Trasduttori ottico-elettrici: l'iconoscopio

Un trasduttore ottico-elettrico è capace di convertire un segnale luminoso di tipo ottico in uno elettrico. La traduzione del segnale avviene tramite un processo di scansione elettronica dell'immagine e la corrispondente variazione di ampiezza del segnale video in funzione delle luminosità dell'elemento esplorato. In base al principio di funzionamento si può operare la seguente classificazione dei dispositivi da ripresa:

Tubi fotoemissivi ad elettroni veloci (iconoscopio) o ad elettroni lenti (orthicon), basati sull'effetto fotoelettrico esterno.

Tubi fotoconduttivi (vidicon, plumbicon) che sono basati sull'effetto fotoelettrico interno.

Dispositivi allo stato solido, basati sull'impiego di componenti elettronici ad accoppiamento di carica.

Le caratteristiche principali che definiscono il funzionamento ed il tipo di utilizzazione di un dispositivo da ripresa sono:

Sensibilità: è data dall'ampiezza del segnale di uscita corrispondente ad un determinato illuminamento del dispositivo fotosensibile, per un prefissato valore del rapporto segnale/rumore.

Risoluzione: l'attitudine de dispositivo da ripresa a risolvere i dettagli fini dell'immagine; la discontinuità insita nel processo di scansione elettronica dell'immagine, porta a considerare due valori di risoluzione, verticale ed orizzontale.

Sensibilità spettrale, definita dalla sensibilità relativa del dispositivo fotosensibile in funzione della lunghezza d'onda della radiazione incidente

Tempo di integrazione: è il tempo durante il quale un elemento fotosensibile è esposto con continuità alla radiazione incidente e ne integra quindi il flusso luminoso nel tempo; il suo valore è variabile in dipendenza del tipo di dispositivo considerato e della sua sensibilità.

L'iconoscopio

L'iconoscopio è stato il primo dispositivo da ripresa televisiva a scansione elettronica inventato nel 1923 da V. Zworykin. Essenzialmente è costituito da un tubo a raggi catodici recante, sul lato anteriore dello schermo, un mosaico fotoelettrico, e sul lato posteriore, un cannone elettronico, racchiusi in un bulbo di vetro ad alto vuoto, e da un sistema di lenti ottiche per la focalizzazione delle immagini sul mosaico. Il mosaico fotoelettrico è costituito da una piastra metallica, detta piastra del segnale, ricoperta da microscopiche cellule fotoemittenti, isolate sia dalla piastra che tra loro. Ciascuna microcellula presenta quindi una certa capacità elettrica rispetto alla piastra di segnale. Per realizzare il mosaico fotoelettrico si parte da una sottile lastra di mica avente una faccia metallizzata e l'altra ricoperta da un sottilissimo strato d'argento depositato per evaporazione sotto vuoto. Sottoponendo la pellicola d'argento, che non è continua ma formata da microscopici granuli, ad un trattamento di ossidazione in vapori di cesio si forma ossido di cesio sul quale viene fatto assorbire il cesio stesso. Con questo trattamento di attivazione, ciascun granulo diventa un minuscolo fotocatodo composto dal tipo Ag-D-Cs, con sensibilità spettrale praticamente estesa a tutta la gamma del visibile. La metallizzazione di una zona anulare del bulbo, prospiciente al mosaico fotoelettrico, costituisce l'anodo collettore comune a tutte le fotocellule. In assenza di radiazione luminosa incidente, gli elementi del mosaico fotoelettrico hanno tutti lo stesso potenziale della piastra di segnale e quindi i rispettivi condensatori d'immagine, rappresentativi delle rispettive capacità elettriche rispetto alla piastra di segnale, sono tutti scarichi. Quando, mediante un sistema esterno di lenti ottiche, l'immagine luminosa da convertire in segnale video viene proiettata sul mosaico, i minuscoli fotocatodo del mosaico emettono elettroni verso l'anodo, in numero proporzionale all'intensità della luce che li ha colpiti, acquistando così un potenziale positivo rispetto alla piastra di segnale. Sul mosaico si forma, in tal modo, un immagine elettronica, costituita da una distribuzione di cariche positive corrispondente alla distribuzione della luminosità sull'immagine ottica. Ciascuna fotocellula del mosaico, essendo isolata da tutte le altre, conserva la sua carica positiva, accumulata nel rispettivo condensatore d'immagine, fino a che non verrà scaricata al passaggio su di essa del fascio focalizzato di elettroni proveniente dal cannone elettronico. Il pennello elettronico esplora per tracce parallele l'intera superficie del mosaico, sotto il comando del giogo di deflessione (due coppie di bobine ortogonali fra loro, percorse da due distinte correnti a dente di sega), trasformando così l'immagine elettronica del mosaico in una sequenza ordinata nel tempo di impulsi elettrici, che forniscono ai capi della resistenza di carico Rc il segnale video in uscita. In sostanza il pennello elettronico funziona da commutatore per ciascun elemento del mosaico. Infatti, ogni singolo elemento del mosaico è rappresentabile con la fotocellula che esso forma con l'anodo comune, e con un condensatore corrispondente alla sua capacità rispetto alla piastra di segnale. Il pennello elettronico agisce come un circuito separato che scarica periodicamente il condensatore, fornendo con ciò un impulso di corrente attraverso la resistenza di carico. In pratica il processo di conversione di una immagine ottica in una serie ordinata di impulsi elettrici risulta meno semplice di quanto esposto, a causa soprattutto della emissione secondaria (cioè elettroni lenti da parte di una superficie colpita da elettroni veloci) prodotta sul mosaico fotoelettrico dal pennello elettronico di scansione. Il mosaico ha un forte potere moltiplicatore, per cui in prossimità della superficie si determina una sensibile nube elettronica, la quale fa sì che gli elementi del mosaico non si comportino tutti nello stesso modo, a parità di illuminazione:, infatti, per la presenza di elettroni secondari fra elementi fotosensibili vicini, possono stabilirsi delle correnti elettroniche che tendono a distruggere le d.d.p. fra elemento ed elemento, con conseguenze negative sulla sensibilità e sulla fedeltà del trasduttore. Un altro inconveniente è costituito dall'inclinazione che il cannone elettronico presenta rispetto all'asse ottico del tubo, perpendicolare al piano del mosaico. Tale inclinazione impone l'adozione di particolari accorgimenti per ridurre l'entità della distorsione trapezoidale e per mantenere a fuoco il pennello elettronico in tutti i punti della superficie esplorata. Come tubo da ripresa televisiva, l'iconoscopio presenta molti svantaggi; il più rilevante è forse la necessità di sorgenti di illuminazione estremamente potenti per ottenere segnali video di qualità accettabile. Valido in condizioni di luce controllata, l'iconoscopio diviene pressoché inutilizzabile in condizioni di luce non ottimali.