История электронной светописи: регистрация и фиксация изображений.
Реперные точки в истории неэлектронных способов регистрации изображений
В 1842 году Тальбот разработал процесс проявления скрытого фотографического изображения проявляющим раствором, содержащим галловую кислоту. Он же предложил негативно-позитивный процесс и способ оптической печати с помощью «волшебного фонаря» (фотоувеличителя).
В 1847 году Э. Беккерель и А. Ньепс де Сент-Виктор (Niepce De St Victor, 1805 – 1870)получили цветное изображение спектра на серебряной полированной пластинке, подвергнутой хлорированию, причём изображение было стойким при слабом освещении и длительно сохранялось в темноте. Это был прототип интерференционного метода, получившего развитие в 1891 в работах Габриэля Липмана (Gabriel Lippman, 1845 – 1921), получившего в 1908 году Нобелевскую премию по физике «за создание метода цветной фотографической репродукции, основанной на явлении интерференции». Практически идеальное изображение спектров, сделанное по этому методу, Иван Филиппович Усагин демонстрировал в 1900 году на Международной выставке в Париже. В конце этой ветви появится цветная голография.
В 1947 году Эдвин Ленд (Edwin H. Land, 1909 – 1991) разработал черно-белый одноступенный процесс Роlaroid Land, а позднее (1963) - одноступенный цветофотографический процесс с диффузионным переносом изображения (Роlасоlоr). В результате дальнейших исследований в 1970 году им был разработан подлинно одноступенный цветофотографический процесс c диффузионным переносом проявляющих красителей (Роlаrоid SХ-70 Land).
В 1977 году фирма «Поляроид» создала цветную растровую кинематографическую систему Роlаvisionfilm.
В 1983 году ведущие фотофирмы Kodak, Fuji, Agfa начали изготавливать цветные негативные пленки нового поколения с очень высокой светочувствительностью, обеспечивающие отличное качество изображения за счет применения новых эмульсионных микрокристаллов типа ядро - оболочка, Т-кристаллов и цветных компонентов нового типа.
Химические способы предполагали фиксирование изображения на месте: там, где оно было зарегистрировано, там же оно и фиксировалось. Получение электрического сигнала в точке регистрации позволило разделить в пространстве процессы регистрации и фиксации изображения, например, на бумаге. Вероятно, впервые устройство для передачи изображения по проводам описал в 1840х годах Александр Байн (Alexander Bain, 1811(10) – 1877). Он предложил сканировать проводящий рисунок с помощью проволоки, скользящей по нему, и регистрировать его электрохимическим образом, пропуская ток через пропитанную реактивами бумагу. Было ли это реализовано им в металле и насколько оказало влияние на других разработчиков, я не знаю, но идея, лежащая в основе фототелеграфа и современных факсимильных аппаратов, была высказана.
В 1848 году Фредерик Беквел (Frederick Bakewell) создал, а в 1951 году публично продемонстрировал передачу изображения с помощью системы близкой идеологически к системам Байна и Казелли.
В 1856 году итальянский физик Казелли (Giovanni Caselli, 1815 – 1891) создал прибор для передачи изображений, названный "пантелеграфом". В этом приборе игла сканировала изображение, нарисованное токопроводящими чернилами. Приемник действовал по аналогичному принципу. Игла перемещалась по листу, покрытому крахмальным клеем с примесью йодистого калия. Когда через иголку проходил ток, крахмал окрашивался в синий цвет. По описанию это очень похоже на то, что было описано Байном, но про этот прибор мы точно знаем, что он был воплощен в металле, и в России работал на линии Москва-Петербург уже 1862 году. С точки зрения нашей истории, это изобретение следует отнести к процессу фиксации электронного изображения на бумаге. Можно сказать, что это дата появления графического принтера с электрохимическим способом фиксации изображения. Следует отметить, что здесь мы видим одновременно и фиксацию, и визуализацию изображения. В дальнейшем, в электронной фотографии эти два процесса очень часто будут разделены и, в частности, в телевидении способы визуализации будут изобретены существенно раньше, чем способы сохранения изображения.
В 1873 году У.Смит (Willoughby Smith, 1828 – 1891) и его ассистент Жозеф Мей (Joseph May) открыли внутренний фотоэффект (фотопроводимость) - увеличение тока проводимости, возникающее при освещении исследуемого полупроводника. Это событие для сегодняшней фотографии имеет эпохальное значение, потому что был открыт тот самый способ регистрации, который используется сегодня в цифровых камерах. Причем это открытие не осталось незамеченным, и большое количество народа сразу же дали свои фантастические предложения по его практическому применению. В некоторых из них можно усмотреть почти идеальное описание современной камеры. Но предложить и осуществить – не одно и то же. И, возможно, идея сделать мозаику из селеновых фотоприемников достаточно тривиальна, чтобы не искать, кто ее предложил первый. А вот преодоление всех практических трудностей по созданию матрицы является выдающимся событием, для реализации которого нужно было сделать массу нетривиальных открытий, хотя они прямо и не ассоциируются с созданием фотоприемника.
В 1876 году Уильям Адамс(William Grylls Adams, 1836 – 1915) и его студент Р. Дей (R. E. Day) открыли фотогальванический эффект на границе двух твердых тел.
В 1878 – 80 годах Джордж Кери (George R. Carey, 1851 – ?) опубликовал ряд статей, в которых высказал и проиллюстрировал три предложения. В частности, была предложена электрическая камера на селене, называемая телектроскоп (telectroscope), и содержавшая, судя по дошедшим до нас рисункам, объектив и мозаику из селеновых элементов. Кроме того, он предложил вариант фототелеграфа с одним селеновым элементом, сканирующим изображение по спирали. Кери претендует на лавры родоначальника телевидения, еще одной ветви регистрации изображения, в рамках нашей истории.
В 1881 году Шелфорд Бидвелл (Shelford Bidwell), британский физик, изобрел "сканирующий фототелеграф". Для передачи изображений (диаграмм, карт и фотографий) в системе использовался материал селен и электрические сигналы. Фототелеграф, как и телевидение, решает две сложных проблемы: регистрацию изображения и передачу его на большие расстояния. Только успешное решение обеих этих задач делает это устройство коммерчески интересным. Нас же интересует только первая часть задачи. Возможно, уже в этом устройстве она решалась не хуже, чем в фототелеграфе Корна (см. ниже).
В 1881 году Константин Сенлек (Constantin Senlecq, 1842 – 1934) опубликовал один из первых проектов ТВ системы с механической разверткой.
В 1884 году Пауль Нипков (Paul Julius Gottlieb Nipkow, 1860 – 1940) получил патент на изобретенное им оптико-механическое устройство (диск с отверстиями по спирали) для преобразования изображения в последовательность сигналов (разложения телевизионного изображения на элементы при передаче и воспроизведении изображения при приеме). Эту дату можно считать еще одной веточкой на древе нашей истории, началом эпохи механического телевидения, поскольку результатом работ Нипкова стала первая телевизионная передача, осуществленная 18 апреля 1934 года. Механическое телевидение будет иметь долгую жизнь и через 80 лет после свого рождения будет использовано для передачи неподвижного фотографического изображения с поверхности Луны.
В 1885 году в первом номере журнала "Электричество" Порфирий Иванович Бахметьев(1860 – 1913) изложил несколько схем передачи изображения на расстоянии, в частности, схему с несколькими селеновыми элементами и схему с одним, сканирующим по спирали. Он же, что для нас особенно интересно, первым предложил название "Телефотограф", которое, однако, не привилось и впоследствии было вытеснено термином "Фототелеграф".
В 1887 году Генрих Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857 – 1894) открыл внешний фотоэффект.
В 1888 – 1890 годах Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896) провел исследования фотоэффекта и создал прообраз фотоэлемента. Электроны под действием света выходят с поверхности катода в вакуум или разреженный газ.
Как мы видим, внешний фотоэффект был открыт позже внутреннего. Пройдет еще 40 лет, и он станет доминирующим в получении изображения в фототелеграфах и в передающих телевизионных трубках.
В 1898 году Мечислав Вольфке (1883 – 1947) подал заявку на изобретение «телектроскопа», где предложил передавать сигнал телевизионного изображения не по проводам, а по радио.
В 1899 году (1900 г., по новому стилю) Александр Аполлонович Полумордвинов (1874 – 1942) подал заявку и получил привилегию на “Светораспределитель для аппарата, служащего для передачи изображений на расстояние со всеми цветами и их оттенками и всеми тенями”. Английский предприниматель и ученый Бэрд (John Logie Baird, 1888 – 1946), долгое время занимавшийся теоретическими разработками телевидения, купил у Полумордвинова патент (заявка N№ 10739 от 23.12.1899 г.), который предоставил ему реальные возможности изготовить аппарат. После некоторых усовершенствований Бэрду удалось в 1925 г. провести серию лабораторных испытаний опытного образца установки, осуществлявшей передачу цветного изображения на расстояние. А в 1928 г. он уже демонстрировал систему цветного телевидения широкой общественности.
В 1903-1906 годах немецкий физик Артур Корн (Arthur Korn, 1870 – 1945) создал фототелеграф, в котором происходит механическое сканирование изображения по двум координатам и освещается каждая точка в отдельности. Проходящий через нее свет воспринимается одним селеновым фотоприемником. 6 ноября 1906 года портрет изобретателя был отсканирован и передан на расстояние более 1000 км. Это устройство ничем принципиально не отличается от современных барабанных сканеров. Вероятно, Корн был не единственным, пытавшимся усовершенствовать фототелеграф Бидвелла образца 1881 года, но в 1906 году с помощью его устройства удалось передать изображение на максимальное расстояние.
Жорж Рину (George Rignoux) получил в 1906 и 1908 году патенты на аппарат, использовавший мозаику из ячеек селена для захвата изображения, и барабан с зеркалами. Сигнал от этого аппарата преобразовывался в последовательность вращающимся коммутатором.
В 1907 году Борис Львович Розинг (1869 – 1933) предложил способ воспроизведения изображения, основанный на яркостной модуляции электронного луча трубки Брауна сигналом фотоэлемента. Термин "Трубка Брауна", который до 40х годов ХХ века распространялся и на другие электронно-лучевые приборы, восходит в 1897 году, когда Карлом Фердинандом Брауном (Karl Ferdinand Braun, 1850 – 1919) был предложен осциллограф с электронно-лучевой трубкой. Браун не патентовал свой осциллограф, он сделал его доступным для всех исследователей и лично содействовал его распространению путем публичных демонстраций и публикаций в печати. Свободный доступ способствовал быстрому распространению и развитию конструкции многими другими учеными. На мой взгляд, это важный исторический аргумент за развитие свободно распространяемого программного обеспечения с открытыми исходными кодами. (В 1909 году Ф.Браун вместе с Г.Маркони получил Нобелевскую премию за создание беспроволочного телеграфа). Электронно-лучевая трубка Розинга фактически была уже полным прототипом кинескопа. Спустя 4 года он впервые в мире воспроизвел на ней простейшее изображение. Учитывая, что сегодня цифровые фотографии мы сперва рассматриваем на мониторе, и не все они пока жидкокристаллические, это событие имеет в нашей истории весьма важное значение.
В 1907 году Ованес Абгарович Адамян (1879 – 1932) получил привилегию на «приемник для изображений, электрически передаваемых с расстояний», который разработал в собственной лаборатории в Шарлоттенбурге под Берлином. Это была первая ТВ-система с одновременной передачей сигналов составляющих цветов. Накануне 1-й Мировой войны изобретатель переехал в Петербург. В 1925 г. он запатентовал последовательную систему, основанную на трехспиральном диске Нипкова с цветными фильтрами.
В 1908 году шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton, 1863 – 1930) печатает в журнале «Nature» статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке.
В 1916 Ефим Евграфович Горин (1881 – 1951) использовал фотопроводимость для получения изображения, назвав этот способ электрофотографией.
В 1924 году по заявке, сделанной в 1922 году, Борис Александрович Речеулов (1899 – 1942) получил патент на систему магнитной записи на движущуюся магнитную ленту с катушкой для ее намотки для записи и воспроизведения визуальных и звуковых сигналов. До сего момента фиксирование электронных изображений было уделом фототелеграфии, теперь же процессом фиксирования озаботились и создатели телевизионных систем.
В 1925 году Александр Алексеевич Чернышев (1887 – 1960) предложил трубку с внутренним фотоэффектом, которую можно считать прототипом видикона.
В 1930 году Александр Павлович Константинов (1895 – 1945) предложил трубку с накоплением зарядов двусторонней мишенью.
В 1931году Семен Исидорович Катаев (1904 – 1991) предложил трубку с мозаичным фотокатодом.
В 1932 году Владимир Козьмич Зворыкин (1889 – 1982) сделал первую работающую модель иконоскопа. Иконоскоп был действующей передающей телевизионной трубкой с мозаичным фотокатодом и накоплением зарядов, получаемых точечными фотоэлементами. Зворыкин решил задачу усиления столь малых токов, придав каждому элементу фотомозаики свойства конденсатора, линейно накапливающего заряд. Для этого ему вместе с помощниками пришлось решить сложную технологическую задачу - нанести на каждый квадратный сантиметр диэлектрической основы многие тысячи изолированных металлических элементов. Опытная телетрансляция с помощью этой аппаратуры начинается в 1932 г. Телепередающая станция мощностью в 2,5 кВт устанавливается на самом высоком здании Нью-Йорка - Эмпайр Стейт Билдинг. Доклад "Иконоскоп - современный вариант человеческого глаза", был сделан на годичной конференции Американского общества радиоинженеров в июне 1933 г.
Формально приоритет изобретения иконоскопа принадлежит С.И.Катаеву, на 51 день раньше подавшему заявку на трубку с трехслойной мишенью и накоплением зарядов. Однако первый советский прибор заработал только в 1934 году. Первые же заявки Зворыкина были поданы еще в 1923 году, но патент по ним выдан лишь в 1938. Как я уже раньше писал, предложение, конечно, - вещь хорошая, но суметь сделать куда сложнее.
Открытое распространение идей способствует их развитию, как показал опыт Ф. Брауна, но не всегда их воплощению, когда для этого нужны большие деньги. Зворыкин сформулировал это так: "К тому времени, - я понял, что работу над идеей, способной привести к коммерческому успеху, нужно камуфлировать до тех пор, пока возможность получения прибыли не станет очевидной для людей бизнеса. Ваша собственная убежденность не играет большой роли".
Электровакуумные приборы могли бы стать прекрасной основой электронной фотографии. Однако не стали, сыграв определяющую роль в развитии параллельной ветви телевидения. К тому же моменту, когда электронная фотография оказалась востребованной, их век уже кончился.
В 1933 году Павел Васильевич Шмаков (1885 – 1982) и Петр Васильевич Тимофеев(1902 – 1982) предлагают трубку со сплошным фотокатодом и переносом электронного изображения на диэлектрическую накопительную мишень.
В 1938 году Честер Флойд Карлсон (Chester F. Carlson, 1906 – 1968) взял патент на электрофотографический способ, назвав его ксерографией.
В 1951 году Александр Матвеевич Понятов (1892 – 1980) и его технические советники М.Столяров и В.Селстед рассмотрели и приняли за основу разработки предложенный инженером Ч.Гинзбургом способ записи ТВ сигналов путем вращения магнитных головок поперек движения ферромагнитной ленты. В апреле 1956 года фирма Ampex (по инициалам Понятова – А.М. - и слову exellence – превосходство) продемонстрировала действующий видеомагнитофон VR-1000. Эту дату можно считать ключевой в развитии электронной фотографии, поскольку, соединив телевизионную камеру с магнитофоном, мы получаем систему, способную регистрировать и сохранять изображение.
В 1957 году Руссель Кирш (Russell A. Kirsch, из National Bureau of Standards)отсканировал и оцифровал изображение. Отсканированное изображение было представлено в виде массива из 176х176 чисел.
В 1966 году советская космическая станция "Луна" мягко села на Луну и передала с высокой четкостью панорамные изображения лунной поверхности. Это можно считать высшим достижением механического телевидения. Один кадр состоял из 1500 вертикальных строчек, передавался он целых полтора часа! Телевизионная техника для исследования дальнего космоса, когда один кадр изображения передается иногда несколько часов, и теперь строится на принципах механического телевидения.
В 1969 году исследователи из Bell Laboratories - Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений.
В 1970 году исследователи из Bell Laboratories создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС.
В 1972 году компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием "Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений". В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор.
В 1973 году компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании.
В 1975 году инженер Стив Сассон (Steve J. Sasson), работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды).
В 1976 году фирма Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу
В 1980 году фирма Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы.
В 1981 году Sony выпускает зеркальную камеру со сменными объективами Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera) с разрешением 570×490 пикселей (0,28 Мп). Она записывала отдельные кадры в формате NTSC на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak.
В 1988 году компания Fuji совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. Запись изображения в формате NTSC на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со всроенной для поддержания целостности данных батарейкой.
В 1990 году выпущена камера Dycam Model 1, более известная как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376x240 пикселов и 1 Мб встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.
В 1991 году Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
В 1994 году Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный 1,5 Мп зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC 420. Кадры записываются на карту PCMCIA (type III).
В 1995 Minolta выпускает камеру RD175 с 3 матрицами по 0,38 Мп, каждая из которых предназначена для регистрации своей цветной составляющей. На выходе - изображение 1528 x 1146.
В 1999 году Minolta выпускает зеркальную камеру RD-3000 с двумя одновременно используемыми матрицами для увеличения площади кадра сумарным разрешением 2,7 Мп.
В 1999 году фирмой Sony выпущена 3 Мп ПЗС матрица SONY ICX252. Компактные камеры, построенные на этой матрице, начали реально конкурировать с пленочными. 4 января 2000 года анонсирована Casio QV-3000EX в которой использовалась эта матрица.
В 2000 году выпущена Canon EOS D30 - первая зеркалка с разумной ценой и конкурентоспособной КМОП матрицей.
В 2002 году Sigma выпускает камеру SD9 c трехслойной матрицей Foveon.
В 2003 году компаниями Olympus, Kodak и FujiFilm предложен стандарт 4:3, направленный на стандартизацию цифрового фотооборудования, и выпущена фотокамера Olympus Е-1 под этот стандарт.
В 2003 году компания FujiFilm выпускает камеру FinePix F700 с новой матрицей Super CCD SR. Отличительной особенностью этой матрицы является то, что на 3 млн. точек изображения приходится 6 млн. датчиков. Каждую точку обслуживают 2 датчика разной площади. Таким образом, предполагалагается существенно повысить динамический диапазон.
http://www.rwpbb.ru/test/nistfoto.html
Головня И.А. С чего начиналась фотография. М., 1991
Чибисов К.В. Очерки по истории фотографии. М., 1987.