2

Sprzęt audio

Telefony Telefony komórkowe i światłowody

Radio

Rejestrowanie dźwięku Płyty kompaktowe

Telewizja

Technika wideo

Telewizja: nowe rozwiązania

Aparaty fotograficzne

Kamery filmowe

Efekty specjalne

Błona fotograficzna

Lasery i holografia

Sprzęt biurowy Techniki przygotowania do druku

Drukowanie

Komputery: budowa

Komputery: pamięć i zapisywanie danych

Komputery: sieci Komputery: nowe rozwiązania

44

Sprzęt audio

Jak się zbiera i odtwarza dźwięk

Gdy wokalista śpiewa do mikrofonu na koncercie rockowym, to musi nastąpić cały łańcuch przemian energii, zanim publiczność usłyszy wzmocnioną muzykę. Większość mikrofonów jest wystarczająco czuła, aby zbierać szepty. Mikrofony przekształcają dźwięk w stale zmieniającą się falę elektromagnetyczną. Wzmacniacze przetwarzają ten słabiutki sygnał elektryczny w sygnał, który jest wystarczająco mocny, aby pobudzić ogromne zespoły głośników. Równocześnie wzmacniają one niektóre częstotliwości tak, by uzyskać zrównoważone brzmienie. Głośniki występują w zestawach różnych wielkości, poczynając od niedużych głośników wysokotonowych, a kończąc na 40-centymetrowych głośnikach basowych.

Mikrofony i głośniki to urządzenia bardzo do siebie po­dobne. Mikrofon przetwarza zmienną falę ciśnieniową, stanowiącą dźwięk, na falę elektromagnetyczną, głośnik zaś zamienia falę elektromagnetyczną z powrotem na dźwięk. Jednakże amplituda, czyli wielkość fali elektro­magnetycznej, jakiej wymaga głośnik, jest zdecydowa­nie większa niż amplituda fali wytwarzanej w mikrofo­nie. Amplitudę fali zwiększa wzmacniacz, który jedno­cześnie wiernie zachowuje jej kształt.

Prawie każdy mikrofon zawiera membranę o pew­nej charakterystyce, czyli cienką błonę, która poru­sza się zgodnie ze zmieniającą się falą ciśnieniową będącą dźwiękiem, wytwarzając w ten sposób odpo­wiadającą jej falę elektromagnetyczną. W mikrofo­nie pojemnościowym membrana stanowi okładkę kondensatora, urządzenia służącego do magazyno­wania ładunku elektrycznego. Ładunek jest albo sta­le uwięziony w elektrecie, albo przekazywany z po­zornego zasilania tymi samymi przewodami, który­mi wędruje sygnał, nie wpływając na jego kształt. Gdy membrana wybrzusza się na zewnątrz i do środ­ka, zmienia się napięcie na kondensatorze, co w re­zultacie powoduje powstawanie elektrycznego odpo­wiednika wchodzącej fali dźwiękowej.

Istnieją także inne sposoby przekształcania dźwięków w fale elektromagnetyczne. Membrana mi­krofonu magnetoelektrycznego przytwierdzona jest do spiralnego przewodu, zawieszonego w silnym polu magnetycznym. Pod wpływem wibracji membrany w spirali generowane jest napięcie, w wyniku czego następuje przepływ prądu. W mikrofonie innego ro­dzaju membrana zamocowana została na krysztale piezoelektrycznym. Kryształ ten wytwarza zmienne napięcie pod wpływem drgań membrany.

Zamiana dźwięków na sygnały

Mikrofon przekształca fale dźwiękowe na elektryczność. Mikrofon pojemnościowy (z elektretem) [A] zawiera elastycznąplastikową membranę, o grubości jednej czterdziestej milimetra i zamocowaną na stale płytę tylną. Membrana ma stały dodatni ladunek elektryczny, który ściąga ładunki ujemne na płytę tylną. Fale dźwiękowe powodują drganie membrany, przez co zmienia się odleglość pomiędzy membraną l płytą tylną, a co za tym idzie — wielkość przyciąganego ładunku. Konsekwencją zmienności ładunku jest zmienny sygnał w obwodzie elektrycznym, odpowiadający dokładnie wchodzącej fali dźwiękowej.

Bez echa

(z lewej poniżej) Ściany komory bezechowej pokryte są klinowatymi kawałkami spienionego tworzywa, co w połączeniu ze swobodnie umocowaną podłogą i sufitem całkowicie pochłania jakiekolwiek odbite dźwięki. Taka komora umożliwia sprawdzenie czułości mikrofonu.

Mikrofony różnych rodzajów

Zróżnicowane kształty i rozmiary mikrofonów są odzwierciedleniem ich różnych czułości i zastosowań. Charakterystyka mikrofonu o kształcie nerki [B] pokazuje, iż mikrofon ten zbiera dźwięki tylko z obszaru tuż przed nim. Mikrofon hiperkardioidalny [C] jest wydłużoną wersją poprzedniego, co sprawia, iż nadaje się do wychwytywania tylko jednego źródła dźwięku spomiędzy wielu. Ósemkowa charakterystyka mikrofonu dwukierunkowego [D] pokazuje, że jest on czuły na dźwięki z dwóch stron i dlatego może być stosowany przy nagrywaniu duetów, a także może zbierać dźwięki bezpośrednie i odbite w sali koncertowej.

Wzmacnianie

Sygnały elektryczne z mikrofonów, odtwarzaczy płyt kompaktowych czy innych urządzeń są zdecydowanie za słabe, aby zasilać nimi bezpośrednio głośniki. Wielkość, czyli amplitudę fał

elektromagnetycznych, zwięk wzmacniacz. [G], nie zmienit jednocześnie podstawowego kształtu tych fal [E]. Jakiekolwiek zmiany ksztalti słuchacz odbiera jako zniekształcenia dźwięku. Jednym z rodzajów zniekształceń jest obcinanie powstające wtedy, gdy wzmocniony sygnał stara su przekroczyć maksymalne i minimalne napięcie, jakie wytworzyć może wzmacniać Szczyty fal zostają wtedy obcięte, co w efekcie daje zgrzytliwy dźwięk.

kapsula

•nika

Zobacz takie: Telefony 46 Radio 50 Rejestrowanie dźwięku 52 Telewizja 56 Prawa przyrody 244 246 248 250 252 256 260

Sprzęt audio 4 5

Gfosmfa'

Prawie wszystkie głośniki zawierają stożkową membranę,, która wypycha l wciąga powietrze, tworząc zaburzenia ciśnienia stanowiące dźwięk Głośnik hi-fi [H] wyposażony jest w trzy zespoły głośnikowe obejmujące wszystkie częstotliwości Kopułkowa membrana głośnika wysokotonowego wytwarza najwyższe dźwięki, osiągając częstotliwość wibracji do 20 000 fazy na sekundę (20 kHz) Zespół średmotonowy obejmuje zakres od 500 Hz do 4 kHz, najniższe zaś częstotliwości pochodzą z głośnika raskotonowego Membrana każdego głośnika jest połączona z cewką, która drga w polu magnetycznym, gdy przepływa przez nią sygnał dźwiękowy. Główny sygnał dzielony jest na prądy biegnące do każdego głośnika przez zwrotnicę

H

glośmk wyiokotonowy

zespół średmotonowy

głośnik mskotonowy

cewka

magnes

Wzmacnianie sygnału

Mikrofony wytwarzają jedynie bardzo słaby sygnał, któ­ry należy wzmocnić, zanim zostanie wyemitowany, zare­jestrowany czy odtworzony. Wzmacniacze wykorzystują małe napięcia sygnału wejściowego do sterowania wiel­kością wielokrotnie wyższego napięcia sygnału wyjścio­wego. Większość z nich zawiera zespół tranzystorów — elektronicznych „bramek" o trzech elektrodach. Nie­wielkie zmiany napięcia prądu, doprowadzonego do jed­nej elektrody, powodują proporcjonalne zmiany zdecy­dowanie wyższego napięcia prądu, przepływającego po­między pozostałymi dwiema elektrodami.

Wczesne wzmacniacze wykorzystywały inne urzą­dzenie, lampę elektronową, zajmujące dużo miejsca i wytwarzające dużo ciepła Ponadto lampy elektronowe nie dawały wiernego wzmocnienia, gdyż wzmacniały pewne częstotliwości kosztem innych. Czasami jest to pożądane - we wzmacniaczach gitarowych często stoso­wane są. lampy elektronowe właśnie dlatego, że nie wzmacniają one sygnału dokładnie, ale zniekształcają go, dając w rezultacie charakterystyczny zgrzytliwy dźwięk, preferowany przez niektórych muzyków.

Głośniki nisko- i wysokotonowe

Głośnik działa jak odwrotność mikrofonu. Wyposażony jest w wibrującą membranę w kształcie stożka, która w głośnikach niskotonowych jest zwykle papierowa, ale może być również zrobiona z metalu lub materiału kom­pozytowego. Jeden koniec membrany przymocowany jest do cewki, która przenosi sygnał ze wzmacniacza. Cewkę otacza magnes, który, tak samo jak w silniku elektrycznym, wytwarza siłę wprawiającą membranę w wibracje. Wibracje te produkują przemieszczające się obszary powietrza o niskim i wysokim ciśnieniu, czyn fale dźwiękowe. Niektóre głośniki z małymi membrana­mi, czyli głośniki wysokotonowe, mająmembrany kopuł-kowe, emitujące dźwięk bardziej efektywnie.

Innym rozwiązaniem jest głośnik elektrostatyczny. Zasadniczo głośniki taMe są jak ogromne kondensato­ry - zawierają parę naładowanych płytek. W głośniku jedna z tych płytek może się swobodnie poruszać do środka i na zewnątrz, gdy doprowadzane jest do niej zmienne napięcie sygnału dźwiękowego. Dzięki płaskie­mu kształtowi płytek ruch ten bardzo dokładnie odtwarza zaburzenia ciśnienia, stanowiące dźwięk.

W harmonii

Stożkowa membrana głośnika emituje fale dźwiękowe zarówno ze swojej przedniej powierzchni, jak i tylnej Mimo IZ każda powierzchnia wytwarza te same dźwięki,

Unia przesyłowa glośmk

_ fale na wyjściu zgodne w fazie

emitowane fale są dokładnie przesunięte w fazie względem siebie - gdy przód wytwarza obszar wysokiego ciśnienia, z tyłu wytwarzany jest obszar niskiego ciśnienia Jeśli glośmk ma otwartą obudowę, fale z tylu mogą obiec stożkową membranę i wygasić fale z przodu [I] Efekt ten stanowi szczególny problem w wypadku długich fal dźwięków basowych Niektóre głośniki basowe osadzone są w skrzynkach zaopatrzonych w linię przesyłową W linii tej fale z tylu przesyłane są przewodem o takiej długości, ze gdy wydostają się na zewnątrz, obszary wysokiego i niskiego ciśnienia pokrywają się z odpowiednimi obszarami emitowanymi z przodu [J]

Telefony

W jaki sposób przekazuje się informacje w sieci telefonicznej

Ogólnoświatowa sieć telefoniczna to najbardziej skomplikowane urządzenie, jakie kiedykolwiek zbudowano. Rocznie sieć ta obsługuje około 600 000 milionów rozmów telefonicznych mniej więcej pomiędzy 600 000 000 numerów. Stale się rozwija, zarówno pod względem wielkości, jak i stopnia skomplikowania. Dzisiejsze systemy opierają się na technice cyfrowej, dzięki której obrazy, dane komputerowe oraz rozmowy mogą być przekazywane z nie spotykaną wcześniej dokładnością i niezawodnością. Nowe centrale cyfrowe, łączące ponad 1,5 miliona rozmów na godzinę przez całą gamę przewodów, światłowodów, linii radiowych i mikrofalowych, zapewniają wszystkim natychmiastową i tanią łączność.

Nowoczesne systemy telefoniczne, zwane systema­mi modulacji impulsowo-kodowej, działają na zasa­dzie przekształcania fal dźwiękowych na dane cyfro­we, przekazywane następnie w sieci.

Głos dzwoniącego zbierany jest przez mikrofon w słuchawce telefonicznej, przekształcający go na prąd o zmiennym napięciu. Ten analogowy sygnał przesyła się linią do centrali miejscowej. Tu styka się on z elektronicznym przełącznikiem, który przepusz­cza jeden krótki impuls, czyli próbkę sygnału analo­gowego, co 125 mikrosekund. Tak więc sygnał jest próbkowany 8000 razy na sekundę, co wystarcza, aby przekazać subtelności ludzkiego głosu.

Amplituda (lub natężenie) każdego impulsu jest następnie zestawiane ze skalą liczbową, zwykle od l do 256. Każda liczba przekształcana zostaje w kod binarny składający się z ośmiu cyfr. Takie ośmiobito-we słowo jest najkrótszym kodem, który może pora­dzić sobie z liczbami naturalnymi do 256.

Kody cyfrowe są następnie przesyłane do modula­tora, gdzie sygnał binarny zostaje nałożony na elek­tromagnetyczną/a/ę nośną. Fale nośne wysokiej czę­stotliwości wykorzystywane są do transmisji radio­wej, a fale o niższej częstotliwości - do przekazu przewodami. Nakładanie przybiera formę modulacji amplitudowej lub częstotliwościowej, w której am­plituda/częstotliwość fali nośnej zmienia się pod wpływem kodu. Cały ten proces przybiera formę odwrotną na drugim końcu linii, gdzie sygnał jest demodulowany, dekodowany i przekazywany za po­średnictwem elektromagnesu na metalową membra­nę w muszli słuchawkowej.

Rozmowa w systemie binarnym

Gdy podniesiona zostaje słuchawka telefoniczna, następuje zamknięcie obwodu pomiędzy telefonem a miejscową łącznicą, czyli centralą Energii elektrycznej dostarcza centrala Dostęp do sieci uzyskuje się za pomocą kodu wybierania numeru Podczas wybierania każdej z cyfr linią do centrali przekazywana jest niepowtarzalna kombinacja dwóch tonów o pojedynczej częstotliwości. Tony te uruchamiają automatyczny system toczenia, który łączy każdą rozmowę z jej miejscem przeznaczenia Gdy dzwoni się w dużym mieście, rozmowa

zwykle przekazywana jest za pośrednictwem dwóch lub więcej central

Kiedy już nastąpi połączenie, głos dzwoniącego przekształcany zostaje w aparacie telefonicznym w prąd o stale zmieniającym się napięciu, czyli na sygnał analogowy [AJ Sygnał ten wędruje miedzianymi przewodami do centrali miejscowej [B] Tu urządzenia elektroniczne próbkują sygnał [1], aby przekształcić go

O

w sygnał cyfrowy Natężeni sygnału analogowego mier jest co 125 mikrosekund, ci 8000 mży na sekundę (gdyi było ono mierzone nawet odrobinę rzadziej, przekaz mowy ludzkiej nie byłby płynny) Każdy pomiar jest następnie przekładany na k dwójkowy, na który składa osiem dyskretnych bitów [2 elektrycznych impulsów, ku mogą się pojawiać lub nie

Zobacz także Sprzęt audio 44 Telefony komórkowe i światłowody 48 Radio 50 Rejestrowanie dźwięku 52 Sprzęt biurowy 72 Prawa przyrodj 246 248 250 254 256

ch

Telefony 47

c

zawsze są przewody czy światłowody w połączeniach między odległymi centralami często wykorzystuje się transmisją mikrofalową. I wreszcie, centrale międzynarodowe w coraz większym stopniu przekazują rozmowy pomiędzy krajami i kontynentami za pośrednictwem okoloziemskich satelitów komunikacyjnych

Przemieszane komunikaty

Linie międzymiastowe stanowią znaczny wydatek dla firm telefonicznych. Aby zmaksymalizowad stopień wykorzystania linii pomiędzy centralami, każdy kanał przekazuje kilka rozmów jednocześnie. W procesie jednoczesnego przekazywania przez jeden kanał, zwa­nym multipleksowaniem czasowym, oddzielne rozmo­wy zostają splecione w taki sposób, że mogą one zo­stać rozdzielone, gdy dotrą do miejsca przeznaczenia.

Rozmowa przekazywana jest jako ciąg impulsów cyfrowych przesyłanych wzdłuż linii - z częstotli­wością jednego impulsu co 125 mikrosekund. Ale każdy impuls trwa zaledwie około 4 mikrosekund, co oznacza, iż pomiędzy przenoszącymi informacje im­pulsami pojawiają się 121-mikro sekundo we „przer­wy". Elektroniczny multiplekser wypełnia te przer­wy impulsami z innych rozmów. Obecnie można w ten sposób zmultipleksować około 25 rozmów, ale istnieją już urządzenia pozwalające na multiplekso-wanie setek rozmów na jednej linii.

Aby w jeszcze większym stopniu zagęścić liczbę rozmów przekazywanych jednocześnie, liczne grupy rozmów, zmultlpleksowane czasowo, mogą być rów­nocześnie wysyłane na falach nośnych o różnych częstotliwościach - proces ten zwany jest multi­pleksowaniem częstotliwościowym.

Przejście od analogowych systemów telefonicz­nych do cyfrowych pozwoliło na przekazywanie in­formacji szybciej i taniej, niż możliwe to było kiedy­kolwiek przedtem. Pomogło ono także w rozwiąza­niu wielu problemów związanych z przekazywaniem sygnałów elektrycznych na dużych odległościach, a mianowicie zakłóceń, zniekształcania i zanikania sygnału.

są z powrotem przekształcane w zmieniającą się w sposób ciągły formę analogową [6], która jest odpowiednia dla większości aparatów telefonicznych odbierających rozmowy.

48

Telefony komórkowe i światłowody

Jak się rozszerza sieć telekomunikacyjna

W chwili obecnej jesteśmy świadkami rewolucji w telekomunikacji. Telefony, dawniej połączone podziemnymi przewodami, w coraz większym stopniu stają się urządzeniami przenośnymi, w których połączenie następuje za pośrednictwem fal radiowych. Wkrótce możliwe będzie skontaktowanie się z daną osobą w dowolnym punkcie kuli ziemskiej dzięki sieci satelitów. Jednocześnie telewizja, która pierwotnie nadawała na tych samych częstotliwościach, co obecnie telefonia komórkowa, stanie się najprawdopodobniej cyfrowym środkiem komunikacji, oferującym setki różnych kanałów, przekazywanych do naszych domów za pomocą światłowodów - włókien szklanych o średnicy włosa, które przenoszą ogromne ilości danych z prędkością światła.

Rozmowie przez telefon komórkowy towarzyszy nie­słyszalne wymienianie zapisów cyfrowych (ciągów jedynek i zer reprezentujących przekazywane dane), gdy aparat i komputery kontrolujące sieć obsługują tę rozmowę. Komórki, od których wywodzi się nazwa tego rodzaju telefonów, to mozaika sześciokątnych pól. Każde z nich wyposażone jest w nadajnik/odbior­nik, czyli stację bazową umiejscowioną w jego środ­ku. Z telefonów komórkowych może korzystać więcej ludzi, niż jest to możliwe w wypadku innych syste­mów telekomunikacji radiowej, ponieważ wykorzy­stywane sygnały są bardzo słabe, a więc częstotliwo­ści używane w jednej komórce mogą być użyte po­nownie w innej, niezbyt oddalonej komórce.

Co 15 minut każda stacja bazowa przywołuje wszystkie mikrotelefony znajdujące się w jej komór­ce do „zgłoszenia się". Dzięki temu centralne kom­putery stale wiedzą, gdzie należy skierować rozmo­wę z danym aparatem.

Supermagistrale cyfrowe

Wzrastająca w ogromnym tempie liczba faksów, mode­mów komputerowych i abonentów telefonicznych wy­maga takich linii przesyłowych, które będą w stanie ob­służyć zdecydowanie większą liczbę rozmów, niż można to zrobić przy użyciu tradycyjnych przewodów mie­dzianych. Naprzeciw temu zapotrzebowaniu wychodzą światłowody, które przenoszą komunikaty cyfrowe w formie^szybkich impulsów intensywnego światła lase­rowego. Światłowodowe kable mogą przekazywać przez parę szklanych żył setki tysięcy rozmów jednocześnie i dlatego są one sprawcami rewolucji nie tylko w dzie­dzinie przekazywania faksów, danych komputerowych

Światłowody

Włókna światłowodowe mogą przekazywać dane cyfrowe w postaci sygnału zawierającego do 2 miliardów impul­sów laserowych na sekundę. To sprawia, iż są one ideal­nym środkiem do przekazywania gwałtownie wzrastającej liczby rozmów telefonicznych, faksów czy danych kom­puterowych pomiędzy różnymi użytkownikami. Szkło, z którego wykonane są włókna, jest tak czyste, ze zanim zajdzie potrzeba wzmocnienia sygnału, może on przemie­ścić się dziesiątki kilometrów - dziesięć razy dalej niż w wypadku tradycyjnych przewodów miedzianych.

W istocie włókno składa się z dwóch koncentrycz­nych warstw niezwykle czystego (nie zawierającego pęcherzy) szkła. Walcowy rdzeń powleczony jest pokry­ciem z ciągnionego szkła, o niższym współczynniku za­łamania. Światło lasera, wpuszczone w rdzeń, pozostaje w nim dzięki całkowitemu odbiciu wewnętrznemu - pro­mienie, które padają na granicę pomiędzy dwoma war­stwami pod dostatecznie dużym kątem odbijają się i nie wychodzą na zewnątrz. Ponieważ włókna są bardzo cienkie - cieńsze nawet niż włos ludzki - można je zginać całkiem mocno, zanim światło zacznie z nich „wyciekać".

Infostrada

Światłowodowy kabel linii przesyłowej [C] składa się z wiązki włókien światłowodowych, zgromadzonych wokół grubszego drutu wzmacniającego Wszystko to otoczone jest warstwami powłok ochronnych Każde włókno zawiera rdzeń, przez który wędruje światło, oraz pokrycie utrzymujące światło wewnątrz rdzenia Oba te elementy wykonane są ze szkła krzemowego, z niewielkimi domieszkami boru l germanu, które poprawiają właściwości przesyłowe przewodów Plastikowa powłoka, otaczająca pokrycie, chrom przed przedostawaniem się światła do innych przewodów

czy sygnałów telewizyjnych, ale także w ogólno towej komunikacji i rozrywce domowej. Niek operatorzy telewizji kablowej już w tej chwili oi ogromny wybór kanałów, gier interakcyjnych emitowanych na zamówienie filmów wideo.

Rozmowy stają się bardziej zrozumiałe, gdy ob uczestnicy mogą się widzieć nawzajem. Ale telf wizyjne, które to umożliwiają, przesyłając jednocz obrazy i mowę, nadal nie weszły do powszecl użycia. Dzieje się tak dlatego, że przesłanie koń nego sygnału wizyjnego wymaga wysłania f 200 000 000 bitów (jednostek informacji) na sekui 4000 razy więcej, niż przesłać mogą istniejące prze^

Jeśli dopuści się niższą jakość obrazu i zast się kompresją, to znaczy technikę, dzięki które redundantne, czyli powtarzające się, są pomi można zredukować sygnał do 64 000 bitów n kundę. Ale nawet to przekracza możliwości przt nych linii telefonicznych, a więc obecne telf wizyjne mogą przesyłać jedynie bardzo medok i nieruchome obrazy. Jednemu z modeli takiego fonu, przesyłającemu dane z prędkością 14 4C tów na sekundę, wyemitowanie jednego nieruch go obrazu zajmuje 5 sekund.

rdzeń

promienie światła

impuls wchodzący

Wąskie przewody

Impuls światła przesyłany włóknem światłowodowym o szerokim rdzeniu może wędrować wieloma różnymi ścieżkami [A], a niektóre spośród nich mają zdecydowanie więcej odbić mz inne Na dużych odległościach impuls staje się rozciągnięty i „zamazany" i w konsekwencji miesza się z brzegami impulsów

sąsiednich To ogranicza prędkość, z jaką mogą być przesyłane bity informacji Natomiast we włóknie wąskordzemowym [B] impuls ma do wyboru tylko jedną możliwą drogę - środek rdzenia Ogranicza to znacznie zamazywanie impulsu i dzięki temu w takich przewodach czyste sygnały mogą być przesyłane na duże odległości

Zobacz także Telefony 46 Telewizja: nowe rozwiązania 60 Prawa przyrody 244 246 248 250 252 254 256 260

49

"»isu uEMfjTtgm całą

jednolicie rozmieszczone 765 km nad Ziemią oraz połączone sygnałami cyfrowymi tak, że utworzą sieć komórkową. Abonenci tego systemu będą mogli komunikować się z dowolnym telefonem w sieciach naziemnych, a ich rozmowy będą kierowane bezpośrednio do satelity.

stacja bazowa

Kanały do wykorzystania

Przestrzeń radiowa jest bardzo ograniczona, wykorzystywać zaś ją pragnie wielu różnych użytkowników i dlatego tylko wąski zakres częstotliwości w każdym kraju dostępny jest dla telefonii komórkowej [D]. Każda sześciokątna komórka ma stację bazową, której przypisana jest pewna część ograniczonej liczby kanalów radiowych. Wszystkie te kanały przypisane są układowi 8 ko­mórek, a ponieważ nadajniki mają małą moc - a co za tym idzie, zasięg - te same kanały można przypisać również innym grupom 8 komórek, dzięki czemu cały kraj można objąć systemem telefonu komórkowej przy wykorzystaniu małej liczby kanałów. Liczba użytkowników miejscowych decyduje o wielkości komórki. Komórki w centrach finansowych

sygnały cyfrowe

wielkich miast mogą mieć zaledwie 100 m średnicy, co pozwala na częstsze ponowne wykorzystywanie dostępnych kanalów.

Proces zmieniania częstotliwości, występujący wtedy, gdy abonent przekracza podczas rozmowy granicę komórki, jest bardzo skomplikowany i wymaga znacznej, niesłyszalnej dla nas wymiany informacji pomiędzy komputerami. Stacja bazowa, która początkowo obsługiwała rozmową, stale ocenia siłą sygnału wysyłanego przez telefon [1], Gdy użytkownik odchodzi lub odjeżdża dalej od stacji bazowej, siła sygnału z jego telefonu maleje. Kiedy już spadnie poniżej poziomu krytycznego, stacja bazowa wysyła cyfrowy komunikat do centrali głównej [2], która przekazuje okolicznym stacjom bazowym instrukcję, aby mierzyły siłę docierającego do nich sygnału. Następnie centrala wydaje aparatowi telefonicznemu polecenie ponownego dostrojenia się do kanału w komórce odbierającej najsilniejszy sygnał [3] i rozmowa zostaje ponownie podjęta [4],

50 Radio

W jaki sposób fale radiowe przenoszą sygnały na cały świat

Radio to nie tylko sposób przesyłania mowy i muzyki. Fale radiowe, przecinające atmosferę z prędkością światła, są nośnikami oszałamiającej gamy różnorodnych informacji, poczynając od danych nawigacyjnych, które pozwalają samolotom ustalać położenie z dokładnością do 10 m, a kończąc na obrazach telewizji wysokiej jakości. Podobnie jak mikrofale, światło widzialne czy promieniowanie rentgenowskie, fale radiowe są rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Od wymienionych powyżej innych rodzajów fal fale radiowe różnią się większymi długościami (są one milion razy dłuższe niż fale świetlne) i sposobem, w jaki są generowane.

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długo­ściach od l cm do 100 km. Wytwarzane są przez na­dajnik, który powoduje bardzo szybkie „falowanie" w obie strony prądu elektrycznego w pewnym odcin­ku przewodu, czyli antenie. Osylacja elektronów we­wnątrz anteny powoduje powstanie prostej, regularnej fali radiowej o stałej częstotliwości i natężeniu.

Najwcześniejsze komunikaty przesyłane drogą ra­diową przekazywane były alfabetem Morse'a, po pro­stu poprzez włączanie i wyłączanie emisji fali. Jednak w celu przesyłania bardziej skomplikowanych infor­macji, takich jak dźwięk czy obrazy, ta podstawowa fala (fala nośna) musi zostać ukształtowana, czyli zmodulowana przez nadawany sygnał.

Sygnał akustyczny lub wizyjny może kształtować falę nośną na jeden z dwóch sposobów. W wypadku modula­cji amplitudowej (AM, od ang. amplitudę modulatiori) wysokość (amplituda) szczytów fali nośnej podąża za kształtem fali sygnału. Natomiast modulacja często­tliwościowa (FM, od ang. freąuency modulatiori) zmie­nia częstotliwość fali nośnej, tak aby odpowiadała ona częstotliwości fali sygnału. W porównaniu do transmisji z modulacją częstotliwościową, transmisja radiowa z modulacją amplitudową wymaga znacznie węższego zakresu częstotliwości (szerokości pasma), ale z kolei sygnały transmisji z modulacją częstotliwościową mają zdecydowanie lepszą jakość.

Gdy fale radiowe docierają do odbiornika, wymuszają na elektronach w antenie odbiorczej oscylację zgodną z ich częstością i amplitudą. Dzięki temu w antenie wy­twarzany jest prąd przemienny, który następnie przeka­zywany jest do tunera. Tuner (z ang.) przepuszcza tylko fale o wymaganej częstotliwości, dzięki czemu słuchacz może wybrać odpowiednią stację. Inne obwody w od­biorniku oddzielają sygnał akustyczny od fali nośnej (proces ten zwany jest demodulacją). Sygnał ten jest następnie wzmacniany i przekazywany do głośnika

Specjalnie w tym celu zbudowane nadajniki nie są jedynymi źródłami fal radiowych. Fale te może emitować dowolna naładowana cząstka, poruszająca się z odpo­wiednią prędkością. Uderzenia pioruna wywołują wybu­chy emisji radiowej, które usłyszeć moznajako zakłócają­ce trzaski w odbiorniku radiowym. Także pulsary - gęste, poruszające się ruchem obrotowym gwiazdy - wysyłają impulsy energii radiowej, które są tak regularne, iż brano je kiedyś za dowody na istnienie życia pozaziemskiego.

Podzielić atmosferę x

Fale radiowe w sposób sztuczny podzielono na kilka pasem częstotliwości, które mają różne właściwości przesyłowe, a co za tym idzie, także różne zastoso­wania. Ogólnie rzecz biorąc, fale o niższej częstotli­wości mają większy zasięg, ale jednocześnie mogą przenosić mniej informacji.

Przekazy wykorzystujące bardzo niskie częstotli­wości (3-30 kHz) mogą pokonywać olbrzymie odleg­łości, ale przenoszą jedynie proste informacje. Fale o takich częstotliwościach stosowane są w komuniko­waniu się z łodziami podwodnymi, gdyż, w odróżnie-

Antena (powyżej) Najbardziej rzucającym się w oczy elementem nadajnika radiowego je rt antena Najlepiej pracuje wtedy, gdy jej długość związana jest z długością fali, którą ma ona wysyłać (zwykle dlugość anteny stanowi polowe, lub jedną czwartą długości fali) Dlatego anteny nadajników pracujących na falach długich mogą mieć setki metrów długości, podczas gdy długość anten mikrofalowych, takich jak te w telefonach przenośnych, wynosi zaledwie kilka centymetrów Anteny wysyłają fale radiowe we wszystkich kierunkach w niektórych wypadkach, aby skupić fale, stosowany jest paraboliczny reflektor miskowy, przez co nadawany sygnał staje się silniejszy, ale w znacznym stopniu ukierunkowany

r\\ //iii

b\ x/ / "l u u t^u Ijgeu wuU

niu od fal krótszych, rozchodzą się w wodzie. Sygnały na falach o wysokich częstotliwościach (3-30 MHz), czyli krótkich, także mogą pokonywać duże odległo­ści, ale dzięki innemu mechanizmowi. Fale te odbijają się pomiędzy Ziemią a warstwą atmosfery zwaną jo-nosferą: mogą one „skakać" w ten sposób przez pół świata, przenosząc przekazy komunikacji między­narodowej lub sygnały wysyłane przez radioamato­rów. Promieniowanie słoneczne wpływa na gazy w j o-nosferze, zakłócając w ten sposób odbijanie fal krót­kich w czasie operowania światła słonecznego - dlate­go też komunikaty wysyłane przez radioamatorów najlepiej słyszalne są w nocy.

Fale o średnich częstotliwościach (300 kHz-3 MHz) przenoszą sygnały radiowe o modulacji amplitudowej. Mają zasięg do kilkuset kilometrów. Fale o bardzo wyso­kiej częstotliwości (30-300 MHz) mająjeszcze mniejszy zasięg, ale mogą przenosić bardziej skomplikowane syg­nały, wymagające większych szerokości pasma W paś­mie tym przekazuje się modulowane częstotliwościowe audycje stereofoniczne, obrazy telewizyjne oraz sygnały z telefonów komórkowych.

Nadaj i odbierz

Początkiem transmisji radl Z modulacją amplitudową^ materiał, który ma być nadany - zwykle jest to luc mowa lub muzyka W wypi mowy glos nadającego jesi najpierw zamieniany za po mikrofonu na elektryczny s akustyczny [1]. Sygnał ten stanowi nieregularny wzór o częstotliwościach zróżnicowanych od około 100 do 3000 rJz (jest to za częstotliwości ludzkiego gl Zanim zostanie on „naniesiony" na sygnał radiowy, czyli falę nośną o częstotliwości około milii herców, sygnał akustyczny jest wzmacniany [3] Sygnc nośny wytwarza się za pomocą generatora drgań elektrycznych [4] -w niektórych nadajnikach ^ to kryształ krzemu,

Zobacz take. Pomoce nawigacyjne 40 Sprzęt audio 44 Telewizja 56 Rezonans magnetyczny 152

Radio 51

n-[5]

Gdy elektrony poruszają się przemiennie, emitująfale elektromagnetyczne [8], które rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Kiedy fale te dotrą do odbiornika, indukują niewielki prąd oscylacyjny w jego antenie [9]. Do anteny tej równocześnie docierają/ale z wielu różnych nadajników, a wiać konieczne jest najpierw wyodrębnienie spośród nich wybranej częstotliwości. Osiąga się to dzięki obwodowi strojenia (por. ramka obok). Wybrany sygnał jest następnie demodulowany [10]: sygnał akustyczny zostaje oddzielony od radiowej fali nośnej, a potem wzmocniony [U]. Wtedy staje się dostatecznie silny, aby mógł pobudzić głośnik odbiornika.

Odbiór w domu

Domowy odbiornik radiowy może odbierać sygnały o modulacji amplitudowej o częstotliwościach fali nośnej pomiędzy 550 a 1700 kHz oraz sygnały o modulacji częstotliwo­ściowej o częstotliwościach pomiędzy 88 a 108 MHz. Pro­gram telewizyjny przekazywany jest jako złożony sygnał składa­jący się z modulowanego amplitudowo sygnału wizyjnego oraz modulowanego częstotliwo­ściowa sygnału akustycznego.

AMiFM

Informacja przenoszona przez sygnał akustyczny może zostać naniesiona na falę nośną o wysokiej częstotliwości na dwa sposoby [B]. Można sprawić, aby sygnał ten wywoływał zmiany amplitudy fali nośnej (modulacja amplitudowa, AM - od ang. amplitudę modulation) [C] lub też zmiany jej częstotliwości w czasie (modulacja częstotliwościowa, FM — od ang. frequency modulation) [D]. Przekazy FM dają lepszą jakość dźwięku niż przekazy AM. Dzieje się tak dlatego, że w takich przekazach informacja zakodowana jest w częstotliwości fal, a zmiana częstotliwości spowodowana zakłóceniami zewnętrznymi jest mało prawdopodobna. Amplituda fali łatwiej ulega zakłóceniom.

A r\

Dostrajanie

\

Antena radiowa jednocześnie chwyta fale o wielu różnych częstotliwościach. Wybrana stacja wyłapy­wana jest dzięki obwodowi strojenia, który został tak zbudowany, że prąd oscylować w nim może tylko z określoną częstotliwością. Obwód strojeniowy składa się z kondensatora [1] (magazynującego ener­gię jako pole elektryczne) połączonego z cewką [2] (magazynującą energię jako pole magnetyczne). Naj­pierw kondensator jest całkowicie naładowany [3] -jedna z jego płytek jest ujemna, a druga dodatnia. Ładunek w sposób naturalny przepływa z jednej płytki na drugą: przepływa przez cewkę, w której indukuje pole magnetyczne [4]. Gdy natężenie prądu płynącego w cewce maleje, słabnie pole magnetycz­ne. Indukuje to prąd elektryczny, który przepływa przez obwód i ponownie ładuje kondensator [5]. Kondensator następnie rozładowuje się przez cewkę [6] itd. W ten sposób w obwodzie strojeniowym po­wstaje prąd oscylacyjny o stałej częstotliwości.

Rezonans elektryczny

Prąd przemienny w antenie [7] odbiornika przesyłany jest do obwodu strojeniowego. Tylko wtedy, gdy częstotliwość jego oscylacji dokładnie odpowiada „naturalnej" częstotliwości obwodu strojeniowego, prąd Z anteny może w tym obwodzie oscylować.

W ten sposób spośród wielu częstotliwości docierających do anteny wybierana jest tylko jedna. Zmiana pojemności kondensatora w obwodzie strojeniowym (poprzez dostrajanie radia) powoduje zmianę częstotliwości własnej obwodu i pozwala na odbiór inne] częstotliwości.

*xn przrrodj 246 248 250 258 262

52 Rejestrowanie dźwięku

W jaki sposób rejestruje się dźwięk w warunkach domowych i studyjnych

Pierwsze urządzenie do rejestrowania i odtwarzania dźwięku zostało wynalezione przez Tomasza Edisona w 1877 roku. W urządzeniu tym fale dźwiękowe, chwytane przez membranę, odciskały drobne wgłębienia w arkuszu cienkiej folii. Dzisiaj rejestrowanie dźwięku stało się wysoko rozwiniętym przemysłem. Ludzka mowa lub muzyka, wykonywana w studiach akustycznych, jest przekładana na ciąg liczb dwójkowych i rejestrowana na taśmie jako mikroskopijne obszary namagnesowania. Przy odtwarzaniu trudno jest odróżnić najlepsze nagrania od wykonań na żywo.

Na dźwięk składają się fale ciśnieniowe przemieszcza­jące się w powietrzu. Mikrofon przekształca te fale mechaniczne w fale elektryczne, których szczyty i do­liny dokładnie odpowiadają szczytom i dolinom pier­wotnej fali dźwiękowej. Takie fale elektryczne najle­piej jest rejestrować na taśmie magnetycznej. Taśma magnetyczna to plastikowy elastyczny pasek, pokryty miliardami drobnych cząstek (domen magnetycz­nych), z których każda zachowuje się jak niewielki magnes z biegunem północnym i południowym.

Fala elektromagnetyczna zostaje wzmocniona i przesłana przez cewki małego elektromagnesu zwanego głowicą zapisującą. Zmienna w czasie fala elektromagnetyczna wytwarza wokół głowicy zmienne pole magnetyczne. W miarę jak silnik elek­tryczny przesuwa taśmę obok głowicy, cząstki na tejże taśmie porządkują się tak, aby dostosować się do siły pola. W ten sposób dźwięk zostaje zapisany jako zmieniające się układy namagnesowania na taś­mie. Podczas odtwarzania taśmy te same wzorce indukują falę elektromagnetyczną w głowicy odczy­tującej, fala ta zaś jest wzmacniana i przesyłana do głośników. Ten rodzaj nagrywania zwie się analogo­wym, ponieważ skierowanie domen magnetycznych jest proporcjonalne do natężenia pola magnetyczne­go (jest jego analogiem), a co za tym idzie, jest także analogiem samej fali dźwiękowej.

Zapis analogowy ma pewne minusy. Ograniczone są natężenia pola magnetycznego, które można uzy­skać, co oznacza, że ograniczona jest także głośność dźwięku, który można zapisać na taśmie. Ten znie­kształcający efekt zwany nasyceniem pojawia się, gdy wszystkie domeny magnetyczne na pewnym odcinku taśmy są zorientowane w ten sam sposób. Trzeba przy tym pamiętać, że najcichsze fragmenty dźwięku muszą być głośniejsze niż szumy w tle. Szumy te są rezultatem przypadkowego zorientowa­nia domen magnetycznych na czystej taśmie. Nawet przy zastosowaniu obwodu redukcji szumów ograni­czenia te oznaczają, że zakres dynamiki zapisu ana­logowego (różnica pomiędzy najgłośniejszymi i naj­cichszymi fragmentami, jakie można zapisać) jest ograniczony. Inne problemy to kołysanie i drżenie dźwięku, czyli niewielkie zmiany w prędkości taśmy, powodujące niepożądane efekty wibracji.

Z tych względów profesjonalne urządzenia do reje­strowania dźwięku nie są analogowe, lecz cyfrowe i wykorzystują taśmy do zapisu cyfrowego (DAT - od ang. Digital Audio Tape). Przy zapisie cyfrowym fala elektromagnetyczna o pewnym kształcie, wychodząca z mikrofonu lub instrumentu muzycznego, jest prób­kowana przez obwody elektroniczne. Na próbkowanie to składa się mierzenie amplitudy fali, czyli jej wyso­kości, tysiące razy na sekundę. Te wartości wysokości przekształcane są w liczby binarne, składające się wy­łącznie z zer i jedynek, które zamieniane zostają na dyskretny rozkład pojawiających się lub nie impulsów elektrycznych. Gdy impulsy te podawane są do głowic zapisujących, wytwarzają one tylko dwa odmienne

Miksowanie nagrania

Większość nagrań profesjonalnych składa się z kilku ścieżek, czyli torów informacji magnetycznej na tej samej taśmie. Wielościeżkowe urządzenie rejestrujące w studio nagraniowym może zapisywać do 64 ścieżek, z których każda jest nagrywana i odtwarzana przez własną głowicą. Oznacza to, że do nagrywania każdego instrumentu czy głosu w utworze muzycznym można użyć oddzielnego pasma na taśmie. Nagrywanie wszystkich instrumentów jednocześnie nie jest konieczne — nowe ścieżki można wmontować na taśmę, bez kasowania ścieżek już istniejących, a więc jeden muzyk może sam nagrać skomplikowany utwór. Prostsze urządzenie wyposażone jest tylko w 8 oddzielnych ścieżek [A]. Jedna z nich przenosi kod impulsowy, wykorzystywany do zsynchronizowania magnetofonu z innymi urządzeniami rejestrującymi i instrumentami.

Po nagraniu, 8 ścieżek zostaje zmiksowanych na taśmie-matce, na której występują tylko dwie ścieżki (lewa i prawa), konieczne do odtwarzania stereofonicznego. Dźwięk z każdej ścieżki najpierw przechodzi przez tłumik nastawny, który -podobnie jak regulacja siły głosu w odbiorniku radiowym - reguluje jego poziom. Następnie przechodzi on do regulatora zrównoważenia kanałów, ustalającego proporcje pomiędzy sygnałami wysyłanymi do prawego i do lewego kanału. Prawdziwe stoły mikserskie wyposażone są w znacznie większą liczbę urządzeń sterujących, które służą do regulowania wysokości każdego dźwięku przez podkreślanie lub redukowanie wybranego pasma częstotliwości. Wykorzystując te urządzenia sterujące, inżynier dźwięku może tak połączyć różne ścieżki, ze stają się one przestrzennym „obrazem", w którym każdy instrument zdaje się zajmować określone miejsce. Dzięki temu doznania słuchacza nagrań stają się jeszcze bardziej zbliżone do rzeczywistości.

ustawienia domen magnetycznych na taśmie. Z; cyfrowy jest zasadniczo wolny od zniekształceń, g odtwarzacz musi tylko robić rozróżnienia pomię zerami a jedynkami, nie zaś pomiędzy wartości ciągłego zakresu natężeń pola, tak jak to jest w zap analogowym. Co więcej, kopiowanie z zapisu cy wego nie powoduje utraty jakości.

Zapis na dysku

Taśma nie jest jedynym środkiem służącym do z su cyfrowego dźwięku. W wielu profesjonaln studiach nagraniowych dźwięk zapisuje się be2 średnio na twardym dysku komputera. Inaczej w wypadku taśmy, która musi być przewijana przodu lub do tyłu, gdy chce się odnaleźć wybi fragment, przesunięcie głowicy „nagrywają twardego dysku, czyli głowicy odczytu-zapisu. dowolnego miejsca na dysku trwa ułamek sekui To sprawia, iż obróbka dźwięku staje się d prostsza i nie powoduje pogorszenia jakości zap

Lruinj

Zobacz talie: Sprzęt audio 44 Telefony 46 Radio 50 Płyty kompaktowe 54 Technika wideo 58 Prawa przyrody 246 248 250 252 254 256 260

53

Obróbka dźwięku na ekranie

Istnieją specjalistyczne programy komputerowe, które umożliwiają cyfrowy zapis dźwięku na twardym dysku komputera. Do dowolnego miejsca na dysku można dotrzeć w ciągu milisekund, dzięki czemu obrabianie dźwięku staje się proste. Na ekranie (powyżej) pokazane są fale o różnych kształtach z róż­nych ścieżek, zapisane cyfrowo.

Od fal do cyfr *

Urządzenie do cyfrowego zapisu dźwięku [C] przekształca sygnały analogowe, takie jak na przykład wytwarzana przez mikrofon [2] fala elektryczna o pewnym kształcie, w ciągi liczb w procesie zwanym próbkowaniem. Przetwornik analogowo-cyfro-wy mierzy wysokość, czyli amplitudę fali, 48 000 razy na sekundę i przypisuje zmierzonej amplitudzie jedną z 32 768 możliwych wartości [3]. Próbki te przybierają formę 16~cyfrowych (czyli 16-bito-wychj dwójkowych liczb, składających się wyłącznie z zer i jedynek. Częstotliwość próbkowania, większa niż częstotliwość stosowana przy zapisie na płytach kompakto­wych, jest wystarczająco duża, aby uchwycić wszystkie niuanse dźwięków słyszalnych dla ludzkiego ucha.

Kasety do zapisu cyfrowego mają tylko 80 mm szerokości, ale zarejestrować na nich można do 2 godzin zapisanego cyfrowo dźwięku. Ciąg znaków dwójkowych [4] z przetwornika analogowo-cyfrowego magnetofonu przekazywany jest jako ciąg impulsów elektrycznych do cewek w głowicach zapisujących -w dwóch płaskich elektromagnesach -zamocowanych w obracającym się bębnie. Cewki te wytwarzają pola magnetyczne, których polaryzacja odpowiada jedynkom lub zerom. W procesie zwanym zapisem ukośnym [5] taśma przesuwa się obok bębna w kierunku przeciwnym do jego obrotów i w lekkim skosie. Ruchy te łączą się w taki sposób, że głowice wytwarzają ukośne pasy namagnesowania, gdy domeny magnetyczne na taśmie porządkują się pod wpływem pola. Jedynkom i zerom odpowiadają obszary namagnesowane odwrotnie. Dwie głowice, z których każda zapisuje jedną ze stereofonicz­nych ścieżek, zamocowane są na bębnie pod różnymi kątami, aby uniknąć w czasie odtwarzania taśmy przesłuchu, czyli zakłóceń pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pasami.

54

Płyty kompaktowe

Jak się nagrywa i odtwarza płyty kompaktowe

Połysk płyty kompaktowej jest wynikiem odbicia światła od miliardów wgłębień o szerokości mniejszej niż jedna milionowa część metra, ukrytych pod jej powierzchnią. Aby wydobyć zawartą w tych wgłębieniach cyfrową informację składającą się z zer i jedynek, konieczna jest precyzja lasera półprzewodnikowego. Każda 12-centymetrowa płyta zawiera przynajmniej 3 miliardy wgłębień na spiralnej ścieżce o długości ponad 5 km. Zapis cyfrowy jest niezwykle wszechstronny - na multimedialnych płytach zapisywać można teksty, filmy wideo i animowane, a także dźwięk. Na jednym niewielkim kawałku plastiku zmieścić można zawartość całej dwunastotomowej encyklopedii.

Dźwięk ze światła

Cyfrowa informacja na płycie kompaktowej zapisana jest w postaci spiralnej ścieżki składającej się z wgłębień wyzto bionych w płytce z tworzywa [B] Wgłębienia te czyta laserowa wiązka promieniowania podczer wonego [A] która odbijana pada na zwierciadło połprzepusz czalne przechodzi przez dwie soczewki i jest ogni skowana na

ścieżce wgłębień Jeśli wiązka pada na odcinek płaski (obszar pomiędzy dwoma wgłębieniami L to w wyniku odbicia powraca dc układu soczewek. Gdy wiązka pL da na wgłębienie ulega rozproszeniu tak ze tylko miru malna ilość światła odbija się Z powrotem Po przejściu przez soczewką cylindryczną światło pt da na cztery czujniki Czujniki te gdy pada na nie światło wytną

silnik soczewki skupiającej-

silmk-

Dźwięk to stale zmienne w czasie falowanie ciśnienia powietrza Gdy dociera on do mikrofonu, przekształca­ny jest w falę elektryczną, która może zostać zapisana cyfrowo w procesie zwanym próbkowaniem Urządze­nie rejestrujące mierzy wysokość, czyh amplitudę fali dźwiękowej, 44 100 razy na sekundę i rejestruje warto­ści pomiarów w postaci ciągów 16-pozycyjnych liczb dwójkowych, składających się z zer i jedynek Gdy po­wstaje płyta kompaktowa, kczby te przekładane są na ciągi wgłębień i odcinków płaskich (obszarów między wgłębieniami), wytrawianych na płycie

Płyta długogrająca dawnego typu jest „czytana" za pomocą diamentowej igły, która przesuwa się wzdłuż rowka wytłoczonego na powierzchni płyty Natomiast czytnikiem odtwarzacza płyt kompaktowych jest wąska wiązka podczerwonego promieniowania laserowego, która wędruje po spiralnej ścieżce wgłębień i obszarów płaskich w kierunku od środka na zewnątrz Gdy wiązka ta pada na obszar płaski, odbija się i dociera do czujnika światła Wgłębienie załamuje lub rozprasza wiązkę, przez cojej odbicie staje się dużo słabsze Wiązka świat­ła o zmiennym natężeniu, docierająca do czujnika, zo­staje przekształcona przez odtwarzacz w senę pojawia-

Zobaa także Sprzęt audio 44 Rejestrowanie dźwięku 52 Lasery i holografia 70

—— soczewka skupiająca

silnik siedzący

laser

polprze

wodmkowy

	phta
	kompaktowa
> ———— zwierciadło potpn.epuszcz.alne
soczewka
cylindryczna

wiązka laserowa

czujniki swiatla

przekładnia ślimakowa

Płyty kompaktowe

Modelowanie muzyki

Nagrywany dźwięk zapisywany jest na taśmie magnetycznej [1], Cyfrowy zapis nagrania, zawierający pełen zestaw kodów korekcyjnych, również zostaje zapisany na taśmie magnetycznej, następnie zaś przy jego użyciu wykonuje się płytę kompaktową [C]. Taśma steruje wiązką laserową, która wypala wzór w specjalnym fotorezystancyjnym pokryciu, nałożonym na wstępnie przygotowaną płytę szklaną [2], Tam gdzie promień lasera padnie na maskę fotolitograficzną, właściwości materiału zmieniają się tak, że staje się on podatny na

wiązka laserowa

trawienie kwasem. Poddany takiej obróbce materiał jest wytrawiany łącznie ze znajdującym się pod spodem szkłem, tak że powstaje ścieżka składająca się z wgłębień [3]. Ta szklana płyta wzorcowa jest bardzo powoli powlekana niklem, dopóki nie osiągnie się właściwej grubości [4]. Następnie za pomocą mieszanki trawiącej usuwa się pozostałości szkła i w konsekwencji uzyskuje się niklowy pozytyw płyty -„negatyw" wersji pierwotnej. Pozytyw ten wykorzystuje się do tłoczenia wielu kopii na czystych plastikowych krążkach, które następnie stają się płytami kompaktowymi [5]. Górną powierzchnię płyty powleka się [6] cienką warstwą glinu, odbijającą laserowe światło odtwarzacza, a następnie ochronną warstwą lakieru, na której wydrukowana jest nazwa płyty.

Trzymać się ścieżki

Dzięki precyzyjnemu podukładowi wiązka laserowa odtwarzacza zawsze ogniskuje się i podąża za ścieżką wgłębień i obszarów płaskich. Gdy padnie na płytę, odbija się i wraca do zespołu czterech czujników światła [D]. Jeśli zogniskowanie i podążanie po ścieżce jest właściwe, odbite światło układa się w okrągłą plamę, równomiernie rozłożoną na wszystkie cztery czujniki. Jeżeli zaś okaże się niewłaściwe, powstała plama jest albo zniekształcona [1], albo ma niejednorodne natężenie [2]. Takie meregulamości w rozkładzie światła na cztery czujniki powodują włączenie się dwóch niewielkich silniczków, które przesuwają i ponownie ogniskują wiązkę.

jących się i zanikających impulsów elektrycznych, czyli bitów, a one z kolei są ponownie przekształcane

w dźwięk emitowany z głośników. |

&

Zapobieganie błędom

Każde wgłębienie ma tylko trzy piąte mikrometra szero­kości - stanowi to około jednej setnej średnicy włosa ludzkiego. Przy tak precyzyjnym rozmieszczeniu danych na płycie nawet niewielki pyłek kurzu mógłby zabloko­wać dostęp do znacznych ilości danych i spowodować w ten sposób poważne problemy. W wyniku korekcji błędów - mechanizmom eliminowania lub ukrywania błędów - działanie odtwarzacza może być płynne i pre­cyzyjne. Podczas nagrywania do próbek zapisanych na płycie dołącza się dodatkowe informacje. Dzięki tym tak zwanym bitom parzystości mikroprocesor wewnątrz od­twarzacza może sprawdzić, czy jakaś część informacji nie została zagubiona, i skorygować drobne błędy. Wię­kszych błędów unika się przez dzielenie i przeplatanie 16-cyfrowych słów tak, że rysa może spowodować zatar­cie tylko niewielkich fragmentów kilku próbek, nie zaś jednej próbki w całości.

Mimo iż jakość dźwięku na płytach kompaktowych jest bardzo dobra, wciąż nie jest ona doskonała. Samo próbkowanie - proces przekształcania ciągłej fali aku­stycznej w ciąg zer i jedynek - może wprowadzić pewnego rodzaju zniekształcenia. Jedno z nich zwane jest błędem kwantowania. Podczas nagrywania mie­rzy się amplitudę, czyli wysokość fali akustycznej, a następnie przypisuje się jej jedną z ponad 32 000 wartości, 44 100 razy w ciągu każdej sekundy. Pomi­mo tak ogromnego zakresu rzeczywista wartość naj­częściej wypada gdzieś pomiędzy dwoma wartościa­mi. Wynikające z tego przypadkowe zaokrąglanie w górę lub w dół słyszalne jest jako zakłócenia - poja­wia się w tle muzyki irytujący szum o wysokiej czę­stotliwości. Jedynym sposobem zamaskowania tego zakłócenia jest nałożenie nań innego, mniej dener­wującego szumu, mimo iż dla bardzo uważnych słu­chaczy jest nadal słyszalny.

Nie tylko muzyka

Każdy rodzaj informacji - słowo pisane, dźwięki czy obrazy - można przedstawić za pomocą liczb i zare­jestrować na płycie kompaktowej. Na jednej płycie kompaktowej można zapisać ponad 100 milionów słów, co stanowi odpowiednik 1000 powieści.

W postaci liczb można zapisywać litery alfabetu, lecz także jaskrawość i kolor pikseli - elementów ob­razu, które składają się na obraz telewizyjny. Płyta kompaktowa ma pojemność wystarczającą na zareje­strowanie tylko około minuty pełnego sygnału wideo, ale prędkość odtwarzania takiej płyty, która wynosi nawet 1,3 miliona bitów na sekundę, nie jest wystar­czająca do odtwarzania filmów. Aby rejestrować filmy na płytach mniejszej objętości bez utraty jakości, sto­suje się różne rodzaje kompresji danych.

Dzięki temu otwiera się możliwość zapisu multime-dialnego, łączącego w sobie tekst, obraz i dźwięk. Ko­rzystając z klawiatury, użytkownicy sami mogą wybie­rać własne drogi docierania do danych na płycie. Opraco­wanie multimedialne zawiera tekst, który można szybko i łatwo przeglądać w poszukiwaniu wszystkich wyrażeń, w których występuje dane słowo czy fraza. Na „stroni­cach" takiego opracowania obok tekstu pojawiają się także rysunki, dźwięki, filmy animowane czy migawki filmowe, choć trzysekundowy czas dostępu do nich może w pewnych przypadkach stanowić znaczną niedo­godność.

Komputery 78 80 Prawa przyrody 246 248 250 252 260 262 264

56

Telewizja

Jak pracuje odbiornik telewizyjny

Telewizję kolorową traktuje się jako coś oczywistego: oglądanie tego „pudła" to najważniejsza rozrywka w krajach rozwiniętych. A jednak to urządzenie codziennego użytku - rezultat ponad 50 lat badań - rzeczywiście zadziwia swoją zdolnością przetwarzania i przekazywania informacji. Każdy obraz na ekranie telewizora składa się z ponad 100 000 elementów ułożonych w kilkuset liniach, a obraz pokazywany na ekranie zmienia się co kilka setnych części sekundy. Dlatego też, aby wyemitować 15-minutowy program informacyjny, odbiornik telewizyjny musi precyzyjnie przetworzyć ponad miliard jednostek informacji.

działa elektronowe wiązki -elektronowe

Telewizja mogła zaistnieć dzięki pewnej szczególnej właściwości ludzkiego wzroku, a mianowicie dzięki temu, że siatkówka oka obserwatora zatrzymuje ob­razy jeszcze przez ułamek sekundy po ich dotarciu do niej. A więc można stworzyć iluzję pełnego obra­zu, wyświetlając wystarczająco szybko obraz po ka­wałku. Zmieniając zaś obraz na ekranie 25-30 razy na sekundę, można stworzyć wrażenie ruchu.

Budowanie obrazu

Wnętrze ekranu telewizyjnego pokryte jest miliona­mi drobnych cząsteczek fluorescencyjnego związku, który emituje światło przy zderzeniu z elektronami prędkimi. Wąski strumień elektronów, wytwarzany w kineskopie, kierowany jest na ekran według usta­lonego wzoru, co sprawia, że punkty fluorescencyj­ne emitują światło w pewnej kolejności. Przy two­rzeniu każdego nowego obrazu strumień kierowany jest najpierw na lewy górny róg ekranu, następnie przesuwa się poziomo, aż dotrze do prawego górne­go rogu. Potem strumień zostaje wyłączony, do mo­mentu kiedy ponownie pojawi się tuż pod swoim początkowym położeniem, a na ekranie jest „ryso­wana" kolejna linia pozioma. Każdy obraz składa się z 625 takich poziomych linii (lub z 525 linii w Sta­nach Zjednoczonych), a zestaw owych 625 linii po­wstaje na ekranie w czasie około jednej trzydziestej sekundy.

Kolor, światło i pomiar czasu

Każda pełna linia powstaje na ekranie w ciągu jednej dziesięciotysięcznej sekundy. W tak krótkim czasie natężenie strumienia elektronów zmienia się, dzięki czemu niektóre punkty świetlne świecą jasno, inne zaś nie emitują światła wcale. W ten sposób jasne i ciemne obszary obrazu mogą zostać odtworzone na ekranie.

Kolorowe telewizory wyposażone są nie w jedno działo, ale w trzy działa elektronowe, które emitują równoległe strumienie elektronów na ekran. Każde z dział odpowiedzialne jest za rozświetlanie odpo­wiednio: czerwonych, niebieskich i zielonych skład­ników obrazu. Dzięki łączeniu rezultatów pracy dział elektronowych na ekranie uzyskać można większość kolorów. Połączenie czerwonego i zielonego daje żółty, niebieski w połączeniu z zielonym daje kolor turkusowy, czerwony i niebieski tworzą purpurę, a połączenie wszystkich trzech kolorów - biały. Podczas przesuwania się wzdłuż linii strumień z każ­dego działa jest tak sterowany, aby uzyskać odpo­wiedni kolor w każdym punkcie linii. Strumień z każdego działa, a co za tym idzie, jaskrawość i ko­lor każdego punktu sterowane są sygnałem telewi­zyjnym, który jest odbierany przez antenę odbiornika lub przekazywany do tego odbiornika kablem. Syg­nał ten niesie ze sobą także impulsy synchronizacyj-ne, dzięki którym działa elektronowe emitują stru­mienie elektronów, skierowane na właściwy punkt

cewki odchylające lampa próżniowa ————— • maska

Wewnątrz kineskopu

Kineskop telewizora [A] to szklana bańka z próżnią w środku W jego tylnej części znajdują się trzy działa elektronowe W każdym z nich żarzona jest ujemnie naładowana katoda, elektrony „wyparowują" zjej powierzchni i przyspieszane są w kierunku ekranu przez dodatnio naładowane anody Poruszające się z ogromną prędkością elektrony sterowane są wzdłuż kineskopu dwoma elektromagnesami - cewkami nawiniętymi wokół kołnierza kineskopu Elektromagnesy wytwarzają zmienne pole magnetyczne, powodujące uderzenia elektronów w odpowiedni punkt ekranu w odpowiednim momencie

Zobacz także Sprzęt audio 44 Radio 50 Technika wideo 58 Telewizja: nowe rozwiązania 60 Prawa przyrody 244 246 248 250 254 258 262 266

Punkty i pasy

Ekian telewizora poh\tv ]f\t plamami luminoforu uło-on\mi po ti~\ [D[ Gd\ M- ziarna te udetz.fi uią~ka tkktmnoH jedno ztciino c ka dej Stójki jarz\ \ię na c c m o no, jedno na ^lelono a jedno na niebiesko Skierowanie odpowiednie] wiązki do odpowiedniego

ziaina to bardzo precyzyjna operacja Znajdująca się. tu" za

ekranem

maska spławia ze

l E] M

i pwno\

znajdującą \ię za ekianem

Ooraz

TJM ości, -przez

synchromzującym elementy obrazu są składane we właściwej kolejności Ten złożony przekaz odbiera antena [1] i przekazie do obwodu detektora [2], gdzie następuje dostrajanie do wybranej stacji Następnie sygnał zostaje podzielony sygnały dźwiękowe przesyłane są do głośnika [3] Sygnały synchromzujące przekazuje się do obwodów synchronizacji [4], gdzie są dzielone na dwa składniki, a następnie podawane do dwóch elektromagnesów otaczających kołnierz kineskopu [5] Jeden z tych składników (kolor żółty) określa poziome położenie strumienia elektronów, drugi zaś (kolor pomarańczowy) określa jego

położenie pionowe na ekranie Sygnały koloru i jaskrawości przekazywane są do obwodu dekodującego [6], skąd następnie docierają do trzech dział elektronowych w podstawie kineskopu [7] Każde z tych dział wytwarza oddzielną wiązkę elektronów, która odpowiada albo czerwonym, albo zielonym, albo niebieskim miejscom obrazu Jasnością i barwą obrazu można sterować, zmieniając co chwila natężenie wiązki elektronów

Każde działo emituje wiązki elektronów, a ruchem wiązek sterują elektromagnesy otaczające kołnierz kineskopu, tymi zaś sterują impulsy synchromzacyjne w sygnale telewizyjnym Wiązka elektronów odchylana jest Z lewa na prawo oraz Z góry w dół, dzięki czemu na ekranie rysowane są linie poziome Liczba obrazów telewizyjnych, wyświetlanych na ekranie telewi­zora ograniczona została do 30 na sekundę Ta częstotliwość jest zbyt mała, aby oszukać ludz­kie oko i stworzyć mu wrażenie oglądania ciągłego obrazu ~ dlatego obraz sprawia wrażenie migotania. Aby ograniczyć to migotanie, każdy obraz telewizyjny wyświetla się w rzeczywistości dwukrotnie [C] Gdy wiązka elektronów posuwa się w dół ekranu, rysuje co drugą Imię. O jedną trzydziestą sekundy później wiązka ta rysuje ten sam obraz na liniach pominiętych za pierwszym razem. Każdy obraz telewizyjny jest rezultatem dwukrotnego przejścia przez ekran wiązek z trzech dział elektronowych

ekranu we właściwym momencie. Bez takiej infor­macji obraz telewizyjny byłby tylko nieregularną mieszaniną kolorowych punktów.

Jakość i ilość

Ogromna liczba zakodowanych informacji koniecz­nych do przekazania obrazu telewizyjnego nakłada pewne ograniczenia na rozdzielczość tego obrazu, to znaczy na stopień jego szczegółowości. Każdy kanał telewizyjny musi mieć 6 megaherców szerokości pasma - każde takie pasmo jest 600 razy szersze niż pasmo zajmowane przez stację radiową. Zwiększanie rozdzielczości wymaga, by dany kanał przenosił jeszcze więcej informacji, co z kolei sprawia, że większa musi być także szerokość pasma. Częstotli­wości dostępne na danym obszarze dla przekazu telewizyjnego są zawsze ograniczone: wzrost jakości obrazu łączy się z ograniczaniem liczby stacji, z któ­rych korzystać mogą widzowie. Z tego właśnie po­wodu dzisiejsza telewizja jest kompromisem pomię­dzy jakością obrazu a możliwością wyboru spośród dostępnych kanałów.

Pojawienie się telewizji kablowej oraz nowe osiągnięcia w dziedzinie włókien światłowodowych pozwolą na jednoczesne funkcjonowanie znacznie większej liczby kanałów, które nie będą się wzajem­nie zakłócać, co zmniejszy istniejące obecnie ograni­czenia dotyczące rozdzielczości obrazu. Telewizory wysokiej jakości (o jakości obrazu porównywalnej z jakością filmu łanowego) mogą wkrótce stać się typowymi sprzętami w naszych mieszkaniach.

Rozwój nowych systemów telewizyjnych zależeć będzie nie tylko od dostępności najnowszych osiąg­nięć techniki, ale także od opłacalności włączania milionów gospodarstw domowych do sieci kablowej wykorzystuj ącej światłowody. Każdy przyszły sy­stem telewizji wysokiej jakości będzie musiał mieć także możliwość nadawania programów wykony­wanych dzisiejszą techniką, aby wyjść naprzeciw zapotrzebowaniu widzów na powtórki starych pro­gramów.

58

Technika wideo

W jaki sposób kamery wideo rejestrują ruchome obrazy

Pierwsze kamery telewizyjne miały tak słabą kontrastowość, że aktorzy musieli używać czarnej szminki, aby ich usta były widoczne. Współczesna kamera audio-wideo może rejestrować obrazy z najdrobniejszymi szczegółami przy świetle świecy; zawiera w sobie wszystkie elementy zminiaturyzowanego studia telewizyjnego. Zmiennoogniskowy obiektyw takiej kamery skupia światło na półprzewodnikowej płytce detektora, która rozkłada obraz na 300 000 punktów i wytwarza sygnał elektryczny. Sygnał ten jest przekazywany do obracających się głowic taśmy, które pakują informacje, dotyczące jaskrawości, koloru i dźwięków otoczenia, na pasku taśmy o szerokości ludzkiego włosa.

Kamery audio-wideo, podobnie jak kamery filmowe, rejestrują ruchome sceny w postaci ciągu nieruchomych obrazów. W wypadku kamery audio-wideo te nierucho­me obrazy składają się z siatki pikseli - każdy z nich odpowiada punktowi świetlnemu na ekranie telewizora. Obiektyw Zmiennoogniskowy skupia światło z rejestro­wanej sceny na układzie o sprzężeniu ładunkowym (CCD - od ang. charge-coupled device). Jest to kość krzemowa, której powierzchnia pokryta została siatką se­tek tysięcy czujników światła. W wyniku odczytywania tych czujników, rząd po rzędzie, powstaje fala elektrycz­na o kształcie, w którym szczyty i doliny są odbiciem jasnych i zacienionych obszarów filmowanej sceny. Kolorowanie

Przy rejestrowaniu koloru kamera wideo wykorzystuje specyficzne właściwości światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Kolory te są nazywane kolorami podsta­wowymi, ponieważ różne ich połączenia dają w efekcie wszystkie pozostałe kolory tęczy. Niewielki filtr umiesz­czony z przodu CCD, składający się z pasów o szeroko­ści jednej pięćdziesiątej milimetra, rozszczepia światło na te kolory, które pojedynczo odbierane są przez czujniki, występujące w grupach po trzy. Sygnał przekazywany przez te czujniki zawiera w sobie informacje, które po­wodują zaświecenie się odpowiednich punktów czerwo­nych, zielonych i niebieskich na ekranie telewizora. Do rozszczepiania światła na j ego składniki podstawowe ka­mery o większej czułości wykorzystują układ pryzma­tów, składniki te zaś są następnie rejestrowane przez trzy oddzielne układy fotoelektryczne.

Jeśli do CCD dostanie się zbyt dużo światła, powo­duje to nasycenie i, w konsekwencji, powstanie całko­wicie białego obrazu. Procesor zapobiega temu albo przez zamknięcie przysłony w obiektywie (co jest czynnością analogiczną do zamknięcia źrenicy oka ludzkiego), albo przez skrócenie czasu, w jakim CCD pobiera światło przy rejestrowaniu każdego obrazu. Rejestracja na taśmie

We wszystkich urządzeniach rejestrujących na taśmie wykorzystuje się niewielkie głowice, będące elektro­magnesami - dzięki mm można zapisywać sygnał w postaci obszarów namagnesowania na pewnym od­cinku taśmy pokrytej tworzywem sztucznym. Przy na­grywaniu dźwięku taśma przesuwa się wzdłuż głowicy z prędkością 4,8 cm/s. Jednakże sygnały akustyczne zawierają w sobie znacznie mniej informacji niż sygnał wizyjny, który wymaga p rędkości zapisu wielu metrów na sekundę. Gdyby sygnał był rejestrowany w linii prostej wzdłuż taśmy, do zapisania nawet krótkiego programu potrzeba byłoby wielu kilometrów taśmy. Aby tego uniknąć, kamery wideo stosują sztuczkę zwaną zapisem ukośnym. Na bębnach zamocowane są bardzo wąskie głowice zapisujące, które obracają się z prędkością większą niż 2000 razy na minutę. Taśma powoli przesuwa się ukośnie po powierzchni bębna, tak że sygnał zapisywany jest w postaci ciągu wąskich ukośnych pasków przecinających ją. Taki rodzaj re­jestrowania może poradzić sobie z zagęszczeniem informacji, koniecznym przy zapisie wideo.

Ruchome obrazy

Światło wchodzące do kamery audio-wideo skupione zostaje przez wiele szklanych soczewek obiektywu zmiennoogmskowego [1] Następnie promień przechodzi przez pryzmat dwojłomny [2] - szklane klocki pokryte filtrami barwnymi Pryzmat ten rozszczepia światło na jego barwy podstawowe, czyli na czerwoną, niebieską i zieloną Każdy z barwnych promieni kierowany jest do oddzielnego fotoelektryczne go układu scalonego [3], który przekształca światło w sygnał elektryczny, przesyłany do głowicy wizyjnej [9] i rejestrowany na taśmie magnetycznej razem z dźwiękiem z mikrofonu [4] Celownik [5] - miniaturowy telewizor - wyświetla obrazy rejestrowane w danej chwili Na tej samej zasadzie działa profesjonalna kamera audio-wideo, której niewielki ciężar sprawia, ze można mą filmować z tylnego siedzenia motocykla (z prawej)

Układy o sprzężeniu ładunkowym (CCD)

CCD to światłoczuła warstwa krzemowa położona na metalicznych elektrodach. W środku znajduje się izolacyjna warstwa dwutlenku krzemu. Urządzenie to pracuje, powtarzając dwa kroki 25 razy na sekun­dę. W pierwszym kroku fotony (cząsteczki światła) uderzają w atomy krzemu, uwalniając w ten sposób elektrony. Elektroda, zamocowana nad każdym ele­mentem obrazu i oddzielona od krzemu warstwą izolacyjną, chwyta elektrony za pomocą napięcia dodatniego. Gdy na układ pada więcej światła, nastę­puje budowanie „obrazu", w którym jasne obszary przedstawiane są przez elementy układu zawierające znaczną liczbę elektronów. Drugi krok polega na „odczytaniu" tego obrazu z układu scalonego: od­czytywaniu po jednym elemencie obrazu (pikselu), tak aby uzyskać sygnał wizyjny.

CCD stosuje się nie tylko w kamerach wideo, ale także w urządzeniach takich jak fotokopiarki czy fa-ksy. Jednakże największe i najbardziej skomplikowa­ne tego rodzaju przyrządy stosowane są w telesko­pach astronomicznych: zawierają one ponad 4 000 000 elementów czujnikowych obrazu (pikseli) na obszarze 5,5 x 5,5 cm. Przyrządy te, ponad 25 razy większe od CCD w kamerze audio-wideo, są wrażli­we na znacznie słabsze światło niż płyty fotograficzne i na szerszy zakres długości fal.

Ładowanie

Gdy padające fotony (cząstk światła) uderzają w atom^ krzemu wewnątrz CCD wybijają elektrony w procesi zwanym efektem fotoelektrycznym Elektrom naładowane ujemnie, przyciągane są przez dodatr napięcie na środku trzech elektrod, znajdujących się pt każdym pikselem [ l ] W ten sposób natężenie światła filmowanej sceny rejestrowane jest jako liczbo elektronów w każdym piksel Co jakiś czas mierzy się sto} naładowania Dodatnie napięcie faluje wzdłuż elekti każdej kolumny pikseli, „ściągając" elektrony zjedi piksela na drugi [2] Elektrc w najniższym czujniku kazdt kolumny przenoszone są do pojedynczego rzędu CCD z własnym układem elektroa które wpychają każdą grupę elektronów, jedną po drugie do końcówki [3] Gdy cah i zostanie „odczytany", proc t ten zostaje powtórzony, tak

Zobacz także Rejestrowanie dźwięku 52 Telewizja 56 Telewizja: nowe rozwiązania 60 Teleskopy 138 Prawa przyrody 244 246 248 254 264 266

59

n

Obracające się głowice Po umieszczeniu kasety [6] w kamerze audio wideo podnosi się klapka ochronna [7] Rolki prowadzące wyciągają tasme_ magnetyczną z kasety i nawijają ją na bęben zapisujący [8] Bęben ten obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu taśmy a więc ich wzajemna prędkość względem siebie jest stosunkowo wysoka Duża prędkość zapisu pozwala na zarejestrowanie przez głowice zapisujące [9] ogromnej ilości danych niezbędnych dla obrazu wizyjnego na możliwie najmniejszej długości taśmy Druga głowica [10] rejestruje poniżej ścieżką dźwiękową oraz ścieżką kontrolną Zapis ukośny [B] czyli ruch głowic zapisujących na obracającym się i ułożonym ukośnie bębnie zapisującym daje w rezultacie szczególny naprzemianskośny [11] wzór namagnesowanych cząstek na taśmie Informacja wizyjna zapisana jest w postaci długich skórnych pasów ograniczonych u dołu i u góry ścieżką dźwiękową i ścieżką kontrolną [12]

ne CCD

e

e

ujnika la rząfalę

odpowiadają najjaśniejszym pikselom w których wychwycona została największa liczba elektronów

korpus CCD

atom krzemu

elektron g

dwutlenek krzemu

elektroda

60

Telewizja: nowe rozwiązania

Jak się będzie przekazywać i oglądać obraz telewizyjny w przyszłości

35 900 km nad powierzchnią Ziemi satelita telewizyjny nadaje programy telewizyjne wielu stacji dla całego kontynentu. Pod ulicami naszych miast biegną kable światłowodowe, dostarczające widzowi jeszcze większy wybór programów. Telewizja sama w sobie także sią zmienia - dzięki cyfrowej rejestracji i nadawaniu programów, zapewniającej dużą rozdzielczość, oglądać będzie można szerokoekranowe obrazy typu kinowego, którym towarzyszyć będzie dźwięk dookolny (uprzestrzenniony). Trwa wyścig, mający na celu stworzenie doskonałych, całkowicie płaskich ekranów, które będzie można zawiesić na ścianie. Dzięki tej telewizji nowej generacji ludzie będą mieli dostęp do nowych rodzajów przekazu na płytach kompaktowych, począwszy od gier, a skończywszy na wakacyjnych fotografiach.

Domowa antena satelitarna może odbierać sygnały od całej konstelacji nadajników, krążących wokół Ziemi po orbitach geostacjonarnych. Program każdej stacji nada­wany jest na obszar objęty zasięgiem wiązki satelity (na obszar, na który satelita ten jest wycelowany) przy wyko­rzystaniu mocy zaledwie 100 watów, czyli mocy żarów­ki. Gdy sygnał dociera do Ziemi, jest słabszy niż prąd w silniczku zegarka, a jednak pojedynczy talerz anteny satelitarnej potrafi odbierać sygnały wielu różnych stacji. Nawet ta eksplozja liczby programów, spośród których widz może wybierać, jest niczym w porów­naniu z możliwościami, jakie oferuje sieć cyfrowa. W takiej sieci zamiast konwencjonalnej fali telewi­zyjnej (zmieniającej się w sposób ciągły, aby oddać jaskrawość poszczególnych punktów) stosuje się sygnał cyfrowy, w którym jaskrawość i kolor każde­go punktu na ekranie zapisane są w postaci liczb. Kable światłowodowe mogą przekazywać do kon­kretnego widza setki takich sygnałów i być wyko­rzystywane interakcyjnie: wysyłając sygnały wzdłuż tej samej ścieżki, wzdłuż której przekazywany jest program, widz może głosować, uczestniczyć w róż­nych grach czy domagać się powtórek.

Szerszy, ostrzejszy i bardziej płaski

Takie sygnały cyfrowe są kluczowym elementem następnej generacji ekranów telewizyjnych - telewizji wysokiej rozdzielczości. Obecnie obrazy telewizyjne w Europie składają się z 625 linii (w USA i Japonii z 525 linii). W obrazie telewizji wysokiej rozdzielczości będzie 1250 linii (w Japonii - 1125 linii), co prawie podwoi liczbę pikseli na centymetr i w rezultacie da obraz o zde­cydowanie większej ostrości. Jednocześnie ekrany staną się szersze, dzięki czemu ich kształt będzie odpowiadał kształtowi ekranu kinowego.

W większości istniejących obecnie dużych telewizo­rów stosuje się lampy katodowe (lampy kineskopowe). W środku takich lamp znajdują się działa elektronowe, które zajmują dużo miejsca i pochłaniają mnóstwo ener­gii. Dlatego lamp nie można stosować w odbiornikach przenośnych. Obecnie głównym przedmiotem badań jest doskonalenie ekranów ciekłokrystalicznych, czyli rozbu­dowanych wersji typowego ekranu laptopa. Jednym z problemów jest to, że ekrany takie nie reagują dostate­cznie szybko, aby mogły poradzić sobie z sygnałem tele­wizyjnym, niosącym 50 obrazów na sekundę. Druga przeszkoda to ogromny koszt budowy dużych ekranów -ekran o rozmiarach nawet niewielkiego ekranu telewizo­ra kineskopowego kosztuje ponad 10 000 dolarów ame­rykańskich. Jednakże rozpoczęcie produkcji masowej może przynieść spadek cen.

Większe, choć mniej wyraźne obrazy uzyskać moż­na dzięki układom projekcyjnym z zastosowaniem lamp katodowych lub ekranów ciekłokrystalicznych. Przy wykorzystaniu tych systemów obraz może mieć rozmiary całej ściany, ale na obrazie o przekątnej po­wyżej 100 cm widać aż nazbyt wyraźnie słabą roz­dzielczość dzisiejszej telewizji.

Płaskie telewizory

Zamiast koncentrować się na udoskonalaniu ekranów ciekłokrystalicznych, niektóre firmy na nowo wynalazły lampę kineskopową w celu stworzenia telewizorów płaskoekranowych. Konwencjonalna lampa kineskopowa emituje wiązkę elektronów, którą odchyla cewka magnetyczna i przemiata nią po ekranie. W wersji płaskoekranowej [A] ekran podzielony został tak, iż powstała matryca składająca się z około W 000 komórek elementarnych. Każda komórka [B] składa się z sześciu warstw. Z tylu paskowe katody [1] wytwarzają, elektrony. Następna elektroda [2] przyspiesza i ogniskuje wiązkę. Wiązki przechodzą przez szczeliny w elektrodach odchylających w pionie [3] i poziomie [4], dzięki czemu wiązka przemiata ekran [5]. Ponieważ każda wiązka elektronowa odpowiedzialna jest za tworzenie obrazu na niewielkiej powierzchni, a nie na całym ekranie, w rezultacie otrzymać można bardziej płaski telewizor: jego grubość wynosi zaledwie 10 cm zamiast 34.

4 _l

Ekrany ciekłokrystaliczne

Ciekłe kryształy to takie związki, które, podobnie jak ciecze, są płynne, ale ich cząsteczki mają stru­kturę krystaliczną. Przydatność ciekłych kryszta­łów do budowy ekranów wynika z ich wpływu na światło. Światło składa się z fal poprzecznych, któ­re drgają pod kątami prostymi do kierunku prze­mieszczania się. Zwykle fale świetlne drgają we wszystkich płaszczyznach, ale polaryzator zatrzy­muje fale, z wyjątkiem tych, które drgają w wybra­nej płaszczyźnie. Cząsteczki ciekłego kryształu w sposób naturalny układają się w spiralę i takie ich ustawienie skręca płaszczyznę polaryzacji.

W ekranie ciekłokrystalicznym ciekły kryształ ob­rócił o 90° płaszczyznę polaryzacji światła, które przeszło przez polaryzator. Oznacza to, że światło może przejść przez drugi polaryzator, ustawiony pod kątem prostym do pierwszego, i jest widoczne. Na­pięcie przyłożone do elementu ciekłego kryształu sprawia, że cząsteczki odkręcają się i światło zostaje zatrzymane.

Ekran ciekłokrystaliczny

Jednym z najprostszych zastosowań ciekłych krysztt są siedmioelementowe wyświetlacze cyfrowe. Ciek kryształ umieszczony jest pomiędzy dwiema szklanyti płytkami, z których każda zaopatrzona została w siec, przezroczystych elektrod, b do elektrod tych zostaje przyłożone napięcie, wytwarzają one w ciekłym krysztale pola elektryczne. Polaryzator przepuszcza pi ciekły kryształ tylko te fale świetlne, które drgają w określonej płaszczyźnie Układające się spiralnie cząsteczki ciekłego kryszta obracają polaryzację świa o 9tf [2] / światło może p przez następny polaryzato znajdujący się na wyświet Jednak gdy do elementu wyświetlacza zostanie

Zobacz takie: Sprzęt audio 44 Radio 50 Telewizja 56 Technika wideo 58 Prawa przyrody 226 228 244 246 248 250 254 258 262 266

Telewizja: nowe rozwiązania 61

Telewizja wysokiej jakości

Dwie fotografie obok pokazują jakość obrazu o wysokiej rozdzielczości Obrazy telewizji o wysokiej rozdzielczości składają się z 1125 Unii (bardziej z lewej) co stanowi prawie dwukrotnosc 625 hnu tradycyjnej telewizji (z lewej) Dzięki temu obraz może ukazać nacznie więcej szczegółów -pojedyncze piksele są prawie niewidoczne

Kryształowo czysty obraz

Większość konstruowanych obecnie telewizorów z ekranami ciekłokrystalicznymi to telewizory z aktywną matrycą [C] Ekran podzielony jest tak ze powstaje matryca składająca się z setek tysięcy oddzielnych komórek czyli pikseh Ciekły kryształ w nich zawarty przepuszcza światło tylko wtedy gdy napięcie me jest przyłożone do elektrod z przodu i z tyłu każdej komórki Gdy napięcie jest odłączone na ekranie pojawia się punkcik gdy napięcie jest przyłożone światło nie przechodzi Siatka ta jest aktywna gdyż niewielki tranzystor umieszczony w rogu elektrody położonej najbardziej z tyłu włącza i wyłącza prąd dla każdego piksela Poprzez włączanie każdego tranzystora w sposób niezależny na ekranie buduje się obraz Dzięki warstwie filtrów barwnych (umieszczonych z przodu składającego się z kilku warstw układu z białego światła przechodzącego przez układ) uzyskuje się trzy barwy podstawowe Połączenie tych trzech barw w rożnych proporcjach daje wszystkie odcienie tęczv

n acja

jniemona e pr~ejsc o r ab\ c a i H ten na ten

element ma

62

Aparaty fotograficzne

Jak się robi zdjęcie aparatem fotograficznym

Aparat Kodaka, wylansowany w 1888 roku za pomocą sloganu „Ty przyciskasz

guzik, my robimy resztę", udostępnił sztukę fotografii masom. Fotografowanie jest

teraz najbardziej popularnym hobby na świecie, a robienie zdjęć nigdy nie było

prostsze niż obecnie. Współczesne aparaty wykorzystują scalone układy

półprzewodnikowe do obliczania czasu naświetlania i ostrości. Są one zaopatrzone

w urządzenia optyczne wysokiej jakości, dzięki czemu profesjonalne wykonanie

zdjęć może znaleźć się w zasięgu możliwości amatora. Mimo to wszystkie aparaty, dźwignia

niezależnie od ich stopnia skomplikowania, mają tę samą podstawową konstrukcję, przewijania

która niewiele się zmieniła od narodzin fotografii.

ogniwa światłomierza ——i

zamocowanie lamp"* błyskowej

Aparat fotograficzny to, mówiąc najprościej, światło-szczelne pudełko z obiektywem na jednym końcu, a z błoną fotograficzną na drugim. W większości apara­tów możliwe jest także pewne regulowanie ostrości i eks­pozycji - ilości światła padającego na film - po to, aby uzyskać jak największą ostrość i wierność zdjęcia.

Aparaty produkowane są w wielu różnych rozmia­rach, czyli mogą mieć różną wielkość obrazka (określaną przez rozmiar stosowanej w nich błony), przystosowaną do spełniania różnorodnych zadań. Ogólnie rzecz biorąc, mi większa błona, tym lepsza rozdzielczość: z tego względu fotograficy zajmujący się fotografowaniem krajobrazu czy fotografią reklamową zwykle używają dużych aparatów fotograficznych, w które załadowana jest pojedyncza płytka światłoczuła o rozmiarach 26 x 20 cm. Amatorzy wolą aparaty poręczniej sze, w których nie trzeba zmieniać błony po każdym zdjęciu. W najbar­dziej popularnych aparatach tego rodzaju stosuje się rolki błony o szerokości 35 mm, na których można zarejestro­wać 36 klatek.

Istnieją dwa rodzaje aparatów na filmy o szerokości 35 mm: aparaty dwuobiektywowe i lustrzane jedno-obiektywowe. Aparaty dwuobiektywowe są prostsze: mają mniej ruchomych części, gdyż wyposażone zo­stały w dwa obiektywy. Główny obiektyw tworzy ob­raz, a mniejszy obiektyw celownika, umieszczony nieco z boku aparatu, pokazuje to, co zarejestruje apa­rat. Minusem tej konstrukcji jest to, że istnieje pewna rozbieżność, zwana błędem paralaksy, między tym, co się ogląda, a tym, co zostaje zarejestrowane na zdjęciu. Aparat lustrzany jednoobiektywowy jest me­chanicznie bardziej skomplikowany, ale wszechstron-niejszy: ponieważ ma tylko jeden obiektyw, przez któ­ry obraz ogląda się i fotografuje, usuwa to błąd parala­ksy. W aparacie lustrzanym jednoobiektywowym można wymieniać obiektywy, a celownik zawsze po­każe to, co znajdzie się na zdjęciu.

wyzwalacz migawki

pryzmat pentagonalny

regulacja średnicy otworu przysłony

soczewki

napęd

automatycznego ustawiania ostrości

zwiercia wtórne

czujniki fotoelek: do auta regulacj

zwierciadle glówne

Działanie światła

Naświetlanie reguluje się przez zmianą przysłony lub czasu na­świetlania Ustawienie dużej przysłony [C] zwiększa głębię ostrości - odległość od aparatu w głąb fotografowanej sceny, w które] znajdujące się obiekty bada odtworzone ostro na zdjęciu Jeśli dany punkt fotografowanej sceny znajduje się poza ogniskiem na filmie, wówczas jest on rejestrowany jako koło o malej średnicy i dlatego nadal wydaje się dość ostry Przy mniejszej przysłonie [D] punkt ten staje się kołem o większej średnicy l w ten sposób fotografowana scena ma mniejszą, ostrość Migawka aparatu lustrzanego jednoobiektywowego na film o szerokości 35 mm składa się z dwóch zasłon, umieszczonych

Zobacz także Technika wideo 58

tuz przed filmem, który naświet­lany jest przez szczeknę pomiędzy dwiema zasłonami Wąska szczelina odpowiada krótkiemu czasowi naświetla­nia — wtedy na zdjęciu można „uchwycić ruch" [E] Szeroka szczelina odpowiada długiemu czasowi naświetlania, i zastosowany przy foto­grafowaniu obiektów ruchomych, powo­duje powstawa­nie „poru­szonych " zdjęć [F]

, który,

płaszczyzna ogniskowa

Kamery filmowe 64 Błona fotograficzna 68

Aparaty fotograficzne 63

Poręczny aparat

Migawka aparatu dwuobiektywowego [A] zwykle umieszczona jest tuz za obiektywem [1], a me w płaszczyźnie filmu Migawka [2] przypomina przysłonę [3], gdyż ma kształt pierścieniowy promieniowy ruch jej blaszek [4] powoduje wystawienie blony fotograficznej na działanie światła

Aparat lustrzany

jednoobiektywowy Do aparatu lustrzankowego jednoobiektywowego światło dostaje się przez złożony obiektyw Ilość wpuszczanego światła można regulować przysłoną segmentową W aparacie znajduje się zwierciadło ustawione pod kątem 45°, które odbija obraz w górą i pokazuje go na ekranie matowki. Odwrócony obraz odbijany jest pod kątem 90° przez pryzmat pięcioboczny (który także obraca obraz właściwą stroną do góry) i można go oglądać w celowniku

Aby zrobić zdjęcie, fotograf nacieka wyzwalacz migawki Ustawione pod kątem

przewijanie filmu

zwierciadło zostaje usunięte z drogi ułamek sekundy później migawka otwiera się ifilm zostaje naświetlony Ilość światła dostającego się do aparatu mierzona jest za pomocą ogniw światłoczułych umieszczonych dookoła pryzmatu pentagonalnego W większości aparatów elektronicznych światłomierz połączony jest z procesorem, który ocenia warunki oświetleniowe i ustawia optymalną przysłonę i czas naświetlania, dzięki czemu fotograf może skoncentrować się na twórczej stronie robienia zdjęć

Naświetlanie reguluje się albo poprzez zmianę wielkości przysłony, a w konsekwencji otworu, przez który światło dostaje się do aparatu, albo też przez zmianę czasu na­świetlania, czyli czasu, przez który błona fotograficzna będzie wystawiona na działanie światła. W aparacie lu-strzankowym jednoobiektywowym mechanizm regula­cji przysłony składa się z zachodzących na siebie bla­szek, których ustawienie regulowane jest za pomocą pierścienia na obiektywie. Pierścień ustawia się tylko w wybranych położeniach. Każdemu położeniu odpo­wiada wartość określona stosunkiem odległości ognisko­wej do średnicy obiektywu: ustawienie pierścienia w każdym kolejnym położeniu powoduje zmniejszenie o połowę ilości wpuszczanego światła.

Czasy naświetlania w aparatach lustrzankowych jednoobiektywowych mają zwykle wartości od 8 s do 1/1000 s. Podobnie jak wartości przysłony, są one zmie­niane skokowo w taki sposób, który umożliwia natych­miastowe zmniejszanie o połowę czasu naświetlania lub jego podwojenie (1/30 s, 1/60 s, 1/125 s, 1/250 s M).

Większość aparatów wyposażonych jest w miernik, który mierzy natężenie światła i informacje o nim przesyła w postaci sygnału elektrycznego do wskaź­nika (ruchomej wskazówki lub wyświetlacza ciekło­krystalicznego) w celowniku.

Nowoczesne aparaty wyposażo­ne są w system automatycznej regulacji ostrości, wykorzystują­cy elementy fotoelektryczne -niewielkie półprzewodniki, które reagują na fotony światła Układy te mierzą odchylenie promieni świetlnych po tym, jak zostały odbite od zwierciadła wtórnego, znajdującego się pod zwierciadłem głównym Stopień odchylenia wskazuje na to, czy obraz jest ostry, czy tez nie mikroprocesor oblicza, o ile i w jakim kierunku elementy obiektywu muszą być przesunię­te, aby uzyskać właściwą ostrość, i zgodnie z tymi oblicze­niami steruje serwomechaniz­mem napędu automatyczne] regulacji ostrości

134 Teleskopy 138 Prawa przyrody 226 258 262 264 2

64

Kamery filmowe

W jaki sposób kamera filmowa rejestruje ruchomy obraz

Kamera filmowa jest kamieniem węgielnym najważniejszej, jak twierdzą niektórzy, i z pewnością przynoszącej największe zyski dziedziny sztuki XX wieku. W ciągu miesiąca od pojawienia się na ekranach przebój kinowy Stevena Spielberga Park jurajski zarobił 236 000 000 dolarów w samych tylko Stanach Zjednoczonych. Kamera filmowa zrewolucjonizowała edukację oraz zbieranie informacji o współczesnym świecie, a także zmieniła sposób naszego myślenia. Pozwoliła nam stać się świadkami najważniejszych, najbardziej poruszających i przerażających momentów najnowszej historii.

Ludzkie oko nie jest w stanie odróżnić od siebie oddziel­nych obrazów, pokazywanych kolejno z częstotliwością większą niż 16 klatek na sekundę: zamiast oddzielnych obrazów widzi ono wtedy obraz ruchomy, płynnie się zmieniający. Trwanie wrażenia wzrokowego jest tą taje­mnicą, która stoi u podstaw działania kamery filmowej -urządzenia tak skonstruowanego, aby mogło rejestrować ruch jako sekwencję zdjęć czy też obrazów rozmieszczo­nych na pasku taśmy filmowej. Gdy obrazy są wyświet­lane na ekranie z tą samą częstotliwością, z jaką były zarejestrowane (zwykle są to 24 klatki na sekundę), po­wstaje wrażenie płynnego ruchu.

Kamera filmowa, podobnie jak zwyczajny aparat fotograficzny, wyposażona jest w obiektyw ogniskujący światło na błonie, w przysłonę obiektywu służącą do re­gulowania otworu, przez który dostaje się światło, a także w migawkę, dzięki której błona naświetlana jest w odpo­wiednim momencie. Kamera zaś tym się różni od aparatu fotograficznego, że przesuwanie filmu i wyzwalanie mi­gawki muszą być w niej precyzyjnie skoordynowane, tak aby powstał ciąg równo od siebie oddalonych i właści­wie naświetlonych obrazów.

Rodzaj kamery filmowej określany jest na podstawie szerokości wykorzystywanęj^przez nią taśmy filmowej. Spośród trzech najbardziej popularnych rozmiarów ka­mera 8-milimetrowa (wykorzystująca taśmę o szeroko­ści 8 mm) została prawie całkowicie wyparta przez ka­mery wideo; kamera 35-milimetrowa jest standardową kamerą wykorzystywaną przy kręceniu filmów fabular­nych, a kamera 16 mm jest sprzętem dla profesjonali­stów i amatorów używanym do kręcenia filmów doku­mentalnych i eksperymentalnych.

Fotografowanie na błonie przesuwanej i zatrzymywanej

Przed użyciem w profesjonalnej kamerze 35 mm nie na­świetloną taśmę filmową trzeba pociąć na 300-metrowe odcinki, nawijając na metalową szpulę, i załadować do światłoszczelnej kasety. Kasetę tę mocuje się na obudo­wie kamery, a film z niej podawany jest do bramki kame­ry. Bramka to układ szyn naprowadzających i płytek dociskowych, które służą ustawieniu filmu dokładnie za prostokątną szczeliną, umieszczoną w jednej linii z obiektywem. Podczas filmowania migawka otwiera się, co powoduje naświetlanie klatki w bramce mniej więcej przez 1/50 s. W tym momencie film jest całkowi­cie unieruchomiony: najmniejsze poruszenie podczas naświetlania powoduje powstanie zamazanego obrazu. Następnie migawka zamyka się, odcinając dostęp świat­ła. W czasie poniżej 1/20 s film przesuwa się o stałą, określoną odległość i w ten sposób zostaje przygotowa­ny do następnego naświetlania.

Przesuwanie filmu musi być zarówno dokładne, jak i szybkie: najmniejsza rozbieżność pomiędzy położe­niem jednej klatki i klatki następnej powoduje po­wstanie przy wyświetlaniu „skaczącego" obrazu. Skomplikowany rytm przesuwania i zatrzymywania filmu wyznacza układ zaczepów i bolców, współdzia­łający z równomiernie rozmieszczonymi otworami perforacyjnymi wzdłuż jednej z krawędzi filmu.

Ruch i światło

Najistotniejszym elementem 35-mihmetrowej kamery filmowej [A] jest układ mechaniczny, który zarządza przesuwaniem filmu i wyzwalaniem migawki, a także koordynuje te dwie czynności. Elektryczny silnik kamery obraca główny wal napadowy Wal ten połączony jest za pośrednictwem przekładni Z migawką - pólkohstym zwierciadłem, które obraca się 24 razy na sekundą Gdy zwierciadło to się obraca, w sposób przerywany przepuszcza światło z obiektywu przez prostokątny otwór na film Film przesuwany jest przed otworem migawki za pomocą zaczepu przeciągającego, który zazębia się z otworami perforacyjnymi na krawędzi blony filmowej Zaczep przesuwa się w dol, przeciągając w ten sposób film o określoną stalą odległość, a następnie powraca do swojego pierwotnego położenia Napęd na zaczep przenoszony jest za pośrednictwem połączenia przekładniowego z głównym wałem napędowym Dzięki układowi przekładniowemu zaczep przesuwa film tylko wtedy, gdy migawka jest zamknięta Kiedy migawka otwiera się, bolec rejestrowania zahacza się o perforację na krawędzi blony filmowej t przytrzymuje ją w całkowitym bezruchu podczas naświetlania

Gdy migawka jest zamknięta, odbija światło z kamery, w wyniku czegóji rzucany jest na ekran matówki Układ soczewek l pryzmatów przenosi ten obraz do celownika, dzięki czemu kamerzysta może obserwować to, co filmuje

Skoordynowane działanie kamery

Gdy migawka jest zamknięta, zaczep przeciągający zazębia się o perforację filmu i przeciąga go w dół na odległość odpowiadającą wysokości jednej klatki [B] Następnie zaczep odłącza się od filmu i powraca do swego położenia początkowego, w tym czasie migawka otwiera się l w ten sposób następuje naświetlanie nieruchomej klatki [C] Gdy naświetlanie jest prawie zakończone [D], zaczep

wziernik celownika

zwierciadle

uklad soczewek

pryzmat

droga światla

obiektyw bolec rejestrowania

zaczep przeciągający

naświetlony film

wal napędowy

ponownie zazębia się

o perforację filmu i jest już

przygotowany do przesunięcia

filmu o jedną klatkę, gdy tylko

migawka zamknie się

całkowicie Bolec rejestrowania

(me pokazany) zazębia się

z filmem i zatrzymuje go

w całkowitym bezruchu oraz we

właściwym położeniu podczas

naświetlania

Zobacz także Sprzęt audio 44 Aparaty fotograficzne 62 Efekty specjalne 66 Błona fotograficzna 68

Wyświetlanie filmu

W projektorze filmowym [E] zaczep skokowo przesuwa taśmę filmową przed źródłem światła - często jest mm lampa z wbudowanym odbłyśnikiem [1] Obracająca się migawka zatrzymuje dopływ światła podczas przesuwania taśmy Gdy taśma zatrzymuje się migawka się otwiera i obraz zostaje wyświetlony Migawka [2] składa się z trzech segmentów co oznacza ze ta sama klatka wyświetlana jest trzy razy Dzięki temu zmniejszyć można subiektywne wrażenie migotania wyświetlanego obrazu

mechanizm bramki

Sprzęt wszechstronny

Współczesna 35 milimetrowa kamera filmowa [F] jest sprzętem wszechstronnym Dzięki wymiennym obiektywom obsadom filtrów celownikom i szpulom z taśmami z kamery takiej można tworzyć zestawienia nadające się do różnorodnych zastosowań — od makrofotografil do kręcenia filmów fabularnych

szpula podająca

szpula odbierająca

Droga taśmy filmowej

Wewnątrz obudowy kamery [F] taśma filmowa jeszcze me naświetlona jest ciągnięta ze szpuli podającej przez bramkę gdzie następuje naświetlanie Następnie taśma gotowa do wywołania jest nawijana na szpulę odbierającą Po wywołaniu l montażu na taśmę nakłada się ścieżkę dźwiękową w postaci paska magnetycznego albo optycznego [G] Ścieżka optyczna rejestruje fale dźwiękowe jako falisty wzór wzdłuż jednej krawędzi taśmy filmowej Podczas projekcji filmu ścieżka ta prześwietlana jest wiązką światła jej jaskrawość zostaje przełożona na sygnał akustyczny odtwarzany przez głośnik

Mechanizm przesuwania filmu napędzany jest silnikiem elektrycznym, który także uruchamia migawkę Precy­zyjny układ przekładni pozwala na właściwe zsynchro­nizowanie przesuwania filmu i zwalniania migawki Sil­nik napędowy jest również precyzyjnym urządzeniem, dzięki czemu pracuje ze stałą prędkością i osiąga tę pręd­kość prawie natychmiast po uruchomieniu

Dźwięk

Większość filmów 35 mm 116 mm ma otwory perfora-cyjne na jednej krawędzi, na drugiej zaś znajduje się ścieżka dźwiękowa Niektóre kamery 16-mihmetrowe rejestrują dźwięk bezpośrednio na filmie poprzez zamo­cowany na nich mikrofon Ponieważ jednak błona filmo­wa musi zostać unieruchomiona przy naświetlaniu, a jed­nocześnie powinna się przesuwać płynnie przy nagrywa­niu dźwięku, dźwięk towarzyszący każdej klatce reje­strowany jest na taśmie 26 klatek dalej Fizyczny rozdział pomiędzy obrazem a dźwiękiem na taśmie filmowej sprawia, ze montaż takiego filmu jest trudny - dlatego w wypadku większości filmów profesjonalnych dźwięk rejestruje się osobno Nagrywanie dźwięku synchromzu-je się z przesuwaniem się taśmy filmowej albo przez połączenie przewodem urządzenia odtwarzającego dźwięk z magnetofonem, albo poprzez zastosowanie im­pulsów synchronizacyjnych zarówno na taśmie filmo­wej, jak i na taśmie dźwiękowej

Obiektywy i mikroskopy 134 Prawa przyrody 236 264 266

66

Efekty specjalne

W jaki sposób powstają kinowe efekty specjalne

Budowa trzymetrowego modelu liniowca oceanicznego Titank - „gwiazdy" filmu pt. Podnieść Titanica z 1980 roku - kosztowała podobno więcej niż budowa oryginału. Mimo to podstawowym zadaniem efektów specjalnych jest zaoszczędzenie pieniędzy, które inaczej trzeba byłoby wydać na kosztowne dekoracje i miejsca kręcenia filmu. Dlatego większość dobrych efektów specjalnych pozostaje nie zauważona - na przykład imponująca plantacja i domy w Przeminęło z wiatrem były w rzeczywistości namalowane na szkle - i zwykle tylko w spektakularnych filmach fantastycznonaukowych widoczne staje sią, jak dużo czasu i pieniędzy trzeba włożyć w stworzenie wiarygodnego zmyślenia.

Dzięki zastosowaniu dzisiejszej nowoczesnej techniki komputerowej możliwe jest zapisanie sfilmowanych ujęć w formie cyfrowej, a następnie manipulowanie ob­razem w dowolny sposób, łącznie z tworzeniem całko­wicie nowych, cyfrowych postaci W taki właśnie spo­sób aktor Tom Hanks mógł w filmie Forrest Gump spo­tykać zmarłych już prezydentów Stanów Zjednoczonych i tak właśnie można było ożywić człowieka z ciekłego metalu w filmie Terminator 2 dzień sądu Jednakże po­dobne efekty cyfrowe o wysokiej precyzji stosuje się rzad­ko, gdyż są one bardzo drogie i pochłaniają mnóstwo czasu komputerowe generowanie niektórych klatek w Terminatorze 2 zajmowało nawet do dwóch godzin (przy czym na każdą sekundę filmu składają się 24 klatki) W większości filmów, ze względu na oszczędność pienię­dzy, czasu oraz po to, aby osiągnąć wrażenie rzeczywisto­ści, łączy się obróbkę komputerową z efektami tworzony­mi przy zastosowaniu mniej rozwiniętych technik

Jednym z najbardziej użytecznych narzędzi w war­sztacie filmowca jest kopiarka optyczna Kopiarka ta to po prostu kamera filmowa, która rejestruje jeden fragment filmu na drugim Znajduje ona szerokie za­stosowanie przy tworzeniu takich efektów,jak/wvw/-ne przenikanie jednego obrazu w drugi czy zaciem-

Złożony obraz

Dzięki zastosowaniu ruchomego tła (czyli maski) można nałożyć poruszający się, przedmiot lub aktora na dowolne tto [A] Technika ta jest powszechnie wykorzystywana aby zaoszczędzić pieniądze na zdjęciach plenerowych, a także przy tworzeniu efektów w których aktorzy lub przedmioty zdają się lecieć w powietrzu {z prawej)

Znajdujący się na pierwszy) planie przedmiot (powyżej) najpierw filmuje się na niebieskim tle [1] (kolor niebieski jest stosowany dlatego ze nie występuje on w odcieniach skory) Następnie film ten przechodzi przez kilka kolejnych etapów w kopiarce optycznej dzięki czemu powstają maski które następnie można połączyć z oddzielnie sfilmowanym tłem [2]

Pozytywowa taśma filmowa Z pierwszoplanową akcją [3 jest fotografowana w kopia optycznej w wyniku czego uzyskuje się dwa czarno bu paski filmu tło obejmowa [4] które jest przezroczyste Z wyjątkiem czarnej sylwetk aktora oraz tło obejmująt [5] które jest czarne z wyjątkiem przezroczystej ^sylwetki aktora Nałożenie obejmującego na klatkę filmową z aktorem daje w rezultacie zdjęcie aktora przezroczystym tle [6] Tło obejmowane nakładane j es film z planowanym tłem di czemu powstaje krajobraz z dziurą dopasowaną do al [7] Następnie nakłada się siebie te dwa filmy [8] i w rezultacie otrzymuje ca złożony obraz

Zobacz także Aparaty fotograficzne 62 Kamery filmowe 64 Błona fotograficzna 68 Komputery 78 80 84 Prawa przyrody 264 266

Efekty specjalne 67

zaciemnianie i rozjaśnianie obrazu. Przenikanie jednego obrazu w drugi sugeruje upłynięcie niewielkiego czasu, a zaciemnianie i rozjaśnianie obrazu suge­rować ma upływ dłuższego czasu: chociaż są to tylko przyjęte w świecie kina konwencje, zostały one za­akceptowane przez widzów na całym świecie. Przy zaciemnianiu i rozjaśnianiu obrazu film-matka jest telegraficznie kopiowany na drugi film przy jed­noczesnym stopniowym zwiększaniu lub zmniejsza­niu czasu naświetlania w kopiarce optycznej. W wy­padku przenikania jednego obrazu w drugi, obraz nowej sceny jest optycznie stopniowo rozjaśniany, a obraz starej sceny jest zaciemniany na tym samym odcinku taśmy.

Kopiarki optycznej można także użyć do nakłada­nia jednego obrazu na drugi w celu uzyskania jakiegoś niesamowitego efektu. Innym, bardziej widocznym efektem powstałym przy wykorzystaniu kopiarki op-ncznej jest ruchome tło, dzięki któremu połączyć można dwie sceny (lub więcej), czasem sfilmowane w różnych częściach świata lub w odmiennej skali (patrz: ilustracja główna).

Tradycyjne tricki

Inne powszechnie stosowane efekty filmowe opierają się na umiejętnościach specjalistów od charakteryzacji, twórców dekoracji i wykorzystywanych w filmach mo­deli. Modele ożywia się i wprawia w ruch, stosując foto­grafię poklatkową, w której przedmiot fotografowany jest na pojedynczej klatce, następnie zostaje odrobinę przesunięty, a potem fotografowany jest na kolejnej klat­ce. Odtwarzanie filmu z normalną szybkością stwarza wiarygodne wrażenie ruchu. Współczesną unowocześ­nioną wersją tej techniki jest metoda, w której szkielet modelu porusza się za pomocą silników i przewodów sterowanych komputerowo. Modele wykonane w pew­nej skali często pojawiają się w tej samej scenie, co aktor. W takiej sytuacji wiarygodność obrazu uzyskana być może dzięki fałszywej perspektywie, jaką daje jedno-obiektywowa kamera. W filmie Superman scena, w któ­rej Christopher Reeve wtacza ogromny blok skalny na górę, powstała przy wykorzystaniu 3-metrowego mode­lu skały, podnoszonego za pomocą układu hydrauliczne­go. Superman udawał pchanie skały w górę, stojąc wy­starczająco daleko, aby model wyglądał na olbrzymi.

obsługująca komputer może przesuwać linie siatki, zmieniając w ten sposób kształt twarzy Wraz Z poruszaniem się hnn siatki, porusza sta także skóra l twarz ulega zniekształ­ceniom (poniżej) Do obrazu dodawane są odbicia i cienie, dzięki czemu umieszczany on zostaje w konkretnym kontekście l staje się bardziej wiarygodny Na tym etapie każda generowa­na komputerowo klatka jest statycznym obrazem: każdy taki obraz trzeba lekko rozmazać za pomocą, komputera, aby ruch na filmie wydawał się naturalny Gdy obraz cyfrowy pojawia się w filmie obok scen kręconych konwencjonalnie, fragmenty generowane komputerowo muszą, zostać „zanieczyszczone", tak aby dopasowały się do ziarna taśmy filmowej, na której rejestrowane są sceny kręcone na żywo

Rzeczywistości komputerowe

W cyfrowej obróbce obrazu wykorzystuje się możli­wości komputerów, pierwotnie mających zastosowa­nie w symulatorach lotu lub w projektowaniu wspo­maganym komputerowo. Technika komputerowa daje twórcom filmów w zasadzie nieograniczone możliwo­ści. Postacie i sceny filmowe mogą być tworzone w całości przez animację komputerową, albo sprawić, aby na ekranie współwystępowały z rzeczywistymi aktorami. Jednym z najbardziej spektakularnych efe­któw wykorzystanych w filmach, takich jak Termina­tor 2, Maska czy Kosiarz umysłów, jest przetwarzanie (ang. morphing). Technika ta pozwala na płynne przej­ście aktora w postać stworzoną za pomocą animacji komputerowej.

Jednakże grafikę komputerową często wykorzy­stuje się w sposób bardziej przyziemny. Tła optyczne są zastępowane przez skomputeryzowane układy, a obróbka komputerowa jest wykorzystywana do „usuwania" linek asekuracyjnych, koniecznych przy kręceniu scen kaskaderskich, a także do czyszczenia uszkodzonej lub porysowanej taśmy filmowej.

68

Błona fotograficzna

W jaki sposób błona fotograficzna rejestruje obraz

Fotografia, dzięki temu, że jest niedroga, łatwa i możliwa do wykonania w dowolnym momencie, pozwala każdemu tworzyć „historię chwili" przez naciśnięcie jednego guziczka. Zasadniczym elementem całego procesu powstawania filmu jest błona fotograficzna - świafloczuła kilkuwarstwowa taśma o grubości poniżej jednego milimetra. Dzisiejsze błony są w stanie „zapamiętać" obraz w ułamku sekundy, a także odtworzyć go z rozdzielczością miliony razy większą niż rozdzielczość ekranu telewizyjnego. Błony te jednak opierają się na takich samych podstawowych prawach chemii, jak wykorzystane przez wynalazcę błony filmowej, Francuza Nicephore'a Niepce'a, przy wykonywaniu pierwszej na świecie prawdziwej fotografii w 1826 roku.

Błony filmowe produkuje się w celach komercyj­nych w najróżniejszych wielkościach i rodzajach. Duże płachty filmu czarno-białego używane są do wykonywania zdjęć rentgenowskich, ogromne szpu­le kolorowego filmu negatywowego stosowane są przez filmowców, niewielkie zaś filmy w kasetach stosują fotografowie amatorzy. Niezależnie jednak od rodzaju większość błon filmowych działa zasad­niczo w ten sam sposób.

Błona fotograficzna to materiał wieloskładniko­wy, składający się z kilku różnych warstw nałożo­nych na siebie. Najważniejszym elementem tego „przekładańca" jest emulsja - jedna lub więcej war­stwa światłoczułych związków chemicznych. W fil­mach czarno-białych występuje tylko jedna warstwa światłoczuła, rejestrująca obecność światła lub jego brak, filmy barwne zaś mają trzy warstwy, z których każda reaguje na inny kolor światła, czyli na inną długość fali świetlnej.

Oglądana pod mikroskopem emulsja filmu czarno--białego wygląda jak masa składająca się z nieregular­nych ziaren, zanurzonych w żelatynowym podłożu (żelatyna to substancja używana w galaretkach, powo­dująca ich tężenie). Każde ziarno to w rzeczywistości

Struktura błony filmowej

Typowy kolorowy film negaty­wowy [A] składa się z ośmiu warstw Najbardziej na zewnątrz znajdują się warstwy ochronne, zabezpieczające błonę przed ścieraniem i promieniami nadfioletowymi (UV) Pod mmi znajdują się trzy warstwy emulsji reagują­cej, odpowiednio, na światło niebieskie, zielone i czerwone Filtr żółty, umieszczony pod

warstwą czulą na światło niebieskie, usuwa wszelkie pozostałości światła niebie­skiego^ które mogłoby zadzior na wdrstwy czułe na światło Zielone i na światło czerwone. Pod emulsjąjest warstwa, która pochłania światło rozproszone l zapobiega jego odbijaniu się z powrotem w kierunku emulsji Grub\ nośnik fiłmu daje błonie wytrzymałość i elastyczność

nośnik filmu waritwa przeciwodblaskowa

Biony czule i mmej czule Filmy używane do wykonywania zdjęć mających uchwycić ruch są czulsze na działanie światłą mz filmy o zastosowaniu ogólnym Zawierają one większe kryształy bromku srebra, które stanowią większy ceł dla światła Ich wadąjest to, ze większe kryształy dają ziarnisty obraz o me najlepszej rozdzielczości Filmy o mniejszej czułości dają lepszą rozdzielczość

emulsja ciula na światlo czerwone

warstwa chroniąca przed ścieraniem

emulsja czulą na światlo zielone

Zobacz także Aparaty fotograficzne 62 Kamery filmowe 64 Efekty specjalne 66 Laserj i holografia 70

Odbitki barwne

Składający się ze źródła światła i układu soczewek powiększalnik używany jest do wyświetlania obrazu negatywowego na światłoczuły papier. Za pomocą filtrów w głowicy powiększalnika ustawiać można kolor oświetlającego błonę światła, dzięki czemu do świadczony fotograf, pracujący w ciemni, może wykonać odbitkę, na której kolory są zrównoważone i wyglądają naturalnie

amu znajdujące się poniżej warstwy /n [B] wrażliwe, odpowiednio, na

światło zielone i czerwone [4] Utajony obraz staje się uomku widoczny dzięki zanurzeniu - tłej na w płynnym wywoływaczu [C] ?ują Robi się to w całkowitej ;m le ciemności. Wywoływacz %o na powiększa zawartość srebra ijony w tych kryształach, które były ' wystawione na działanie światła, przekształcając je całkowicie w ciemne metaliczne rakze srebro [5] Gdy wywoływacz ra oddziałuje na kryształ, sprawia, a ze bezpośrednio otaczające go

cząsteczki barwnika [6] nabierają barwy - żółtej w warstwie najwyższej, a purpurowej

i niebieskozielonej w warstwach poniżej Następnie błonę zanurza się w kolejnej kąpieli -w odbielaczu/utrwalaczu [D]. Kąpiel ta rozpuszcza wszystkie kryształy srebra [7] i bromku srebra [8] pozostałe w błonie, zostawiając wyłącznie obszary zabarwione barwnikiem, które składają się na obraz negatywowy Kąpiel rozpuszcza także żółty filtr [9] w błonie

Błona fotograficzna 6 9

pojedynczy światłoczuły kryształ bromku srebra. Mi­liardy rozmieszczonych w emulsji kryształów bromku srebra, z których każdy ma średnicę około jednej ty­sięcznej milimetra, pozwalają na dokładne zarejestro­wanie układów światła i cienia, padających na film.

Kryształowe obrazy

Kryształek bromku srebra składa się z jonów bromu (mają one ładunek ujemny, gdyż występuje w nich dodatkowy elektron), przedzielonych jonami srebra (o ładunku dodatnim spowodowanym ubytkiem elektronu). Gdy na kryształ pada światło, elektrony wyrzucane są z jonów bromu i przechwytywane przez jony srebra, tworząc w ten sposób atomy meta­licznego srebra, widoczne jako mikroskopijne czarne plamki na pojedynczych kryształach. Liczba powsta­łych atomów srebra zależy od natężenia naświetlania i czasu jego trwania.

Wywołać i utrwalić

Mimo że obraz został już zarejestrowany na błonie filmowej, pozostaje niewidoczny, czyli utajony. Aby mógł być widziany gołym okiem, liczbę występują­cych atomów srebra znacznie się powiększa poprzez zanurzenie błony w ciekłym wywoływaczu. Związki chemiczne w wywoływaczu rozpoznają kryształy zawierające w sobie srebro metaliczne i „wpompo-wują" w nie elektrony, w rezultacie czego wszystkie jony srebra w krysztale przekształcone zostają w atomy srebra, które na filmie tworzą widoczny obraz. Wywoływacz nie działa na kryształy nie za­wierające atomów srebra. Po wywołaniu pozostałe kryształy bromku srebra wypłukiwane są w czasie kąpieli w utrwalaczu. Dzięki tej kąpieli błona staje się niewrażliwa na działanie światła, a obraz zareje­strowany na niej zostaje utrwalony. W tym momen­cie na filmie zarejestrowany jest obraz negatywo­wy - obraz, w którym czarne obszary odpowiadają jasnym częściom fotografowanego przedmiotu. Ob­raz pozytywowy uzyskuje się przez wyświetlenie negatywu na arkusz papieru pokryty emulsją foto­graficzną. Papier ten poddaje się następnie takiej samej obróbce jak błonę, aby wreszcie powstało

gotowe zdjęcie.

** ' **

Kolorowa chemia

Film barwny ma trzywarstwową emulsję. Każda warstwa zawiera w sobie kryształy bromku srebra, chemicznie uwrażliwione na działanie światła o in­nej długości fali: pierwsza warstwa rejestruje światło niebieskie, druga zielone, a trzecia czerwone. Po naświetlaniu film wywoływany jest tak, jak opisano to powyżej, ale oprócz tego przechodzi przez do­datkowy etap, w którym naświetlone ziarna srebra zastępowane są ziarnami barwnika. W każdej warst­wie emulsji barwa uzyskana dzięki barwnikowi jest komplementarna w stosunku do barwy światła użyte­go do naświetlania. Tak więc na warstwie wrażliwej na światło niebieskie powstaje zabarwienie żółte, na warstwie czułej na światło zielone zabarwienie pur­purowe, na warstwie zaś wrażliwej na światło czer­wone głębokie zabarwienie turkusowe. W ten sposób każda barwa rejestrowana jest na błonie jako swój „negatyw". Podobnie jak w wypadku błony czarno--białej, negatyw wyświetlany jest na arkuszu papieru pokrytym emulsjami czułymi na światło w trzech barwach, a następnie arkusz ten poddaje się obróbce chemicznej w celu uzyskania zdjęcia pozytywo­wego.

*a«ja do druku 74 Promieniowanie i medycyna 150 Prawa przyrody 214 218 226 262 266

70

Lasery i holografia

Jak się robi hologramy za pomocą światła laserowego

Hologramy to nie tricki czy złudzenia, ale trójwymiarowe obrazy przedmiotów w ich rzeczywistym kształcie. Prawdopodobnie najbardziej znaną ich formą są zabezpieczenia na znaczkach do biletów miesięcznych, ale hologramy mają także wiele innych zastosowań w przemyśle i medycynie. Zaczęli ich używać stomatolodzy jako dokładnych modeli uzębienia pacjentów: mogą oni dokonywać rozmaitych pomiarów bezpośrednio z hologramów, przez co znika potrzeba wykonywania zajmujących miejsce odlewów z gipsu. Tworzone komputerowo hologramy można również stosować do przekształcania projektów architektonicznych w realistyczne trójwymiarowe modele.

Tworzenie hologramu

Najpierw &viatło laserowe (w tym wypadku czerwone światło z lasera rubinowego) rozszczepiane jest na dwie wiązki [A] Osiąga się to przepuszczając go przez zwierciadło półprzepusz-czalne, które przepuszcza potowe światła, pozostałą zaś jego część odbija Układy soczewek kierują jedną wiązkę, (wiązkę odniesie-

nia) prosto na błoną filmów ą drugą wiązka, wiązka przedmi tu, pada na obiekt, który ma b zarejestrowany Światło lasera, odbite od powierzchni tego obiektu, mterferuje ze światłerr wiązki odniesienia, dzięki czen powstaje seria prążków, które rejestrowane są na błonie w postaci splotów mikroskopijnych Imn

Ludzkie oko odbiera wrażenie konkretnego kształtu przedmiotu dzięki niepowtarzalnemu sposobowi, w jaki powierzchnia tego przedmiotu rozprasza świat­ło. Konwencjonalna fotografia to bezpośredni zapis światła rozproszonego przez fotografowany przed­miot. Podobnie jak zdjęcie, hologram rejestrowany jest na błonie filmowej. Jednakże w wypadku hologra­mu na filmie rejestruje się sposób, w jaki powierzch­nia przedmiotu odbija światło. Można to osiągnąć, wykorzystując właściwości światła laserowego. Laser wytwarza światło spójne. Oznacza to, że fale świetlne emitowane przez laser mają tę samą długość i są ze sobą w fazie - szczyty i doliny wszystkich fal dokład­nie sobie odpowiadają.

Obrazy powstające dzięki interferencji

Najpowszechniejszy sposób robienia hologramu pole­ga na rozszczepieniu światła z jednego lasera na dwie wiązki. Jedna wiązka, zwana wiązką odniesienia, emi­towana jest wprost na błonę fotograficzną. Druga wiązka - wiązka przedmiotu - kierowana jest na reje­strowany przedmiot, odbija się od jego powierzchni, a następnie pada na błonę filmową. Ponieważ jedna wiązka uległa rozproszeniu przy zetknięciu z przed­miotem, fale świetlne obydwu wiązek, gdy docierają do błony filmowej, nie są już w fazie. Fale z każdej wiązki wzajemnie ze sobą interferują, w wyniku cze­go powstaje skomplikowany wzór jasnych i ciemnych pasm, czyli prążków, rejestrowany na filmie.

Ten rodzaj hologramu, w którym wiązki odniesie­nia i przedmiotu padają na tę samą stronę błony fo­tograficznej, zwany jest hologramem transmisyj­nym. Oglądać go można poprzez prześwietlenie hologramu światłem laserowym (o fali tej sa­mej długości, co fala wykorzystana przy jego zapisie). Światło laserowe ugina się na prążkach na filmie. Tak właś­nie odtwarza się sposób rozpra­szania światła przez przedmiot i uzyskuje jego trójwymia­rowy obraz. Hologramy, przy których wyko­nywaniu wiązka od­niesienia i wiązka

przedmiotu kierowane były na przeciwne strony błony filmowej, można oglądać przy świetle naturalnym. Zwane są one hologramami odbiciowymi, czyli holo­gramami odbijania światła białego. Ich zasada działa­nia polega na odfiltrowywaniu każdego światła, z wy­jątkiem tego, które jest odpowiednie do oglądania ho­logramu. Hologramy odbiciowe umieszcza się na zna­czkach do biletów miesięcznych jako dodatkowe za­bezpieczenia, a także stosuje się jako ozdoby na pla­kietkach i okładkach czasopism.

Hologramy używane są również do poważniej­szych celów - przy testowaniu części konstrukcyj­nych, takich jak nity w samolotach. Hologram ta­kiej części nakładany jest na drugi hologram tej samej części, poddanej obciążeniu. Otrzymany w ten spo­sób obraz ujawnia linie naprę­żeń odpowiadające mikroskopo­wym defektom, których nie można wykryć w badaniu j" "~ konwencjonalnym.

ukłafr socien el

zwierciadło pólprzepuszc-alr

zwierciadło

ksenonowa lampa błyskowa wvładowcza

Światło laserowe

W laserze atomy specjalnie dobranego czynnika pobudzan są za pomocą dostarczanej z ó wnątrz energii, często w postoi światła czy prądu elektryczneg w wyniku czego emitują śwual spójne Długość fali i kolor te± światła uzależnione są od zastosowanego czynnika Łase rubinowy daje światło czerwoj

wiązka przedmiotu

blona filmowa

••oczewea

wiązka odniesienia

l 3

tmisja

-T w m [B] błysk ' -. *:ono\\ej

-* ładowczej

• kr\sztale

-r°et\czny [3], ^licznie ' '•> pozwm iilmając > e t gu

- latła [5].

Foton ten jest „dostrojony" do częstości, tak ze gdy uderza w kolejny wzbudzony atom, powoduje, że atom ten [6] emituje swój własny foton [7]. Zadziwiające jest to, ze drugi foton porusza się dokładnie w tym samym kierunku, co foton, który go wyzwolił, i ze obydwa fotony wędrują dokładnie „w nogę", czyli są w fazie. Fotony kontynuują swoją wędrówkę wzdłuż kryształu rubinu, zderzając się Z kolejnymi wzbudzonymi atomami i wymuszając w nich

emisję fotonów. Laser został tak skonstruowany, że światło odbija się tam i z powrotem pomiędzy zwierciadłami z każdego końca kryształu rubinu [A], Ponieważ w rezultacie światło pokonuje znaczną odległość wewnątrz pręta rubinowego, oddziałuje ono z wieloma atomami, wytwarzając narastającą kaskadę fotonów. Gdy natężenie osiągnie wystarczający poziom, światło laserowe emitowane jest przez jedno ze zwierciadeł, które ma półprzepuszczalną powierzchnię.

Przebieg procesu, w którym generowane jest światło laserowe, wyjaśnia nazwę tego urządzenia: laser jest skrótem od angielskiego wyrażenia light amplification by the stimulated emission of radiation (wzmacnianie światła przez wymuszaną emisję promieniowania).

W zupełnym bezruchu

Podczas naś\vietlama rejestrowany przedmiot, laser, zwierciadła i błona filmowa muszą pozostawać całkowicie nieruchome. Poruszenie się o mniej niż jedną tysięczną milimetra zmieniłoby sposób, w jaki wiązki przedmiotu i odniesienia interferują ze sobą na błonie, oraz zarejestrowany wzór, co zepsułoby obraz.

Sztuka, holograficzna

(powyżej)

Technika holografii wynalezio­na została w 1948 roku przez brytyjskiego naukowca Denmsa Gabora. Pojawienie się niedro­gich i wygodnych laserów sprawiło, że ten rodzaj zapisu stał się dostępny dla artystów, dzięki czemu mogą oni tworzyć przyciągające uwagę obrazy trójwymia rowe.

Fantastyczne światło

Lasery są cennymi urządzeniami, gdyż wytwarzają szczególny rodzaj światła, który różni się od światła emi­towanego przez zwykłą żarówkę pod trzema względami. Po pierwsze, jest to światło wysoce kierunkowe i skon­centrowane, czyli skolimowane: promienie lasera mają równoległe krawędzie, które tylko w niewielkim stopniu odchylają się na drodze promienia. Po drugie, lasery wytwarzają „czyste" światło jednobarwne, czyli o jednej długości fali. I po trzecie, światło laserowe jest spójne: wszystkie wchodzące w jego skład fale są zsynchronizo­wane, zupełnie jak kolumna żołnierzy maszerujących w nogę. Dzięki tym właściwościom światło laserowe jest intensywne i może przenosić duże ilości energii lub za­kodowanych informacji na wielkie odległości z mini­malnymi stratami wynikającymi z rozproszenia czy zniekształcenia.

Natężenie światła laserowego określane jest przez moc użyteczną lasera. Na przykład, laser 40-watowy wytwarza tyle energii, ile pochłania 40-watowa żarówka. Ale podczas gdy energia żarówki rozchodzi się we wszystkich kierunkach, laser skupia całą energię w nie­wielkiej wiązce światła, co w rezultacie daje wysoką gę­stość mocy. Lasery przemysłowe, stosowane do precy­zyjnego cięcia stali, są w stanie dawać gęstość mocy większą niż milion watów na centymetr kwadratowy. Lasery o dużej mocy stosuje się także w badaniach nad energią jądrową, do wytwarzania wysokich temperatur koniecznych do zainicjowania syntezy jądrowej. Lasery małej mocy stosuje się do „odczytywania" i przenosze­nia danych z ogromną dokładnością w odtwarzaczach kompaktowych, drukarkach laserowych i sieciach świat­łowodowych.

Aby uzyskać światło laserowe, najpierw trzeba pod­nieść atomy odpowiedniego czynnika (może to być ciało stałe, takie jak kryształ rubinu, ciecz czy też gaz) na wyższy poziom energetyczny. Osiąga się to przez tzw. pompowanie optyczne lub za pomocą prądu elek­trycznego. Gdy każdy z atomów powraca do swego pierwotnego poziomu energii, pozbywa się nadmiaru energii przez emisję fotonu, czyli porcji światła. Jeśli foton ten uderzy w następny wzbudzony atom, może wymusić emisję kolejnego fotonu z tego atomu. Pro­ces ów, powtórzony miliardy razy, daje w rezultacie wiązkę światła laserowego.

71

Efekty specjalne 66 Błona fotograficzna 68 Komputery: nowe rozwiązania 84 Prawa przyrody 246 258 262 264 266

72

Sprzęt biurowy

W jaki sposób fotokopiarki ifaksy kopiują obrazy

Faks i fotokopiarka są tak samo istotnymi elementami w wyposażeniu współczesnego biura, jak papier i długopis. Dzięki faksowi dokumenty i zdjęcia można przesłać na drugi koniec świata w przeciągu sekund; fotokopiarka zaś pozwala na wierne odtworzenie dowolnego obrazu przez naciśnięcie jednego guzika. Choć przyszłość to prawdopodobnie komunikowanie się bezpośrednio pomiędzy komputerami. „Biuro bez papierów" musi jednak dopiero stać się rzeczywistością. Dopóki utrzymują się wątpliwości co do niezawodności elektronicznych systemów informacyjnych, dopóty istnieć będzie potrzeba kopiowania i przekazywania papierowych dokumentów.

oryginał dokumentu

rolki podgrzewające

elektroda ładująca

bęben światłoczuły

Faksymile (co znaczy „replika"), czyli faks, działa tak, że obraz jest skanowany, przekształcany w syg­nały elektryczne i przekazywany - zwykle za po­średnictwem publicznej sieci telefonicznej - tak aby mógł być odtworzony na odległość. Zasadę działania faksymile wymyślił w 1843 roku szkocki wynalazca Alexander Bain, a więc faks w rzeczywistości po­przedza telefon. Ale faks w swej współczesnej posta­ci pojawił się dopiero w latach sześćdziesiątych tego stulecia. Najistotniejszym wydarzeniem w doskona­leniu faksu jako narzędzia w biznesie była standary­zacja, kiedy to wszystkie urządzenia zaczęto budo­wać według przyjętych norm międzynarodowych. Umożliwiło to każdemu faksowi „rozmawianie" z każdym innym faksem, dzięki czemu powstać mogła ogólnoświatowa sieć połączeń faksowych. Dokument, który ma być wysłany faksem, jest naj­pierw przekształcany, linijka po linijce, w ciąg im­pulsów elektrycznych. Silnik elektryczny przesuwa dokument przez faks za każdym razem o krok o dłu­gości 0,13 mm. Przy każdym przesunięciu strona zatrzymuje się i wąski pasek zostaje oświetlany przez

bęben tonera

Kopiarka

Dokument w czamo-białej fotokopiarce [A] jest oświetlany lampą halogenową l skanowany wiersz po wierszu przez poruszające się, zwierciadło Puste części dokumentu odbijają światło, części zadrukowane zaś odbijająje tylko w niewielkiej ilości Drugie zwierciadło kieruje odbite światło, za pośrednictwem układu soczewek na obracający

podajnik papieru

się bęben, pokryty światłoczułym polimerem W ten sposób wzór światła i cienia padającego na bęben przekształcany jest we wzór naelektryzowania Miejsca naelektryzowane przyciągają cząsteczki czarnego tonem Układ taśm przenoszących przesuwa w urządzeniu papier, na który przenosi się toner z bębna i w ten sposób obraz

zostaje skopiowany. Kopiarki kolorowa zasadniczo działa tak samo, jak opisano to powyżej, tyle ze oryginał kopiowanego dokumentu skanowany jest trzykrotnie i rozkładany na składniki zo purpurowy i turkusowy Następnie te trzy obrazy nakłada się na siebie i w ten sposób powstaje barwna odbitka

Zobacz także. Telefony 46 Techniki przygotowania do druku 74 Komputery: sieci 82 Obiektywy i mikroskopy 134 Prawa przyrody 244 248 250 252 254 264 266

Sprzęt biurowy 7 3

Przenieść to na papier

Utajony obraz elektrostatyczny na światłoczułym bębnie przekształcany jest na widoczny obraz na papierze [E]. Obracający się bęben chwyta dodatnio naładowany toner, który zawiera ziarna węgla. Toner przyciągany jest przez obszary światłoczułej powierzchni bębna o ładunku ujemnym [F]: im większa koncentracja ładunków, tym uzyskuje się ciemniejszy odcień. Arkusz papieru zostaje w niewielkim stopniu naładowany ujemnie za pomocą długiej elektrody, a następnie dociskany do światłoczułego bębna. Toner (a co za tym idzie - obraz) zostaje przeniesiony na papier [G]. Na koniec [H] arkusz przepuszczony zostaje przez gorące rolki, które wtapiają toner w papier, utrwalając w ten sposób obraz.

Elektryczny obraz

Najistotniejszym elementem fotokopiarki jest aluminiowy bęben o fotoprzewodzącej powierzchni, która przewodzi prąd elektryczny, gdy wystawiona jest na działanie światła.

Przed skanowaniem [B] elektroda [1] ładuje powierzchnię bębna

równomiernym ładunkiem -ujemnym. Następnie obraz jest rzutowany na bęben. Wszędzie tam, gdzie padnie światło, ładunek „ wycieka ", tworząc w ten sposób obraz utajony [C], składający się z pozostałości obszarów o ładunku ujemnym. Na poziomie cząsteczek [D] energia światła [2] wzbudza cząsteczki fotoprzewodzącego polimeru, wybijając z nich elektrony [3] i wytwarzając obszary o ładunku dodatnim, czyli dziury [4]. Dziury przemieszczają się w górą do powierzchniowej warstwy o ładunku ujemnym [5], elektrony zaś wędrują w stronę spodniej warstwy o ładunku dodatnim [6]. Dziury i elektrony znoszą się wzajemnie, przez co powstają obszary obojętne elektrycznie [7], odpowiadające białym częściom obrazu.

rząd diod elekroluminescencyjnych. Światło odbite od kopiowanego dokumentu ogniskowane jest na 1728 drobnych czujnikach optycznych, ułożonych na całej szerokości arkusza. Czujniki te wykonane zo­stały z materiału półprzewodnikowego i reagują na światło, wytwarzając niskonapięciowy impuls elek­tryczny wtedy, gdy „widzą" jaskrawe światło, wtedy zaś, gdy „widzą" światło przyciemnione, wytwarzają impuls o wyższym napięciu. Każdy czujnik obejmu­je bardzo małą plamkę, czyli element obrazu, na dokumencie; ustala, czy jest on czarny, czy biały, i wytwarza odpowiednio silny lub słaby prąd elek­tryczny. Każdy rząd czujników rejestruje rozmiesz­czenie czerni i bieli na pasku dokumentu o szeroko­ści 0,13 mm.

Zegar elektroniczny, który tyka około miliona ra­zy na sekundę, odczytuje po kolei prąd z każdego czujnika. Następnie arkusz papieru przesuwa się o 0,13 mm i kolejny pasek zostaje zeskanowany i sczytany itd. Strumień impulsów elektrycznych przekształcany zostaje teraz w postać cyfrową i mo­że być przesłany za pośrednictwem linii telefonicz­nej. Szybkości transmisji różnią się w zależności od typu faksu: większość współczesnych maszyn prze­kazuje dane z szybkością 9600 bitów - jednostek informacji - na sekundę i może przesłać dokument formatu A-4 w czasie krótszym niż minuta.

Odbiór informacji

Faks odbierający dekoduje przekaz i podaje sygnały do drukarki, która odtwarza dokument dokładnie w takiej samej kolejności, w jakiej był skanowany. W wielu faksach stosuje się druk termiczny, w któ­rym głowica drukarki składa się z rzędu około dwóch tysięcy punktowych przewodów grzewczych, ułożonych na całej szerokości arkusza papieru. Sto­sowany śliski papier termiczny jest pokryty substan­cją chemiczną, która staje się czarna w zetknięciu z gorącym przewodem. Przyłożenie przewodu do papieru lub jego brak odpowiada przekazywanym seriom pojawiających się i zanikających impulsów. Chociaż system ten jest tani, wygodny i niezawodny, jednak jakość obrazu pogarsza się, jeśli papier zosta­nie wystawiony na działanie światła lub ciepła. Naj­droższe faksy zaopatrzone są w drukarki laserowe.

74

Techniki przygotowania do druku

W jaki sposób przygotowuje się obrazy dla maszyny drukującej

W aparacie

Aparat reprodukcyjny [A] wykorzystywany jest do uzyskania błony rastrowanej z czamo-bialego oryginału Oryginał układa się płasko i oświetla białym światłem Obiektyw podnosi się albo obniża, w zależności od tego, czy chcemy powiększyć, czy tez zmniejszyć obraz rejestrowany na błonie fotograficznej w kasecie z błoną fotograficzną

Druk, od jego wynalezienia w II wieku w Chinach, pozostawał przez wieki niezwykle pracochłonnym procesem. Uzyskanie każdej drukowanej strony wymagało ręcznego wyrycia liter i obrazów w metalowych lub drewnianych płytach, a następnie dociśnięcia pokrytej tuszem wygrawerowanej formy drukowej do arkusza papieru. Taki sposób drukowania różni się zasadniczo od dzisiejszych metod przygotowywania materiałów dla maszyny drukującej. Kolorowy obrazek można zarejestrować elektronicznie w ciągu sekund. Następnie jest on rozkładany na barwy składowe i przekształcany we wzór drobnych punkcików na formie drukowej.

Proces przekształcania zdjęcia lub ilustracji w po­stać, która da się wydrukować, zwany jest przygoto­waniem. W przypadku zdjęcia czarno-białego polega to na zamienieniu odcieni na obrazie oryginalnym we wzór punkcików na formie drukowej. Jest to konieczne, gdyż odcienie oryginału przechodzą w siebie w sposób ciągły - obraz składa się z nie­skończonej liczby odcieni szarości. Natomiast ma­szyna drukująca może nakładać na papier tylko jeden kolor (czarny) farby. Przekształcenie obrazu w układ punktów o tej samej barwie, ale różnej wielkości może oszukać ludzkie oko tak, iż dostrzega ono płynnie przechodzące w siebie odcienie, pod warun­kiem że punkty są wystarczająco małe.

Tego przekształcenia często dokonuje się przy użyciu aparatu reprodukcyjnego, który na bło­nie filmowej robi fotograficzną kopię orygi­nalnej pracy artysty. Do błony filmowej do­ciśnięty jest półtonalny lub kontaktowy ra­ster - przezroczysty arkusz z naniesioną siat­ką równomiernie rozłożonych punktów rów­nej wielkości. Gdy oryginał fotografuje się w świetle białym, dzieli się on na system punktów, zarejestrowanych na błonie fotograficznej. Następnik w wyniku obróbki fotochemicznej system punktów" na błonie filmowej (negatywowy) zostaje przekształ­cony w pozytywowy wzór na elastycznej płycie me­talowej, czyli formie drukowej. Farba nałożona na formę drukową „przykleja się" jedynie do punktów, które następnie są drukowane na papierze. Na obsza­rach ciemnych punkty są duże i gęsto rozmieszczo­ne, a na obszarach jasnych są mniejsze i rzadsze. Gdy obraz zostanie wydrukowany, stwarza to wraże­nie odcieni zmieniających się w sposób ciągły.

Rozdzielczość drukowanego obrazu uzależniona jest od liczby punktów na rastrze. Umownie określa­na jest ona poprzez liczbę rzędów (czy też linii) punktów na cal. W czarno-białej gazecie przypada około 100 linii na cal, eleganckie czasopismo ma przynajmniej 200 linii na cal.

Technika skanowania

Nowoczesny biurowy skaner kolorowy [F] zawiera w sobie laser [1], wytwarzający wiązkę światła o wysokim natężeniu Światło to jest skupiane [2] i kierowane na obracające się wielośaenne zwierciadło [3] Gdv zwierciadło obraca się, wiązka laserowa jest gwałtownie odchylana z lewa na prawo Zwierciadła [4] kierują ska-

nującą wiązkę na oryginał [5} Odbite światło przebiega praw* identyęzną drogę z powrotem A obracającego się zwierciadła, które bdbija je na czujnik fotoelektryczny [6] Tutaj natężenie i barwa wiązki są przekładane na sygnały elektryczne, które następnie zostają przekazane do kompiaei zdolnego do przetwarzania uzyskanych w ten sposób dan\c

Druk wielobarwny

Przygotowanie druku wielobarwnego jest proce­sem bardziej skomplikowanym, ale zasadniczo po­dobnym. Każdą barwę odbitą od powierzchni obrazu czy zdjęcia można przedstawić jako mieszaninę czerwonej, zielonej i niebieskiej, tzn. barw podsta­wowych. W procesie przygotowania druku wielo­barwnego aparat reprodukcyjny rejestruje na trzech oddzielnych błonach fotograficznych składniki obra­zu: niebieski, zielony i czerwony, jako zdjęcia wyko­nane po kolei przez odpowiednie filtry. W każdym przypadku obraz fotografowany jest przez raster, w wyniku czego powstaje błona fotograficzna, na której wzór punktów jest zapisem natężenia jednej z trzech barw podstawowych.

Każdy arkusz błony jest następnie wykorzystywa­ny do wykonania formy drukowej, na którą nakłada się kolorową farbę. Te trzy formy, pokryte kolorową

Zobacz tahe Aparaty fotograficzne 62 Błona fotograficzna 68 Lasery i holografia 70

Fotografia przez raster

W aparacie reprodukcyjnym tuz pod błoną filmową [1] umieszczony został raster [2] Jest to siatka punktów wykonana techniką fotograficzną Każdy punkt to w rzeczywistości stożek ze srebra [3] Światło, odbite od jasnego obszaru na oryginale [4], może przejść przez „ramiona" stożków, tworząc w ten sposób duże koło na filmie powyżej Przyciemnione światło odbite od ciemnych obszarów na oryginale [5] może przebić się przez ramiona stożka tylko w tych miejscach, gdzie są one już blisko filmu -w ten sposób powstaje male kółko na błonie filmowej Obraz sfotografowany przez raster i wydrukowany [B] rożni się od oryginału o płynnie przechodzących w siebie odcieniach [C]

lamp) halogenowe

oryginał

Techniki przygotowania do druku

3 4

farbą, są kolejno dociskane do arkusza papieru, na którym powstaje wzór składający się z niewielkich kolorowych punkcików. Ludzkie oko postrzega ten wzór jako pełnowartościowy kolorowy obraz. Farby używane do drukowania mają barwy druku; są więc to farby w kolorze żółtym, purpury i cyjanu, a nie w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim, czyli w barwach podstawowych.

Oglądany w białym świetle kolorowy punkt po­chłania niektóre barwy występujące w świetle, a od­bija inne. Cyjanowy punkt pochłania światło czerwo­ne, purpurowy - światło zielone, żółty zaś punkt -światło niebieskie. Dlatego też płaszczyzna składają­ca się z blisko rozmieszczonych punktów cyjano-wych i purpurowych pochłania światło czerwone i zielone, a jedynie niebieski składnik padającego światła odbija się z powrotem do oka osoby ogląda­jącej obraz. Podobnie płaszczyzna składająca się z żółtych i cyjanowych punktów odbija tylko zielone światło. Połączenie w odpowiednich proporcjach punktów w trzech barwach druku może służyć do odtworzenia prawie każdej barwy z widma światła.

Kopiowanie koloru - łatwe i wygodne

Skanery pozwalają na uzyskiwanie rastrowych kopii oryginalnego obrazu i rozdzielanie barw w sposób zdecydowanie szybszy i wygodniejszy, niż jest to możliwe przy użyciu aparatu reprodukcyjnego. W skanerze [F] wąska wiązka światła lub światki laserowego „maluje" ciąg linii nakładanych na oryginal. Natężenie i barwa odbitego światła są rejestrowane, przekształcane w sygnał cyfrowy i zapisywane na dysku komputera. Obrazem wczytanym do komputera można manipulować na ekranie, powiększając jakąś część, zmieniając jej barwy czy nawet łącząc dwa obrazy lub większą ich liczbę. Następnie kolejny laser przetwarza dane komputerowe na cztery formy lz wygenerowanymi komputerowo punkcikami, a każda z tych form odpowiada części obrazu w jednej z czterech barw druku.

«-™*<-' ; zarejestrowane jako obszary

punkcików srebra na błonie :.-.ii fotograficznej [3]. Następnie H|. duć z tego negatywu wykonuje się jsstiĘŃh je obraz pozytywowy na formie :jBdlc drukowej [4]. W maszynie ^óm istnej drukującej cyjanowa farba drukarska nakładana jest za pomocą wałków na formę drukową [5], (O cyjanie można by powiedzieć, że jest to „brak" czerwieni). Farba drukarska „przylepia się" tylko do tych części formy, które odpowiadają miejscom obrazu oryginalnego nie zawierającym czerwieni. Następnie oryginał fotografuje się przez filtry: zielony, niebieski i szary, a powstałe w ten sposób negatywy na

błonie fotograficznej wykorzystywane są do wykonania kolejnych trzech form drukowych. Formy te pokrywa się odpowiednio farbą Żółtą, purpurową i czarną [6, 7, 8]. (Chociaż czerń nie jest konieczna, aby odtworzyć kolory, powoduje, że wydrukowany obraz jest bardziej wyrazisty). Trzy formy drukowe są po kolei dociskane do tego samego arkusza papieru, dzięki czemu powstaje obraz składający się z punktów w czterech barwach druku. Jest to bardziej widoczne na tym powiększeniu wydrukowanej strony [E].

nie 76 Prawa przyrody 264 266

76

Drukowanie

Jak działa kolorowa maszyna drukująca

Wszechobecność czasopism i książek, papierowych pieniędzy, papierowych opakowań z nadrukami czy znaczków pocztowych jest świadectwem wciąż bardzo istotnej pozycji druku w naszym życiu. Jednak Jan Gutenberg, który w 1439 roku wynalazł w Europie ruchomą czcionkę drukarską, miałby trudności z rozpoznaniem swego wynalazku we współczesnej technice drukarskiej. Dzisiejsze maszyny drukujące mogą drukować kolorowe obrazy o wysokiej rozdzielczości z szybkością ponad 25 000 egzemplarzy na godzinę. Sterowanie komputerowe zmieniło cały proces drukowania: niektóre maszyny są całkowicie zautomatyzowane i potrafią nawet samooczyszczać się pomiędzy kolejnymi cyklami drukowania.

Punktem wyjścia w większości przemysłowych proce­sów drukowania jest arkusz błony fotograficznej, na któ­rym zarejestrowano tekst i obrazy do wydrukowania. Obraz z błony fotograficznej przenosi się na nośnik -zwykle jest nim forma lub cylinder drukowy - na którym miejsca z obrazem odróżniają się od miejsc pustych dzię­ki swym właściwościom mechanicznym lub chemicz­nym. Na nośnik ten nakłada się farbę drukarską, która „przylepia się" tylko do miejsc z obrazem: następnie nośnik ten dociska się do papieru, kartonu czy innego podkładu do drukowania. Istnieją trzy podstawowe tech­niki drukarskie: typografia, offset i wklęsłodruk, różniące się głównie sposobem, w jaki miejsca z obrazem i miej­sca puste zaznaczane są na nośniku. Najwszechstronniej­szą spośród tych technik jest offset, co sprawia, iż stosuje się go przy drukowaniu ponad 40% wszystkiego, co powielane jest drukiem.

Obrazy wyryte w kamieniu

Litografia pojawiła się w XIX wieku. Pierwotnie w technice tej nośnikiem obrazu były płyty z wapienia i stąd jej nazwa (ang. limestone znaczy „wapień", greckie słowo lithos oznacza „kamień"). W dzisiej­szych maszynach zastąpiły je cienkie płyty z cynku lub aluminium. Obecnie stosuje się nazwę offset.

Przed drukowaniem płytę specjalnie przygotowuje się tak, aby można było nanieść na nią obraz. Najpierw stosuje się obróbkę chemiczną, aby powierzchnia stała się porowata. Następnie pokrywa się ją warstwą emul­sji fotograficznej. Do płyty dociska się błonę fotogra­ficzną, na której zarejestrowany jest obraz. Następnie płyta ta zostaje naświetlona i wywołana. Podczas wy­woływania emulsję wypłukuje się z miejsc pustych, przez co na zewnajrz wydobywana jest porowata po­wierzchnia znajdująca się pod spodem, emulsja zasną miejscach pokrytych obrazem utwardza się.

Następnie płytę (czyli formę drukową) mocuje się do zakrzywionej powierzchni metalowego cylindra i umie­szcza w maszynie drukującej. Zespoły wałków najpierw pokrywają formę wodą, a potem tłustą farbą drukarską. Woda dociera do porowatych miejsc bez obrazu, a nie dochodzi do miejsc, na których jest obraz. W wypadku farby dzieje się odwrotnie: jest ona wyłapywana przez miejsca zawierające obraz, a warstewka wody, pokrywa­jąca resztę formy, zapobiega rozlewaniu się farby na miejsca bez obrazu.

Obraz przenosi się na gumowy obciąg, owinięty wokół drugiego cylindra (ang. słowo offset oznacza m.in. takie właśnie przenoszenie obrazu). Dopiero po­tem przenosi się obraz na papier, umieszczony pomię­dzy cylindrem gumowym a trzecim cylindrem - cy­lindrem dociskowym. Dzięki zastosowaniu gumowe­go obciągu, który ma pewną podatność na odkształca­nie, możliwe jest drukowanie obrazów na tekturze i papierze o niskiej jakości.

Papier może być podawany do maszyny drukującej w postaci oddzielnych arkuszy, które następnie są przycinane do odpowiedniego wymiaru i oprawiane w oddzielnych procesach.

Techniki drukarskie

Najwcześniejsza technika drukarska, typografia [A], polega na tym, że pokryte farbą powierzchnie wystają ponad obszary nie zawierające obrazu. Zanim forma zostanie dociśnięta do arkusza papieru, powierzchnią drukującą pokrywa się za pomocą wałków gęstą farbą o konsystencji pasty We wklęsłodruku [B] obraz zostaje wytrawiony lub wyryty na powierzchni metalowej pfyty. Farba drukarska pokrywa całą powierzchnię pfyty, a następnie jest usuwana z powierzchni za pomocą ostrza zwanego rakiem. W wyniku tego zabiegu pozostaje wyłącznie we wgłębieniach, które przenoszą obraz na papier. W offsecie [C] cienka warstwa wody zapobiega rozprzestrzenianiu się tłustej farby na puste miejsca na formie drukowej.

Maszyny do drukowania gazet

Przy długich cyklach drukarskich, w których p wstają dziesiątki, a nawet setki tysięcy egzemplar; papier podawany jest w postaci ciągłej roli. cz zwoju, nie zaś w pojedynczych arkuszach. Zanu, oddzielnego cylindra gumowego i cylindra docisl wego maszyny zwojowe zaopatrzone są w dwa ^ lindry gumowe, z których każdy stanowi dla drag go cylinder dociskowy. W ten sposób można drut wać jednocześnie po obu stronach zwoju, dzi< czemu oszczędza się cenny czas.

Aby w offsecie uzyskiwać jednolity obraz drui wany, trzeba precyzyjnie utrzymywać równowagę j między wodą a farbą drukarską, nakładanymi na f me. Przy bardzo wysokich nakładach (po\v\ 500 000 egzemplarzy) częściej od offsetu stosuje technikę wklęsłodrukową, gdyż w technice tej fai utrzymywana jest w wyrytych rowkach w metalom cylindrze, dzięki czemu obraz staje się bardziej stai ny. Wysoki koszt wytrawiania i przygotowywania * lindra uzasadniają wysokie nakłady.

farba drukarska

farba drukan

Cylindry i watki

Maszyna offsetowa [E] zaopatrzona jest w dwa u\r^. czyli zespoły wałków, któit przenoszą najpierw wodę, a następnie farbę drukarską na powierzchnię cylindra for wego [1]. Niektóre wałki w zespole nawilżającym [2] pokryte są suknem, tak ab\ zatrzymywały więcej wody. Zespół farbowy składa się z wałków o różnych średnica niektóre z nich mają powierz nie metalową [3], inne gumo [4], a pewne walki mogą prz suwać się z boku na bok [5J. Różnorodność sposobu ich poruszania się i struktur, powierzchni ułatwia równomierne pokrywanie fał powierzchni formy drukowej Farba jest następnie przenoszona na pokryty warstwą gumy cylinder [6] i nanoszona na papier,

Zobacz także: Błona fotograficzna 68 Techniki przygotowania do druku 74 Zasady 232 266

Drukowanie 7 7

Kolor na kolorze

Maszyna offsetowa do druku wielobarwnego [D] składa się z czterech oddzielnych zespołów umieszczonych w jednym ciągu Każdy z nich nakłada jeden Z kolorów - cyjan, żółty, purpurą i czerń - w postaci systemu gęsto rozmieszczonych punktów Poprzez mieszanie w różnych proporcjach punktów o różnych barwach odtworzyć można każdy kolor i odcień Arkusze papieru są pojedynczo podnoszone za pomocą samonakładacza [1] i podawane do pierwszego zespołu drukującego [2], który drukuje cyjan Cylindry przekazujące [3] przekazują arkusz do następnego zespołu [4], gdzie dodawany jest kolor żółty itd Droga arkusza papieru przez maszyną zaznaczona jest kolorem pomarańczowym

rv arkusz jest

ffm~ -, ™r ^.j-^ c\hndrem r^rem docisko-^ ^ e c\ hndry -rzenoszą -i- ~^ zespołu czne łap

on me na

Komputery: budowa

W jaki sposób części komputera współpracują ze sobą

Rzut oka na to, co znajduje się pod obudową komputera osobistego, nie powie nam zbyt wiele o tym, jak on działa. Wewnątrz wszystkich tych plastikowych pudełek znajdują się mikroprocesory i obwody pamięci - płytki półprzewodnikowe, wykonane z płatków krzemu, które mogą pomieścić nawet 3 000 000 niewielkich tranzystorów. Każdy z nich działa jak przełącznik elektryczny, który powoduje pojawianie się i zanikanie impulsów elektrycznych. Impulsy te zawierają dane cyfrowe, przetwarzane przez komputer. W każdej sekundzie przeprowadzanych jest ponad 100 000 000 pojedynczych operacji logicznych, których wyniki przedstawiane są na monitorze za pomocą zrozumiałych dla człowieka barw i obrazków.

Komputer osobisty to urządzenie cyfrowe. Jego działa­nie polega na dodawaniu i wykonywaniu operacji lo­gicznych na liczbach dwójkowych - ciągach jedynek i zer. Liczby te mogą reprezentować wiele rzeczy, na przykład litery, umiejscowienie w pamięci komputera czy położenie na ekranie. Matematyczna obróbka tych liczb odbywa się w centralnym procesorze, głównym „ośrodku nerwowym" całego komputera. Znajduje się on na płycie głównej, która zawiera układy elektronicz­ne komputera - układy pamięci, obwody logiczne łą­czące wszystko i gniazda rozszerzeń. Te ostatnie służą podłączaniu kań - dodatkowych obwodów, które ste­rują poszczególnymi urządzeniami peryferyjnymi, taki­mi jak monitor o wysokiej rozdzielczości. Gniazda roz­szerzeń i wyjścia na płycie głównej, które łączą wszystkie układy scalone, tworzą szyną systemową-drogę przesyłania sygnałów, przenoszącą do 3 000 000 jednostek informacji na sekundę.

Niektóre karty rozszerzeń i urządzenia pamięci wy­magają podawania danych z centralnego procesora z jeszcze większą szybkością. Druga, szybsza szyna, zwana szyną lokalną, jest w stanie przenosić dane 50 razy szybciej niż szyna systemowa. Bezpieczne zapamiętywanie Aby przechowywać zapisane w nim informacje i progra­my, komputer potrzebuje dwóch rodzajów pamięci: pa­mięci stalej (ROM - od ang. read-only memory — „pa­mięć przeznaczona tylko do odczytywania danych") oraz pamięci o dostępie swobodnym (RAM - od ang. rondom access memory). Podstawową jednostką informacji jest bajt - ciąg ośmiu jedynek i zer odpowiadający liczbie z przedziału 0-255. Duża pojemność pamięci współ­czesnych komputerów zwykle wyraża się w kilobajtach (l kilobajt to 1024 bajtów) lub w megabajtach (l mega­bajt to l 048 576 bajtów). Pamięć stała komputera jest uprzednio zaprogramowana programami standardowy­mi, potrzebnymi komputerowi do rozpoczęcia i konty­nuowania pracy. W odróżnieniu od tego w RAM-ie moż­na zapisywać i usuwać z niego dane i programy. Typowy komputer osobisty ma 16 megabajtów RAM, a do każ­dego bajta można odnieść się przez właściwy mu adres bezwzględny.

Bardziej długotrwałe zapamiętywanie danych dają napędy dysków komputera. Na powierzchniach magne­tycznych napędu twardego dysku zapisać można setki milionów bajtów danych, ale czas dostępu jest bardzo długi w porównaniu z pamięcią elektroniczną. W napę­dzie dyskietkowym podobne metody magnetyczne wy­korzystuje się do zapisywania zbiorów i programów na małej dyskietce, którą można wyjmować z komputera. Trzecią formą magazynowania danych jest pamięć stalą na dysku kompaktowym (CD-ROM), takim samym jak dźwiękowe płyty kompaktowe, ale zawierającym miliar­dy bajtów kodu komputerowego, zamiast cyfrowego za­pisu dźwięku. Głównym ograniczeniem tej formy jest to, iż w odróżnieniu od innych form magazynowania da­nych, pamięci stałe na dyskach kompaktowych umożli­wiają tylko odczytywanie danych, natomiast komputer nie jest w stanie danych tych na dyskach zapisywać.

Budowa komputera

Tył komputera [A] jest plątaniną różnych przewodów, łączących jednostkę centralną z urządzeniami peryferyjnymi -klawiaturą, monitorem, drukarką i myszą [B]. Mysz jest urządzeniem wskazującym, umożliwiającym poruszanie kursorem po całym ekranie. Ruchy z boku na bok oraz w górą i w dół sprawiają, ze w myszy obraca się gumowa kulka. To z kolei sprawia, iż obracają się rolki połączone z tarczami urządzenia kodującego, zamieniające ten ruch w impulsy elektryczne. Procesor wewnątrz myszy zbiera te informacje i przesyła je do komputera. Sama jednostka centralna [C] jest labiryntem układów scalonych t innych elementów zespolonych z płytą główną. Zasilacz przetwarza prąd elektryczny z sieci w prąd o stałym napięciu, konieczny do funkcjonowania układów scalonych komputera. Twardy dysk umieszczony jest w hermetycznym zamknięciu, które chroni go przed zanieczyszczeniami, głównie kurzem, mogącymi powodować uszkodzenia. Napęd dyskietek służy do odczytywania t zapisywania informacji na 10-centymetrowych wymiennych dyskietkach magnetycznych. Oba napędy dysków połączone są z szyną systemową przewodami, które łączą ze sobą różne części komputera. Impulsy sygnałów przesyłane są szyną z szybkością taktowaną przez częstotliwość zegara komputera. Im większa częstotliwość zegara, tym szybciej komputer może obrabiać dane - a więc jego moc jest większa. Relacje pomiędzy typami układów scalonych wewnątrz komputera można najłatwiej prześledzić, przyglądając się poszczególnym etapom prostego procesu - zarejestrowania pojedynczego naciśnięcia klawisza. Sam klawisz działa jak prosty przełącznik — jego naciśnięcie zamyka obwód i umożliwia przepływ prądu [1]. Prosty procesor wewnątrz klawiatury rejestruje ten przepływ i generuje kod wyboru przypisany danemu klawiszowi, a także drugi kod, generowany po zwolnieniu klawisza. Kody te przesyłane są przewodem

monttor

klawiatura komputer'

płyta — układu

tarcia urządź/aut kodującego

do komputera

klawiatury do układów scalonych BIOS-u (od ang. Basic Input/Output Set -„podstawowy system wejścia-wyjścia ") [2], które przekształcają obydwa kody w pojedynczy kod ASCII (od ang. Amencan Standard Code for Information Interchąnge -„amerykański standardowy kod wymiany informacji"), kod w którym zapisywane są litery i symbole w większości przypadków porozumiewania się z komputerem. Kod ten jest przekazywany do procesora centralnego [3], który tak przetwarza otrzymane dane, aby mógł wyświetlić literę na ekranie. Programy standardowe

zapisane w ROM-ie [4] ind: także polecenie jednostce centralnej, aby zapis naciśnięcia klawisza został przez mą przechowany w RAM-ie zawartym w modułach pamięci (SIMM od ang. Single In-lme Memo Modules - „moduły pamięci w obudowie podłużnej jednorzędowej") [5].

Zobaci takie: Rejestrowanie dźwięku 52 Płyty kompaktowe 54 Komputery 80 82 84 Produkcja układów scalonych 126 Prawa przyrody 246 248 250 252 254 256

:• r zetwarzania

: .. e j ednostki w procesorze centralnym nadzorują _ linie i transmisję danych. Jednostka wstępnego

-.-. rozkazów ustala, które fragmenty kodu będą

:r_e w następnej kolejności, i wydaje polecenie

".•f sprzęgającej z magistralą, aby dostarczyła je

: -.. Kolejne jednostki tłumaczą w obie strony ad-

r ine przez układy scalone procesora centralne-

AM-u. Głównym elementem procesora centralne-

• -:dnostka arytmetyczno-logiczna, która przepro-

:::ste obliczenia oraz porównania na liczbach

;. :h i przesyła wyniki z powrotem do jednostki

-.;• z magistralą, aby zostały zapamiętane •'-.t. Moc przetwarzania komputera osobistego \j,L że wykonuje on około stu milionów takich : sekundę.

-ze procesory stosują przetwarzanie danych

- -edukowanej listy rozkazów (RISC - od ang.

::nictionSet Computing). Ponieważ posługu-

: szą liczbą prostych rozkazów, szybciej wyko-

79

Inny świat

Klawiatura, mysz i monitor nie są jedynymi sposobami | porozumiewania się | z komputerem. Helmofon i joystick rzeczywistości wirtualnej pozwalają naukowcowi poznawać skomplikowaną, strukturą cząsteczki białka za ; pośrednictwem wygenerowanego przez komputer trójwymiarowego modelu (z lewej).

dyskietka

— napęd dyskietek

——złącze taśmowe

80

Komputery: pamięć i zapisywanie danyc]

W jaki sposób komputery zapamiętują dane i programy

Twardy dysk w komputerze osobistym może zapamiętać na swych powierzchniach pokrytych czynnikiem magnetycznym miliardy bajtów danych. Dane zapisywane są przez głowice odczytu/zapisu, czyli przez niewielkie elektromagnesy, które umieszczone są w odległości jednej dwutysięcznej milimetra od powierzchni dysku i mogą być przesunięte w dowolne położenie w czasie krótszym niż piętnaście tysięcznych sekundy. Ale nawet taki czas wyszukiwania jest zbyt długi na przekazywanie informacji do procesora komputera. Dlatego podczas wykonywania programu kopiuje się go z dysku do mikroukładów szybkiej pamięci, gdzie prędzej można dotrzeć do jego poleceń.

Jakość działania komputera osobistego jest często okre­ślana poprzez szybkość, z jaką jego jednostka centralna może dokonywać obliczeń matematycznych Równie ważna jest pamięć komputera - obszar elektroniczny, w którym jednostka centralna zapamiętuje dane dla swo­ich obhczeń, a także ich wyniki Dodatkowo w pamięci zawarty musi być wykonywany w danej chwili program, który wydaje jednostce centralnej polecenia dotyczące kolejności przeprowadzanych obhczeń

Pamięć występuje w dwóch głównych postaciach W pamięci stałej (ROM — od ang read-only memory) me można zapisywać informacji, ale zawiera ona pro­gramy, których komputer potrzebuje do pracy, kiedy jest uruchamiany, a także programy standardowe, któ­re kontrolują interpretowanie sygnałów z klawiatury i innych urządzeń peryferyjnych W pamięci o dostę­pie swobodnym (RAM - od ang rondom access me­mory) można zapisywać informacje, a także od­czytywać je z niej Przechowuje ona programy użytkowe, takie jak procesory tekstowe podczas ich wykonywania, a także pliki przetwarzane przy użyciu tychże programów

głowica odczytu/zapisu

cząsteczka magnetyczna

twardy dysk

Pamięć magnetyczna

Twardy dysk komputera [A] działa w sposób podobny do dobrze znanego urządzenia jakim jest gramofon Zamiast pojedynczego krążka zawiera on stos dysków wykonujących 100 obrotów na sekundę Powierzchnie tych dysków pokryte zostały warstwą zawierającą niewielkie cząsteczki magnetyczne Porządkowane są one w układy odpowiadające zerom i jedynkom cyfrowego zapisu danych za pomocą głowic odczytu/zapisu - niewielkich elektromagnesów ustawianych

we właściwym położeniu przez ramiona urządzenia uruchamiającego Tymi ramionami obrotami dysku a także informacjami przesyłanymi do głowic steruje kontroler dysku - układ elektroniczny zamontowany w jednym z komputerowych gniazd rozszerzeń Aby zapisać dane głowica najpierw przesuwa się na ścieżkę czyli odpowiedni obszar na powierzchni dysku Impulsy prądowe przebiegają przez cewką otaczającą głowicą tworząc w ten sposób pole magnetyczne Cząsteczki na powierzchni dysku są początkowo me uporządkowane [1] ale przesuwając się pod głowicą, porządkują się w zgodzie z polem zapisując

w ten sposób jedynkę [2] Po obróceniu się dysku o mewie odległość kolejny impuls prądowy o przeciwnym kierunku odwraca polaryzacj pola [3] / porządkuje cząstec w przeciwnym kierunku zapisując w ten sposób zero Następny impuls jest tak sarr skierowany a więc zapisane jest kolejne zero [4] Aby odczytać dane głowica przesuwa się do odpowiedmt obszaru dysku [5] Zmieniają się pola magnetyczne w pokryciu dysku poniżej indukują odpowiadające im prądy w cewkach otaczająca głowicę Prądy te są przes\łt do kontrolera dysku gdzie zostają ponownie przekształcone w cyfrom ją informacji

ramiona urządzenia pozycjonującego

d}sk

Ścieżki i sektory

Gdy twardy dysk jest formatowany powierzchnie jego dysków dzieli się na mi koncentrycznych ścieżek [\] Ścieżki te dalej dzieli się_ na sektory i to właśnie u tvch Rektorach zapisuje się dane. Jeśli komputer pracuje pod systemem operacyjnym DOS pierwsze sektory na powierzchni górnego d\skm stanowią tablicę alokacji

Zobacz taLe Płyty kompaktowe 54 Komputery 78 82 84 Produkcja układów scalonych 126 Prawa przyrody 246 248 250 252 254 256

linie adresów

linie danych

kość MM —i

obudowie.

jmt j» i ^niem przed donvch jest pliki

prąd

Pomiąć monolityczna

Główną pamięcią komputera jest pamięć dynamiczna o dostępie bezpośrednim, która zbudowana jest z SMM-ów (modułów pamięci), czyli modułów ze złączami wtykowymi, zawierających 9 kości pamięci [B], Każda kość pokryta jest siatką krzyżujących się pionowych linii adresów i poziomych linii danych z tranzystorem l kondensatorem w każdym węźle Dane zapamiętywane są jako 8-bitowe cyfrowe „słowa"; tranzystor o tym samym położeniu na każdej kości zapamiętuje jeden bit z każdego stówa, a dziewiąta kość zapamiętuje bit parzystości, służący do wykrywania błędów. Każdy tranzystor ma trzy łącza:

dren połączony z kondensatorem, źródło połączone z Unią danych oraz bramkę połączoną z linią adresów [1]. Gdy dane zapisuje się do pamięci dynamicznej, do kolejnych linii adresów w poprzek kości w sposób pulsacyjny przykładane jest dodatnie napięcie, „otwierające" wraz ze swoim przepływem wszystkie tranzystory na każdej linii [2]. Do linii danych połączonych z tranzystorami, w których zapamiętana ma być jedynka, podłączany jest prąd

prąd

elektryczny, ładujący połączone z tymi tranzystorami kondensatory [3]. W ten sposób dane zapisywane są w całej kości. Gdy komputer musi odczytać zapamiętane dane, napięcia znowu pidsacyjnie przykładane są do kolejnych linii adresowych na kości. Gdy otwierają one tranzystory w każdym rzędzie, zmagazynowany w tym rzędzie ładunek może spłynąć wzdłuż linii danych [4]. Każdy zarejestrowany impuls prądowy przekładany jest na jedynkę. Ładunki zgromadzone w kondensatorach stopniowo wyciekają a więc dane muszą być co pewien czas ponownie zapisywane, co sprawia, że pamięć dynamiczna o dostępie bezpośrednim jest „wolnym" rodzajem pamięci.

na tej siąje * rjfvm dysku,

°waem nie

Pamięć statyczna i dynamiczna

Pamięć o dostępie swobodnym (RAM) pojawia się w dwóch formach. Większa część pamięci komputera osobistego to pomiąć dynamiczna. Jedynki i zera liczb dwójkowych zapamiętywane są w pamięci dynamicznej w postaci ładunków elektrycznych, zmagazynowanych w setkach tysięcy niewielkich kondensatorów, które tra­wi się w specjalnych kościach krzemowych. Każdy kon­densator połączony jest z tranzystorem - elektronicznym przełącznikiem, który może być zamknięty lub otwarty, ładując lub rozładowując kondensator. Podczas odczytu z pamięci dynamicznej ładunki spływają z kondensato­rów i są rejestrowane jako prądy elektryczne. Niestety, pamięć jest wtedy także kasowana, a więc po każdym odczycie z pamięci dynamicznej dane muszą być po­nownie wpisywane w obwody.

Pamięć statyczna jest drugim rodzajem pamięci. Za­miast kondensatorów zawiera elekroniczne obwody zwane obwodami dwustanowymi (lubprzerzutnikami). Ta druga nazwa w sposób precyzyjny opisuje ich dzia­łanie. Impulsy elektryczne, podawane na wejścia tych urządzeń, sprawiają, że przełączają się one z jednego sta-

bilnego stanu logicznego (odpowiadającego na przy­kład zeru) w drugi stan (odpowiadający jedynce). Po­nieważ obwody dwustanowe nie wykorzystują kon­densatorów do zapisu danych, nie muszą przechodzić przez etap ich ponownego zapisywania. To sprawia, iż pamięć statyczna jest „szybszym" rodzajem pamięci niż pamięć dynamiczna.

Niestety, pamięć statyczna zajmuje także więcej miej­sca i jest bardziej kosztowna w produkcji, a więc zwykle używa się jej tylko jako pamięci podręcznej. Ten specjal­ny obszar pamięci wykorzystywany jest do przechowy­wania danych i fragmentów programu, których jednost­ka centralna może potrzebować szybko. Oprogramowa­nie kontroluje przepływ danych do pamięci głównej i z niej, umożliwiając przewidywanie, których części da­nych komputer będzie musiał użyć w następnej kolejno­ści. Części te są ładowane do statycznej pamięci podręcz­nej, skąd jednostka centralna może je odczytywać zdecy­dowanie szybciej niż z pamięci standardowej, co zwię­ksza szybkość wykonywania programu.

Oba rodzaje pamięci RAM mają poważną wadę - gdy odcięte zostanie zasilanie, zapamiętane w nich dane zni­kają. W związku z tym komputer musi mieć miejsce przeznaczone do trwałego zapamiętywania oprogramo­wania i plików. Napęd twardego dysku składa się z kilku metalowych dysków o pokryciu zawierającym mikro­skopijne cząsteczki magnetyczne. Dane zapisywane są na dyskach w ten sam sposób, w jaki magnetofon kaseto­wy rejestruje muzykę, czyli w postaci układów uporząd­kowania takich maleńkich magnesów. Dysk, zajmujący tylko niewielką przestrzeń wewnątrz komputera, ma po­jemność zdecydowanie większą niż pojemność pamięci RAM o podobnej objętości - czasami jest to wiele giga-bajtów (miliard ośmiopozycyjnych liczb zapisywanych w systemie dwójkowym).

82

Komputery: sieci

W jaki sposób komputery połączone są w sieci

Za każdym razem klient banku, używający bankomatu sterowanego kartami identyfikacyjnymi, korzysta z sieci komputerowej. Automat bankowy sterowany kartami identyfikacyjnymi - tak naprawdę mały komputer, który liczy banknoty -połączony jest łączami elektronicznymi z komputerem centralnym, rejestrującym wszystkie operacje, który z kolei połączony jest z tysiącami podobnych urządzeń w całym kraju. Klient innego banku może również użyć tego samego urządzenia, korzystając z połączeń pomiędzy różnymi sieciami bankowymi. Obecnie łącza elektroniczne pokrywają swą siecią cały świat i łączą miliony ludzi za pośrednictwem Internetu.

Istnieją różnorodne sieci komputerowe, poczynając od małych lokalnych sieci komputerowych (LAN - od ang. Local Area Network), aż do rozległych sieci kom­puterowych (WAN - od ang. Wide Area Network), które mogą pokrywać cały kontynent lub nawet kulę ziemską. Jeśli chodzi o ich wielkość, sieci lokalne mogą obejmować zaledwie kilku użytkowników, wspólnie korzystających z jednej drukarki. Mogą także stanowić ogromne zorganizowane struktury z wieloma setkami urządzeń czy też węzlów sieci, wśród których są komputery z dyskami o ogromnej pojemności zwa­ne serwerami, a także wiele urządzeń służących do drukowania i kreślenia.

Połączenia sprzęgające w sieci LAN mogą mieć różne fizyczne konfiguracje, czyli topologie. Jedną z nich jest magistrala (przykładem takiej sieci jest Ethernet). Jej węzły stanowią odgałęzienia od długie­go kabla (magistrali), a każdy z nich zaopatrzony jest w kartę, która zamienia dane cyfrowe w formę nada­jącą się do transmisji, a także ponownie przekłada otrzymywane komunikaty na kod komputera. Sama magistrala może być przewodem koncentrycznym, podobnym do przewodu podłączającego odbiornik do anteny telewizyjnej, lub kablem dwużyłowym skrę­canym. Magistrale stanowią najbardziej popularny rodzaj sieci LAN.

Innego rodzaju topologią jest sieć o architekturze pierścieniowej i transmisji z przekazywaniem znaczni­ka. Angielska nazwa sieci tego rodzaju, token-ring net-work, bierze się stąd, iż w sieci tej komputery przekazują sobie znacznik (ang. token), który w rezultacie krąży w całym pierścieniu (ang. ring). Jeszcze inną konfigu­racją jest sieć gwiaździsta, w której wszystkie węzły połączone są z jednym komputerem dużej mocy - ser­werem, kierującym dane z węzła do węzła.

Na magistrali

Więkizośc lokalnych sieci komputerowych, takich jak ta w sali operacji bankowych (poniżej z lewej), połączonych jest siecią Ethernet [A] Magistrala to kabel Z odgałęzieniami biegnącymi do kart, w które zaopatrzony jest każdy węzeł, komputer, drukarka czy tez serwer plików Jednostka centralna komputera wysyła odpowiednie dane do karty, która dodaje etykietką określającą adresata l nazwą nadawcy [1] Komunikat przemieszcza się w obu kierunkach wzdłuż kabla i jest sprawdzany przez każdy węzeł, przez który przechodzi Węzeł ignoruje komunikat, jeśli me jest on opatrzony etykietką z jego własnym adresem Jeżeli dany węzeł jest adresatem komunikatu, odczytuje dane, a następnie wysyła potwierdzenie odbioru do nadawcy [2]

Czasami zdarza się, ze dwa węzły wysyłają komunikaty jednocześnie, czego rezultatem może być kolizja [3] Taka kolizja jest rejestrowana przez najbliższy węzeł, który wysyła sygnał do wszystkich odgałęzień, aby przerwały przesyłanie danych [4] Po odczekaniu losowego czasu każdy z nadawców ponownie próbuje przesiać swój komunikat

fala

elektromag­netyczna

karta sieciowa

Połączenie modemem

Łącza telefoniczne są tak skonstruowane, ze mogą przenosić ludzkie głosy w postaci fal elektrycznych Jeśli mają przesyłać dane komputerowe, dane te muszą zostać zamienione na podobne fale przez modem [B] Modem „tnie" cyfrowe słowa składające się z zer l jedynek na dwucyfrowe odcinki

Pojawiają się wówczas czjen możliwe kombinacje każdą Z nich modem zamienia H fok elektryczne o odpowiedniej częstotliwości Komunikat cyfrowy zamieniony na fale elektryczne przesyłany jest kablem telefonicznym W punkcie docelowym komunikatu drugi modem zamienia fale z powrotem na dane zapisane cyfrowo

Zobacz także Telefony 46 Telefony komórkowe i światłowody 48 Sprzęt biurowy 72 Komputery 78 80 84 Prawa przyrody 246 248 250 252 254 256

satelita

X-,

Komputery: sieci

Na linii

Aby komputery mogły porozumiewać się między sobą, nie muszą być połączone specjalną siecią. Dzięki mode­mom można w tym celu wykorzystywać zwykłe łącza telefoniczne. W ich nazwie zawarte jest wyjaśnienie za­sady ich działania: MOdulują zapisaną cyfrowo informa­cję do postaci akceptowanej przez linie telefoniczne, ma­jące tę informację przenieść, i DEModulują podobne ko­munikaty, które odbierają. Modemy umożliwiają lu­dziom wykonywanie pracy w domu, przez komuniko­wanie się z komputerami w biurach swoich pracodaw­ców, a także pozwalają na bezpośrednie wysyłanie fak-sów, bez konieczności drukowania listu.

Komputer zaopatrzony w modem można włączyć do największej sieci komputerowej - do Internetu. Sieć ta łączy różne sieci rozległe, zarówno publiczne, jak i ko­mercyjne, pokrywające kulę ziemską. Wiele milionów użytkowników tej sieci może wysyłać do siebie pocztę elektroniczną, korzystać z elektronicznych tablic ogło­szeniowych i uczestniczyć w elektronicznych dysku­sjach, a także korzystać z różnorodnych baz danych i in­formacji w postaci cyfrowej.

— brama

bazowa sieć

transmisji

danych

Internet

Użytkownik komputera w Stanach Zjednoczonych może porozumiewać się ze swoim kolegą w Rosji za pośrednictwem Internetu [C]. W rzeczywistości Internet nie jest pojedynczą siecią, ale połączeniem wielu krajowych sieci, z których każda może

używać innego protokółu -regul stosowanych przez komputery w ich wzajemnym porozumiewaniu się (przedstawionych tutaj za pomocą różniących się od siebie symboli). Pomiędzy różnymi rozległymi sieciami komputerowymi (sieciami WAN) istnieć muszą komputery dużej mocy - bramy (niebieskie kwadraty) - przekładające jeden protokół na drugi, co umożliwia przekazywanie zapisanych cyfrowo dźwięków i obrazów, a także słów.

odebrany

-Jawca

•M- *~i; kasujący

Pierścień informacji

Jak sugeruje nazwa, każdy komputer lub drukarka ~ węzeł - w sieci komputerowej o architekturze pierścieniowej [D] połączony jest z sąsiednim węzłem z każdej strony. Każdy węzeł zaopatrzony jest w kartę sieciową, która może przesyłać dane tylko do jednego sąsiadującego węzła, odbierać zaś informacje od drugiego. Gdy w sieci me są przekazywane informacje, krąży w niej komunikat-znacznik „pusto". Węzeł, który ma komunikat do wysłania, przechwytuje ten znacznik [1] i zastępuje go

czteroelementowym ciągiem znaków: komunikatem „zajęte", danymi adresata informacji, właściwą informacją i kodem służącym do weryfikowania poprawności transmisji.

Ciąg ten jest przekazywany w łańcuchu od węzła do węzła. Każda karta odczytuje komunikat, aby sprawdzić, czy to ona jest adresatem [2]: jeśli nie, karta działa jak wzmacniacz, który odtwarza cały komunikat, aby utrzymać jego moc na stałym poziomie podczas wędrówki w sieci. Kiedy komunikat dociera do adresata, węzeł wyciąga z niego przesyłane informacje, przesyła je do swojej jednostki centralnej i ponownie wysyła cały komunikat [3]. Po przemierzeniu całego pierścienia komunikat dociera w końcu z powrotem do węzła inicjującego. Tu jest rozpoznawany, usuwany z sieci i znowu zastępowany znacznikiem „pusto", który zwalnia sieć.

84

Komputery: nowe rozwiązania

W jakich kierunkach mogą się rozwijać komputery

Pierwszych komputerów mogła używać jedynie niewielka grupa ludzi wtajemniczonych w skomplikowany matematyczny język programowania. Dzisiaj prawie każdy jest w stanie porozumiewać się z komputerem za pośrednictwem „przyjaznych" interfejsów, wykorzystujących ikony lub proste polecenia. Jednakże im łatwiej można korzystać z interfejsu w sposób czysto intuicyjny, tym bardziej skomplikowany musi być komputer, aby mógł interpretować otrzymywane polecenia. Komputery przyszłości, które będą umiały rozpoznawać ludzki głos i charakter pisma, będą wymagały ogromnego wzrostu szybkości przetwarzania, mocy obliczeniowych i pojemności pamięci.

Głównym elementem współczesnego komputera jest mikroprocesor - obwód składający się z milionów ele­mentów wytrawionych na powierzchni krzemowego układu półprzewodnikowego. W następnej generacji komputerów krzem zostanie prawdopodobnie zastąpio­ny przez arsenek galu (GaAs). Podobnie jak krzem, jest to półprzewodnik, ale na jego powierzchni wytrawić można mniejsze elementy, dzięki czemu uzyskuje się gęściej upakowane i szybsze obwody. GaAs ma także większą szybkość przetaczania niż krzem. Elektrony we­wnątrz struktury tego kryształu mogą poruszać się swo­bodniej niż elektrony w strukturze kryształu krzemu, dzięki czemu tranzystory - elektroniczne przełączniki -na kości z GaAs mogą otwierać się i zamykać z większą częstotliwością i przeprowadzać większą liczbę operacji logicznych w określonym czasie.

Arsenek galu pozwala na tworzenie miniaturowych mechanizmów zwanych studniami kwantowymi, w których zera i jedynki cyfrowego zapisu danych re­prezentowane są przez występowanie lub brak poje­dynczych elektronów, nie zaś przez ich masowy prze­pływ. Kości, w których wykorzystano studnie kwanto­we, są bardziej zwarte, a także pracują szybciej i przy niższych temperaturach niż kości krzemowe.

Obecnie komunikaty są przekazywane wewnątrz komputera w postaci impulsów elektrycznych. Mimo iż prąd elektryczny przemieszcza się szybko (z pręd­kością równą jednej trzeciej prędkości światła), znacz­ny wzrost prędkości przekazu przyniosłoby wykorzy­stanie samego światła jako nośnika sygnałów. Promie­nie świetlne mogą także przemieszczać się, przecina­jąc swoje drogi, bez zniekształcania przenoszonej in­formacji, co odróżnia je od sygnałów elektrycznych,

Pudełko pełne sztuczek Jako środek przenoszenia danych, światło ma pewną przewagą nad prądem elektrycznym Promienie świetlne mogą przecinać sią bez żadnych skutków ubocznych, podczas gdy każdy sygnał elektryczny musi mleć swą własną izolowaną ścieżkę. Komputer przyszłości może zawierać w sobie elementy, które pracują t komunikują się ze sobą, wykorzystując sygnały świetlne [A] Jego „mózg" może stanowić kilka procesorów dyskretnych, wymieniających informacje w postaci impulsów światła laserowego Dane mogą być zapisywane za pomocą laserów na dysku hologramowym lub w sześcianie trójwymiarowej pamięci optycznej o dostępie swobodnym Sygnały do wyświetlaczy i urządzeń wejściowych oraz wypływające z nich będą przekazywane przez urządzenia nadawczo-odbwrcze na podczerwień.

Głęboki dysk

Napędy dysków optycznych już istnieją, ale mogą zapisywać dane tylko na powierzchni tychże dysków Komputery wykorzystujące techniką hologromową bada mogły zapisywać porcje danych, układając je w stosy jedne na drugich, na całej głębokości grubszego dysku [B] Aby odczytać zapisane informacje,

światło laserowe ogmskowtme jest na dysku za pomocą deflektora

akustyczno-optycznego W)bór hologramu następuje przez zmianą kąta padania wiązki m dysk Hologram pochłania alr> odbija światło, powstając\ sygnał rejestruje układ półprzewodnikowy czujnika światła, który przekształca go na impulsy elektryczne

dysk hologramów \

Sygnały przenoszone przez światło

Zamiast pracować przy użyciu pojedynczego mikroprocesora, komputer przyszłości może być zaopatrzony w kilka oddzielnych procesorów [C] Procesory te pracują równolegle, a każdy z nich zajmuje sią inną częścią zagadnienia, dzięki czemu komputer staje się szybszy.

trojwymian pamięć — optyczna RAM

urządzenia nadawczo-odbwrc-e na podczerwień

Laser w centrum każdego procesora wysyła do innyck procesorów sygnały w postaa szybkich pakietów światła, fari odbijane są przez zwierciadk holograficzne [1] ZwierctaA to odbija fale świetlne o rózm długości w różnych kierunlgac [2], dzięki czemu rozdziela a^ strumienie informacji przeznaczone dla rózn\ch procesorów

Zobacz tahe Lasery i holografia 70 Komputery 78 80 82 Produkcja układów scalonych 126 Prawa przyrody 252 254 256 258

Komputery: nowe rozwiązania 8 5

_ zwierciadło __ [aser danych akftwne

i— soczewka elektroniczna _ sześcian

urządzenie

nadawczo-odbiorcze na podczerwień

abc

UL ii do

r^ - - ~>izlosci wiele D ofdzie czerpało

odręcznego -

\ się

Blok pamięci

Światłoczuła cząsteczka spiropiranu [E] istnieć może w dwóch formach - w formie zamkniętej [1] i w formie otwartej [2] Gdy w zamkniętą cząstką uderzają fotony - kwanty światki - dwóch wybranych wyświetlacz barw, jedno z wiązań

chemicznych tej molekuły pęka i w rezultacie powstaje forma otwarta Jeśli zaś w cząsteczkę w tej formie uderzy kolejny foton, wiązanie zostaje odtworzone, a molekuła emituje foton Ten proces stanowi podstawą funkcjonowania trójwymiarowej optyczne] pamięci o dostępie swobodnym, zawierającej w sobie sześcian domieszkowany cząsteczkami spiropiranu Aby zapamiętać dane [3], światło z lasera danych jest rozdzielane na dwie wiązki za pomocą

z których każdy wymaga oddzielnej ścieżki. W ten sposób można by w znacznym stopniu zmniejszyć liczbę obwodów w komputerze.

W takich zastosowaniach komputera jak symulacja rzeczywistości wirtualnej konieczne jest bardzo szyb­kie zapisywanie i wywoływanie ogromnych ilości in­formacji. Twarde dyski dnia dzisiejszego są w stanie zapamiętać wymagane gigabajty (miliardy bajtów) in­formacji, ale szybkość, z jaką informacje te mogą być odczytywane, jest zbyt mała, aby zapewnić płynne przechodzenie jednych obrazów w drugie. Szybsze wywoływanie

Nowa, znajdująca się w fazie doświadczalnej forma pamięci, zwana trójwymiarową pamięcią optyczną o dostępie swobodnym (ang. 3-D ORAM - 3-dimen-sional optical random access memory), ma podobną pojemność, ale można ją odczytywać tysiące razy szybciej. Dane zapisywane są za pomocą wiązek lase­rowych, które przecinają się wewnątrz sześcianu ze światłoczułego tworzywa. Urządzenie pracuje w try­bie równoległym - zamiast zapisywać i odczytywać informacje bit po bicie, tak jak to robi konwencjonal­ny układ scalony, pamięć optyczna o dostępie swo­bodnym zapamiętuje i odczytuje tysiące bitów jedno­cześnie. Dzięki temu pamięć ta jest idealnym środ-

zwierciadla aktywnego, a następnie skupiane za pomocą soczewki elektronicznej w dwóch punktach warstewki sześcianu, już oświetlonych za pomocą drugiego lasera -lasera adresowego Tam gdzie wiązki przecinają się, powstaje otwarta forma cząsteczki Aby odczytać zarejestrowane dane [4], ponownie włącza się wiązkę adresową Jej fotony z powrotem przekształcają

formy otwarte w formy zamknięte, uwalniając kolejne fotony z dwóch punktów, w których zostały zapisane informacje Czujnik światła przekształca fotony w impulsy elektryczne, które znowu są wysyłane do komputera Dane zapamiętane w sześcianie można z niego usunąć za pomocą promieni nadfioletowych [5]

kiem do zapamiętywania ruchomych obrazów. Z po­dobnego tworzywa wykonać można dysk, na którym informacje zostają zapisane w postaci hologramu. Ocenia się, iż na jednym takim dysku - o wielkości zbliżonej do wielkości konwencjonalnego napędu twardego dysku - będzie można zapisać ponad 12 go­dzin filmu wideo o wysokiej rozdzielczości.

Procesorem stanowiącym główny element komputera przyszłości może nie być pojedynczy układ półprze­wodnikowy, ale zespół procesorów dyskretnych, komu­nikujących się ze sobą za pomocą impulsów światła. Te podprocesory będą prawdopodobnie miały architekturę typu RISC (opartą na przetwarzaniu ze zredukowaną listą rozkazów - od ang. Reduced Instruction Set Com­puting). Procesory w dzisiejszych komputerach osobis­tych wykorzystują architekturę typu CISC (opartą na przetwarzaniu ze złożoną listą rozkazów - od ang. Com-plex Instruction Set Computing) - ich działanie polega na przetwarzaniu znacznej liczby wyspecjalizowanych roz­kazów. Procesor o zredukowanej Mście rozkazów rozu­mie zdecydowanie mniej prostych rozkazów, ale wyko­nuje je bardzo szybko.

Działanie istniejących komputerów polega na wy­konywaniu obliczeń, w których ważne są rozróżnienia pomiędzy stanami logicznymi „prawda" i „fałsz". Jed­nak w języku codziennym rozróżnienia nie są tak ostre i często łatwiej jest posługiwać się stopniowalną pra­wdziwością (dość gorące, bardzo wietrzne itp.). Ten rodzaj rozumowania zwany jest logiką rozmytą. W po­łączeniu z sieciami neuronowymi - systemami, które uczą się rozwiązywać problemy w sposób podobny do ludzkiego mózgu - logikę rozmytą można wykorzystać do stworzenia komputera, który będzie naśladować myślenie człowieka i jego kreatywność.