Механическое телевидение

Механическое телевидение — это технология передачи и приёма движущегося изображения, основанная на механическом развёртывании (сканировании) оптического изображения с помощью вращающегося диска или зеркального барабана. В отличие от электронного телевидения, где развёртка осуществляется электронными лучами в вакуумных трубках, механическое телевидение использовало чисто механические элементы для построения кадра. Эта технология была исторически первой системой телевидения, получившей практическое применение в 1920-х — начале 1930-х годов, но впоследствии была вытеснена более совершенными электронными системами.

История

Предпосылки и ранние эксперименты

Идея передачи изображения на расстояние возникла задолго до появления электричества. В 1884 году немецкий изобретатель Пауль Нипков запатентовал «электрический телескоп», в основе которого лежал вращающийся диск с отверстиями, расположенными по спирали. Этот диск, названный впоследствии диском Нипкова, стал ключевым элементом механического телевидения. Принцип его работы заключался в последовательном сканировании строк изображения: каждое отверстие диска при вращении проходило по своей строке, пропуская свет на фотоэлемент. На приёмной стороне аналогичный диск, синхронизированный с передающим, восстанавливал изображение из световых импульсов.

Однако в конце XIX века не существовало достаточно чувствительных фотоэлементов, усилителей и источников света, чтобы реализовать идею на практике. Первые реальные эксперименты начались в 1900-х годах. В 1907 году российский учёный Борис Розинг предложил использовать для приёма изображения электронно-лучевую трубку (кинескоп), что стало шагом к электронному телевидению, но механическая развёртка на передающей стороне оставалась актуальной.

Расцвет механического телевидения (1920-е — 1930-е годы)

Первый публичный показ механического телевидения состоялся в 1925 году в Лондоне. Шотландский изобретатель Джон Логи Бэрд продемонстрировал передачу силуэта куклы, а в 1926 году — движущегося лица человека. Его система использовала диск Нипкова с 30 отверстиями (30 строк развёртки) и давала изображение размером с почтовую марку, но с заметным мерцанием.

В 1927 году Бэрд организовал первую в мире регулярную телевизионную трансляцию из Лондона в Глазго по телефонным линиям. В 1928 году он осуществил трансатлантическую передачу изображения из Лондона в Нью-Йорк. В том же году советские инженеры под руководством Льва Термена и Владимира Зворыкина (впоследствии эмигрировавшего в США) провели первые эксперименты в Москве.

В СССР механическое телевидение получило значительное развитие. В 1931 году в Москве начались регулярные передачи с использованием диска Нипкова на 30 строк. Вещание велось на средних волнах (радиодиапазон), и изображение принималось на простые самодельные приставки к радиоприёмникам. В 1932 году была создана Всесоюзная лаборатория телевидения, которая занималась совершенствованием механических систем.

К 1934 году в СССР было выпущено несколько тысяч телевизоров «Б-2» (с диском Нипкова), которые позволяли смотреть передачи с разрешением 30 строк и частотой 12,5 кадров в секунду. Это был первый серийный телевизор в мире, хотя и с очень низким качеством изображения.

Закат и вытеснение электронным телевидением

Несмотря на первоначальный успех, механическое телевидение имело фундаментальные ограничения. Для увеличения чёткости изображения (количества строк) требовалось увеличивать диаметр диска Нипкова и скорость его вращения, что делало систему громоздкой и ненадёжной. Максимальное практически достижимое разрешение составляло около 240 строк (у Бэрда в 1930-х годах), что было значительно ниже качества электронных систем.

В 1930-х годах электронное телевидение, основанное на иконоскопе (передающая трубка) и кинескопе, начало стремительно развиваться. В 1936 году в Великобритании начались регулярные передачи с использованием электронной системы (405 строк), а в 1938 году в СССР — по системе с развёрткой на 343 строки. Механическое телевидение к концу 1930-х годов было полностью вытеснено в большинстве стран, хотя в некоторых регионах (например, в Австралии) оно продолжало использоваться до 1940-х годов.

Устройство и принцип работы

Передающая часть

Основой передающей системы механического телевидения является диск Нипкова. Это непрозрачный диск (обычно из металла или картона), в котором по спирали Архимеда просверлены отверстия одинакового диаметра. Количество отверстий равно количеству строк развёртки (например, 30, 60, 120). Диск вращается с постоянной скоростью, обычно 12,5 или 25 оборотов в секунду (для получения 12,5 или 25 кадров в секунду).

Перед диском устанавливается объектив, проецирующий изображение на плоскость диска. За диском располагается фотоэлемент (например, селеновый или вакуумный фотоэлемент). Когда отверстие диска проходит перед объективом, оно сканирует одну строку изображения: свет от разных участков строки попадает на фотоэлемент, создавая электрический сигнал, пропорциональный яркости. При вращении диска отверстия последовательно сканируют все строки, формируя полный кадр.

Приёмная часть

На приёмной стороне используется аналогичный диск Нипкова, вращающийся синхронно с передающим (синхронизация обеспечивалась специальными импульсами или механической связью). За диском располагается источник света (например, неоновая лампа или газоразрядная лампа), яркость которого модулируется принимаемым сигналом. Свет от лампы проходит через отверстия диска и проецируется на экран. Таким образом, на экране восстанавливается изображение, состоящее из последовательно высвечиваемых строк.

Синхронизация

Для правильного воспроизведения изображения необходимо, чтобы диски на передающей и приёмной сторонах вращались с одинаковой скоростью и в одной фазе. Для этого в сигнал изображения вводились специальные синхронизирующие импульсы (например, в конце каждой строки или кадра), которые на приёмной стороне управляли электродвигателем диска.

Характеристики и ограничения

Механическое телевидение имело ряд существенных недостатков, которые предопределили его уход:

• Низкая чёткость. Максимальное количество строк в серийных системах составляло 30–60, что давало изображение с очень низким разрешением (например, 30 строк × 40 элементов = 1200 пикселей, что в сотни раз меньше современного стандарта).
• Мерцание. Из-за низкой частоты кадров (12,5–25 Гц) и последовательного сканирования изображение сильно мерцало, особенно при ярком освещении.
• Малый размер изображения. При использовании диска Нипкова диаметром 30–50 см изображение получалось размером не более спичечного коробка. Для увеличения размера требовалось увеличивать диск до нереалистичных размеров.
• Шум и искажения. Механические элементы (диск, двигатель, фотоэлемент) создавали вибрации и шум, а также ограничивали скорость сканирования.
• Сложность синхронизации. Точная синхронизация двух дисков на больших расстояниях была технически сложной задачей.
• Невозможность цветопередачи. Механическое телевидение могло передавать только чёрно-белое изображение (градации серого). Попытки создать цветные системы (например, с тремя дисками и фильтрами) были крайне громоздкими и не получили распространения.

Применение и значение

Несмотря на техническое несовершенство, механическое телевидение сыграло важную роль в истории развития телевидения. Оно:

• Доказало принципиальную возможность передачи движущегося изображения на расстояние.
• Стимулировало развитие фотоэлементов, усилителей и источников света.
• Создало первую аудиторию телезрителей и заложило основы телевизионного вещания.
• В СССР механическое телевидение использовалось для трансляции первых телевизионных программ (например, «Первая телевизионная передача» в 1931 году), а также для обучения радиолюбителей.

В 1930-х годах механическое телевидение применялось в основном для экспериментальных и любительских целей. В Великобритании и США существовали небольшие телевизионные станции, вещавшие на механических системах, но их аудитория была крайне мала (несколько сотен зрителей).

Интересные факты

• Первый в мире телевизор, поступивший в продажу, — «Б-2» (СССР, 1932 год) — был механическим. Он представлял собой деревянный ящик с диском Нипкова и неоновой лампой, а изображение просматривалось через увеличительное стекло.
• Джон Логи Бэрд в 1928 году продемонстрировал первую цветную телевизионную передачу, используя механическую систему с тремя дисками и фильтрами красного, зелёного и синего цвета.
• Механическое телевидение иногда называют «телевидением низкой чёткости» (Low Definition Television, LDTV).
• В 1930-х годах в СССР выходил журнал «Радиофронт», в котором публиковались схемы для сборки самодельных механических телевизоров.
• В 2000-х годах энтузиасты-радиолюбители вновь начали экспериментировать с механическим телевидением, используя современные светодиоды и микроконтроллеры для улучшения качества.

Источники

• Борисов В. П. «Телевидение: от первых опытов до цифровых технологий». — М.: Наука, 2005.
• Зворыкин В. К. «Телевидение: вчера, сегодня, завтра». — М.: Радио и связь, 1982.
• Лебедев А. А. «История развития телевидения в СССР». — М.: Связьиздат, 1962.
• Патент Пауля Нипкова № 30105 от 6 января 1885 года (Германия).
• «Телевидение: энциклопедический словарь» / под ред. В. И. Сифорова. — М.: Советская энциклопедия, 1986.