К каким только ухищрениям не прибегали первые любители телевидения, чтобы выжать из своих приемников то, чего в них фактически не было!
Перед небольшим квадратиком экрана ставились увеличительные линзы; от этого изображение казалось больше, но зато оно становилось бледнее, и на нем явственнее проступали отдельные точки— элементы .
После первого периода увлечения и радиозрителей и специалистов перестало удовлетворять все же весьма низкое качество изображения, получающееся при разбивке его на 1200 элементов (30 строк).
Помочь делу могло только одно — увеличение числа элементов.
Каким же путем можно было этого добиться, применяя методы и аппаратуру, известные нам из предыдущих глав?
Чтобы увеличить число строк, нужно было на диске Нипкова прибавить отверстий. Но чтобы при этом не увеличивать размеров диска, сами отверстия надо было уменьшать, отчего сокращалось количество проходящего на фотоэлемент через каждое такое отверстие света. А его и без того не хватало. Следовательно, идти по этому пути очень далеко было невозможно. Чтобы как-то возместить потери света, вызванные уменьшением размера отверстий в передающем диске, приходилось сильно увеличивать освещение в студиях, откуда велись передачи телевидения. Исполнители не выдерживали чрезмерно освещения и жары и зачастую не хотели принимать участие в передачах.
Можно было бы поступить наоборот: размер отверстий в диске оставить без изменений, а увеличить размеры самого диска. Но и это имело свои пределы. Уже при 120 строках развертки диаметр диска достигал 1,5 метра. Вращаясь со скоростью 1500 оборотов в минуту, он представлял собой довольно сложное, капризное и опасное сооружение. Создавался очередной заколдованный круг, в который столь часто попадало телевидение на всем пути своего развития.
Кроме этого, передача большого числа элементов требовала полосы частот, отводимой нескольким радиовещательным станциям. Создать аппаратуру, передающую или принимающую сколько-нибудь широкую полосу частот, техника того времени еще не могла.
Тем временем проводимые в лабораториях опыты с разверткой изображения на 60, 120, а затем и на 180 строк показали, что и в этом случае качество изображения получается весьма неудовлетворительным и все еще далеко уступает самой посредственной кинопроекции даже с узкой пленки.
Ученым и специалистам стало ясно, что высококачественное телевидение, требующее для своего существования еще большего числа элементов, явно не может быть получено при старых и сложных системах механической развертки. Нужно было найти совершенно новые способы. Как это часто бывало и раньше, решение задачи, и притом совершенно необычным путем, было снова найдено русским ученым.
До этого, еще в тысяча девятьсот седьмом году, профессор Петербургского технологического института Б. Л. Розинг после многолетних исследований предложил абсолютно передовой метод приема изображений на расстоянии при помощи катодной, или электронно-лучевой, трубки , сконструированной в тысяча восемьсот девяносто седьмом году немецким физиком К. Ф. Брауном. Трубка, которой пользовался профессор Б. Л. Розинг, в то время была весьма несовершенной, поэтому мы опишем эту трубку в том виде, в каком она применяется в настоящее время, тем более что основы ее работы остались одни и те же.
Она представляет электронный прибор, сходный по своему устройству с обычной усилительной радиолампой, но только помещенный в большую стеклянную колбу, сильно напоминающую графин. Из этой колбы воздух откачан до высокой степени разрежения. В горлышке трубки собран весь ее механизм, состоящий из электронной «пушки» и нескольких управляющих электродов.
Конечно, никакой пушки в трубке нет. Так называют часть устройства трубки, содержащую нить накала (катод), нагревающую до высокой температуры фарфоровый цилиндрик, покрытый слоем вещества, которое под действием тепла хорошо излучает электроны.
Пушкой ее назвали только потому, что электроны вылетают из катода с большой скоростью и сравнительно узким пучком, а не рассеиваются по сторонам.
На некотором расстоянии от нити расположен электрод, называемый вторым или ускоряющим анодом, к которому подводится высокое положительное электрическое напряжение — порядка нескольких тысяч вольт. Попадая в сильное электрическое поле положительного заряда этого анода, излученные нитью накала электроны устремляются к нему, разгоняясь до очень больших скоростей. Но так как анод имеет форму полой трубки, то электроны пролетают сквозь анод дальше и ударяются о поверхность светящегося экрана, нанесенного на внутреннюю стенку дна колбы.
Экраном служит тонкий слой особого вещества — вил-лемита, светящегося под действием ударяющихся об него электронов. Яркость этого свечения зависит от количества электронов в пучке, то-есть от силы тока луча. Как только действие электронов на вещество экрана прекращается, почти мгновенно прекращается и его свечение. Свечение виллемита происходит во всей глубине слоя, поэтому появляющиеся на экране трубки световые вспышки наблюдаются снаружи, то-есть со стороны дна колбы.
На пути электронного пучка, между катодом и ускоряющим анодом, стоит второй фокусирующий электрод, тоже имеющий форму трубки. К этому электроду подведено положительное напряжение, в пять-шесть раз меньшее, чем приложенное ко второму аноду. Пролетающие через этот электрод с большой скоростью электроны под действием этого дополнительного напряжения сжимаются в очень тоненький луч. При ударе об экран такой луч возбуждает на нем уже не большое и расплывчатое светлое пятно, а маленькую, но яркую точку.
Сжать пучок электронов в тонкий луч можно и при помощи магнитного кольца, надеваемого снаружи на горлышко трубки. Создаваемое им магнитное поле действует на пучок электронов внутри трубки так же, как стеклянная линза на луч света, то-есть собирает их в одну точку на экране.
Таким образом, в катодной трубке мы имеем экран, на котором можно получать световые знаки, и «карандаш» — тонкий электронный луч, при помощи которого эти знаки можно писать на экране. Остается только найти способ управления этим необычным карандашом, чтобы получить на экране трубки любой рисунок.
Выше мы уже говорили, что электроны очень чувствительны к влиянию на них электрических зарядов. Если вблизи электронного луча поместить пластинку, заряженную положительным электричеством, то луч очень легко изогнется в сторону этой пластинки и отклонится в сторону от нее, если пластинка заряжена отрицательным электричеством.
Будучи электрическим зарядом, движущийся электрон в то же самое время представляет собой и небольшой электрический ток. А если это так, то на него должно действовать и магнитное поле. Магнитное поле отклоняет электрический ток, то-есть каждый движущийся электрон, от своего пути в сторону, перпендикулярную как к полю, так и к направлению, в котором движется электрон .
И тот и другой способ управления лучом с успехом применяется в современных катодных трубках.
Теперь осталось найти способ развертки изображения.
Для этого надо заставить электронный луч двигаться по экрану в каком-то строго определенном порядке — например, так, как мы пишем: слева направо и сверху вниз, строка под строкой, страница после страницы.
С этой целью на пути электронного пучка, после того как он уже приобрел под влиянием ускоряющего анода большую скорость, а фокусирующий анод сжал его в тоненький луч, ставятся еще две пары управляющих электродов в виде пластинок, образующих как бы коридор: одна пара — по бокам, а другая — сверху и снизу от луча. Пара электродов, образующая боковые стенки коридора, управляет горизонтальным движением луча; вторая пара — пол и потолок коридора — управляет вертикальным сто движением .
Каждая пара пластин соединяется с отдельным прибором — генератором, вырабатывающим колебания электрического напряжения специальной, пилообразной, формы .
Напряжение, получаемое от этих генераторов, не остается все время постоянным, а изменяется особым образом. Сначала оно медленно нарастает — например, от 0 до 100 вольт или до какой-нибудь другой величины; затем почти мгновенно спадает обратно до нуля; потом снова медленно нарастает и резко обрывается. Так повторяется все время.
Теперь посмотрим, что произойдет с электронным лучом, когда он проходит в коридоре между двумя боковыми пластинками, соединенными с генератором пилообразных колебаний.
В тот момент, когда напряжение на обеих пластинках вовсе отсутствует, то-есть равно нулю, электронный луч, никуда не отклоняясь, проходит прямо к центру экрана. Но как только на одной из пластинок появляется и начинает увеличиваться положительное напряжение, электронный луч тотчас же начинает отклоняться в сторону этой пластинки, отчего светящаяся точка на экране тоже начинает перемещаться от центра к краю экрана. Чем выше напряжение на отклоняющей пластинке, тем дальше в сторону отойдет электронный луч, а с ним — и светящаяся точка на экране. Обычно это напряжение выбирается такой величины, чтобы светящаяся точка доходила только до края экрана. Как только напряжение генератора, достигнув максимума, мгновенно спадет до исходного напряжения, электронный луч также скачком возвратится на середину экрана. Затем в том же самом порядке все повторяется снова и снова. Поменяв напряжение на пластинках, можно заставить луч двигаться и в другую сторону экрана.
Практически устройство управления лучом действует немного сложнее. Схема генератора пилообразных колебаний устроена так, что когда на одной из пластин трубки растет положительное напряжение, притягивающее электронный луч к себе, в то же самое время противоположная пластина заряжается отрицательно и отталкивает этот луч от себя. Под действием зарядов обеих пластин электронный луч управляется значительно лучше, чем только одной из них, и требуемое для этого напряжение может быть уменьшено.
Чтобы использовать не половину, а всю поверхность Экрана, напряжение генератора начинает нарастать не от пуля, а от некоторой отрицательной величины, благодаря чему свое исходное движение электронный луч начинает не с середины экрана, а с одного, например левого, края, для чего луч предварительно смещают в сторону. Требуемое для этого постоянное отрицательное напряжение называется смещающим напряжением.
Если колебания генератора будут достаточно частыми, например не меньше 12—16 раз в секунду, то, глядя на экран трубки, мы увидим на нем сплошную горизонтальную светящуюся линию. Во время своего медленного движения слева направо светящаяся линия на экране трубки получается контрастной и четкой.
Во время обратного, быстрого хода луча виллемит достаточно возбудиться не успевает, и луч дает бледную и мало различимую линию .
Точно такая же картина наблюдается, когда на электронный луч действует пара вертикальных пластин — верхняя и нижняя. Луч, а с ним и светящаяся точка на экране сначала медленно движутся сверху вниз, а затем скачком возвращаются вверх. При достаточно частом повторении на экране получается яркая вертикальная светящаяся линия .
Ну, а что произойдет, если одновременно будут включены оба генератора, вырабатывающие колебания с одинаковой частотой, и на электронный луч начнут действовать сразу обе пары отклоняющих пластин? На экране трубки получится наклонная светящаяся линия, равнодействующая двух перпендикулярных друг к другу линий .
Если подобрать частоту колебаний обоих генераторов так, что частота горизонтальной развертки будет высокой, а частота вертикальной — низкой, то под влиянием пластин горизонтальной развертки электронный луч будет непрерывно чертить на экране горизонтальные линии, а под влиянием пластин вертикальной развертки эти линии будут ложиться не одна на другую, а медленно перемещаться сверху вниз и ложиться одна под другой .
Если принимаемое на трубку изображение развертывается так, как в советской системе телевидения — на шестьсот двадцать пять строк, и повторяется двадцать пять раз в секунду, то электронный луч за одну двадцать пятую долю секунды должен успеть прочертить поперек экрана шестьсот двадцать пять горизонтальных линий и только один раз совершить полное движение сверху вниз.
Следовательно, генератор горизонтальной развертки должен давать в секунду шестьсот двадцать пять X двадцать пять — пятнадцать тысяч шестьсот двадцать пять пилообразных колебаний, или зубчиков, а генератор вертикальной развертки — только двадцать пять. Практически, для улучшения четкости, передаваемое изображение развертывается два раза: сначала за одну пятидесятую долю секунды развертываются 312 четных строк — 2, 4, 6 и т. д., а затем за другую пятидесятую долю секунды все 313 нечетных строк— 1, 3, 5 и т. д.
Так как человеческий глаз воспринимает движение, повторяющееся больше 10—12 раз в секунду, уже как непрерывное, то, включив трубку и оба генератора разверток одновременно, мы увидим на экране яркий сплошной светящийся прямоугольник. Только внимательно присмотревшись, можно разобрать, что он состоит из большого числа тонких, слегка наклонных и как бы непрерывно бегущих вдоль экрана светящихся ниточек.
Таким образом, в катодной трубке развертка принимаемого изображения на основные элементы осуществляется весьма простым путем. В ней нет ни единой движущейся механической детали, ни одного переключателя. Все управление движением тоненького электронного луча производится только электрически. Следовательно, отпадают почти все ограничения, о которых мы писали выше и которые создавались старыми механическими системами развертки.
Точно так же можно управлять движением электронного луча, если вместо двух пар пластин внутри трубки поместить две пары электромагнитов снаружи горлышка трубки .
Создаваемые этими электромагнитами поля тоже отклоняют электронный луч в сторону, только в несколько ином порядке, чем пластинки; горизонтально расположенные электромагниты управляют вертикальным перемещением луча, а вертикально расположенные — горизонтальным.
Степень отклонения луча в сторону зависит от силы магнитного поля, создаваемого каждой парой электромагнитов, а это поле, в свою очередь, зависит от силы тока, протекающего по обмоткам электромагнитов.
В этом случае у генераторов разверток пилообразно изменяется не вырабатываемое ими напряжение, а сила тока.
Пока что мы узнали только, как электронный луч производит развертку, или разбивку, изображения на его элементы. Однако никакого изображения, кроме светящегося прямоугольника, на экране трубки у нас еще не получается, хотя уже осуществлена очень важная часть работы. Необходимо теперь, чтобы приходящие от передатчика сигналы могли оживить поверхность экрана и создать на нем изображение, как известно состоящее из темных и светлых участков и большого числа промежуточных состояний — от самого темного до самого яркою, то-есть на электронный луч надо воздействовать еще каким-то способом.
Для этого почти вплотную к нити накала помещается еще один электрод, называемый, по аналогии с обычными радиолампами, сеткой, хотя он тоже имеет форму не сетки, а трубочки, через которую свободно проходит электронный луч. К этому электроду и подводятся принятые от передатчика сигналы телевидения.
Так же как и в обычной усилительной радиолампе, влияние на поток электронов небольшого напряжения, приложенного к сетке, во много раз сильнее действия значительно большего напряжения, приложенного к более удаленному аноду.
Благодаря тому что сетка расположена очень близко к источнику электронов, приложенное к ней незначительное отрицательное напряжение может резко затормозить пролетающие сквозь нее электроны и даже возвратить часть их обратно к нити накала, а значит, уменьшить силу тока луча. К тому же в этом месте электроны, только что покинувшие нить накала, еще не успели под влиянием анодного напряжения приобрести достаточную скорость, чтобы преодолеть противодействие небольшого отрицательного напряжения близко стоящей сетки и проскочить сквозь нее к аноду и экрану. В этом случае поток электронов, достигших экрана, будет слабым, а вызываемое им на экране светящееся пятно — бледным.
Наоборот, если отрицательное напряжение на сетке уменьшится до нуля или станет положительным, то число электронов в луче резко увеличится, так как сетка теперь будет уже не противодействовать, а помогать пролету к экрану всех излучаемых нитью накала электронов.
Ударяясь об экран, такой более плотный луч создаст и более яркую светящуюся точку. А поскольку принимаемый сигнал состоит из отдельных импульсов напряжения самой различной величины и формы, то и электронный луч будет иметь переменную плотность, отчего свечение экрана в разных его точках будет неодинаковым. Вот теперь на нем и должно появиться передаваемое изображение, но опять-таки при одном важном условии: если движение развертывающего устройства передатчика будет с большой точностью согласовываться с движением луча в катодной трубке; иначе все точки принятого изображения окажутся не на своих местах, и оно будет искажено до неузнаваемости.
В старых, механических системах оба диска — и передатчика и приемника — еще можно было бы посадить на одну и ту же ось. Здесь электронный луч ни на какую ось не посадишь.
Чтобы добиться этого, генераторы разверток как у передатчика, так и у приемника, во-первых, делают стабильными: частота их колебаний поддерживается строго постоянной. Обычно в качестве основы берется частота переменного тока (равная 50 герц) электрической сети того города, где расположены передатчик и приемник. Во-вторых, вместе с сигналами изображения передатчик посылает особые сигналы согласования (синхронизации). Под действием этих сигналов электронный луч приемника не может начать развертку каждой строки и каждого кадра ни раньше, ни позже, чем это делается на передатчике.
Если, проходя по строке, он забежит немного вперед, то сигнал управления заставит его ждать, прежде чем позволит начать развертывать новую строку. Если же он отстанет, то сигнал его немного подгонит, с тем чтобы опять-таки новая строка началась и на передатчике и на приемнике одновременно.
В 1911 году Б. Л. Розингу удалось построить лабораторную модель, на которой он впервые в мире получил изображение, нарисованное электронным лучом на экране катодной трубки. Передача производилась на весьма коротком расстоянии — в одной и той же комнате.
В передатчике Б. Л. Розинг в то время был вынужден еще применять механическую развертку изображения при помощи двух зеркальных барабанов, действующих точно так же, как и развертка диском Нипкова.С тех пор электронно-лучевая трубка быстро завоевала свое место в телевидении и сейчас является «сердцем» любого телевизора, причем возможности, которые она дает для приема изображения, далеко еще не исчерпаны, а, скорее всего, их использование еще только начато. Изобретение Б. Л. Розинга не было счастливой случайностью. Работая в течение многих лет над проблемой передачи изображений на расстояние, он намного раньше своих современников и ученых других стран пришел к твердому убеждению в том, что добиться передачи высококачественного изображения с помощью любых механических систем невозможно и что единственно правильный путь всего дальнейшего развития телевидения — это путь применения только электрических систем и электронных приборов. Надо только как следует поработать с ними и усовершенствовать их в требуемом направлении.
Насколько далеко опередил этот талантливый и прозорливый ученый европейскую науку, показывает следующий факт. Одиннадцать лет спустя — в тысяча девятьсот двадцать втором году, когда в ряде стран уже стало широко развиваться радиовещание, известный немецкий ученый Д. Михали в своей книге «Видение на расстоянии» все еще утверждал, что «применение катодной трубки для целей телевидения практически неосуществимо».
Не побоявшись столь категорического утверждения видного авторитета, Б. Л. Розинг уже через год, в 1923 году, нашел и подсказал способ электронной развертки изображения и в передающем устройстве, тем самым положив основание всем современным, полностью электронным системам телевидения.
Самая маленькая и самая легкая частица вещества — электрон начал победоносно прокладывать дорогу в будущее телевидения.
Для этого надо заставить электронный луч двигаться по экрану в каком-то строго определенном порядке — например, так, как мы пишем: слева направо и сверху вниз, строка под строкой, страница после страницы.
