Советская телеприставка «Б-2» с механической разверткой в экспозиции Музея нижегородской радиолаборатории

История

Ранние опыты

Первые опыты передачи изображений на расстояние проводились уже в XIX веке. Шелфорд Бидуэлл (англ. Shelford Bidwell) продемонстрировал систему передачи неподвижных фотографий в 1881 году, которая использовала механическое разложение на элементы. Эта технология быстро нашла применение в новостной фотожурналистике, но была неприменима для передачи движущегося изображения из-за крайне низкой светочувствительности селеновых фотоэлементов. Сканирование фотографии с качеством, приемлемым для газетной полиграфии, занимало несколько минут. Лишь в 1909 году удалось добиться мгновенного сканирования изображений, не содержащих полутонов. В 1923 году американец Чарльз Дженкинс (англ. Charles Francis Jenkins) передал первое движущееся силуэтное изображение, а 13 июня 1925 года состоялась демонстрация передачи полутонового движущегося изображения со звуком.

На рубеже XIX и XX веков русский изобретатель А. А. Полумордвинов работал над своим «телефотом», ключевым элементом которого был т. н. «светораспределитель»^[1]. Это была первая в мире система цветного телевидения с диском Нипкова, ставшая прообразом современных систем на теории трёхкомпонентного цветового зрения. Она была предложена лаборантом Казанского университета Полумордвиновым 5 января 1900 года. В том же месяце изобретение получило высокую оценку на Первом электротехническом съезде в Петербурге. Однако систему собрать не удалось, и в 1925 году патент был продан английскому изобретателю Д. Бэрду^[2].

Первые телестанции

Бэрду удалось создать первую в мире работоспособную систему телевидения, передающую движущееся полутоновое изображение. Первая передача состоялась 26 января 1926 года в его лондонской лаборатории. Первая телевизионная станция WCFL^[3] вышла в эфир в Чикаго 12 июня 1928 года. Её создателем был Улисс Санабриа^[4] (англ. Ulises Armand Sanabria), который впервые использовал для передачи изображения и звука один диапазон радиоволн, начав 19 мая 1929 года трансляцию звукового сопровождения радиостанцией WIBO, а видеосигнала — станцией WCFL. Первые серийные телевизионные приемники «Вижэнет» (англ. Visionette) с 45-строчной механической развёрткой начали выпускаться компанией Western Television в 1929 году по цене чуть меньше 100 долларов^[5].

В СССР существовал стандарт механического телевидения с разложением на 30 строк и частотой кадров 12,5 к/сек^[6]. Соотношение сторон кадра было принято близким к «классическому» — 4:3 с разрешением примерно 30х40 элементов. При помощи системы велись регулярные передачи кинофильмов и трансляции из студии первого московского телецентра на Никольской улице. Первая экспериментальная передача состоялась 1 мая 1931 года на волне 56,6 метров без звукового сопровождения^[7]. Регулярное механическое вещание из телецентра началось 15 ноября 1934 года с передачи 25-минутного эстрадного концерта^[7]. Изображение передавалось на волнах 1107 метров, а звук транслировался радиостанцией ВЦСПС на длине волны 726 метров с полуночи до часа ночи 12 раз в месяц^[8]. С 1933 до 1936 года отечественной промышленностью было выпущено более 3000 телевизоров марки «Б-2»^[9]. Механические телевизоры тех лет представляли собой приставку к обычному радиоприёмнику. Для приёма звукового сопровождения, при его наличии, требовался ещё один радиоприёмник. Одним из немногих достоинств механического телевидения была возможность приёма его передач на больших расстояниях из-за использования диапазона средних радиоволн^[10]. В начале 1930-х годов среди советских радиолюбителей получило распространение конструирование самодельных телеприставок^[11] для приёма телетрансляций, в том числе зарубежных^[6]. В то же время, их иностранные коллеги имели возможность создания любительских телестанций^[12]. После московского телецентра передачи механического телевидения начались из Одессы и Ленинграда^[10]. Регулярные передачи механического телевидения из Москвы прекратились в апреле 1940 года после запуска нового телецентра на Шаболовке, основанного уже на электронных принципах^[9].

Количество строк систем с диском было ограничено и составляло от 30 до 120. После 1935 года благодаря некоторым техническим достижениям появились механические системы, рассчитанные на 180 и более строк. Однако, качество изображения электронного телевидения для механического осталось недостижимым. Лучшей системой механического телевидения можно по праву назвать британскую «Скофони» (англ. Scophony)^[13], которая воспроизводила 405 линий на экране размером до 2,8×3,7 метров (9×12 футов). Было собрано несколько аппаратов этой системы, в том числе для домашнего использования^[14] с экраном 24×22 дюйма (56×61 см). В системе Scophony для создания изображения использовалось несколько барабанов^[14], вращающихся с большой скоростью. Массовый выпуск телевизоров этого типа не состоялся из-за приближения мировой войны. Также известна американская система с 441 линией развёртки, использовавшая несколько барабанов, один из которых вращался со скоростью 39 690 об/мин, а другой — несколько сотен оборотов в минуту.

Механические системы телевидения существовали до начала Второй мировой войны, уступив своё место более технологичным и надежным электронным после её окончания.

Принцип работы

Устройство диска Нипкова

В основе механической части обычно лежит диск Нипкова, который имеет ряд отверстий, расположенных по спирали.

В передающей камере сзади диска, расположенного в фокальной плоскости съёмочного объектива, установлен фотоэлемент для регистрации попадающего на него света. В приёмнике вместо фотоэлектрического элемента используется источник модулированного света, обычно неоновая лампа, обладающая малой инерционностью. Каждое отверстие в своём движении образует одну линию развёртки с переменной яркостью, соответствующей яркости передаваемых участков объекта съёмки. Для передачи сигнала яркости от камеры к приёмнику используется радио. Передающие камеры с диском обладали рядом существенных недостатков: в частности, они закреплялись неподвижно из-за риска нарушения развёртки при сотрясении. Панорамирование могло осуществляться только при помощи поворотного зеркала, установленного перед объективом, снимающим объекты отражёнными^[15].

Помимо диска Нипкова существует ряд других технологий. Вместо диска может использоваться вращающийся барабан либо с отверстиями, либо с набором зеркал установленных на нём: например, так называемая конструкция с «зеркальным винтом»^[16].

Ещё один известный метод «бегущего луча» (англ. flying spot) был попыткой использования аналогичной технологии телекинопроекции, разработанной Манфредом фон Арденне в 1931 году. Объект съёмки находился в затемнённой студии и сканировался узким пучком света, проходящего через отверстия диска Нипкова, 16 раз в секунду. Отражённый от объекта свет попадал не на один фотоэлемент, а на целый блок таких элементов, позволяя суммировать сигнал для повышения светочувствительности системы. Метод «бегущего луча» использовался телекомпанией BBC до 1935 года и в Германии до 1938 года. К недостаткам этого метода стоит отнести условие съёмки — объект должен находиться в темноте, то есть метод не годится для съёмок днём вне студии.

Некоторые из вышеописанных систем были в состоянии воспроизводить изображения размером до полуметра с качеством, сравнимым с электронно-лучевой трубкой, вытеснившей впоследствии механическое телевидение. Возможности электронного («катодного») телевидения в то время были ограничены маленькими экранами с весьма низкой яркостью и контрастностью изображения.

Некоторые ранние механические системы сканировали строки не по горизонтали, как это происходит сейчас, а по вертикали. В качестве примера можно привести британскую 30-строчную систему Бэрда. Эта система создавала вертикальное прямоугольное изображение (книжная ориентация), вместо горизонтального (альбомная ориентация), распространённого в наши дни. Направление линий зависит от расположения маски кадра относительно диска Нипкова: при расположении слева или справа линии развёртки вертикальные, сверху или снизу — горизонтальные. Из-за низкого разрешения изображений в системе Бэрда, достаточной только для более-менее чёткого изображения одного человека, вертикальная (портретная) ориентация становилась предпочтительней, нежели горизонтальная. Когда в изображении используется 60 или более линий, в кадре можно будет разместить несколько человек. Именно тогда маска была перенесена для создания горизонтального изображения, что и используется по сегодняшний день.

Развитие электронного телевидения (после появления иконоскопа для передающих камер и кинескопа для приёмников) означало завершение эры механического телевидения. Механическое телевидение годилось только для воспроизведения небольших изображений и было вне конкуренции до середины 1930-х. Но, перед началом Второй мировой войны развитие электронного телевидения ускорилось — появлялись электронные системы с 400 и даже 600 линиями и ещё более высокой чёткостью.

Запись передач

В дни коммерческой эксплуатации механического телевидения были разработаны системы для записи изображений (но не звука) с использованием модифицированного аппарата для записи граммофонных пластинок. Система, известная как «Фоновидение» не получила высокого распространения из-за высокой сложности, низкой надёжности и весьма внушительной цены. Но, тем не менее, благодаря этому аппарату до нас дошли записи широковещательных передач, которые могли бы быть утеряны.

В наши дни шотландский инженер Дональд Маклин (Donald F. McLean) создал оборудование для проигрывания этих пластинок и проводит лекции и демонстрации записей, сделанных в 1925—1933 годах^[17].

В коллекции дисков Маклина есть серия тестовых записей, сделанных лично пионером телевидения Джоном Бэрдом. Один диск, датированный 28 марта 1928 года с пометкой «Мисс Паунсфорд» (англ. Miss Poundsford) представляет собой запись длиной в несколько минут изображения женского лица, ведущего оживлённую беседу с кем-то за кадром. В 1993 году личность женщины была установлена — это Мэйбл Паунсфорд, и её короткое появление на диске считается самой первой видеозаписью с участием человека^[18].

Современное использование

Установка механического телевидения с четырьмя вращающимися светодиодными линейками может воспроизводить изображение телевидения стандартной чёткости

Системы механического телевидения применялись в фототелевизионных системах для передачи изображений с Луны и других планет автоматическими межпланетными станциями. 25 декабря 1966 года советская АМС «Луна-13» впервые передала панораму лунной поверхности при помощи механической развёртки. Кадр, состоящий из 1500 вертикальных строк, передавался в течение полутора часов. За счёт невысокой скорости передачи удалось использовать более надёжный диапазон радиоволн и получить изображение неподвижных объектов с высокой чёткостью^[6].

C 1970-х годов некоторые радиолюбители экспериментировали с системами механического телевидения. Оборудование перепроектировалось с учётом новых технологий: старые неоновые лампы заменялись сверхъяркими светодиодами и т. п. В таких системах есть свои достоинства, важные для создания узкополосного телевидения, с шириной диапазона менее 40 килогерц (современные телевизионные системы используют радиоканал шириной порядка 6 мегагерц, в 150 раз шире). На практике, всё-таки чаще используется электронное, а не механическое оборудование (например, телевидение с медленной развёрткой).

В наше время, технологии механического телевидения нашли применение в DLP-проекторах. В них используется матрица маленьких (16 мм²) электростатически заряженных зеркал, которые выборочно отражают свет для создания изображения. Многие дешёвые DLP проекторы используют цветовое колесо для создания цветного изображения. Эта технология применялась также в электронном цветном телевидении до изобретения кинескопов с теневой маской.

Другая сфера применения опто-механических технологий — лазерные принтеры, где небольшое вращающееся зеркало используется для управления модулированным лазерным лучом по одной оси, в то время как движение барабана используется для управления по другим осям. Вариант данной схемы с применением мощных лазеров используется в лазерных проекторах с разрешением до 1024 линий (каждая линия насчитывает более 1500 точек). Такие системы отличаются высоким качеством изображения и используются, например, в планетариях.