Механическое телевидение: странный зверь из 1926 года

26 января 1926 года члены Королевского института вместе с репортером The Times собрались в маленькой лаборатории, расположенной в Лондоне, районе Сохо. В тот день они стали свидетелями необычного события: лицо куклы чревовещателя двигалось на экране буквально в прямом эфире. 

То была первая официальная демонстрация механического телевидения, которую организовал изобретатель Джон Логи Бэрд. Наша статья — об этом важном историческом событии.

Телевизионные опыты до Бэрда

В исторических статьях Бэрда часто называют «отцом современного телевидения». Хотя как и в случае с той же лампой накаливания, к созданию этого изобретения приложили руку многие инженеры. 

История берет начало во второй половине XIX века и напрямую связана с открытиями в области фотоэлектрического эффекта. В 1866 году инженер Уиллоуби Смит решал интересную проблему тестирования подводных кабелей, по которым передавались телеграфные сообщения. Нужно было найти метод, который позволит оценить их качество. Для этого он взял стержни из селена — материала, который имеет большое удельное сопротивление. 

Однако он случайно обнаружил, что их сопротивление изменялось под воздействием солнечного света. Потребовалось семь лет экспериментов, чтобы подтвердить этот эффект и корректно его описать для разных диаметров и длин стержней. В 1873 году он представил статью «Selenium, its electrical qualities and the effect of light thereon». 

И это стало отправной точкой появления телевидения. Ведь теперь появилась возможность преобразовать поток света (а это, по сути, и есть любое изображение) в электрический сигнал. Чем больше освещенность селенового элемента, тем ниже его сопротивление, соответственно, протекает больший ток. И наоборот. Только нужно было найти способ, как можно «просканировать» изображение и получить последовательность таких импульсов.

Решение нашел 23-летний студент из Германии, Пауль Юлиус Готлиб Нипков, изучавший оптику в Берлинском университете под руководством великого Германа фон Гельмгольца. Суть его изобретения заключалась в следующем: берем диск и делаем в нем несколько равноудаленных друг от друга отверстий, образующих одновитковую спираль. 

Перед диском располагается непосредственно изображение, которое мы хотим транслировать. А за ним — мощный источник света с линзой, направленной точно на верхний сегмент диска. Дальше диск начинают быстро вращать: отверстия очерчивают кольцевые траектории и «нарезают» изображение на полоски. Причем их диаметр подобран так, чтобы «просканировать» все изображения без пропусков. 

За диском располагается светочувствительный датчик: при каждом прохождении отверстия он воспринимает последовательность импульсов, которые соответствуют темным или светлым областям изображения.  Получается полная развертка изображения с количеством линий сканирования, равным количеству отверстий в диске.  

Но как теперь просмотреть изображение? Все просто. В другом месте располагается точно такой же диск, вращающийся синхронно с первым. За ним располагается источник света, световой поток которого зависит от переданных импульсов. Человек смотрит на верхний сегмент диска (область просмотра) и видит те же темные и светлые области, что и на исходном изображении.

Конечно, нужно было устройство, обеспечивающее синхронизацию вращения двух дисков, а также фотоприемное устройство, которое бы имело как можно меньшее время отклика. Но селеновые приемники были слишком несовершенными. Во многом по этой причине Нипков, хотя и запатентовал свое изобретение («Электрический телескоп») в 1884 году, за следующие 15 лет не создал ни одного рабочего прототипа. В 1889 году патент прекратил свое действие, и это открыло дорогу другим инженерам к разработке механического телевидения. 

Кстати, впервые термин «телевидение» предложил использовать 

Константин Перский во время доклада на выставке 1900 года в Париже. Там же он изложил обзор основных наработок в этой области, упомянув и работу Нипкова. 

В 1909 году немецкий физик Эрнст Румер продемонстрировал первую «мгновенную передачу изображения» на базе его системы из 25 селеновых ячеек, каждая из которых соответствовала условному «пикселю». При этом передача происходила через стандартную телефонную линию. Однако передавать можно было только простые геометрические фигуры. Румер мечтал собрать систему из нескольких тысяч селеновых ячеек и получить картинку высокой четкости, однако при стоимости одной ячейки в 45 долларов никто всерьез не рассматривал подобные изыскания. 

Опыт Румера вдохновил французских изобретателей Жоржа Риньо и А. Фурнье, которые в том же 1909 году представили устройство, состоящее из 64 селеновых ячеек. Эти ячейки были подключены к механическому коммутатору и формировали изображение размером 8×8 пикселей, обновляемое с частотой 1 раз в секунду. На приёмной стороне использовались ячейки Керра — своего рода «световые затворы», управляемые электрическим полем, — а также система зеркал, которая проецировала изображение на экран. Однако, как и в случае с Румером, высокая стоимость и сложность конструкции ограничили устройство рамками экспериментального образца.

Параллельно в 1911 году наши соотечественники Борис Розинг и Владимир Зворыкин работали над передачей изображения на трубку Брауна, еще называемую электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Но об этом мы поговорим дальше. 

После начала Первой мировой войны работы в области механического телевидения были заморожены — человечеству было явно не до движущихся изображений. Пока в 1923 году темой не заинтересовался инженер Джон Логи Бэрд, по совместительству крайне неудачливый предприниматель, который тем не менее смог опередить конкурентов и продемонстрировать первую систему механического телевидения.  

Разработка механического телевидения и первые публичные демонстрации

Джон Логи Бэрд родился в 1888 году в Шотландии в семье священнослужителя. В 1906 году он поступил в Королевский технический колледж, где изучал электротехнику. В 1911-1913 году работал на предприятии, которое проектировало распределительные щиты. В 1914 году попытался пойти на войну добровольцем, но из-за хрупкого здоровья получил отказ. В 1915 году получил должность Clyde Valley (Scotland) Electrical Power Company, но спустя два года решил прекратить «работать на дядю» и занялся бизнесом. 

Просто для понимания: первым его предприятием стала Baird Undersock Company, которая производила термоноски. После провала бизнеса он пробовал:

• производить джем;

• продавать удобрения;

• изготавливать чистящее средство для пола под названием Baird's Speedy Cleanser. 

Лишь в 1923 году Джон Бэрд увлекается идеями движущихся изображений. Можно только позавидовать смелости 35-летнего человека, который после нескольких неудач все равно не сдается и пытается найти свое место под солнцем.

Не обладая достаточными средствами, Бэрд арендует небольшую мастерскую в Гастингсе и принимается за работу. Однако через время, в ходе одного из опытов случилось короткое замыкание — чудом никто не пострадал, но арендодатели «попросили на выход». Так в 1924 году Бэрд перебирается в Лондон и организует мастерскую в жилом доме в районе Сохо, в небольшой комнате на втором этаже, где и продолжает работу. 

За основу Бэрд взял конструкцию диска Нипкова, про который, казалось, никто тогда уже не вспоминал. Идея «механического телевидения» полностью занимала его, и он просиживал сутками напролет, собирая прототипы буквально из самых доступных средств: картона, клея, велосипедной цепи и так далее.  

Принцип действия был схож с тем, что мы описывали выше, за исключением некоторых нюансов:

• В качестве фотоэлемента на передающем устройстве использовались талофидные ячейки, разработанные химиком Теодором Кейси на основе сульфида таллия. Вместо селеновых ячеек, которые обладали значительно большей инерционностью. 

• Фоточувствительные ячейки улавливали именно отраженный от объекта свет вместо статических полупрозрачных пленок — важно было подобрать достаточную мощность освещения, чтобы система работала корректно. Поэтому Бэрд использовал неоновые газоразрядные лампы, а также отказался от идеи одной неподвижной линзы напротив отверстий. Вместо этого он установил линзы на каждом отверстии: они попеременно фокусировали отраженный свет на фоточувствительные ячейки. 

• Бэрд долго подбирал частоту вращения, а также диаметр диска, отверстий и их расположение. В результате он остановился на 30 отверстиях, расположенных по спирали, а также частоте 12,5 оборотов в секунду. А сама проецирующаяся для зрителей картинка была вертикальной, имела соотношение 7:3 и демонстрировалось через стеклянную пластину.  

• Электрический сигнал важно было преобразовать таким образом, чтобы его можно было передать и в беспроводном виде. Поэтому Бэрд вспомнил о своем электротехническом прошлом и разработал RC-усилитель, который позволял бы передавать данные в полосе пропускания порядка 10 кГц и с оптимальным значением соотношения сигнал/шум. 

• Дополнительно Бэрд заметил, что светочувствительность (а следовательно, и время отклика) талофидных ячеек зависит от температуры — чем ниже, тем лучше. Поэтому он разработал дополнительную систему охлаждения, которая снижала температуру ячеек примерно до +5 градусов.   

Более подробно об инновациях Бэрда при разработке первого механического телевидения можно прочитать в этой статье.  

Первая публичная демонстрация прототипа состоялась в супермаркете Selfridges 25 марта 1925 года. В ходе нее Бэрд использовал более простую конструкцию с 16 отверстиями (так называемый Double-8) и частотой вращения диска Нипкова 5 оборотов в секунду. Причина была в том, что описанная выше конструкция с 30-ю отверстиями еще не была готова — не получалось синхронизировать вращение двух дисков с частотой 12,5 оборотов в секунду.  

Работа устройства была настолько ужасной, что кроме движущихся пятен ничего не было видно. Публика встретила устройство Бэрда довольно прохладно. 

Спустя несколько месяцев изобретатель все-таки довел до ума свою основную установку и добился максимально возможной плавности картинки, как тогда казалось. Однако возник другой вопрос: а что транслировать? Проблема была в том, что обычное человеческое лицо не было достаточно контрастным: чувствительности талофидных ячеек не хватало. Да и мощность ламп была настолько большой, что сидеть прямо под ними человеку было не очень комфортно. 

Бэрд нашел выход: взять голову куклы чревовещателя и транслировать на экран ее. Она получила прозвище Stooky Bill, поскольку слово Stooky переводится с шотландского как «штукатурка». 

26 января 1926 года он пригласил членов Королевского института и репортёра журнала Times в свою мастерскую для первой публичной демонстрации механического телевидения. Изображение из одной комнаты передавалось по проводам длиной четыре метра в другую комнату, где сидели зрители. Это произвело настоящий фурор: на следующий день новость о движущихся в прямом эфире изображениях разлетелась по всей Англии.

Нужно отметить, что Бэрд создал свой прототип буквально за два года и работал в страшной спешке. Причина в том, что параллельно другие изобретатели пытались создать свои телевизионные системы и публиковали статьи и патенты. 

Одним из них был американец Чарльз Фрэнсис Дженкинс — он построил действующий прототип механического телевидения на основе диска Нипкова еще в 1923 году. За год до этого он подал заявку на патент, и в отличие от Бэрда, передал движущиеся изображения по радио на расстояние до восьми километров. Нюанс состоял в том, что это были лишь силуэтные изображения на пленке, а не полноценная передача движущихся в прямом эфире объектов вроде куклы чревовещателя. 

В 1927 году Дженкинс организует собственную студию Jenkins Television Corporation, которая занималась созданием силуэтных фильмов. В 1928 году он открывает первую в США вещательную станцию W3XK и транслирует изображения из лаборатории Дженкинса в Вашингтон. 

Кроме Дженкинса были и другие изобретатели, работавшие над механическим телевидением. Однако в истории именно Джон Логи Бэрд остался первым.

Расцвет и закат телевизионных систем Бэрда

Проблемы механического телевидения были прежде всего связаны с: 

• малой частотой кадров — чем больше отверстий и выше частота вращения, тем быстрее фотоэлементы должны реагировать на изменение освещенности;

• небольшим размером экрана для отображения — для большего потребовался бы диск слишком большого диаметра;

• искривлением изображения из-за того, что отверстия движутся по круговым траекториям.  

Но на тот момент это никого не пугало. И Джон Логи Бэрд на следующий день после демонстрации своей установки проснулся знаменитым. В 1927 году он основал компанию The Baird Television Development и продолжил совершенствовать механические телевизионные системы. В том же году он передал телевизионную картинку на расстояние 705 км между Лондоном и Глазго по проводам.  

В 1928 году компания Бэрда транслировала сигнал между Лондоном и Нью-Йорком, что стало также первым подобным событием в истории. В том же году было продемонстрировано первое цветное изображение: использовались три спирали отверстий с фильтрами разного цвета, и три источника света на приемнике, которые работали поочередно, управляемые коммутатором. 

К тому моменту в Америке также уже появились системы механического телевидения, благодаря работе инженеров AT&T Герберта Э. Айвса и Фрэнка Грея. В их системе передавались изображения уже на 50 строк. От них старалась не отставать General Electric, презентовавшая свою телевизионную систему в 1928 году. 

В 1929 году работой Бэрда заинтересовалось правительство и компания BBC. После нескольких тестовых трансляций механическое телевидение стало достаточно популярным в Великобритании. За несколько лет устройства Бэрда прошли путь от 30-строчной развертки до 120-строчной, а под в 1935 году появилась даже 240-строчной развертка. 

Тысячи человек устанавливали у себя в домах механические телевизоры, которые подключались к AM-радиоприемнику: полезный сигнал через усилительную схему преобразовывался и управлял световым потоком лампы Мура (газоразрядная лампа, в которой свет создается положительным столбом электрического разряда в среде азота или углекислого газа), которая светила через отверстия в диске Нипкова. Одновременно электродвигатель вращал диск с той же скоростью, что и в телевизионной студии. Пользователь дополнительно мог немного регулировать скорость вращения для синхронизации изображений.

В свою очередь, на студии устанавливалась камера с единственным источником освещения. Этот свет проходил через отверстия в диске Нипкова, отражался от объекта и попадал на фотоэлементы — обычно не меньше четырех. После электрические импульсы от них фильтровались, усиливалисьи поступали на передатчик, работающий также в AM-диапазоне.

Передачи BBC посредством механического телевидения пользовались популярностью. Однако их расцвет оказался недолгим, так как вскоре появился принципиально новый способ передачи изображений.

В 1902 году Борис Розинг проводит первые опыты с изобретением Карла Брауна: вакуумной катодной трубкой, в которой поток электронов управлялся электромагнитным полем. А при попадании на экран, покрытый люминофором, это приводило к свечению. Розинг в 1907 году, будучи преподавателем, запатентовал способ развертки и передачи изображений на расстоянии. В 1911 году к его исследованиям присоединился студент Владимир Зворыкин, который помог передать 4-строчное статичное изображение между двумя лабораториями в университете. 

После Гражданской войны Зворыкин оказался в США, где продолжил работу над электронным принципом формирования изображения. В 1923 году, работая на компанию Westinghouse, он запатентовал первую телевизионную систему.

Поначалу он видел будущее в объединении двух подходов: диск Нипкова позволял бы перевести изображение в последовательность электрических сигналов, а электронно-лучевая трубка — транслировать их на экран достаточно размера. На Зворыкина особенно повлиял опыт Кэндзиро Такаянаги, который реализовал подобную систему 25 декабря 1926 года. 

Но история пошла по другому пути. В 1927 году Фило Фарнсворт презентовал полностью электронную систему на базе диссектора — она могла передавать только силуэты изображений и существенно проигрывала механическому телевидению. 

В 1929 году Зворыкин разрабатывает приемную трубку кинескопа, а в 1931 года патентует передающую трубку — иконоскоп, которая преодолела недостатки диссектора. Но Фарнсворт не собирался сдаваться, и началась настоящая патентная война между ним и Зворыкиным, который к тому моменту работал в RCA. Но об истории появления электронного телевидения мы отдельно расскажем в другом материале.

Примерно с середины 30-х годов будущее механического телевидения уже оказалось под вопросом. Появились системы вещания как в Америке (компании RCA), так и в Великобритании (компании EMI). Система последних в 1934 году получила название Marconi-EMI и в том же году была презентована руководству BBC. Она имела 405 строк и обладала значительными преимуществами в сравнении с механической системой Бэрда в плане четкости изображения (максимум было 240 строк), частоты кадров и размера изображения.

Однако BBC не спешило полностью переходить на электронную систему и продолжала трансляции механического телевидения Бэрда вплоть до 1937 года параллельно с Marconi-EMI. Но когда преимущества последней стали слишком очевидными, BBC официально отказалась от механических телевизионных устройств. 

После этого Бэрд занялся разработкой двухцветной телевизионной системы на базе электронно-лучевой трубки, названной Telechrome. При смешивании двух цветов (голубого и оранжево-красного) получалась необычная цветовая гамма, хорошо имитировавшая цвета кожи и позволяющая даже создавать 3D-эффект. 

В 1944 году Бэрд пытался убедить британские власти в необходимости перехода с 405-строчной черно-белой системы на 1000-строчную и цветную, основанную на его наработках. Но из-за войны планы отложили. 

Джон Логи Бэрд скончался в 1946 году, не успев реализовать задуманное. А система в 405 строк просуществовала в Великобритании до 1964 года, пока ей на смену не пришел стандарт в 625 строк. 

Несмотря на очень короткий период расцвета механических телевизоров — всего несколько лет, именно благодаря устройствам Бэрда тысячи британцев смогли почувствовать, насколько телевидение  — классная штука. Когда можно, например, насладиться концертом, проходящим в сотнях километров от тебя.  

P.S. Мы рассказали только про механическое телевидение Джона Логи Бэрда. Например, еще были системы Льва Термена, а также Scophony, работавшая на базе акустооптической модуляции (в 1938 году телевизор имел 405-строк и размер экрана 60х50 см, что намного превосходило аналоги на базе ЭЛТ в то время). Но о необычных примерах механического телевидения поговорим в следующий раз.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS