电视摄像管的工作原理

电视传像的第一个环节是摄像，就是把图像上各点的光线强弱按顺序变换成强弱不同的电信号。摄像主要依靠摄像管来进行。摄像管的种类很多，它们的结构和工作原理也可以互不相同。但是总的说来，它们的工作大致可以分为三个过程。

1.记录图像。在照像片时，我们把底片装在照像机中。外界景物的光线通过镜头射到底片上，就录下了一幅各点明暗程度和外界景物相对应的图像。在电视摄像管中，也有一个和底片作用相当的靶子来记录外界景物的图像。只不过它是利用靶上各点的电位高低不同来记录的。例如，靶上和景物亮点相应的点子电位较高，和暗点相应的点子电位较低。换句话说，在靶上录下了外界景物的电位起伏图像。

2．阅读图像。下一步就要把电位起伏图像逐点变为电信号，并依次送到管外去。或者说是“阅读”图像。在摄像管里，一般是用电子束来阅读图像。我们读书不是一眼读完一页书，而是自左而右、自上而下逐字逐行地阅读。电子束阅读图像也是这样。它自左而在、自上而下逐点逐行扫描图像。扫到某一点时，就把这一点的电位变成信号。扫完一幅图像时，就把图像各点的明暗程度变成了强弱不同的电信号。

3.擦去图像。电子束“阅读”过图象上的某一点后，需到使这一点的电位恢复到起始电位，以便记录新的图象。就像上课时，教师必需把刚才在黑板上写的东西擦去，才能腾出地方来写新的字句和公式一样。

用来把光信号变为电信号的摄象管，必须灵敏度很高。大家知道，通常照度下的光线能量很小。投射到摄象管上的图像的尺寸只有一幅电影底片那样大，“阅读”时需要把它分成约五十万个点子（像素）依次变为电信号传送出去，而传送一个点子的时间还不到一秒钟的千万分之一。在这样短的时间内射到那样小的面积上的光线，其能量真是微乎其微。电视摄象管需要把这样弱的光信号变成相当强的电信号，这信号至少要比放大器电路和电子管所产生的噪波干扰强若干倍，否则就不可能进行放大了。因此，摄象管要解决的第一个问题是灵敏度问题。此外，它还要能摄下质量良好的图像：图像清晰，层次分明，背景匀称、干扰信号小，拍摄运动物体的惰性要小等等。所有这些，都要求制造摄像管时材料优良，加工精密准确。直到现在，摄象管始终是电真空制造方面的高级产品。能否生产摄像管，生产何秒摄像管，是代表电真空技术发展水平的主要标志之一。

到目前为止，电视系统中限制图像质量的环节是摄象管。传送图像信号的电路以及显像管所能传送和重显图像的质量，远高于目前摄象管所能产生的图像质量。因此，电视图像质量的进一步提高，目前主要是受到摄象管的限制。

下面我们就三种最常见的有代表性的摄像管来介绍一下摄像管的工作原理。

这种管子的结构如图1所示。要拍摄的景物通过透镜投射到光电阴极上。光电阴极是在管端内壁涂的一种感光物质。它的特点是在光线照射下能发射电子，光线强的地方，发射的电子也较多。由于光电阴极上各点发射的电子数和原景物各点光线强弱相对应，就在阴极前面产生了一幅原景物的电子图像。在管子的右端装有一块靶。靶的右半面是块金属板，叫做信号板。左半面是在信号板上涂的一层绝缘物质。这种物质的特点是具有较高的二次电子放射率，当一个高速电子冲击这种物质的时候，它能发射出几个甚至更多的二次电子。光电阴极的电位比靶电位低得多，它发出的光电子受到外加电场的作用极快地飞向靶面。管外移像线圈形成的磁场，使光电阴极发射出的电子不致散开，在靶前仍聚成一幅图像。当光电子冲击靶面时，每个光电子都要打出几个二次电子来，打出来的二次电子被管壁的阳极所吸取或散到四周，被打的地方就由于失去电子而呈现正电位。图像上光线强的地方，光电子多，在靶面相应位置上打出的二次电子也多，该点呈现的正电位就较高。这样，就在靶面上形成了一幅以电位高低代表光线强弱的电位图像。于是就完成了记录图像的过程。斜装在管子下方的电子枪能射出一条细细的电子束，这条电子束被偏转线圈中的交变磁场控制，依次一行行地扫描靶上的电位图像。电子束中的电子很多，在它轰击靶上某一点的时侯，会打出大量的二次电子，使该点的电位升高。而且不管该点原来的电位是高是低，电子束都把它提升到比管壁阳极约高3伏的一个固定电位为止，因为如果这点的电位再升高，打出的二次电子就会又被吸回去，使这点的电位再降到+3伏。电子束把靶上某一点的电位从原有电位提升到+3伏，对于该点和信号板构成的电容来说，相当于一个充电过程，充电电流在负载电阻R上形成的电压，就表明了图像在该点的明暗程度。如果该点较暗，靶上“记录”下的电位就较低，电子束轰击时该点的电位变化较大（由较低电位升到+3伏），充电电流就大，负载电阻R上得到的信号电压就高。反之，如果另一点较亮，靶上相应点的电位就较高，电子束轰击该点时电位变化较小（由较高电位升到+3伏），充电电流就小，R上得到的信号电压就低。就这样，通过电子束逐点“阅读”，就把图象各点的明暗依次变换成电压高低的图像信号了。

电子束“阅读”过某一点后，该点电位上升到+3伏。因此，靶上各点被光电子 和扫描电子束打出的二次电子会落到该点上，使该点的电位逐渐下降。这就是“擦去”过程。另一方面，图像上相应点的光电子又不断打到这一点上，打出二次电子，使该点的电位上升。这就是“记录”过程。由此可见，“擦去”过程和“记录’过程是同时进行的，而该点最后的电位（下一次“阅读”时的电位）。是两者平衡的结果。也就是说，光电子多的地方，电位上升的作用大些，最后平衡的电位也高些。

从上述过程可以看到，光电子轰击靶面、抬高靶电位的过程是不断进行着的。对靶上某一点来说，实际上是把两次扫描之间的全部光电子的作用积累起来，这就大大增加了输出信号的幅度。这种把光电子的作用积累起来以增强信号的办法叫“积电法”。现代摄像管都采用这种办法来提高管子的灵敏度。此外，一个光电子可以打出几个二次电子，相应地把输出信号增强了几倍。这种增强信号的办法，叫做“二次电子倍增法”。

超光电像管是一种较老的管子，在三十年代就开始应用了。它的优点是图像清晰，层次分明，在演播室内摄像或者放电影都能给出质量优越的图像。它的主要缺点是灵敏度还不够高，用时需要较强的照度，在转播剧场演出等低照度场合就不能用了。此外由于二次电子返回靶面时分布不均匀，还会使图像上出现阴影，叫作“黑斑”。黑斑效应可以设法消除或补偿掉。由于这种摄像管结构较简单，生产和使用较容易，特别是由于它产生的图像质量好，欧洲国家的电视台用它作室内摄像的仍很多。

这种管子的结构见图2a，它的工作原理示意图见图2b。景物投射到光电阴极上，使光电阴极上各点发出光电子。和超光电像管的工作原理相同，这些电子在电场作用下飞向靶面，管外聚焦线圈形成的磁场使电子在靶面仍会聚成一幅图像，并打出二次电子。在靶的左侧近处，有一张极细的金属网，其上加有+1伏的电位。网眼密到每毫米20个，而且透明度很高，光电子可以无阻碍地穿过网眼。网和靶的距离也极近，只有0.025～0.08毫米。由于在近处有了这张网子，光电子在靶面打出的二次电子大都被它吸去，不致像在超光电像管中那样重新落到靶面上去了。因此这里只有光电子的积累能量、形成“电位图象”的过程，而没有二次电子重新分布降低电位的过程，不难看出，这样积电的效率更高，也没有黑斑效应。

超正析像管的靶是一张极薄的玻璃膜，只有\(\frac{5}{1000}\)毫米厚，由于靶很薄，在靶左面所形成的电位就能通过两面之间的电容传到靶的右面，于是在靶右面也记录下了“电位图像”。

在靶的右面有电子束在扫描，超正析像管的电子束有个特点：它在到达靶面之前飞经一个电压很低的减速电极，使它打上靶的速度接近于零。低速的电子能量很小，打不出二次电子来。当它打到靶上某一点时，由于这一点有和图像明暗相应的正电位，电子束中的一些电子就被吸落到靶上，把这点的正电位中和掉，使它的电位降到零。此后，电子束中其他的电子受到靶面零电位的拒斥就不再上靶，循着原路飞回电子枪。不难看出，图像上亮的地方电位高，中和需要的电子多，电子束中落上靶的电子多，飞回的电子就少了。反之，暗处电位低，落到靶上的电子少，回去的电子就多。这样飞回去的电子束受到了图像亮度的调制，它的强弱代表了图像上各点的亮度。

为了放大这个返回的电子束，在电子枪外围设有一个五级的二次电子倍增器（图2b右部）。每一级是一个车轮形的金属片，片上敷有二次电子发射率强的物质。每个电子打在上面时，能打出好几个二次电子。这些二次电子被下一级倍增片所吸外，穿过轮片的隙缝飞向下一级。这样倍增5次，可以把返回电子束放大500～1000倍。放大了的电子束引到管外，在负载电阻R上形成图像信号。

由于玻璃靶极薄，两面间有一些电导，所以从电子束飞上靶面的电子就通过这个电导在下次扫描到来之前逐渐地泄放到另一面，补足了另一面失去的二次电子，完成了“擦去”过程。事实上，电荷泄放的过程是和光电位形成的“记录”过程同时进行的。

超正析像管既充分地发挥了光电子的积电作用，靶面的二次倍增效率也高，再加上返回电子束受到五次倍增，因此灵敏度非常高，为现有各种摄像管之冠。新型的超正析像管图像质量也极好，在广播室内用它，可以降低照度要求，简化通风照明设备；在作录像时使用它，可以保证图像质量；转播实况时更是非它不可。

超正析像管的结构很复杂，工艺要求极高，因此也有制造困难、价格昂贵、维护复杂的缺点。随着电真空制造技术的日益提高，这些缺点是可以逐渐克服的。在目前和今后相当时期内，超正析像管无疑是摄像管中最重要的管型。

视像管是摄像管中最年轻的一种，在50年代才开始应用。它的工作原理与前两种管子有根本的不同。它不是靠光电阴极发射光电子来把光线转换成电信号，而是用一种叫作“光电导体”的物质。这种“光电导体”的电导量会随着照射它的光线强弱而变化。光愈强，它的电导就愈大。

视像管的结构见图3。在管端玻璃上涂着一层半透明的导电层作为引出信号的信号极。在半透明导电层上涂上极薄的一层光电导体，就形成了视像管的心脏——光电导靶。靶的左侧受着慢速电子束扫描。和超正析像管的扫描原理相似，电子束扫到靶上某一点时，就把这点的电位一直降到零（阴极电位），“擦去”了该点的电位信号。我们设想，光电导靶扫描面上的每一点与信号极之间是一个小电容器C，而这个电容器上又并联着光电导层的电导g，如图4所示。电容器的一片（点b）被电子束降到了零电位，而另一片（点a）则通过负载电阻R接有数十伏（例如20伏）的固定正电位。由于电容器上有了这个电位差，所以在两次扫描之间，它将通过光电导体的电导g放电（图4a），使电容器上的电位差减小，而使原电位为零的那面（b点）电位逐渐上升。如果把图像投射到光电导靶上，那么光线强的地方电导g大，放电快，电位上升就快，反之，光线弱的地方电导g小，电位上升就慢。在下一次扫描开始之前，靶上就形成了以电位高低代表光线强弱的电位图像，完成了“记录”过程。设靶上某点（b点）在下一次扫描前上升到5伏（电容器两端的电压为20-5=15伏，见图4b)，扫描时电子束把b点降到零电位，这等于把电容器从15伏充电到20伏，充电电流i就在负载电阻R上产生出信号电压。就整个图像来说，亮的地方原来放电多，电位升得较高，电子束扫描时补充的电荷也多，充电电流就大。反之，暗的地方，原来放电少，电位升高不多，需要补充的电荷少，充电电流也小。于是在电子束逐点“阅读”各点时，就把靶上的电位起伏变成了电压高低的图像信号。

如果与前两种摄像管比较，可以看出，在用光电放射阴极时，靠图像的光能激发光电阴极，使它放出光电子。图像的光能很弱，因此激出的光电子也很有限。而在视像管中，光能只起一个改变电导的控制作用，而积聚电荷的作用则由外加的电源来完成。从这个特点可以看出，光电导性摄像管具有极高的灵敏度。

视像管的结构简单，制造容易，使用方便，图像层次分明，同时由于它体积小，宜于作携带式小型摄像机。它的主要缺点是摄像惰性较大，换句话说，就是在实际图象消失以后的一段时间内，管子仍将给出一些信号，在传送快速运动的图像时，这会给运动物体带上一条尾巴，降低了清晰度，破坏了画面。目前减小惰性的主要办法是使管子工作在高照度条件下。这一要求限制了视像管充分发挥它的潜在灵敏度。因此，在电视广播中，只是在照度很强的条件下，如放映电视电影时使用，或是用来拍摄不动的物体，如报告员，图片等。在军用、工业电视中由于对情性的要求较低，视像管已被广泛采用。

视像管的惰性问题并不是不可克服的。随着技术的提高，现存问题将逐步解决，这类管子的发展前途也不可限量。（许中明）