ブラウン管時代のビデオ録画: ビデオカメラ管

私たちは皆、1950 年代に遡るコンサートやイベントのビデオを見たことがあるでしょうが、これがどのように行われたのか疑問に思ったことはおそらくないでしょう。結局のところ、動画をフィルムに記録することは 19 世紀後半から行われていました。 1980 年代に CCD イメージセンサーが発明されるまで、この方法が続けられていたのでしょうか? いいえ。

フィルムは 1980 年代になっても一般的に使用されており、映画やスタートレック: ネクストジェネレーションなどのテレビシリーズ全体がフィルムに記録されていましたが、フィルムの主な弱点は、物理的なフィルムを移動する必要があることです。 1969 年に月からのライブビデオフィードがフィルムベースのビデオレコーダーしか存在しなかった場合を想像してみてください。

放送業界を可能にしたほとんど忘れ去られた技術であるビデオカメラ管を見てみましょう。

フィルムに記録する原理は写真の原理とそれほど変わりません。光の強度は、フィルムの種類に応じて 1 つまたは複数のレイヤーに記録されます。写真用の発色（カラー）フィルムは一般的に赤、緑、青の３層になっています。スペクトルのその部分の光の強度に応じて、対応する層により多くの影響を及ぼし、それはフィルムを現像するときに現れます。この原理を使用する非常によく知られたタイプのフィルムはコダクロームです。

フィルムは静止画撮影や映画館には優れていましたが、テレビの概念には適合しませんでした。簡単に言えば、映画は放送されません。ラジオでは生放送が非常に人気があり、テレビではフィルムのスプールを国中、または世界中に発送するよりも早く動画を配信できる必要がありました。

20 世紀の最初の 10 年間のエレクトロニクスの最新技術を考慮すると、何らかの方法で光子を解釈、放送、およびおそらくは保存できる電流に変換するには、何らかの形式のブラウン管が明白な解決策でした。いわゆるビデオカメラチューブに関するこのアイデアは、この数十年間で多くの研究の焦点となり、1920 年代の画像分析器の発明につながりました。

画像解析装置はレンズを使用して、光子の数の強度に応じた量の光電子を放出する感光性材料（酸化セシウムなど）の層に画像の焦点を合わせます。次に、小さな領域からの光電子が電子増倍管で操作され、感光材料に当たる画像のその部分から読み取りが行われます。

画像解析装置は基本的に意図したとおりに機能しましたが、デバイスの光感度が低いため、画像が粗悪になりました。極端な照明がないとシーンを識別できず、ほとんどのシーンでは使用できなくなります。この問題は、電荷蓄積プレートの概念を使用したイコノスコープが発明されるまで解決されませんでした。

イコノスコープは、感光性材料で覆われた小さな銀の小球と雲母プレートの裏側の銀の層の間の絶縁層として雲母を使用し、感光層に銀ベースのコンデンサを追加しました。その結果、銀の小球は光電子で帯電し、その後これらの小球の「ピクセル」のそれぞれが陰極線によって個別に走査されるようになります。これらの荷電要素をスキャンすることにより、結果として得られる出力信号はイメージディセクターと比較して大幅に改善され、1930 年代初頭に導入された最初の実用的なビデオカメラとなりました。

しかし、依然としてかなりノイズの多い出力でしたが、EMIによる分析では、スキャン中に二次電子が蓄積プレート上の蓄積電荷を破壊して中和したため、効率が約5%しかないことが示されました。解決策は、電荷蓄積を光放出機能から分離し、本質的に画像分析装置とイコノスコープを組み合わせたものを作成することでした。

この「画像イコノスコープ」、またはスーパーエミトロンとも呼ばれるこのシステムでは、光電陰極が画像から光子を捕捉し、結果として得られる光電子がターゲットに向けられ、二次電子が生成されて信号が増幅されます。英国のスーパーエミトロンのターゲットプレートは、アイコノスコープの電荷蓄積プレートと構造が似ており、二次電子を防ぐために蓄積された電荷を低速電子ビームで走査する。スーパーエミトロンは、1937 年に休戦記念日に国王による献花の撮影中の野外イベントで BBC によって初めて使用されました。

画像イコノスコープのターゲットプレートはスーパーエミトロンの顆粒を省略していますが、それ以外は同一です。この映像は 1936 年のベルリンオリンピック中にデビューし、その後ドイツのハイマン社による画像イコノスコープ (ドイツ語で「スーパーイコノスコープ」) の商品化により、1960 年代初頭まで放送標準となりました。スーパーイコノスコープの商品化における課題は、1936 年のベルリンオリンピックの際に、各真空管が陰極が摩耗するまでに 1 日しか持たなかったことです。

アメリカの放送局はすぐにイコノスコープから画像オルシコンに切り替えることになります。画像オルシコンは、画像イコノスコープおよびスーパーエミトロンと多くの特性を共有しており、1946 年から 1968 年までアメリカの放送で使用されました。これは、以前にオルシコンおよび中間バージョンで使用されていたものと同じ低速走査ビームを二次電子を防止するために使用しました。エミトロンの（図像に似た）カソード電位安定化 (CPS) エミトロンと呼ばれます。

画像イコノスコープ、スーパーエミトロン、画像オルシコンの間で、テレビ放送は品質と信頼性の点に到達し、1950 年代にその人気が急上昇しました。家庭でテレビを見るためにテレビを購入する人が増えたためです。ニュースからさまざまなエンターテイメントに至るまで、コンテンツの量は増え続けています。これは、科学や研究における新たな用途と合わせて、新しいタイプのビデオカメラ管であるビディコンの開発を促進することになります。

ビディコンは、画像オルシコンの改良版として 1950 年代に開発されました。彼らはターゲットとして光伝導体を使用し、多くの場合、その光伝導性のためにセレンを使用しましたが、フィリップスはビジコン管の Plumbicon シリーズに酸化鉛 (II) を使用していました。このタイプのデバイスでは、半導体材料内の光子によって誘起された電荷が反対側に移動し、画像オルシコンや画像イコノスコープと同様に、低速の走査ビームによって読み取られます。

ビディコン以外のビデオカメラ管よりも製造コストが安く、使用時の堅牢性は高いものの、ビディコンは電荷が光導電層を通過するのに時間がかかるため、待ち時間が発生します。これは、一般に画質が向上し、シーン内の極端な明るさの点によって引き起こされる二次電子の「スプラッシュ」によって引き起こされるハロー効果がないことで、この問題を補います。

米国のアポロ月着陸計画中に月に到達したビデオカメラは、RCA が開発したビディコンベースのユニットで、カスタムエンコーディングを使用し、最終的にはカラービデオカメラになる予定です。当時、多くのアメリカの家庭はまだ白黒テレビを持っていましたが、ミッションコントロールは宇宙飛行士が月で何をしているのかをカラーでライブビューで見ることができました。最終的には、カラーカメラやカラーテレビが地球上でも一般的なものになるでしょう。

フィルムカメラとビデオカメラの両方に色をもたらすことは興味深い挑戦でした。結局のところ、白黒画像を記録するには、その時点での光子の強度を記録するだけで済みます。シーン内の色情報を記録するには、シーン内の特定の波長を持つ光子の強度を記録する必要があります。

コダクロームフィルムでは、各色に 1 つずつ、計 3 つの層を設けることでこの問題を解決しました。地上のビデオカメラでは、ダイクロイックプリズムが入射光をこれら 3 つの範囲に分割し、それぞれが独自のチューブによって個別に記録されます。アポロ計画では、カラーカメラは回転するカラーホイールを採用した機械式フィールドシーケンシャルカラーシステムを使用し、カラーフィルターが設置されているときはいつでも、単一のチューブのみを使用して特定の色を捕捉しました。

やがて、より優れたテクノロジーが登場します。ビディコンの場合、これは最初に電荷結合素子 (CCD) センサーの発明であり、その後、CMOS イメージセンサーが発明されました。これらによりブラウン管が不要となり、感光層にシリコンが使用されました。

しかし、CCD はすぐには普及しませんでした。 1980 年代初頭の初期の大量生産 CCD センサーは、TV スタジオカメラに代わるのに十分な品質とはみなされておらず、コンパクトなサイズと低コストがより重要視されるビデオカメラに追いやられていました。 1980 年代に CCD は大幅に改良され、1990 年代の CMOS センサーの出現により、ビデオカメラ管の時代は急速に終わりを迎え、現在も Plumbicon ビジコン管を製造しているのは 1 社だけになりました。

ほとんどの人にほとんど忘れられていますが、ビデオカメラ管が今日の社会と文化に永続的な印象を与え、今日私たちが当たり前だと思っていることの多くを可能にしたことは否定できません。