100 великих изобретений
Шрифт:
Первым, кто предложил применить электронно-лучевую трубку для телевизионной передачи, был русский физик Борис Розинг. В 1907 году он получил патент на способ электрической передачи изображения на расстояние.
Для построчной развертки изображения Розинг использовал два зеркальных барабана, представлявших собой многогранные призмы с плоскими зеркалами. Каждое зеркало было слегка наклонено к оси призмы, и угол наклона равномерно возрастал от зеркала к зеркалу. При вращении барабанов световые лучи, идущие от разных элементов передаваемого изображения, отражались последовательно зеркальными гранями и поочередно (построчно) попадали на фотоэлемент. Ток с фотоэлемента передавался на пластины конденсатора. В зависимости от величины подаваемого тока между ними проходило большее или меньшее количество электронов, что позволяло изменять яркость освещения соответствующих точек люминесцентного экрана. (Электрическое поле внутри конденсатора при изменении напряжения сигнала отклоняло луч по вертикали, вследствие чего изменялось количество электронов, попадавших на экран через отверстие в диафрагме.) Таким образом, трубка заменяла сразу два узла прежних механических систем развертывающего устройства (например, диск Нипкова) и источник света (например, газосветную лампу). Две взаимно перпендикулярные катушки управляли движением луча таким образом, что он вычерчивал растр (начинал движение с верхнего левого угла экрана и оканчивал в правом углу, затем быстро возвращался на левый край, опускался немного вниз и делал развертку второй строчки). Движение луча и вращение зеркальных барабанов было строго синхронизировано между собой, так что прохождение каждой проецируемой грани мимо фотоэлемента соответствовало прохождению одной строчки проецирующего луча. На прохождение всего экрана луч затрачивал около 0, 1 секунды. Благодаря этому рисунок луча воспринимался глазом как цельное изображение.
После долгих и упорных опытов со своей несовершенной аппаратурой Розинг сумел получить первое изображение — ярко освещенной решетки — на экране своего приемника. Это изображение состояло из четырех полос. Когда закрывали одно из отверстий решетки, соответствующая ему полоса на экране исчезала. Телевизор мог передавать изображение простых геометрических фигур, а также движение руки. Сообщения об изобретении Розинга были напечатаны в технических журналах США, Японии и Германии и оказали большое влияние на дальнейшее развитие телевидения. Хотя Розингу принадлежит слава родоначальника электронного телевидения, его телевизионная система еще не была полностью электронной — съемка и передача изображения производились с помощью механического устройства — зеркальных барабанов. Электронной в его системе была только принимающая трубка, в устройстве которой уже можно видеть многие черты черно-белого телевизора. Следующим шагом должно было стать создание электронно-лучевой передающей трубки, действие которой основано на внешнем фотоэффекте.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем и глубоко изучен в следующем году русским физиком Александром Столетовым. Суть этого явления заключается в том, что под действием света происходит выбивание электронов с поверхности заряженной пластины. Выбитые электроны образуют облако, которое притягивается к положительному электроду, образуя электрический ток в вакууме или разряженном газе. На этом принципе основана работа фотоэлемента, созданного в 1906 году немецким ученым Дембером. Катод и анод здесь помещены в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух. К — катод, покрытый светочувствительным веществом (лучше всего цезием); А — анод, который представляет собой металлическую сетку и не мешает проходить свету на анод; С — источник света; Е — батарея. Свет, падающий на фотокатод фотоэлемента, освобождает из него электроны, которые устремляются к положительно заряженному аноду. Уменьшение или усиление освещения фотокатода соответственно увеличивает или уменьшает ток в его цепи.
В 1911 году английский инженер Ален Суинтон предложил проект телевизионного устройства, в котором электронно-лучевая трубка использовалась не только как приемник, но и в качестве передатчика. В основе передающей трубки Суинтона — трубка Крукса, к катоду которой прикладывалось отрицательное напряжение в 100000 вольт относительно анода. Узкий пучок электронов проходил сквозь отверстие в аноде C и попадал на экран I, описывая на нем с помощью отклоняющих катушек E растр. Экран состоял из миниатюрных, изолированных друг от друга металлических рубидиевых кубиков. С противоположной стороны сквозь сетку L и отсек с парами натрия на экран I проецировалось изображение. Свет от каждой его точки попадал на отдельный рубидиевый кубик экрана, который действовал как независимый фотоэлемент, и выбивал с его поверхности электроны. В соответствии с законами внешнего фотоэффекта этих электронов было тем больше, чем интенсивнее оказывалось действие света. До тех пор пока на кубик не подавалось напряжение, выбитые электроны находились вблизи экрана. Но когда электронный луч, обегавший один за другим все кубики, попадал на какой-то из них, тот получал отрицательный заряд. Тогда электроны, выбитые светом с поверхности кубика, устремлялись к сетке L, которая, следовательно, в каждый момент времени имела на себе заряд, соответствующий какой-то точке экрана. Этот заряд снимался с сетки и передавался затем как видеосигнал на приемную трубку, устройство которой основывалось на тех же принципах, что и у Розинга. Электронный луч принимающей трубки был синхронизирован с лучом передающей трубки, а интенсивность его в каждой точке напрямую зависела от силы посылаемого видеосигнала. Практически действующей телевизионной установки Суинтон не создал, но в его проекте мы видим уже те основные элементы, которые входили потом в конструкцию всех последующих поколений передающих трубок: двустороннюю мозаику из множества отдельных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, коллектор в виде сетки L и отклоняющие катушки E.
Следующий шаг на пути развития телевидения был сделан только в 20-е годы. В 1923 году Владимир Зворыкин (в студенческие годы Зворыкин был одним из учеников Розинга и активно помогал ему при создании первого телевизора; в 1917 году он эмигрировал в США, где и работал до самой смерти) запатентовал полностью электронную систему телевидения с передающей и приемной электронно-лучевыми трубками.
В передающей трубке Зворыкин применил трехслойную двухстороннюю мишень. Трубка состояла из сигнальной пластины 4 — тонкой алюминиевой пленки (прозрачной для электронов), покрытой с одной стороны диэлектриком 3 из окиси алюминия, на который был нанесен светочувствительный слой 2, обладающий внешним фотоэффектом. Рядом с этим слоем была установлена сетка 1. На алюминиевую пленку подавалось положительное (относительно сетки) напряжение. Изображение проецировалось на этот слой сквозь сетку 1. На другой стороне алюминиевой пленки электронный луч 5 из электронного прожектора 6 создавал растр. Сигнал снимался с нагрузки RН в цепи сетки. Мозаика передающей трубки содержала множество отдельных фотоэлементов. Эта трубка тоже не стала работающей моделью, но в 1929 году Зворыкин разработал высоковакуумную приемную электронно-лучевую трубку, названную им кинескопом, которая в дальнейшем использовалась в первых телевизорах. Таким образом, принимающая электронно-лучевая трубка была создана уже в начале 30-х годов.
С передающими трубками дело обстояло сложнее. Все предложенные изобретателями к концу 20-х годов электронные трубки отличались одним существенным недостатком — они имели очень низкую светочувствительность. Видеосигнал, снимаемый с них, был настолько слабым, что не мог обеспечить не только хорошего, но и сколько-нибудь удовлетворительного изображения. Низкую светочувствительность справедливо объясняли неэффективным использованием светового потока. Действительно, предположим, что светочувствительная мозаичная пластина разделена на 10 тысяч ячеек, и электронный луч обегает их все за 0, 1 с. Это значит, что при разряжении передаваемого изображения свет действовал на каждый отдельный фотоэлемент в продолжение всего лишь 1/100000 секунды. Если бы удалось использовать энергию светового потока, бесполезно пропадавшую в течение остальных 99999/100000 секунды, чувствительность телевизионной системы должна была бы значительно возрасти.
Одним из первых попытался разрешить эту проблему уже известный нам американский инженер Чарльз Дженкинс. В 1928 году он предложил устройство для накопления заряда в телевизионной трубке. Суть идеи Дженкинса заключалась в том, что к каждому фотоэлементу светочувствительной панели подключался конденсатор C. Свет падал на фотоэлемент, и образующийся ток заряжал конденсатор в течение всего времени передачи кадра. Затем с помощью коммутатора конденсаторы поочередно разряжались через нагрузку RН, с которой снимался сигнал, то есть в качестве видеосигнала Дженкинс предполагал использовать разрядный ток.
Идея Дженкинса была очень плодотворна, но она нуждалась в дальнейшей доработке. Прежде всего приходилось думать о том, где и как разместить десятки, а то и сотни тысяч маленьких конденсаторов (ведь каждая отдельная ячейка экрана должна была иметь свой конденсатор), затем требовалось создать коммутатор, который бы с нужной быстротой и синхронностью мог производить разрядку всех этих конденсаторов. Никакое механическое устройство не могло справиться с этой задачей. Поэтому роль коммутатора стали поручать тому же электронному лучу. В течение пяти последующих лет в разных странах было предложено несколько вариантов передающих трубок, использующих принцип накопления заряда, однако все эти проекты не были реализованы. Успешно преодолеть многочисленные препятствия посчастливилось Владимиру Зворыкину. В 1933 году на съезде общества радиоинженеров в Чикаго он объявил, что его десятилетние усилия по созданию действующей телевизионной трубки завершились полным успехом.
Эту работу Зворыкин начал в лаборатории фирмы «Вестингауз», а закончил в «Радиокорпорации Америки», где в его распоряжении была прекрасно оборудованная лаборатория и большая группа опытных инженеров. После многих опытов Зворыкин с помощью химика Изига нашел очень простой способ изготовления мозаичной светочувствительной мишени с накопительными конденсаторами. Происходило это следующим образом. Брали слюдяную пластинку размером 10 на 10 см и на одну из ее сторон наносили тонкий слой серебра. После этого пластинку помещали в печь. Тонкий серебряный слой при нагреве обретал способность сворачиваться в гранулы. Таким образом на слюдяной пластинке образовывалось несколько миллионов изолированных друг от друга гранул. Затем на серебряный слой наносили цезий, обладавший, как и селен, повышенной чувствительностью к свету. С противоположной стороны слюдяная пластинка покрывалась сплошным металлическим слоем. Этот слой как бы служил второй пластиной конденсатора по отношению к гранулам серебра со светочувствительным цезиевым слоем. В результате каждый из миллиона миниатюрных фотоэлементов служил в то же время и миниатюрным конденсатором. Этой трубке Зворыкин дал название иконоскоп.
Работа иконоскопа происходила следующим образом. Стеклянный шарообразный баллон снабжался сигарообразным цилиндрическим отростком, в котором помещался электронный прожектор. В шаре находилась мишень, установленная наклонно к оси отростка. Эта мишень, как уже говорилось, состояла из слюдяной пластинки, на одну сторону которой был нанесен металлический сигнальный слой, а на другую — светочувствительная мозаика, состоявшая из множества изолированных друг от друга фотоэлементов (5). Часть поверхности стеклянного шарового баллона трубки была сделана плоской, параллельной мишени. Через нее на мозаику проецировалось изображение, так что ось объектива была перпендикулярна плоскости мишени (это исключало всякие искажения) Рядом с мозаикой перед светочувствительным слоем была поставлена сетка (1), на которую подавался положительный относительно анода (3) заряд (анод был заземлен, а на термокатоде (4) создавался большой отрицательный потенциал). Электронный луч (2) проходил через сетку и создавал на мозаике растр. Сигнал снимался с сигнальной пластины (6) и подавался на сопротивление RН, а потом на усилительную лампу (7). Электронный луч, пробегая по фотомозаике, разряжал последовательно все ее участки. В результате образовывались электрические импульсы (видеосигналы), пропорциональные освещенности участков мозаики. Эти импульсы усиливались и подавались к радиопередатчику. В дальнейшем иконоскоп был значительно усовершенствован. Шар заменили цилиндром с отростком для электронного прожектора. Вместо сетки, которая искажала сигнал, стали применять коллектор (8) в виде металлического кольца. На внутренней поверхности цилиндра собирались фотоэлектроны, излученные мозаикой. Мишень состояла из мозаики фотоэлементов — светочувствительного слоя (2), слюдяной пластины-диэлектрика (3) и металлической пленки в качестве сигнальной пластины (4).