סריקה לוליינית

סריקה לוליינית (באנגלית: Helical scan) היא שיטת הקלטה על סרט מגנטי שמאפשרת הקלטת אות בעל מרכיבי תדר גבוהים, בלי להסיע את הסרט עצמו במהירויות גבוהות. שיטה זו נמצאת בשימוש במכשירי הקלטה שמשתמשים בסלילים ("Reel to reel") ובמכשירים המשתמשים בקלטות. סריקה לוליינית משמשת בעיקר בהקלטת אות וידאו, אך גם בהקלטת אודיו באיכות גבוהה ובאחסון נתונים.

סריקה קווית וסריקה לוליינית

בשיטת ההקלטה הרגילה על סרט מגנטי, מסיעים את הסרט על פני ראש כתיבה/קריאה (במכשירים מסוימים אלו שני ראשים שונים, אך ברוב המכשירים אותו הראש משמש בשני התפקידים). בשלב הכתיבה, או ההקלטה, האות אותו יש להקליט נשלח לראש. הראש יוצר שדה מגנטי, שגורם להכוונת החלקיקים המגנטיים על פני הסרט. בגלל תופעת החֶשֶל (היסטרזיס), הסרט שומר על מיגנוט לפי כיוון ועוצמת השדה שהייתה בראש ההקלטה בזמן שאותו מקטע של הסרט עבר על פניו. בשלב הקריאה (או ההשמעה), הסרט שוב חולף על פני הראש. הפעם, השדה המגנטי שהוקלט בסרט יוצר שדה מגנטי מושרה בראש, מה שגורם ליצירת זרם חשמלי שמועבר מהראש למערכת הגברה, ובסופו של דבר נוצר אות משוחזר, שבתנאים אידיאליים אמור להיות זהה לאות המקורי שהוקלט.
היות שרוחב הראש הוא סופי (כלומר גדול מאפס), ומהירות הסרט גם היא סופית, כל חלק של הסרט נמצא מול ראש ההקלטה פרק זמן מסוים. פרק זמן זה מגביל למעשה את התדר המרבי שניתן להקליט: אם כיוון השדה המגנטי שיוצר הראש משתנה מספר רב של פעמים כאשר אותו חלק עצמו של הסרט נמצא מול הראש, לא ניתן יהיה לשחזר את האות בזמן ההשמעה. כדי להקליט אותות בתדר גבוה יותר, נחוץ להקטין את ראש ההקלטה, או להגדיל את המהירות בה חולף הסרט על פני הראש.
כיוון שיש מגבלה פיזיקלית כמה ניתן להקטין את הראש (למעשה הגודל הקובע אינו גודל הראש, אלא גודל השדה המגנטי שהראש יוצר, שהוא גדול יותר מגודל הראש עצמו), אחרי שמגיעים למגבלה הזו מה שנשאר הוא להסיע את הסרט מהר יותר ויותר כדי להקליט אותות בתדרים גבוהים יותר.
האוזן האנושית יכולה לקלוט אותות בתדר לא יותר מאשר 20,000 הרץ (20 קילוהרץ), כדי להקליט ולהשמיע חזרה אותות בתדרים אלו, ניתן להריץ את הסרט על פני ראש הכתיבה קריאה במהירות הנמדדת בסנטימטרים לשנייה. לעומת זאת, אות וידאו דורש תדר הנמדד במגהרצים, ולכן נחוצה מהירות יחסית בין הסרט לראש של מספר מטרים לשנייה (מערכות שונות השתמשו במהירויות בתחום בין 5 ל-10 מ/ש, שהם בין 20 ל-30 קמ"ש)
מערכות הקלטה מסוימות (בפרט, המערכות הראשונות שנבנו להקלטת אות וידאו, בשנות ה-50 של המאה ה-20) אכן מריצות את הסרט על פני ראש ההקלטה במהירויות גבוהות מאד, אך לגישה זו מספר בעיות: המהירות הגבוהה של הסרט גורמת לבלאי מוגדל, וכדי לייצר מערכות בהן הסרט נע במהירויות גבוהות נחוץ שהמערכת המכנית המניעה את הסרט תהיה עשויה באיכות גבוהה, מחומרים חזקים ועמידים, והמערכת דורשת הספק גבוה יחסית. בנוסף, אם מריצים את הסרט על פני הראש במהירות גבוהה, הרי שכדי לקבל זמן הקלטה סביר נחוץ להשתמש בסרט ארוך מאד, מה שמקשה על האחסון.
לבעיה זו פתרון חלופי: במקום להריץ את הסרט על פני הראש במהירות גבוהה, מסיעים את הסרט עצמו במהירות נמוכה, ובנוסף, מסיעים את הראש עצמו לרוחב הסרט. באופן כזה הסרט עצמו והמנגנון המניע אותו יכולים להיות מיוצרים באיכות נמוכה יותר ומחומרים זולים כמו פלסטיק, במחיר של סיבוך מסוים של המנגנון שמכיל את ראש ההקלטה. כיוון שמכשיר הקלטה והשמעה אחד משמש לכתיבה וקריאה של סרטים רבים, ייקור מסוים של מכשיר ההקלטה והשמעה ובתמורה הוזלה של הסרטים והקלטות מביאה למערכת כלכלית יותר.
שיטה זו של הסעת הסרט במהירות נמוכה תוך כדי הסעת הראש במהירות גבוהה נקראת "סריקה לוליינית", משום שהסרט מקיף את התוף שמכיל את ראשי הכתיבה/קריאה במסלול לולייני ("הליקס". נקרא גם "סלילי" או "בורגי"). שיטה זו נמצאת בשימוש לוידאו, אודיו, וכאמצעי לאחסון נתונים.
קיימת גישה נוספת המשתמשת בהסעת הראש לרוחב הסרט, במסלול כמעט אנכי לרוחב הסרט לעומת המסלול האלכסוני המשמש בסריקה לוליינית. גישה זו של סריקה רוחבית נקראת גם Quad, משום שהשתמשה בארבעה ראשי הקלטה, קדמה לשיטת הסריקה הלוליינית, והייתה בשימוש על ידי אנשי מקצוע, אולפנים ותחנות טלוויזיה החל במחצית השנייה של שנות ה-50 של המאה ה-20. המכשירים הפועלים בשיטה זו משתמשים בסרטי הקלטה רחבים - עד 2 אינץ' (50.8 מ"מ), ומכשירי ההקלטה וההשמעה יקרים. הסריקה הלוליינית דחקה את רגלי הסריקה הרוחבית שנעלמה מהשוק. עוד מידע בסעיף יתרונות.

מסלול הסרט

כדי לממש סריקה לוליינית, קיימות שתי גישות למסלול הסרט: הראשונה נקראת "אלפא", על שם צורת האות היוונית α קטנה, והשנייה "אומגה", על שם צורת האות היוונית Ω גדולה.
בשיטת "אלפא", הסרט מקיף את התוף לחלוטין, במסלול לולייני, דמוי כריכה יחידה של בורג, והתוף המסתובב מכיל ראש כתיבה/קריאה יחיד. לשיטה זו מספר בעיות: כשהראש היחיד מסיים לסרוק את החלק התחתון של הסרט ועובר לסרוק את החלק העליון של פס הסריקה הבא, נוצר פער זמן בו לא מגיע כל אות מהראש, ומכשיר ההקלטה צריך לספק אות סינתטי בזמן הזה. קושי נוסף הוא שאין דרך מעשית לכרוך את הסרט סביב התוף כריכה מלאה כאשר הסרט עצמו מגיע מקלטת, להבדיל ממערכת המשתמשת בסלילים נפרדים כשהסרט עובר מאחד לשני.
שיטת "Ω" פותרת את שתי הבעיות האלו: הסרט מקיף רק מחצית מהתוף, דבר שמתאפשר משום שהתוף מכיל זוג ראשי קריאה/כתיבה במקום ראש יחיד. כריכה סביב מחצית התוף מתאימה טוב יותר למערכת טעינה אוטומטית, בייחוד כאשר סרט ההקלטה נמצא בקלטת. גם בעיית פער הזמן בין סיום הסריקה של פס אחד לתחילת הסריקה של הפס הבא נפתרת: כאשר אחד הראשים מסיים לסרוק את הסרט, הראש השני נמצא בדיוק במצב בו הוא מתחיל את סריקת הפס הבא. כל מכשירי הסריקה הלוליינית המודרניים משתמשים במסלול סרט מסוג "Ω".

אתגרים טכנולוגיים

סריקה לוליינית מציגה מספר אתגרים טכנולוגיים שיש למצוא להם פתרונות. עם הזמן, פותחו פתרונות משוכללים יותר ויותר להתגברות על האתגרים.
המעבר המהיר של הראש על פני הסרט יוצר בלאי רב הן בראש עצמו, והן בסרט. כדי להקטין ככל האפשר את הבלאי, גם הראש וגם הסרט צריכים להיות חלקים ככל האפשר, והראש צריך להיות בנוי מחומר נוקשה. בנוסף, ברוב המערכות יש למעשה שכבת אוויר דקה ביותר ("כרית אוויר") המפרידה בין הראש ובין הסרט. בעיה נוספת היא העברת האות אל הראש בשלב ההקלטה, וממנו בשלב ההשמעה: מאחר שהראש עצמו מצוי בתוף שמסתובב במהירות, לא ניתן להשתמש באופן החיבור המקובל ביותר, תיל חשמלי. במערכות הראשונות שיישמו סריקה לוליינית נעשה שימוש במערכת מברשות, בדומה למערכת שנמצאת במנועי חשמל מסוימים, אך למערכת כזו מספר בעיות, וביניהן בלאי ופגיעה באיכות האות. מערכות חדשות יותר משתמשות בשנאי מעגלי המעביר את האות מהתוף המסתובב לגוף המכשיר הנייח ללא מגע, בעזרת השראה חשמלית.
גם מערכת ההולכה של הסרט מסובכת יותר בסריקה לוליינית מאשר בסריקה קווית, משום שכחלק מטעינת הסרט למכשיר ההקלטה, יש לכרוך אותו סביב התוף המסתובב שמכיל את הראשים.
אתגר נוסף הוא הצורך במערכת עקיבה, כדי ליצור תיאום טוב מספיק בין מערכת ההולכה של הסרט, למערכת הסיבוב של התוף: כדי לפתור זאת משתמשים בדרך כלל בראש הקלטה/השמעה נייח, שמקליט אותות המשמשים לצורך העקיבה לאורך שולי הסרט בשיטת הקלטה קווית.

זווית השדה המגנטי

האות מוקלט על גבי סרט ההקלטה בפסים מקבילים, אלכסוניים לסרט, כמו שאפשר לראות בסכימה שבראש הדף. ככל שהפסים יהיו קרובים יותר האחד לשני ניתן להגדיל את צפיפות ההקלטה, כלומר להשתמש בפחות סרט לאותו זמן הקלטה, או זמן הקלטה ארוך יותר לאותו אורך של סרט. קירוב פסי ההקלטה זה לזה, או "ציפוף" הפסים יוצר בעיה של "זליגת" האות מפס אחד לשני ("crosstalk"). במילים אחרות, כאשר ראש הקריאה קורא את הפס אותו הוא אמור לקרוא, השדה המגנטי של פסי ההקלטה הסמוכים - זה שלפניו וזה שאחריו, משפיעים גם הם על הראש ויוצרים אות טפילי, הפוגע באיכות האות. אותו אפקט משפיע גם על תהליך ההקלטה: כאשר ראש הכתיבה או ההקלטה ממגנט את הפס על סרט ההקלטה, הוא משפיע על מיגנוט הפס הקודם והפס הבא, ופוגע באיכות האות המוקלט.
כדי להתגבר על הבעיה, ניתן לרווח את הפסים, כלומר להסיע את הסרט על פני התוף במהירות מספיקה כדי שבין פס אחד לשני ייווצר מרווח קטן, או "פס רווח". השיטה זו עובדת, והיא אכן מונעת את "זליגת" האות מפס הקלטה אחד לפס הבא, אבל היא בזבזנית - חלק מסרט ההקלטה אינו מנוצל.
שיטה מתוחכמת יותר להתגבר על הבעיה מנצלת את העובדה שיש שני ראשי כתובה/קריאה שכותבים על גבי הסרט או קוראים ממנו לסירוגין: בשיטה זו, כל אחד מהראשים מייצר שדה מגנטי בכיוון שונה, כלומר השדה המגנטי שמייצר ראש אחד נמצא בזווית לשדה המגנטי שמייצר הראש השני. כיוון שאותם הראשים עם אותן הזוויות משמשים גם לקריאת האות, כל ראש רגיש לאות שהוא עצמו הקליט הרבה יותר מאשר לאות שהקליט הראש השני. באופן זה, בגלל הזווית, ומשום שהפסים נוצרים לסירוגין על ידי כל אחד מהראשים, כל אחד מהראשים מושפע הרבה פחות מהשדה המגנטי של הפסים הסמוכים לפס אותו הוא קורא, ומשפיע הרבה פחות על המיגנוט של הפסים הסמוכים כאשר הוא כותב. באופן זה ניתן לצופף את הפסים עד שלמעשה אין ביניהם כל מרווח, ויחד עם זה להימנע מ"זליגת אות" כמעט לחלוטין.

עקיבה (Tracking)

כדי לממש סריקה לוליינית בצורה טובה, יש לדאוג לתיאום טוב מספיק בין שתי התנועות: תנועת הסרט על פני התוף, וסיבוב התוף עצמו. תיאום זה נקרא "עקיבה" ("Tracking"). כדי לממש את העקיבה פותחו טכניקות שונות. השיטה המקובלת היא להקליט אות על שפת הסרט במקביל לסרט עצמו ("הקלטה ליניארית") שמורה למכשיר היכן הסרט נמצא בדיוק ומאפשר לו להתאים את מיקום הסרט למיקום הראשים. בגלל הדיוק הרב שנדרש, ומשום שבתהליך הייצור עצמו יש אפיצות מסוימת, או במילים אחרות הבדלים מזעריים בין מכשיר למכשיר, או אפילו הבדל בין אותו המכשיר עצמו כפי שהיה בזמן ההקלטה למכשיר בזמן ההשמעה, נדרש לעיתים תיקון קטן לעקיבה. תקופה מסוימת מכשירי הקלטה והשמעה שהשתמשו בסריקה לוליינית היו מצוידים בכפתור כיול, שאִפשר למשתמשים לכוונן את העקיבה כוונון עדין בצורה ידנית. עם הזמן, ועם השתכללות המעגלים האלקטרוניים, פותחו שיטות שאפשרו לבצע את הכוונון העדין והעקיבה באופן אוטומטי, לפי האות המוקלט עצמו ("Auto tracking").

שימושים

השימוש הנפוץ והמוכר ביותר במכשירי הקלטה הפועלים באמצעות סריקה לוליינית הוא להקלטת אות וידאו. למעשה, כל מכשירי הווידאו שפועלים באמצעות סרט מגנטי, פרט למכשירים הישנים ביותר, משתמשים בסריקה לוליינית, החל מציוד אולפן עם סרט ברוחב "1 (אינץ' אחד, או 25.4 מ"מ), דרך הסטנדרט הנפוץ בעולם להקלטת וידאו על סרט מגנטי - VHS ברוחב 12.7 מ"מ (1/2 אינץ'), ועד פורמט MiniDV ברוחב של "1/4 (רבע אינץ', או 6.35 מ"מ). בנוסף, מספר שיטות הקלטה נוספות משתמשות בסריקה לוליינית: קלטת אודיו דיגיטלית (DAT) שמשתמשת בסרט ברוחב 4 מ"מ, וכן פורמטים שונים המשמשים לגיבוי נתונים.

יתרונות

בשימוש בסריקה לוליינית להקלטת אות וידאו, הפורמטים הנפוצים מוגדרים באופן שפס אחד של הסריקה הוא מסגרת (frame) אחת של התמונה. כתוצאה מכך, מכשיר וידאו המשתמש בסריקה לוליינית יכול בקלות יחסית לממש פונקציות כמו עצירת התמונה (על ידי עצירת קידום הסרט והמשכת סיבוב התוף), והאצת ההצגה על ידי הרצת הסרט במהירות רבה יותר סביב התוף. פונקציונליות זו לא קיימת בשיטות שהיו נהוגות לפני הסריקה הלוליינית, של הקלטה ליניארית, או הקלטה רוחבית (quad), שיטה קודמת, שגם היא משתמשת בתוף הקלטה מסתובב עם מספר ראשים, אלא שבהקלטה הרוחבית, בניגוד לסריקה לוליינית, כל פס הקלטה מכיל רק חלק קטן מהמסגרת, ולכן פעולת הקריאה אפשרית רק במהירות ההקלטה המקורית.