel. Een electron, dat w ordt geëm itteerd in een zij­

w aartse richting, zal zich bewegen volgens een cycloïde baan, het resultaat van de beweging in een rechte lijn evenwijdig aan het magnetische veld en van de dw arssnelheid van het electron. D e omlooptijden van deze electronen zijn dezelf de, dus treffen ze el­

kaar periodiek in dezelfde punten op de as. Een dergelijk punt moet men dus op de trefplaat zien te krijgen voor het behalen van een goed oplossend vermogen. In de tekening is nog een stel andere spoelen te zien om de uit het kanon tredende bundel te richten evenwijdig aan de as van het lange magnetische veld;

voorts een stel spoelen die voor de afbuiging van de aftastbundel moeten zorgen en w aardoor dus een zaagtandstroom gestuurd w ordt. H et andere stel spoelen voor de afbuiging is niet aangegeven.

V oorts kan men zien, hoe in het C. P. S. emitron het signaal w ordt afgenomen, n.¹. door middel van de spanning over de w eerstand opgenomen in de verbinding van de m etallisering van de trefplaat naar aarde.

Deze buis w ordt in Engeland bij de B.B.C. gebruikt, in het bijzonder voor de buiten-uitzendingen. D e beelden zijn van uit­

stekende kw aliteit m aar er is één bezw aar, dit is, dat de buis niet stabiel is bij zeer hoge belichting. Immers in dat geval kan de potentiaal van de trefplaat of een deel ervan zo hoog worden, dat het aantal secundaire electronen groter w ordt dan het aantal prim aire. Gevolg: het aftasten w ordt nu een high-velocity aftasten, dat minder signaal geeft. H et om­

slaan gaat natuurlijk gepaard met flitsen in het beeld, die met de werkelijkheid niets meer hebben te maken.

V oor dat wij nu verder gaan moet er de nadruk op w orden ge­

legd dat bij het low-velocity aftasten het verband tussen fotostroom van de fotokathode (verlichtingsterkte) en signaalstroom lineair is. D it is de reden, dat men deze buizen ook wel de naam or- thicon heeft gegeven. De eerste orthicon is reeds voor de oorlog door Z w o r y k i n en m edew erkers gerealiseerd.

In de V.S. heeft men gestreefd naar een opneembuis, die zeer gevoelig is en bovendien stabiel. Deze eisen hebben tenslotte geleid tot de verwezelijking van een low -velocity buis, die daar algemeen in gebruik is, in studio en ook buiten, en die de naam draagt van super-im age-orthicon, of kortw eg image- orthicon (R.C.A .).

216 H. Bruining

U it fig. 4 blijkt, dat in het C .P.S. em itron de fotokathode tegelijk trefplaat is. In de super image-orthicon zijn deze functies ge­

scheiden, d.w.z. de fotokathode is een samenhangende doorzichtige laag, w aarvan de geëm itteerde electronen w orden afgebeeld op een isolerende trefplaat, w aarvan het ladingsbeeld door een af- tastbundel w ordt afgetast.

O p deze sectie met electronen optische afbeelding slaat het w oord image. H et voordeel is zonder meer duidelijk: de sam en­

hangende fotokathode is gevoeliger dan de onderbroken laag in het C.P.S. emitron, terw ijl tevens, zoals zal blijken, de sta­

biliteit gegarandeerd is.

D e wijze w aarop het ladingsbeeld w ordt afgetast is hoogst origineel gevonden en daarom willen wij hierop w at uitvoeriger ingaan.

D eflect ie spoel Ringelectrode (aarde)

Secondaire electronen Secondaire

electronen Kathode (aarde;

Output

Multiplier ^{^ ----}Ph oto-kathode

(-60OV) Glasfolie

/

Netje

Fig. 5.

Schematische voorstelling van de super-im age-orthicon (R C A ). Rechts sectie voor electronen optische afbeelding, links aftastsectie. H et „target”

is een dun glasvlies; de ladingen, die door de photo-electronen op het target worden gebracht, worden door de aftastbundel aan de andere zijde geneutraliseerd. (D eze figuur is ontleend aan A. Rose, Advances in Elec­

tronics vol. I, 1948, blz. 131).

In fig. 5 ziet men dat de buis verdeeld is in tw ee gedeelten.

H et linkse gedeelte is de aftastsectie, zoals in het C. P. S.

emitron, m aar de trefplaat is een uiterst dun glazen vlies.

H et rechtse gedeelte is het „image”gedeelte, w aarbij men ziet hoe de fotokathode electronenoptisch op het glazen vlies w ordt afgebeeld. H et idee is nu dat de ladingen, die op het glazen vlies w orden gebracht, door het glas lekken en door de aftastbundel (de linkerkant dus) w orden geneutraliseerd, men ziet tevens dat vlak voor het glazen vlies aan de zijde van de fotokathode een uiterst fijn gaas is aangebracht. D enken we ons nu de kathode

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 217

van het kanon op aardpotentiaal dan kom t ook het vlies bij aftasten op deze potentiaal, het gaas is op enkele volts bóven aardpotentiaal en de fotokathode zelf op bijv. — 200 V. H et ladingspatroon op het glasvlies komt dus to t stand doordat de secundaire electronen van het glasvlies w orden weggezogen door het netje, dat tevens zorgt, dat de potentiaal van het vlies niet zóveel kan stijgen, dat het systeem in een high velocity aftasting om slaat. H et is duidelijk, dat de afstand tussen glas­

vlies en net de capaciteit en dus de hoeveelheid lading bepaalt, die het glasvlies kan opzamelen. Om een voldoend groot ge­

bied van verlichting te kunnen overbruggen moet dus de afstand tussen net en vlies zo klein mogelijk zijn, terw ijl bovendien het netje zó fijn van structuur moet zijn, dat het niet zichtbaar is in het beeld. D it gevoegd bij het feit, dat zowel vlies als netje volkomen vlak dienen te zijn, vereist een techniek, die w el tot de meeste geraffineerde van de buizentechnologie kan w orden gerekend.

In deze buis w ordt het signaal op enigszins andere wijze af­

genomen dan bij het C .P.S. emitron. Laten we van de trefplaat een plaats beschouwen met hoge positieve lading en een zonder lading. V oor het neutraliseren van de positieve lading naar de eerste plaats zullen meer electronen van de aftastbundel nodig zijn, dan voor het neutraliseren van de tw eede plaats. H ebben we nu een

overschot

aan aftastelectronen, dan kunnen we dus in de terugkerende electronenbundel fluctuaties vinden, over­

eenkomende met de geneutraliseerde hoeveelheid lading op de trefplaat.

Bij dit 1 ow-velocity aftastsysteem is de terugkerende bundel vrij gemakkelijk op te vangen, om dat de terugkerende electronen ook cycloïde-achtige banen volgen om de magnetische kracht­

lijnen. M en kan de terugkerende bundel zelfs opvangen in een electronenverm enigvuldiger die om het electronenkanon is ge­

bouwd en zodoende de fluctuerende retourstraal versterken.

(D it kan men natuurlijk ook doen in een orthicon zonder beeld- sectie). Aan deze m ultiplier dankt de buis het praedicaat „super” ; men spreekt ook wel van m ultiplier-orthicon, m aar eigenlijk bestaat er geen uniforme nom enclatuur.

W ij willen over deze buizen niet veel meer zeggen; alleen dit: de image-orlhicon, in de V.S. alom in gebruik, is stellig de gevoeligste opneembuis die thans bestaat. U it een oogpunt van beeld/:w a h t c L t is zij evenwel stellig

niet

de beste. E r treden n.¹. bepaalde beeldfouten op, die inhaerent zijn aan de afbeel-

218 H. Bruining

ding op het glasvlies en die zich uiten in zw arte randen om w itte voorw erpen. O ok de signaal-ruis verhouding is niet zeer gunstig, w aarover meer in het artikel van D rs S c h a g e n .

H et doorlekken van de opgebrachte lading op het glasvlies vereist, dat de specifieke w eerstand van dit vlies kleiner dan lOTOf2cm is. D aar de electrische w eerstand van glas sterk tem- peratuuraf hankelijk is, is een zekere „aanlooptijd” van de buis nodig om tot een beeld van constante kw aliteit te komen.

De reeks low-velocity buizen willen wij thans besluiten met een korte bespreking van een door RG A ontw ikkelde versie van het gewone orthicon, dat bekend staat onder de naam

vl- dicon.

In de tot dusver besproken buizen werd gebruik gem aakt

met fotogeleiding (vgl. „vidicon” R.C.A .). De focusseringsspoel en de deflectiespoelen zijn in deze figuur weggelaten.

van het uitwendig foto-electrisch effect, van de foto-electrische

emióóie.

Bij deze buis w ordt gebruik gem aakt van een laag, w aarvan het electrisch

geleiding óver mogen

verandert door be­

lichting. I n plaats van een m icaplaat met eilandjes, die foto-elec- tronen kunnen em itteren, denken we ons een fotogeleidende laag, die op een metallisch geleidende doorzichtige onderlaag is aan­

gebracht en aan de onbedekte zijde w ordt afgetast. Deze zij de is dus w eer op kathodepotentiaal. In fig. ⁶ vindt men een sche­

matische voorstelling van een voorbeeld van een dergelijke buis.

De metallische onderlaag w ordt op een positieve potentiaal gebracht van bijv. ¹⁰ V. Bij belichting w ordt de laag geleidend en w ordt dus de andere zijde ook positief, die w eer door de aftastende bundel op kathodepotentiaal w ordt teruggebracht.

Signaalafnam e vindt plaats als in het C .P.S. emitron.

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 219

H et voordeel van het gebruik van een dergelijke laag is dat zij aanzienlijk grotere fotostrom en kan geven dan een foto-em itter.

De buis is dus gevoeliger. Een dergelijke buis kan dus een beeldsectie missen en ook een vermenigvuldiging van de retour- straal. C onstructief is de buis zeer simpel.

Toch w ordt de vidicon nog niet voor omroepdoeleinden toe­

gepast. De moeilijkheid is om een goede stof te vinden, die voldoende traagheidsloos en toch gevoelig is. l o t dusver is amorph selenium de enige bekende stof, die redelijk aan de door de televisie gestelde eisen voldoet, m aar te weinig gevoeligheid heeft in het rode deel van het spectrum.

High velocity opneenibuizen

W e zullen ons verder nu bezig houden met opneembuizen van het high velocity type : daarbij zal speciaal over de beeld- iconoscoop w orden gesproken zoals deze in het laboratorium te Eindhoven is gerealiseerd. N adere bijzonderheden w orden gegeven in de tw ee volgende artikelen.

D it type buizen is vrij favoriet op het Europese continent;

een van de redenen is o.a. het vrij hoge lijnenaantal, w aarm ee zal w orden gew erkt, w aardoor de focussering van de aftast- bundel hogere eisen stelt, om dat de „spot” op de trefplaat fijn genoeg moet zijn om het oplossend vermogen te halen, dat be­

antw oordt aan het hoge aantal lijnen.

D ank zij de grotere energie w aarm ee de electronen op de trefplaat vallen in de „high-velocity” opneem-buizen (bijv. ¹⁰⁰⁰ eV olt), is dit probleem hier veel eenvoudiger op te lossen dan in de low -velocity buizen.

M aar ook in Engeland w ordt van de high velocity buizen nog veel gebruik gem aakt.

De Iconoocoop

Feitelijk is de eerste storage buis een high-velocity buis ge­

w eest.

Bij de iconoscoop w ordt op precies dezelfde wijze als bij het C.P.S. emitron een ladingsbeeld gevormd, dat nu echter met een bundel snelle electronen w ordt afgetast. (Hg. 7)

Indien er nu alleen sprake w as van w isselw erking tussen beeldelem ent en collector, zou de iconoscoop nooit een signaal kunnen geven, daar een beeldelem ent na stabilisatie op een po-

220 H. Bruining

tentiaal, die enkele volts boven de collectorpotentiaal ligt, niet in staat zou zijn bij belichting foto-electronen te em itteren tegen het gevormde potentiaalveld in, daar de energie van de foto- electronen kleiner is dan die van de secundaire electronen.

H et is echter duidelijk, dat bij de boven geschetste geometrie van de buis de afstand tussen een beeldelem ent op de trefplaat en de collector groot is, vergeleken met de afstand tot naburige elementen, zodat de omgeving van het beeldelem ent een zeer belangrijke rol zal spelen bij het stabiliseren er van. H et resul­

ta a t is dan ook, dat tijdens het aftasten van een beeldelem ent slechts een deel van de gevormde secundaire electronen de col­

lector kan bereiken; een klein deel valt terug op het oorspron­

kelijke beeldelement, m aar het grootste deel zal terugvallen op

C

Fig. 7.

Schem atische voorstelling van een iconoscoop. De trefplaat T ^{is aan}

de achterzijde bedekt met een samenhangende geleidende laag S P ^,

het mica is aan de aftastzijde bedekt m eteen foto-em itterend m ozaïek;

C is de collector ; K is het electronenkanon ; D zijn de deflectiespoelen.

andere delen van het mozaïek, w aar plaatselijk de potentiaal immers nog hoger is dan die van de collector. D it heet het redistributie-effect van de „high-velocity” buis, dat in principe de werkingswijze van de iconoscoop kan verklaren.

Tf^erk. ingé wijze van de iconoscoop

De potentiaal van een beeldelem ent op de trefplaat zal sche­

matisch met de tijd verlopen, zoals in fig. ⁸ is aangegeven.

Tijdens het aftasten w ordt de potentiaal omhoog gebracht

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 221

to t de stabilisatie-potentiaal. D aarna, tussen tw ee aftastingen in, zal het element continu secundaire electronen opvangen van andere beeldelem enten die afgetast worden. Deze stroom van redistributie-electronen is het grootst vlak na de aftasting, w anneer de potentiaal nog hoog is en de aftastbundel in de nabijheid.

M et belichting zou nu een foto-elem ent op het mozaïek continu foto-electronen moeten em itteren. D oordat direct na de aftas­

ting de potentiaal echter zo hoog is, kunnen de fotoelec- tronen het beeldelem ent niet verlaten om dat deze niet voldende energie bezitten om tegen het gevormde potentiaalveld in te lopen. Pas w anneer de potentiaal w eer voldoende gedaald is

i >

(beeldperiode ï 0)* H et aftasten vindt plaats tussen ^ = 0 en t= T : t ⁼ Ti daalt de potentiaal door de terugvallende electronen. De nagestippelde lijn heeft betrekking op het geval met belichting ; V^{0 —} V⁰

is dus een m aat voor de grootte van het signaal. Voor de betekenis van Vo ^{en F3} zie hg. 3.

door de opgevangen redistributie-electronen zullen ioto-electronen kunnen w orden geëm itteerd. In de practijk is gebleken, dat er pas een verzadigde fotostroom optreedt gedurende ongeveer 5%

van de beeldtijd, vlak voor de nieuwe aftasting. D oor deze emissie van foto-electronen zal de potentiaal vóór de volgende aftasting iets hoger zijn dan in het onbelichte geval, zodat de potentiaalsprong tijdens het aftasten naar de stabilisatiepoten- tiaal kleiner is.

Deze tijdens de beeldperiode plaats vindende verlaging van potentiaal door de redistributie electronen is dus essentieel en

daardoor heeft dit type opneembuizen ook bepaalde speci­

fieke, aangename en onaangename eigenschappen.

Een aangename eigenschap is dat voor de opname van snel be­

wegende objecten deze buizen geschikter zijn dan de low-velo- city buizen, om dat de laatste het beeld opbouwen gedurende de ge­

hele beeldperiode en dus een uitgesm eerd beeld geven, terw ijl de ico- noscoop-achtige buizen slechts gedurende een fractie van de beeld­

periode het beeld opnemen en dus een reeks „momentopnamen”

produceren.

Een tw eede aangenam e eigenschap is dat de potentiaal van de trefplaat nooit belangrijk boven die van de collector kan stijgen, w aardoor de stabiliteit is verzekerd en bovendien de signaalstroom als functie van de fotostroom een neiging tot ver­

zadiging vertoont. In tegenstelling tot de low-velocity aftast- system en is dit systeem niet lineair, w at althans voor de zw art- wit-televisie van voordeel is, zoals in het artikel van D rs Schagen nader zal w orden uiteengezet.

Een onaangename eigenschap is evenwel, dat de redistributie electronen niet alle plaatsen van de trefplaat in dezelfde mate bereiken, d.w.z. dat de potentiaalval tijdens de beeldperiode niet voor alle plaatsen gelijk is, dus ook niet de potentiaal- sprong bij stabilisatie. M en krijgt dus bij aftasten zonder licht

Loch

een signaal, dat wij onecht signaal zullen noemen (Eng. spurious signal). Deze onechte signalen w orden storender naarm ate het lichtniveau daalt en vormen bij dit type opneem­

buizen een begrenzing voor de gevoeligheid.

H et is na het voorafgaande wel duidelijk, dat de iconoscoop vergeleken bij de low-velocity buizen het in gevoeligheid zal afleggen. H oew el er zeer goede beelden mee kunnen w orden verkregen, is de buis zo ongevoelig, dat dit voor de practijk toch wel grote moeilijkheden oplevert. Om een gevoeliger op- neembuis te maken, past men hetzelfde middel toe als bij de low-velocitybuizen nl. scheiding van fotokathode en trefplaat, w aardoor een buis verkregen is, die aanzienlijk gevoeliger is. Deze buis heet image-iconoscope (beeldiconoscoop fig. 9). D e redenen, dat de gevoeligheid toeneem t zijn de volgende :

1. De onderbroken fotokathode w ordt vervangen door een samenhangende (w inst 3 a 4 keer).

2. E r vindt een keer secundaire emissie versterking plaats (w inst 3 tot 4 keer).

3. In de iconoscoop treedt gedurende slechts 5^°/0 van de beeldtijd een verzadigde fotostroom op. Deze fractie is bij de beeld-

222 H. Bruining

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 223

iconoscoop veel groter 30°/o)> om dat de secundaire electro- nen van de trefplaat veel sneller zijn dan de foto-electronen in de iconoscoop; in de beeldiconoscoop behoeft de potentiaal van een beeldelem ent niet zo ver te dalen, opdat de uitge­

zonden secundaire electronen de collector kunnen bereiken._\ M en kan zich afvragen, of men nu ook een super-uitvoering van de beeldiconoscoop zou kunnen maken d.w.z. met multiplier, w aarm ede men dan niet de retourstraal (w ant die is er in deze buizen niet) m aar wel de door de trefplaat uitgezonden secundaire electronen zou kunnen versterken. Inderdaad heeft

Fig. 9.

Schematische voorstelling van een bfeeldiconoscoop. P fotokathode ;

T trefplaat (mica) op achterzijde geleidende laag SP ^; Ccollector ; S” spoel voor electronenoptische afbeelding ; Foc focusseringsspoel ; D deflectie

spoelen ; P9 signaalw eerstaand.

men hieraan wel gedacht; constructief stuit men echter op ta ­ melijk grote moeilijkheden, om dat de secundaire electronen in de iconoscoopachtige buizen zich in alle richtingen bewegen.

N a de voordracht w erd gedem onstreerd :

le. H et „geheugen” van de trefplaat van de beeldiconoscoop.

a) . zonder scanning een beeld op de trefplaat maken.

b) . licht weg, scanning in, het beeld w ordt even zichtbaar.

2e. H et oplossend vermogen van onze beeldiconoscoop is ca.

900 lijnen, we w erken echter m aar met 625 lijnen; er blij­

ven dus gedeelten onafgetast, die een iets andere potenti­

aal hebben dan de afgetaste lijnen. Indien men nu plotse­

ling de beeldam plitude wijzigt, w orden de niet afgetaste lijnen als een soort moiré zichtbaar.

3e. O nechte signalen.

224 H. Bruining Benam ing opneem bu izen.

low velocity”

orthicon (Am.)

C.P.S. em itron (Eng.) orthicon (N ed.)

(super) image orthicon (Am., Eng.) beeldorthicon (N ed.)

vidicon (Am.)

fotokathode

tevens trefplaat

fotokathode en trefplaat gescheiden; m ultiplicatie van retourstraal

fotogeleidende laag tevens trefplaat

high velocity”

iconoscope (Am.) emitron (Eng.) iconoscoop (Ned.)

image iconoscope (Am.) photicon (Eng.)

super emitron (Eng.) eriscope (Fr.)

beeldiconoscoop (N ed)

) fotokathode / tevens

J trefplaat.

fotokathode en

trefplaat gescheiden;

geen multiplicatie

Concladie.

In dit artikel is getracht een overzicht te geven van de be­

staande typen opneembuizen met hun wijdse benamingen. W ij hebben ons in het laboratorium hoofdzakelijk beziggehouden met het high-velocity aftastsysteem en daarm ede een beeldico­

noscoop ontwikkeld, die voor vele doeleinden geschikt is. D rs Schagen zal in zijn artikel enkele eigenschappen van deze beeld­

iconoscoop nader toelichten.

D rs Schagen zal in zijn artikel tevens nog meer in kw anti­

tatieve zin vergelijkende gegevens verschaffen over de ver­

schillende opneembuizen. Ir Francken zal over de electronen- optische problem en in de beeldiconoscoop het een en ander mede­

delen, alsmede over een variabele electronenoptische vergroting, die voor de praktijk van belang kan zijn.

Philips iconoscoop 5852.

66801

Philips beeldiconoscoop 5854.

.

Indeling en wijze van werken van opneembuizen 225

Literatuur*)

A. Rose, Television pick up tubes and the problem of vision.

Advances in Electronics vol. I, 1948, biz. 131.

J. D. M cGee, Electronic generation of television signals, C hapter IV in „Electronics and their application in industry and research” edited by B. Lovell, London Pilot Press 1947.

J. D. M cGee, A review of some television pick up tubes, Proc.

Inst. E. E. p art III

97

^, 377, 1950 (C .P.S. emitron).

Paul K. W eim er, S. V. Forgue and R. R. Goodrich, The vidi- con photoconductive cam era tube, Electronics, M ay 1950

p. 70 (vidicon).

P. Schagen, H . Bruining and J. C. Francken, D e beeldiconos- coop, een opneembuis voor televisie, Philips techn. Tijdschrift,

13

^{, 71, 1951.}

*) D e 1 iteratuur over dit onderw erp is zeer uitgebreid. De bier genoemde artikelen zijn gedeeltelijk referaten en gedeeltelijk publicaties, w aarin meer bijzonderheden te vinden zijn.

Tijdschrift van het Nederlands Radiogenootschap

Opneembuizen voor televisie

IL Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen*

door P. Schagen

Natuurkundig Laboratorium N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken Eindhoven^Nederland

Voordracht gehouden voor het Nederlands Radio Genootschap op 21 M aart 1951.

S U M M A R Y

A comparison is given betw een the perform ances of the four most im­

portant cam era-tube types. The special tubes considered, are :

Tubes w ith low-velocity target stabilization: O rthicon-C . P. S.-emitron

—- Image orthicon-Am erican type 5826.

Tubes w ith high-velocity target stabilization: Iconoscope, Image iconis- cope — D utch type 5854.

The following characteristics are discussed : I. II. III.

I. Characteristics connected w ith the method of target stabilization em­

ployed :

A. Linearity — Gamma B. Effective exposure-time C. Spurious-signal generation

D . S implicity of installation and operation II.

s

ome other characteristics :

A. Signal-to-noise ratio B. Spectral response C. Stability

D . D epth of focus

E. Possibility of black-level restoration III.

s

ensitivity :

For normal broadcasting purposes, w here a good signal-to-noise ratio and reasonable depth of focus are required, the relative sensitivities of the tubes are found to be related as about: Iconoscope: Image iconoscope:

O rthicon: Image orthicon = 1 : 75: 2 5:525.

228 P. Schagen

N ad at in het artikel van D r Bruining iets verteld is over de indeling en werkingswijze van de belangrijkste opneembuizen, zal nu nog iets dieper ingegaan w orden op de speciale eigen­

schappen van de verschillende buizen om zo te kunnen komen tot een onderlinge vergelijking.

Hierbij moeten wij er de nadruk op leggen, dat de gegevens van de orthicon en beeldorthicon aan de literatuur zijn ontleend en niet op eigen waarnem ingen berusten.

V oor een opneembuis is de belangrijkste eigenschap uiteraard hoe de beeldkw aliteit is en hoe deze afhangt van het ver- lichtingsniveau van de op te nemen scène. M en stelt zich hierbij als ideaal een zo hoog mogelijke beeldkw aliteit en een maximale gevoeligheid.

Om na te kunnen gaan hoe de beeldkw aliteit van een be­

paalde buis sam enhangt met het lichtniveau zullen we de eigen­

schappen van de vier voornaam ste opneembuizen eerst iets nader bezien.

D e indeling w as dus als volgt : Buizen met

lage

electronen-

snelheid (orthicon-achtigen)

Orthicon

(C.P.S.-em itron),

Beeldorthicon

De buizen met fotogeleiding, zoals de vidicon, zullen bij deze beoordeling buiten beschouwing blijven om dat deze nog niet voldoende ontw ikkeld zijn voor televisie-uitzendingen.

I.

Eigenschappen die direct samenhangen met de aftastmethode.

A. L i n e a r i t e i t - G a m m a .

Zoals reeds is betoogd, bezitten de buizen met lage electronen- snelheid de eigenschap van volledige accumulatie, d.w.z. ieder electron dat w ordt vrijgem aakt door het foto-electrisch effect draagt bij tot het opbouwen van het potentiaalbeeld om dat het electrisch veld zodanig is, dat ieder foto-electron ol secundair electron hiervan w ordt afgezogen en dus bij het aftasten ver­

tegenwoordigd is in de signaalstroom aan de uitgang van de buis. W anneer men uitzet de signaalstroom als functie van de fotostroom , ontstaat een rechte lijn. V oor de orthicon is de signaalstroom exact gelijk aan de fotostroom en voor de beeld­

orthicon is het een veelvoud van de fotostroom wegens de Buizen met

hoge

electronen- snelheid (iconoscoop-achtigen)

Iconoscoop, Beeldiconoscoop

secundaire-em issie-versterking zowel aan de trefplaat als in de electronenvermenigvuldiger. W agens dit lineaire verband worden orthicon-achtigen lineaire buizen genoemd.

Indien het verband tussen signaalstroom N en fotostroom ¹

/

w ordt voorgesteld door een exponentiële kromme S* = constante.

I/y

w aarbij

y

de contrastcoëfficient w ordt genoemd, dan kan men dus zeggen dat de gamma van de buizen met lage electronen- snelheid gelijk is aan I.

N u heeft het weergeefsysteem zelf ook een gamma, die be­

paald w ordt door het verband tussen bundelstroom en stuur- roosterspanning van de kathodestraalbuis, en die ongeveer gelijk is aan ² — ^2,5 . H et product van deze tw ee gamma's bepaalt de contrastverhouding in het weergegeven beeld en om deze gelijk te maken aan de contrastverhouding in de opgenomen scène moet de totale gamma ongeveer gelijk zijn aan I. De opneembuis moet dus zelf een gamma bezitten die kleiner is dan I, of wel er moet gamma-correctie w orden toegepast in de uitwendige schakeling, w at in principe wel mogelijk m aar vrij ingewi kkeld is.

D e iconoscoop-achtige buizen aan de andere kant zijn niet lineair, om dat de redistributie-electronen bij voorkeur zullen terugkeren naar plaatsen, die door de grotere belichting reeds een hogere potentiaal hebben, zodat de signaalstroom een neiging tot verzadiging vertoont bij toenemende belichting. D it betekent, dat de gamma kleiner is dan ^I en in de practijk blijkt dan ook, dat de contrastw eergave reeds uitstekend is zonder gamma- correctie, hetgeen ongetwijfeld een belangrijk punt is in het voordeel van de buizen met hoge electronensnelheid.

B. E f f e c t i e v e b e l i c h t i n g s t i j d .

Een ander gevolg van de volledige accumulatie in de buizen met lage electronensnelheid is, dat een beeldelem ent gedurende de volle tijd tussen tw ee aftastingen informatie verzamelt. Deze situatie is vergelijkbaar met die bij een film met een belich­

tingstijd van ^0.04 sec (beeldperiode). Snelbewegende voorw erpen geven een vervaagd beeld. Bij de iconoscoop, w aar een beeld­

element alleen in staat is inform atie te verzamelen vlak vóór de volgende aftasting, is deze effectieve belichtingstijd veel korter (ongeveer ^0.004 sec), en het gevolg is dat als het w are een serie scherpe moment-opnamen w ordt gem aakt, die bij een snel bewegend voorw erp op de w aarnem er de indruk m aakt van

Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen 229

230 P. Schagen

een scherpe afbeelding. D e beeldiconoscoop met zijn grotere accumulatie bezit ook een langere effectieve belichtingstijd dan de iconoscoop, m aar toch is deze duidelijk korter dan de beeld- periode. Bij de beeldorthicon is de accumulatie in principe vol­

ledig, m aar voor sterk belichte beeldelem enten kan toch een kleine redistributie van secundaire electronen optreden door de potentiaalbeperkende werking van het rooster voor de trefplaat aan de zijde van de fotokathode, w aardoor in dat geval de effectieve belichtingstijd iets w ordt bekort.

c. o n e c h t e s i g n a l e n .

Terw ijl de tw ee voorafgaande eigenschappen voor de beeld­

kw aliteit in het voordeel zijn van de iconoscoop en beeldiconoscoop, heeft het redistributie-effect, dat voor deze eigenschappen ver­

antw oordelijk is, ook een onaangenaam resultaat tengevolge in de vorm van de onechte signalen, dat zijn dus de signalen, die niet veroorzaakt w orden door belichting. H et resultaat van de ze signalen bij de beeldiconoscoop zal straks w orden gedem onstreerd.

M et toenemende belichting w orden deze onechte signalen niet alleen relatief kleiner ten opzichte van het beeldsignaal, m aar door het toenemende aantal langzame secundaire electronen ook in absolute zin steeds kleiner, aangezien deze langzame elec­

tronen eventuele potentiaalverschillen, die niet door het licht­

effect zelf w orden vergroot, steeds meer uitwissen. In ieder geval is het zo, dat, indien geen speciale m aatregelen w orden genomen, w aar ik straks nog op terug zal komen, deze onechte signalen de ondergrens bepalen van de verlichtingsniveaux, w aarbij de iconoscoop en beeldiconoscoop nog een bruikbare opname kunnen maken. Bij niet te grote onechte signalen kunnen nog wel de zg. „compensatie-signalen” w orden toegevoegd aan het beeldsignaal, die het effect grotendeels compenseren.

D e beeldorthicon heeft ook onechte signalen, die echter van geheel andere aard zijn en het zou te ver voeren hier dieper op in te gaan.

D. E e n v o u d v a n b e d i e n i n g .

Als besluit van het vergelijken van de onderlinge verdiensten van de aftastsystem en moet nog gewezen w orden op het ver­

schil in gecompliceerdheid van de aftasting. Bij de iconoscoop en beeldiconoscoop is een goede focussering van de aftastbundel op eenvoudige wijze te bereiken. V oor de orthicon en beeld-

orthicon ligt de zaak echter geheel anders. H ier moet de af- tastbundel overal exact loodrecht op de trefplaat vallen en moeten de electronen steeds dezelfde snelheid bezitten in de richting van de as, hetgeen hoge eisen stelt aan de instelling van de m agneetspoelen die zorgen voor de afbuigingen en focussering, terw ijl door de geringe snelheid van de electronen het geheel veel gevoeliger w ordt voor geringe stoorvelden en excentriciteiten. H et gevolg hiervan is, dat speciaal w anneer een groot oplossend vermogen geëist w ordt, zoals op het vaste­

land van W est-E uropa, in principe de voorkeur w ordt gegeven aan een buis met hoge electronensnelheid, waa.rbij het oplossend vermogen, dat hier door de hogere lijnenaantallen w ordt geëist, op veel eenvoudiger wijze kan w orden gerealiseerd.

II.

Andere eigenschappen

^.

A. S i g n a a l - r u i s v e r h o u d i n g .

V oor het beoordelen van de beeldkw aliteit van een bepaalde opneembuis is een zeer belangrijk punt de signaal-ruisverhouding.

Aangezien deze verhouding hoofdzakelijk bepaald w ordt door de gevolgde methode van signaalopwekking en versterking, moet hier een principieel onderscheid w orden gem aakt tussen iconos- coop, beeldiconoscoop en orthicon aan de ene kant, en beeld- orthicon aan de andere kant. Bij de eerste drie buizen w ordt de signaalstroom in de leiding van de signaalplaat namelijk norm aal versterkt met een gewone versterker, w aardoor de thermische ruis van de signaalw eerstand en van de eerste ver- sterkbuis een belangrijke rol speelt en zelfs geheel overheer­

send is voor de gebruikelijke signaalgrootte, terw ijl bij de beeld- orthicon de signaalstroom eerst inwendig door secundaire emissie in een electronenverm enigvuldiger w ordt versterkt en het signaal daardoor op een dusdanig niveau w ordt gebracht, dat de ruis, geïntroduceerd bij de daaropvolgende versterking in een uit­

wendige versterker, geen rol meer speelt. N iettegenstaande deze zeer gunstige methode van versterking zal aangetoond w orden dat de beeldorthicon toch ongunstiger is w at ruis be­

treft ten gevolge van de toegepaste methode van signaal-op- wekking.

H iertoe zal een vergelijking w orden gem aakt tussen de beeld­

iconoscoop en de beeldorthicon, w aarbij de iconoscoop en de orthicon vergelijkbaar zijn met de beeldiconoscoop.

Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen 231

232 P. Schagen

S'ignaaL-ruióverhouding in de beeLdiconojcoop.

D e ruisspanning in het beeldsignaal van de beeldiconoscoop isvoor te stellen als te zijn opgebouwd uit de drie belangrijkste componenten:

ruis van straalstroom -f- fotostroom , ruis van de signaalw eerstanden ruis van de eerste versterkbuis, en neemt dan de volgende vorm aan :

. = /? I

⁴

Vruü

=

R l

²^

F ^dl (Ia

⁺ //) + ⁴

k TF\ ^R

^3—

Fr ^R

^aeq

w aarin :

R —

signaalw eerstand = IO" Ö

e —

lading van het electron = 1,6.10^{- 19} Coulomb.

F —

gebruikte bandbreedte = 5 M H z

ör

= secundaire-emissiecoëfficient van de trefplaat zoals deze in de ruis tot uiting kom t : ^ | ⁵

Ia —

aftastbundelstroom

I f

= totale fotostroom

k —

constante van Boltzmann = ¹,³⁸.IO^-2'1 Joule/graad

T —

absolute tem peratuur = ³oo°

K

F-aeq ~

aequivalente ruisw eerstand van de eerste versterkbuis

= ⁷⁵⁰

Q (E F

⁴²

)

C =

parasitaire capaciteit = ²⁰

pF

(geschat) over

R.

M et een gemeten signaalkromme kan nu berekend w orden de signaal-ruisverhouding als functie van de fotostroom overeenko­

mend met de „hoge lichten” (de lichtste plekken in het beeld), w aar­

bij een w aarde van de totale fotostroom gelijk aan ] van de foto­

stroom overeenkomend met de hoge lichten een redelijke w aarde is.

O p d eze wijze ontstaat de volgende ta b e l:

Ia

= ^0,2

jx A

If Fsignaal Fru 2S Fsign.

Overeenkom stige —— voor

F si n

in ju A

ⁱⁿ

m V

in

m F Fru is Fmis

gelijkmatig verdeelde ruis

0,01 B3 ^0,328

4

¹²

0,02 2,5 ^0,328 7,6 ²³

0,03 3,5 ^{0,328 10,7 32}

<r~

komt overeen met max

0,05 5.2 ^{0,329 16 47} voor beeldorthicon type 5620

0,07 6,7 ^{0,329 20 6} l

0,1 8,6 o,33 ^{26 78} ^----komt overeen met max.

0,15 11,4 0,332 34 IO³ voor beeldorthicon type 5628

0,2 13,6 0,333 41 122

o,SI ^{21,326,8 0,3420,356 6275 22187}Ó

Hierbij moet men zich realiseren, dat deze ruis zg. ,,gepiekt"

is met de frequentie, d.w.z. de ruis is niet regelm atig verdeeld over de gehele frequentieband, m aar treedt hoofdzakelijk op in de hoogste frequenties en is dus zichtbaar als een zeer fijne ruis in het beeld (,,sneeuwbui"), w aardoor het effect aanzienlijk minder storend is. Volgens sommige onderzoekers is in dit geval een signaal-ruisverhouding toelaatbaar, die ongeveer IO

db

(factor

3) lager ligt dan in het geval van continu verdeelde ruis.

Signaal-ruiéoer houding in de beeLdorthicon.

Bij de beeldorthicon is de belangrijkste ruisbijdrage afkomstig van statistische fluctuaties in de terugkerende aftastbund el:

l l

= ² r

F (Ia - Is)

,

w aarin

Is

het gedeelte van de stroom voorstelt, dat de beeld- lading heeft moeten compenseren.

D e signaal-ruisverhouding tengevolge van deze fluctuaties is dan :

~ = h e F (Ia -

/,)} '*

h l

Zoals D r Bruining in zijn artikel reeds heeft aangetoond is er een bepaalde maximale w aarde van

Is

, die w ordt bepaald door de capaciteit van een beeldelem ent en de maximale poten- tiaalvariatie van een beeldelem ent op de trefplaat.

Dientengevolge is er ook een maximale signaal-ruisverhouding, die voor de gevoeligste beeldorthicon (type 5820) 35 bedraagt en voor de beeldorthicon, die speciaal w ordt aanbevolen voor studio-gebruik (t³rpe 5826), gelijk is aan 70.

D eze w aarden w orden bereikt, w anneer de verlichtingssterkte zodanig is, dat in de hoge lichten het signaal aan de uitgang net ligt boven de knie in de signaal-fotostroomkrom me.

U it deze formule voor de signaal-ruisverhouding kunnen twee belangrijke conclusies w orden getrokken:

1. D e ruis is gelijkmatig verdeeld over de gehele frequentie­

band en geeft dus een zg. grove ruis.

2. In de donkere partijen van het beeld is

Is

klein en daar­

door is de absolute w aarde van de ruis zelfs nog groter dan voor de lichte partijen.

Beide eigenschappen zijn nadelig voor de beeldkw aliteit, en het

Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen 233

234 P. Schagen

gevolg hiervan is dat bijvoorbeeld bij type 5820, w aarvoor de maximale signaal-ruisverhouding 35 bedraagt, onder alle om­

standigheden een hinderlijk ruisen zichtbaar is in het beeld, te r­

wijl ook type 5826 nooit een zo volledig ruisvrij beeld kan geven als de iconoscoop, beeldiconoscoop of orthicon.

H ier staat echter wel tegenover, dat voor zeer lage lichtni- veaux met deze buizen nog opnamen kunnen w orden gem aakt, die w elisw aar een duidelijk w aarneem bare ruis opleveren, m aar die toch een meer acceptabel beeld geven dan een der vorige buizen bij deze helderheden kan produceren. W e zullen hier nog op terug komen bij het vergelijken van de gevoeligheid der verschillende buizen.

Kromme I : Relatieve spectrale gevoeligheid van het menselijk oog.

Kromme II: Relatieve spectrale gevoeligheid van een SI?-Cs - O - fotokathode.

Kromme III: Relatieve spectrale gevoeligheid van een Z?z-/^-Cr-0-fotokathode.

B.

K teurgevoelig heid.

V oor het weergeven van een juiste contrastverhouding is het noodzakelijk, dat de kleurgevoeligheid van de opneembuis een zo sterk mogelijke overeenkom st vertoont met de spectrale ge­

voeligheid van het menselijk oog.

H et mozaïek in de iconoscoop voldoet in dit opzicht reeds vrij behoorlijk, terw ijl voor de andere drie buizen dit probleem indentiek is en bestaat uit de opgave een sem i-transparante fotokathode te fabriceren, die zo goed mogelijk aan deze eis voldoet. De wS$-£k-tf-kathode is in dit opzicht niet geheel be­

vredigend, daar de gevoeligheidskromme iets naar het blauw verschoven ligt. L atere variaties, w aarbij het

Sb

door

B i

is ver-

vangen en een kleine hoeveelheid

A g

is toegevoegd, zijn in dit opzicht beter (zie figuur).

C.

Stabiliteit.

M et betrekking tot de stabiliteit zijn de iconoscoop en beeld- conoscoop zonder twijfel de beste buizen: ze zijn volkomen stabiel in het bedrijf. D e orthicon is niet stabiel, doordat, zo­

als vanmorgen is aangetoond, bij te hoge belichting de buis kan omslaan tot iconoscoop werking. H oew el de beeldorthicon niet aan dit euvel lijdt, door de potentiaal-beperkende werking van het rooster voor het glasvlies, moeten bij deze buis nauw keu­

rige voorzorgen in acht w orden genomen w at tem peratuur en lichthoeveelheid betreft om de beeldkw aliteit goed te houden, zodat men in dit opzicht de buis ook niet volkomen stabiel zou kunnen noemen.

Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen 235

D.

Scherptediepte.

Een andere belangrijke factor voor de beeldkw aliteit van een bepaalde buis is de scherptediepte die w ordt bepaald door de combinatie buis plus optiek. O nder de scherptediepte ver­

staan we het afstandsgebied van de camera, w aarover het beeld op de buis nog scherp kan w orden genoemd bij scherpstelling op een bepaalde afstand. Als scherp zal hierbij een afbeelding w orden beschouwd, w aarbij de doorsnede van de cirkel, die correspondeert met een punt van het beeld, even groot is als de breedte van één aftastlijn in de opneembuis.

V oor de scherptediepte

s

is op eenvoudige wijze de volgen­

de benaderings formule af te leiden:

jp ^

s —

²

. H h

2. --- w aarin

n D f —

brandpuntsafstand van de lens.

h —

beeldhoogte op de buis.

H

= beeldhoogte van het af te beel­

den voorw erp.

n

= aantal lijnen van het aftasten.

D —

diam eter van de lens.

Voo r een steeds — en

h f

bepaald gezichtsveld en een bepaalde scëne is

H

constant, zodat hieruit de eenvoudige conclusie

236 P. Schagen

volgt, dat de scherptediepte omgekeerd evenredig is met de lensdiam eter.

D it betekent, dat bij een kleiner beeld op de buis (kleinere fotokathode) voor hetzelfde gezichtsveld (kleinere

f )

een lens kan w orden gebruikt met kleinere openingsverhouding

F —

— ,

f

om dat voor dezelfde scherptediepte

D

gelijk moet blijven.

Een voordeel van een kleinere fotokathode is, dat voor het­

zelfde gezichtsveld een lens w ordt gebruikt met kleinere brand­

puntsafstand, w aardoor de afmetingen van de lens-,,turret” op de cam era w orden beperkt en ook de opneembuis zelf kleiner kan w orden gedimensionneerd.

H ier staat tegenover dat voor gevallen, w aarbij de scherpte­

diepte niet zo groot behoeft te zijn, deze kan w orden opgeofferd ten gunste van gevoeligheidswinst, om dat een lens met grotere brandpuntsafstand gem akkelijker een grotere diam eter kan w orden gegeven (minder diafragm eren).

D e verschillende buizen hebben in hun tegenwoordige uit­

voeringsvorm de volgende diam eter van fotokathode of mozaïek:

voor dezelfde scherptediepte en hetzelfde gezichtsveld :

F = f ! D

____________/

Beeldiconoscoop (Philips) 20 mm ^1,75

f z

Beeldorthicon 40 mm ^{3,5 2}

f x

O rthicon (C .P.S .-emitron) 56 mm ^{4,9 2,8}

f z

Iconoscoop (Philips) 150 mm ¹³ 7,5

f x

In de laatste tw ee kolommen van de openingsverhouding

F =

—ƒ

zijn aangegeven de w aarden en de verhouding der brand- puntsafstanden om voor deze buizen een beeld te krijgen met hetzelfde gezichtsveld en dezelfde scherptediepte. D e diam eters

D

van de lenzen zijn daarbij gelijk, zodat steeds evenveel licht w ordt opgevangen van de scène en op de buis geworpen.

E.

Zwart niveau.

De orthicon is de enige buis, w aarm ee zonder meer het zw artniveau kan w orden vastgelegd, d.w.z. in het beeldsignaal kan op eenvoudige wijze w orden aangegeven hoe het signaal-

niveau is, dat overeenkom t met volkomen zw art, hoewel in dat signaal zelf geen niveau aanwezig behoeft te zijn, dat daarm ee overeenkomt. Een volkomen onbelicht beeldelem ent op het mozaïek zal immers tijdens het aftasten geen aanvullende elec- tronen kunnen opnemen uit de aftastbundel, om dat ook geen foto-electronen zijn geëm itteerd. D oor nu tijdens de terugslag van iedere lijn de aftastbundelstroom te onderdrukken zal de daarm ee corresponderende instelling van de potentiaal aan de signaalplaat overeenkomen met volkomen zw art.

In het signaal van de andere buizen moet later in de scha­

keling op kunstm atige wijze een zw artniveau w orden aangebracht, hetgeen bij sterke wisselingen in de belichting aanleiding kan geven tot een plotseling veranderen van het gehele niveau.

D it autom atische zw artniveau van de orthicon is een beslist voordeel, dat deze moeilijkheid voorkomt.

III.

G evoe i ig hc id.

Zo komen we dan uiteindelijk aan een der belangrijkste eigenschappen van de opneembuizen : de gevoeligheid.

H et zou hierbij onjuist zijn de gevoeligheid van opneembuizen te vergelijken zonder daarbij de beeldkw aliteit in acht te nemen.

W e zullen daarom het begrip gevoeligheid van tw ee zijden benaderen. M en kan zich afvragen :

1. W elk lichtniveau is nodig bij een bepaalde buis om een beeld te maken van vergelijkbare goede kw aliteit, dat wil zeggen met dezelfde scherptediepte en ongeveer even kleine ruis.

2. Bij afnemende verlichting neemt de beeldkw aliteit af totdat het beeld niet meer acceptabel is. W^elke factor w erkt hiervoor als begrenzing ?

Ad 1

V oor het vergelijken van de verschillende buizen zal w orden uitgegaan van een optiek, die voor iedere buis dezelfde diam eter, heeft, zodat steeds evenveel licht w ordt opgevangen en ook de scherptediepte gelijk is, terw ijl een zeilde gezichtsveld w ordt aangenomen.

Bij de iconoscoop, beeldiconoscoop en orthicon kan dan de gevoeligheid w orden gesplitst in tw ee gedeelten :

Eigenschappen en onderlinge vergelijking van de opneembuizen 237

a)

H et aantal

ju A

fotostroom per opvallende lumen licht (van 2600° K).

238 P. Schagen

b)

D e signaalstroom in

ju A

per

ju A

fotostroom . Deze tw ee

ongeveer als 'vw aarden liggi

rolgt : en voor de drie genoemde buizen Iconoscoop Beeldiconoscoop O rthicon

(C.P.S.-Em itron) Fotostroom ¹² /

lA/lm

⁴⁵

juA/lm

^{1 5}

juAIlm

Signaalstroom

Fotostroom ca. ^0,05 ca. I ^I

W e hebben gezien, dat voor de drie buizen een signaalstroom van ongeveer o, ^I

juA

nodig is om een bruikbare signaal-ruis- verhouding te geven, die overeenkom t met de maximale signaal- ruisverhouding van ^JO bij de beeldorthicon type 5826. H et blijkt dus, dat hiervoor bij de iconoscoop circa -J- = [,⁶⁷.^{10” 1} lumen nodig is op het mozaïek, bij de beeldiconoscoop ^4-^ = ²,²².^10-3 lumen op de fotokathode en bij de orthicon = ⁶,⁶⁷.^{10- 3} lumen op het mozaïek.

De b eeldkw aliteit is hierbij dan zodanig dat bij iconoscoop en beeldiconoscoop hoegenaamd geen compensatie nodig is voor onechte signalen. D e gevoeligheidsverhouding voor een beeld met dezelfde scherptediepte en signaal-ruisverhouding is dus :

iconoscoop : beeldiconoscoop : orthicon = I : ⁷⁵ : ²⁵.

Bij de beeldorthicon ontstaat de beste beeldkw aliteit met de maximale signaal-ruisverhouding w anneer de verlichting zodanig is, dat in de hoge lichten het signaal net ongeveer een factor 2 boven de knie in de signaal-fotostroom krom m e ligt. D it is voor de beeldorthicon type 5826 het geval bij ^0,6 lux op de fotokathode, hetgeen overeenkom t met ⁴,⁶.IO^-4 lumen op de foto-kathode w aarbij de signaal-ruisverhouding dus gelijk is aan ⁷⁰

.

M en kan nu uitrekenen, dat bij een maximale reflectie in de scène van ongeveer ^20°/0 en een scherptediepte, die overeen­

komt met een lensdiam eter

//$,$,

een dergelijk beeld w ordt verkregen bij een verlichtingssterkte op de scène van circa

200 lux.

V oor dat geval kan nu dus direct w orden omgerekend hoe