Cơ sở vật lý và thiết lập hệ truyền hình màu

Cơ sở vật lý của truyền hình màu 3.1 Ánh sáng và đặc tính của nguồn sáng Ánh sáng là một dạng năng lượng điện từ.. Năng lượng này truyền đến mắt ta và xảy ra quá trình hóa điện, tạo ra c

Phần 2

TRUYỀN HÌNH MÀU

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA TRUYỀN HÌNH MÀU VÀ

THIẾT LẬP HỆ TRUYỀN HÌNH MÀU

A Cơ sở vật lý của truyền hình màu

3.1 Ánh sáng và đặc tính của nguồn sáng

Ánh sáng là một dạng năng lượng điện từ Năng lượng này truyền đến mắt ta

và xảy ra quá trình hóa điện, tạo ra các xung điện tương ứng và được truyền đến

hệ thần kinh não giúp ta nhìn thấy vật thể với màu sắc riêng biệt của nó

Ánh sáng thấy được là sóng điện từ có tần số từ 3,8.1014Hz đến 7,9.1014Hz Tương ứng với bước sóng 780nm  380nm với vận tốc truyền c ≈ 300.000Km/s

Hình 3.1 Dải sóng điện từ Ánh sáng mà mắt người thấy được chỉ chiếm một dải rất hẹp trong dải sóng điện từ như hình 3.1, thường được chia thành 2 loại là ánh sáng đơn sắc và ánh sáng phức hợp

Ánh sáng đơn sắc: là sóng điện từ chỉ chứa một bước sóng xác định Song

trong thực tế có thể xem ánh sáng đơn sắc như bức xạ có dải tần rất hẹp Laser có thể được xem như một nguồn tạo ra ánh sáng đơn sắc nhân tạo

Ánh sáng phức hợp: là tập hợp nhiều ánh sáng đơn sắc, được đặc trưng bằng

sự phân bố năng lượng theo một dải tần số, nghĩa là đặc trưng bằng đặc tính phổ của nó Trong thiên nhiên thường gặp loại ánh sáng phức hợp này Một dạng đặc

Sóng vô tuyến

Hz

Tử ngoại Hồng ngoại

7,9.10 14 3,8.10 14

Ánh sáng thấy được Tia X Tia gama Tia vũ trụ

biệt của ánh sáng phức hợp là ánh sáng trắng trong đó phổ năng lượng được phân

bố đều từ 380nm đến 780nm

Nếu nguồn sáng chỉ có một khoảng ngắn của phổ nơi trên thì mắt người ghi nhận được một trong các màu phổ như dưới đây:

3.2 Màu sắc và đặc tính của màu sắc

3.2.1 Màu sắc

Màu của vật không phải là nguồn sáng Màu sắc của vật được phân biệt là nhờ tính chất phản xạ ánh sáng của nó

Khi ánh sáng trắng chiếu vào một vật nào đó thì một số bước sóng bị vật ấy hấp thụ hoàn toàn hoặc một phần Các bước sóng không bị hấp thụ còn lại phản chiếu đến mắt cho ta cảm giác về một màu nào đó

Nếu vật phản xạ mọi tia sáng có bước sóng trong dải phổ trông thấy thì vật

đó được xem là màu trắng Nếu vật chỉ phản xạ một số thành phần bước sóng nào

đó trong dải phổ trông thấy và hấp thu những thành phần khác thì ta thấy vật đó tương ứng với màu sắc riêng của nó

Màu đen về phương diện ánh sáng được xem là màu trắng có cường độ chiếu sáng thấp dưới khả năng kích thích của mắt

Màu sắc của vật không chỉ phụ thuộc vào tính chất phản xạ của nó mà còn phụ thuộc vào nguồn chiếu sáng lên vật đó Khi phổ phân bố năng lượng của nguồn chiếu sáng thay đổi thì màu sắc của vật được chiếu sáng cũng thay đổi Ví

dụ khi chiếu ánh sáng màu lên vật phản xạ mọi bước sóng ta thấy vật có màu giống màu của nguồn sáng

380 430 470 500 560 590 650 780nm

nm

Tím V VioletLơ B BlueLam C CyanLá cây G GreenVàng Y YellowCam O CrangeĐỏ R Red Hình 3.3 Sự phân bố 7 màu phổ

Hình 3.2 Phổ của ánh sáng trắng được phân bố đều

3.2.2 Các đặc tính xác định một màu

3.2.2.1 Độ chói (Luminance)

Độ chói là cảm nhận của mắt với cường độ của nguồn sáng, là đáp ứng của mắt với biên độ trung bình của toàn phổ

3.2.2.2 Độ bão hòa (Saturation)

Độ bão hòa của một màu là sự tinh khiết của màu ấy với màu trắng, là khả năng màu ấy bị pha loãng bởi ánh sáng trắng nhiều hay ít

Như vậy các nguồn đơn sắc có độ bão hòa tuyệt đối vì không bị ánh sáng trắng lẫn vào Nguồn sáng trắng có độ bão hòa bằng 0 vì xem như đã bị ánh sáng

trắng lẫn vào hoàn toàn Màu bất kỳ = Lượng sáng trắng + Lượng sáng màu

Độ bão hoà ở đây là có thể được xem mối tương quan giữa hai thành phần lượng sáng trắng và lượng sáng màu Tỉ lệ thành phần sáng trắng càng nhiều, độ bão hoà càng kém và ngược lại Tia laze có độ bão hoà cực tuyệt đối vì chỉ còn một bước sóng duy nhất

3.2.2.3 Sắc thái (Hue, Tint)

Sắc thái của một màu hoàn toàn là cảm giác chủ quan của con người Thường sắc thái quyết định bởi bước sóng lấn lướt nhất trong toàn phổ Cùng một màu đỏ chẳng hạn nhưng mỗi người cảm nhận sắc thái đỏ đó có thể khác nhau

Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn độ bão hoà

Biên độ trung bình (Cường độ sáng)

Hình 3.4 Độ chói là đáp ứng của mắt với biên

độ trung bình của toàn phổ

Hình vẽ 3.6 trình bày về sự khác nhau về các đặc tính xác định một màu.

3.3 Cấu trúc của mắt người

3.3.1 Cấu tạo của mắt

Mắt người bị kích thích trong vùng của bước sóng điện từ 380nm ÷ 780nm

và cảm nhận là ánh sáng Cảm nhận này có được là nhờ các tế bào thần kinh thị giác nằm bên trong hốc mắt Có hai loại tế bào thần kinh thị giác, khoảng:

+ 130 triệu tế bào que nằm rãi rác khắp võng mô, cho cảm giác về độ chói (cường độ sáng)

+ 7 triệu tế bào nón hầu hết tập trung ở hoàng điểm (nằm ngay chính giữa phía trong hốc mắt) cho cảm giác về cả cường độ sáng và màu sắc

Tế bào này có 3 loại:

+ Loại thứ hai: nhạy với màu đỏ (Red) λ = 700nm

Khác nhau về độ chói Khác nhau về sắc thái

Khác nhau về bão hoà Khác nhau về các đặc tính Hình 3.6 Sự khác nhau về các đặc tính xác định một màu

Não

R G B…

Thuỷ

tinh thể

Hoàng điểm

Hình 3.7 Cấu tạo của mắt Các loại tế bào

+ Loại thứ ba: nhạy với màu lá cây (Green) λ = 546,1nm

+ Loại thứ nhất: nhạy với màu lơ (Blue) λ = 435,8nm

Mắt thu nhận hình ảnh của vật chủ yếu nhờ các tế bào hình que đồng thời 3 loại tế bào hình nón cho ta cảm giác về màu sắc của vật

3.3.2 Độ chói của mắt

Hình vẽ 3.8 biểu diễn độ chói của mắt ở từng bước sóng Nếu lấy một nguồn sáng trắng có cường độ chuẩn mà mắt người ghi nhận độ chói 100% thì cũng với cường độ ấy, ánh sáng đỏ (Red) cho mắt cảm giác độ chói 30%, ánh sáng

lơ (Blue) là 11% và ánh sáng xanh (Green) là 59%

Từ đó suy ra công thức độ chói Y của một màu X (R, G, B) (tín hiệu trắng đen của mắt):

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B

Với: (R, G, B là tỉ lệ phần trăm của 3 thành phần R, G, B tạo ra màu X)

3.4 Thuyết 3 màu

Tất cả các màu đều có thể được tạo ra từ 3 thành phần màu cơ bản R,G,B bằng cách trộn chúng theo một tỉ lệ thích hợp.

Việc chọn các màu cơ bản cần phải thoả mãn điều kiện: Trộn 2 màu bất kỳ trong 3 màu cơ bản sẽ không cho ra màu cơ bản thứ 3 Ta có thể có vô số tập ba màu cơ bản nhưng cần lưu ý là, nếu như hai trong số 3 màu cơ bản nằm ở cuối hai đầu vùng nhìn thấy, còn màu cơ bản thứ ba nằm ở giữa thì có khả năng dễ dàng tạo lại phần lớn các màu tồn tại trong thiên nhiên

%

Độ chói

11%

59%

30 %

nm

λ

Hình 3.8 Độ chói thay đổi theo bước sóng

Năm 1931 Hội đồng quốc tế nghiên cứu về ánh sáng CIE (Commission International de l’Eclairge: CIE) đã chọn 3 màu cơ bản sau đây:

+ Đỏ (Red) có bước sóng λ = 700nm

+ Lá cây (Green) có bước sóng λ = 546,1nm

+ Lơ (Blue) có bước sóng λ = 435,8nm

3.5 Thí nghiệm kiểm chứng thuyết 3 màu và sự trộn màu

3.5.1 Thí nghiệm kiểm chứng

Để kiểm chứng người ta dùng máy đo màu (Sắc kế) Máy đo màu gồm 3 nguồn sáng R, G, B và màn ảnh có dạng tam giác Màu X chiếu sáng một bên màn ảnh còn bên màn ảnh còn lại được chiếu bởi ba nguồn sáng cơ bản R, G, B có thể điều chỉnh cường độ được Tiến hành điều chỉnh 3 nguồn sáng cho đến khi màu tổng hợp đồng nhất với màu cần xác định X, nghĩa là cùng độ chói, sắc thái và độ bão hoà màu Từ đó ta tìm được phần trăm của 3 màu theo công thức:

X ⇔ a(R) + b(G) +c(B) Với a, b, c là tỉ lệ phần trăm tương ứng cần tìm

Bằng cách thay đổi các tỉ lệ ấy, người ta có thể tạo ra hầu hết các màu trong thiên nhiên

Mắt

Màu X

G

B

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết màu

W

G Y

C M

B

Hình 3.10 Sự trộn màu

3.5.2 Sự trộn màu

Chiếu 3 nguồn sáng màu cơ bản R, G, B có cùng cường độ lên màn ảnh bằng vải trắng (để có sự phản chiếu hoàn toàn ở màn ảnh) Ta có kết quả trộn màu như sau ở các vùng giao nhau:

Hiện tượng trộn màu được giải thích như sau:

Thực ra không hề có sự pha trộn giữa các bước sóng của các màu cơ bản Tại vùng mắt người thấy màu trắng chẳng hạn, vẫn có đủ 3 bước sóng của 3 màu R, G,

B riêng rẽ đến mắt cùng một lượt và cả 3 nhóm tế bào nón R, G, B cùng bị kích thích giống y như trường hợp đã chiếu ánh sáng trắng vào mắt Hai hiện tượng vật

lý khách quan khác nhau đã gây cùng cảm giác cho mắt người

Màu tía (Magnenta) không phải là một thực thể khách quan (vì không có bước sóng của màu tía) mà do màu R và B kích thích vào 2 loại tế bào nón nhạy với màu R và B gây cho người quan sát có cảm giác màu tía

Sự trộn màu như vậy thực ra chỉ là kết quả lợi dụng sự nhầm lẫn của mắt và được khai thác triệt để trong truyền hình màu

3.6 Nguyên lý Camera màu và đèn hình màu

3.6.1Camera màu (Color Camera)

Điểm màu sau khi qua thấu kính và lăng kính sẽ chia làm 3 hướng, tạo ra các tia sáng 1, 2, 3 Các tia 1 và 3 sau khi qua lăng kính sẽ hướng lên trên và xuống dưới, gặp các gương 1 và 3 đổi phương thành đi ngang Tia 2 sau khi qua lăng kính cũng truyền theo phương ngang như hình 3.11 Sau đó, cả 3 tia được đưa vào các bộ lọc màu R,G,B để lọc lấy 3 thành phần màu Các thành phần này được đưa

R = G = B

R + G + B  W (White)

vào 3 tế bào nhạy với 3 màu (gọi là ống VIDICON 1,2,3), để biến thành 3 thành phần điện áp ER, EG, EB (gọi tắt là R, G, B) tỉ lệ với các thành màu tương ứng

VG = 2mV~ Nhưng thường chỉ viết tắt G = 2mV~

Sự phân tích màu được thực hiện cho từng điểm ảnh của vật

Điểm

màu

R G

B

Thấu kính

Lăng kính

2

VIDICON 1

3

E R

(= α volt)

E G

(= β volt)

E B

(= γ volt) Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của camera màu

Lọc R

Gương

VIDICON 2

VIDICON 3

Lọc G

Lọc B

70 K

30 K

41 K

59 K

89 K

11 K 100 K

Y = 0,3R + 0,59G + O,11 B

R G B

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý của mạch cộng tỉ lệ (Matrix)

để tái tạo độ chói Y từ các thành phần màu

G B

Y R

G B

Phía sau camera có bộ phận hoạt động như tế bào que tạo lại tín hiệu trắng đen, hay còn gọi là độ chói:

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B Mạch tạo ra tín hiệu trắng đen cho tivi gọi là mạch matrix Tín hiệu video tổng hợp R, G, B và độ chói Y sẽ được gửi đến máy thu.Sau đó, cho 3 tia R, G, B vào 3 Cathod của đèn hình để pha lại màu trên mặt đèn hình màu

3.6.2 Tổng hợp màu

3.6.3 Cấu trúc của đèn hình màu

3.6.3.1 Đèn hình delta ∆

E G

E B

E R

M¾t

Ph¸t quang mµu

R

Ph¸t quang mµu

B

Ph¸t quang mµu

G

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên tắc tổng hợp màu từ 3 thành phần màu

>]

>]

>]

Anod 2

Cathod

Lưới khiển Lưới mànScreen

Lưới hội tụ Focus

GLK

BLK

RLK Tim đèn

Hình 3.14 Cấu trúc đèn hình màu

Do hãng RCA chế tạo đầu tiên vào năm 1956 Ba tia được bố trí trên 3 đỉnh của một tam giác đều:

Các máy nội địa Nhật sản xuất trước 1979 còn loại đèn hình này Mặt đèn hình được phun sơn oxid đặc biệt để chùm tia đập vào với vận tốc cao thì phát ra ánh sáng màu Ba điểm màu tập trung thành một tổ hợp màu Khi ba chùm tia đập vào ánh sáng phát ra sẽ hoà lại cho ra 1 điểm màu

Trước mặt máy có mặt nạ đục lỗ giúp cho chùm tia hội tụ tại điểm 0 trước khi đập vào màn hình màu (Shadow mask) Mặt nạ đục lỗ làm bằng thép cứng Khi các chùm tia đến lỗ thì có một số e- đập vào mặt nạ sinh nhiệt nó rất nóng, năng lượng mất mát có khi lên đến 60% Ngoài ra khi mặt nạ bị nhiễm từ do loa, nam châm thì hình bị lem, nhiều vân nhiễu Lúc đó phải khử từ bằng máy khử dùng dòng cao tần Ở loại máy này có 12 biến trở ở đuôi đèn để chỉnh màu nên việc cân chỉnh gặp nhiều khó khăn, nhất là vấn đề chỉnh chùm tia Hiệu suất thấp 10% ÷ 15%  Công suất cung cấp gấp 10 lần TV trắng đen tương đương  đèn mau già

3.6.3.2 Đèn hình TRINITRON

G

B

B

R

0 Trục đèn hình

1 0 2’

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý của đèn hình delta

Mặt máy chứa

B

3 chùm tia e -o

Hình 3.16 Cấu trúc các tổ hợp màu và mặt nạ đục lỗ của đèn hình Delta

Đèn hình ∆ có chất lượng tương đối nhưng việc hiệu chỉnh tụm tia khó khăn và hiệu suất thấp Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1968 hãng SONY đèn hình màu TRINITRON

Màn hình photpho bây giờ gồm có các sọc R, G, B xếp xen kẻ

Mặt nạ đục lỗ được thay bằng lưới có điện thế âm  để hướng dẫn chùm tia bắn trúng vào các tổ hợp màu, khi e- đến lưới nó sẽ bị điện thế âm đẩy lọt vào giữa chính vì công suất chỉ cần thấp và hiệu suất đạt được cao Ngoài ra vì lưới nhỏ nên ít bị nhiễm từ

Giữa các vạch màu có lằn đen để hấp thu các tia e- bị lệch gọi là vi sọc đen(Micro Black) nên màu không bị lem, hình rực và đẹp

Hiệu suất 25% ÷ 30% ⇒ Đèn hình bền, tuổi thọ cao, hiệu suất cao nhất so với các loại đèn hình

3.6.3.3 Đèn hình màu InLine

Trinitron vừa ra đời đã được hưởng ứng ngay trong thương mại và đặt đèn hình màu tam giác trên đường đào thải Điều này đặt ra cho công nghiệp truyền hình màu của Mỹ yêu cầu phải cạnh tranh ráo riết với SONY Cho nên vào đầu năm 1970 (khoảng 1972) hãng General Electric (Mỹ) đưa ra thị trường đèn hình InLine

R

RGBRGBRGB

B

RG RG B

Sọc photpho

Hình 3.17 Cấu trúc của đèn hình Trinitron

Hình 3.19 Ba cathod được bố trí trên cùng nằm trên một phẳng

O

B G R

Mặt phát quang

G G G

G G G Mặt nạ đục lỗ

Hình 3.18 Sơ đồ mặt phát quang và mặt nạ đục lỗ của đèn hình InLine

R

B

G

0,7

-0,59 -0,3

-0,11

0,89

-0,59

Về cơ bản, đèn InLine vẫn như đèn Trinitron nhưng để vạch màu được ngắt

ra từng quảng tương ứng với dòng một Khe lưới hở cũng được thay đổi cho phù hợp và trước mỗi điểm G lại khoan một lỗ hình dạng y như điểm G Điều này làm giảm hiệu suất so với đèn Trinitron (thực tế chỉ còn 20% ÷ 25%)

Cho đến nay trừ hãng SONY vẫn duy trì sọc phát quang để tận dụng hiệu suất, còn tất cả các hãng trên thế giới đều dùng loại đèn InLine

3.7 Toạ độ màu

Một màu hoàn toàn được xác định bằng một điện áp của tín hiệu chói Y và 2 điện áp tín hiệu sắc (R – Y) và (B – Y) Nếu xem Y là một thông số (bằng bao nhiêu cũng được)  có thể biểu diễn tính chất một màu bằng hệ trục vuông góc: trục tung (R – Y), trục hoành (B – Y)

Ví dụ: màu trắng W có: R – Y = 0 và B – Y = 0 nên nằm tại tâm 0 của hệ trục

Đối với màu trắng

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B

(R – Y) = 0,7 (B – Y) = -0,3 R

(R – Y) = -0,59 (B – Y) = -0,59 G

(R – Y) = -0,11 (B – Y) = 0,89 B

(R – Y) = -0,7 (B – Y) = 0,3 C

(R – Y) = 0,59 (B – Y) = 0,59 M

(R – Y) = 0,11 (B – Y) = -0,89 Y

= (0,3 + 0,59 + 0,11=1=R=G=B ⇒ B – Y = 0, R – Y = 0, G – Y = 0

Ta có các cặp R-C, G-M, B-Y đối xứng nhau qua trục toạ độ vì chúng là các thành phần bổ túc nhau để tạo ra màu trắng (ví dụ: R+C = R+ B + G  W)

B Thiết lập hệ truyền hình màu

3.8 Vấn đề tương hợp

Truyền hình màu ra đời khi truyền hình đen trắng đã trưởng thành Hàng triệu

TV đen trắng đã được sản xuất và còn đang phát triển Vì vậy việc đầu tiên cho công tác truyền hình màu là phải làm sao không gây ảnh hưởng đến truyền hình trắng đen đang hoạt động mà còn làm sinh động và phong phú thêm Yêu cầu là

TV trắng đen phải thu được tín hiệu chói Y của đài màu Để đáp ứng với yêu cầu này thì truyền hình màu phải xây dựng dựa vào các chuẩn trắng đen như sau:

a fH và fV

b xây dựng theo khổ rộng băng thông của trung tần

c Phải chọn lại các tần số của băng tần UHF và VHF

fRF S fRF VID fIF S fIF VID

3.9 Hệ quả của việc xây dựng hệ màu dựa theo chuẩn trắng đen

Với băng thông hẹp như vậy thì không thể chuyển 3 màu cùng một lúc được Phải chọn cho mỗi một màu một sóng tải phụ fSC (Subcarrier) Nhưng từ 0 ÷ 4,2MHz để dành cho tín hiệu trắng đen Ít nhất cũng là từ 0 ÷ 3MHz để cho hình không bị mất chi tiết

15750Hz

15625Hz 50Hz cho OIRT và CCIR

6,5MHz 4,5MHz

fIF/S

41,25MHz

fIF/VID 45,75MHz

Hệ FCC

8MHz 6,5MHz

fIF/S 31,5MHz

fIF/VID 38MHz

Hệ OIRT

1,5M

fSC1

1M

fSC2

1M

fSC3

1M