Mechanical television

Mechanical television or mechanical scan television is a television system that relies on a mechanical scanning device, such as a rotating disk with holes in it or a rotating mirror, to scan the scene and generate the video signal, and a similar mechanical device at the receiver to display the picture. This contrasts with modern television technology, which uses electronic scanning methods, for example electron beams in cathode ray tube (CRT) televisions, and liquid-crystal displays (LCD), to create and display the picture. Mechanical-scanning methods were used in the earliest experimental television systems in the 1920s and 1930s. One of the first experimental wireless television transmissions was by John Logie Baird on November 25, 1925, in London. By 1928 many radio stations were broadcasting experimental television programs using mechanical systems. However the technology never produced images of sufficient quality to become popular with the public. Mechanical-scan systems were largely superseded by electronic-scan technology in the mid-1930s, which was used in the first commercially successful television broadcasts which began in the late 1930s in Great Britain. A mechanical television receiver is also called a televisor in some countries.

The Nipkow disk. This schematic shows the circular paths traced by the holes, that may also be square for greater precision. The area of the disk outlined in black shows the region scanned.

The invention of the television was the work of many people in the 19th century and early 20th century. Facsimile transmission systems for still photographs pioneered methods of mechanical scanning of images in early 19th century. Alexander Bain introduced the facsimile machine in 1843 to 1846. Frederick Bakewell demonstrated a working laboratory version in 1851. The first practical facsimile system, working on telegraph lines, was developed and put into service by Giovanni Caselli from 1856 onward. Willoughby Smith discovered the photoconductivity of the element selenium in 1873, laying the groundwork for the selenium cell phototube which was used as a pickup in most mechanical scan systems. As a 23-year-old German university student, Paul Julius Gottlieb Nipkow proposed and patented the Nipkow disk in 1884. This was a spinning disk with a spiral pattern of holes in it, so each hole scanned a line of the image. Although he never built a working model of the system, Nipkow's spinning-disk "image rasterizer" was the key mechanism used in most mechanical scan systems, in both the transmitter and receiver. Constantin Perskyi had coined the word television in a paper read to the International Electricity Congress at the International World Fair in Paris on August 25, 1900. Perskyi's paper reviewed the existing electromechanical technologies, mentioning the work of Nipkow and others. However, it was not until 1907 that developments in amplification tube technology, by Lee de Forest and Arthur Korn among others, made the design practical. The first demonstration of the instantaneous transmission of images was by Georges Rignoux and A. Fournier in Paris in 1909. A matrix of 64 selenium cells, individually wired to a mechanical commutator, served as an electronic retina. In the receiver, a type of Kerr cell modulated the light and a series of variously angled mirrors attached to the edge of a rotating disc scanned the modulated beam onto the display screen. A separate circuit regulated synchronization. The 8x8 pixel resolution in this proof-of-concept demonstration was just sufficient to clearly transmit individual letters of the alphabet. An updated image was transmitted "several times" each second. In 1911, Boris Rosing and his student Vladimir Zworykin created a system that used a mechanical mirror-drum scanner to transmit, in Zworykin's words, "very crude images" over wires to the "Braun tube" (cathode ray tube or "CRT") in the receiver. Moving images were not possible because, in the scanner, "the sensitivity was not enough and the selenium cell was very laggy".

Television demonstrations

By the 1920s when amplification made television practical, Scottish inventor John Logie Baird employed the Nipkow disk in his prototype video systems. On March 25, 1925, Baird gave the first public demonstration of televised silhouette images in motion, at Selfridge's Department Store in London. Since human faces had inadequate contrast to show up on his primitive system, he televised a ventriloquist's dummy named "Stooky Bill" talking and moving, whose painted face had higher contrast. By January 26, 1926, he demonstrated the transmission of image of a face in motion by radio. This is widely regarded as first television demonstration. Baird's system used the Nipkow disk for both scanning the image and displaying it. A bright light shining through a spinning Nipkow disk set with lenses projected a bright spot of light which swept across the subject. A selenium photoelectric tube detected the light reflected from the subject and converted it into a proportional electrical signal. This was transmitted by AM radio waves to a receiver unit, where the video signal was applied to a neon light behind a second Nipkow disk rotating synchronized with the first. The brightness of the neon lamp was varied in proportion to the brightness of each spot on the image. As each hole in the disk passed by, one scan line of the image was reproduced. Baird's disk had 30 holes, producing an image with only 30 scan lines, just enough to recognize a human face. In 1927, Baird transmitted a signal over 438 miles (705 km) of telephone line between London and Glasgow. In 1928, Baird's company (Baird Television Development Company/Cinema Television) broadcast the first transatlantic television signal, between London and New York, and the first shore-to-ship transmission. In 1929, he became involved in the first experimental mechanical television service in Germany. In November of the same year, Baird and Bernard Natan of Pathé established France's first television company, Télévision-Baird-Natan. In 1931, he made the first outdoor remote broadcast, of the Epsom Derby. In 1932, he demonstrated ultra-short wave television. Baird's mechanical system reached a peak of 240-lines of resolution on BBC television broadcasts in 1936 though the mechanical system did not scan the televised scene directly. Instead a 17.5mm film was shot, rapidly developed and then scanned while the film was still wet.

An American inventor, Charles Francis Jenkins also pioneered the television. He published an article on "Motion Pictures by Wireless" in 1913, but it was not until December 1923 that he transmitted moving silhouette images for witnesses, and it was on June 13, 1925, that he publicly demonstrated synchronized transmission of silhouette pictures. In 1925 Jenkins used Nipkow disk and transmitted the silhouette image of a toy windmill in motion, over a distance of five miles from a naval radio station in Maryland to his laboratory in Washington, D.C., using a lensed disk scanner with a 48-line resolution. He was granted the U.S. patent No. 1,544,156 (Transmitting Pictures over Wireless) on June 30, 1925 (filed March 13, 1922). On December 25, 1925, Kenjiro Takayanagi demonstrated a television system with a 40-line resolution that employed a Nipkow disk scanner and CRT display at Hamamatsu Industrial High School in Japan. This prototype is still on display at the Takayanagi Memorial Museum in Shizuoka University, Hamamatsu Campus. By 1927, he improved the resolution to 100 lines, which was unrivaled until 1931. By 1928, he was the first to transmit human faces in half-tones. His work had an influence on the later work of Vladimir K. Zworykin. By 1935, Takayanagi had invented the first all-electronic television.  His research in creating a production model was halted by the US after Japan lost World War II. 

Herbert E. Ives and Frank Gray of Bell Telephone Laboratories gave a dramatic demonstration of mechanical television on April 7, 1927. The reflected-light television system included both small and large viewing screens. The small receiver had a two-inch-wide by 2.5-inch-high screen. The large receiver had a screen 24 inches wide by 30 inches high. Both sets were capable of reproducing reasonably accurate, monochromatic moving images. Along with the pictures, the sets also received synchronized sound. The system transmitted images over two paths: first, a copper wire link from Washington to New York City, then a radio link from Whippany, New Jersey. Comparing the two transmission methods, viewers noted no difference in quality. Subjects of the telecast included Secretary of Commerce Herbert Hoover. A flying-spot scanner beam illuminated these subjects. The scanner that produced the beam had a 50-aperture disk. The disc revolved at a rate of 18 frames per second, capturing one frame about every 56 milliseconds. (Today's systems typically transmit 30 or 60 frames per second, or one frame every 33.3 or 16.7 milliseconds respectively.) Television historian Albert Abramson underscored the significance of the Bell Labs demonstration: "It was in fact the best demonstration of a mechanical television system ever made to this time. It would be several years before any other system could even begin to compare with it in picture quality." In 1928, General Electric launched their own experimental television station W2XB, broadcasting from the GE plant in Schenectady, New York. The station was popularly known as "WGY Television", named after the GE owned radio station WGY. The station eventually converted to an all-electronic system in the 1930s and in 1942, received a commercial license as WRGB. The station is still operating today. Meanwhile, in the Soviet Union, Léon Theremin had been developing a mirror drum-based television, starting with 16 lines resolution in 1925, then 32 lines and eventually 64 using interlacing in 1926, and as part of his thesis on May 7, 1926, he electrically transmitted and then projected near-simultaneous moving images on a five-foot square screen. By 1927 he achieved an image of 100 lines, a resolution that was not surpassed until 1931 by RCA, with 120 lines. Because only a limited number of holes could be made in the disks, and disks beyond a certain diameter became impractical, image resolution on mechanical television broadcasts was relatively low, ranging from about 30 lines up to 120 or so. Nevertheless, the image quality of 30-line transmissions steadily improved with technical advances, and by 1933 the UK broadcasts using the Baird system were remarkably clear. A few systems ranging into the 200-line region also went on the air. Two of these were the 180-line system that Compagnie des Compteurs (CDC) installed in Paris in 1935, and the 180-line system that Peck Television Corp. started in 1935 at station VE9AK in Montreal.

Đĩa Nipkow. Sơ đồ này cho thấy các đường tròn truy tìm bằng các lỗ, mà cũng có thể là hình vuông cho độ chính xác cao hơn. Các khu vực của đĩa được viền khung đen cho thấy khu vực quét. 

Sự phát triển của công nghệ truyền hình có thể được thực hiện trên 2 phạm vi: các phát triển trên phương diện cơ học và điện tử học, và các phát triển hoàn toàn trên điện tử học. Sự phát triển thứ hai là nguồn gốc của các tivi hiện đại, nhưng những điều trên không thể thực hiện nếu không có sự phát hiện và sự thấu hiểu từ hệ thống cơ khí.

Hệ thống truyền tải fax cho hình ảnh tiên phong trong phương pháp quét cơ học của hình ảnh trong đầu thế kỷ 19. Alexander Bain giới thiệu máy fax năm 1843 đến 1846. Frederick Bakewell giới thiệu một phiên bản của máy fax trong phòng thí nghiệm vào năm 1951. Willoughby Smith phát hiện ra quang dẫn của nguyên tố selen vào năm 1873. Một sinh viên người Đức Paul Gottlieb Nipkow đưa ra phát kiến hệ thống tivi cơ điện tử đầu tiên năm 1884. Đây là một đĩa quay với một mô hình xoắn ốc với các lỗ trên đĩa, vì vậy mỗi lỗ quét một dòng của hình ảnh. Mặc dù Nipkow không bao giờ xây dựng một mô hình hoạt động thực sự, các biến thể của vòng quay đĩa Nipkow trở nên cực kỳ phổ biến. Constantin Perskyi đã đặt ra thuật ngữ truyền hình trong bài báo đọc ở Đại hội Điện Quốc tế tại Hội chợ Thế giới Quốc tế ở Paris vào ngày 25/08/1900. Bài báo của Perskyi xem xét các công nghệ cơ điện hiện có, đề cập đến công việc của Nipkow và những người khác. Tuy nhiên, phải tới năm 1907, sự phát minh của công nghệ ống phóng đại do Lee de Forest và Arthur Korn đưa ra mới biến các thiết kế trên thành hiện thực. Buổi trình diễn đầu tiên của việc truyền tải tức thời của hình ảnh được Georges Rignoux và A. Fournier trình bày tại Paris vào năm 1909. Một ma trận của 64 ô chứa selen, từng ô nối dây vào một bộ chuyển mạch cơ khí, được coi như một võng mạc điện tử. Trong máy thu, một tập hợp ô Kerr phát ánh sáng và một loạt các gương góc khác nhau gắn vào các cạnh của một đĩa quay quét chùm tia tạo ra được lên màn hình hiển thị. Một mạch riêng biệt xử lý việc đồng bộ hóa. Độ phân giải 8x8 pixel trong màn trình trình diễn lý thuyết này chỉ đủ để truyền tải rõ ràng các chữ cái của bảng chữ cái. Một hình ảnh được cập nhật đã được truyền "nhiều lần" mỗi giây. Năm 1911, Boris Rosing và học trò của ông Vladimir Kosma Zworykin thành công trong việc tạo ra hệ thống tivi sử dụng bộ phân hình gương để phát hình, theo Zworykin, "các hình rất thô" qua các dây tới ống điện tử Braun (ống cathode) trong đầu nhận. Các hình chuyển động là không thể, bởi vì bộ phân hình, có "độ nhạy cảm không đủ và các phân tử selen quá chậm". Rosing bị Stalin đày đến Arkhangelsk năm 1931 và qua đời năm 1933, nhưng Zworykin sau đó quay lại làm việc cho RCA để xây dựng tivi điện tử, thiết kế này sau đó bị phát hiện là vi phạm bản quyền của Philo Farnsworth, người đã công bố hệ thông phát hình đầu tiên từ năm 1928 trước đó.

Baird trong năm 1925 với thiết bị vô tuyến và các người nộm "James" & "Stooky Bill" của ông 

Đến những năm 1920 khi sự khuếch đại truyền hình đi vào thực tiễn, Baird sử dụng đĩa Nipkow trong các hệ thống video mẫu của ông. Ngày 25 tháng 3 năm 1925, nhà phát minh người Scotland John Logie Baird đã cho trình diễn lần đầu tiên của hình ảnh trên truyền hình chiếu bóng di động tại Department Store Selfridge ở London. Vì hình mặt người có độ tương phản không đủ để hiển thị trên hệ thống thô sơ này, Baird truyền đi ảnh của một hình nộm "Stooky Bill" nói chuyện và di chuyển, với khuôn mặt được vẽ có độ tương phản cao hơn. Ngày 26 tháng 1 năm 1926 Baird đã chứng minh việc truyền tải hình ảnh của một khuôn mặt đang chuyển động qua sóng radio. Đây được coi là trình diễn truyền hình đầu tiên. Các đối tượng là đối tác kinh doanh của Baird, Oliver Hutchinson. Hệ thống Baird sử dụng đĩa Nipkow cho cả hai chức năng quét và hiển thị hình ảnh. Một ánh sáng chiếu xuyên qua một bộ đĩa quay Nipkow với ống kính chiếu một chùm tia sáng quét qua đối tượng. Ống quang điện dùng selen nhận ánh sáng phản xạ từ đối tượng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tỷ lệ thuận. Tín hiệu này được truyền qua sóng radio AM tới một máy thu, nơi các tín hiệu video được dùng để điều khiển một ánh sáng neon phía sau một đĩa Nipkow thứ hai quay đồng bộ với đĩa thứ nhất. Độ sáng của đèn neon được thay đổi theo tỷ lệ với độ sáng của mỗi điểm trên hình ảnh. Khi mỗi lỗ trong đĩa đi qua, một dòng quét của hình ảnh được tái tạo. Đĩa Baird có 30 lỗ, tạo ra một hình ảnh chỉ với 30 dòng quét, chỉ đủ để nhận ra một khuôn mặt người.

Năm 1927, Baird truyền đi một tín hiệu truyền hình cách 438 dặm (705 km) bằng đường dây điện thoại giữa London và Glasgow. Năm 1928, công ty Baird Baird Television Development Company/Cinema Television) phát sóng tín hiệu truyền hình đầu tiên xuyên Đại Tây Dương, giữa London và New York, đánh dấu việc truyền tải từ tàu vào đất liền lần đầu tiên. Năm 1929, ông tham gia vào dịch vụ truyền hình cơ khí thử nghiệm đầu tiên tại Đức. Trong tháng 11 cùng năm đó, Baird và Bernard Natan của Pathé thành lập công ty truyền hình đầu tiên của Pháp, Télévision-Baird-Natan. Năm 1931, ông đã thực hiện các chương trình phát sóng từ xa ngoài trời đầu tiên với giải đua ngựa Epsom Derby.[15] Năm 1932, ông đã thực nghiệm truyền hình dùng sóng siêu ngắn. Hệ thống truyền hình cơ học của Baird đạt đến đỉnh cao với 240 dòng phân giải trên chương trình phát sóng truyền hình BBC vào năm 1936 mặc dù các hệ thống cơ học không thể hiện các cảnh được truyền hình trực tiếp. Thay vào đó là một bộ phim 17.5mm được quay, rửa phim thật nhanh chóng và sau đó phim được chiếu ngay khi phim vẫn còn chưa khô.

Một nhà phát minh người Mỹ, Charles Francis Jenkins cũng đi tiên phong trong truyền hình. Ông đã xuất bản một bài viết trong cuốn sách "Motion Pictures by Wireless" vào năm 1913. Nhưng mãi đến năm 1923 thì Jenkins mới truyền hình ảnh chuyển động chiếu bóng với sự có mặt của người làm chứng, và đến ngày 13 tháng 6 năm 1925 ông đã công khai thực hiện truyền tải đồng bộ hình ảnh chiếu bóng. Năm 1925 Jenkins dùng đĩa Nipkow và truyền hình ảnh chuyển động của một cối xay gió đồ chơi với khoảng cách năm dặm từ một đài phát thanh hải quân ở Maryland đến phòng thí nghiệm của ông ở Washington D.C, sử dụng một máy quét đĩa dùng thấu kính với độ phân giải 48 dòng. Ông đã được cấp bằng sáng chế tại Mỹ số 1.544.156 (truyền hình ảnh không dây) vào ngày 30 tháng 6 năm 1925 (đệ đơn ngày 13 tháng 3 năm 1922).

Herbert E. Ives và Frank Gray của công ty Bell Telephone Laboratories đã có một màn trình diễn truyền hình cơ học ấn tượng vào ngày 7 tháng 4 năm 1927. Các hệ thống truyền hình phản xạ ánh sáng này bao gồm cả màn hình xem lớn và nhỏ. Các máy thu nhỏ có chiều rộng màn hình là 2 inch và chiều cao là 2,5 inch. Các máy thu lớn có một màn hình rộng 24 inch, cao 30 inch. Cả hai bộ lớn nhỏ đều có khả năng tái tạo hợp lý chính xác, hình ảnh chuyển động đơn sắc. Cùng với các hình ảnh, các máy thu cũng nhận được âm thanh đồng bộ. Hệ thống truyền hình ảnh qua hai con đường: đầu tiên, thông qua một liên kết dùng dây đồng từ Washington đến New York City, sau đó thông qua một liên kết vô tuyến từ Whippany, New Jersey. So sánh hai phương pháp truyền dẫn, khán giả ghi nhận không có sự khác biệt. Đối tượng của chương trình truyền hình là Thứ trưởng Thương mại Hoa Kỳ Herbert Hoover. Một máy quét dùng chùm tia chiếu sáng đối tượng. Các máy quét tạo ra các chùm tia trên một đĩa có khẩu độ 50. Đĩa xoay với tốc độ 18 khung hình mỗi giây, 56 miligiây mỗi khung hình. (Hệ thống ngày nay thường truyền 30 hoặc 60 khung hình mỗi giây, hoặc 33,3 hoặc 16,7 miligiây cho một khung hình.) Sử gia truyền hình Albert Abramson nhấn mạnh tầm quan trọng màn trình diễn của Bell Labs: "Thực tế đây là màn trình diễn tốt nhất của một hệ thống truyền hình cơ học đã từng được thực hiện đến thời điểm đó. Phải mất một vài năm trước khi bất kỳ hệ thống khác có thể so sánh với nó về chất lượng hình ảnh." 

Năm 1928, WRGB lúc đó tên là W2XB trở thành đài truyền hình đầu tiên của thế giới. Chương trình được phát đi từ các cơ sở của General Electric ở Schenectady, New York, với tên gọi phổ biến "WGY Television". Trong khi đó ở Liên Xô, Léon Theremin đã phát triển máy thu phát truyền hình mới dùng các trống và gương, bắt đầu với độ phân giải 16 dòng trong năm 1925, sau đó tăng lên 32 và cuối cùng là 64 dòng dùng xen kẽ vào năm 1926. Trong luận án của mình vào ngày 7 tháng 5 năm 1926 ông truyền tín hiệu truyền hình và sau đó đồng thời thể hiện hình ảnh chuyển động trên một màn hình vuông 5 feet gần như đồng thời. Đến năm 1927 ông đã nâng độ phân giải hình ảnh lên 100 dòng, một kỷ lục mãi đến năm 1931 RCA mới vượt qua với 120 dòng. Ngày 25 tháng 12 năm 1925, Kenjiro Takayanagi trình diễn một hệ thống truyền hình với độ phân giải 40 dòng, sử dụng một máy quét đĩa Nipkow và màn hình CRT tại Trường trung học kỹ thuật Hamamatsu, Nhật Bản. Mẫu thử nghiệm này vẫn đang được trưng bày tại Bảo tàng Takayanagi thuộc Đại học Shizuoka, Hamamatsu Campus. Nghiên cứu của Takayanagi trong việc tạo ra một mô hình để sản xuất đại trà đã bị nước Mỹ tạm dừng sau khi Nhật Bản thất bại tại chiến tranh thế giới thứ hai. Bởi vì chỉ có một số lượng hạn chế lỗ trong các ổ đĩa, và việc tăng đường kính đĩa là không thực tế, nên độ phân giải hình ảnh về chương trình phát sóng truyền hình cơ học là tương đối thấp, dao động từ khoảng 30 dòng tới 120 dòng hoặc hơn. Tuy nhiên, chất lượng hình ảnh của truyền hình với 30 dòng dần dần được cải thiện với những tiến bộ kỹ thuật, và vào năm 1933 các chương trình phát sóng của Anh sử dụng hệ thống Baird có chất lượng khá sắc nét. Một vài hệ thống khác với độ phân giải cỡ 200 dòng cũng đã đi vào hoạt động. Hai trong số này là các hệ thống 180 dòng Compagnie des Compteurs (CDC) được phát sóng tại Paris vào năm 1935, và hệ thống 180 dòng Peck Television Corp bắt đầu vào năm 1935 tại trạm VE9AK ở Montreal. Sự tiến bộ của tất cả các thiết bị truyền hình điện tử (bao gồm cả hệ thống tách hình ảnh cho thiết bị phát và ống cathode quang cho thiết bị thu) đã đánh dấu sự kết thúc cho các hệ thống cơ học sau một thời gian dài thống trị truyền hình. Các TV cơ học thường chỉ tạo ra hình ảnh nhỏ, nhưng chúng là dạng truyền hình chính cho đến những năm 1930. Các chương trình phát sóng truyền hình cơ học cuối cùng đã kết thúc vào năm 1939 với các kênh truyền hình của một số ít các trường đại học công lập ở Hoa Kỳ.