Лекция

Краткая хронология развития телевизионной техники

Идея электрической передачи изображений возникла почти одновременно с возникновением электросвязи. Однако из-за сложности и синтетического характера ее реализация задержалась до создания достаточно мощной научно-исследовательской и промышленной базы. Все это не позволяет назвать имя бесспорного изобретателя телевидения и точную дату его изобретения аналогично телеграфу (П. Л. Шиллинг, 1832 г.), телефону (А. Г. Бел, 1876 г.), радио (А. С. Попов, 1895 г.), однако дает возможность судить о влиянии отдельных деятелей и коллективов на развитие данной научно-технической отрасли.

Первая попытка систематизации предложений по электрической передаче изображений относится к 1911 г. [1], когда вышел в свет документированный обзор патентов и трудов, посвященных в основном факсимильной связи. Часть этого капитального исследования посвящена описанию ранних ТВ проектов. Последующие, более продуктивные, периоды развития ТВ техники не нашли такого же систематизированного отражения в печати. Поэтому в основу настоящей краткой хронологии положено несколько работ [2—7], снабженных ссылками на первоисточники. Спорные даты и факты уточнялись по первым публикациям.

По набору используемых технических средств и достигнутым результатам в хронологии развития телевидения можно выделить следующие периоды: 1) начальный (до 1920 г.) (период размышления); 2) механического ТВ (1921—1935 гг.); 3) электронного ТВ (1936—1966 гг.); 4) цветного и спутникового ТВ (с 1967 г.).

Первый проект передачи по проводам заранее подготовленных изображений выдвинут английским механиком А. Беном в 1843 г. [1]. Вслед за ним несколько изобретателей предложили ряд автографических систем, но до уровня коммерческого использования был доведен лишь пантографический телеграф итальянца Д. Казелли. В России аппараты его системы действовали на линии Москва—Петербург в 1866—1868 гг. Для передачи с помощью пантографа требовалось предварительно нарисовать изображение диэлектрическими чернилами на металлической фольге, укрепляемой в передающем аппарате. В аналогично устроенном приемном аппарате вместо фольги помещали чистый лист бумаги, пропитанной раствором, приобретавшим окраску под действием электрического тока. Для развертки изображения использовались маятники. При синхронном движении маятников, одновременно приводимых в действие особым сигналом, по фольге в передающем и по бумаге в приемном аппаратах перемещаются контакты, осуществляя построчную развертку изображения. Эти контакты, включенные в телеграфную линию вместе с батареей питания, составляют общую цепь. Строка развертывалась за одно колебание маятника, а все изображение, поделенное на 120 строк, передавалось за 2 мин. Тариф на пользование пантографом был высок ¹. Поэтому пантограф не пользовался популярностью и не оправдывал расходов на эксплуатацию.

От автографических систем ТВ унаследовало хорошо осознанную и экспериментально доказанную необходимость, во-первых, поэлементной развертки, во-вторых, построчной коммутации элементов изображения, в-третьих, синхронного сканирования.

Для передачи натурных объектов в движении, кроме значительного увеличения скорости развертки, требовалось прибегнуть к оптической проекции, преобразовать отраженный объектом свет в электрические сигналы, передать их по линии связи, а затем осуществить обратное преобразование электрических сигналов в световое излучение. Средства для этого уже были в распоряжении исследователей.

В средние века для забав и развлечений служила камера-обскура—полый ящик с маленьким отверстием, дававший перевернутое изображение предметов и людей. Научное ее значение, как отметил академик С. И. Вавилов, заключалось в том, что она впервые позволила получить оптическое изображение вне человеческого глаза [8]. В XVI в. появились камеры, вооруженные простой линзой. В 1839 г. Э. Беккерель обнаружил фотоэлектрический эффект—преобразование солнечного света в электричество с помощью пластинки окисленной меди, помещенной в электролит [9]. Эффект Беккереля вначале не повлиял на развитие ТВ, хотя впоследствии его использовали в ряде ТВ проектов. Открытие фотопроводимости селена в 1873 г. У. Смитом, наоборот, вызвало вспышку изобретательской активности. Оно почти совпало по времени с изобретением телефона, в котором многие увидели электрическую модель человеческого слуха. Поиск электрической аналогии другого органа чувств — зрения — привел к проектам первых ТВ систем (ТВС).

Селеновые фотоэлементы имели недостаток — медленный фотоэффект. В начале XX в. они были вытеснены безинерционными вакуумными фотоэлементами на основе внешнего фотоэффекта, обнаруженного в 1886 г. как побочное явление в известных опытах Г. Герца с электромагнитными волнами. Большой вклад в изучение этого фундаментального явления и формулирование основных законов внешнего фотоэффекта (1888 г.) внес А. Г. Столетов [9].

Технические средства для обратного преобразования электрических сигналов в изображение на первых порах были весьма несовершенны, хотя удачные опыты состоялись намного раньше, чем открытие фотоэффекта. Если не считать кратковременного искрения электростатических машин и разрядов лейденских банок (конденсаторов), вследствие их невысоких энергетических характеристик, то пальма первенства, несомненно, принадлежит петербургскому ученому В. В. Петрову, который в 1802 г. получил устойчивый свет от вольтова столба, указав три вида открытых им «светоносных явлений»: электрическую дугу, газовый разряд, люминесценцию [10].

Авторы первых проектов ТВС использовали также свет от накаливаемых тел, поскольку электровакуумная осветительная лампа, изобретенная А. Н. Лодыгиным в 1871 г. и усовершенствованная Т. Эдисоном в 1880 г., не сразу получила широкую известность. Яркость элементов воспроизводимого изображения предлагалось модулировать электрическим сигналом от фотоэлемента как непосредственно, так и с помощью реле или модуляционных устройств, основанных на эффектах магнито- или электрооптического вращения плоскости поляризации света, открытых соответственно в 1845 и 1875 г. М. Фарадеем и Д. Керром.

С момента зарождения ТВ развивалось международными усилиями. В период с 1878 г. до конца XIX в. представителями разных сословий в 11-ти странах было вынесено на суд общественности 25 проектов ТВС [3], часть которых получила широкую известность.

1878 г. Профессор физики Адриано де Пайва (г.Порту, Португалия) выступает с проектом ТВС «электрического телескопа» (проект поступил в редакцию научного журнала 20 февраля 1878 г.), где в качестве передатчика использует камеру-обскуру с селеновой фоточувствительной поверхностью, «различные области которой получают разное воздействие», и подвижным контактом, а в качестве приемника — накальный элемент за матовым стеклом [1, 6].

1879 г. Изобретатель Д. Редмонд (Ирландия), чтобы избежать трудностей сканирования и синхронизации (опущенных в описании де Пайвы), предложил в качестве передатчика мозаичную селеновую панель, каждый элемент которой соединен с соответствующим накальным элементом приемной панели многопроводной линией связи [3].

1880 г. Государственный служащий Д. Кери (США) публикует описание аналогичного многопроводного устройства. Приводимая в ряде источников более ранняя дата этого изобретения (1875 г.) не имеет документального подтверждения [1, 3].

Профессора-электротехники У. Эйртон и Д. Перри (Англия) в подобной же системе предлагают конструкцию приемного устройства на основе эффекта Керри [3]. Инженер М. Леблан (Франция) предложил развертывать изображение с помощью качающихся зеркал и впервые выдвинул идею передачи цветных изображений, используя цветовыделение трехгранной призмой [1, 2].

Основополагающий принцип телевидения — необходимость разложения изображения на отдельные элементы для последовательной их передачи на расстояние (развертка).

1881 г. Адвокат К. М. Сенлек (Франция) комбинирует для передачи изображения мозаичную селеновую панель, а для приема — мозаику из накаливаемых проволок с двумя механическими коммутаторами и вводит передачу отдельного синхронизирующего сигнала [2].

1884 г. Студент П. Нипков (Германия) патентует проект «электрического телескопа» — ТВС на основе сканирующего диска со спирально расположенными отверстиями. Для модуляции яркости в приемнике использует эффект Фарадея [1, 6].

1885 г. Студент П. И. Бахметьев (Россия) описывает проект, в котором спиральная развертка изображения осуществляется линейкой из 12 селеновых фотоэлементов, а воспроизведение — тем же числом регулируемых газовых горелок. В [11] сообщается, что доклад об этой системе автор сделал в 1880 г.

1889 г. Изобретатель Л. Вейлер (Франция) предлагает зеркальный сканирующий барабан [2].

1897 г. Учитель Я. Щепаник (Польша) патентует в Англии ТВС, основанную на идеях М. Леблана, в которой предусматривает передачу звукового сопровождения [1].

1898 г. Гимназист из г. Ченстохова (Польша) М. Вольфке запрашивает патент в России на ТВС с передачей сигналов по радио и воспроизведением изображения с помощью диска Нипкова и газосветной трубки [12].

1899 г. Инженер-технолог А. А. Полумордвинов (Россия) патентует цветную ТВС с последовательной передачей цветоделенных сигналов. Основываясь на трехкомпонентной теории зрения Ломоносова—Юнга— Гельмгольца, он вводит понятие «триада цветов» [7, 13].

1890 г. Военный инженер К. Д. Перский (Россия) в докладе на Международном конгрессе в Париже впервые вводит в международное обращение термин television [14]. Разнообразие предложенных оптико-механических средств и методов опережало практические успехи, состоявшие в передачах одного или нескольких элементов изображения, которые смогли продемонстрировать Редмонд, Сенлек, Эйртон и Перри [3]. В XIX в. сложились предпосылки для зарождения электронного ТВ. В 1858 г. Ю. Плюккер (Германия) открыл катодные лучи [10], в 1871 г. У. Крукс (Англия) изготовил трубки для исследования свечения различных веществ, облучаемых широким катодным пучком в разряженной среде, в 1897 г. К. Ф. Браун (Германия) применил катодную трубку для индикации быстропротекающих электрических процессов и для этого установил в ней диафрагму с отверстием, ограничивающим поперечное сечение катодного пучка. Он воспользовался свойством катодных лучей отклоняться под воздействием магнитного поля. Исследуемый ток подводил к внешнему электромагниту, и на флюоресцирующем экране высвечивалась линия между двумя точками, соответствующими положительному и отрицательному пикам. Для наблюдения формы процесса эту линию требовалось спроецировать на внешний экран и развернуть по оси времени с помощью качающегося зеркала, укрепленного на подвижном якоре другого электромагнита. В последующие годы трубка Брауна претерпевает ряд существенных изменений: Д. Д. Томсон (Англия) при определении отношения масса/заряд электрона применил отклоняющие пластины внутри колбы (1899 г.), А. Венельт (Германия) ввел фокусирующий электрод и накальный катод (1903 г.), М. Дикман (Германия) запатентовал устройство с ручным управлением перемещения светящегося пятна по экрану катодной трубки (1906 г.) [6], Л. И. Мандельштам (Россия) предложил схему получения токов пилообразной формы (1907 г.), усовершенствованную Д. А. Рожанским [15]. Наконец, появляются предложения по применению (ЭЛТ) электронно-лучевой трубки в ТВ.

1907 г. Преподаватель физики и электротехники Б. Л. Розинг (Россия) запрашивает патенты в России, Англии и Германии на «Способ электрической передачи изображений», отличающийся применением катодной трубки в приемнике. Он впервые вводит модуляцию плотности катодного пучка и разноскоростную развертку по двум координатам для образования растра [4]. В механическом передающем устройстве Б. Л. Розинг использует безинерционный калиевый элемент с внешним фотоэффектом.

1908 г. Инженер А. К. Суинтон (Англия) выдвигает идею применения электронного луча для развертки изображения как в приемном, так и в передающем устройствах [4].

1911 г. Б. Л. Розинг публично демонстрирует прием изображения решетки из четырех светлых полос на темном фоне с помощью изобретенной им ЭЛТ [4].

1912 г. А. К. Суинтон публикует грубую схему полностью электронной ТВС, включая передающую ЭЛТ с газонаполненным объемом, мозаикой фоточувствительных элементов из рубидия, ускоряющим напряжением 100 кВ [4]. Попытки Суинтона доказать работоспособность предложенного им устройства не увенчались успехом.

Первая мировая война (1914—1918 гг.) остановила работы по ТВ, но в военные годы развились радиотехника и радиопромышленность, обеспечивавшие армии воюющих держав средствами связи. В эти годы была разработана технология изготовления электронных приемно-усилительных и генераторных ламп, а также фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Обретенный мир стимулировал повышенный интерес к научной работе. Новому подъему ТВ, наметившемуся в начале 20-х гг. XX в., в значительной мере способствовало распространение массового радиовещания. В этот период создаются ТВС с оптико-механическим разложением и электронным усилением, предложенные изобретателями разных стран.

Некоторые технические этапы развития телевидения

Ранние проекты систем телевидения

Первые телевизионные проекты [Л 1.1] появились в печати вскоре после того, как русский учёный А. Н. Лодыгин в 1873 г. изобрёл лампочку накаливания. Этими проектами предлагалось электрически воспроизвести в известной мере устройство нашего зрительного органа путём замены светочувствительной сетчатки глаза мозаикой из селеновых пластинок, пучка зрительных нервов — множеством телеграфных проводов, а центров коры головного мозга, где создаются зрительные образы, — лампочками накаливания (рис. 1.1). Предполагалось, что спроектированное на панель селеновых

Рис. 1.1. Телевизионный проект Кери (1875 г.)

пластинок изображение вызовет в каждом проводе разное изменение тока (сопротивление селена изменяется пропорционально освещённости) и заставит светиться каждую лампочку с соответствующей яркостью. А совокупность свечения всех ламп должна дать мозаичное изображение передаваемого предмета.

Идея эта не была реализована, в ней также были исключена возможность передачи цвета и третьего измерения

В таких системах наряду с разбивкой изображения на элементы сохранён принцип одновременности передачи всего изображения. Поэтому число селеновых фотоэлементов (и число лампочек) определяло количество телеграфных проводов (или пар проводов), Отсюда очевидна нереальность данного проекта для требующейся обычно большой чёткости изображений.

В дальнейших проектах принцип одновременности был заменён принципом последовательной (поочерёдной) передачи элементов изображения.

Проект системы Бахметьева

Принцип последовательной передачи изображения по элементам был предложен П. И. Бахметьевым в 1880 г. (опубликован в 1885 г.) [Л 1.2]. В своём проекте телевизионной системы, названной им «телефотографом», Бахметьев дал схемы как передающего, так и приёмного устройств (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Телевизионный проект Бахметьева (1880 г.)

Передающая часть представляет собой фотокамеру 1, снабжённую объективом 2. Оптическое изображение передаваемой сцены проектируется на заднюю внутреннюю стенку 3 камеры, где помещается селеновый фотоэлемент малого размера 4. Этот фотоэлемент с помощью особого механизма совершает периодически движение по спирали в фокальной плоскости, обегая последовательно все участки передаваемого изображения.

Поскольку освещённость фотоэлемента изменяется в соответствии с яркостью разных точек изображения, меняется и внутреннее сопротивление фотоэлемента. В цепь фотоэлемента включается источник напряжения 5 и в качестве нагрузки — обмотка электромагнита 9. Таким образом, при изменении освещённости фотоэлемента ток, протекающий по его цепи, изменяется пропорционально изменению сопротивления фотоэлемента, тем самым образуя сигнал изображения.

Приёмное устройство включает в себя электромагнит 9, газовую камеру 10 и оптическую проекционную систему с газовой горелкой 11. Изменение тока в обмотке электромагнита заставляет колебаться мембрану 12, служащую крышкой газовой камеры. К мембране прикреплён стержень 13, прикрывающий доступ светильного газа к горелке. В зависимости от положения мембраны светильный газ, поступающий в камеру через трубку 14, будет проходить в газовую горелку в большей или меньшей степени.

Интенсивность пламени горелки будет изменяться, создавая на экране 15 пятно с яркостью, изменяющейся пропорционально освещённости фотоэлемента, т. е. яркости участка передаваемого изображения. Линза 16 и зеркало 17 служат для фокусировки светового потока пламени горелки на экране. Соответственное размещение элементов изображения на приёмном экране осуществляется путём периодического движения всего приёмного устройства по спирали относительно экрана, подобно движению фотоэлемента в передающей камере. Движение фотоэлемента и приёмного устройства, как это предусматривалось проектом, должно было происходить синхронно и синфазно с частотой 5—7 раз в секунду.

Анализируя систему Бахметьева, можно сделать несколько важных выводов. Несмотря на непрерывное движение пластинки селена, размеры её определяют элемент передаваемого изображения, а следовательно, и чёткость его. Любое изображение, подлежащее передаче, характеризуется в указанных условиях распределением яркостей по его поверхности. В каждый данный отрезок времени из всего изображения выделяется весьма малый участок, равный пластинке селена. Усреднённое значение яркости этого участка изображения преобразуется в пропорциональный электрический сигнал

Последовательное, непрерывное выделение всех участков передаваемого изображения и соответственно последовательное, преобразование яркостей этих участков в электрические сигналы характеризуют основной принцип передачи изображения в телевидении — Принцип поочерёдности. Процесс последовательного преобразования яркостей в электрические сигналы принято называть развёрткой изображения.

Таким образом, в проекте Бахметьева чётко сформулирована прогрессивная идея последовательной развёртки изображения, вошедшая в современное телевидение. Передача изображения по элементам требует выполнения определённого закона развёртки, связывающего пространственные координаты с координатой времени.

Это означает постоянство скоростей развёртки как по горизонтали, так и по вертикали, но разных по величине

В результате развёртки переходим от двухмерной координатной системы к одномерной, т. е. результирующую функцию передаём, как изменение напряжения во времени. Это позволяет передачу изображений вести по одному каналу связи.

Что касается суммирования элементов в целое, слитное, изображение на экране приёмника, то оно достигается той или иной конструкцией приёмного устройства, восстанавливающего геометрические координаты каждой точки. Однако этот процесс должен происходить при непременном соблюдении одного условия, которое также имеется в проекте Бахметьева, а именно: длительность суммирования, т. е. время передачи всего изображения не должно быть больше определённой величины. Бахметьев определил значение последней равным 1/5—1/7 сек. Это условие связано с физиологическим свойством нашего зрительного органа удерживать впечатление мгновенной вспышки света в течение указанных долей секунды. Величина эта зависит от яркости воздействующего на глаз изображения. И если для газового пламени величина 1/5 сек могла оказаться достаточной, то для современных приёмных устройств она составляет 1/50 сек.

Получение слитности изображений с учётом свойств глаза обеспечивает передачу изображений движущихся объектов. Эта идея лежит в основе современного телевидения и современного кино. Последнего, кстати сказать, в рассматриваемый период не существовало, что ещё более подчёркивает смелость проекта Бахметьева.

Идея последовательной передачи изображений по элементам была столь плодотворной, что за рубежом вслед за Бахметьевым появился целый ряд изобретателей, предлагавших устройства для развёртки изображений. Рассмотрим одно из таких устройств, с которым были получены телевизионные изображения во всех крупных странах на заре практического телевидения (1927—1930 гг.).