Василий Борисов - Владимир Козьмич Зворыкин

• Название: Владимир Козьмич Зворыкин
• Автор: Василий Борисов
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2004
• ISBN: 5-02-032954-1

Книга посвящена жизни и деятельности всемирно известного ученого, основоположника современного телевидения B.K. Зворыкина. Сын муромского купца, окончивший Петербургский технологический институт, после революции и гражданской войны вынужден был эмигрировать в США, где более полувека проработал в крупнейших исследовательских лабораториях. Зворыкин - не только автор фундаментальных изобретений, сделавших возможным рождение "чуда XX века" - электронного телевидения, ему принадлежат пионерские разработки в области фотоэлектронных умножителей и электронно- оптических преобразователей, электронной микроскопии, применения электроники в биологии и медицине.

Для читателей, интересующихся развитием мировой науки и техники, а также историей русского зарубежья.

Владимир Козьмич Зворыкин (1889-1982) - выдающийся ученый и изобретатель, автор работ, ставших основой для развития современного телевидения. В книге описана жизнь и деятельность ученого, родившегося в городе Муроме, получившего образование в Санкт-Петербурге и более полувека работавшего в исследовательских лабораториях США. Увлекшись идеей электронного телевидения в годы учебы в Петербургском технологическом институте, В. К. Зворыкин проявил в дальнейшем удивительную настойчивость в реализации своих идей. Зворыкину принадлежат также пионерские работы в области электронных микроскопов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей, приборов медицинской электроники. Прожив шестьдесят лет в эмиграции, Зворыкин старался никогда не терять связи с Россией.

---

Идея разбиения изображения на небольшие элементы, преобразования яркости каждого из них в электрический ток и передачи этих токов по отдельным проводам сама по себе хороша, но делает систему технически сложной. Чтобы передать высококачественное изображение таким способом, потребовалось бы огромное количество пар проводов, что, разумеется, непрактично. Для упрощения этой задачи Нипков в 1884 г. предложил передавать не все элементы изображения одновременно, а точку за точкой, сканируя изображение с помощью диска. Таким образом, появлялась возможность передачи изображения по одному проводу или по одному каналу связи, что существенно упрощало задачу.

Однако введение одного лишь сканирующего диска еще не решало всей задачи, поскольку не хватало ряда других важных элементов. Почти 40 лет спустя, разработка усилительных электронных ламп для целей радиосвязи и газоразрядных ламп создала предпосылки для реализации телевидения, и рядом изобретателей была продемонстрирована передача телевизионных изображений по радио.

В последующие несколько лет развитие этого направления техники продвигалось быстрыми темпами и, несмотря на трудности, возникавшие в процессе разработок, были получены впечатляющие результаты. Практически все работы проводились с применением механических методов развертки на основе дисков Нипкова, многогранных зеркал, зеркальных винтов и т.п. Такие методы отличались сложностью чисто механического характера, связанной с конструированием прецизионных сканирующих устройств, увеличением числа элементов изображения и особенно с получением достаточной освещенности. Последнее ограничение буквально воздвигло каменную стену, которая не позволяла увеличить разрешение передаваемых изображений и тем самым добиться требуемого качества, что практически исключало всякую надежду на передачу внестудийных сцен, т.е. на достижение истинной цели телевидения.

Чтобы полностью понять причину этой трудности, следует вспомнить, что во всех обычных системах телевидения используется поточечная развертка изображения, при которой на фоточувствительный элемент воздействует свет от той или иной заданной точки лишь в течение очень короткого интервала времени, соответствующего времени освещения одного элемента изображения. Предположим, что для получения изображения высокого качества требуется 70 ООО элементов изображения. При 20 кадрах в секунду это означает, что время передачи одного элемента изображения составляет 1/1 400 000 секунды. С другой стороны, выходной сигнал фотоэлемента, поступающий на усилитель, пропорционален интенсивности света и времени, в течение которого свет воздействует на фотоэлемент. Простой расчет показывает, насколько микроскопичным будет выходной сигнал фотоэлемента при таком числе элементов изображения. Если взять обычную фотографическую камеру с относительным отверстием объектива 1:4,5, то при ярко освещенной внестудийной сцене полный световой поток, падающий на фотопластинку, составит примерно 1/10 люмена. Если фотопластинку, рассчитанную на 70 000 элементов изображения, заменить сканирующим диском и использовать фотоэлемент с чувствительностью 10 микроампер на люмен, то получим фототок от единичного элемента изображения:

Электрический заряд, создаваемый этим током за время развертки одного элемента изображения, равен

Сравнив эту величину с зарядом одного электрона е = 1,5910"19 кулона, найдем, что заряд, накопленный за время сканирования одного элемента изображения, содержит всего 63 электрона. Усиление столь малой энергии связано практически с непреодолимыми трудностями. Если мы теперь сопоставим полученные условия с условиями экспозиции фотопластинки, то увидим, что последние существенно лучше, поскольку в этом случае свет воздействует на все точки пластинки в течение всего времени экспозиции. В студийной обстановке время экспозиции достигает нескольких секунд, а при съемке внестудийных сцен составляет примерно сотую долю секунды, т.е. во много тысяч раз больше, чем в случае сканирования телевизионного изображения. При тех же благоприятных условиях работает и человеческий глаз, который по чувствительности мы считаем идеалом.

Если бы можно было создать телевизионную систему, работающую по принципу глаза, то свет от всех точек изображения воздействовал бы на фоточувствительный элемент все время. Тогда в нашем примере с изображением, состоящим из 70 ООО элементов, выходной фотоэлектрический сигнал от каждой точки был бы в 70 ООО раз больше, чем в обычной системе. Однако поскольку для передачи по одному каналу связи требуется развертка изображения, необходимы какие-то средства для накопления энергии изображения между двумя последовательными моментами сканирования каждой точки.

Автор начал работать над реализацией этой идеи несколько лет назад и нашел несколько решений данной проблемы. Одно из них состояло в использовании специальной электронно-лучевой трубки с мозаичной фоточувствительной структурой, нанесенной на изолированную металлическую пластинку, как показано на рис. 12 из патента, выданного на один из вариантов разработанной системы[17]. Каждый элемент мозаики представляет собой миниатюрный фотоэлемент. Изображение проецируется на мозаику, в результате чего происходит непрерывная эмиссия фотоэлектронов в соответствии с распределением освещенности на поверхности изображения. Заряд, накопленный каждым элементом мозаики, снимается электронным лучом один раз за каждый повторяющийся кадр изображения. Полученные импульсы усиливаются и используются для модулирования интенсивности электронного пучка в приемной трубке, изображение в которой воспроизводится на флюоресцентном экране.

Рис. 12. Передающая трубка со схемой по заявке В.К. Зворыкина 1925 года

Передающие трубки такого типа были изготовлены несколько лет назад и подтвердили правильность основной идеи. В последующие годы эта разработка продолжалась в научно-исследователь- ских лабораториях фирмы "Westinghouse Electric and Manufacturing Co.", в Восточном Питтсбурге.Один из первых успешных экспериментов по приему изображения на электронно-лучевую трубку с использованием в качестве передатчика механического гальванометра был проведен в 1929 г.[18], и его результаты были доложены на собрании Института радиоинженеров в Рочестере в ноябре 1929 г. На следующий год эта работа была передана лабораториям фирмы "RCA Victor Co.", г. Камден, где продолжалась разработка системы на основе электронно-лучевой трубки для приема изображения, сканируемого с помощью диска. Данные исследования описаны в серии статей, опубликованных в журнале "Proceedings of the IRE".

Тем временем продолжалась разработка и передающей трубки, и вскоре полученные результаты стали превосходить результаты механического сканирования, которое в конце было полностью заменено новой трубкой, названной иконоскопом (от греческих слов "икон" - изображение и "скоп" - наблюдение).

Для того чтобы уяснить принцип действия иконоскопа, лучше всего рассмотреть схему одиночного фотоэлектрического элемента мозаики, показанную на рис. 13. Буквой Р здесь обозначен сам фотоэлемент, а С- емкость по отношению к общей пластине всех элементов, которую мы будем называть "сигнальной пластиной". Всю электрическую цепь можно проследить, начиная от катода Рс к емкости С, сопротивлению /?, источнику электродвижущей силы В и кончая анодом Ра. Когда свет от спроецированного изображения падает на мозаику, каждый элемент Рс эмитирует электроны, и в результате конденсатор С положительно заряжается от энергии света, причем величина заряда зависит от интенсивности освещения. При попадании электронного луча, сканирующего мозаику, на данный элемент РсС этот элемент захватывает электроны из пучка и, можно сказать, разряжается.

Разряжающий ток от каждого элемента пропорционален положительному заряду последнего и, следовательно, пропорционален интенсивности света, падающего на этот элемент. С помощью электрической схемы ток разрядки затем преобразуется в напряжение сигнала на выходном сопротивлении R.

Если представить графически рост заряда на элементе РсС с течением времени (рис. 14), то можно увидеть, что за счет света от изображения потенциал непрерывно растет. Крутизна этого роста dv/dt зависит лишь от яркости точки изображения, освещающей данный элемент. Линейность характеристики сохраняется до момента насыщения емкости С, величина которой выбирается такой, чтобы при заданной частоте повторения разрядов N насыщение никогда не наступало. Поскольку частота развертки постоянна, интервал времени t = 1/N также постоянен, поэтому величина заряда зависит лишь от яркости данной конкретной точки изображения. При постоянной интенсивности сканирующего пучка импульс тока, текущего через сопротивление /?, и, следовательно, падение напряжения Vx на этом сопротивлении также пропорциональны яркости данной точки изображения. Потенциал V{, являющийся выходным сигналом каждого отдельного фотоэлемента иконоскопа, поступает затем на усилитель.