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Wiedergabesysteme

Es dürfte nicht mehr als recht und billig sein, von einem Farbfernsehsystem eine originalgetreue Farbwiedergabe zu verlangen. Wenn man allerdings an die Schwierigkeiten einer naturgetreuen Reproduktion, beispielsweise in der Malerei denkt, so ist es doch einiger Überlegungen wert, die richtigen Farben für unsere Farbfernsehpalette herauszusuchen. Eines steht auf jeden Fall fest, es werden nur drei Primärfarben, und zwar Rot, Grün und Blau verwendet. Aber welches Rot, welche von den unendlich vielen Grün- und Blauvarianten gewählt werden muß, das sollen uns die folgenden Betrachtungen zeigen.

Wiedergabe-Primärstrahler gesucht

In dem Abschnitt über Farbmetrik wurde erklärt, daß man mit den drei Primärstrahlern (R), (G) und (B) nicht nur Rot, Grün und Blau, sondern auch fast alle anderen Lichtsorten nachbilden kann. Trägt man die x- und y-Koordinaten dieser drei Primärlichtsorten in das XYZ-Farbdreieck ein, so liegen alle exakt nachbildbaren Farben innerhalb des Dreiecks, das durch die Eckpunkte (R), (G) und (B) gebildet wird (siehe Bild 13 und zum Vergleich auch Bild 11).

Welcher Farbumfang ist wirklich wichtig ?

Auf den ersten Blick fällt auf, daß ein relativ großer Bereich im Blaugrün außerhalb des Dreiecks liegt, die hier angeordneten Farben also nicht nachzubilden sind. Dieser Nachteil ist in Wirklichkeit nicht so gravierend, wie es zuerst den Anschein hat.

Macht man sich die Mühe und bestimmt von allen gebräuchlichen Körperfarben (Textilfarben, Anstrichfarben, Druckfarben usw.) die Koordinaten und trägt sie ebenfalls in das XYZ-Farb-dreieck ein, so liegen alle Punkte in einem begrenzten Bereich, den wir mit einer dicken Linie umranden. Es ist wirklich erstaunlich, wie klein dieser Farbbereich im Verhältnis zum gesamten Farbdreieck ist und daß er weitgehend von unseren Primärfarben (R), (G) und (B) beherrscht wird. Selbst der Farbumfang von Dias reicht nicht an den der Primärfarben heran. Ausnahmen hiervon bilden lediglich gewisse Spektralfarben, die aber sehr selten in Erscheinung treten.

Es liegt nun nahe, die Primärstrahler, die wir bisher nur als Bestandteil eines Farbmeßgerätes kennengelernt hatten, auch für ein Farbfernsehsystem zu verwenden.

Betrachten wir zunächst die Wiedergabe bzw. Empfangsseite eines solchen Systems. Hier handelt es sich doch darum, möglichst alle in der Natur vorkommenden Farben nachzubilden. Bei der Suche nach solchen Primärstrahlern - wir nennen sie fortan „Empfängerprimärstrahler" - helfen uns das XYZ-Farbdreieck und die im Abschnitt FF 3 behandelten Gesetze der Farbmetrik.

Was sollte man von diesen Primärstrahlern erwarten?

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  • Um möglichst viele Farben reproduzieren zu können, muß das von den Koordinaten der Empfängerprimärstrahlung gebildete Dreieck eine große Fläche haben, etwa derart, wie es in Bild 13 durch die Eckpunkte (R), (G) und (B) gegeben ist.
  • Dieses Dreieck soll aber so liegen, daß es den in Bild 13 eingezeichneten Bereich der Körperfarben umschließt. Das Dreieck mit den Eckpunkten (R)E, (G)E und (B)E erfüllt diese Forderung.
  • Die Empfängerprimärfarben sollten möglichst Spektralfarben sein, damit auch voll gesättigte Farben wiedergegeben werden können (siehe die Koordinatenpunkte (R), (G) und (B) in Bild 13).

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Soweit der Theoretiker.
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Der Praktiker fordert noch mehr:

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  • Die Empfängerprimärstrahler müssen in ihrer Intensität leicht zu steuern sein.
  • Wenn einer dieser Strahler ausgeschaltet wird, darf er nicht zu lange nachleuchten.
  • Die Strahler sollen gut reproduzierbar, also produktionsreif sein.
  • Die Strahler müssen außerdem preisgünstig zu fertigen sein.
  • Die Strahler sollen mit gutem, für alle drei Farben möglichst gleichem Wirkungsgrad arbeiten.

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Gerade die letzten Punkte © bis ® sind von großer Bedeutung.
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Nach vielen Messungen genormt :

Um allen diesen Forderungen zu entsprechen, hat man nun Empfängerprimärstrahler mit folgenden Koordinaten ausgewählt und genormt:

(R)E (Rot): x = 0,67 y = 0,33
(G)E(Grün): x = 0,21 y = 0,71
(B)E (Blau): x = 0,14 y = 0,08

Auffällig gegenüber den Primärstrahlern des Farbmeßgerätes ist die Wellenlängenverschiebung der roten und blauen Empfängerprimärstrahlung zur Mitte des Spektrums hin. Das hat seine Ursache in der Unempfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Strahlungen im kurz- und langwelligen Teil des Spektrums (vergleiche Bild 10). Ein Blau mit 435 m/u und ein Rot mit 700 m/u müsste mit sehr großer Energie abgestrahlt werden, damit das Auge noch etwas davon bemerkt. Eine kleine Verschiebung zur Mitte des Spektrums hin vermindert diesen Nachteil. Allerdings wird dadurch der Bereich der mischbaren Farben geringfügig eingeengt.

Die elektronische Palette

Kehren wir noch einmal zu unserem Farbmeßgerät zurück (Bild 7b). Wenn es auf eine unbekannte Lichtsorte abgeglichen ist, sind beide Schirmhälften gleich beleuchtet, die linke mit dem Originallicht, die rechte mit einem aus den drei Primärlichtsorten nachgemachten Originallicht. Man kann auch sagen, das Originallicht ist auf dem Umweg über das Farbmeßgerät in seine drei Primärkomponenten zerlegt worden.

Ein solcher Zerlegungsvorgang, allerdings eleganter und automatisch, läuft aber in jeder Farbfernsehkamera ab, so daß wir in großzügiger Weise unser Meßgerät als Kamera bezeichnen können. Andererseits lassen sich mit den drei Primärstrahlern fast alle Farben mischen, so wie es von einem Farbfernsehempfänger verlangt wird.

Eine Farbfernsehübertragung realisieren

Demnach müsste es also möglich sein, mit zwei Farbmeßgeräten eine primitive »Farbfernsehübertragung« zu realisieren.

Und es ist möglich. Zunächst muß jedes der beiden Farbmeßgeräte geeicht, also auf ein gemeinsames Weiß abgeglichen werden. Wir kennen bereits den Vorgang (Bild 7a): Auf den rechten Schirmhälften beider Meßgeräte soll gleiches Weiß zu sehen sein, wenn alle Meßblenden M auf dem Wert 1 stehen.

Nun kann das „Farbfernsehen" beginnen. Am Aufnahmeort wird mit dem ersten Meßgerät die zu übertragende Farbe nachgebildet. Es ergeben sich drei Meßblendenwerte, die über Draht oder Funk zum zweiten Farbmeßgerät am Empfangsort gelangen und dort die Meßblenden steuern. Das Auge sieht jetzt auf dem Schirm des Empfangsgerätes eine Lichtsorte, die mit der am Aufnahmeort genau übereinstimmt. Wir haben gewissermaßen eine elektronische Palette, eine Farbe wird „ferngesehen".

Statt farbiger Flächen farbige Bilder

Unser primitives Farbfernsehgerät hat einen großen Nachteil. Wir können damit nur farbige Flächen wiedergeben, jedoch keine Farbbilder, die ja aus verschiedenfarbigen Details bestehen. Aber selbst diese Schwierigkeit ist relativ leicht zu meistern. Das Empfangsgerät muß so modifiziert werden, daß sich einmal die Blenden sehr schnell steuern lassen und zum zweiten auf dem Projektionsschirm gleichzeitig an verschiedenen Stellen unterschiedliche Farben erscheinen können.

Die Braunsche Röhre als Primärstrahler

Hier bietet sich die Braunsche Röhre als Primärstrahler an. Wir benötigen drei Röhren, eine mit einem rotleuchtenden, die zweite mit einem grün- und die dritte mit einem blauleuchtenden Bildschirm. Die Funktionen der Meßblenden übernehmen die Steuergitter und die der Eichblenden die Schirmgitter. Beim Eichvorgang werden die Schirmgitterspannungen so eingestellt, daß bei einander gleichen Steuergitterspannungen - entspricht den Meßblendenwerten 1 - Weiß entsteht.

Die Mischfarben erzeugen

Etwas schwieriger wird schon das Mischen der drei Primärstrahlungen. Dazu müssen wir uns erst einmal die Zusammensetzung eines farbigen Bildes vergegenwärtigen. Aus der Schwarzweißtechnik ist bekannt, daß ein Bild aus einzelnen Bildpunkten besteht. Eine Reihe von Bildpunkten bildet eine Zeile, alle Zeilen zusammen ergeben das komplette Bild. Beim Farbfernsehen ist es ähnlich, nur kann hier jeder Bildpunkt zusätzlich eine andere Farbe aufweisen. Jeder Bildpunkt muß also alle drei Primärstrahlungen zur Verfügung haben, oder anders ausgedrückt, unser Auge muß an jeder Stelle des Bildes alle drei Primärlichtsorten mit beliebiger Intensität gleichzeitig sehen können.

Technologisch bedeutet dies, daß die drei Bildraster unserer Primärstrahler mit Hilfe von optischen Systemen übereinander projiziert werden müssen (Bild 14 a). Wenn jetzt beispielsweise in der oberen linken Ecke des Bildes ein gelber Punkt abgebildet werden soll, so leuchten an dieser Stelle nur die »rote« und die »grüne« Röhre. Gleichzeitig - für unser träges Auge jedenfalls - kann die Mitte des Bildes in blaugrünem Licht leuchten, wenn im geeigneten Moment die »rote« Röhre abgeschaltet ist.

Farben über Spezialspiegel projizieren

Bei einer weiteren Methode, die drei Bildraster deckungsgleich zu projizieren, verwendet man Spezialspiegel. Diese sind so behandelt, daß sie jeweils nur einen schmalen Farbbereich, z. B. Blau, reflektieren und den Rest des Spektrums fast ungeschwächt durchlassen. Mit zwei solcher »dichroitischen« Spiegel, von denen einer nur Rot und der andere nur Blau reflektiert, können die drei Bildschirme für das Auge ebenfalls zur Deckung gebracht werden (Bild 14 b).

Nach diesem Prinzip arbeitet ein in Japan hergestellter Farbfernsehempfänger. Allerdings hat er nur sehr kleine Bildröhren, ihre Diagonalen messen 8" (ca. 20cm). Es liegt auf der Hand, daß bei den in Deutschland üblichen Bildröhrendiagonalen von 23" (59cm) oder 25" (64cm) ein solcher Farbfernsehempfänger einen für normale Wohnungen nicht mehr zuträglichen Umfang annehmen würde. Man muß also nach anderen Wegen suchen, eine Farbbildwiedergabe mit vernünftigen Abmessungen des Bildschirmes und des Gerätegehäuses zu erreichen.

Aus Drei mach Eins

Man hat eine Lösung gefunden. Auf den ersten Blick erscheint sie aber so kompliziert und schlecht realisierbar, daß man an eine fertigungsreife Konstruktion kaum glauben kann. Die Ingenieure der RCA (Radio Corporation of America) und die Praxis bewiesen uns das Gegenteil.

Erinnern wir uns zunächst an die im Abschnitt FF 1 auf Seite 5 erwähnte normale Bildröhre. Ihr Bildschirm erscheint uns - aus der Entfernung gesehen - weiß oder unbunt, aber unter der Lupe betrachtet, sieht man die kleinen gelben und blauen Farbflecken des Leuchtschirmes. Wenn also die Leuchtflecken verschiedener Farben klein genug und sehr dicht nebeneinander angeordnet sind, kann das Auge sie nicht mehr räumlich trennen, wir sehen eine Mischfarbe. Im Falle der normalen Bildröhre ist Weiß die Mischfarbe aus den Komplementärfarben Gelb und Blau.

Beim Schwarzweißfernseher werden beide Leuchtphosphore (Gelb und Blau) gleichzeitig von einem Elektronenstrahl angeregt, denn wir wollten ja nur Weiß mischen. Beim Farbfernsehen brauchen wir dagegen drei Leuchtphosphore, die je nach Bedarf einzeln oder gleichzeitig ihr Licht abgeben sollen.

Drei Elektronenkanonen

Hier setzte der geniale Erfindergeist der RCA-Ingenieure ein. Sie versahen zunächst einen Bildröhrenkolben mit drei Elektronenkanonen, die konzentrisch um die Röhrenachse angeordnet und derart geneigt sind, daß sich alle drei Strahlen kurz vor dem Bildschirm in einem Punkt kreuzen (Bild 15 a und b).

Das Glanzstück der Konstruktion aber ist der Leuchtschirm. Auf ihm sind in einem photochemischen Spezialverfahren etwa 1,2 Millionen einzelne Phosphorpünktchen so aufgebracht, daß immer ein rotes, ein grünes und ein blaues Pünktchen ein Dreieck, das sogenannte Farbtripel, bilden. Bild 16 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt eines solchen Bildschirms.

Weiterhin sind diese Farbtripel so angeordnet, daß der eine Elektronenstrahl immer nur die roten, der andere nur die grünen und der dritte ausschließlich die blauen Phosphorpünktchen treffen und zur Lichtemission anregen kann. Ermöglicht wird dies durch eine im Abstand von etwa 15mm vor dem Leuchtschirm angebrachte Lochmaske. Sie ist praktisch ein Sieb, dessen Löchern je ein Farbtripel zugeordnet ist und in dessen Löchern sich die drei Elektronenstrahlen kreuzen (Bild 15a).

Werden nun durch die gemeinsame Ablenkung die Elektronenstrahlen über das Sieb geführt, so kann jeder Strahl nur immer die ihm zugeordneten Phosphorpunkte treffen. Für den »roten« Strahl liegen beispielsweise die blauen und grünen Punkte immer im Schatten der Maske, woher die Röhre auch ihren Namen hat; sie heißt Schattenmaskenröhre (shadow mask tube), siehe Bild 17.

Das Auge sieht nur den einen Punkt

Alles Weitere ist einfach. Jede Elektronenkanone hat wieder zwei Blenden und läßt sich einzeln steuern. Eine komplizierte Projektion über Spiegel oder optische Systeme entfällt, da der »dreifache« Bildschirm direkt betrachtet werden kann. Die Phosphorpünktchen sind für das Auge so klein, daß sie sich bei normalem Betrachtungsabstand nicht mehr räumlich trennen lassen. Das von ihnen emittierte Licht nehmen wir als Mischung aller drei Komponenten wahr.

Weitere Schattenseiten

Außer den erwünschten Eigenschaften hat unsere Bildröhre leider noch andere Schattenseiten. Die dunkelste ist das Deckungsproblem der drei Raster. Der Farbfernsehtechniker spricht hier von der Konvergenz. Eine schlechte Konvergenz hat die gleichen Auswirkungen wie ein unsauberer Farbdruck, bei dem die Raster nicht konturengleich abgedruckt sind, ein Gesicht zum Beispiel rote Ränder bekommt.

Jetzt wird der aufmerksame Leser den Finger erheben und auf die im Abschnitt FF 1 erwähnten Kindermalbücher hinweisen. Dort war doch gesagt worden, ein unsauberes Ausmalen beeinträchtige nicht oder nur unwesentlich den Bildeindruck. Das stimmt auch, solange es sich um farbige Bilder mit scharfen Schwarzweißkonturen handelt. Was passiert aber, wenn wir auf unserer Farbfernsehröhre ein unbuntes Bild sehen wollen und die Bildraster nicht deckungsgleich sind? Dann zeigt sich der Nachteil, daß wir auch die scharfen Schwarzweißkonturen aus Rot, Grün und Blau zusammensetzen müssen, denn etwas anderes steht uns ja nicht zur Verfügung. Und wenn hierbei ein Raster etwas verschoben ist, kann man die bunten Ränder in einem sonst unbunten Bild leider sehr deutlich sehen.

Deshalb benötigt die Schattenmaskenröhre außer der von jeder Schwarzweißbildröhre her bekannten Ablenkeinheit noch für jeden Strahl getrennt eine Korrekturablenkung, die mit den sogenannten Konvergenzspulen erfolgt (Bild 15b). Die sie durchfließenden Ströme haben komplizierte Kurvenformen und sind mit mehreren Servicereglern einstellbar. Weiterhin sind noch einige kleine Magnete zur gegenseitigen Zentrierung der gesamten Raster angebracht.

Der Helligkeitsverlust der Schattenmaske

Eine mindestens ebenso unerwünschte Schattenseite im wahrsten Sinne des Wortes ist die Schattenmaske selbst. Durch sie werden etwa 80% der Elektronen vom Leuchtschirm ferngehalten, wodurch ein großer Helligkeitsverlust entsteht. Zum Ausgleich dienen eine höhere Anodenspannung (25 kV) und ein größerer Strahlstrom (etwa 1 mA). Allerdings werden dann über 20W auf der Schattenmaske in Wärme umgesetzt, was für die erforderliche Präzision des Sitzes dieser Maske relativ zum Bildschirm ein großes Problem bedeutet.

Was früher war

Bei der Schattenmaskenröhre können alle drei Leuchtphosphore gleichzeitig zur Lichtemission angeregt werden, wir sprechen hier von einem »simultanen« Wiedergabeverfahren. Nun ist es für eine additive Lichtmischung nicht unbedingt erforderlich, daß alle Primärstrahler zur gleichen Zeit auf unser Auge wirken. Wenn die Folge der Primärfarben so schnell ist, daß das Auge den Farbwechsel nicht mehr wahrnehmen kann, sehen wir ebenfalls eine additive Mischung der Primärlichtsorten, und zwar jetzt in einem »sequentiellen« Wiedergabeverfahren (Sequenz = Aufeinanderfolge).

Das mechanische CBS Farbverfahren von 1949

Bevor das simultane NTSC-System in den USA genormt wurde, hatte man sich für ein sequentielles Verfahren des CBS (Columbia Broadcasting System) entschieden. Hierbei rotierten synchron vor Empfänger und Kamera Farbfilter, die in rote, grüne und blaue Sektoren eingeteilt waren. Nacheinander wurden also die drei Grundfarbenbilder in so schneller Folge übertragen, daß der Zuschauer nur eine additive Mischung sah. Nicht nur der umständliche mechanische Aufwand, sondern auch Farbsäume bei bewegten Bildern und mangelhafte Kompatibilität verurteilten dieses System zum Scheitern.

Das elektronische RCA System

In der Weiterentwicklung des Farbfernsehens ging man von der Bildsequenz (CBS-System) auf die Zeilensequenz über. Es wurden schnell nacheinander eine rote, eine grüne und eine blaue Zeile geschrieben. Als auch dies nicht befriedigte, entwickelte die RCA das Punktsequenzverfahren, das heißt, für jeden Bildpunkt wurden Rot, Grün und Blau nacheinander übertragen. Der Schritt vom Punktsequenzverfahren, dessen Kompatibilität auch zu wünschen übrig ließ, zum heutigen NTSC-(Simultan-)System war dann nicht mehr groß.

Was morgen vielleicht sein wird

Ein Hauptproblem bei der Schattenmaskenröhre ist und bleibt die Konvergenz. Gerade dieser Punkt hat sehr viele Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Farbbildröhren ausgelöst. Obwohl die meisten dieser Neuentwicklungen das Stadium von Laborkuriositäten nicht überschritten haben, verdienen doch einige der neuen Systeme Beachtung.

Die Chromatron Bildröhre von Ernest Lawrence

Eines von diesen Prinzipien ist das des heute viel diskutierten Chromatrons. Das Prinzip wurde erstmalig 1951 vom amerikanischen Physiker Lawrence (bie RCA) angegeben: Die Bildröhre hat nur ein einziges Elektronenstrahlsystem - es entsteht also kein Konvergenzproblem - und auf dem Bildschirm sind die drei Leuchtphosphore nicht in Farbtripeln, sondern in horizontalen Streifen abwechselnd Rot, Grün, Blau, Grün usw. untereinander angeordnet. Analog der Lochmaske sind vor diesem »Zebraleuchtschirm« - ähnlich einer Harfe - parallel zu den Streifen Drähte gespannt. Das elektrische Feld dieser Drähte, an die man von außen eine Spannung anlegt, wirkt auf den Elektronenstrahl wie eine Fokussierlinse. Je nach gewünschter Farbe wird der Strahl durch Spannungsänderungen an der »Harfe« auf den roten, grünen oder blauen Streifen konzentriert. Bei Mischfarben erfolgt ein schneller, für das Auge nicht bemerkbarer Wechsel zwischen den Primärfarben. Es ist also ein sequentielles Wiedergabeverfahren.

Verschiedene Schwierigkeiten, beispielsweise die akustischen Resonanzen der »Harfe«, haben es bis heute noch nicht erlaubt, Chromatrons mit Bildschirmdiagonalen von 23 oder 25 Zoll (59 oder 64 cm) serienmäßig herzustellen. (Anmerkung : Das Chromatron war dann der Vorläufer der späteren Trinitron Röhre von SONY. Denn SONY hatte das Chromatron Patent lizensiert, aber 97% Ausschuß bei der Produktion. SONY entging 1966 dem Konkurs nur knapp.)

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