Диск Нипкова (иногда англизированный как диск Нипкова; запатентован в 1884 году), также известный как сканирующий диск , представляет собой механическое, вращающееся, геометрически работающее устройство сканирования изображений , запатентованное Паулем Готлибом Нипковым в Берлине . [1] Этот сканирующий диск был фундаментальным компонентом механического телевидения и, следовательно, первых телевизоров в 1920-х и 1930-х годах. [2]
Устройство представляет собой механически вращающийся диск из любого подходящего материала (металла, пластика, картона и т. д.) с рядом просверленных на равном расстоянии круглых отверстий одинакового диаметра . Отверстия также могут быть квадратными для большей точности. Эти отверстия расположены так, чтобы образовывать одновитковую спираль , начинающуюся от внешней радиальной точки диска и идущую к центру диска. Когда диск вращается, отверстия образуют круговые кольцевые узоры, внутренний и внешний диаметр которых зависят от положения каждого отверстия на диске, а толщина равна диаметру каждого отверстия. Узоры могут частично перекрываться, а могут и не перекрываться, в зависимости от точной конструкции диска. Линза проецирует изображение сцены перед ней прямо на диск. [3] Каждое отверстие в спирали занимает «срез» изображения, которое воспринимается датчиком как временной образец света и темноты. Если датчик предназначен для управления светом за вторым диском Нипкова, вращающимся синхронно с той же скоростью и в том же направлении, изображение будет воспроизводиться построчно. Размер воспроизводимого изображения снова определяется размером диска; диск большего размера создает изображение большего размера.
При вращении диска и наблюдении за объектом «сквозь» диск, желательно через сравнительно небольшой круговой сектор диска ( окно просмотра ), например угловую четверть или восьмую часть диска, объект кажется «сканированным» построчно , сначала по длине или высоте или даже по диагонали, в зависимости от того, какой именно сектор выбран для наблюдения. Если вращать диск достаточно быстро, объект кажется законченным и становится возможным запечатлеть движение . Это можно интуитивно понять, накрыв весь диск, кроме небольшой прямоугольной области, черным картоном (который остается фиксированным), вращая диск и наблюдая за объектом через небольшую область.
Одним из преимуществ использования диска Нипкова является то, что датчик изображения (то есть устройство, преобразующее свет в электрические сигналы) может быть таким же простым, как одиночный фотоэлемент или фотодиод , поскольку в каждый момент времени через диск видна только очень небольшая область. диск (и область просмотра), поэтому разложение изображения на строки выполняется практически само по себе, без необходимости синхронизации строк сканирования и с очень высоким разрешением строки сканирования . Простое устройство для сбора данных можно построить, используя электродвигатель, приводящий в движение диск Нипкова, небольшую коробку, содержащую один светочувствительный (электрический) элемент, и обычное устройство фокусировки изображения (линзу, темный ящик и т. д.).
Другое преимущество состоит в том, что приемное устройство очень похоже на устройство сбора данных, за исключением того, что светочувствительное устройство заменено переменным источником света, управляемым сигналом, подаваемым устройством сбора данных. Необходимо также придумать какие-то средства синхронизации дисков на двух устройствах (возможны несколько вариантов — от ручного до электронных управляющих сигналов).
Эти факты очень помогли в создании первого механического телевидения, созданного шотландским изобретателем Джоном Логи Бэрдом , а также первых сообществ «телеэнтузиастов» и даже экспериментальных имиджевых радиопередач в 1920-х годах.
Разрешение по строке сканирования диска Нипкова потенциально очень высокое, поскольку это аналоговое сканирование. Однако максимальное количество строк развертки гораздо более ограничено и равно количеству отверстий на диске, которое на практике варьировалось от 30 до 100, при этом тестировались редкие диски с 200 отверстиями.
Еще один недостаток диска Нипкова как устройства сканирования изображений : линии развертки представляют собой не прямые линии, а кривые . Таким образом, идеальный диск Нипкова должен иметь либо очень большой диаметр, что означает меньшую кривизну , либо очень узкое угловое отверстие окна просмотра. Другим способом получения приемлемых изображений было бы просверливание отверстий меньшего размера (в масштабе миллиметра или даже микрометра ) ближе к внешним секторам диска, но технологическая эволюция отдала предпочтение электронным средствам получения изображений.
Еще один существенный недостаток заключался в воспроизведении изображений на приемной стороне передачи, что также достигалось с помощью диска Нипкова. Изображения обычно были очень маленькими, такими же маленькими, как поверхность, используемая для сканирования, которая при практическом применении механического телевидения была размером с почтовую марку в случае диска диаметром от 30 до 50 см.
К дополнительным недостаткам относятся нелинейная геометрия сканируемых изображений и непрактичный размер диска, по крайней мере, в прошлом. Диски Нипкова, использовавшиеся в первых телевизионных приемниках, имели диаметр от 30 до 50 см и имели от 30 до 50 отверстий. Устройства, использующие их, также были шумными и тяжелыми, с очень низким качеством изображения и сильным мерцанием. Часть системы съемки была не намного лучше, поскольку требовала очень мощного освещения объекта.
У дисковых сканеров есть одно общее ограничение с диссектором изображений Фарнсворта . Свет передается в сенсорную систему, когда небольшая апертура сканирует все поле зрения. Фактическое количество собираемого света происходит мгновенно, через очень маленькую апертуру, а чистый выход составляет лишь микроскопический процент падающей энергии.
Иконоскопы (и их преемники) непрерывно накапливают энергию на цели, тем самым интегрируя энергию с течением времени. Система сканирования просто «отбирает» накопленный заряд, когда он проносится мимо каждого участка цели. Простые расчеты показывают, что для одинаково чувствительных светочувствительных рецепторов иконоскоп в сотни и тысячи раз чувствительнее диска или сканера Фарнсворта.
Сканирующий диск можно заменить многоугольным зеркалом, но здесь возникает та же проблема – отсутствие интеграции с течением времени.
Помимо вышеупомянутого механического телевидения, которое не стало популярным по упомянутым выше практическим причинам, диск Нипкова используется в одном типе конфокального микроскопа — мощном оптическом микроскопе .