Телевидение занимает заслуженное место среди величайших изобретений и открытий, сделанных в XX в. Фактически телевидение представляет собой систему преобразования движущегося изображения и сопутствующего звука в электрические сигналы, передачу их на расстояние с помощью электромагнитных колебаний (или по специальному кабелю) на приемник, воспроизводящий изображение на экране.

В связи с тем, что информация о самом объекте и его движении имеет очень большой объем, нет возможности передать ее одновременно. Поэтому для формирования телевизионного сигнала необходима очень сложная аппаратура, способная с огромной скоростью разложить изображение на строки, а каждую строку на отдельные точки (а их несколько тысяч) и преобразовать их (в зависимости от освещенности) в электрические сигналы, причем делать это со скоростью 25 кадров в секунду. Приемная аппаратура, а это хорошо известный всем телевизор, имеет не менее сложную конструкцию, так как должен принять переданный сигнал, проанализировать его и восстановить изображение настолько быстро, чтобы глаз не заметил последовательности смены кадров.

Идеи де Пайва

Первое весьма оригинальное и в тоже время технически грамотное для своего времени решение проблемы передачи изображения на расстояние предложил португальский профессор физики Адриано де Пайва (1847-1907). В 1878 г. он выдвинул идею создания аппарата, представляющего собой камеру-обскуру, на задней стенке которой была установлена большая селеновая пластина. Различные участки этой пластины должны были по-разному изменять свое сопротивление в зависимости от освещения. Сформированный электрический сигнал передавался по проводам на приемную сторону, где электрическая лампочка, перемещавшаяся за матовым стеклом, горела то ярко, то тускло и создавала изображение объекта.

Механическая развертка изображения

Осуществить на практике идею де Пайва удалось немецкому изобретателю Паулю Нипкову (1860—1940). В1884 г. он разработал, как было сказано в заявке на патент, «электрический телескоп», предназначенный для «воспроизведения светящихся объектов». В аппарате Нипкова впервые был применен принцип механической развертки изображения, который в дальнейшем лег в основу почти всех механических телевизионных систем. Этот принцип предусматривал разложение изображения на отдельные фрагменты (точки, или как бы сейчас сказали — пиксели) с помощью вращающегося диск с отверстиями, расположенными по спирали и сходящимися к центру. При вращении диска каждое отверстие описывало траекторию по изображению и поток света, проходящий через отверстие, изменялся пропорционально яркости соответствующего участка изображения. Изменение яркости регистрировалось фотоэлементом, который преобразовывал ее в электрический сигнал. На приемной стороне эти сигналы поступали на электрическую лампочку. Между зрителем и лампой помещался такой же вращающийся перфорированный диск. В результате, в каждый момент времени зритель мог наблюдать светящиеся строки, яркость элементов которых соответствовала яркости таких же элементов изображения.

Электронная система воспроизведения изображения

Очередным толчком для развития телевидения послужило изобретение в 1897 г. немецким физиком Карлом Фердинандом Брауном (1850—1918) электронно-лучевой трубки. В этой конструкции с помощью напряжения, подаваемого на металлические пластины, можно было отклонять электронный луч, а следовательно, «заставить» его рисовать на экране изображение.

Работу немецкого ученого продолжил профессор санкт-петербургского Технологического института Борис Львович Розинг (1869—1933). В 1907 г. он изобрел первую электронную систему воспроизведения телевизионного изображения с помощью электронно-лучевой трубки. А уже в 1911 г. Розинг впервые продемонстрировал передачу и прием телевизионных изображений простейших геометрических фигур, а также движения руки. Следует отметить, что передающая часть этой телевизионной системы была по-прежнему электромеханической, зато приемная — полностью электронной.

Иконоскоп — камера с электронным сканированием

Полностью отказаться от электромеханических устройств в передающей части впервые удалось русскому изобретателю, работающему в США, Владимиру Кузьмичу Зворыкину (1889—1982). В 1923 г. он запатентовал свое изобретение, получившее название «иконоскоп». Это устройство стало первой телевизионной камерой с электронным сканированием.

В процессе работы иконоскоп фокусировал изображение на слюдяную пластину, покрытую мозаикой мельчайших серебряно-цезиевых капелек. При попадании света эти капельки приобретали положительный заряд, величина которого была пропорциональна освещенности. Затем электронный луч по очереди «считывал» заряд каждой капельки и в виде электрического тока передавал по проводам приемнику. Если электромеханическая система телевидения была способна разложить изображение только на 30 строк, то уже в 1933 г. система Зворыкина раскладывала картинку на 240 строк, в 1934 г. — на 343 строки.

Улучшение качества изображения

Параллельно с усовершенствованием системы формирования телевизионного сигнала, продолжалась работа над получением более качественного изображения на приемной части. Ее главной деталью являлась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ, или, как ее называют, кинескоп или экран). В ЭЛТ вырабатывается пучок электронов, интенсивность которого изменяется в соответствии с входным сигналом, содержащим информацию об изображении. Пучок движется по экрану, покрытому люминофором, заставляя его светиться с различной яркостью, в результате чего на экране возникает изображение.

С каждым новым поколением телевизоров увеличивался размер экрана, и при этом уменьшалась их глубина — расстояние от экрана до задней стенки. В конце XX в. специалисты японской компании «Сони» изготовили кинескоп «Блэк тринитрон» с абсолютно черным экраном, что позволило значительно увеличить контрастность изображения и уменьшить блики на поверхности от внешних источников света. А в лабораториях компаний «Панасоник» и «Филипс» создали кинескопы со сверхплоским экраном.

Цветное изображение состоит из сотни тысяч светящихся зерен

Многие специалисты вполне заслуженно считают «родителем» цветного телевидения английского изобретателя Джона Лоджи Байрда (1888—1946). Начиная с 1925 г. он усиленно занимался усовершенствованием телевизионных систем и провел множество публичных демонстраций своих изобретений. Это именно его оборудование использовалось для организации первого телевизионного вещания в Англии. После того как черно-белая электромеханическая система телевидения уступила место электронной, Байрд в 1938 г. создал электромеханическую цветную телевизионную систему, а в 1944 г. изобрел трубку «Телехром» — предвестницу современного электронного цветного телевидения.

Однако полноценное цветное телевещание стало возможным только в 1953 г., когда в США разработали первую электронную систему цветного телевидения, совместимую с существовавшими черно-белыми телевизионными приемниками — NSTC. Вслед за этим свою цветовую систему PAL ввели большинство европейских стран, а Франция и СССР приняли систему SECAM.

На экране современного цветного телевизора, построенного на основе ЭЛТ, изображение формируется из сотен тысяч светящихся люминофорных зерен, которые располагаются в виде чередующихся вертикальных полос зеленого, синего и красного цветов. Они светятся под воздействием электронных лучей, которыми «обстреливают» экран три электронные пушки, отвечающие каждая за свой цвет.

Принципы действия телевизионной камеры

Устройство, предназначенное для преобразования движущегося изображения объекта в последовательность электрических сигналов, получило название «телевизионная камера». Телевизионная камера действует по тому же принципу, что и иконоскоп, но она более чувствительна к свету и позволяет получить более качественное изображение. Кроме того, современная телевизионная камера формирует одновременно два электрических сигнала, один из которых несет информацию о яркости точки, а второй—о ее цвете. Для этого она раскладывает свет, поступающий от объекта через объектив на красный, зеленый и синий компоненты.

Каждое из трех цветных изображений фокусируется на экране соответствующего иконоскопа, который сейчас называют видиконом. Электронный пучок внутри каждого видикона сканирует это изображение, преобразуя его в электрический эквивалент. Для того чтобы получить на экране четкое движущееся изображение, телевизионная камера должна ежесекундно выдавать более 1 млн электрических импульсов. Иногда телевизионная камера имеет встроенный микрофон, и в таком случае она еще формирует и электрический сигнал, несущий информацию о звуке.

Экран демонстрирует три изображения, а глаза комбинируют их

Телевизионный приемник, предназначенный для получения телевизионных сигналов и их преобразования в визуально-звуковые образы, получил название «телевизор». Телевизионный сигнал от антенны или кабеля поступает на селектор телевизионных каналов, с помощью которого пользователь выбирает определенную частоту приема — телевизионный канал.

Полученный сигнал разделяется на отдельные компоненты: звук, яркость и три цвета (красный, синий и зеленый). Сигналы, относящиеся к изображению, подаются на три электронные пушки кинескопа. При этом на экране одновременно формируются три цветных изображения, но, поскольку люминофорные точки малы и расположены равномерно, глаза комбинируют все три изображения, и получается полноценное цветное изображение. В большинстве современных телевизоров, построенных на основе ЭЛТ, оно состоит из 525 или 625 строк.

В наши дни компании-производители стремятся насытить свои телевизоры множеством полезных функций. Поэтому в современном телевизоре можно обнаружить дистанционное управление всеми его режимами, таймер включения и режим «сна», телетекст, управление с помощью меню на экране, режим сохранения всех настроек, функцию «картинка в картинке», электронную блокировку доступа (защита от детей) и т.п. Существуют и весьма оригинальные разработки. Так, например, южнокорейская компания «Самсунг» выпустила так называемый «биотелевизор». Специальное керамическое покрытие, нанесенное с обратной стороны экрана, пропускает длинноволновую часть инфракрасного излучения, которое, по утверждению специалистов, благотворно воздействует на организм человека.

Позволяет создать собственную студию

Кроме телевизионной системы, в которой сигнал передается от передатчика к приемнику с помощью электромагнитных волн, существует также система, в которой телевизионные сигналы передаются на приемники по кабелю — кабельное телевидение. Впервые она была создана в США в середине XX в.

Расположенная на возвышенности приемная станция принимала и усиливала слабые сигналы телевизионного вещания, а затем передавала их по кабелю в дома, расположенные в низине. В дальнейшем подобная трансляция получила широкое распространение в производственных помещениях, гостиницах и многоквартирных домах, так как одна антенна работала на все телевизоры в здании. Кроме того, такая система дает возможность, не используя дорогостоящего передающего оборудования, организовать собственную студию и передавать по системе кабельного телевидения новости и фильмы.

Спутниковое телевидение

В конце XX в. проблема передачи телевизионного сигнала на большие расстояния была решена с помощью применения искусственных спутников Земли. Для этого были созданы специальные спутники связи, которые улавливают радио- и телепрограммы с наземных станций, усиливают их и посылают эти сигналы на приемные антенны, которые могут находиться даже на другом континенте.

Впервые система спутникового телевидения была опробована в США в 1963 г. На первом специализированном спутнике связи был установлен передатчик мощностью всего в 5 ватт, его сигналы приходилось улавливать на Земле только с помощью специальной антенны размером около 30 м. Однако уже через несколько лет благодаря спутникам системы «Телстар» стали возможны прямые телевизионные трансляции между Соединенными Штатами и Европой.

В наши дни спутниковое телевидение может позволить себе практически каждый телезритель. Для этого достаточно лишь приобрести параболическую антенну («тарелку») диаметром в 60 см, которую можно установить прямо на балконе или стене здания, и цифровой тюнер, предназначенный для выбора интересующей программы.

Дополнительная информация

Многие современные телевизоры оснащены системой телетекст. Она позволяет получать не только сигналы телевизионных передач, но и дополнительную текстовую и графическую информацию и выводить ее на экран телевизора. Таким образом, телезритель получает возможность в любое время получить доступ к свежей финансовой, новостной, спортивной, развлекательной информации максимально оперативно и абсолютно бесплатно. Впервые систему телетекста ввели в Англии в 70-х гг. XX в.

Для передачи информации телетекста используется свободная часть обычного телевизионного сигнала. Она передается журналами, максимальное количество которых— 8. В каждом журнале может содержаться до 100 страниц. В каждой странице — 24 строки. В каждой строке — 40 символов. Эти символы могут быть как черно-белыми, так и цветными.

Телевизор, словно картина

В конце XX в. на смену телевизорам, построенным на основе ЭЛТ, пришли телевизионные приемные устройства, оснащенные жидкокристаллическими экранами. Считается, что впервые такие экраны были разработаны еще в 1963 г. в лабораториях американской компании RCA.

Принцип работы жидкокристаллического экрана основан на способности молекул жидких кристаллов образовывать кристаллическую структуру, т.е. становиться непрозрачными под воздействием электрического тока. Каждый кристалл на экране занимает одну точку (пиксель). За матрицей, состоящей из отдельных кристаллов, установлены подсветка или зеркало. Когда напряжение отсутствует, кристалл прозрачный и свет проходит через него и отражается от зеркала, при этом точка на экране кажется светлой. Если на кристалл подается напряжение, он становится непрозрачным, не пропускает свет и точка на экране кажется темной. Отсутствие электронной пушки и сложных отклоняющих систем позволяет делать жидкокристаллические экраны широкоформатными и плоскими. Телевизор с таким экраном можно даже повесить на стену, словно это картина.

Очень большие и рекордно тонкие плазменные экраны

Не меньшей популярностью пользуются телевизоры, построенные на основе плазменной панели. Фактически она представляет собой множество миниатюрных «лампочек» — флуоресцентных излучателей, наподобие тех, которые применяются для изготовления неоновых наружных реклам. А для того чтобы добиться любого из доступных человеческому глазу оттенка цвета, используют уже знакомое нам разложение изображения на три базовых цвета: красный, зеленый и синий. Ведь, смешивая их в нужной пропорции, можно получить любой оттенок цвета.

В плазменной панели для формирования одной точки (пикселя) используется три разноцветные «лампочки», которые можно рассмотреть, если подойти к телевизору на близкое расстояние. Но при удалении от экрана глаз перестает различать отдельные фрагменты, воспринимая изображение как единое целое. Если к флуоресцентному излучателю приложить высокое переменное напряжение, то инертный газ превращается в плазму, испускающую свет. Так как спектр этого света находится в невидимой для глаза ультрафиолетовой части, «лампочки» покрывают люминофором, преобразующим ультрафиолетовое излучение в один из основных цветов (красный, зеленый или синий). Благодаря своим конструкционным особенностям плазменные панели позволяют создавать очень большие и рекордно тонкие телевизоры. Так, например, еще в 2009 г. была изготовлена гибкая плазменная панель с диагональю 3,8 м, толщиной всего 1 мм. И по мнению специалистов, это еще не предел.

Проекционные телевизоры

Еще один способ получить телевизор с большим экраном — использовать в его конструкции проекционное устройство. Его можно создать на основе кинескопа с ЭЛТ или с использованием жидкокристаллической матрицы. В первом случае применяют 3 (по одному для каждого из основных цветов: красного, зеленого или синего) очень ярких, небольших кинескопа, изображение с которых через оптическую систему и зеркало проходит через всю комнату и попадает на настенный экран. Проекционные телевизоры на жидкокристаллических матрицах могут иметь 3 матрицы, по одной для каждого из основных цветов, либо одну трехцветную матрицу, изображение с которых проецируется на экран через оптическую систему. Свет создается мощной лампой.

Кстати, современные технологии позволяют создавать проекционные телевизоры не только с выводом изображения на настенный экран. В конце XX в. специалисты финской компании «Нокиа» предложили проекционный телевизор, в котором при глубине корпуса всего 40 см можно получить абсолютно плоское изображение размером 1,3 м.

Качественное цифровое изобретение

Стандартный телевизор конца XX в. имел экран с соотношением сторон 4:3 и частоту развертки (количество обновлений изображения за 1 с) — 50 Гц. С появлением нового стандарта для цифрового телевидения высокой четкости HDTV (High Definition Television) некоторые компании начали выпускать аппараты с форматом экрана 16:9, а также модели стандартного формата, но с возможностью переключения в 16:9. Частота развертки у таких телевизоров доведена до 100 Гц, что позволяет устранить мерцание изображения. Кроме того, изображение на таких телевизорах состоит более чем из 1 тыс. строк (а не из 525 или 625, как в обычных системах), и их передача осуществляется с помощью цифровых, а не аналоговых сигналов.

Как отмечают специалисты, по качеству «картинки» цифровое телевидение выгодно отличается от аналогового, так как, проходя через ретрансляторы, усилители и кабели, аналоговый сигнал неизбежно подвергается воздействию внешних факторов, что неизбежно сказывается на качестве изображения. В цифровом телевидении сигнал передается двоичным кодом в виде «0» и «1» и поэтому изображение всегда сохраняет качество оригинала.

Объемное изображение в каждый дом

Специалисты сходятся во мнении, что совсем скоро все домашнее телевидение станет объемным. Получить представление об объемности окружающего мира человеку позволяет бинокулярное зрение — пара глаз, расположенных на расстоянии 60—70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно с двух точек наблюдения и изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Анализируя эти различия, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов.

Подобным образом работает и объемное телевидение. Вначале с помощью камер снимают картинку с двух точек, а затем телевизор воспроизводит для каждого глаза изображение, предназначенное только для него. Для этого используются специальные очки.

Не вызывает сомнения тот факт, что в недалеком будущем телевизор будет воспроизводить трехмерное изображение, которое можно будет увидеть и без специальных очков. Подобные аппараты уже были созданы в начале XXI в. в лабораториях японской фирмы «Саньо». Но пока эффект объема наблюдается у них только из одного положения и только с определенного расстояния от экрана.