От Артура Корна до Бориса Розинга
К тому времени, когда появился фототелеграф, русский ученый К. Д. Перский подвел итоги проделанной работы по созданию механизма передачи движущего изображения на расстояние и ввел в употребление термин «телевидение»[708].
И хотя изобретение фототелеграфа стало важным шагом на пути создания телевидения, до его реализации было еще далеко. Если возмож-ность преобразования световых колебаний в электрические была доказана, то возможность преобразования электрических колебаний в световые, передача с их помощью изображения и выведения его на экран оставалась гипотезой.
Как уже отмечалось, Д. Кери предложил использовать для этой цели электрические лампы. В одном из его проектов речь шла о 2500 лампах. Именно такое количество разных по яркости точек он предполагал вывести на экран[709]. Между тем первоначально добиться этого не удавалось. Дело в том, что в проектах Д. Кери и А. де Пайвы речь шла о лампах накаливания[710], которые имеют один очень важный недостаток – «инерционность источника света, не поспевающего изменять свою яркость за изменениями сигнала»[711].
Одним из первых, кто понял это, был русский ученый П. И. Бахметьев. Поэтому в 1880 г. он предложил использовать для преобразования электри-ческих сигналов в световые газовые горелки[712].
Но и это предложение не решало проблемы. В связи с этим было обращено внимание на эффект электрической дуги. Электрическая дуга – это «продолжительный электрический разряд между электродами, при котором развивается высокая температура и излучается яркий свет»[713].
Подобное явление открыл русский физик Василий Владимирович Петров (1761–1834)[714]. Результаты своих наблюдений он изложил в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров, посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии» [715].
Используя графитные электроды, французский изобретатель Жан Бернар Леон Фуко (Jean Bernard Leon Foucault) (1819–1868) создал в 1844 г. дуговую лампу[716]. От лампы накаливания она отличается тем, что в ней электрический разряд возникает и исчезает почти мгновенно. Кроме того, меняя напряжение в сети можно изменять яркость свечения электрического разряда.
Однако первые дуговые лампы были очень несовершенны. Все упиралось в три проблемы: а) как избежать того, чтобы под действием высокой температуры не оплавлялись концы электродов, б) как изолировать обнаженные концы электродов, по которым идет ток, в) как сделать осветительный прибор безопасным с пожарной точки зрения. Решение этих трех задач привело к созданию дуговой газоразрядной лампы, которую некоторые называют «лампой Гейслера».
Можно встретить мнение, что первым, кто решил использовать дуговую лампу для передачи изображения на расстояние, был П. Нипков, в проекте которого якобы фигурировала неоновая лампа. Однако неоновая лампа появилась после того, как в 1909 г. американский ученый Ирвинг Ленгмюр предложил для продления срока действия электрических ламп наполнять их инертным газом[717], а в 1910 г. французский инженер Жорж Клод (1870–1960) использовал для этого неон[718]. Что же касается П. Нипкова, то в его патенте фигурирует просто «источник света»[719]
Поэтому пальма первенства в этом вопросе, по всей видимости, принадлежит американскому изобретателю Уильяму Сойеру (1880)[720].
К тому времени газоразрядная лампа Г. Гейслера привлекла к себе особое внимание. Исследователями было замечено: «когда газ становится достаточно разряженным, стеклянные стенки, расположенные на конце, противоположном катоду (отрицательному электроду), начинают флуорес-цировать зеленоватым светом, что, по всей видимости, происходило под воздействием излучения, возникающего на катоде»[721].
Иначе говоря, действие лампы Г. Гейслера сопровождалось эффектом люминесценции. Люминесценция – это свечение тела (или вещества), происходящее под влиянием внешнего излучения, электрического разряда, химического процесса или других факторов[722].
Занимаясь изучением газовых разрядов и используя лампы, изготовленные для него Г. Гейслером[723], боннский математик Ю. Плюккер (1801–1868)[724] в 1858 г. установил, что при электрическом разряде вблизи катода действительно возникает излучение, названное им катодным[725].
Катод – электрод источника электрического тока с отрицательным полюсом, а «катодоиллюминесценция – вид люминесценции, в которой свечение люминофоров происходит под действием падающего на них потока электронов» [726].
Продолжая эти исследования, английский физик Уильям Крукс (1832–1919) обнаружил в 1879 г., что под влиянием катодных лучей некоторые кристаллы, например, алмаз, рубин, тоже начинают люминисцировать, причем разным цветом[727].
Для поиска способов преобразования электрических колебаний в световые сигналы большое значение имело еще одно открытие.
В 1869 г. немецкий физик И. В. Гитторф (1824–1914) установил, что катодные лучи могут отклоняться под влиянием магнитного поля[728].
На основании этих открытий уже известный нам страсбургский профессор Карл Фердинанд Браун (1850–1918) создал в 1897 г. катодную трубку, получившую позднее название электронной. Он вывел на флуоресцирующий экран катодный луч и, изменяя его направленность, сумел прочертить на нем прямую линию[729].
«В 1897 г. Браун, – говорится в одной из его биографий, – изобрел осциллоскоп – прибор, в котором переменное напряжение перемещало пучок электронов внутри вакуумной трубки с катодными лучами. След, оставляемый этим пучком на поверхности трубки, можно было графически преобразовать с помощью вращающегося зеркала, давая тем самым зрительный образ меняющегося напряжения. Трубка Брауна легла в основу телевизионной техники, так как работа кинескопа основана на том же принципе»[730].
В том же 1897 г. английский физик Джозеф Томсон (1856–1940) открыл электрон и доказал, что испускаемые катодом лучи – это электроны[731].
В 1903 г. немецкий физик Артур Венельт (Wehnelt) ввел в трубку отрицательно заряженный цилиндрический электрод, с помощью которого (изменяя силу заряда) оказалось возможным регулировать поток электронов, меняя интенсивность электронного луча, а значит, яркость свечения люминофора и точки на экране[732].
Таким образом, если до 1903 г. катодный луч мог чертить на экране однотонные линии, с этого момента открылась возможность разложения светового пятна на экране на оттенки и таким образом воспроизведения на нем изображения.
«Катодный пучок, – писал русский физик Б. Л. Розинг, – есть именно то, идеальное безынертное перо, которому самой природой уготовано место в аппарате получения в электрическом телескопе. Оно обладает тем ценнейшим свойством, что его можно непосредственно двигать с какой угодно скоростью при помощи… электрического или магнитного поля, могущего при том быть возбужденным со скоростью света с другой стороны, находящейся на каком угодно расстоянии»[733].
«Приемная телевизионная трубка, кинескоп – электронно-лучевая трубка, применяемая в телевизоре для воспроизведения изображения. Поток электронов (электронный луч) падает на переднюю стенку трубки – экран, покрытый люминофором, который светится под ударами электронов. Электронный луч отклоняется магнитным полем отклоняющей катушки, надетой на горловину трубки, и воспроизводит на экране передаваемое телевизионное изображение»[734].
Первым 10 октября 1906 г. идею использования электроннолучевой трубки для передачи изображения на расстояние запатентовали немецкие ученые М. Дикман и Г. Глаге[735]. 25 июля 1907 г. подобную же заявку подал и 13 декабря того же года получил патент Б. Л. Розинг[736].
В том же году русский физик Л. И. Мандельштам создал «генератор пилообразного напряжения», представляющий собой механизм линейного перемещения электронного луча.[737]
9/22 мая 1911 г. Б. Л. Розинг впервые продемонстрировал свое изобретение в действии[738]. Можно встретить мнение, будто бы он передал на расстояние движущееся изображение[739]. На самом деле ему удалось добиться лишь того, что электронный луч прочертил на экране «четыре параллельные светящиеся линии»[740].
Но для того времени и это было огромным событием. Б. Л. Розингу удалось то, что безуспешно пытались осуществить до него на протяжении более сорока лет: не только передать изображение с помощью электричества на расстояние, но и вывести его на экран.
«После изобретения Б. Л. Розингом электроннолучевой трубки, – пишет В. А. Урвалов, – в развитии телевидения наметились два направления: оптико-механическое и электронное»[741].
6.3. Создание электромеханического телевидения
Несмотря на то, что Б. Л. Розинг сумел вывести изображение на экран, ему не удалось передать его в движении. Характеризуя позднее те проблемы, с которыми ему пришлось столкнуться, он особо отмечал две: недостаточную чувствительность фотоэлемента и отсутствие необходимой синхронности действия передающего и приемного устройств[742].
Что касается первой проблемы, то она была связана с тем, что существовавшая механическая развертка предполагала поочередную передачу телевизионных сигналов от «отдельных элементов изображения», в результате чего световой поток от отдельных точек этого изображения поочередно проецировался на фотоэлемент[743]. Иначе говоря, в каждый данный момент на фотоэлемент поступал свет только от одной его точки, поэтому основная масса отражаемой от предметов световой энергии в этом процессе не участвовала[744].
Чтобы представить себе, что это значит, воспользуемся примером, который в свое время приводил Дионис Михали. Если взять изображение размером 5´5 см, т. е. 50´50 мм, это даст примерно 2500 точек. А если исходить из того, что развертка осуществляется со скоростью не менее 10 точек в секунду, мы получим, как минимум, 25 тыс. световых импульсов. Это значит, что при поочередном проецировании отдельных точек изображения в каждый данный момент на фотоэлемент воздействовала 1/25-тысячная доля отражаемой от объекта световой энергии[745].
Возникавшая в селене (при подобном воздействии на него света) ЭДС была настолько мала, что происходившие в фотоэлементе под влиянием световых колебаний изменения силы тока не могли изменять яркость свечения дуговой лампы так, чтобы можно было передать оттенки изображения в динамике[746].
В таких условиях не давал желаемого эффекта и тот прием, который давно использовался в фотографии. Речь идет о специальном освещении фотографируемого объекта.
Далее проблема заключалась в том, что скорость световых импульсов зависела от скорости движения развертывающего устройства, например, скорости вращения диска П. Нипкова, а скорость изменения ЭДС селена – от скорости протекающих в нем физико-химических процессов.
К середине 20-х годов было опубликовано более 200 исследований, посвященных изучению селена[747]. Их итоги подвел Chr. Reis, издавший в 1918 г. капитальную обощающую работу «Селен»[748]. В результате было установлено, что хотя селен и способен изменять под влиянием света проводимость электрического тока более чем в 20 раз[749], скорость этих изменений не поспевала за скоростью развертки. В связи с этим началось изучение фотоэлектрических свойств других веществ.
Казалось бы, если возникающие в селене под влиянием света изменения ЭДС слишком малы, чтобы заметно отразиться на изменении яркости электрической лампочки, необходимо усилить изменение яркости свечения лампочки другим путем. Такую возможность открыло изобре-тение радиолампы[750].
Другой проблемой, которая стояла на пути создания телевидения и которую долгое время не удавалось решить, была проблема достижения синхронности и синхфазности работы передающего и приемного устройств[751].
Создавая свой проект, П. Нипков предложил использовать для синхронизации процесса передачи и приема изображения тот метод, который к середине 80-х годов XIX в. существовал в телеграфии («der Methode von P. la Cour und Delany»)[752]. Так в проектах телевизионного аппарата появилось «колесо Лакура»[753].
Все это вместе взятое открыло возможность для практической реализации идеи электромеханического телевидения.
В вопросе о том, кто сумел передать на расстояние движущееся изображение первым, нет единства. Одни авторы называют шотландца Джона Бэйрда (Baird) (1888–1946)[754], другие американца Чарльз Дженкинса (Charles Jenkins) (1867–1934)[755], третьи пишут, что они сделали это «почти одновременно» в 1925 г.[756]
В 1925 г. в Германии сумел передать движущееся изображение Дионис Михали[757]. В самом общем виде его телевизионный проект был создан к 1918 г. В 1922 г. автор подготовил его популярное изложение и в 1923 г. опубликовал[758]. Но реализовать свой замысел практически ему удалось только через два года.
В СССР первая передача движущегося изображения на расстояние была продемонстрирована студентом Ленинградского электротехнического института Л.С. Терменом (1896–1993) в 1926 г.[759].
Характеризуя качество первых телевизионных передач, один из историков связи С.В. Новаковский пишет: «В телевизоре передаваемое изображение имело размер спичечной коробки, на красном фоне (неоновая лампа) передвигались черные фигуры»[760].
Поэтому если первоначально публика встретила появление телевидения с восторгом, то «когда перестал действовать фактор новизны, раздались возгласы разочарования маленьким, тусклым и нечетким изображением, а слово «телевидение» стали произносить без первой буквы «елевидение»[761].
Одна из причин невысокого качества передаваемого изображения заключалась в том, что первоначально оно развертывалось только на 30 строк. Для сравнения – сейчас развертка составляет более 600 строк. Между тем если бы на диске Нипкова размещалось 600 отверстий с диаметром в 0,1 мм, он должен был бы иметь в диаметре 28 м и при вращении с необходимой скоростью разлетелся под действием центробежных сил.
Существует мнение, что первая удачная передача движущегося изображения на расстояние была произведена в апреле 1927 года, когда компания Bell Telephone осуществила трансляцию выступления президента США Герберта Гувера из Вашингтона в Нью-Йорк[762]. В 1928 г. Д. Бэйрд осуществил первую трансатлантическую телевизионную передачу из Лондона в Нью-Йорк[763].
Предпринимавшиеся в дальнейшем попытки увеличить экран и повысить качество изображения вели к тому, что телевизор становился более дорогим и громоздким. Так, если в телевизионном аппарате Л. Бэйрда 20-х годов было 2100 ламп, то выпущенный в 30-е годы немецкий телевизор А. Каролуса насчитывал 10 тыс. ламп, а аппарат телевизор германской фирмы «Фернзее» – 123 тыс.[764].
Одно это свидетельствует, что развитие электромеханического телевидения имело тупиковый характер.
6.3. От электромеханического телевидения к электронному
Автором первого, правда, неосуществленного, проекта полностью электронной телевизионной системы был английский инженер Алан Арчибальд Кэмпбелл-Суинтон (Swinton). В 1908–1912 гг. он предложил использовать электронно-лучевую трубку и в качестве приемника, и в качестве передатчика[765].
В 1923 г. подобную систему телевидения запатентовал бывший ученик Б. Розинга В. К. Зворыкин, оказавшийся после революции в США. Однако на основании анализа ее технических данных П. К. Горохов показал, что предложенный В. К. Зворыкиным проект не мог быть практически реализован, точно так же, как невозможно было реализовать и его проект, запатентованный в 1925 г.[766]
По всей видимости, подобным же образом обстояло дело и с другими проектами электронного телевидения, появившимися в 20-е гг.[767].
Эти проекты остались на бумаге, так как они не решали одну из важнейших проблем – создание эффективной передающей трубки.
Поиски путей устранения недостатков селенового фотоэлемента привели к мысли о необходимости перейти «от принципа мгновенного действия», который использовался во всех телевизионных проектах до этого, «к принципу накопления энергии» на фотоэлементе и тем самым повышению его чувствительности [768].
Существует мнение, что впервые идею накопления энергии в 1928 г. выдвинул Ч. Дженкинс, который для повышения светочувствительности телевизионной аппаратуры решил, во-первых, раздробить фотоэлемент на множество мелких фотоэлементиков, а во-вторых, присоединить каждый из них к коммутатору через конденсатор[769].
Смысл этого вполне понятен. Если при поочередном проецировании света от отдельных точек изображения на фотоэлемент в этом участвовала совершенно ничтожная часть световой энергии, то увеличение количества фотоэлементов означало увеличение объема световой энергии, вовлекаемой в процесс передачи изображения на расстояние.
Что же касается конденсаторов, то их предназначение заключалось в том, чтобы усилить возникающие в фотоэлементе электрические сигналы. Предполагалось, что под воздействием света на фотоэлемент конденсатор будет заряжаться, а затем, когда возникающие в фотоэлементе электрические колебания начнут переходить на коммутатор, то конденсатор, разряжаясь, будет увеличивать силу электрического сигнала.
Это действительно способствовало повышению эффективности электромеханического телевидения, но Ч. Дженкинс не был оригинален. Имеются сведения, что английский инженер Г. Рауд выдвинул идею подобного накопления энергии, на 2 года раньше Ч. Дженкинса[770], а советский инженер М. А. Бонч-Бруевич уже в 1921 г. сконструировал «радиотелескоп», который имел 200 фотоэлементов и к каждому из них был подключен конденсатор[771].
Идея мозаичного фотоэлемента и принцип накопления зарядов не только открыли возможность существенного повышения чувствительности передающего устройства[772], но и натолкнул сторонников электронного телевидения на мысль, реализация которой привела к созданию «иконоскопа».
Иконоскоп – это «передающая электронно-лучевая трубка, в которой фотокатод разбит на большое число мельчайших фотоэлементиков (мозаичный фотокатод). Электрические заряды за счет фотоэлектрической эмиссии накапливаются на фотоэлементике непрерывно, а снимаются только при касании его электронным лучом»[773].
В связи с этим произошло принципиальное изменение развертки изображения. Если раньше его разными способами пытались разбить на множество световых сигналов, каждый из которых поочередно воздей-ствовал на фотоэлемент и в таком порядке передавался на приемное устройство, теперь весь поток света направлялся на мозаичный фотокатод и уже отдельные его конденсаторы сами заряжались в зависимости от яркости или же интенсивности падающих на него лучей света.
В результате изображение передаваемого объекта, распадаясь на отдельные точки, преобразовывалось в совокупность электрических зарядов разной силы, накапливающихся на отдельных конденсаторах. Поэтому когда электронный луч строка за строкой скользил по мозаичному фотокатоду, то, заставляя конденсаторы поочередно разряжаться, он снимал с них и направлял в сеть разнородные электрические сигналы. На приемном устройстве эти сигналы соответствующим образом воздей-ствовали на электронную лампу и заставляли ее с разной интенсивностью бомбардировать электронами покрытый люминофором экран, вызывая соответствующее свечение отдельных его точек.
Одна из первых попыток создания передающей электронной трубки с накоплением энергии была сделана венгерским инженером К. Тиханьи, за ним последовал канадский инженер Ф. Анрото. В 1930 г. появился проект советского инженера А. П. Константинова[774]. В сентябре 1931 г. ее усовершенствовал другой советский ученый С. И. Китаев, в ноябре того же года – В. К. Зворыкин[775].
В 1932–1933 гг. В. К. Зворыкин изготовил первый иконоскоп и 26 июня 1933 г. доложил о нем на съезде американских радиоинженеров[776].
И хотя в том же году советские ученые П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев запатентовали более совершенный иконоскоп, а в 1934 г. его изготовили Б. В. Круссер и Н. М. Романов[777], поворотную роль в переходе от электромеханического телевидения к электронному сыграло изобретение В. К. Зворыкина, а той страной, которая первой начала переходить к электронному телевидению, стали США.
В США и Великобритании регулярное вещание с использованием электронного телевидения началась в 1936 г.[778], в СССР[779] и во Франции[780] – в 1938 г., в Канаде – в 1952 г.[781], в Японии – в 1953 г.[782]
Накануне Первой мировой войны телевизор был редкостью. К 1995 г. в мире на полтора миллиарда семей приходилось уже около миллиарда телевизоров[783]. Следовательно, к этому времени телевизор стал таким же обычным явлением, как радио и телефон.