“电视之父”高柳健次郎与他的电子显像研究之路

本世纪仍然沿用的革命性发明

“当我凑近接收装置一看，屏幕上竟然清清楚楚地显示出了一个片假名‘イ’字，而且没有变形。我立刻冲出暗室，大声呼喊助手和老师们来看。那是我第一次看到电视画面出现，心中的喜悦无以言表。”（引自《电视的诞生》）

1926年，27岁的高柳健次郎在静冈县滨松高等工业学校担任副教授期间，在世界上首次成功实现电子显像。他发明的这一技术，推动了电视这一20世纪标志性发明的应用。到了21世纪，这一显像方式不仅应用于电视，还构成了智能手机等显示设备的技术基础。

摄像端（发送端）将一幅图像分解为大量微小的像素，将这些光信号转换为电信号；接收端再将电信号还原为光，重新组合成图像（以高清电视为例，像素数量约为横向1920×纵向1080，即约200万个）。在显示屏上，电子束扫过像素、使之逐点发光的轨迹称为“扫描线”，其数量与纵向像素数一致。呈现动态被摄体时，图像为每秒25-30帧

使用阴极射线管显像的电视

上世纪20年代，全世界都在积极研究“电视”这项“将影像传送到远方”的魔幻技术。1925年，英国的约翰·洛吉·贝尔德利用带小孔的尼普科夫圆盘（一种对图像进行机械扫描的装置——译注），成功完成了分解并还原影像的机械式实验。

出生于苏格兰的贝尔德用于实验的机械式电视。该装置使用德国人尼普科夫发明的圆盘，进行摄像与接收（图片：Science Photo Library via Reuters Connect）

然而，自1923年来也着手研究的高柳健次郎判断，靠机械方式很难传输清晰图像，于是开始摸索其他方法。当时他想到，如果使用测量电子电荷量的阴极射线管，或许可以实现电视的摄像与接收。

阴极射线管是一种在真空中发射电子束，使其撞击荧光材料从而发光的装置。高柳健次郎认为，通过调节电压变化控制电子束强度以形成明暗，并利用磁力使电子束偏转，在水平和垂直方向扫描，便可以在荧光面上显示影像。

后来，高柳健次郎得知英国人坎贝尔·斯温顿早在1911年就已在论文中提出过这种电子式电视的构想，由此更加确信自己的方向是正确的。不过，那篇论文对实际的技术研发并无帮助，他只能靠自己的力量来开展研究。

高柳健次郎设计了能够稳定发射粒子的电子枪，以及根据图像亮度控制电子流强度的电极（控制栅极）等。经过反复试验，1925年，他与东京电气（现东芝）合作，试制出用于电视的阴极射线管。

当时，发送端仍然难以实现电子化，因此高柳健次郎决定使用机械式的尼普科夫圆盘，并开始组装设备。他选择了片假名“イ”字作为实验的拍摄对象。由于摄像端的感光灵敏度低，必须使用强照明，他便在耐热性强的云母板上用墨汁写下“イ”字作为拍摄对象。

控制栅极通过改变电压，控制电子流强度，来改变画面亮度；同时，电子束在磁力作用下发生偏转，在水平和垂直方向进行扫描，使荧光面发光

高柳发明的电视阴极射线管（左图，荧光显示面直径约13厘米，扫描线共41行）与写有“イ”字的云母板（图片：由高柳健次郎财团）

尽管通过这一装置，发送端的尼普科夫圆盘旋转时就能使图像显像，但在高速旋转下图像会发生扭曲、变形。于是，他采用与圆盘转速一致的同步脉冲来控制阴极射线管中电子束的方向，最终使“イ”字得以不变形且稳定显示（每秒16帧）。这便是本文开头所述的那个激动的划时代的一刻。

该实验成功的时间是1926年12月25日晚。当高柳健次郎走出学校时，街头正回荡着报纸号外的叫卖声，内容是大正天皇驾崩。虽然纯属巧合，但就在日本迈入昭和时代（1926年12月25日-1989年1月7日）之际，高柳健次郎的研究生涯也一步迈入了崭新的阶段。

高柳健次郎通过阴极射线管实现了稳定电子显像，这一成果早于美国贝尔实验室的电视传输演示，也早于美国发明家费罗·法恩斯沃斯在1927年进行的电子摄像与电子接收实验，具有划时代意义。然而，当时电子式电视尚未成为全球主流，尽管实验获得成功，其研究仍难获得充足资金支持，甚至一度被教授建议转向当时已开始试播的机械式电视。

尽管如此，高柳健次郎始终坚信，电视的显像需要复杂操作与高速处理技术，因此唯有电子式电视才具有未来。1930年，他成功研制出亮度提升1000倍、荧光面直径扩大至约30厘米的阴极射线管。同年，昭和天皇视察了他的研究，他也晋升为教授，获得文部省正式研究项目支持，得以招募十余名包括副教授在内的研究人员。

高柳健次郎在1926年实验中使用的装置的复原模型。使用尼普科夫圆盘的机械式摄像机（右）扫描的文字，显示在阴极射线管接收端上（NHK广播博物馆藏）

高柳与兹沃雷金：从对手到朋友

在新的研究环境中，高柳健次郎发明了可以提高图像亮度的放大电路，并提出了将微弱光信号积累至下一帧再显示的“积分法”。与此同时，他也为实现摄像端的电子化而不断努力。1933年末，他得知美国的弗拉基米尔·兹沃雷金成功研发出光电摄像管（Iconoscope）。该装置利用光电效应（真空中光照使物体表面的电子逸出，导致电信号减弱的现象），读取这种变化并转换为明暗电信号。

兹沃雷金出生于俄罗斯，在美国电机制造商西屋电气公司工作期间自主研究全电子式电视，并于1930年进入美国无线电公司（RCA），在公司总裁大卫·沙诺夫的大规模投资下正式展开研发。

1934年夏，高柳健次郎赴美与兹沃雷金会面，当时对方已早已知晓高柳。因为高柳健次郎1927年就已在日本取得阴极射线管和摄像管相关专利，兹沃雷金后续申请的专利便未能在日本通过。两人虽为竞争对手，但在分别研发的过程中经历了相似的困难，因此如同多年老友般交换了大量信息。

高柳健次郎看到自己构想的摄像管已经成为现实，既欣喜又遗憾。回国后，他基于自己提出的积分法制造出改良版光电摄像管，最终完成了一套自己的全电子式系统。得益于摄像端的电子化，扫描线数量也由此前的约100行提升至200行以上。

高柳健次郎与1935年使用改良版光电摄像管制造的摄像机（左）（图片：高柳健次郎财团）

高柳与兹沃雷金（右）长期保持友好交流，一直延续到二战后（图片：高柳健次郎财团）

因战争而中断的电视广播实用化进程

1934年，高柳健次郎赴欧洲考察电视技术发展状况，并向当地相关人士介绍自己的研究成果。此时，全球的主流研发方向正由机械式迅速转向电子式。除美国无线电公司外，德国与英国的制造商也开始制造阴极射线管接收机与光电摄像管，极大推动了电子式电视广播的发展。1936年德国与英国开启全电子式电视广播，1939年美国也加入这一行列。

在日本，日本广播协会（NHK）决定对1940年东京奥运会进行电视转播。1937年，高柳健次郎以电视研究部部长身份，与滨松的研究团队同事一同加入NHK，快速推进移动摄像机、转播车、发射机的研发和电视台建设（此时他们的技术已达到441行扫描线，每秒25-30帧）。1939年，高柳健次郎从东京世田谷的技术研究所发射电波，位于市中心内幸町的NHK总部成功接收电波。同年起至1940年，NHK还在百货商店等进行了多次面向公众的试播。

1939-1940年期间，电视公开试播吸引了大量观众（图片：高柳健次郎财团）

然而，由于二战，东京奥运会最终取消，电视广播实用化进程被迫中断。1941年太平洋战争爆发，发射与研究电视电波的行为被全面禁止。期间，高柳健次郎在海军从事雷达研究。

1945年日本战败后，占领日本的驻日盟军总司令部（GHQ）以涉及军事技术为由，禁止日本国内开展电视研究，并规定曾属军方人员不得在广播机构工作。高柳健次郎因此于1946年进入日本胜利株式会社（JVC）。

夏普于1953年推出的日本首台量产电视机。该电视机遵循高柳健次郎与电视同好会成员制定的规格，使用14英寸矩形阴极射线管（图片：夏普提供，时事社）

1950年，研究禁令解除，NHK恢复试播，民企也可以研发接收机了。高柳健次郎成立“电视同好会”，旨在促进广播机构与制造企业的技术人员之间的交流合作。他为电视技术的实用化投入了大量心血，推动实现了1953年电视广播正式开播，1960年彩色电视广播正式开播。因此，高柳健次郎被誉为“电视之父”，并于1961年在国际电信联盟（ITU）首届世界电视大会上获表彰，1981年获得日本文化勋章。

后来，高柳健次郎升至日本胜利株式会社副社长，但他仍活跃在研发一线，不仅推动电视接收机性能提升，还参与了VHS家用录像机的研发，由此推动了视频技术在全球范围内的普及。

晚年求索，步履不息

高柳健次郎之所以投身于电视技术研发，很大程度上是受恩师影响。他在东京高等工业学校求学时，恩师曾教导他要去“研究10年、20年后社会所需之物”。

1970年，高柳健次郎在演讲中指出，未来的超薄电视可能采用电致发光（EL）技术。照片为1981年获文化勋章时拍摄的照片（图片：由高柳健次郎财团）

怀着这种理念，高柳健次郎毕生致力于未来技术研究。从东京高等工业学校毕业后，他在横滨的工业学校担任教师，期间广泛接触大学教授与外国技术人员，暑假期间还曾以见习电气工程师的身份登上远洋轮船，探寻研究方向。在得知美国于1920年开始无线电广播后，高柳健次郎开始憧憬新一代技术——电视。他刻苦学习外语、研读外国文献，当看到法国杂志刊登的电视假想图后，他不甘日本落后于人，在日本无线电广播开始（1925年）之前就已着手研究电视技术。在机械式电视仍为主流的时代，他便坚信电子式电视的潜力，通过不懈努力成功实现电子显像，推动了电视技术发展。

晚年，高柳健次郎指出自己研发的阴极射线管显像方式的局限性，强调研发新型电子显示技术的必要性。在扶持新一代研究人员的同时，他也鼓励后辈们大胆超越，从而推动了如今主流的液晶显示屏和有机EL显示技术的研发。

高柳健次郎的研究成果，也为后来的高清、4K、8K超高分辨率显示技术和智能手机、计算机等现代信息终端的研发奠定了技术基础。直至百年后的今天，他的创新成果仍是支撑信息化社会发展的坚实基础。

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