«Отец телевидения» Такаянаги Кэндзиро – создатель первого в мире электронного телеприёмника

Революционное открытие Такаянаги

«Заглянув в приёмник, я обнаружил на экране безупречно чёткое изображение буквы イ («и»). Я выбежал из фотолаборатории, громко призывая ассистентов и наставников разделить со мной этот триумф. Я впервые получил телевизионное изображение, поэтому был вне себя от восторга» (из книги «Начало телевидения», Тэрэби котохадзимэ).

Так описывает Такаянаги Кэндзиро момент получения первого в мире изображения с применением электронов (электромагнитно заряженных частиц) в 1926 году. В ту пору 27-летний учёный работал ассистентом на техническом факультете Высшей технической школы Хамамацу (в наши дни - университет Сидзуока). Его воспоминания живо передают трепет и восторг молодого первооткрывателя, чья технология сыграла решающую роль в становлении телевидения – одного из главных символов ХХ века, а в XXI веке легла в основу работы дисплеев для смартфонов и других современных устройств.

Принцип работы телевизора: в передатчике изображение разбивается на крошечные точки (пиксели), которые трансформируются в электрический сигнал. В приёмнике этот сигнал вновь превращается электронные лучи, воссоздавая исходное изображение. В современных телевизорах высокой чёткости изображение состоит из более чем 2 миллионов таких точек – 1920 х 1080. Строка, в которой электронные лучи и сигналы заставляют светиться пиксели, называется строкой развертки, а их количество совпадает с числом пикселей по вертикали. Эффект движение объекта достигается за счёт быстрой смены кадров – если раньше нормой считалось 25-30 кадров в секунду, то в наши дни этот показатель улучшился до 50-60 кадров.

Телевизор на базе электронно-лучевой трубки

В 20-е годы ХХ века человечество мечтало о технологии мгновенной передачи изображений на расстоянии – телевидении. Учёные США и Европы вели активные поиски решений, способных воплотить в жизнь эту идею. Так, в 1925 году британский изобретатель Джон Лоуги Бэрд провёл успешный эксперимент с системой механического телевидения. В её основе лежал диск Нипкова – вращающийся элемент с крошечными отверстиями, который сканировал изображение, разбивая его на строки для последующего преобразования в электрический сигнал. Приёмник воссоздавал изображение, регулируя яркость ламп в соответствии с входящим сигналом и приводя в движение диск с аналогичной скоростью.

Механический телевизор, задействованный в экспериментах шотландского учёного Бэрда. В основу устройства лёг вращающийся диск, сконструированный немецким учёным Паулем Нипковым (фотография: Science Photo Library via Reuters Connect)

Приступив в 1923 году к исследованиям в области телевидения, Такаянаги пришёл к выводу, что механические системы исчерпали свой потенциал и не способны обеспечить получение более чёткого изображения, поэтому приступил к поискам других способов. В 1924 году он догадался, что принцип работы электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), измеряющих число электронов, может пригодиться в создании устройств для передачи изображения и приёма сигнала.

Электронно-лучевая трубка – это вакуумная стеклянная колба, внутри которой под воздействием высокого напряжения генерируется поток электронов. При столкновении электрона с покрытой люминофором стеклянной поверхностью возникает свечение. Если разместить рядом с трубкой магнит, можно изменить направление электронного пучка. Такаянаги предположил: если регулировать интенсивность луча, меняя напряжение, и отклонять его с помощью магнитного поля, можно получить изображение на люминесцентной поверхности.

После публикации концепции электронного телевидения в статье британского учёного Алана Кэмпбелла-Суинтона в 1911 году Такаянаги убедился в правильности своей гипотезы. Однако в исследовании Суинтона не было данных, необходимых для технических разработок, поэтому Такаянаги пришлось проектировать всё с нуля.

Чтобы создать электронно-лучевую трубку для телевизора, Такаянаги разработал электронную пушку, испускающую поток стабильных частиц, а также создал электроды, регулирующие число электронов в соответствии с яркостью изображения. После череды экспериментов, проводившихся в сотрудничестве с компанией Toshiba, в октябре 1925 года был получен первый прототип. Поскольку электронного передатчика ещё не существовало, для получения изображения на приёмнике с ЭЛТ применялся механический диск Нипкова. В качестве тестового символа выбрали букву «イ» («и») из японской азбуки катакана. Из-за низкой чувствительности передатчика учёным пришлось использовать мощный свет, а букву «и» написать чёрной краской на пластине из жаропрочной слюды.

Принцип работы ЭЛТ в телевидении: изображение формируется за счёт модуляции яркости луча путём регулирования напряжения, а также отклонения луча с помощью магнита

Слева: первая в мире электронно-лучевая телевизионная трубка, сконструированная Такаянаги (диаметр экрана – 13 см., разрешение – 41 строка развёртки). Справа: слюдяная пластина с буквой «и» (イ), использованная во время эксперимента по передаче изображения

Когда сборка устройства была завершена, учёным наконец-то удалось получить изображение при вращении диска механического передатчика. Однако оказалось, что увеличение скорости вращения заставляет изображение искажаться. Для решения этой проблемы решили контролировать направление электронного луча с помощью синхронизирующего импульса (частоты), синхронизированного с вращением диска. Это позволило получить стабильное изображение буквы «и» без искажения с частотой 16 кадров в секунду. Именно в тот момент и случилась сцена, описанная в начале статьи.

Триумф Такаянаги пришёлся на 25 декабря 1926 года. Выйдя из университета поздним вечером, он услышал, как по морозным улицам разносится голос продавца газет, предлагающего экстренный выпуск. Газета извещала о кончине императора Тайсё. По воле случая день, когда Япония стояла на пороге новой эры Сёва, стал для Такаянаги днём великого открытия.

Получение стабильного электронного изображения с помощью ЭЛТ стало прорывным достижением, опередившим работы Фрэнка Грея из американской Лаборатории Белла и эксперименты с электронным передатчиком и электронным приёмником в 1927 году. Однако электронное телевидение ещё не получило мирового признания, поэтому Такаянаги по-прежнему страдал от нехватки средств на исследования. Наставник посоветовал ему переключиться на механические системы, которые уже использовались для тестовых трансляций на Западе.

Тем не менее, Такаянаги был убеждён, что именно электронное телевидение, способное выполнять сложные операции и обладающее высокой скоростью, станет телевидением будущего. В 1930 году он разработал улучшенный вариант электронно-лучевой трубки с 30-сантиметровым экраном, яркость которой возросла в 1000 раз. В том же году лабораторию Такаянаги посетил император, затем его повысили до профессора, а его исследовательский проект получил официальную поддержку Министерства образования, что позволило ему нанять более десяти сотрудников, включая ассистентов.

Реплика экспериментальной установки Такаянаги Кэндзиро, с помощью которой он в 1926 году впервые в мире получил электронное изображение. На стене справа – изображение буквы «и», полученное с помощью механической камеры с диском Нипкова и приёмника с ЭЛТ (фотография из коллекции Музея телерадиовещания NHK)

Такаянаги и Зворыкин: конкуренты, ставшие друзьями

Став профессором, Такаянаги разработал схему усилителя для увеличения яркости изображения, а также «метод интегрирования», позволяющий накапливать слабый свет в промежутках между кадрами. Его главной целью, на достижении которой он сконцентрировал все усилия, оставалось создание электронного передатчика. В конце 1933 года в газете «Нью-Йорк Таймс» Такаянаги наткнулся на статью об изобретении в Америке инженером Владимиром Зворыкиным электронной передающей телевизионной трубки под названием «иконоскоп». Иконоскоп представлял собой вакуумную трубку, в которой использовался принцип фотоэффекта (ослабление электрического сигнала за счёт отклонения электронов с помощью света). Колебания электрического сигнала считывались и преобразовывались в электрический видеосигнал.

Инженер Владимир Зворыкин был выходцем из России. Первое время он работал в американской компании по производству электроники «Вестингхауз» и по собственной инициативе занимался исследованиями. В 1930 году Зворыкин перешёл в корпорацию RCA – крупнейший производитель радиоприёмников и владелец телекомпании NBC. Глава компании Давид Сарнов выделил на развитие телевидения значительные средства, и Зворыкин приступил к разработкам.

Узнав о создании иконоскопа, патент на принцип работы которого в Японии принадлежал ему самому, летом 1934 года Такаянаги отправился в Америку для встречи со Зворыкиным. Оказалось, что Зворыкин знал о своём японском коллеге. В 1927 году Такаянаги запатентовал в Японии собственную электронно-лучевую трубку и передатчик, поэтому, когда Зворыкин подал заявку на патент в Японии, ему отказали. Несмотря на то, что учёные фактически были конкурентами, общие трудности на пути к открытию, сблизили их – они общались так тепло, будто знали друг друга много лет.

Такаянаги вспоминает, что, увидев передатчик, над созданием которого он так долго работал, он испытал одновременно и радость, и грусть. Вернувшись на родину, он собрал иконоскоп и усовершенствовал его с помощью собственного метода интеграции. Это позволило получить уникальную систему с электронным передатчиком и электронным приёмником. Если раньше в изображениях, получаемых с помощью ЭЛТ, было не более 100 строк развёртки, применение электронного передатчика улучшало этот показатель до 200 и более строк.

Такаянаги и его передатчик, разработанный в 1935 году на основе усовершенствованного иконоскопа (фото предоставлено Фондом Такаянаги Кэндзиро)

Такаянаги и Зворыкин (справа). Они поддерживали дружеские отношения в течение длительного времени, включая послевоенный период (Фото предоставлено Фондом Такаянаги Кэндзиро)

Война на пути к прогрессу

В 1934 году Такаянаги отправился в Европу, чтобы изучить местные телевизионные технологии и представить собственные достижения. В это время в сфере телевещания осуществлялся исторический переход от механических систем к электронным. RCA, немецкая компания Telefunken, а также английская Marconi-EMI начали выпускать электронно-лучевые аппараты и передатчики на базе иконоскопов. Это дало мощный импульс развитию электронного телевещания. В 1936 году на электронное телевещание перешли телевидение Германии и ВВС в Великобритании, а в 1936 году к ним присоединилась компания NBС в США.

В Японии корпорация NHK приняла решение организовать телетрансляцию Олимпиады-1940. В 1937 году Такаянаги, возглавивший отдел исследований телевещания, вместе с университетскими коллегами переместился в NHK и приступил к подготовке телетрансляции. Его команда разрабатывала передвижные камеры, передвижные телевизионные станции и передатчики, сооружала телестудии. К тому времени качество изображения значительно улучшилось, достигнув разрешения в 441 строку и при частоте 25-30 кадров в секунду. В 1939 году состоялось тестовое вещание – сигнал, переданный из НИИ технологий в токийском районе Сэтагая, был успешно принят в главном офисе NHK в Утисайвайте в самом центре Токио. С тех пор публичные сеансы телетрансляций регулярно проводились в универмаге на Нихомбаси и других людных местах столицы вплоть до 1940 года.

В 1939-40-е годы сеансы публичного телевещания привлекали множество людей (фото предоставлено Фондом Такаянаги Кэндзиро)

Международная изоляция Японии, вызванная началом японо-китайской войны, привела к отмене Олимпиады, и работы по внедрению телевещания были приостановлены. После вступления Японии в войну с США в 1941 году использование радиоволн и ведение исследований в данной сфере были запрещены. В период войны на Тихом океане Такаянаги вынужден был посвятить себя радиолокационным исследованиям для военно-морского флота.

После окончания войны в 1945 году Генеральный штаб союзных держав, управлявший Японией, запретил исследования в области телевещания, причислив его к технологиям военного назначения. Кроме того, был издан приказ, запрещающий бывшим военнослужащим работать в сфере массовых коммуникаций. Из-за этих ограничений в 1946 году Такаянаги пришлось перейти в компанию JVC.

Первый серийный телевизор компании «Хаякава электрик индастриз» (современный Sharp), поступивший в продажу в 1953 году. В соответствии с разработанными Такаянаги стандартами он был оснащён 14-дюймовой прямоугольной электронно-лучевой трубкой (фото предоставлено Sharp/Jiji Press)

После снятия ограничений в 1950 году корпорация NHK возобновила тестовое вещание, а частные компании наконец-то обрели возможность заняться производством телевизоров. Такаянаги основал «Общество любителей телевидения» (ныне – Институт инженеров визуальной информации и телевещания) для обмена опытом между инженерами различных вещательных компаний и производителей. Он неустанно работал над внедрением телевещания вплоть до запуска регулярного чёрно-белого вещания в 1953 году и цветного телевещания в 1960-м. За выдающиеся заслуги Такаянаги стали называть «отцом телевидения». В 1961 году Такаянаги удостоился награды на Первом Всемирном фестивале телевещания Международной Федерации электросвязи, а в 1981 году – был награждён Орденом культуры Японии.

Даже на посту вице-президента компании JVC Такаянаги продолжал заниматься научной работой. Его разработки способствовали усовершенствованию качества телевизоров. Его участие в создании домашних видеомагнитофонов способствовало распространению видео во всём мире.

Исследования как дело всей жизни

Решение Такаянаги посвятить себя телевидению во многом обусловлено словами Накамуры Коносукэ, руководителя кафедры электротехники Токийской высшей технической школы, после войны ставшего первым ректором Токийского технологического института. Ещё в студенческие годы Такаянаги получил от него напутствие: «Исследуй то, что понадобится миру через десять или двадцать лет».

На протяжении всей жизни Такаянаги интересовался технологиями будущего. Во время лекции в 1970 году он одним из первых указал на перспективность применения электролюминесценции для создания плоских телевизоров. Фото сделано в день награждения орденом Культуры Японии в 1981 году (снимок предоставлен Фондом Такаянаги Кэндзиро)

Всю свою жизнь Такаянаги неустанно исследовал технологии будущего. После окончания университета он преподавал в техническом училище Йокогамы, одновременно занимаясь поиском темы для исследований. Он встречался с профессорами и иностранными инженерами, во время летних каникул устраивался помощником электрика на пароходы, совершавшие международные рейсы. Узнав о запуске радиовещания в США в 1920 году, Такаянаги стал мечтать о следующей прорывной технологии – телевещании. Владение иностранными языками помогло ему в изучении зарубежной научной литературы. Наткнувшись во французском журнале на эскиз телевизора, который точно совпадал с его собственным видением, он осознал: медлить нельзя. Такаянаги приступил к изысканиям ещё до того, как в 1925 году в Японии появилось радиовещание. Несмотря на господство механических систем, Такаянаги был убеждён в потенциале электронных технологий и упорно продолжал свои разработки, добившись значительного прогресса во внедрении телевещания на базе электронных технологий.

В последние годы жизни Такаянаги говорил о необходимости создания новых электронных дисплеев, признавая ограниченность своего метода проекции изображений с помощью электронно-лучевых трубок. Для поддержки молодых учёных он основал Фонд Такаянаги Кэндзиро, направив в него доходы от своих патентов. Он призывал новое поколение превзойти его собственные достижения. Благодаря Фонду Такаянаги были разработаны современные жидкокристаллические (ЖК) и органические электролюминесцентные дисплеи.

Плоды трудов Такаянаги заложили фундамент для технологий сверхвысокой чёткости 4К и 8К, смартфонов, персональных компьютеров и прочей современной техники. Даже спустя столетие инновации Такаянаги остаются незыблемой основой современного информационного общества.

Справочная литература

• Такаянаги Кэндзиро «Начало телевидения: день, когда на экране появилась буква «И» (изд-во «Юхикаку», январь 1986)
• Такаянаги Кэндзиро «Моё резюме» (Ватаси но рирэкисё, изд-во «Ниппон кэйдзай симбун», февраль 1982)
• Форум «Менеджмент завтрашнего дня» (FMT), «Архив FMT, путь Японии к инновациям, 10 «Появилась буква «И»!» – главное впечатление жизни Такаянаги Кэндзиро» (FMT акаибу, инобэйшэн нихон-но кисэки 10, и-но дзи га уцутта! Ёгай сайдай но кангэки но сюнкан – Такахаси Кэндзиро, Форум «Менеджмент завтрашнего дня», январь 2014)
• Суэмацу Ясухару «Электронное телевещание как ключевой аппарат телекоммуникационных технологий: аппарат на основе ЭЛТ, впервые отобразивший букву «И» в эпоху разработки телевизора Такаянаги Кэндзиро, и его влияние» (Дзёхо цусин гидзюцу но ки-дебайсу ни хаттэн сита дэнси эйдзо хёдзи Такаянаги Кэндзиро ни ёру тэрэбидзён кайтакуки но хацу но и-но дзи-но браункан дэнси эйдзо хёдзи то соно эйкё, Журнал Института инженеров визуальной информации и телевещания, 59 том, №11, стр. 1564-1568, ноябрь 2005 года)