Введение
Диск Нипкова (иногда англицизированный как диск Нипкова; запатентован в 1884 году), также известный как сканирующий диск, — это механическое вращающееся устройство геометрического сканирования изображения, запатентованное Полом Готтлибом Нипковым в Берлине. Этот сканирующий диск был ключевым компонентом механического телевидения и, соответственно, первых телевизоров в 1920-х и 1930-х годах.
A Nipkow disk (sometimes Anglicized as Nipkov disk; patented in 1884), also known as scanning disk, is a mechanical, rotating, geometrically operating image scanning device, patented by Paul Gottlieb Nipkow in Berlin. This scanning disk was a fundamental component in mechanical television, and thus the first televisions, through the 1920s and 1930s.
Операция
Устройство представляет собой механически вращающийся диск из любого подходящего материала (металла, пластика, картона и т. д.), в котором просверлены ряды равноудаленных круглых отверстий одинакового диаметра. Для повышения точности отверстия могут быть квадратными. Эти отверстия расположены таким образом, что образуют одну спираль, начинающуюся от внешней радиальной точки диска и ведущую к его центру. При вращении диска отверстия описывают круговые кольцевые узоры, внутренний и внешний диаметры которых зависят от положения каждого отверстия на диске, а толщина равна диаметру каждого отверстия. Эти узоры могут частично перекрываться или не перекрываться, в зависимости от конкретной конструкции диска. Объектив проецирует изображение сцены непосредственно на диск. Каждое отверстие в спирали захватывает "срез" изображения, который датчик воспринимает как временной рисунок света и тени. Если датчик используется для управления источником света за вторым диском Нипкова, вращающимся синхронно с той же скоростью и в том же направлении, изображение будет воспроизводиться построчно. Размер воспроизводимого изображения определяется размером диска: больший диск создает большее изображение. При вращении диска во время наблюдения за объектом "сквозь" диск, предпочтительно через относительно небольшой круговой сектор диска (видовое окно), например, четверть или восьмую часть диска, объект кажется "сканированным" построчно – сначала по длине, высоте или даже по диагонали, в зависимости от выбранного сектора наблюдения. При достаточно высокой скорости вращения диска объект кажется цельным, и становится возможна фиксация движения. Это можно интуитивно понять, закрыв всю поверхность диска, кроме небольшого прямоугольного участка, черным картоном (который остается неподвижным), вращая диск и наблюдая объект через этот участок.
Недостатки
Разрешение вдоль линии сканирования диска Нипкова потенциально очень высоко, поскольку это аналоговое сканирование. Однако максимальное количество линий сканирования значительно ограничено и равно числу отверстий в диске, которое на практике варьировалось от 30 до 100, при редких испытаниях дисков с 200 отверстиями. Другой недостаток диска Нипкова как устройства сканирования изображений заключается в том, что линии сканирования не являются прямыми, а представляют собой кривые. Следовательно, идеальный диск Нипкова должен иметь либо очень большой диаметр, что уменьшает кривизну, либо очень узкий угловой обзор его видового окна. Другой способ получения приемлемых изображений – сверление небольших отверстий (миллиметрового или даже микрометрового масштаба) ближе к внешним секторам диска, но технологическое развитие склонилось к электронным средствам получения изображений. Еще одним существенным недостатком было воспроизведение изображений на принимающей стороне передачи, которое также осуществлялось с помощью диска Нипкова. Изображения обычно были очень маленькими, размером с область сканирования, которая в практических реализациях механического телевидения достигала размеров почтовой марки при использовании диска диаметром от 30 до 50 см. К другим недостаткам относятся нелинейная геометрия отсканированных изображений и непрактичный размер диска, по крайней мере, в прошлом. Диски Нипкова, использовавшиеся в ранних телевизионных приемниках, имели диаметр примерно от 30 до 50 см и содержали от 30 до 50 отверстий. Устройства, использующие их, также были шумными, тяжелыми, с очень низким качеством изображения и значительным мерцанием. Система захвата изображения также не была намного лучше, требуя очень мощного освещения объекта. Сканирующие диски имеют важное ограничение, общее с диссектором изображения Фарнсворта. Свет поступает в систему датчиков, когда небольшая апертура сканирует все поле зрения. Фактическое количество собранного света происходит мгновенно, через очень маленькую апертуру, а общий выход составляет лишь микроскопический процент падающей энергии. Иконоскопы (и их преемники) непрерывно накапливают энергию на мишени, тем самым интегрируя энергию во времени. Система сканирования просто "снимает" накопленный заряд при прохождении мимо каждой точки на мишени. Простые расчеты показывают, что для фоточувствительных рецепторов с одинаковой чувствительностью иконоскоп в сотни и тысячи раз чувствительнее, чем диск или сканер Фарнсворта. Сканирующий диск можно заменить многогранным зеркалом, но оно страдает от той же проблемы – отсутствия интеграции во времени.
Приложения
Помимо вышеупомянутого механического телевидения, которое не получило распространения по указанным выше практическим причинам, диск Нипкова применяется в одном из типов конфокального микроскопа – мощного оптического микроскопа.