Enregistrement vidéo à l'ère des tubes cathodiques : le tube de la caméra vidéo

Nous avons tous regardé des vidéos de concerts et d'événements datant des années 1950, mais nous ne nous sommes probablement jamais vraiment demandé comment cela était fait. Après tout, l'enregistrement d'images animées sur pellicule se faisait depuis la fin du XIXe siècle. C'est sûrement comme ça qu'on a continué à faire jusqu'à l'invention des capteurs d'image CCD dans les années 1980 ? Non.

Bien que le film soit encore couramment utilisé dans les années 1980, avec des films et même des séries télévisées entières telles que Star Trek : La prochaine génération enregistrées sur film, la principale faiblesse du film est la nécessité de déplacer le film physique. Imaginez le flux vidéo en direct de la Lune en 1969 si seuls les enregistreurs vidéo basés sur des films avaient existé.

Regardons le tube de la caméra vidéo : la technologie presque oubliée qui a permis à l'industrie de la radiodiffusion.

Le principe de l'enregistrement sur pellicule n'est pas si différent de celui de la photographie. L'intensité lumineuse est enregistrée en une ou plusieurs couches, selon le type de film. Le film chromogénique (couleur) pour la photographie a généralement trois couches, pour le rouge, le vert et le bleu. En fonction de l'intensité de la lumière dans cette partie du spectre, cela affectera davantage la couche correspondante, qui apparaît lorsque le film est développé. Un type de film très connu qui utilise ce principe est le Kodachrome.

Alors que le film était excellent pour la photographie fixe et les salles de cinéma, il ne correspondait pas au concept de télévision. Autrement dit, le film ne se diffuse pas. Les émissions en direct étaient très populaires à la radio et la télévision devait être en mesure de distribuer ses images animées plus rapidement que les bobines de film ne pouvaient être expédiées dans tout le pays ou dans le monde.

Compte tenu de l'état de l'art de l'électronique dans la première décennie du 20e siècle, une certaine forme de tube cathodique était la solution évidente pour convertir d'une manière ou d'une autre les photons en un courant électrique qui pourrait être interprété, diffusé et éventuellement stocké. Cette idée d'un soi-disant tube de caméra vidéo est devenue l'objet de nombreuses recherches au cours de ces décennies, menant à l'invention du dissecteur d'image dans les années 1920.

Le dissecteur d'image utilise une lentille pour focaliser une image sur une couche de matériau photosensible (par exemple de l'oxyde de césium) qui émet des photoélectrons en quantité relative à celle de l'intensité du nombre de photons. Les photoélectrons d'une petite zone sont ensuite manipulés dans un multiplicateur d'électrons pour obtenir une lecture de cette section de l'image frappant le matériau photosensible.

Bien que les dissecteurs d'images aient fonctionné comme prévu, la faible sensibilité à la lumière de l'appareil a entraîné des images médiocres. Ce n'est qu'avec un éclairage extrême que l'on pouvait distinguer la scène, la rendant inutilisable pour la plupart des scènes. Ce problème ne sera résolu qu'avec l'invention de l'iconoscope, qui utilise le concept d'une plaque de stockage de charge.

L'iconoscope a ajouté un condensateur à base d'argent à la couche photosensible, en utilisant du mica comme couche isolante entre de petits globules d'argent recouverts du matériau photosensible et une couche d'argent au dos de la plaque de mica. En conséquence, les globules d'argent se chargeraient de photoélectrons, après quoi chacun de ces «pixels» de globules pourrait être balayé individuellement par le rayon cathodique. En balayant ces éléments chargés, le signal de sortie résultant a été bien amélioré par rapport au dissecteur d'image, ce qui en fait la première caméra vidéo pratique lors de son introduction au début des années 1930.

Cependant, il avait toujours une sortie plutôt bruyante, l'analyse par EMI montrant qu'il n'avait qu'une efficacité d'environ 5% car les électrons secondaires perturbaient et neutralisaient les charges stockées sur la plaque de stockage pendant le balayage. La solution était de séparer le stockage de charge de la fonction de photo-émission, créant ce qui est essentiellement une combinaison d'un dissecteur d'image et d'un iconoscope.

Dans cet "iconoscope d'image", ou super-Emitron comme on l'appelait aussi, une photocathode capterait les photons de l'image, les photoélectrons résultants étant dirigés vers une cible qui génère des électrons secondaires et amplifie le signal. La plaque cible du super-Emitron du Royaume-Uni est de construction similaire à la plaque de stockage de charge de l'iconoscope, avec un faisceau d'électrons à faible vitesse balayant les charges stockées pour empêcher les électrons secondaires. Le super-Emitron a été utilisé pour la première fois par la BBC en 1937 pour un événement en plein air lors du tournage du dépôt de gerbe par le roi lors du jour de l'Armistice.

La plaque cible de l'iconoscope d'image omet les granules du super-Emitron, mais est par ailleurs identique. Il a fait ses grands débuts lors des Jeux olympiques de Berlin de 1936, avec une commercialisation ultérieure par la société allemande Heimann faisant l'iconoscope d'image ("Super-Ikonoskop" en allemand) qui en a fait la norme de diffusion jusqu'au début des années 1960. Un défi avec la commercialisation du Super-Ikonoskop était que pendant les Jeux olympiques de Berlin de 1936, chaque tube ne durerait qu'un jour avant que la cathode ne s'use.

Les diffuseurs américains passeront bientôt de l'iconoscope à l'orthicon d'images. L'orthicon d'image partageait de nombreuses propriétés avec l'iconoscope d'image et le super-Emitron et serait utilisé dans la radiodiffusion américaine de 1946 à 1968. Il utilisait le même faisceau de balayage à faible vitesse pour empêcher les électrons secondaires qui était auparavant utilisé dans l'orthicon et une version intermédiaire de l'Emitron (semblable à l'iconoscope), appelé Emitron Cathode Potential Stabilized (CPS).

Entre l'iconoscope d'image, le super-Emitron et l'orthicon d'image, la diffusion télévisuelle avait atteint un niveau de qualité et de fiabilité qui lui a permis de monter en flèche dans les années 1950, alors que de plus en plus de gens achetaient un téléviseur pour regarder la télévision à la maison, accompagné d'une quantité toujours croissante de contenu, allant de l'actualité à divers types de divertissement. Ceci, ainsi que de nouvelles utilisations dans la science et la recherche, conduirait au développement d'un nouveau type de tube de caméra vidéo : le vidicon.

Le vidicon a été développé dans les années 1950 comme une amélioration de l'orthicon d'image. Ils ont utilisé un photoconducteur comme cible, utilisant souvent du sélénium pour sa photoconductivité, bien que Philips utilisait de l'oxyde de plomb (II) dans sa gamme Plumbicon de tubes vidicon. Dans ce type de dispositif, la charge induite par les photons dans le matériau semi-conducteur serait transférée de l'autre côté, où elle serait lue par un faisceau de balayage à faible vitesse, un peu comme dans un orthicon d'image ou un iconoscope d'image.

Bien que moins chers à fabriquer et plus robustes à utiliser que les tubes de caméra vidéo non vidicon, les vidicons souffrent de latence en raison du temps nécessaire à la charge pour traverser la couche photoconductrice. Il compense cela en ayant une meilleure qualité d'image en général et aucun effet de halo causé par les «éclaboussures» d'électrons secondaires causées par des points de luminosité extrême dans une scène.

Les caméras vidéo qui se sont rendues sur la Lune lors du programme d'atterrissage américain Apollo Moon seraient des unités basées sur vidicon développées par RCA, utilisant un codage personnalisé, et éventuellement une caméra vidéo couleur. Bien que de nombreux foyers américains aient encore des téléviseurs en noir et blanc à l'époque, Mission Control a obtenu une vue couleur en direct de ce que leurs astronautes faisaient sur la Lune. Finalement, les caméras couleur et les téléviseurs couleur deviendraient également monnaie courante sur Terre.

Apporter de la couleur à la fois aux caméras et aux caméras vidéo était un défi intéressant. Après tout, pour enregistrer une image en noir et blanc, il suffit d'enregistrer l'intensité des photons à ce moment précis. Pour enregistrer les informations de couleur dans la scène, il faut enregistrer l'intensité des photons avec une longueur d'onde particulière dans la scène.

Dans le film Kodachrome, cela a été résolu en ayant trois couches, une pour chaque couleur. Dans les caméras vidéo terrestres, un prisme dichroïque divise la lumière entrante en ces trois plages, et chacune est enregistrée séparément par son propre tube. Pour les missions Apollo, les caméras couleur utilisaient un système de couleur séquentiel mécanique qui utilisait une roue chromatique rotative, capturant une couleur spécifique chaque fois que son filtre de couleur était en place, en utilisant un seul tube.

Finalement, une meilleure technologie arrive. Dans le cas du vidicon, il s'agissait d'abord de l'invention du capteur à dispositif à couplage de charge (CCD), puis du capteur d'image CMOS. Ceux-ci ont éliminé le besoin du tube à rayons cathodiques, en utilisant du silicium pour la couche photosensible.

Mais le CCD n'a pas pris le relais instantanément. Les premiers capteurs CCD produits en série au début des années 1980 n'étaient pas considérés comme d'une qualité suffisante pour remplacer les caméras de studio de télévision et ont été relégués aux caméscopes où la taille compacte et le faible coût étaient plus importants. Au cours des années 1980, les CCD se sont considérablement améliorés, et avec l'avènement des capteurs CMOS dans les années 1990, l'ère du tube de caméra vidéo allait rapidement toucher à sa fin, avec une seule entreprise fabriquant encore des tubes Plumbicon vidicon.

Bien que la plupart soient oubliés par la plupart, il est indéniable que les tubes de caméras vidéo ont une impression durable sur la société et la culture d'aujourd'hui, permettant une grande partie de ce que nous considérons comme banal aujourd'hui.