Механика дальновидения

Ю. ДОЛГУШИН

Много лет жила в человечестве заветная мечта — слышать и видеть на далекое расстояние.

Мечта эта осуществилась. Человек, вооруженный наукой и техникой, успешно преодолевает пространство, а вместе с ним и время. При помощи величайшего завоевания нашей эпохи — радио — мы можем без труда передать свой голос моментально «за моря и океаны».

Но видеть на большие расстояния, передавать изображения оказалось гораздо сложнее. Это и понятно. Всякое слово или мелодия состоит из отдельных, последовательно расположенных во времени звуковых импульсов. Их можно посредством микрофона превратить в импульсы электрические, передать на расстояние в приемник, а там — снова в той же последовательности перевести с помощью телефона в звуковые. Слово будет передано.

Всякая же картина например фотография, представляет собой комбинацию светлых и темных пятен, одновременно расположенных в пространстве. Чтобы передать картину, очевидно, нужно не только передать эти разно освещенные пятна в какой-то последовательности, но и расположить их затем в определенном порядке.

Много десятков лет бились ученые над разрешением проблемы дальновидения. Толчок к первым попыткам в этом направлении дало открытие в 1857 году светочувствительности элемента селена. Свойство это состоит в том, что селен в зависимости от степени его освещения меняет свою электропроводность. Многие ученые пытались использовать селен для передачи изображений. И, наконец, в 1910 году немецкий ученый Артур Корн добился цели. Но это было не дальновидение, а только передача неподвижных изображений по проводам, т. е. фототелеграфия, или бильдтелеграфия, которая теперь в усовершенствованном виде широко применяется за границей и у нас, например, на линиях Москва—Ленинград, Москва — Свердловск для передачи документов, фотографий и пр.

Современное дальновидение — это результат упорных усилий целой плеяды людей, которые с разной степенью совершенства разрешали задачу. Среди них следует особо отметить исключительно талантливого изобретателя — симбирского крестьянина столяра Ефима Горина. Несмотря на недостаток образования (он окончил трехклассную сельскую школу), Горин изобрел еще в 1901 году почти современную систему телевидения. Многие специалисты того времени знали об изобретении Горина, но все же талантливому «мужику» не удалось в условиях царской России реализовать свое изобретение. Он не смог даже запатентовать его, ибо патент стоил сто рублей, а Горин зарабатывал всего пять рублей в месяц. Судьба Горина трагична: он внезапно ослеп в самый разгар хлопот о своем аппарате для дальновидения...

Сейчас он живет в Москве, продолжает работать над различными изобретениями и имеет уже около 300 авторских свидетельств...

*

Телевидение стало на твердый путь развития с тех пор, как в 1909 году Эльстером и Гейтелем был изобретен фотоэлемент. Как микрофон в системе радиопередачи необходим для того, чтобы превратить звуковые колебания в колебания электрического тока (которые и передаются радиостанцией), так в системе телевидения световые колебания превращаются в электрические с помощью фотоэлемента.

Этот прибор способен реагировать на малейшие изменения света. Если его включить в цепь батареи, то в темноте в цепи тока не будет. Но едва фотоэлемент «увидит» свет, — ток в цепи появится. И он будет тем больше, чем сильнее освещен фотоэлемент.

Таким образом мы можем превратить колебания света в совершенно аналогичные им колебания электрического тока. Последние можно как угодно усилить при помощи электрических ламп, как это делается в обычных радио усилителях, а затем через радиопередатчик посылать их в эфир.

Предположим, что где-нибудь вдали от передатчика наш радиоприемник уловил эти колебания. Мы услышим в наушники или в репродукторе световые колебания. Как же увидеть их?

Для этого служит обычно неоновая лампа, которая выполняет роль, обратную роли фотоэлемента: она преобразует энергию электрического тока в световую энергию. Она устроена так. В стеклянный баллон, наполненный одним из благородных газов —  неоном, заключена небольшая металлическая пластинка, имеющая вывод наружу. Перед этой пластинкой расположена металлическая рамка тоже с выводом наружу. Если к этим двум выводам присоединить источник тока, то пластинка (точнее, слой неона, прилегающий к пластинке) начинает светиться розовым матовым светом и тем ярче, чем больше напряжение тока, приложенного к выводам.

Неоновая лампа представляет собой стеклянный баллон, наполненный газом неоном. В баллон заключена небольшая металлическая пластинка, имеющая вывод наружу. Это — катод. Перед пластинкой расположена металлическая рамка. Это — анод.

Если теперь мы включим неоновую лампу вместо репродуктора в наш приемник, то увидим на пластинке лампы те же колебания света, какие воздействуют на фотоэлемент передатчика.

Оба эти основные прибора, с помощью которых осуществляется телевидение, обладают одним замечательным свойством — безинерционностью, т. е. и колебания тока в фотоэлементе под действием света, и изменения света в неоновой лампе от колебаний напряжения тока происходят практически мгновенно.

*

Любую картину можно изобразить точками или пятнами разного оттенка. А для того чтобы передать изображение картины по радио, надо картину предварительно разложить на отдельные маленькие пятнышки — элементы.

Всякая картина, например фотография, представляет собой комбинацию светлых и темных пятен. Отнесите страницу на вытянутую руку, и эти пятна сольются в изображение портрета.

Как это сделать?

Эта задача была решена немцем Паулем Нипковым еще в 1884 году. Перед картиной, которую нужно передать, он поместил вращающийся диск с рядом маленьких квадратных отверстий. Отверстия расположены на радиусах диска, равно удаленных один от другого. Но каждое отверстие сдвинуто по отношению к предыдущему — к центру диска — на величину, равную стороне самого отверстия. Таким образом на диске получается ряд отверстий, расположенных по спирали.

Диск Нипкова имеет ряд маленьких квадратных отверстий, расположенных по спирали.

Поставим перед диском какую-нибудь картину, а с другой стороны диска расположим сильный источник света. На пути света между его источником и диском поместим непрозрачный, плоский экран (так называемая ограничивающая рамка), в котором сделано отверстие такого размера, чтобы источник света «видел» через этот экран только одно отверстие диска при любом его положении. Тогда и на картину свет будет падать тоже только из одного отверстия.

Попробуем теперь медленно вращать диск, приняв за исходное положение его такое, при котором первым должно будет вступить в рамку самое крайнее отверстие диска, дальше других расположенное от центра.

Через это отверстие на верхний край картины упадет «зайчик» от источника света. При дальнейшем движении он опишет по верху картины дугу и скроется за краем рамки. В этот же момент появится следующий «зайчик», идущий из следующего отверстия диска, и тоже прочертит на картине световую полоску чуть ниже. За ним выскочит третий и так далее до тех пор, пока не пройдут перед рамкой все отверстия диска, т. е. пока вся картина не будет прочерчена световыми полосками сверху донизу. А как только первый оборот диска кончится, начнется следующий и снова на верх картины упадет луч света.

Представим себе, что все это происходит в темноте. Источник света скрыт. Виден только бегающий по картине «зайчик». И тут же сбоку за этим «зайчиком» наблюдает зоркий глаз фотоэлемента, включенного в цепь радиопередатчика.

Как же фотоэлемент наблюдает за этим «зайчиком»? Дело в том, что каждый предмет при освещении его отражает в большей или меньшей степени падающий на него свет. Чем светлее окраска предмета, тем больше он отражает света. Этот отраженный свет и действует на фотоэлемент телепередатчика.

Вот «зайчик» упал на светлое небо нашей картины. Фотоэлемент «видит» светлое пятнышко, и ток в цепи мгновенно увеличивается, с антенны передатчика срываются в эфир колебания, электромагнитные волны, «изображающие» это светлое пятно. А радиоприемник, где-то далеко принимающий эту передачу, заставит пластинку неоновой лампы, включенной в его цепь вместо репродуктора, вспыхнуть ярче.

Но в следующий момент «зайчик» попадает на темный ствол дерева, изображенного на картине. Отраженный свет «зайчика» резко слабеет, его почти не видно. Ток фотоэлемента падает. А на приемнике неоновая лампа гаснет.

Так, обегая всю картину строка за строкой, луч света передает через фотоэлемент и передатчик на неоновую лампу приемника все колебания света, отражающиеся от картины. Иначе говоря, наша картина окажется разложенной на отдельные разно освещенные элементы, пятнышки. Это называется разверткой изображения. Эти пятнышки будут последовательно переданы через эфир к приемнику и заставят пластинку неоновой лампы мерцать то ярче, то темнее, воспроизводя те световые «впечатления», которые получил фотоэлемент или глаз наблюдателя при движении луча по картине.

Таким образом мы передали один за другим отдельные элементы картины. Но самой картины пока еще нет.

Поставим перед неоновой лампой в точности такой же диск, какой стоит перед картиной на станции отправления, и будем через диск смотреть на мерцающую пластинку. Но при этом надо строго соблюдать одно условие: наш приемный диск должен вращаться синхронно и синфазно с дискам передатчика. Это значит, что скорость их вращения и положение должны быть одинаковы, т е. если первое крайнее отверстие одного диска находится в данный момент над его осью, то такое же отверстие другого диска в тот же момент должно быть расположено так же. Что же мы увидим?

Вот первое отверстие появилось как раз против верхнего левого края пластинки, которая в этот момент вся ярко вспыхнула, изображая небо картины. Но мы видим через отверстие не всю пластинку, а только одну ее точку. В следующий момент отверстие уже сдвинулось вправо, а вся пластинка внезапно потемнела, изображая ствол дерева. Мы увидим рядом с первой светлой точкой, которая уже исчезла, другую, темную точку.

Передав все световые точки верхней «строки», первое отверстие идет вправо и тотчас же слева появится второе отверстие, через которое в наш глаз попадут все световые точки второй «строки». И когда медленно вращающийся диск сделает один полный оборот, мы получим все элементы передаваемой картины расположенными на пластинке неоновой лампы в том же порядке, как и на самой картине.

Но что значит «получим»? Ведь все эти элементы появляются не одновременно, а один за другим и тотчас же исчезают. Какая же это «картина»?

Действительно, никакой картины еще нет. Но теперь уже совсем просто получить ее. Нужно только оба диска вращать с достаточной скоростью. Тут приходит на помощь свойство человеческого глаза — сохранять зрительное впечатление около 1/8 доли секунды после того, как объект наблюдения исчез. Поэтому нам вовсе не нужно получать все точки картины одновременно, чтобы все-таки видеть ее сразу всю. Достаточно, если мы успеем в 1/8 секунды получить на пластинке неоновой лампы один за другим все элементы картины.

Значит, надо пустить диски со скоростью не менее 8 оборотов в секунду. И тогда не успеет в глазу исчезнуть впечатление от первой точки изображения, как уже появится последняя, — и мы увидим слитое изображение передаваемой картины и оно будет поддерживаться все время, пока диски вращаются с той же скоростью. Обычно скорость их вращения равна 12,5 оборотам в секунду.

Схема механического телевидения с помощью бегающего луча.

Можно ли таким путем передавать движущиеся изображения? Конечно, можно. Для этого нужно только вместо картины перед диском на передатчике поместить, например, человека. «Зайчик» точно так же разложит его лицо, фигуру на отдельные элементы. А так как кадры (кадр —  одно полное изображение, получающееся за один оборот диска) меняются с такой скоростью, как в кино отдельные снимки, то мы передадим и все движения человека.

Такова элементарная схема механического телевидения. Приемная часть ее настолько проста, что построить самодельный телевизор может даже и не очень опытный радиолюбитель. Для этого надо только приобрести неоновую лампу, моторчик в 1/32 или 1/16 лош. силы для вращения диска (можно использовать комнатный вентилятор) и сделать (из фанеры, например) диск. Сложная задача синхронизации вращения диска (нужная скорость — 750 оборотов в минуту) в любительском телевизоре решается очень просто — введением в цепь мотора обыкновенного реостата, или даже еще проще — торможением диска пальцем. Настроив приемник на наилучшую слышимость сигналов телепередачи, надо включить неоновую лампу и менять скорость вращения диска, пока не появится изображение.

Имея радиоприемник с достаточным усилением, например ЭЧС-2, на такой самодельный телевизор можно принимать телепередачи не только наших станций, но и некоторых заграничных.

*

Однако описанным методом «бегущего луча» можно передавать изображения только из специальных затемненных студий, где объект передачи расположен в непосредственной близости от источника светового луча и фотоэлементов.

Но можно ли передать какой-либо пейзаж с натуры, уличную сцену, театральное действие?

Можно. Для этого применяется другой метод —  метод «прямого видения». Он заключается в следующем. При помощи сильного объектива изображение отбрасывается на диск Нипкова, а фотоэлемент расположен по другую сторону диска. Свет, проходящий через отверстия диска от отдельных точек изображения, падает на фотоэлемент и вызывает колебания тока в его цепи. Вот и вся разница. В остальном схема та же.

Можно, пользуясь способом прямого видения, проектировать через объектив на диск один за другим кадры движущейся киноленты, освещенной сзади. Так осуществляется передача на расстояние кинофильм — телекино.

Летом 1931 года английская телевизионная компания Бэрда впервые передавала уличные сцены.

Основное затруднение при осуществлении способа «прямого видения» состоит в том, что световые импульсы, доходящие до фотоэлемента, значительно слабее при дневном освещении, чем при искусственном. Чтобы передать мелкие детали картины, приходится разлагать изображение на большое количество точек, т. е. делать световой пучок более узким, а это еще больше ослабляет его импульсы.

*

Человек входит в переговорную кабину, плотно затворяет дверь, садится в кресло и гасит свет. Через мгновение перед ним вспыхивает небольшой экран, с которого смотрит приветливо улыбающееся лицо далекого собеседника. В тот же момент он слышит знакомый голос из рупора, вделанного в стенку кабины. Теперь можно разговаривать. Два человека, находящиеся в разных городах на расстоянии тысячи километров один от другого, одновременно видят и слышат друг друга.

Человек входит в переговорную кабину, плотно затворяет дверь и гасит свет. Через мгновение передним вспыхивает небольшой экран, с которого смотрит лицо далекого собеседника. В тот же момент он слышит знакомый голос из рупора, вделанного в стенку кабины.

Такие установки существуют в Америке, Германии и Франции. В стенке кабины вырезаны два четырехугольные отверстия. За этими отверстиями расположен диск. Этот диск совершает развертку изображения головы человека бегущим лучом и в то же время воспроизводит изображение его собеседника. В одном отверстии появляется изображение, а из другого отверстия падает луч, бегающий по лицу говорящего.

Большой шум, особенно в военном мире, вызвало в свое время изобретение Бэрда, который сконструировал аппарат, позволяющий видеть в темноте. Демонстрация этого аппарата «ноктовизора» в Английском королевском обществе в 1926 г. произвела потрясающее впечатление на присутствующих. Они совершенно ясно видели изображение человека, находившегося в темном помещении, где был установлен передатчик.

Секрет Бэрда состоял в том, что он применил для «освещения» объекта телепередачи инфракрасные, невидимые лучи, которые действуют на специальный фотоэлемент (с чувствительным слоем цезия). Получить эти лучи нетрудно, закрыв обыкновенный прожектор темным листом из эбонита, который задержит все видимые лучи, но пропустит «темные».

Инфракрасные лучи позволяют также видеть сквозь туман, через который они проникают, почти не ослабляясь. Очевидно, что соединение «ноктовизора» с мощным источником инфракрасных лучей даст возможность следить на суше, на море и в воздухе за движением противника, считающего себя скрытым от наблюдателя ночным мраком или туманом.

Электрические колебания, вызванные световыми сигналами передаваемого изображения, улавливаются обыкновенным радиоприемником и, как мы уже говорили, могут быть услышаны в телефоне или репродукторе.

Если вместо репродуктора включить специальный рекордер (прибор, служащий для записи звука), то мы сможем записать эти телевизионные сигналы на граммофонную пластинку и таким образом зафиксировать на ней движущееся изображение. Воспроизвести его нетрудно: нужно только иметь адаптер, который через усилитель соединяется с неоновой лампой нашего телевизора. Адаптер будет преобразовывать колебания граммофонной иглы в соответствующие колебания электрического тока. Эти электрические импульсы и будут восприниматься неоновой лампой, которая будет вспыхивать то ярче, то слабее в зависимости от записи на граммофонной пластинке.

Так, с помощью телевидения можно наблюдать жизнь подводного мира. Водонепроницаемая кабина, снабженная сильным прожектором и телепередатчиком, может быть спущена на глубину, недоступную пока человеку. Сигналы изображения подаются по кабелю на пароход, где установлен телевизор, на экране которого появляются получаемые изображения. Так, англичанин Хартман обнаружил в 1932 году на дне Средиземного моря остатки древнего города. Имея на борту парохода передаточную радиостанцию, можно передавать картины подводной жизни на материк.

Одновременно с изображением человека на ту же пластинку можно записать (вторым рекордером) и его голос, речь. Так можно зафиксировать живое изображение — портрет человека, в его динамике, с его движениями; интонациями речи и т. д.

*

В описанной нами механической системе телевидения есть одно трудно преодолимое препятствие. Чем лучше изображение мы хотим получить, тем на большее количество отдельных точек нужно разложить объект передачи. Но тогда на проектирование каждой точки остается меньше времени и она слабее воздействует на фотоэлемент. Обычно с помощью диска Нипкова, имеющего 30 отверстий, изображение разлагается на 30 «строк», в каждой из которых одно отверстие укладывается 40 раз, т. е. мы получаем 1200 точек.

Такой стандарт для телевидения был принят на первое время у нас в СССР и в Германии. И это — минимум, ниже которого изображение получается уже слишком упрощенным, схематичным. Но и этот минимум дает далеко не блестящие результаты, он годен только для передачи «крупного плана». Если же отверстия в диске уменьшить и увеличить их количество, — приходится еще более усиливать интенсивность бегающего луча, а это представляет значительные трудности.

Чем лучше изображение мы хотим получить, тем на большее количество отдельных точек нужно разложить объект передачи. Вот какая четкость получается при 1200 элементах разложения (1) при 2600 элементах (2), при 10 тыс. элементов (3) и, наконец, при 30 тыс. элементов.

Затем трудно примириться с приемом на неоновую лампу, с пластинкой размером в 3×4 сантиметра. Изображение такой пластинки могут рассматривать не больше 3—5 человек одновременно. Нужен экран. Но перенести на экран изображение с обыкновенной неоновой лампы нельзя: сила ее света недостаточна для этого.

Для экранного телевидения пользуются различными сложными приемами. Американцу Александерсену удалось при помощи конденсатора Керра, вольтовой дуги в 175 ампер и линзового диска получить изображения (3000 точек) на экране размером 2×2 метра.

Однако аппаратура, которая могла бы дать изображения, приближающиеся по качеству и размерам к кино, настолько сложна, громоздка и дорога, что до сих пор она не вышла за пределы отдельных экспериментальных лабораторий. Мало того, в кругах специалистов несколько лет назад окрепло мнение, что единственная существовавшая тогда система телевидения вообще не может дать вполне доброкачественных результатов.

Немецкий ученый Р. Тун писал в 1930 г. о перспективах телевидения следующее: «...не исключено, что какое-нибудь открытие в физике позволит улучшить качество изображений, но вероятность эта так незначительна, что, пожалуй, ею можно пренебречь...».

Подобные пессимистические высказывания, как это уже не раз случалось в истории науки и техники, очень скоро оказались несостоятельными. Уже через три года после того, как начались «похороны» механического телевидения, в электрофизике были сделаны открытия, которые не только указали принципиально новые пути для развития высококачественного телевидения вообще, но и открыли новые перспективы перед описанной нами старой механической системой.