Tubo de cámara de video - Video camera tube

tubo vidicón ( 23 pulgadas (17 mm) de diámetro)
Una muestra de una variedad de tubos de cámaras de video experimentales tempranos de 1954, con Vladimir K. Zworykin, quien inventó el iconoscopio.

Los tubos de las cámaras de video eran dispositivos basados ​​en el tubo de rayos catódicos que se usaban en las cámaras de televisión para capturar imágenes de televisión antes de la introducción de los sensores de imagen del dispositivo de carga acoplada (CCD) en la década de 1980. Se utilizaron varios tipos diferentes de tubos desde principios de la década de 1930 y hasta finales de la década de 1990.

En estos tubos, el rayo catódico se escaneó a través de una imagen de la escena que se iba a transmitir. La corriente resultante dependía del brillo de la imagen en el objetivo. El tamaño del rayo impactante era pequeño en comparación con el tamaño del objetivo, permitiendo 483 líneas de escaneo horizontal por imagen en el formato NTSC , 576 líneas en PAL y hasta 1035 líneas en HiVision .

Tubo de rayos catódicos

Cualquier tubo de vacío que funcione con un haz de electrones enfocado, originalmente llamado rayos catódicos , se conoce como tubo de rayos catódicos (CRT). Por lo general, estos se ven como dispositivos de visualización que se utilizan en receptores de televisión y pantallas de computadora más antiguos (es decir, que no son de pantalla plana ). Los tubos de captación de la cámara que se describen en este artículo también son CRT, pero no muestran ninguna imagen.

Investigaciones tempranas

En junio de 1908, la revista científica Nature publicó una carta en la que Alan Archibald Campbell-Swinton , miembro de la Royal Society ( Reino Unido ), discutía cómo se podría realizar un sistema de televisión completamente electrónico mediante el uso de tubos de rayos catódicos (o tubos "Braun", después de su inventor, Karl Braun ) como dispositivos de visualización y de imagen. Señaló que "las verdaderas dificultades residen en idear un transmisor eficiente", y que es posible que "ningún fenómeno fotoeléctrico conocido en la actualidad proporcione lo que se requiere". Un tubo de rayos catódicos fue demostrado con éxito como dispositivo de visualización por el profesor alemán Max Dieckmann en 1906, sus resultados experimentales fueron publicados por la revista Scientific American en 1909. Campbell-Swinton luego amplió su visión en un discurso presidencial dado a la Sociedad Röntgen en noviembre de 1911. La pantalla fotoeléctrica del dispositivo de transmisión propuesto era un mosaico de cubos de rubidio aislados. Su concepto de un sistema de televisión completamente electrónico fue popularizado más tarde por Hugo Gernsback como el "Sistema de escaneo electrónico Campbell-Swinton" en el número de agosto de 1915 de la popular revista Electrical Experimenter .

En una carta a Nature publicada en octubre de 1926, Campbell-Swinton también anunció los resultados de algunos "experimentos no muy exitosos" que había realizado con GM Minchin y JCM Stanton. Habían intentado generar una señal eléctrica proyectando una imagen sobre una placa de metal recubierta de selenio que fue escaneada simultáneamente por un haz de rayos catódicos . Estos experimentos se llevaron a cabo antes de marzo de 1914, cuando Minchin murió, pero luego fueron repetidos por dos equipos diferentes en 1937, por H. Miller y JW Strange de EMI , y por H. Iams y A. Rose de RCA . Ambos equipos lograron transmitir imágenes "muy tenues" con la placa recubierta de selenio original de Campbell-Swinton, pero se obtuvieron imágenes mucho mejores cuando la placa de metal se cubrió con sulfuro de zinc o seleniuro, o con aluminio u óxido de circonio tratado con cesio. Estos experimentos formarían la base del futuro vidicón . Una descripción de un dispositivo de imágenes CRT también apareció en una solicitud de patente presentada por Edvard-Gustav Schoultz en Francia en agosto de 1921, y publicada en 1922, aunque no se demostró un dispositivo funcional hasta algunos años después.

Disector de imágenes

Tubo disector de imágenes Farnsworth de 1931

Un disector de imágenes es un tubo de cámara que crea una "imagen electrónica" de una escena a partir de emisiones de fotocátodos (electrones) que pasan a través de una abertura de exploración a un ánodo , que sirve como detector de electrones. Entre los primeros en diseñar un dispositivo de este tipo se encontraban los inventores alemanes Max Dieckmann y Rudolf Hell , que habían titulado su solicitud de patente de 1925 Lichtelektrische Bildzerlegerröhre für Fernseher ( Tubo disector de imágenes fotoeléctricas para televisión ). El término puede aplicarse específicamente a un tubo disector que emplea campos magnéticos para mantener enfocada la imagen del electrón , un elemento que falta en el diseño de Dieckmann e Hell, y en los primeros tubos disectores construidos por el inventor estadounidense Philo Farnsworth .

Dieckmann e Hell presentaron su solicitud a la oficina de patentes alemana en abril de 1925, y se emitió una patente en octubre de 1927. Sus experimentos con el disector de imágenes se anunciaron en el volumen 8 (septiembre de 1927) de la popular revista Discovery y en el de mayo de 1928 número de la revista Radio Popular . Sin embargo, nunca transmitieron una imagen clara y bien enfocada con un tubo de este tipo.

En enero de 1927, el inventor y pionero de la televisión estadounidense Philo T. Farnsworth solicitó una patente para su sistema de televisión que incluía un dispositivo para "la conversión y disección de la luz". Su primera imagen en movimiento se transmitió con éxito el 7 de septiembre de 1927, y se emitió una patente en 1930. Farnsworth rápidamente hizo mejoras en el dispositivo, entre ellas la introducción de un multiplicador de electrones hecho de níquel y el uso de un "campo magnético longitudinal" con el fin de realizar mejoras bruscas. enfocar la imagen del electrón . El dispositivo mejorado fue demostrado a la prensa a principios de septiembre de 1928. La introducción de un multipactor en octubre de 1933 y un "multiplicador de electrones" de múltiples nodos en 1937 hicieron del disector de imágenes de Farnsworth la primera versión práctica de un dispositivo de imágenes completamente electrónico para televisión. Desafortunadamente, tenía una sensibilidad a la luz muy pobre y, por lo tanto, era principalmente útil solo donde la iluminación era excepcionalmente alta (generalmente más de 685 cd / m 2 ). Sin embargo, era ideal para aplicaciones industriales, como monitorear el interior brillante de un horno industrial. Debido a su escasa sensibilidad a la luz, los disectores de imágenes rara vez se utilizaban en las retransmisiones televisivas, excepto para escanear películas y otras transparencias.

En abril de 1933, Farnsworth presentó una solicitud de patente también titulada Image Dissector , pero que en realidad detallaba un tubo de cámara tipo CRT . Esta es una de las primeras patentes en proponer el uso de un rayo de exploración de "baja velocidad" y RCA tuvo que comprarlo para vender tubos de orticón de imágenes al público en general. Sin embargo, Farnsworth nunca transmitió una imagen clara y bien enfocada con un tubo de este tipo.

Operación

El sistema óptico del disector de imágenes enfoca una imagen en un fotocátodo montado dentro de un alto vacío. Cuando la luz incide en el fotocátodo, se emiten electrones en proporción a la intensidad de la luz (ver efecto fotoeléctrico ). Toda la imagen de electrones se desvía y una abertura de exploración permite que solo los electrones que emanan de un área muy pequeña del fotocátodo sean capturados por el detector en un momento dado. La salida del detector es una corriente eléctrica cuya magnitud es una medida del brillo del área correspondiente de la imagen. La imagen electrónica se desvía periódicamente horizontal y verticalmente (" exploración de trama ") de modo que el detector lee la imagen completa muchas veces por segundo, lo que produce una señal eléctrica que se puede transmitir a un dispositivo de visualización , como un monitor CRT, para reproducir la imagen.

El disector de imágenes no tiene la característica de " almacenamiento de carga "; la gran mayoría de los electrones emitidos por el fotocátodo son excluidos por la apertura de exploración y, por lo tanto, se desperdician en lugar de almacenarse en un objetivo fotosensible, como en el iconoscopio o el orticón de imagen (ver más abajo), lo que explica en gran medida su baja sensibilidad a la luz .

Iconoscopio

Zworykin sosteniendo un tubo de iconoscopio
Diagrama del iconoscopio, de la patente de 1931 de Zworykin

Un iconoscope es un tubo de cámara que proyecta una imagen en un especial de almacenamiento de carga placa que contiene un mosaico de gránulos fotosensibles aislados eléctricamente separada de una placa común por una fina capa de material aislante, algo análoga a la del ojo humano 's retina y su disposición de fotorreceptores . Cada gránulo fotosensible constituye un pequeño condensador que se acumula y almacena carga eléctrica en respuesta a la luz que lo golpea. Un haz de electrones barre periódicamente la placa, escaneando eficazmente la imagen almacenada y descargando cada condensador a su vez, de modo que la salida eléctrica de cada condensador sea proporcional a la intensidad media de la luz que lo golpea entre cada evento de descarga.

Después de que el ingeniero húngaro Kálmán Tihanyi estudiara las ecuaciones de Maxwell , descubrió un nuevo fenómeno físico hasta ahora desconocido, que condujo a un gran avance en el desarrollo de dispositivos electrónicos de imágenes. Llamó al nuevo fenómeno como principio de almacenamiento de carga. (Más información: Principio de almacenamiento de carga ) El problema de la baja sensibilidad a la luz que da como resultado una baja salida eléctrica de los tubos transmisores o de cámara se resolvería con la introducción de la tecnología de almacenamiento de carga por parte del ingeniero húngaro Kálmán Tihanyi a principios de 1925. Su La solución fue un tubo de cámara que acumulaba y almacenaba cargas eléctricas ( fotoelectrones ) dentro del tubo a lo largo de cada ciclo de exploración. El dispositivo se describió por primera vez en una solicitud de patente que presentó en Hungría en marzo de 1926 para un sistema de televisión al que llamó Radioskop. Después de más refinamientos incluidos en una solicitud de patente de 1928, la patente de Tihanyi fue declarada nula en Gran Bretaña en 1930, por lo que solicitó patentes en los Estados Unidos. La idea de almacenamiento de carga de Tihanyi sigue siendo un principio básico en el diseño de dispositivos de imágenes para televisión hasta el día de hoy.

En 1923, mientras trabajaba en Westinghouse Electric Corporation en Pittsburgh, Pensilvania, el ingeniero estadounidense nacido en Rusia Vladimir Zworykin presentó un proyecto para un sistema de televisión totalmente electrónico al director general de la empresa. En julio de 1925, Zworykin presentó una solicitud de patente titulada Sistema de televisión que incluía una placa de almacenamiento de carga construida con una capa delgada de material aislante (óxido de aluminio) intercalada entre una pantalla (malla 300) y un depósito coloidal de material fotoeléctrico (hidruro de potasio) que consiste en de glóbulos aislados. La siguiente descripción se puede leer entre las líneas 1 y 9 de la página 2: "El material fotoeléctrico, como el hidruro de potasio, se evapora sobre el óxido de aluminio u otro medio aislante, y se trata para formar un depósito coloidal de hidruro de potasio consistente en de glóbulos diminutos. Cada glóbulo es muy activo fotoeléctricamente y constituye, a todos los efectos, una diminuta célula fotoeléctrica individual ". Su primera imagen se transmitió a finales del verano de 1925 y se emitió una patente en 1928. Sin embargo, la calidad de la imagen transmitida no impresionó a HP Davis, el director general de Westinghouse , y se le pidió a Zworykin que "trabajara en algo útil". Zworykin también presentó una patente para un sistema de televisión en 1923, pero esta presentación no es una referencia definitiva porque se realizaron amplias revisiones antes de que se emitiera una patente quince años después y el archivo en sí se dividió en dos patentes en 1931.


El primer iconoscopio práctico fue construido en 1931 por Sanford Essig, cuando accidentalmente dejó una hoja de mica plateada en el horno durante demasiado tiempo. Al examinarlo con un microscopio, notó que la capa de plata se había roto en una miríada de diminutos glóbulos de plata aislados. También notó que, "la diminuta dimensión de las gotas de plata mejoraría la resolución de la imagen del iconoscopio en un salto cuántico". Como jefe de desarrollo de televisión en Radio Corporation of America (RCA) , Zworykin presentó una solicitud de patente en noviembre de 1931 y se emitió en 1935. Sin embargo, el equipo de Zworykin no era el único grupo de ingenieros que trabajaba en dispositivos que usaban una placa de almacenamiento de carga. En 1932, los ingenieros de EMI , Tedham y McGee, bajo la supervisión de Isaac Shoenberg, solicitaron una patente para un nuevo dispositivo al que llamaron "Emitron". Un servicio de radiodifusión de 405 líneas que emplea el Emitron comenzó en los estudios de Alexandra Palace en 1936, y las patentes se emitieron en el Reino Unido en 1934 y en los Estados Unidos en 1937.

El iconoscopio se presentó al público en general en una conferencia de prensa en junio de 1933, y se publicaron dos artículos técnicos detallados en septiembre y octubre del mismo año. A diferencia del disector de imágenes de Farnsworth, el iconoscopio de Zworykin era mucho más sensible, útil con una iluminación en el objetivo entre 4 ft-c (43 lx ) y 20 ft-c (215 lx ). También fue más fácil de fabricar y produjo una imagen muy clara. El iconoscopio fue el tubo de cámara principal utilizado por la radiodifusión RCA desde 1936 hasta 1946, cuando fue reemplazado por el tubo de imagen orthicon.

Super-Emitron e iconoscopio de imagen

El iconoscopio original era ruidoso, tenía una alta relación de interferencia a señal y, en última instancia, dio resultados decepcionantes, especialmente en comparación con los sistemas de escaneo mecánico de alta definición que estaban disponibles en ese momento. El equipo de EMI bajo la supervisión de Isaac Shoenberg analizó cómo el Emitron (o iconoscopio) produce una señal electrónica y concluyó que su eficiencia real era solo alrededor del 5% del máximo teórico. Esto se debe a que los electrones secundarios liberados del mosaico de la placa de almacenamiento de carga cuando el rayo de exploración lo atraviesa pueden ser atraídos hacia el mosaico cargado positivamente, neutralizando así muchas de las cargas almacenadas. Lubszynski, Rodda y McGee se dieron cuenta de que la mejor solución era separar la función de fotoemisión de la de almacenamiento de carga, por lo que comunicaron sus resultados a Zworykin.

El nuevo tubo de cámara de vídeo desarrollado por Lubszynski, Rodda y McGee en 1934 fue denominado "el super-Emitron". Este tubo es una combinación del disector de imágenes y el Emitron. Posee un eficiente fotocátodo que transforma la luz de la escena en una imagen de electrones; este último se acelera luego hacia un objetivo especialmente preparado para la emisión de electrones secundarios . Cada electrón individual de la imagen electrónica produce varios electrones secundarios después de alcanzar el objetivo, de modo que se produce un efecto de amplificación. El objetivo está construido con un mosaico de gránulos metálicos aislados eléctricamente separados de una placa común por una fina capa de material aislante, de modo que la carga positiva resultante de la emisión secundaria se almacena en los gránulos. Finalmente, un haz de electrones barre periódicamente el objetivo, escaneando de manera efectiva la imagen almacenada, descargando cada gránulo y produciendo una señal electrónica como en el iconoscopio.

El super-Emitron era entre diez y quince veces más sensible que los tubos originales de Emitron y del iconoscopio y, en algunos casos, esta proporción era considerablemente mayor. Fue utilizado para una transmisión al aire libre por la BBC, por primera vez, el Día del Armisticio de 1937, cuando el público en general pudo ver en un televisor cómo el Rey depositó una ofrenda floral en el Cenotafio. Esta fue la primera vez que alguien pudo transmitir una escena callejera en vivo desde las cámaras instaladas en el techo de los edificios vecinos.

Por otro lado, en 1934, Zworykin compartió algunos derechos de patente con la empresa concesionaria alemana Telefunken. El iconoscopio de imágenes (Superikonoskop en Alemania) se produjo como resultado de la colaboración. Este tubo es esencialmente idéntico al super-Emitron, pero el objetivo está construido con una capa delgada de material aislante colocado sobre una base conductora, falta el mosaico de gránulos metálicos. La producción y comercialización del super-Emitron y el iconoscopio de imágenes en Europa no se vieron afectadas por la guerra de patentes entre Zworykin y Farnsworth, porque Dieckmann e Hell tenían prioridad en Alemania para la invención del disector de imágenes, habiendo presentado una solicitud de patente para su Lichtelektrische. Bildzerlegerröhre für Fernseher ( Tubo disector de imágenes fotoeléctricas para televisión ) en Alemania en 1925, dos años antes de que Farnsworth hiciera lo mismo en los Estados Unidos.

El iconoscopio de imágenes (Superikonoskop) se convirtió en el estándar industrial para la radiodifusión pública en Europa desde 1936 hasta 1960, cuando fue reemplazado por los tubos vidicón y plumbicón. De hecho, fue el representante de la tradición europea en tubos electrónicos compitiendo con la tradición estadounidense representada por la imagen orthicon. La empresa alemana Heimann produjo el Superikonoskop para los Juegos Olímpicos de Berlín de 1936, posteriormente Heimann también lo produjo y comercializó de 1940 a 1955, finalmente la empresa holandesa Philips produjo y comercializó el iconoscopio de imágenes y multicon de 1952 a 1958.

Operación

El super-Emitron es una combinación del disector de imágenes y el Emitron. La imagen de la escena se proyecta sobre un eficiente fotocátodo semitransparente de película continua que transforma la luz de la escena en una imagen de electrones emitidos por luz, esta última se acelera (y enfoca ) a través de campos electromagnéticos hacia un objetivo especialmente preparado para la emisión de electrones secundarios . Cada electrón individual de la imagen electrónica produce varios electrones secundarios después de alcanzar el objetivo, de modo que se produce un efecto de amplificación y la carga positiva resultante es proporcional a la intensidad integrada de la luz de la escena. El objetivo está construido con un mosaico de gránulos metálicos aislados eléctricamente separados de una placa común por una fina capa de material aislante, de manera que la carga positiva resultante de la emisión secundaria se almacena en el condensador formado por el gránulo metálico y la placa común. Finalmente, un rayo de electrones barre periódicamente el objetivo, escaneando efectivamente la imagen almacenada y descargando cada capacitor a su vez, de modo que la salida eléctrica de cada capacitor sea proporcional a la intensidad promedio de la luz de la escena entre cada evento de descarga (como en el iconoscopio) .

El iconoscopio de imagen es esencialmente idéntico al super-Emitron, pero el objetivo está construido con una fina capa de material aislante colocado encima de una base conductora, falta el mosaico de gránulos metálicos. Por lo tanto, los electrones secundarios se emiten desde la superficie del material aislante cuando la imagen electrónica alcanza el objetivo, y las cargas positivas resultantes se almacenan directamente sobre la superficie del material aislado.

Orthicon y CPS Emitron

El iconoscopio original era muy ruidoso debido a los electrones secundarios liberados del mosaico fotoeléctrico de la placa de almacenamiento de carga cuando el rayo de exploración lo atravesó. Una solución obvia fue escanear el mosaico con un haz de electrones de baja velocidad que produjera menos energía en la vecindad de la placa de modo que no se emitieran electrones secundarios. Es decir, se proyecta una imagen sobre el mosaico fotoeléctrico de una placa de almacenamiento de carga, de modo que allí se producen y almacenan cargas positivas por fotoemisión y capacitancia , respectivamente. Estas cargas almacenadas son luego descargadas suavemente por un haz de barrido de electrones de baja velocidad , evitando la emisión de electrones secundarios. No todos los electrones del haz de exploración pueden ser absorbidos en el mosaico, porque las cargas positivas almacenadas son proporcionales a la intensidad integrada de la luz de la escena. Los electrones restantes se desvían hacia el ánodo, son capturados por una rejilla especial o devueltos a un multiplicador de electrones .

Los tubos de haz de barrido de baja velocidad tienen varias ventajas; hay bajos niveles de señales espúreas y alta eficiencia de conversión de luz en señal, de modo que la salida de señal es máxima. Sin embargo, también existen serios problemas, porque el haz de electrones se propaga y acelera en una dirección paralela al objetivo cuando escanea los bordes y esquinas de la imagen, de modo que produce electrones secundarios y se obtiene una imagen que está bien enfocada en el centro. pero borroso en las fronteras. Henroteau fue uno de los primeros inventores en proponer en 1929 el uso de electrones de baja velocidad para estabilizar el potencial de una placa de almacenamiento de carga, pero Lubszynski y el equipo de EMI fueron los primeros ingenieros en transmitir una imagen clara y bien enfocada con dicho tubo. Otra mejora es el uso de una placa de almacenamiento de carga semitransparente. Luego, la imagen de la escena se proyecta en la parte posterior de la placa, mientras que el haz de electrones de baja velocidad escanea el mosaico fotoeléctrico en la parte frontal. Esta configuración permite el uso de un tubo de cámara recto, porque la escena a transmitir, la placa de almacenamiento de carga y el cañón de electrones se pueden alinear uno tras otro.

Cámara de televisión CPS Emitron

El primer tubo de haz de exploración de baja velocidad completamente funcional, el CPS Emitron, fue inventado y demostrado por el equipo de EMI bajo la supervisión de Sir Isaac Shoenberg . En 1934, los ingenieros de EMI Blumlein y McGee solicitaron patentes para sistemas de transmisión de televisión en los que una placa de almacenamiento de carga estaba protegida por un par de rejillas especiales , una rejilla negativa (o ligeramente positiva) estaba muy cerca de la placa y una positiva era colocado más lejos. La velocidad y la energía de los electrones en el rayo de exploración se redujeron a cero por el campo eléctrico de desaceleración generado por este par de rejillas, por lo que se obtuvo un tubo de rayo de exploración de baja velocidad. El equipo de EMI siguió trabajando en estos dispositivos, y Lubszynski descubrió en 1936 que se podía producir una imagen clara si la trayectoria del rayo de escaneo de baja velocidad fuera casi perpendicular (ortogonal) a la placa de almacenamiento de carga en un vecindario. El dispositivo resultante se denominó Emitron estabilizado de potencial catódico, o CPS Emitron. La producción industrial y comercialización del CPS Emitron tuvo que esperar hasta el final de la Segunda Guerra Mundial .

Al otro lado del Atlántico , el equipo de RCA dirigido por Albert Rose comenzó a trabajar en 1937 en un dispositivo de rayo de escaneo de baja velocidad al que llamaron orticón. Iams y Rose resolvieron el problema de guiar el rayo y mantenerlo enfocado instalando placas de deflexión y bobinas de deflexión especialmente diseñadas cerca de la placa de almacenamiento de carga para proporcionar un campo magnético axial uniforme. El orticón fue el tubo utilizado en la demostración televisiva de RCA en la Feria Mundial de Nueva York de 1939 , su desempeño fue similar al del iconoscopio de imagen, pero también fue inestable bajo repentinos destellos de luz brillante, produciendo "la apariencia de una gran gota de agua". evaporándose lentamente sobre parte de la escena ".

Imagen orthicon

Esquema de la imagen del tubo orticónico
Un tubo de cámara de televisión orthicon de imagen RCA Radiotron de la década de 1960
Un tubo de cámara de televisión RCA Radiotron Image Orthicon de la década de 1960

El orticón de imagen (a veces abreviado IO), fue común en la radiodifusión estadounidense desde 1946 hasta 1968. Una combinación del disector de imágenes y las tecnologías de orticón , reemplazó al iconoscopio en los Estados Unidos, que requería una gran cantidad de luz para funcionar adecuadamente.

El tubo orticónico de imagen fue desarrollado en RCA por Albert Rose, Paul K. Weimer y Harold B. Law. Representó un avance considerable en el campo de la televisión, y después de un trabajo de desarrollo adicional, RCA creó modelos originales entre 1939 y 1940. El Comité de Investigación de Defensa Nacional celebró un contrato con RCA en el que la NDRC pagó por su desarrollo posterior. Tras el desarrollo de RCA del tubo de orticón de imagen más sensible en 1943, RCA firmó un contrato de producción con la Marina de los EE. UU. , Los primeros tubos se entregaron en enero de 1944. RCA comenzó la producción de orticones de imagen para uso civil en el segundo trimestre de 1946.

Mientras que el iconoscopio y el orticón intermedio usaban capacitancia entre una multitud de colectores sensibles a la luz pequeños pero discretos y una placa de señal aislada para leer información de video, el orticón de imagen empleaba lecturas de carga directa de un colector continuo cargado electrónicamente. La señal resultante era inmune a la mayor parte de la diafonía de señales extrañas de otras partes del objetivo y podía producir imágenes extremadamente detalladas. Por ejemplo, la NASA todavía usaba cámaras de imagen orthicon para capturar los cohetes Apolo / Saturno que se acercaban a la órbita, aunque las cadenas de televisión habían eliminado las cámaras. Solo ellos podrían proporcionar suficientes detalles.

Una cámara de imagen orticona puede tomar imágenes de televisión a la luz de una vela debido al área sensible a la luz más ordenada y a la presencia de un multiplicador de electrones en la base del tubo, que funciona como un amplificador de alta eficiencia. También tiene una curva de sensibilidad a la luz logarítmica similar a la del ojo humano . Sin embargo, tiende a destellar con luz brillante, lo que hace que se vea un halo oscuro alrededor del objeto; esta anomalía se denominó florecimiento en la industria de la radiodifusión cuando los tubos de imágenes orthicon estaban en funcionamiento. Los orticonos de imagen se utilizaron ampliamente en las primeras cámaras de televisión en color, donde la mayor sensibilidad del tubo era esencial para superar el sistema óptico muy ineficiente de la cámara.

El tubo ortocónico de imagen fue en un momento conocido coloquialmente como Immy. Harry Lubcke , el entonces presidente de la Academia de Artes y Ciencias de la Televisión , decidió que su premio llevara este apodo. Dado que la estatuilla era femenina, se feminizó en Emmy .

Operación

Un orticón de imagen consta de tres partes: un fotocátodo con un almacén de imágenes (objetivo), un escáner que lee esta imagen (un cañón de electrones ) y un multiplicador de electrones de varias etapas.

En el almacén de imágenes, la luz incide sobre el fotocátodo, que es una placa fotosensible con un potencial muy negativo (aproximadamente -600 V), y se convierte en una imagen electrónica (un principio tomado del disector de imágenes). Esta lluvia de electrones se acelera luego hacia el objetivo (una placa de vidrio muy delgada que actúa como un semi-aislante) al potencial de tierra (0 V), y pasa a través de una malla de alambre muy fina (casi 200 cables por cm), muy cerca (a unas centésimas de cm) y paralelo al objetivo, actuando como una rejilla de pantalla a un voltaje ligeramente positivo (aproximadamente +2 V). Una vez que los electrones de la imagen alcanzan el objetivo, provocan una salpicadura de electrones por efecto de la emisión secundaria . En promedio, cada electrón de imagen expulsa varios electrones de salpicadura (agregando así amplificación por emisión secundaria), y estos electrones en exceso son absorbidos por la malla positiva eliminando efectivamente los electrones del objetivo y causando una carga positiva en él en relación con la luz incidente en el fotocátodo. El resultado es una imagen pintada con carga positiva, con las porciones más brillantes con la carga positiva más grande.

El cañón de electrones genera un haz de electrones muy enfocado (un rayo catódico) al potencial de tierra y el ánodo (el primer dínodo del multiplicador de electrones ) lo acelera alrededor del cañón a un voltaje positivo alto (aproximadamente +1500 V). Una vez que sale del cañón de electrones, su inercia hace que el rayo se aleje del dínodo hacia la parte posterior del objetivo. En este punto, los electrones pierden velocidad y son desviados por las bobinas de deflexión horizontal y vertical, escaneando efectivamente el objetivo. Gracias al campo magnético axial de la bobina de enfoque , esta deflexión no es en línea recta, por lo que cuando los electrones alcanzan el objetivo lo hacen perpendicularmente evitando una componente lateral. El objetivo está casi al potencial de tierra con una pequeña carga positiva, por lo tanto, cuando los electrones alcanzan el objetivo a baja velocidad, se absorben sin expulsar más electrones. Esto agrega carga negativa a la carga positiva hasta que la región que se escanea alcanza un umbral de carga negativa, momento en el que los electrones de escaneo se reflejan en el potencial negativo en lugar de ser absorbidos (en este proceso, el objetivo recupera los electrones necesarios para el siguiente escaneo). Estos electrones reflejados regresan por el tubo de rayos catódicos hacia el primer dínodo del multiplicador de electrones que rodea el cañón de electrones, que está a alto potencial. El número de electrones reflejados es una medida lineal de la carga positiva original del objetivo, que, a su vez, es una medida de brillo.

Halo oscuro

Halo oscuro alrededor de la llama del cohete brillante en la televisión del despegue de John Glenn del Mercury-Atlas 6 en 1962

El misterioso "halo de orticón" oscuro alrededor de los objetos brillantes en una imagen capturada con orticón se basa en el hecho de que el IO se basa en la emisión de fotoelectrones, pero una iluminación muy brillante puede producir más de ellos localmente de lo que el dispositivo puede manejar con éxito. En un punto muy brillante de una imagen capturada, se expulsa una gran preponderancia de electrones de la placa fotosensible. Pueden ser expulsados ​​tantos que el punto correspondiente en la malla de recolección ya no puede absorberlos y, por lo tanto, vuelven a caer a puntos cercanos en el objetivo, de la misma manera que el agua salpica en un anillo cuando se arroja una piedra en él. Dado que los electrones salpicados resultantes no contienen suficiente energía para expulsar más electrones donde aterrizan, en su lugar neutralizarán cualquier carga positiva que se haya acumulado en esa región. Dado que las imágenes más oscuras producen menos carga positiva en el objetivo, el haz de electrones de barrido leerá el exceso de electrones depositados por la salpicadura como una región oscura.

Este efecto fue cultivado hasta cierto punto por los fabricantes de tubos, ya que una pequeña cantidad cuidadosamente controlada del halo oscuro tiene el efecto de dar nitidez a la imagen visual debido al efecto de contraste . (Es decir, dando la ilusión de estar más enfocado de lo que realmente es). El último tubo vidicón y sus descendientes (ver más abajo) no exhiben este efecto, por lo que no podrían usarse para fines de transmisión hasta que se desarrollen circuitos de corrección de detalles especiales.

Vidicon

Un tubo vidicón es un diseño de tubo de cámara de video en el que el material objetivo es un fotoconductor. El vidicón fue desarrollado en la década de 1950 en RCA por PK Weimer, SV Forgue y RR Goodrich como una alternativa simple al orthicon de imagen estructural y eléctricamente complejo. Si bien el fotoconductor utilizado inicialmente fue el selenio, se han utilizado otros objetivos, incluidas las matrices de diodos de silicio.

Esquema del tubo vidicón.

El vidicón es un tubo de cámara de tipo de almacenamiento en el que un patrón de densidad de carga está formada por la radiación escena captación de imagen sobre un fotoconductor superficie que luego es escaneado por un haz de baja velocidad electrones . El voltaje fluctuante acoplado a un amplificador de video se puede usar para reproducir la escena que se está imaginando. La carga eléctrica producida por una imagen permanecerá en la placa frontal hasta que se escanee o hasta que la carga se disipe. Al usar un material piroeléctrico como el sulfato de triglicina (TGS) como objetivo, es posible un vidicón sensible en una amplia porción del espectro infrarrojo . Esta tecnología fue precursora de la tecnología moderna de microbolómetros y se utiliza principalmente en cámaras térmicas de extinción de incendios.

Antes del diseño y construcción de la sonda Galileo a Júpiter a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, la NASA usó cámaras vidicón en casi todas las sondas espaciales no tripuladas equipadas con la capacidad de detección remota. Los tubos Vidicon también se utilizaron a bordo de los primeros tres satélites de imágenes terrestres Landsat lanzados en 1972, como parte del sistema de imágenes Return Beam Vidicon (RBV) de cada nave espacial . El Uvicon , un Vidicon de variante UV también fue utilizado por la NASA para tareas UV.

Los tubos Vidicon fueron populares en las décadas de 1970 y 1980, después de lo cual se volvieron obsoletos por los sensores de imagen de estado sólido , con el dispositivo de carga acoplada (CCD) y luego el sensor CMOS .

Todos los vidicones y tubos similares son propensos al retraso de la imagen, mejor conocido como efecto fantasma, manchado, quemado, colas de cometas, estelas de luminancia y floración de luminancia. El retraso de la imagen es visible como senderos notables (generalmente blancos o de colores) que aparecen después de que un objeto brillante (como una luz o un reflejo) se ha movido, dejando un rastro que finalmente se desvanece en la imagen. El sendero en sí no se mueve, sino que se desvanece progresivamente a medida que pasa el tiempo, por lo que las áreas que fueron expuestas primero se desvanecen antes de que las áreas que luego quedaron expuestas se desvanezcan. No se puede evitar ni eliminar, ya que es inherente a la tecnología. El grado en que se vea afectada la imagen generada por el vidicón dependerá de las propiedades del material objetivo utilizado en el vidicón y de la capacitancia del material objetivo (conocido como efecto de almacenamiento), así como de la resistencia del haz de electrones utilizado para escanear el objetivo. Cuanto mayor sea la capacitancia del objetivo, mayor será la carga que puede contener y más tiempo tardará en desaparecer el rastro. Las cargas remanentes en el objetivo eventualmente se disipan haciendo que el rastro desaparezca.

El cañón de electrones de un tubo de cámara RCA Vidicon.

Plumbicon (1963)

Plumbicon es una marca registrada de Philips desde 1963, para sus vidicones objetivo de óxido de plomo (II) (PbO). Usados ​​con frecuencia en aplicaciones de cámaras de transmisión, estos tubos tienen una salida baja, pero una alta relación señal / ruido . Tienen una resolución excelente en comparación con los orticonos de imagen, pero carecen de los bordes artificialmente afilados de los tubos IO, lo que hace que algunos de los espectadores los perciban como más suaves. CBS Labs inventó los primeros circuitos externos de mejora de bordes para afinar los bordes de las imágenes generadas por Plumbicon. Philips recibió el premio Emmy de Tecnología e Ingeniería de 1966 por Plumbicon.

Esquema de un tubo Plumbicon. (Esta imagen es esquemática, no a escala; un Plumbicon tiene la misma forma que un vidicón).

En comparación con los Saticons, los Plumbicons tienen una resistencia mucho mayor al quemado y a los cometas y a los artefactos que se arrastran de las luces brillantes en la toma. Sin embargo, los Saticons suelen tener una resolución ligeramente más alta. Después de 1980, y la introducción del tubo Plumbicon de pistola de diodos, la resolución de ambos tipos era tan alta, en comparación con los límites máximos del estándar de transmisión, que la ventaja de resolución de Saticon se volvió discutible. Mientras que las cámaras de transmisión migraron a dispositivos de carga acoplada de estado sólido, los tubos Plumbicon siguieron siendo un dispositivo de imagen básico en el campo médico. Los plumbicons de alta resolución se hicieron para el estándar HD-MAC .

Hasta 2016, Narragansett Imaging fue la última empresa que fabricó Plumbicons, utilizando fábricas que Philips construyó en Rhode Island, EE . UU . Aunque todavía formaba parte de Philips, la empresa compró el negocio de tubos de cámara de óxido de plomo de EEV ( English Electric Valve ) y ganó el monopolio de la producción de tubos de óxido de plomo.

Saticón (1973)

Saticon es una marca registrada de Hitachi desde 1973, también producida por Thomson y Sony . Fue desarrollado en un esfuerzo conjunto por Hitachi y NHK Science & Technology Research Laboratories ( NHK es The Japan Broadcasting Corporation). Su superficie consiste en selenio con trazas de arsénico y telurio agregado (SeAsTe) para hacer que la señal sea más estable. SAT en el nombre se deriva de (SeAsTe). Los tubos Saticon tienen una sensibilidad a la luz promedio equivalente a la de la película 64 ASA . Se puede usar un fotoconductor amorfo de avalancha de alta ganancia (HARP) para aumentar la sensibilidad a la luz hasta 10 veces la de los saticons convencionales. Los Saticons se fabricaron para el sistema Sony HDVS , que se utilizaba para producir televisores analógicos de alta definición utilizando la codificación de muestreo Multiple sub-Nyquist .

Pasecon (1972)

Originalmente desarrollado por Toshiba en 1972 como chalnicon , Pasecon es una marca registrada de Heimann GmbH desde 1977. Su superficie consiste en trióxido de seleniuro de cadmio (CdSeO 3 ). Debido a su amplia respuesta espectral , se etiqueta como vidicón de selenio pancromático , de ahí el acrónimo 'pasecon'.

Newvicon (1973)

Newvicon es una marca registrada de Matsushita desde 1973. Los tubos Newvicon se caracterizaron por una alta sensibilidad a la luz. Su superficie consiste en una combinación de seleniuro de zinc (ZnSe) y telururo de zinc cadmio (ZnCdTe).

Trinicon (1971)

Trinicon es una marca registrada de Sony desde 1971. Utiliza un filtro de color RGB con rayas verticales sobre la placa frontal de un tubo de imagen vidicón estándar para segmentar el escaneo en los segmentos rojo, verde y azul correspondientes. Solo se usó un tubo en la cámara, en lugar de un tubo para cada color, como era estándar para las cámaras a color utilizadas en la transmisión de televisión. Se usa principalmente en cámaras de consumo de gama baja, como los modelos HVC-2200 y HVC-2400, aunque Sony también lo usó en algunas cámaras profesionales de costo moderado en la década de 1980, como los modelos DXC-1800 y BVP-1.

Aunque la idea de usar filtros de franjas de color sobre el objetivo no era nueva, el Trinicon fue el único tubo que usó los colores RGB primarios. Esto requirió un electrodo adicional enterrado en el objetivo para detectar dónde estaba el haz de electrones de barrido en relación con el filtro de franjas. Los sistemas de franjas de color anteriores habían utilizado colores en los que los circuitos de color podían separar los colores puramente de las amplitudes relativas de las señales. Como resultado, el Trinicon presentó un rango dinámico de operación más grande.

Más tarde, Sony combinó el tubo Saticon con el filtro de color RGB de Trinicon, lo que proporciona una sensibilidad con poca luz y un color superior. Este tipo de tubo se conocía como tubo SMF Trinicon o Saticon Mixed Field . Los tubos SMF Trinicon se utilizaron en las cámaras de consumo HVC-2800 y HVC-2500, así como en las primeras videocámaras Betamovie .

Sesgo de luz

Todos los tubos de tipo vidicón, excepto el propio vidicón, pudieron utilizar una técnica de polarización de la luz para mejorar la sensibilidad y el contraste. El objetivo fotosensible en estos tubos adolecía de la limitación de que el nivel de luz tenía que subir a un nivel particular antes de que se produjera cualquier salida de video. La polarización de la luz era un método mediante el cual el objetivo fotosensible se iluminaba desde una fuente de luz lo suficiente para que no se obtuviera una salida apreciable, pero tal que un ligero aumento en el nivel de luz de la escena era suficiente para proporcionar una salida perceptible. La luz provenía de un iluminador montado alrededor del objetivo o, en cámaras más profesionales, de una fuente de luz en la base del tubo y guiada hacia el objetivo mediante una tubería de luz. La técnica no funcionaría con el tubo vidicón de línea base porque sufría de la limitación de que, dado que el objetivo era fundamentalmente un aislante, el nivel bajo de luz constante acumulaba una carga que se manifestaría como una forma de empañamiento . Los otros tipos tenían objetivos semiconductores que no tenían este problema.

Cámaras a color

Las primeras cámaras a color usaban la técnica obvia de usar tubos de imagen rojos, verdes y azules separados junto con un separador de color , una técnica que todavía se usa con las cámaras de estado sólido 3CCD en la actualidad. También fue posible construir una cámara a color que usaba un solo tubo de imagen. Ya se ha descrito una técnica (Trinicon arriba). Una técnica más común y más simple desde el punto de vista de la construcción del tubo era superponer el objetivo fotosensible con un filtro de rayas de color con un patrón fino de rayas verticales de filtros verdes, cian y transparentes (es decir, verde; verde y azul; y verde, azul). y rojo) repitiéndose en el objetivo. La ventaja de esta disposición era que para prácticamente todos los colores, el nivel de video del componente verde era siempre menor que el cian y, de manera similar, el cian siempre era menor que el blanco. Por tanto, las imágenes contribuyentes podrían separarse sin ningún electrodo de referencia en el tubo. Si los tres niveles eran iguales, entonces esa parte de la escena era verde. Este método adolecía de la desventaja de que era casi seguro que los niveles de luz bajo los tres filtros fueran diferentes, y el filtro verde no pasaba más de un tercio de la luz disponible.

Existen variaciones en este esquema, siendo la principal el uso de dos filtros con franjas de color superpuestas de modo que los colores formen formas de rombo orientadas verticalmente que se superpongan al objetivo. Sin embargo, el método para extraer el color es similar.

Sistema de color secuencial de campo

Durante las décadas de 1930 y 1940, se desarrollaron sistemas de color secuencial de campo que utilizaban discos de filtro de color sincronizados impulsados ​​por motor en el tubo de imagen de la cámara y en el receptor de televisión. Cada disco constaba de filtros de color transparente rojo, azul y verde. En la cámara, el disco estaba en la ruta óptica y en el receptor, estaba frente al CRT. La rotación del disco se sincronizó con el escaneo vertical para que cada escaneo vertical en secuencia fuera para un color primario diferente. Este método permitió que los tubos de imágenes en blanco y negro y los CRT generaran y mostraran imágenes en color. Un sistema secuencial de campo desarrollado por Peter Goldmark para CBS se demostró a la prensa el 4 de septiembre de 1940 y se mostró por primera vez al público en general el 12 de enero de 1950. Guillermo González Camarena desarrolló de forma independiente un sistema de disco de color secuencial de campo en México a principios de la década de 1940, para lo cual solicitó una patente en México el 19 de agosto de 1940 y en los Estados Unidos en 1941. González Camarena produjo su sistema de televisión en color en su laboratorio Gon-Cam para el mercado mexicano y lo exportó al Columbia College of Chicago, quien lo consideró como el mejor sistema del mundo.

Enfoque magnético en tubos de cámara típicos

El fenómeno conocido como enfoque magnético fue descubierto por AA Campbell-Swinton en 1896, descubrió que un campo magnético longitudinal generado por una bobina axial puede enfocar un haz de electrones. Este fenómeno fue corroborado inmediatamente por JA Fleming , y Hans Busch dio una interpretación matemática completa en 1926.

Los diagramas de este artículo muestran que la bobina de enfoque rodea el tubo de la cámara; es mucho más largo que las bobinas de enfoque de los CRT de TV anteriores. Las bobinas de enfoque del tubo de la cámara, por sí mismas, tienen líneas de fuerza esencialmente paralelas, muy diferentes de la geometría del campo magnético semitoroidal localizado dentro de una bobina de enfoque CRT del receptor de TV. Este último es esencialmente una lente magnética ; enfoca el "cruce" (entre el cátodo del CRT y el electrodo G1, donde los electrones se pellizcan y divergen nuevamente) en la pantalla.

La óptica electrónica de los tubos de las cámaras difiere considerablemente. Los electrones dentro de estas largas bobinas de enfoque toman trayectorias helicoidales a medida que viajan a lo largo del tubo. El centro (piense en el eje local) de una de esas hélices es como una línea de fuerza del campo magnético. Mientras los electrones viajan, las hélices esencialmente no importan. Suponiendo que parten de un punto, los electrones se enfocarán nuevamente en un punto a una distancia determinada por la fuerza del campo. Enfocar un tubo con este tipo de bobina es simplemente una cuestión de recortar la corriente de la bobina. En efecto, los electrones viajan a lo largo de las líneas de fuerza, aunque en forma helicoidal, en detalle.

Estas bobinas de enfoque son esencialmente tan largas como los propios tubos y rodean el yugo de deflexión (bobinas). Los campos de deflexión doblan las líneas de fuerza (con un desenfoque insignificante) y los electrones siguen las líneas de fuerza.

En un TRC convencional con deflexión magnética, como en un receptor de TV o un monitor de computadora, básicamente las bobinas de deflexión vertical son equivalentes a bobinas enrolladas alrededor de un eje horizontal. Ese eje es perpendicular al cuello del tubo; las líneas de fuerza son básicamente horizontales. (En detalle, las bobinas en un yugo de deflexión se extienden a cierta distancia más allá del cuello del tubo y se encuentran cerca de la llamarada de la bombilla; tienen una apariencia verdaderamente distintiva).

En un tubo de cámara enfocado magnéticamente (hay vidicones enfocados electrostáticamente), las bobinas de deflexión vertical están arriba y debajo del tubo, en lugar de estar a ambos lados del mismo. Se podría decir que este tipo de desviación comienza a crear curvas en S en las líneas de fuerza, pero no se acerca a ese extremo.

Tamaño

El tamaño de los tubos de las cámaras de video es simplemente el diámetro exterior total del sobre de vidrio. Esto difiere del tamaño del área sensible del objetivo, que normalmente es dos tercios del tamaño del diámetro total. Los tamaños de los tubos siempre se expresan en pulgadas por razones históricas. Un tubo de cámara de una pulgada tiene un área sensible de aproximadamente dos tercios de pulgada en la diagonal o aproximadamente 16 mm.

Aunque el tubo de la cámara de video es ahora tecnológicamente obsoleto , el tamaño de los sensores de imagen de estado sólido todavía se expresa como el tamaño equivalente del tubo de una cámara. Para ello se acuñó un nuevo término y se lo conoce como formato óptico . El formato óptico es aproximadamente la diagonal real del sensor multiplicada por 3/2. El resultado se expresa en pulgadas y generalmente (aunque no siempre) se redondea a una fracción conveniente, de ahí la aproximación. Por ejemplo, un sensor de 6,4 mm × 4,8 mm (0,25 pulgadas × 0,19 pulgadas) tiene una diagonal de 8,0 mm (0,31 pulgadas) y, por lo tanto, un formato óptico de 8,0 * 3/2 = 12 mm (0,47 pulgadas), que se redondea a la conveniente fracción imperial de 12 pulgada (1,3 cm). El parámetro también es la fuente de los "Cuatro Tercios" en el sistema Cuatro Tercios y su extensión Micro Cuatro Tercios ; el área de imagen del sensor en estas cámaras es aproximadamente la de una cámara de video de 43 pulgadas (3.4 cm) tubo a aproximadamente 22 milímetros (0,87 pulg.).

Aunque el tamaño del formato óptico no tiene relación con ningún parámetro físico del sensor, su uso significa que una lente que se hubiera usado con (digamos) un tubo de cámara de cuatro tercios de pulgada dará aproximadamente el mismo ángulo de visión cuando se usa con un sólido. -sensor de estado con un formato óptico de cuatro tercios de pulgada.

Uso tardío y declive

La vida útil de la tecnología de videotubos llegó hasta los años 90, cuando se utilizaron videotubos de alta definición y 1035 líneas en los primeros sistemas de transmisión MUSE HD. Si bien se probaron los CCD para esta aplicación, en 1993 los organismos de radiodifusión todavía los consideraban inadecuados debido a problemas para lograr la alta resolución necesaria sin comprometer la calidad de la imagen con efectos secundarios indeseables.

El dispositivo de carga acoplada (CCD) y los sensores basados ​​en CMOS modernos ofrecen muchas ventajas sobre sus homólogos de tubo. Estos incluyen una falta de retraso de imagen, alta calidad de imagen general, alta sensibilidad a la luz y rango dinámico, una mejor relación señal / ruido y una confiabilidad y robustez significativamente más altas. Otras ventajas incluyen la eliminación de las respectivas fuentes de alimentación de alto y bajo voltaje requeridas para el haz de electrones y el filamento del calentador , la eliminación del circuito de activación de las bobinas de enfoque, la ausencia de tiempo de calentamiento y un consumo de energía general significativamente menor. A pesar de estas ventajas, la aceptación e incorporación de sensores de estado sólido en cámaras de video y televisión no fue inmediata. Los primeros sensores tenían una resolución y un rendimiento inferiores a los de los tubos de imagen, y en un principio se relegaron a equipos de grabación de vídeo de consumo.

Además, los tubos de video habían progresado a un alto nivel de calidad y eran equipos estándar para redes y entidades de producción. Esas entidades realizaron una inversión sustancial no solo en cámaras de tubo, sino también en el equipo auxiliar necesario para procesar correctamente el video derivado de tubos. Un cambio a sensores de imagen de estado sólido dejó obsoletos gran parte de ese equipo (y las inversiones detrás de él) y requirió un nuevo equipo optimizado para funcionar bien con sensores de estado sólido, al igual que el equipo antiguo se optimizó para video de fuente de tubo.

Ver también

Referencias

enlaces externos