Диск Нипкова (иногда англизированный как диск Нипкова; запатентован в 1884 году), также известный как сканирующий диск , представляет собой механическое вращающееся геометрически работающее сканирующее устройство изображения , запатентованное Паулем Готлибом Нипковым в Берлине . [1] Этот сканирующий диск был основным компонентом механического телевидения , и, таким образом, первых телевизоров , в 1920-х и 1930-х годах. [2]
Устройство представляет собой механически вращающийся диск из любого подходящего материала (металл, пластик, картон и т. д.) с серией равноудаленных круглых отверстий одинакового диаметра , просверленных в нем. Отверстия также могут быть квадратными для большей точности. Эти отверстия расположены так, чтобы образовать одновитковую спираль, начинающуюся от внешней радиальной точки диска и продолжающуюся к центру диска. Когда диск вращается, отверстия очерчивают круговые кольцевые узоры с внутренним и внешним диаметром , зависящим от положения каждого отверстия на диске, и толщиной, равной диаметру каждого отверстия. Узоры могут частично перекрываться или не перекрываться, в зависимости от точной конструкции диска. Линза проецирует изображение сцены перед собой непосредственно на диск. [3] Каждое отверстие в спирали делает «срез» изображения, который улавливается датчиком как временной узор света и темноты. Если датчик настроен на управление светом позади второго диска Нипкова, вращающегося синхронно с той же скоростью и в том же направлении, изображение будет воспроизводиться построчно. Размер воспроизводимого изображения снова определяется размером диска: больший диск создает большее изображение.
При вращении диска с одновременным наблюдением объекта «сквозь» диск, желательно через относительно 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 точного сектора, выбранного для наблюдения. При достаточно быстром вращении диска объект кажется полным, и становится возможным запечатлеть движение . Это можно интуитивно понять, накрыв весь диск, кроме небольшой прямоугольной области, черным картоном (который остается неподвижным), вращая диск и наблюдая объект 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 один фотоэлемент или фотодиод , поскольку в каждый момент времени через диск (и окно просмотра) видна только очень маленькая область, и поэтому разложение изображения на строки выполняется практически само по себе с небольшой потребностью в синхронизации строк сканирования и очень высоким разрешением строк сканирования . Простое устройство 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 заключается 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. Также необходимо разработать некоторые средства синхронизации дисков на двух устройствах (возможны несколько вариантов, от ручных до электронных сигналов управления).
Эти факты оказали огромную помощь в создании первого механического телевидения, созданного шотландским изобретателем Джоном Лоуги Бэрдом , а также в создании первых сообществ «любителей телевидения» и даже экспериментальных радиопередач изображений в 1920-х годах.
Разрешение вдоль скан-линии диска Нипкова потенциально очень высокое, поскольку это аналоговое сканирование. Однако максимальное количество скан-линий гораздо более ограничено, поскольку равно количеству отверстий на диске, которое на практике варьировалось от 30 до 100, при этом были протестированы редкие диски с 200 отверстиями.
Еще один недостаток диска Нипкова как устройства для сканирования изображений : линии сканирования не прямые, а кривые . Поэтому идеальный диск Нипкова должен иметь либо очень большой диаметр, что означает меньшую кривизну , либо очень узкое угловое отверстие его окна просмотра. Другим способом получения приемлемых изображений было бы сверление отверстий меньшего размера (миллиметрового или даже микрометрового масштаба) ближе к внешним секторам диска, но технологическая эволюция отдала предпочтение электронным средствам получения изображений.
Другим существенным недостатком было воспроизведение изображений на приемном конце передачи, что также достигалось с помощью диска Нипкова. Изображения обычно были очень маленькими, такими же маленькими, как и поверхность, используемая для сканирования, которая, с практическими реализациями механического телевидения , была размером с почтовую марку в случае диска диаметром от 30 до 50 см.
Другие недостатки включают нелинейную геометрию сканированных изображений и непрактичный размер диска, по крайней мере в прошлом. Диски Нипкова, используемые в ранних телевизионных приемниках, имели диаметр примерно от 30 см до 50 см и имели от 30 до 50 отверстий. Устройства, использующие их, также были шумными и тяжелыми, с очень низким качеством изображения и большим количеством мерцания. Часть системы, отвечающая за получение изображения, была не намного лучше, требуя очень мощного освещения объекта.
Дисковые сканеры имеют одно и то же основное ограничение с диссектором изображений Фарнсворта . Свет передается в сенсорную систему, когда маленькая апертура сканирует все поле зрения. Фактическое количество собранного света происходит мгновенно, через очень маленькую апертуру, а чистый выход составляет лишь микроскопический процент падающей энергии.
Иконоскопы (и их последователи) накапливают энергию на цели непрерывно, тем самым интегрируя энергию с течением времени. Сканирующая система просто «снимает» накопленный заряд, когда он проносится мимо каждого участка на цели. Простые расчеты показывают, что для одинаково чувствительных светочувствительных рецепторов иконоскоп в сотни или тысячи раз чувствительнее, чем диск или сканер Фарнсворта.
Сканирующий диск можно заменить полигональным зеркалом, но в этом случае возникает та же проблема — отсутствие интеграции с течением времени.
Помимо вышеупомянутого механического телевидения, которое не получило распространения по указанным выше практическим причинам, диск Нипкова используется в одном из типов конфокальных микроскопов — мощном оптическом микроскопе .