Диск Нипкова

Для развёртки изображений студент Берлинского университета, Пауль Нипков в 1884 г. предложил диск ¹), несущий на себе ряд отверстий, расположенных по спирали, поэтому иногда его называют спиральным диском. Материалом для диска может служить любой непрозрачный лёгкий материал, например, алюминий. Отверстия в нём весьма малого квадратного или круглого сечения располагаются на радиусах, отстоящих один от другого на равную угловую величину а (рис. 1.3).

Каждое последующее отверстие смещено к центру относительно предыдущего на собственную ширину. Если провести через центры отверстий плавную кривую, получится архимедова спираль.

Для работы перед диском устанавливается неподвижная ограничивающая рамка с вырезом. Ширина выреза должна быть равна расстоянию между смежными отверстиями, а высота — сумме диаметров всех отверстий.

1) Nipkow Paul. Германский патент № 30105 от 6 января 1884. Проект «электрического телескопа». Пауль Нипков родился в пригороде Берлина в Лауэнбурге 22 августа 1860 г., умер 24 августа 1940 г.

П ри вращении диска в вырезе рамки в каждый данный момент будет находиться только одно отверстие, определяющее элемент изображения. Каждое отверстие прочертит в пределах рамки одну строку. А за один полный оборот диска будет прочерчено z строк, расположенных одна под другой. Поле изображения, вписываемое в вырез рамки и передаваемое за один оборот диска, называется кадром. Отношение длины средней строки изображения b к перпендикулярному размеру кадра h есть формат кадра, т. е.

Кадр при z строках содержит число элементов N, равное

N = zкz = кz² Рис. 1.3. Диск Нипкова

Спиральный диск представляет собой наипростейшее развёртывающее устройство. Но практически он был использован гораздо позднее, когда достигли надлежащего развития фотоэлементы, усилители фототоков и газосветные лампы, способные изменять яркость свечения под воздействием приходящих сигналов изображения.

Телевизионная система мгновенного действия

При использовании вышеуказанных устройств схема телевизионного передатчика может быть представлена, как изображено на рис. 1.4. Здесь в качестве примера дана блок-схема с развёрткой по методу бегущего луча, который был применён в первых установках малострочного телевизионного вещания в CCCP. Световой поток от источника света 1 через конденсор 2 с необходимой яркостью освещает поле рамки 3, за которой вращается спиральный диск 4. Последний пропускает только узкий световой луч, перемещающийся по строкам. Этот бегущий луч объективом 5 проектируется на подлежащий передаче объект 6, каждый элемент которого (равный поперечному сечению луча) поочерёдно отражает световой поток на фотоэлементы 7. фототоки, образующие сигналы изображения, усиливаются усилителем 8 и поступают на модулятор радиопередатчика 9.

В приёмном устройстве (рис. 1.5) ответственным узлом является спиральный диск 1 со световым модулятором. Диск должен

Рис. 1.4. Блок-схема передачи с развёрткой бегущим лучом (а)

и система прямого видения (б)

иметь такое же количество рабочих отверстий и формат кадра, как и диск передатчика. В качестве светового модулятора использовалась неоновая лампа 2 тлеющего разряда, имеющая катод в виде

Рис. 1.5. Блок-схема приёма изображений с диском Нипкова

плоской пластины и анод в виде рамки, расположенной в непосредственной близости от катода.

Принятые сигналы изображения после детектирования и усиления воздействуют на неоновую лампу, пропорционально изменяя яркость свечения катода. При этом вся площадь катода светится равномерно. Но так как в каждый данный момент в глаз наблюдателя попадает лишь узкий луч света, проходящий через одно отверстие диска, находящееся в этот момент в кадре рамки 3, этот световой импульс будет воспринят как элемент изображения. При вращении диска световой луч, перемещаясь по строкам, поочерёдно пошлёт в глаз наблюдателя световые импульсы от всех точек кадра, которые и составят полное изображение. Чтобы воспроизводимое изображение соответствовало передаваемому, необходимы синхронизм и синфазность во вращении дисков приёмника и передатчика. При соблюдении этих условий и быстром вращении дисков для непрерывной смены кадров наблюдатель будет видеть изображение движущегося объекта. Линза 4 служит для увеличения принятого изображения. Синхронизатор приёмника состоит из фонического колеса 5, насаженного на ось диска Нипкова 1, и магнитной цепи 6. Последняя питается токами строчной частоты, выделяемой из сигналов изображения настроенным контуром LC, включённым на входе усилителя (лампы 7). Эти токи путём магнитного воздействия на фоническое колесо ускоряют или замедляют вращение диска.

Сигналы синхронизации приходят с передатчика вместе с сигналами изображения. Образуются они вследствие того, что ширина выреза рамки делается несколько уже b_ср (заштрихованная полоска рис. 1.3). Поэтому при развёртке в конце каждой строки имеет место провал фототока, что и образует сигналы синхронизации. Частота их чередования равняется частоте передачи строк,

где n — число передаваемых кадров в секунду,

z — число строк в кадре.

Такой способ синхронизации приёмника сигналами с передатчика носит название принудительной синхронизации. Поскольку пуск двигателей, вращающих диски передатчика и приемника, автономен, то воспроизводимое изображение будет не в фазе с передаваемым. Например, если на передатчике начинается развёртка первой строки, а в этот момент на приёмнике в поле рамки вошло 15-е отверстие, то изображение будет разрезано по 15-й строке, т. е. верхняя половина сцены окажется внизу, а нижняя - наверху кадра.

Для фазирования изображений на приёмном диске делается в двое больше отверстий, располагаемых не на одном, а на двух оборотах спирали (один служит продолжением другого). Тогда небольшим смещением рамки вместе с неоновой лампой (при помощи винта) перпендикулярно к строкам легко восстанавливается фаза (отбор из двух оборотов спирали нужных 30 отверстий).

На рис. 1.6 и 1.7 приведены фотографии передатчика и приёмника, с помощью которых было организовано первое телевизионное вещание в СССР, и на рис. 1.8 — образец изображения, полученного на экране телевизора с линзой (36X48 мм). Данные, передатчика: диск алюминиевый с 30 квадратными отверстиями (по 0,8 мм в стороне), кадр 32X24 мм, источник света — однокиловаттная кинопроекционная лампа, фотоэлементы калиевые — 2 шт., число оборотов диска — 12,5 в секунду. Данные телевизора: диск алюминиевый (диаметр 300 мм) с удвоенной спиралью квадратных отверстий по 0,7 мм в стороне,

Рис. 1.6. Телевизионный передатчик ВЭИ (1931 г.)

с диском Нипкова для развёртки изображения по методу бегущего луча

кадр 28X21 мм, световой модулятор — неоновая лампа. Изображение передавалось на волне 379 м (полоса модулирующих частот 7500 гц), а звуковое сопровождение — через другую радиостанцию на волне 720 м.

На основе этих параметров и опыта первого года вещания в 1932 г. был установлен в СССР временный стандарт на широковещательную телевизионную аппаратуру:

число строк 30;

число кадров в секунду 12,5;

форма кадра 4 : 3;

синхронизация принудительная на частоте 375 Гц;

развёртка кадра (при горизонтальных строках) — слева направо и сверху вниз;

передача в эфир позитивом.

Передача по методу бегущего луча требует затемнённой студии. Для перехода к обычным условиям передачи или, по старой терминологии, к системе прямого видения необходимо в схеме рис. 1.4 а поменять местами источник света и фотоэлементы (рис. 1.4 б).

Если проанализировать процесс образования сигнала изображения, который для краткости называют видеосигналом, то можно заметить, что он возникает мгновенно в момент попадания элементарного светового пучка на фотокатод фотоэлемента и длится в течение времени передачи данного элемента, т. е. пока луч смещается то строке на диаметр своего сечения. Такие системы получили название систем мгновенного действия в противоположность системам с накоплением световой энергии, которые будут рассмотрены позже.

Рис. 1.7. Телевизор ВЭИ (1931 г.) Рис.1.8. Образец принятого

с диском Нипкова изображения с чёткостью