Телевидение. История развития. Телевидение будущего

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.

Первое пригодное для  практического использования устройство оптико-механической развертки луча предложил в 1884 г. немец Пауль Нипков (1860-1940). 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 Нип-ков, 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.

2. 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 по 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 дисков 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 яркость1. 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, ограниченные рамкой, попадает на фотоэлемент, 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, 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».

3. 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». 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 воздействовали 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 войны Владимир Козьмич отвечал за радиосвязь, проявив себя талантливым офицером. Потом революция 1917г. 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 КСА («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 мишени1 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 1939г. в стране начался массовый выпуск «народных телевизоров ».

2.4. Цветное телевидение

Как ни странно, работы в области цветного телевидения начались параллельно с черно-белым «дальновидением». Первую цветную трехкомпонентную систему ТВ («Телефот») предложил в 1900 г. Александр Аполлонович Полумордвинов (1874-1942). Развертка луча производилась посредством диска Нипкова с цветными светофильтрами. В 1902 г. Полумордвинов подает заявку на новое устройство — «аппарат для передачи изображения и способ этой передачи в связи с одновременной передачей звука». К сожалению, аппаратура не была закончена, хотя, по мнению специалистов, проект, основанный на методах последовательного смешения цветов,  был вполне работоспособен.  В 1907г. патент на проект двухцветного телевидения с одновременной цветовой передачей в Германии разработал выходец из России Ованес Абгарович Адамян (1879-1932). Позднее он переезжает в Россию и в 1925 г. патентует трехкомпонентную последовательную передачу цветов (RGB). В развертывающем устройстве было три серии отверстий, каждое из которых закрывалось красным, синим и зеленым светофильтрами. Реализовать эту идею в 1928 г. было суждено знаменитому Дж. Берду. Основная проблема данной схемы заключалась в ее несовместимости с черно-белыми ТВ-приемниками, кроме того, эпоха механического телевидения приближалась к концу.