30 Строк (1931 г.)

Эффективность использования светового потока F_K, образующего оптическое изображение на кадре диска (рис. 1.4 б), крайне мала. В образовании видеосигнала участвует световой поток F₁, составляющий ничтожную долю от F_K

где N — число передаваемых элементов.

Остальной световой поток экранируется диском и пропадает бесполезно. Это усугубляется ещё тем обстоятельством, что для получения более чётких изображений необходимо увеличивать число строк. А это ведёт к необходимости уменьшения размеров отверстий (чем мельче элементы, тем точнее будет воспроизведено изображение). В противном случае понадобились бы диски весьма больших размеров. Так, например, для получения современной чёткости в 625 строк при ширине кадра 20 см понадобился бы диск более 40 м в диаметре, причём диаметр отверстий составлял бы всего лишь четверть миллиметра.

В целях уменьшения размеров развёртывающих устройств было предложено много механических систем с зеркалами: зеркальное колесо, зеркальный винт, система с одним вращающимся зеркалом и рядом неподвижных и т. п. [Л 1.3, 1.4]. Однако со светотехнической стороны эти системы ещё менее эффективны из-за потерь в зеркалах. В силу этого при большом числе строк видеосигнал получается столь малым, что его невозможно усилить (ниже флуктуационных помех усилителей). Поэтому системы мгновенного действия с механической развёрткой не могли обеспечить выполнение основной задачи телевидения — передачи с натуры и только некоторой период времени служили для передачи кинофильмов при мощных дуговых осветителях. Число строк не превышало 180.

Поток массовой информации в XX в. возрос настолько, что передать его только средствами печати и радио уже невозможно. Необходимость подключить к общей системе связи наиболее информативный зрительный аппарат, с помощью которого человек воспринимает свыше 80% информации об окружающем мире, привела к широкому развитию телевидения.

Термин «телевидение» (te1le1vision) впервые применил русский инженер Константин Дмитриевич Перский, 24 августа 1900 г. на IV Международном электротехническом конгрессе в Париже, проводившемся в рамках Всемирной промышленной выставки. Доклад под названием «Телевидение как электрическое кино» был опубликован на французском языке, и некоторые историки считают, что это слово ввел в оборот «frenchman Perskyi». Однако К. Д. Перский (1854–1906) был русским. Он принадлежал к старинному дворянскому роду, основатель которого прибыл к московскому князю Дмитрию Донскому из Персии (отсюда и фамилия). В настоящее время этот термин обозначает передачу изображений или информации о них при помощи электрических сигналов.

Для создания телевидения необходимо было решить три важнейшие проблемы:

1). преобразования лучистой (в частности, световой) энергии в электрический сигнал;

2). передачи электрических сигналов на расстояние;

3). преобразования электрических сигналов в световые.

Решение этих проблем оказалось возможным благодаря успехам физики конца XIX — начала XX ст. Вот некоторые из них:

1873 г. — открытие У. Смитом (США) светочувствительности селена;

1873 г. — изобретение А. Н. Лодыгиным (Россия) электрической лампочки;

1887 г. — открытие Г. Герцем (Германия) внешнего фотоэффекта;

1888 - 1890 гг. — установление ученым-физиком Александром Григорьевичем Столетовым (Россия) основных закономерностей фотоэффекта (было сделано открытие фотоэлектрической эмиссии (фотоэлемента), обосновавшее возможность непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Это открытие показало возможность преобразования оптических изображений в электрические сигналы, величина которых зависит от освещенности) Было сделано открытие и всестороннее исследование фотоэлемента и внешнего фотоэффекта (фотоэлектрической эмиссии). Ученый обнаружил, что в возникновении фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Это открытие послужило основой для дальнейшей разработки телевидения. Оно доказало возможность непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. В дальнейшем принцип фотоэлемента (прибора, основанного на фотоэффекте, фотоэлектрической эмиссии) лег в основу телевидения;

1895 г. — изобретение А. С. Поповым (Россия) радио (приемник электромагнитных волн и обосновал возможность беспроводной связи);

1897 г. — изобретение К. Брауном (Германия) катодной (электронно-лучевой) трубки;

1906 г. — создание Ли-де Форестом (США) трехэлектродной лампы.

Идея создания первой телевизионной системы предложена в 1875 г. Дж. Керри (США).

Мозаика из селеновых фотоэлементов (рис. В.1), на которую проецируется передаваемое изображение, при помощи множества проводов соединяется с соответствующими электрическими лампочками на приемном экране. Спроецированное на мозаику изображение вызывает в каждом проводе ток, пропорциональный освещенности элемента мозаики, и заставляет светиться соответствующую лампочку на приемном экране с яркостью, пропорциональной этому току. Совокупность свечения всех лампочек дает мозаичное изображение передаваемого объекта. Примечательно, что в этом первом проекте была заложена прогрессивная идея разложения (разбиения) изображения на отдельные элементы и передачи средней яркости каждого элемента.

рис. В.1

Метод поэлементной передачи изображения — основа всех последующих телевизионных систем. Основным недостатком предложения Дж. Керри является необходимость использования большого числа каналов связи (примерно 500 000 для современного телевидения), что нереально.

С 1877 по 1880 г. независимо друг от друга были предложены проекты одноканальных систем телевидения. Первый в мире проект «электрического телескопа» поступил в редакцию научного журнала 20 февраля 1878 г. от профессора физики Адриано де-Пайва из г. Порту (Португалия); адвокат Константин (М.?) Санлек (Франция) (1879), и русский физик-экспериментатор Порфирий Иванович Бахметьев (Россия) (1880). Реферат о «телефотографе», как он назвал свой прибор для передачи изображения, был прочитан в Цюрихе на собрании общества «Славия» в 1880 г., а спустя пять лет напечатан в русском техническом журнале «Электричество». Все проекты были основаны на учете инерционности зрительного восприятия, благодаря которой оказывается возможным передача информации о яркости всех элементов изображения не одновременно, а последовательно (поочередно). Последовательное преобразование яркостей отдельных элементов изображения в электрический сигнал называется разверткой изображения. В «телефотографе» Бахметьева, например, это достигалось за счет движения селенового фотоэлемента малых размеров по спирали в фокальной плоскости изображения.

Практически проблема последовательной передачи элементов была решена в проекте польского инженера (немецкого инженера польского происхождения) П. Нипкова, который в 1884 г. получил германский патент на оптико-механическое устройство, известное под названием диска Нипкова (рис. В.2).

Непрозрачный диск содержит ряд (30) отверстий, расположенных по спирали Архимеда у его внешнего края (периферии диска). Размер отверстия определяет величину элемента изображения. Каждое отверстие смещено по радиусу к центру диска относительно предыдущего на высоту отверстия.

На рис. В.3 приведено схематическое устройство системы с диском Нипкова. Подлежащее передаче изображение 1 проецируется с помощью объектива 2 через ограничительную (кадровую) рамку 3 (расположенной в верхней части диска) на диск Нипкова 4. Световой поток, прошедший через отверстие диска, попадает на фотоэлемент 5. Сигнал с выхода фотоэлемента через канал связи 6 поступает в приемник и вызывает изменение яркости свечения безинерционной лампы 7, перед которой также установлен диск Нипкова 8. В случае согласованного (синхронного и синфазного) вращения дисков 4 и 8 яркость точек, наблюдаемых через отверстия приемного диска, будет пропорциональна яркостям соответствующих элементов передаваемого изображения. При достаточной скорости вращения дисков движущаяся светящаяся точка будет восприниматься как слитное изображение. Согласованное вращение дисков достигается, например, применением синхронных двигателей 9, питаемых от общей сети переменного тока.

При вращении диска каждое отверстие прочерчивало одну строку кадра, а один кадр содержал 30 строк по 40 элементов в каждой строке, т.е. всего было 1200 элементов изображения.

Использовать этот остроумный способ разложения передаваемого изображения на участки вращением перед ним диска с особым образом расположенными отверстиями¹, и реализовать это изобретение удалось не скоро. Диск Нипкова почти полвека привлекал изобретателей и ученых. Сам Нипков только в 1928 г. на выставке в Берлине впервые увидел дисковый телевизор, воспроизводивший изображение с четкостью 30 строк. Заглянув в окошечко аппарата, он не без иронии произнес: «Наконец могу успокоиться, я увидел то, что изобрел 45 лет тому назад: что-то неясное мерцало и двигалось...»

Первые практические системы телевидения с механической разверткой были осуществлены в 1925 г. Дж. Бердом в Англии, Ч. Ф. Дженкинсом в США и в 1926 г. Л. С. Терменом в СССР. С 1931 по 1935 г. сначала в Москве, а затем в ряде других городов велись регулярные телевизионные передачи с числом строк 30 (1200 элементов разложения).

Пионером электронного телевидения по праву считается наш соотечественник, преподаватель Петербургского технологического института Борис Львович Розинг, получивший в 1907 г. патент в России, Англии и Германии на «способ передачи изображений на расстояние» или «Способ электрической передачи изображений». Отличие этого способа от всех предложенных ранее заключалось в применении электронно-лучевой трубки в приемном устройстве для воспроизведения изображения, что означало принципиально новое направление в построении телевизионных устройств. Б. Л. Розинг впервые предложил способ модуляции электронного луча в трубке Брауна, превратив ее таким образом из осциллографической в приемную телевизионную трубку, способную воспроизводить изображение с полутонами. Б. Л. Розинг не только сформулировал новые принципы телевидения, но и добился первых практических успехов в этом направлении, продемонстрировав в мае 1911 г. первую в мире передачу изображения на расстояние. Он впервые ввел регулировку интенсивности электронного луча (модуляцию) и развертку по двум координатам для образования прямоугольного растра. Так был создан прототип кинескопа, до сих пор применяемого в телевизорах и мониторах. Хотя передающее устройство у Розинга оставалось механическим, он положил начало новому – электронному – направлению развития телевизионной (ТВ) техники.

Идея развертки изображения электронным лучом оказалась плодотворной. Уже в 1908 г. английский инженер А. А. Кембелл-Суинтон высказал мысль (идею) о возможности применения электронного луча в передающем устройстве, а в 1911 г. предложил принципиальную схему полностью электронной системы передачи изображений - устройства с приемной и передающей трубками. Однако попытка осуществить эту схему ему не удалась. Успешнее шла работа у Розинга, который при финансовой помощи Леденцовского общества (основанного на средства мецената Х.С.Леденцова) завершил постройку макета и 22 мая 1911 г. продемонстрировал передачу и прием изображения в виде решетки из четырех светлых полос на темном фоне. При закрывании одного из просветов решетки на передающей стороне соответствующая ему полоса немедленно исчезала с экрана: в приемнике отражалось действие, происходившее в тот же момент на передающей стороне. Это была первая в мире телевизионная передача. В последующие дни Розинг проводил публичные демонстрации, передавая изображения простых геометрических фигур, ладони и т.п. Несомненный успех Розинга был отмечен присуждением ему в 1912 г. премии и золотой медали им. К.Ф.Сименса – почетного члена Русского технического общества.

Проводить опыты Розингу помогали студенты Техноложки, в том числе сын муромского купца и банкира Владимир Козьмич Зворыкин³, позднее, в 1918 г., эмигрировавший в США, где он приобрел мировую известность как создатель современной системы телевидения.

После публикаций Розинга разработка ТВ-устройств, как механических, так и электронных, пошла ускоренным темпом. В ряде стран были выдвинуты проекты полностью электронных систем – с передающими и приемными трубками. У нас такие системы предлагали Б.П.Грабовский (сын известного украинского поэта), академик А.А.Чернышев, А.П.Константинов и др. Однако значительная часть специалистов считала реально осуществимыми только механические системы. На этом пути в 1920-х гг. первых успехов добились Д.Михали (Германия), Д.Бэрд (Англия), Ч.Дженкинс (США) и др., осуществившие передачу и прием простейших изображений с механической разверткой четкостью 30–50 строк. В СССР с тем же успехом механическим телевидением занимались М.А.Бонч-Бруевич (Н.Новгород), П.В.Шмаков, А.М.Халфин и др. (Москва), И.А.Адамян, Л.С.Термен, А.В.Дубинин, Я.А.Рыфтин и др. (Ленинград).

Во всех этих телевизионных устройствах свет от элемента изображения воздействует на фотоприемник лишь в течение малого интервала времени, соответствующего передаче данного элемента изображения. Они обладают малой чувствительностью, так как представляют собой устройства мгновенного действия.

Бурное развитие электронного телевидения началось после создания высокочувствительных передающих телевизионных трубок, использующих эффект накопления световой энергии в виде электрических зарядов.

В 1925 г. А. А. Чернышев (СССР) предложил передающую трубку с мозаичным полупроводниковым фотослоем, в которой были заложены возможности использования эффекта накопления световой энергии.

В 1928 г. Ч. Дженкинс (США) сформулировал принцип накопления света применительно к телевидению, а также предложил схему с накопительными емкостями и коммутатором.

В 1930 г. А. П. Константинов (СССР) изобрел первую передающую трубку с накоплением зарядов.

В 1931 г. С. И. Катаев (СССР), а затем В. К. Зворыкин (США) независимо друг от друга предложили проект более совершенных передающих телевизионных трубок с накоплением зарядов (иконоскопов).

В 1932 — 1934 гг. изготовлен в США, а затем в СССР иконоскоп.

В 1933 г. П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев (СССР) изобрели супериконоскоп.

В 1938 г. Г. В. Брауде (СССР) изобрел двустороннюю мишень, на основе которой разработан суперортикон — одна из современных высокочувствительных передающих трубок.

Появление высокочувствительных передающих трубок позволило уже в 1937 г. создать первые в стране телевизионные центры — в Ленинграде со стандартом 240 строк и в Москве со стандартом 343 строки. В 1941 г. был принят стандарт 441 строка и начались работы по переоборудованию Московского телецентра. После окончания войны Московский телецентр возобновил работу по старому стандарту, а с 1948 г. работает по нынешнему стандарту — 625 строк.

Параллельно с развитием черно-белого телевидения шла разработка цветных телевизионных систем.

В декабре 1899 г. Александр Аполлонович Полумордвинов (Россия) (преподаватель Казанского технического училища (1874–1942)) предложил первый проект цветной телевизионной системы, которая, как и все современные системы, основана на трехкомпонентной теории цветного зрения Ломоносова–Юнга–Гельмгольца. Александр Полумордвинов считается первым изобретателем системы цветного телевидения с последовательной передачей цветов. Разложение изображения осуществлялось диском Нипкова, перед которым вращался еще один диск с красным, зеленым и фиолетовым светофильтрами, поочередно прикрывавшими вырез в ограничивающей рамке.