Текст книги "100 великих чудес техники"

Современные телевизоры

Самым главным техническим достижением XX столетия, имеющим бытовое значение, французы назвали телевизор. В 1,5 раза меньше голосов собрал компьютер, в 2 раза меньше – мобильный телефон.

Современное телевидение, как это часто бывает, родилось из неглавного направления исследований, также, однако, представленного десятками имен. В 1907 году петербургский профессор физики (электроники тогда еще не было) Технологического института Борис Львович Розинг попытался запатентовать электронно-лучевую трубку в качестве приемника. Сначала изображение в электронно-лучевой трубке сканировалось, а затем передавалось принимающей трубке. В 1911 году Розинг усовершенствовал систему синхронизации передатчика и приемника и демонстрировал свой прибор публично, за что получил Золотую медаль Российского технического общества. Однако до бытового телевизора было еще далеко, предстояло решить множество технических проблем. Розинг «покушался» на них и даже пытался в 1925 году в СССР кое-что патентовать, но всех трудностей не преодолел. Это удалось его ученику Владимиру Козьмичу Зворыкину.

Начиная с 1910 года Владимир вел под руководством Розинга исследования в его лаборатории. После революции Зворыкин эмигрировал в США. В фирме «Вестингауз электрик» в Питтсбурге он приступил к реализации давно вынашиваемых идей электронного телевидения. С головой уйдя в работу, Зворыкин уже в 1923 году подал заявку на патент передатчика изображений с электронно-лучевой трубкой, содержащей пластинку, покрытую слоем фотоэлектрического материала. Впоследствии ему пришлось сожалеть о приведенном в заявке описании прибора, так как оно стало предметом длительного судебного разбирательства.

Свет от изображенного предмета вызывал электронные излучения различной интенсивности, зависящие от яркости объекта. Это электронное излучение усиливалось ионизацией паров аргона, которые заполняли контейнер. Таким образом, система Зворыкина позволяла передавать и получать телевизионное изображение чисто электронным путем, используя развертку изображения электронным лучом, без всякого механического движения. Это было существенным преимуществом зворыкинской системы, идея которой, как он сам все время подчеркивал, принадлежала Розингу.

В 1925 году, когда предыдущий патент еще гулял по бюрократическим инстанциям патентного управления США, а автор тщетно пытался заменить в нем один фотоэлектрический материал другим, Зворыкин подал на патентование другой проект, относящийся уже к цветной системе телевидения. Этот проект прошел на удивление быстро: в 1927 году права Зворыкина были признаны в Великобритании, а в 1928-м – в США. Собственно, этого было уже достаточно, чтобы считаться изобретателем телевидения. Однако примерно в то же время ряд аналогичных проектов был запатентован или представлен на патентование в США, Великобритании, СССР, Франции, Германии и Японии. Сравнение их осложняется тем, что авторы использовали неустоявшуюся терминологию на своих языках, а порой скрывали наиболее важные элементы патента. Но система, созданная Зворыкиным, была, по-видимому, лучше доработана. Одно время казалось, что еще одно усилие, и система телевидения будет создана.

Все 1930-е годы прошли в ожесточенной конкурентной борьбе десятков создателей систем телевидения. Только в Соединенных Штатах над этим успешно работали Файло Фарнсуорт, Джон Бэйрд, Эдвин Армстронг и многие другие. А сюда нужно приписать француза Пьера Шевалье, немца Манфреда фон Арденне, японца Кенджиро Такаянаги…

Трудность объяснялась тем, что при развертке передаваемого изображения световое воздействие каждого его элемента на фоточувствительный слой происходит в течение всего лишь миллионных долей секунды. Возбуждаемый при этом фототок оказывается чрезвычайно малым, его усиление представлялось труднореализуемым технически. Задавшись целью найти способ накапливать заряд точечных фотоэлементов, Зворыкин получил в 1931 году специальную электронно-лучевую трубку с мозаичной фоточувствительной структурой – иконоскоп. После успешных испытаний иконоскопа изобретатель вместе со своими помощниками принялся за разработку телевизионной системы в целом. В 1933 году была создана телевизионная система с разложением на 240 строк, в 1934 году – на 343 строки с чересстрочной разверткой.

На доработку зворыкинской системы ушло дополнительно 10 миллионов долларов, прежде чем система заработала, и 40 миллионов, прежде чем она стала приносить доход. Но зато вскоре новая телевизионная система позволила передавать полноценные изображения, которые принимались на кинескопах тоже зворыкинской системы. Три камеры передающей системы помогли устроить прямую передачу с Олимпийских игр 1936 года из Берлина. Телевизионная аудитория была, правда, еще не очень велика: принимающая система механического типа стояла в специально снятом театре в Лондоне.

В конце 1938 года Зворыкин наконец-то получил патент на электронное телевидение, которого ждал пятнадцать лет, – да, это был тот самый патент 1923 года, причем всего поступило одиннадцать заявок на установление приоритета! И почти у каждого из заявителей были какие-то основания участвовать в этой гонке. Зворыкин доказал, что если и использовал достижения своих конкурентов, то делал это законно, купив право на них.

Многие десятилетия после появления телевидения ведущие производители телевизоров лишь совершенствовали их узлы и детали. Изображение становилось четче и контрастнее, цвета – насыщеннее, звук – чище и мощнее.

В первую очередь это достигалось за счет усовершенствования сердца телевизора – кинескопа. От его качества зависит совершенство аппарата в целом. Как известно, изображение на экране 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. Специальные электромагниты фокусируют и отклоняют потоки электронов, а для того чтобы каждый луч засвечивал зерна определенного цвета, служит конструкция с продолговатыми отверстиями (теневая маска), расположенная позади экрана. Пересекаясь в отверстиях маски, лучи попадают на зерна «своего» цвета.

Отдельные фрагменты выглядят черными лишь по контрасту с соседними светлыми, между тем даже на этих участках люминофоры светятся, хотя и очень слабо. Следовательно, если сделать как можно темнее саму поверхность экрана, изображение станет более контрастным. Этого еще в 1988 году добились инженеры «Сони», изготовив кинескоп «Блэк тринитрон» с экраном из затемненного стекла. Одновременно это позволило уменьшить блики на поверхности от внешних источников света.

Иное решение для улучшения контрастности применила фирма «Тошиба»: вертикальные чередующиеся полосы люминофоров разделены тонкими черными полосками.

Поверхность экрана традиционного телевизора представляет собой часть сферы. Прямые линии вблизи краев на нем кажутся несколько изогнутыми. Кроме того, свет, проходя через стекло, претерпевает искажения тем большие, чем выше кривизна. В 1994 году «Сони» выпустила «Супер тринитрон» с экраном в виде части боковой поверхности цилиндра большого радиуса. Благодаря этому, а также другим новшествам, о которых речь пойдет ниже, компания сделала крупный шаг на пути к максимально реалистичному изображению. Конкуренты – «Панасоник» и «Филипс» – ответили моментально, изготовив свои кинескопы со сверхплоским экраном.

С каждым новым поколением телевизоров уменьшалась их глубина – расстояние от экрана до задней стенки. Правда, это потребовало увеличения угла отклонения луча. Разработчики получили новую головную боль. Ведь пятно от электронного луча вблизи края экрана деформировано, резкость и проработанность деталей изображения уменьшились. Инженеры видоизменили конструкцию электронной пушки. Опять впереди оказалась «Сони»: пушка «Тринитрон» объединила три источника лучей (вместо трех раздельных пушек). За счет равной длины пути всех лучей цвета сводятся почти идеально.

При длительной работе телевизора теневая маска, традиционно изготавливаемая из сплавов железа, нагревается и деформируется. Как следствие – нарушение цветов. Поэтому в ряде кинескопов стала использоваться маска из железоникелевого сплава (инвара), имеющего очень низкий коэффициент температурного расширения. Но самая необычная конструкция этого устройства использована опять же в «Супер тринитрон» фирмы «Сони». Японские инженеры отказались от цельной маски с отверстиями и разработали сложный набор из тонких струн, закрепленных вертикально в специальном каркасе. В результате повысились прозрачность маски и светоотдача экрана.

Современные телевизоры прямо-таки перенасыщены электроникой, особенно дорогие модели с большим экраном. На них некоторые фирмы применяют цифровые системы цветового шумоподавления. «Панасоник» первым оснастил свой телевизор процессором, модулирующим скорость электронного луча для получения четких контуров вокруг частей изображения. Другие разработчики также стремятся насытить аппарат множеством полезных функций. Поэтому в современном телевизоре чего только нет: и таймер включения, и таймер «сна», благодаря которым телевизор будит владельца звуками любимой передачи, а вечером тот может удобно устроиться на диване, не боясь заснуть – телевизор сам выключится по истечении заданного времени. Для особо рассеянных есть модели с устройством, которое выключит приемник, если видеосигнал отсутствует более 15 минут. Телетекст, управление с помощью меню на экране, память настройки изображения, электронная блокировка доступа (защита от детей) – далеко не полный перечень функций современных моделей.

Наличие в дорогих моделях двух независимых тюнеров обеспечивает функцию «картинка в картинке». Можно контролировать происходящее на другом канале, не отрываясь от просмотра основного, включив в углу маленький экранчик.

Есть интересные новинки, не относящиеся к качеству изображения или набору функций телевизора. Фирма «Панасоник» наносит на экран антистатическое покрытие, препятствующее оседанию пыли. А «Самсунг» выпустил уникальный «биотелевизор». Специальное керамическое покрытие, нанесенное с обратной стороны экрана, пропускает длинноволновую часть инфракрасного излучения, которое, по утверждению специалистов, благотворно воздействует на организм человека.

Естественно, при высоком качестве «картинки» звук должен быть тоже на высоте. Его чистоте и мощности в акустических системах в сегодняшних телевизорах могут позавидовать иные музыкальные центры. Конструкторы стремятся как можно более эффективно использовать внутреннее пространство аппарата. Так, в некоторых моделях «Панасоник» с системой динамики расположены позади кинескопа, все верхнее пространство за ним используется как резонатор. В передаче звука участвуют элементы корпуса, а сам он выходит через узкую полоску над экраном.

Другие фирмы размещают громкоговорители в специальных объемных кожухах, а дефлекторы направляют звук к узким вертикальным решеткам справа и слева от экрана. Или в задней части кожухов акустической системы предусматривают отверстия, улучшающие воспроизведение низких частот и увеличивающие эффект «объемного звучания».

Электронные системы обработки звука позволяют изменять характер звучания. Можно подстраивать звук под особенности передачи («речь», «музыка», «театр») или легко смоделировать объем помещения («стадион», «зал», «диско»). «Панасоник» пошел еще дальше. В диффузор низкочастотного громкоговорителя были добавлены хитиновые пластинки, полученные с помощью биотехнологии. По утверждению разработчиков, они повышают чистоту звука.

Предваряя всеобщий переход на стандарт телевидения высокой четкости, некоторые компании начали выпускать аппараты с форматом экрана 16:9, при том что обычные модели имеют стандартный формат 4:3, а также модели стандартного формата, но с возможностью переключения в 16:9. Развертка с частотой 100 Гц вместо привычных 50 Гц позволяет устранить мерцание изображения и приблизить его вплотную к устойчивости слайда.

Первые образцы появились в конце 1990 года. Широкий экран – это, несомненно, значительный шаг вперед хотя бы по той причине, что он более соответствует кинематографическим стандартам, чем нынешний экран с соотношением сторон 4:3. Но преимущества эти пока слабо проявляются, не будучи поддержаны телевещанием, а вот стоимость широкоэкранных телевизоров ощутимо выше, чем обычных.

Проблема, с которой приходится сталкиваться обладателям широкоэкранного телевизора, связана с несоответствием форматов изображения и экрана. При попытке воспроизвести «картинку» формата 4:3 на телевизоре 16:9 (или наоборот), неизбежно происходит потеря полезной площади экрана, что проявляется в виде двух черных полос.

Против широкого экрана есть весьма веские доводы. Во-первых, широкоэкранные телевизоры дорого стоят. Это неоспоримый факт, особенно если посчитать стоимость единицы площади получаемого изображения. Во-вторых, у программного обеспечения (и в виде ТВ-передач, и в виде записей на кассетах и дисках) для широкоэкранных телевизоров довольно туманное будущее.

Другое направление – проекционный телевизор. На Берлинской Международной выставке бытовой электроники 1996 года фирма «Нокиа» показала подобную установку. «Нокиа» – первая компания бытовой электроники, поддержавшая технологию «Digital Micromirror Device», разработанную «Texas Instruments». Главное в ней – микросхема размерами 1,5x1 сантиметр, на которой размещено полмиллиона зеркал. Транзисторные переключатели управляют их отражающей способностью. Когда на транзисторный блок подается телевизионный сигнал, а поверхность схемы освещается ярким светом, через линзы на экран проецируется телевизионное изображение. Вращающиеся цветные фильтры придают ему окраску.

«Texas Instruments» первоначально разрабатывала это устройство для того, чтобы проецировать изображение через всю комнату на настенный экран. В Великобритании «Rank Brimar» стал выпускать такие зеркальные проекторы, предназначенные для промышленных целей. «Нокиа» поместила то же самое устройство в телевизор с обратной проекцией. Это позволило при глубине корпуса всего 40 сантиметров получить плоское изображение размером 1,3 метра. С 1997 года проекционные телевизоры появились в широкой продаже.

И, наконец, о главном. То о чем давно говорили фантасты, должно свершиться. В каждый дом войдет объемное телевидение. На той же Берлинской Международной выставке бытовой электроники японская фирма «Саньо» собрала целую толпу вокруг своего телевизора трехмерного изображения, которое можно увидеть без специальных очков. Но эффект наблюдался только из одного положения и только с определенного расстояния от экрана. А все остальные могли «любоваться» лишь расплывчатой двоящейся картинкой.

В газете «Известия» Юрий Медведев рассказал о своей встрече с профессором Виктором Комаром в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ):

«Телевизор XXI века разобран на части, все внутренности на виду. Он намного сложнее привычного "ящика". Три электронно-лучевые трубки, три объектива, три жидкокристаллические шторки для перекрывания светового луча.

Гаснет свет, и во всей своей красе появляется Микки-Маус. Мышонок вылезает из экрана и превращается в могучего атлета, гордо напрягает мышцы.

– Можете ерзать, как угодно перемещаться в кресле – мышонок не искажается, – говорит Комар. – В этом "изюминка". Помните знаменитый стереофильм "Таинственный монах"? В кресле нельзя было пошевелиться, изображение смазывалось. Сиди как прибитый.

Кто же не помнит "Монаха"! Зрители вжимались в кресла, когда прямо в зал неслась конница или кадило раскачивалось так, что чуть не касалось лица. Эффект присутствия поразительный. В 1991 году советская кинотехника единственный раз в истории удостоилась «Оскара» за достижения в области стереокино…

В то время казалось, что от «Монаха» до массового трехмерного кино и телевидения рукой подать. Однако потребовался немалый срок, чтобы забрезжил свет.

– Главная трудность в том, – объясняет Комар, – что каждый глаз видит предмет двумерным, плоским, но в чуть разных ракурсах. В объемный его превращает мозг. Природа диктует нам принцип трехмерности: надо с помощью камер снять картинку с двух точек, а затем в каждый глаз подать изображение, предназначенное только для него. Для этого используются специальные очки. Широкого применения такая система не получила: не хотят люди надевать сложные оптические приборы».

В чем же, собственно, состоит открытие российских ученых? Они решили отказаться от очков и сделали экран из множества линз, как из чешуек. Теперь на каждого зрителя приходится определенная часть экрана и определенное число линз, обслуживающих именно его. Сидя в своем кресле, зритель попадает в их фокус. Был серьезный недостаток – необходимость сидеть неподвижно. Через несколько лет ученые устранили и его. Нашли оригинальное решение: на экран подается картинка, снятая сразу с восьми ракурсов. Линзовый экран заменили более совершенным голографическим, созданным там же в НИКФИ. В результате всех усовершенствований зритель получил полную свободу. Теперь даже самый непоседливый на своем кресле видит качественную картинку, при этом он плавно «переходит» из одного фокуса в другой.

Подобные системы пытаются сделать и за рубежом. Об одном японском «объемнике» уже говорилось. Созданный же американцами в Кембридже, рассчитан лишь на одного зрителя. А наши уже знают, куда двигаться дальше.

«Я знаю, как ее упростить, – говорит Комар. – Вместо восьми дорогих телекамер можно применить всего две, снимающие картинку с крайних ракурсов, а промежуточные изображения получать с помощью компьютера. Три объектива легко заменяются одним. Все это позволит снизить цену телевизора, сделать его доступным для потребителя».

Принтеры

Для распечатки – вывода на бумагу, картон, пленку или на другой материал результатов работы компьютера используют автоматические печатающие устройства – принтеры (от английского print – «печать», «шрифт»).

Весь ассортимент производимых принтеров почти исчерпывается четырьмя принципами работы: принтеры на основе ударных технологий, принтеры на основе электрографических технологий, принтеры на основе струйных технологий, принтеры на основе термических технологий. Остальные способы печати носят узкоспециализированный или экспериментальный характер.

Старейшая технология печати – электрографическая. Первый подобный копировальный аппарат был изобретен еще до Второй мировой войны. Но прошло немало времени, прежде чем на основе этой технологии были созданы принтеры. Принцип их работы заключается в том, что на поверхности светочувствительного узла наводится заряд, соответствующий нужному изображению. Этот заряд притягивает тонерный порошок в соответствующих точках. Затем тонер переносится прямо на бумагу или на промежуточный носитель, с которого уже попадает на бумагу. Тонер буквально припекается к бумаге в специальном нагревателе, чтобы сделать изображение устойчивым.

По способу наведения заряда принтеры этого типа разделяются на лазерные и светодиодные.

Работа лазерных принтеров напоминает процесс ксерокопирования. Разница только в том, что вместо лампы используется тонкий лазерный луч, который попадает на поверхность фотобарабана через зеркальную призму. По мере вращения призмы луч перемешается вдоль барабана, и формируется строка. При повороте барабана происходит смена строк. В результате на поверхности барабана образуются группы электростатических зарядов, соответствующие заданному изображению. Далее тонер подзаряжается и подается на барабан, а изображение переносится на лист бумаги или пленку и закрепляется в электронагревательном устройстве – «печке». Именно поэтому вышедшие из лазерного принтера листы теплые.

Лазерный принтер гарантирует высокое качество печати, работает он быстро и почти бесшумно. Правда, стоимость сменного картриджа, включающего в себя емкость с тонером и сам фотобарабан, довольно высока. Наибольшее распространение получили принтеры, печатающие до 12–16 страниц в минуту, а также более скоростные (20–24 страницы).

Используя тонеры разных цветов, можно получить изображения, похожие на фотографии. Однако скорость цветной печати ниже, а цена одной копии – выше.

В светодиодном принтере есть линейка из большого числа импульсных светодиодов – электрических устройств, излучающих свет. Светодиоды располагаются вдоль поверхности фотобарабана по одному на каждую точку. Сочетание сигналов светодиодов на строке и формирует изображение. Это позволяет уменьшить количество движущихся частей и оптических устройств в конструкции принтера. Качество печати таких принтеров высокое, изображение по краям листа не искажается.

В ударных технологиях между печатающим элементом принтера и бумагой помещается красящая лента – обычно в картридже, оборудованном механизмом перемотки ленты. Печатающий элемент наносит удар по красящей ленте, под действием чего краситель попадает на бумагу.

Принципиально различаются два варианта. Первый – печатающий элемент оформлен в виде готового знака (символа). Он был широко распространен в прошлом, поскольку обеспечивал четкую печать символов текста при высокой скорости. Требования к печати графической информации к устройствам этого типа не предъявлялись; для этой цели использовались графопостроители. По мере расширения сферы применения компьютеров печать готовыми знаками постепенно утратила свои позиции, поскольку при ней невозможно менять размер символов, набор символов ограничен, возможности графической печати минимальны.

Второй вариант – печатающий элемент синтезирует в процессе печати наносимую информацию «на ходу» из точек. Каждая точка образуется ударом иголки. Почти все современные принтеры, использующие ударную технологию, синтезируют изображение из точек. Иголки ударного механизма образуют нечто вроде матрицы. Вот почему такие принтеры у нас называют матричными.

Обычно иголки помещаются в головку, совершающую движения поперек направления подачи бумаги. После того как головка сформирует горизонтальную полосу изображения, бумага подается на ширину, необходимую для печати следующей полосы.

Для увеличения быстродействия ударных принтеров размер матрицы из иголок увеличивают вплоть до ширины листа, при этом сам печатающий узел остается неподвижным. Это так называемые линейно-матричные принтеры.

К достоинствам матричных принтеров относятся небольшие эксплуатационные расходы, высокая устойчивость к внешним условиям, а также возможность печати на толстых и многослойных бумагах. Однако у матричных принтеров ограничены возможности графической печати и минимальные возможности работы с цветом.

В основном такие принтеры применяются в промышленности, транспорте, в финансовом секторе, торговле, коммунальных службах.

Самые распространенные сегодня принтеры основаны на струйной технологии. Здесь измельченный краситель в виде капель распыляется на материал – чаще всего на бумагу. Обычно, как и в матричных принтерах, печатающая головка движется поперек направления подачи носителя, формируя полосу изображения, а затем носитель сдвигается для печати следующей полосы. Однако вместо иголок в головке имеется множество сопел для выбрасывания краски. Если используется только черный (монохромный) картридж, изображение будет черно-белым. Набор цветных картриджей позволяет получать качественное цветное изображение.

В струйной технологии сложились две разновидности, термоструйная, в которой активизация краски и ее выброс происходят под действием нагрева, и пьезоэлектрическая, где выброс краски происходит под давлением, создаваемым колебанием мембраны.

Струйные принтеры дешевле лазерных. Кроме того, по мнению экологов, они «чище», поскольку работают практически бесшумно и выделяют меньше озона – сильного окислителя, вредного для здоровья. Габариты струйного принтера невелики, поэтому его можно легко переносить с одного места на другое. Однако и у струйного принтера есть недостатки: меньшая, по сравнению с лазерным, скорость печати и «чернильницу» приходится часто менять.

В группу «термические технологии печати» собирают принтеры, довольно разные по нюансам технологии и конструкции, для которых принципиально важным является тепловой принцип действия.

При бескрасочной технологии с использованием термочувствительной бумаги изображение формируется путем прямого контакта печатающей головки с бумагой. Нагрев поверхности головки приводит к «окрашиванию» соответствующих точек на бумаге.

Достоинства принтеров бескрасочной термопечати: прекрасная масштабируемость и низкие эксплуатационные расходы. Недостатки принтеров бескрасочной термопечати: ограниченные графические возможности, а также низкая стойкость отпечатка.

При обычном термопереносе краситель находится на ленте подобно тому, как это реализовано в матричных принтерах. Однако перенос его на бумагу происходит не вследствие удара, а под действием нагрева нужных точек поверхности головки. Частным случаем термопереноса является сублимационная печать, при которой краситель возгоняется в газообразное состояние и впитывается в поры на поверхности специальной бумаги, после чего изображение обычно фиксируется (например, наносится защитный слой).

В большинстве случаев на термопереносных принтерах можно при желании печатать на термочувствительной бумаге без использования красителя, хотя эту возможность обычно не афишируют. При этом качество печати получается примерно таким же, как у термического факсимильного аппарата.

В последнее время быстро развивается твердочернильная технология. В этом случае разогретая до плавления краска наносится на промежуточный носитель – печатный барабан, откуда попадает на бумагу.

Достоинства твердочернильной технологии: высокое качество цветопередачи, высокая скорость печати, относительно низкие эксплуатационные расходы. К недостаткам этой технологии надо отнести довольно высокую стоимость. Однако в будущем они должны стать опасным конкурентом лазерным цветным принтерам и по этому показателю.