Sensoren 4

Geschreven door Willy De Boeck.

Halfgeleiders doen hun intrede, eerst nog als onderdeel van een elektronenbuis. De uitvinding van de plumbicon betekent de doorbraak van de kleurencamera, ook buiten de studio: hij wordt ingezet voor sport en tenslotte voor journaalbeelden. De jaren 1980 betekenen voor de buizentechnologie een kwalitatief hoogtepunt maar ze luiden ook hun zwanenzang in. 

 De vidicon

De grote afmetingen van de orthicon-familie zullen wel niet de enige aanleiding geweest zijn om naar kleinere opneembuizen te zoeken, maar misschien toch wel de belangrijkste, hoewel de ingewikkelde elektrische structuur ook zijn invloed heeft gehad.

In de jaren 1950 werd in de RCA-laboratoria een nieuw type buis ontworpen door een stel van drie researchers (P.K Weiner; S.V. Forgue en R.R. Goodrich).  Het ging om een eerste model van zgn. “fotogeleidende” buizen.  Ze kreeg de naam van VIDICON. Een verdere ontwikkeling leverde het plumbicon, dat veel succes kende tussen 1970 en 1990 waarna het werd overvleugeld door de zgn. CCD’s.

De tekening hierna toont de principiële samenstelling.

De focussering en de afbuiging is gerealiseerd op een klassieke manier, nl. of elektromagnetisch of elektrostatisch.  De signaalelektrode is een geleidende door-zichtige laag die tegen de glaswand is opgedampt. 

Het essentiële deel is de geleidende laag die het lichtgevoelige element uitmaakt, waarvan de ohmse weerstand vermindert als ze door licht wordt getroffen, vandaar de benaming van “fotogeleidende buizen”.  Die laag vormt een homogene structuur waarvan elk beeldelement kan worden voorgesteld door de parallelschakeling van een condensator en een weerstand die verandert als functie van het invallende licht.  In het beginstadium werd selenium gebruikt, maar ook loodoxyde en antimoniumtrisulfide zijn  toegepaste stoffen.

Als de laag in het donker staat vormt zich na de aftasting een spanning over de condensator die gelijk is aan het verschil tussen de kathode- en de voedingsbronspanning.  De condensator is dan geladen.  Valt er licht op een bepaald punt van de geleidende laag, dan vermindert de ohmse weerstand van dat beeldelement en ontlaadt de condensator zich door de weerstand.  De potentiaal aan de aftastkant wordt positief.  Als de aftaststraal een punt met een positieve spanning bereikt, wordt het tekort aan elektronen bijgepast.  Die laadstroom wordt geleverd door de spanningsbron en loopt via de kathode en de aftaststraal door de belastingweerstand waar het uitgangssignaal wordt afgetapt.  Hoe groter de verlichtingssterkte, hoe kleiner de weerstand zal worden en hoe sterker de ontlading en de daaropvolgende bijlading zullen zijn.

image001

Vidicons bestaan in een aantal formaten.  De meest voorkomende types hebben een diameter van 1 duim en een lengte van circa 15 cm.  De beeldafmetingen zijn dan 9,75 x 13 mm (diagonaal = 25,4 mm x 2/3 = 16,9 mm.  Modellen van een en een vierde duim diameter hebben een beeldafmeting van 12 x 16 mm.  Er bestaan ook buizen met een diameter van ¾- en 2/3-duim en zelfs dwergvidicons met een diameter van 8 mm.  De volgende foto toont een model met een diameter van 1 duim.  Het hoeft geen betoog dat die afmetingen stukken kleiner zijn dan die van beeldorthicons.  De beeld-afmetingen worden vergelijkbaar met die van 16-mm-film (7,5 x 10,5 mm), zodat in veel gevallen de beschikbare lenzen voor dat type van film kunnen worden gebruikt.

image003

De “gewone” vidicons vertonen wel een aantal vervelende gebreken.  In het donker is de weerstand van de geleidende laag niet oneindig, waardoor er al een zekere ontlading ontstaat.  Dat wordt de donkerstroom genoemd.  Die stroom is niet identiek over de gehele geleidende laag.  In het beeld kunnen er aldus vlekken ontstaan.

Een tweede nadeel is de remanentie van de beelden, die voortkomt uit het feit dat de ontlading van de beeldpunten niet in één aftasting plaatsvindt.  Hierdoor blijft er na een aftasting nog een deel van de ontlading over die bij een volgende aftasting eventueel kan worden tenietgedaan.  Dit fenomeen leidt tot het ontstaan van vegen in het beeld bij relatief snel bewegende lichtpunten.

Om aan het probleem van de donkerstroom een oplossing te geven heeft de firma PHILIPS de structuur van de geleidende laag veranderd.


De Plumbicon

Plumbicon is een handelsmerk van Philips.  De naam komt uit de Latijnse benaming voor lood (plumbum)

De donkerstroom is één van de nadelen van vidicons.  Daar heeft PHILIPS wat op gevonden om hem heel laag te houden.

Aan de geleidende laag werd een PIN-structuur gegeven (Positief-Intrinsiek-Negatief).  Het betreft in feite een halfgeleiderdiodestructuur met tussen de N- en P-gedopeerde lagen een laag niet-gedopeerd halfgeleidermateriaal (I). ‘Gedopeerd’ betekent dat de laag bepaalde andere elementen bevat die haar elektrische eigenschappen wijzigen.

 Het geheel bestaat uit een variëteit van rode en gele loodoxyde die een grote weerstand heeft in onbelichte toestand.  De lagen hebben een homogene samenstelling, met een totale dikte tussen 10 en 20 micrometer.  De N-laag wordt verkregen door een tekort aan zuurstof- of met bismutatomen; de P-laag door een teveel aan zuurstof-, thallium-, zilver- of koperatomen.  Uiteraard bestaat de I-laag uit zuiver loodoxyde.  Later heeft men de P-laag samengesteld door een menging van loodoxyde (PbO) en loodsulfaat (PbS) om de spectrale gevoeligheid van de buis voor rood te verbeteren.

 image005

Als ook hier elk beeldelement wordt beschouwd als een virtuele condensator in parallel met een ohmse weerstand, ontstaat dezelfde werking als in de vidicon met ontlading en lading van de condensator, behalve dat in de onbelichte toestand deimage008 weerstand van de intrinsieke laag zo groot is dat de donkerstroom tot verwaarloze waarden wordt teruggebracht, bv. 2 tot 3 nanoampère t.o.v. een paar honderd nanoampère signaal-stroom.

In het donker en na aftasting is de PIN-diode invers gepolariseerd waardoor de inverse stroom (donkerstroom) heel laag wordt
gehouden.  Bij de inval van licht vermindert de intrinsieke weerstand, ontlaadt de capaciteit zich door de weerstand en verhoogt de potentiaal aan de aftastzijde, zodat er door de elektronenstraal elektronen kunnen worden afgezet op het positieve beeldpunt.

De condensator wordt zodoende bijgeladen.  Die laadstroom vloeit door de belastingweerstand waarover het uitgangssignaal ontstaat.

Philips bracht in 1964 een kleurencamera op de Amerikaanse markt die met drie plumbicons was uitgerust. De kwaliteit van de beelden, gekoppeld aan een compacte en (relatief) stabiele camera was zodanig dat  camera’s met beeldorthicons op slag uit de markt verdwenen. RCA verkocht dat jaar geen enkele kleurencamera, zelfs TV-stations die eigendom waren van RCA kochten Philipscamera’s. Alle fabrikanten gooiden zich op de ontwikkeling van plumbiconcamera’s, orthiconbuizen hadden afgedaan.

Andere firma’s hebben onder licentie ook dergelijke beeldopneembuizen gefabriceerd, bijvoorbeeld English Electric Valves produceerde de leddicon (Leddicon komt uit het Engels LEAD dat ook lood betekent), RCA de vistacon.

De plumbiconbuizen van 2/3 duim zorgden in de tweede helft van de jaren 1970 voor de doorbraak van ENG = electronic newsgathering, nieuwsbeelden met elektronische camera’s en een cassetterecorder. Tot dan gebeurde dat met filmcamera’s. Op onderstaande afbeelding zien we het verschil tussen een 2/3 duim plumbicon, een 5/4 duim plumbicon en een 3 duim beeldorthicon. 

beeldorthicon en plumbiconsred

Vooral de eerste generatie plumbicons vertoonde nogal wat gebreken, onder meer comettailing : overstuurde beeldpunten zorgen voor een nasleep (komeetstaart), voornamelijk in het rood. De zogenaamde ACT-buizen hebben dit verholpen. Op onderstaand videoclipje uit de beginperiode vallen de roodpaarse kometen vooral op bij bewegende lichtbronnen, reflecties op metalen oppervlakken e.d.. De beelden stammen van 1970.

 

Opmerking

Er zijn in de loop van de jaren heel wat verschillende beeldopneembuizen ontworpen en gecommercialiseerd.  Maar ze hebben weinig of geen succes gekend.

Er heeft ooit een SEC-vidicon bestaan (Secundary Electronic Conduction) die eigenlijk een “beeldvidicon” was met gescheiden signaalelektrode en trefplaat; Fernseh heeft de Proxikon. ontwikkeld; in Japan werd de Saticon ontworpen en nog enkele anderen.

Een andere versie van de beeldorthicon, namelijk de ISOCON, heeft ook bestaan maar hij werd weggeduwd door de vidicon/plumbicon-familie.

 Klik hier  voor het volgende artikel.

------------------------------------------------------------------------