Телебаченню, як способу відправлення “живої” картинки на відстань, вже понад сто років.
В 1893 сербсько-американський винахідник Нікола Тесла представляє науковій спільноті засіб передачі електричних сигналів в ефір за допомогою резонанс-трансформатора. Це послужило відправною точкою винаходу радіо — передачі інформації на відстань за допомогою електромагнітних хвиль.
У 1906 році дослідники Л. Форест і Р. Фессенден вирішують завдання передачі радіохвилями мови та музики — 24 грудня моряки, що знаходяться у відкритому морі, почули уривки з Біблії й скрипкову музику у виконанні Р. Фессендена.
І ось вже колективи вчених у всьому світі працюють над завданням передачі на відстань зображення. Думки щодо принципу дії майбутнього приладу розділилися на два напрямки: одні бачили телевізор механічним, інші вважали, що майбутнє за електронним пристроєм.
Механічний телевізор
Для подальшої передачі, зображення слід розкласти на елементи, доступні для пересилання за допомогою електричних сигналів. З цим завданням впорався Пауль Юліус Готліб Нипков — німецький технік, який, будучи студентом у 1884 році, запропонував пристрій, який був названий “Диск Нипкова”.
Механізм являв собою непрозорий диск з одинаковими отворами невеликого діаметра, розташованими по спіралі на рівній кутовій відстані. Отвори були просвердлені по низхідній спіралі (принцип грамплатівки), при цьому останній отвір знаходився під першим. При обертанні кожен отвір у невеликому секторі проходив пряму траєкторію при цьому відбите об’єктом, розташованим перед диском, світло, ззаду диску представляється глядачу у вигляді безперервних смуг (рядків).
У двадцятих роках минулого століття уродженець Шотландії Джон Лоугі Берд розпочинає експерименти з двома дисками Нипкова. Мета — не тільки просканувати, а й відтворити розкладене рядкове зображення, з подальшою його передачею за допомогою електричних сигналів. Позаду диску, що зчитує, встановлювався фотоелемент, перед відтворювальним — яскрава лампа. Найскладніше було змусити приймальний і передавальний елементи працювати одночасно: коли на фотоелемент потрапляло більше відбитого світла, лампа мала світити яскравіше. При цьому швидкість обертання дисків на передавальній та приймальній стороні була строго однаковою.
Першим зображенням, яке Берду вдалося відтворити за допомогою свого механізму став “Мальтійський хрест”. В 1923 Джон Лоугі отримує патент на винахід, але світова спільнота вирішила, що апарат не має майбутнього, тому спонсорів не знайшлося. Берд продовжує роботу поодинці.
У 1928 році відбулася демонстрація механічного ящика з диском, розміром з комод, та екраном, що нагадував фонендоскоп, до якого глядач прикладав око. Проєкт отримав назву “The Television”. Мерехтлива чорно-біла картинка, розміром із поштову марку впевнено пішла світом.
Горизонтальна роздільна здатність з 30 ліній зростає до 38, 90, 120. Використовуючи світлофільтри як у камері, так і в приймачі, за допомогою трьох дисків Нипкова Берд передає кольорове зображення. Успіхом закінчуються експерименти зі стереоскопічного телебачення. Створено “Фонобачення” — пристрій для запису зображення.
З 1928 починається регулярне телемовлення в Чикаго, з 1930 до картинки додається звук, для чого використовується окрема радіостанція. З’являються приймачі “Visionette”, що випускаються серійно.
У СРСР телевізійні трансляції розпочинаються у жовтні 1931 року. Промислових приймачів “Б-2” не вистачає і наукові журнали публікують матеріали для їхнього самостійного виготовлення.
В Україні перша телетрансляція була проведена у Києві 1 лютого 1939 року.
Але головна перевага механічного телебачення – простота у виготовленні перекривається безліччю недоліків:
- низька вертикальна роздільна здатність, обмежена кількістю отворів на диску;
- невеликий розмір зображення, що відтворюється;
- геометричні спотворення викликані дугоподібним рухом кожного отвору.
Проіснувало механічне телебачення недовго — до 40-х років XX століття. Однак, саме ця технологія використовувалася при передачі у 1966 році кадрів місячної поверхні з радянської космічної станції “Місяць”. Принципи механічного телебачення досі використовуються у космічних апаратах, що досліджують далекий космос, де один кадр зображення передається протягом тривалого часу.
Електронний телевізор
Електронним заведено вважати телевізор, у якому зображення формується за допомогою потоку електронів, що випускається електронною гарматою. Цей принцип реалізував Карл Фердинанд Браун у 1897 році. Пристрій отримав назву “катодно-променевої” трубки. Усередині скляної колби, з покритим люмінофором (речовиною, здатною випромінювати світло при попаданні на неї потоку електронів) дном встановлені вертикальні та горизонтальні котушки які створюють магнітне поле, що керує потоком електронів, який проходить крізь них.
У 1923 році Володимир Зворикін і Філо Тейлор Фарнсуорт незалежно представляють світові електронно-променеву трубку, що стала незамінним атрибутом телевізійних приймачів.протягом десятиліть. Але на відміну від Джона Берда, Зворикіну не вдалося навіть отримати патент на винахід. Все змінилося після зустрічі з Давидом Сарновим, який на той час очолював компанію “Radio Corporation of America” (RCA). За його фінансової підтримки у 1929 році світ побачив першу приймальну телевізійну електронну лампу “кінескоп”, що являла собою допрацьовану катодно-променеву трубку.
У 1931 році Зворикіним завершені роботи зі створення передавальної телевізійної трубки — “іконоскопа”, від грецьких слів “ікона” — картина та “скоп” — бачити. Дія приладу ґрунтується на зовнішньому фотоефекті. Усередині скляної колби укріплена світлочутлива мішень, що складається з мільйонів мініатюрних фотоелементів. Світлова картинка, яка проєктується через об’єктив, створює на мішені невидиме зображення, що складається з електричних зарядів. Електронний промінь “оббігаючи” поверхню мішені створює в ланцюзі електричний струм, значення якого пропорційно до рівня освітленості кожного фотоелемента.
Два основні елементи електронного телебачення готові. Володимир Зворикін стає керівником лабораторії RCA, консультує колег у США та Європі. У другій половині тридцятих років XX століття світове телевізійне мовлення переходить на використання електронної апаратури. Механічне телебачення йде у минуле.
В післявоєнній Україні новий київський телецентр розпочав трансляцію тільки 6 листопада 1951 року. У березні 1955 до експлуатації введений другий телецентр — Харківський.
Кольоровий телевізор із кінескопом
Лаври Джона Берда, як творця кольорового механічного телевізора, не давали спокою дослідникам у галузі електронного телебачення. Але триколірна (синьо-жовто-зелена) плівка, наклеєна на екран, створювала слабку ілюзію кольорового зображення.
Найпростішим рішенням було використання трьох трубок для передачі, кожна з яких формує сигнал одного основного кольору (червоний, синій, зелений). Інформація про кожен колір передавалась окремим каналом.
На приймальній стороні три сигнали об’єднувалися в одне зображення шляхом оптичного поєднання картинок трьох кінескопів з відповідним кольором люмінофора. Пристрій отримав назву “Трінескоп”. Кожен кінескоп відтворював зображення свого кольору, потім в оптичній конструкції, що складається з двох дзеркал, три зображення складалися:
- зелене світло проходило через обидва дзеркала вільно;
- перше дзеркало пропускало зелений колір та відбивало червоний;
- друге пропускало зелений та червоний, але відбивало синій.
Першу демонстрацію апарату провела компанія RCA 5 лютого 1940 року. Пристрій виявився громіздким та складним у виготовленні, а висока ціна робила масове виробництво безглуздим.
Наступним кроком у розвитку кольорового телебачення стала поява кольорового кінескопа з тіньовою маскою (1950, США). Для формування сигналу кожного кольору використовували окрему електронну гармату. Екран мав не суцільне покриття люмінофором, а точкову мозаїку, яка складалася з мікроскопічних трикутників (тріад), де кожна точка світиться окремим кольором. Для того, щоб електронний промінь потрапляв строго на свою точку, перед екраном встановлюється тіньова маска — лист металу з отворами, розташованими в центрі кожної тріади. Зміна потужності кожного з електронних променів задає необхідну яскравість і коліровий відтінок крапки, що світиться на екрані. Перший серійний апарат від компанії RCA побачив світ у 1954 році та мав назву “RCA CT-100”.
У 1956 році телевізори компанії “Зеніт” (США) отримують бездротовий пульт дистанційного керування, автор винаходу — Роберт Адлер. Сигнали управління передаються за допомогою ультразвукових промодульованих коливань. Це було відкриття світового масштабу. Звичний сьогодні пульт на основі ІЧ-променів з’являється лише 1974 року у виробах компаній Grundig та Magnavox.
В Україні кольорове телебачення з’явилося лише у середині 70-х років.
Кінескопні телевізори протрималися на ринку до 2010 року. Всупереч невисокій ціні, широкому куту огляду, природній гаммі кольорів, через великі масогабаритні характеристики та негативний вплив на зір апарати, виконані за цією технологією, вже зняті з виробництва.
Кольорові телевізори з плоским екраном
Останні моделі кінескопних телевізорів виконувалися на 85% з інтегральних напівпровідникових мікросхем, але зменшити габаритні розміри та масу апарату заважав один компонент, а саме: остання електровакуумна лампа в конструкції — кінескоп.
Заміна електронно-променевої технології формування телевізійного зображення на приймальному боці розвивалася за двома напрямками: плазмові панелі та рідкокристалічні екрани. Обидві технології схожі:
- апарати мають тонкі та плоскі форми, їх можна повісити на стіну та під’єднати до джерел цифрових відеосигналів (виходи відеокарт персональних комп’ютерів, Інтернет, локальні комп’ютерні мережі) без погіршення якості зображення;
- фізичні способи підключення до зовнішніх пристроїв ідентичні;
- підтримується широкий діапазон роздільної здатності екрана, форматів кадрів, розмірів зображень.
Відмінності полягають лише у фізичних методах формування зображень.
Плазмова панель
У липні 1964 року, професора Іллінойського Університету Дональд Бітцер та Гін Слоттоу створюють досвідний зразок плазмового чорно-білого телевізора. У цьому прототипі використовувався лише єдина маленька колба, що містила іонізований газ, здатний випромінювати світло під впливом електромагнітного випромінювання. Але це відкриття випередило час. Успіх до плазмових панелей прийшов тільки із відкриттям цифрових технологій.
Принцип роботи плазмової панелі мало чим відрізняється від роботи флуоресцентної лампи. Дисплей має осередкову структуру. Кожен осередок (піксель) складається з трьох мікроскопічних резервуарів (субпікселів), кожен з яких заповнений іонізованим газом та порошковим люмінофором, що відповідає одному з основних кольорів. До кожного субпікселю підводиться напруга. Під впливом електричного заряду газ перетворюється на стан плазми та люмінофор починає випромінювати видиме світло завданого кольору. Тому такі екрани називають “випромінювальними” Кожна комірка відповідає за свою ділянку зображення, що надає картинці чіткості та яскравості.
Рідкокристалічний екран
Телевізори з рідкокристалічним екраном часто називають LCD-телевізорами, від англійського “Liquid Crystal Display” (рідкокристалічний дисплей).
Під рідкими кристалами розуміються речовини, які одночасно мають фізичні властивости рідини, тобто здатні заповнювати собою весь доступний простір, та кристалів, які під впливом електричного поля змінюють свою просторову орієнтацію і цим змінюють поляризацію світлового потоку, що проходить через них. Наочним практичним прикладом ефекту поляризації світла є поляризаційні окуляри, що “відтинають” яскраві сонячні відблиски на воді та сліпуче світло фар зустрічних автомобілів у нічний час.
Вперше визначення рідких кристалів узвичаїв австрійський фізик Ренітцер в 1888 році. Практичного застосування відкриття тоді так і не отримало, патент на промислове застосування зареєстрований компанією Marconi лише у 1930-х. У 1966 році з’являється перший стаціонарний годинник з величезним LCD-монітором. У 1975 р. побачив світ наручний LCD-годинник, в 1976 році — чорно-білий LCD-телевізор. З початку 2000-х кольорові РК-екрани безповоротно захопили ринок.
Як і в тріаді ЕЛТ, основний елемент РК-екрана — піксель, що складається з трьох субпікселів — мікроскопічних осередків заповнених рідкими кристалами та забезпечених кольоровими світлофільтрами (R, G, B). Електричний сигнал, змінюючи поляризацію світлового потоку, що проходить кожний субпіксель, змінює його яскравість. Підсвічений з одного боку рівним білим світлом, кожен піксель формує світлову точку, яскравість і колір якої залежать від стану субпікселів, що входять до його складу. Мільйони пікселів у складі LCD-матриці формують кольорове зображення.
До основних переваг LCD в порівнянні з ЕЛТ належать:
- збільшена яскравість;
- відсутність мерехтіння та змішування кольорів;
- покращене фокусування;
- можливість роботи із цифровим вхідним сигналом;
- висока якість кольорів;
- знижене споживання електроенергії.
Нові технології в галузі телевізійної техніки
Спочатку для підсвічування в LCD-екранах використовувалися газорозрядні лампи, що вимагають підвищеної напруги та, відповідно, виділяють більше тепла. Сьогодні їм на зміну прийшли економічні світлодіоди. Однак і сучасні панелі поки що поступаються хорошим ЕЛТ по куту огляду, контрастності, якості кольору та часу відгуку.
Тестуються пристрої на основі OLED (Organic Light-Emitting Diode – органічних світлодіодів). У цих моделях відсутні рідкі кристали (світлодіоди самі випромінюють світло необхідного спектру та яскравості), внаслідок цього зростають коефіцієнти контрастності кольору, збільшується кут огляду та зменшується час відгуку. Через відсутність світлових поляризаційних фільтрів необхідних для роботи рідких кристалів, апарати, виконані за технологією OLED значно менше за товщиною своїх попередників LCD: деякі зразки легко скочуються у трубку.
Але по яскравості поки ці моделі поступаються традиційним LCD, також їм властивий ефект “вигоряння”.
Наступний крок — технологія Mini-LED. Єдина принципова відмінність від OLED: значне зменшення фізичних розмірів джерел світла, що дозволяє збільшити їх кількість на панелі.
Для отримання збільшеного зображення з прийнятною якістю (аж до 92 дюймів по діагоналі) ведуться розробки проєкційних телевізорів, але ці пристрої, що є спрощеним варіантом проєктор, широкого поширення не набули.
