Sensoren 1

Geschreven door Willy De Boeck.

DE RETINA VAN TELEVISIECAMERA’S

Dit is het eerste van een reeks van vijf artikels van de hand van gastauteur Willy De Boeck. Hij overloopt hierin de verschillende soorten lichtgevoelige sensoren, vanaf 1884 tot nu. Deze eerste aflevering bespreekt de mechanische systemen, van de schijf van Nipkow tot de "hoge definitie"-aftaster van Baird. Bij de wedren naar scherpere beelden wordt het in 1936 duidelijk dat de mechanische systemen het moeten afleggen tegenover de volledig elektronische. Die komen aan bod in de volgende artikels.

In de loop van het verhaal komen we heel wat uitvinders tegen. Hun levensloop was meestal minder saai dan we van "nerds" zouden verwachten. Als je op hun naam klikt kom je op hun Wikipediapagina terecht en weet je er meer over. 

 

Van Nipkow tot CMOS 1 : de mechanische oplossingen

Als men over het oog van een televisiecamera spreekt, denkt men onmiddellijk aan de lens, maar daarachter bevindt zich een dispositief dat met het netvlies van het menselijk oog kan worden vergeleken.  De cameralens komt overeen met de ooglens. 

De ooglens projecteert het waargenomen beeld op het netvlies.  Wat in een camera de functie vervult van de retina, is het beeldopneemsysteem, of anders gezegd, het lichtgevoelige element dat de optische informatie omzet in een elektrisch signaal, het beeld- of videosignaal.  Daarover handelt deze bijdrage.

Het lijkt niet te geloven in een tijd van alomtegenwoordige mini- en microcamera’s, maar toch is het zo.  De oertelevisie stoelde op een mechanisch systeem.  Jammer genoeg waren de beelden klein, circa 3 cm, en erg donker en er was een enorme hoeveelheid licht nodig aan de kant van de camera.

Maar laten wij de kar niet voor de paarden spannen en beginnen met het begin.

De Nipkowschijf

 octrooitekening

Paul NipkowTerwijl hij nog studeerde aan de Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlijn kwam Paul Nipkow (1860-1940) op het idee van een beeldopneem-/weergeefsysteem dat, door middel van een draaiende schijf met een reeks gaatjes in een spiraalvormige baan, een beeld zou overbrengen.  Hij vroeg een keizerlijk octrooi aan voor “een elektrische telescoop voor de elektrische weergave van belichte voorwerpen”.  Dit octrooi werd hem toegekend in 1885. Rechts ziet u de tekening uit het octrooi.

Blijkbaar heeft hij nooit gedacht zijn “Nipkow-schijf”, zoals ze nu wordt genoemd, praktisch uit te buiten want na afloop van zijn studies ging hij bij de Duitse Spoorwegen werken.

De tekening hieronder geeft het principe weer van de Nipkow-schijf.

NipkowschijfIn werkelijkheid zijn de afmetingen en de verhoudingen verschillend.  Een echte schijf heeft een diameter van bijvoorbeeld 40 cm.

De praktische toepassing van de Nipkow-schijf is te danken aan een Schot, John Logie Baird (1888-1946).

Nipkow kreeg voor de eerste keer de praktische toepassing van zijn systeem te zien in 1928 tijdens een demonstratie in Berlijn waarbij het mechanische televisiesysteem van de John Lorie Baird Company werd voorgesteld.

Het Baird-TV-systeem

De tekening hieronder toont een principe-opstelling van de Baird-camera.

image017 

De scène wordt sterk belicht want door de kleine gaatjes valt weinig licht op de fotocel die een elektrisch signaal opwekt evenredig met de lichtsterkte van het scènepunt dat op dat moment door het gaatje valt.  Om de hoeveelheid licht op de fotocel te verhogen werden er in een latere versie kleine lenzen in de gaatjes geplaatst.

Andere opstellingen zijn ook mogelijk zoals de onderstaande figuur toont.

image019

Een sterke lichtbron wekt het licht op dat via de gaatjes in de draaiende schijf op de scène wordt geprojecteerd.

Deze opstelling staat bekend als het “flying spot-systeem”.  Een methode van beeldanalyse die later ook in sommige filmaftasters (telecinema’s) zal worden toegepast.

 Bairdcamera

Links een camera waarop de Nipkow-schijf duidelijk te zien is aan de voorkant onderaan.

Die camera had een optische beeldzoeker waardoor de cameraman het beeld omgekeerd zag.  Als de persoon voor de camera naar links bewoog, zag de cameraman het beeld ervan naar rechts verschuiven en opwaartse bewegingen zag hij als neerwaartse verplaatsingen.  Geen gemakkelijk werk.

Baird 

De foto hiernaast toont Baird voor een immobiel camera-systeem met twee marionet-koppen die met een hoog contrast geschilderd waren.  Op dat moment (1925) was het Baird-systeem nog niet voldoende ontwikkeld om het lage contrast van het menselijk gelaat te kunnen verwerken.

De Baird-ontvanger berust op hetzelfde principe als de camera.  Een neonlamp wordt gevoed door het videosignaal en wekt een hoeveelheid licht op die afhankelijk is van de signaalsterkte.  Dit licht valt door de gaatjes van de draaiende schijf op een lens die ofwel rechtstreeks kan worden bekeken of op een projectievlak, doorschijnend of niet, waarop het beeld zichtbaar wordt.

Met een dergelijk systeem is het beeld echter weinig helder.  De definitie hangt af van het aantal gaatjes in zowel de camera- als de ontvangerschijf.  In het begin bedroeg de hoeveelheid 30 lijnen (in feite boogsegmenten) met 20 beelden per seconde.  Afhankelijk van de plaats van het beeldvenster in de camera en de ontvanger worden de lijnen verticaal of horizontaal geschreven.

 image028

 Niet enkel in Groot-Brittanië, ook in Duitsland werd er druk gezocht naar een bruikbaar TV-systeem. In 1929 publiceerde de Duitse overheid de eerste televisienorm ter wereld, met 30 lijnen. Rond dezelfde tijd bracht de firma Tekade een zelfbouwkit op de markt, de Telehor, gebaseerd op de vindingen van Denis de Mihaly. Het werkte op 30 lijnen, maar had weinig succes. Op de foto zien we een exemplaar zoals in onze collectie. Rechts van de schijf bevindt zich de "glimlamp", een neonlamp; er zijn twee posities,  voor het Duitse en Engelse systeem. Links van de schijf het "fonisch rad" en twee spoelen, nodig voor de synchronisatie met de zender. Daartoe dienen ook de twee hendels. Het beeld moest men bekijken met een vergrotingslens. Met meer lijnen werd de kwaliteit snel beter. Op de schermfoto's vinden we boven een beeld met 30 lijnen, onder met 96.

tvnorm 1929redtelehor30vs96lijnen 

Van 1926 af voerde de Baird Company proeven uit met het mechanische televisiesysteem.  Na een paar jaren nam de BBC het roer in handen en startte proefuitzendingen op zijn radiozenders.

De firma EMI-Marconi was toen ook al bezig met het ontwerpen van een totaal elektronische ontvanger.  Dit was mogelijk geworden door de uitvinding van de kathodestraalbuis door de Duitser Ferdinand Braun (1850-1918) in 1897.

EMI-Marconi stelde zijn elektronische ontvanger voor aan de BBC maar het beeld was van slechte kwaliteit en werd voorlopig niet aanvaard.  Het was evenwel een geduchte concurrent van het Baird-systeem.

Toen begon de strijd om het aantal lijnen per beeld.  Het maximum dat Baird kon realiseren met zijn mechanisch systeem was 240 lijnen.  Ondertussen was de weergeefkwaliteit van de EMI-Marconi-ontvanger stukken beter geworden en kon er met 405 lijnen worden gewerkt.

In 1929 had Philo Farnsworth (1906-1971) een elektronische beeldopneembuis ontworpen (de image dissector) die in de nieuwste televisiecamera’s werd ingebouwd, zodat een volledig elektronisch televisiesysteem mogelijk werd.

Vanaf 2 november 1936 startte de BBC met proefuitzendingen, afwisselend een dag met het Baird- en een dag met het EMI-Marconi-systeem. Het bleek al snel dat het elektronische systeem superieur was, en op 30 januari 1937 werden de uitzendingen van Baird gestaakt.

Op 1 juli 1967 start de BBC met kleuruitzendingen in 625 lijnen. Voor zwartwit werden de uitzendingen in 405 lijnen behouden tot 3 januari 1985.

Baird was van veel markten thuis als het er op aan kwam zijn systeem te vervolmaken. Hij vond zelfs een manier om de TV-beelden op te nemen op een grammofoonplaat : Phonovision, de eerste beeldplaat ter wereld. Jammer genoeg had hij geen manier om de beelden terug weer te geven. Een Brits wetenschapper heeft er zich een aantal jaar geleden aan gewijd. Het resultaat vindt u (met verklarende uitleg) op onderstaand youtubefragment.

 

Tenslotte : 

edison Wireless World, februari 1928

Een interessant programma met veel beeldmateriaal gewijd aan de geschiedenis van de televise vindt u hier .

 

 Klik hier voor het volgende artikel.

_____________________________________________________________________________