Технические предпосылки появления телевидения

Телевидение является одним из самых молодых средств массовой информации (моложе только интернет). Под коммуникацией понимается передача информации от человека к человеку. Первым видом коммуникативной деятельности была система сигналов, как у животных, далее — знаков, а еще позднее возникла речь, необходимая для координации совместных действий человека. Дальнейшее развитие коммуникации привело людей к изобретению письменности и книгопечатания, появились газеты. Но для оперативной передачи информации этих средств было явно недостаточно. Световые сигналы, используемые в древности, имели небольшую дальность распространения, так как свет не может проходить через естественные препятствия и даже в пределах прямой видимости ему может помешать, например, обычный туман. Открытие радиоволн сделало проникновение информации повсеместным, невзирая на дальность и преграды. Человек смог получать оперативную информацию через органы слуха по радио, а представление о пространственном изображении неподвижных объектов — через фотоснимки, опубликованные в прессе. Более 80% информации человек получает через органы зрения, посредством улавливания отражаемого или излучаемого объектом света. Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные излучения в диапазоне длин волн 400-700 нм. Преобразовав свет в оптическое изображение и электрические сигналы, удалось осуществить передачу звука и изображения, дистанционно отобразить в сознании человека информацию о движущихся объектах. Человек получил возможность видеть и слышать в масштабах целого мира.

Научное познание включает в себя два уровня, или два этапа. Эмпирический уровень (от греч. «эмпейрия» — опыт) — это накопление разнообразных фактов, наблюдаемых в природе. Теоретический уровень (от греч. «теория» — мысленное созерцание, умозрение) представляет собой объяснение накопленных фактов.

Для осуществления передачи и приема телевизионного сигнала необходимо:

а) преобразовать свет в электрические сигналы,

б) передать эти сигналы по какому-либо каналу связи,

в) осуществить обратное преобразование электрических сигналов в свет.

 

Начало формирования научных основ для изобретения ТВ было положено еще в Средние века, когда неизвестному изобретателю камеры-обскуры удалось преобразовать свет в оптическое изображение. Спустя два века, в 1817 г., шведский химик и минеаролог Йене Якоб Берцелиус (1779-1848) открыл химический элемент селен (от греч. selene — Луна), необходимый для преобразования света в электрические сигналы, но на практике это удалось осуществить в 1839 г. французскому физику Антуану Сезару Беккерелю (1788-1878).

Для обратного преобразования (электричество — свет) использовались газоразрядные источники света — приборы, в которых электрическая энергия при прохождении электрического тока через газ преобразовывалась в оптический сигнал. Впервые такую безынерционную трубку в Германии в 1856 г. получил Иоганн Генрих Гейслер (1815-1879). К 1873 г. англичанин У. Смит (1769-1839) открыл внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, в селене, когда под воздействием света (фотоны «вырывают» электроны из валентной среды) возрастало число электронов проводимости.

Теоретический этап основ телевидения был завершен Начался период практического осуществления изобретений с их постоянным совершенствованием.

Глаз способен различать мелкие детали рассматриваемого изображения в соответствии со своей разрешающей способностью. Изображение, проецируемое на сетчатку глаза, тоже состоит из минимально различимых элементов. Каждый из этих элементов характеризуется а) яркостью, б) цветностью и в) геометрической точкой.

Пожалуй, первую идею реализации телевидения выдвинул в 1875 г. в Бостоне Джордж Кэри. Экран будущего телевизора Кэри представлял в виде мозаичной панели. Каждый элемент мозаики был представлен газоразрядной (безынерционной) трубкой. То есть каждой геометрической точке экрана можно было придать соответствующую яркость. Заметим, что данную схему Кэри предлагал за два десятилетия до великого изобретения братьев Люмьер. Каждый кадр нес в себе стопроцентную информацию, именно поэтому осуществить проект Дж. Кэри было невозможно, так как каждый мозаичный сегмент передающей системы должен быть связан с аналогичным сегментом экрана.

Систему поочередной передачи сигналов предложили француз М. Сенлек (1877 г.), португальский ученый А. ди Пайва (1878 г.) и русский ученый Порфирий Иванович Бахметьев (1880 г.). Для осуществления процесса последовательной передачи и преобразования сигналов необходимо было осуществить развертку изображения.

(П.И.Бахметьев (1860-1913) предложил проект «телефотограф», где перемещающийся датчик располагался в фотокамере и считывал изображение. Электрический сигнал подавался через электромагнит на газовую горелку, изменяя ее яркость. Таким образом, яркость и геометрическая точка на приемной и передающих сторонах совпадали. Глаз человека воспринимает часто пульсирующий свет как непрерывный (вспомним обычную электрическую лампочку, которая включается и выключается 50 раз в секунду, однако инерционность зрения не позволяет нам видеть эти пульсации)

Первое пригодное для практического использования устройство оптико-механической развертки луча предложил в 1884 г. немец Пауль Нипков (1860-1940). (Пауль Нипков в 1884 г. получил патент на оптико-механич. устройство («электронный телескоп») для разложения изображения на элементы при передаче и приеме телевизионных сигналов, названное диском Нипкова.)

Изобретатель предложил использовать для развертки телевизионного луча вращающийся непрозрачный диск большого диаметра с отверстиями, располагающимися по спирали Архимеда от внешнего края к центру. Размер изображения, а следовательно, и экрана определяла ограничительная рамка. Число отверстий на диске равно количеству строк на экране телевизора. При вращении каждое отверстие перемещалось по окружности, разбивая, таким образом, цельное изображение на отдельные строчки. Интересен факт, что Пауль Нипков, сделав свое величайшее изобретение будучи студентом, забыл про него и с удивлением увидел практическое воплощение собственной идеи спустя 40 лет на международной выставке радиоаппаратуры в Берлине в 1928 г.

Механическое телевидение

Принцип оптико-механической развертки луча был настолько прост, что 2 октября 1925 г. англичанин Джон Лоджи Берд получил изображение на экране приемника, а 26 января 1926 г. публично продемонстрировал «движущуюся картинку» членам Королевского института Великобритании. Разумеется, это не была современная «телевизионная картинка», на ней присутствовали лишь силуэты, но начало было положено. Спустя год Дж. Берд увеличивает количество отверстий на диске до 30-ти.

Надо отметить, что существенное увеличение разрешающей способности экрана было непреодолимо из-за конструктивных особенностей диска Нипкова: чем больше отверстий на нем располагалось, тем меньше становился их размер и соответственно меньше света попадало на селеновый фотоэлемент. Рано или поздно должен был наступить предел, когда количество света стало бы недостаточным для его преобразования в электрический сигнал. Диск располагался в телевизионной камере, размеры которой были внушительными, экран принимающего телевизионного приемника был 3x4 см. Чтобы увеличить экран до размера средней фотографии (9x12 см), диск в телекамере должен был быть более двух метров в диаметре.

В Советском Союзе экспериментами в области «электрического дальновидения» занимался Лев Сергеевич Термен (1896-1993) — виолончелист па основному образованию. Увлеченный радиотехникой молодой человек посещал лекции в Петроградском политехническом институте и в 1926 г. в своем дипломном проекте представил действующий образец телеустановки с механической разверткой на 64 строки. Дальновидение заинтересовало командование Красной Армии, и установка была продемонстрирована в

1927 г. наркому по военным и морским делам и председателю РВС СССР Клименту Ефремовичу Ворошилову. «Картинка» обладала высоким, по тем временам, качеством и заслужила положительной оценки «высокого лица». Телекамеру установили на Арбатской площади перед входом в РККА, и нарком демонстрировал коллегам возможность видеть рядом с входом людей, не выглядывая из окна.

К сожалению, довести до конца работу Л. С. Термену не довелось: он был послан разведчиком в США, а по возвращении осужден как «участник» покушения на С. М. Кирова. Далее — сталинские тюрьмы и лагерная работа в спецлабораториях («шарашках») вместе с будущим конструктором ракетно-космических систем Сергеем Павловичем Королевым и с авиаконструктором Андреем Николаевичем Туполевым. Выйдя на свободу, Лев Сергеевич работал в лаборатории акустики и звукозаписи Московской консерватории, преподавал в МГУ на физическом факультете, дожил до глубокой старости.

В Англии Джон Лоджи Берд создает телевизионный приемник и в конце 20-х — начале 30-х гг.», налаживает промышленное производство малострочных телевизоров.

В СССР работы по телевизионному вещанию проводились под руководством Павла Васильевича Шмакова (1885-1982) на базе Всесоюзного электротехнического института.

Долго не удавалось наладить синхронизацию дисков в передающей камере и приемнике, поэтому в 1930 г. в лаборатории Шмакова оба диска смонтировали на одном валу, при таком способе синхронизации, разумеется, невозможно было разнести приемник и передатчик на значительное расстояние — оно составляло чуть больше метра.

В 1930 оптико-механическая развертка луча достигала 30 строк с 12,5 кадрами в секунду. Промышленность Советского Союза не выпускала телевизоров (радиовещание, с пропагандистской точки зрения, считалось наиболее перспективным средством массовой информации), но освоила выпуск бумажных диск Нипкова. Вещание осуществлялось на средних и длинных волнах, звук и изображение передавались раздельно. Радиолюбители самостоятельно изготавливали телеприемники: для этого надо было приобрести картонный перфорированный диск Нипкова, а за ним поставить неоновую лампу. Диск вращался синхронно диску в передающей телевизионной камере, электрические сигналы обеспечивали большее или меньшее свечение красной неоновой лампы и, таким образом, на крохотном экране каждая геометрическая точка приобретала необходимую яркость. Звук принимали на дополнительный радиоприемник. Учитывая, что длинные волны имеют большую территорию распространения, телевизионный сигнал можно было принимать на расстоянии до 2 тыс. км от Москвы. С 1 октября 1931 г. по июль 1940 г. телевещание в СССР было регулярным.

В Нью-Йорке компания «Дженерал электрик» в 1928 году начала экспериментальное телевещание, а к 1931 году телевизионный сигнал передавали более двух десятков станций. Наблюдался настоящий телевизионный бум, компании вкладывали миллионы долларов в усовершенствование механического телевидения.

В Германии первую механическую систему продемонстрировал Денеш фон Михайи на Берлинской радиовыставке в 1928 г., правда, разработчик передавал изображение без звука. Аналогичное телевидение предлагал Август Каролус (концерн «Телефункен»). В технологическую гонку вступила вся Европа, в 1929 г. Рене Бартелеми во Франции осуществил передачу изображения с разверткой в 10 строк. С 1935 г. французские телепередачи стали регулярными, работы ученых активно поддерживались правительством. Разрешающая способность механического ТВ постоянно росла и вскоре достигла 180 строк. Первую внестудийную съемку во Франции осуществили в 1934 г.

Представим телепередачу тех лет. В студии от ламп накаливания температура доходит до 35°С (без огромного количества освещения невозможно осуществить преобразование «свет — сигнал»). Гигантский неподвижный телепередатчик (камера) направлен на большое зеркало, за которым стоит ассистент режиссера и «ловит» отражение актера. Если объектив камеры направить непосредственно на объект съемки, актер, даже чуть шелохнувшись, выйдет за кадр. Диск Нипкова вращается в камере со скоростью 750 оборотов в минуту, свет проходит сквозь отверстия, ограничейные рамкой, попадает на элемент, вызывает в его цепи сигналы (видео- или электросигналы), которые попадают в ламповый

усилитель и отправляются по эфирному или кабельному каналу связи. Поверхностные волны благодаря рефракции распространяются на значительное расстояние, в некоторых направлениях пересекая границы СССР. Видеосигнал с приемной антенной подводится к неоновой лампе, в которой яркость свечения зависит от интенсивности электрического сигнала. За неоновой лампой располагается перфорированный диск, который вращается точно с такой же скоростью, как диск в передающей камере, и зритель видит точки различной яркости. Инерционность зрения отражает в сознании телезрителя полную картинку изображения, несмотря на то, что светящиеся точки погасли. Все дело в том, что мозг хранит световое раздражение в течение 0,1 сек, и человек как бы видит все точки одновременно. Разумеется, изображение не несет в себе мелких деталей, оно достаточно грубое.

Впоследствии ученые всех стран пытались повысить разрешающую способность экрана, то есть разместить на диске возможно большее количество отверстий. Но для того, чтобы добиться качества картинки, сравнимого с современным, то есть получить число строк равное шестистам, диаметр диска надо было увеличить до 28 метров, при этом центробежные силы, из-за огромной скорости вращения диска, разрушили бы почти любой материал. Дальнейшее развитие механического телевидения вело конструкторов в тупик, коэффициент использования света в данных системах был ничтожно мал, то есть при сокращении диаметра отверстий на фотоэлемент попадало настолько мало света, что образующийся электрический сигнал было невозможно выделить из помех, возникающих в ламповых усилителях. И все же оптико-механическая развертка продолжала совершенствоваться, на смену непрозрачному диску пришли системы с линзами и зеркалами («зеркальный диск» и «зеркальное колесо»), но существенно повысить качество телевизионного изображения на этом пути не удалось. Постепенно термин «телевидение» в кругах скептиков превратился в «елевидение».

 

Электронное телевидение

Следующий этап в развитии ТВ связан с именами множества ученых, но, пожалуй, основные изобретения были сделаны нашими соотечественниками. 26 февраля 1888 г. русский ученый, профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) продемонстрировал внешний фотоэффект— явление «вырывания» электронов с поверхности вещества под действием света. Прибор, созданный Столетовым, стал прообразом современных фотоэлементов.

Профессор Петербургского технологического института Борис Львович Розинг (1869-1933) работал над электронной системой телевидения, действующей по сей день. К этому времени уже существовала электронно-лучевая трубка. 25 июня 1907 г. Б. Л. Розинг получил в России привилегию на «способ электрической передачи изображений на расстояние»2. Позднее ученый напишет: «Катодный пучок есть именно то идеальное перо, которому самой природой уготовано место в аппарате получения изображения в электрическом телескопе. Оно обладает тем ценнейшим свойством, что его можно непосредственно двигать с какой угодно скоростью при помощи электрического или магнитного поля, могущего быть притом возбужденным со скоростью света с другой станции, находящейся на каком угодно расстоянии».

Заметим, что в это время шли активные разработки систем механического ТВ, но Борису Львовичу уже был понятен тупик выбранного пути. Реализацию «электронной телескопии» он видел в применении безынерционных приборов, где необходимо было заставить двигаться пучок электронов. Было бы преувеличением сказать, что система ТВ Б. Л. Розинга была полностью электронной: в передающей камере для развертки изображения он применял оптико-механическую систему вращающихся зеркал (усовершенствованный диск Нипкова). Электрические сигналы поступали на электронно-лучевую трубку Брауна. Яркость свечения экрана зависит от количества электронов, попадающих на единицу площади. Чтобы заставить электронный луч отклоняться («бегать») по экрану, на него воздействали магнитным или электрическим полем.

 

 

9 мая 1911 года Борис Львович получил на мониторе свою знаменитую «решетку» — белые полосы на черном фоне. Значимость работ была оценена во всей мире, но, к сожалению, работу не удалось завершить: в 1931 г. Розинга арестовали «за финансовую помощь контрреволюционерам «, а спустя два года он скончался в архангельской ссылке.

Работы Б. Л. Розинга были опубликованы и известны в мире. Казалось бы, зачем надо было «держаться» за механическое телевидение, вкладывая в него немалые средства? Правда, такой вопрос кажется разумным сегодня, а в 30-е годы технические возможности распространения сигнала были сильно ограничены. При развертке в 30 строк полоса частот в эфире была менее 10 кГц, что позволяло транслировать сигнал на средних волнах. При резко возрастающей разрешающей способности экрана неминуемо пришлось бы перемещаться на диапазон УКВ, как в современном телевидении, что было бессмысленным в то время, так как покрыть территорию страны дорогостоящими ретрансляторами в голодающей стране было невозможно, а тянуть электрические кабели до каждого потребителя в то время было утопией.

Завершить работу по созданию электронного ТВ удалось Владимиру Козьмичу Зворыкину (1889-1982) — ученику Бориса Львовича, работавшему в студенческие годы у него ассистентом. В 1912 г. Зворыкин окончил Петербургский технологический институт, затем повышал уровень своих знаний в Париже, а вернувшись в Россию, был призван в армию. Во время Первой мировой воины Владимир Козьмич отвечал за радиосвязь, проявив себя талантливым офицером. Потом революция 1917 г. и вынужденная эмиграция в США — вынужденная, потому что Зворыкин узнал, что ордер на его арест уже выписан.

В 1929 г. Зворыкина пригласил на работу президент RCA («Радио корпорейшн оф Америка») Дэвид Сарнов (1891-1971), тоже выходец из России. Будучи дальновидным человеком, Сарнов решил финансировать разработки в области телевидения, подсчитав вместе со Зворыкиным необходимые инвестиции в 100 тыс. долларов. Тогда они еще не предполагали, что результат обойдется дороже в 500 раз.

В 1931 г. В. К. Зворыкин создает передающую телевизионную трубку — иконоскоп, с большим количеством фотоэлементов. В трубке использовался метод накопления зарядов. Фотоэлементы складывались в мозаичную систему, электронный луч чертил по мозаике горизонтальные строчки, по отдельности разряжая участок за участком, в результате чего образовывались электрические импульсы, соответствующие освещенности объекта съемки. Главная проблема в создании электронного телевидения была решена.

 

 

С этого момента изменяется путь развития ТВ — оно превращается в электронное средство массовой информации. Достаточно продуктивно над электронной телевизионной камерой работал Фило Франсуорт (США), который пытался найти поддержку в киноиндустрии (студия «Парамаунт») и у газетного магната Херста, но получил отказ: кино и пресса рассматривали ТВ как конкурента. Тем не менее его передающая трубка «диссектор» была простой и надежной и даже применялась в качестве экспериментального ТВ в США и Англии, но, лишившись инвестиций, без усовершенствования не могла конкурировать с разработками конкурентов.

В 1933 и 1934 гг. по приглашению советского правительства В. К. Зворыкин посещает СССР с докладами о своих изобретениях. Советские ученые угадывают секрет получения мозаичной мишени и уже через год демонстрируют ему действующую ТВ-установку.

Параллельно и независимо от американских разработок в СССР над иконоскопом работал Семен Исидорович Катаев (р. 1904). Проект передающей телевизионной трубки он разработал до Зворыкина, но первым получить практический результат не смог.

В Англии, стране первой телевизионной трансляции, разрешение ТВ достигло 240 строк. После американского революционно-технологического рывка англичане тоже стали склоняться к электронному ТВ: в 1936 г. компания «Эми-Маркони» продемонстрировала систему с разложением на 405 строк. Это вполне закономерно, так как один из руководителей компании, Айзек Шенбер, ранее был студентом Б. Л. Розинга в Петербурге. Механическое ТВ транслировалось в Великобритании регулярно с 1929 г., но со 2 ноября 1936 г. передачи регулярно выходили с электронной разверткой луча.

Немецкий ученый Манфред фон Арденне показал электронную систему с четкостью изображения 100 строк в 1931 г., но его технология передающей трубки с «бегущим лучом» заметно уступала иконоскопу В. К. Зворыкина. Успешным этапом развития немецкого телевидения явилась трансляция с XI Берлинской олимпиады 1936 г. К 1937 г. разрешение немецких приемников достигло 441 строки, а в научных разработках находились приемники с разрешением более 1000 строк. Германия являлась самой радиофицированной страной в Европе, а к началу 1939 г. в стране начался массовый выпуск «народных телевизоров».

 

Цветное телевидение.