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Historisches Wissen (Fernsehen) aus den Jahren 1954 bis 1958

Diese Artikel stammen aus den Anfängen des deutschen Nachkriegsfernsehens etwa ab 1952 bis 1958 (schwarz/weiß), als das neue deutsche ARD Fernsehen die ersten Gehversuche startete und die bereits farbige Kinowelt einen neuen Konkurrenten entdeckte.

Optisch Elektrische Energiewandler - Aufnahme

Als äußerer Fotoeffekt wird die Erscheinung bezeichnet, bei der Lichtquanten, die auf gewisse Metalle oder Salze treffen, aus oberflächennahen Atomen (negative) Elektronen abtrennen. Werden diese von einem positiven Potential beschleunigt, so fließt ein Elektronenstrom, welcher der absorbierten Lichtenergie proportional ist und etwa 10‾9 s nach Beginn der Einstrahlung einsetzt.

Bei orthochromatischer Umwandlung, die durch geeignete Materialien und Oberflächen erreicht werden kann, ist der Wirkungsgrad sehr klein (~ 1 Prozent). Infolgedessen sind die Elektronenströme von der Größenordnung 10‾9  bis 10‾7 A und müssen millionenfach verstärkt werden. Da die Elektronen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus den Atomen austreten, ist der Elektronenstrom kein homogener Energiefluß.

Von Elektronen und Atomen

Das äußert sich als sog. Grieß, der dem Bild eine gewisse Körnigkeit verleiht. Der äußere Fotoeffekt wird in vielen Bildaufnahmeröhren benutzt, z. B. in der Fotozelle, im Superorthikon und Superikonoskop. Der innere Fotoeffekt tritt in manchen Stoffen auf, die die Elektrizität schlecht leiten (Halbleiter). Trifft Licht auf ein solches Material, so lösen sich Elektronen aus den Atomen ab, wandern durch den Stoff und ändern dadurch seinen elektrischen Widerstand.

Sie treten jedoch nicht aus der Oberfläche aus, sondern werden nach Aufhören der Belichtung wieder in einen Atomverband aufgenommen. Diese Rückkehr dauert eine gewisse Zeit und verursacht ein Nachleuchten des Bildes, dessen Dauer für die Brauchbarkeit der Materialien entscheidet. Bildaufnahmeröhren dieser Art (z. B. Vidikon, Resistron) (Anmerkung: wir schreiben 1956) sind im praktischen Betrieb.

Die Sekundärelektronen und die Elektronenoptik

Fortschritte in dieser Richtung dürften die Fernsehtechnik noch wesentlich beeinflussen. Die Sekundärelektronen- Emission ermöglicht eine erste (bis 1.ooo fache) Verstärkung schwacher Elektronenströme. Prallt ein schnelles Primärelektron auf einen festen Körper, so kann es den Austritt (Emission) mehrerer langsamer Sekundärelektronen verursachen. Dieser Vorgang kann mehrfach wiederholt werden und hat gegenüber der Verstärkung mit Röhren den Vorteil, daß bei der Vervielfachung der "Grieß" nicht wesentlich zunimmt.

Mit Hilfe der Elektronenoptik ist es - analog zur Lichtoptik - gelungen, Elektronenstrahlen zu bündeln und abzulenken. Magnetische und elektrische Felder können so geformt werden, daß sie wie Spiegel, Linsen und dergleichen wirken. Freilich treten hierbei auch die von der Lichtoptik her bekannten Abbildungsfehler auf (sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma, Farbfehler); sie können durch Korrekturen klein gehalten werden.

In der Fernsehtechnik erfüllt die Elektronenoptik zwei Aufgaben:
1. Durch ruhende Felder werden Elektronenstrahlen gerichtet, gebündelt und in einer Brennebene zu einem möglichst kleinen Fleck konzentriert.
2. Durch Felder, deren Intensität sich im Rhythmus des Zeilenrasters ändert, werden Elektronenstrahlen abgelenkt, um ein zweidimensionales Bild bei der Aufnahme abzutasten bzw. bei der Wiedergabe zu schreiben.

Über Bildaufnahmeröhren - Die Fotozelle

Die Fotozelle (Abb.) enthält in einem evakuierten Glasgefäß die lichtempfindliche Fotokathode K und eine positiv vorgespannte Anode A. Fällt Licht durch eine Lochblende B auf die Kathode, so saugt die Anode die ausgelösten Elektronen ab, und es beginnt ein Strom I zu fließen. Heute wird die Fotozelle nur noch für Dia und Filmabtaster sowie für die Abtastung der Tonspur von Filmen benutzt (Anmerkung: wir schreiben 1956).

Als Aufnahmeorgan in der Fernsehkamera reicht ihre Empfindlichkeit nicht aus, da jeweils nur das Licht eines einzigen Bildelements während der außerordentlich kurzen Zeit seiner Abtastung wirksam ist.

Erst das Speicherprinzip brachte den entscheidenden Fortschritt. Hierzu wird die Fotokathode als ebene Platte ausgebildet, auf die ein dünner, lichtelektrisch wirksamer Belag aufgedampft ist. So entsteht ein Mosaik winzig kleiner Fotozellen, auf dem das optische Bild entworfen wird. An Stellen hoher Leuchtdichte werden viele, an dunklen Stellen wenige Elektronen herausgelöst. Saugt eine Anode alle diese Elektronen stets ab, so entsteht ein dem Lichtbild äquivalentes, elektrisch positives "Ladungsrelief" (Abbild).

Die Lichteindrücke werden daher während der ganzen Dauer eines Einzelbildes (z. B. 1/25 s) gespeichert und nur während der kurzen Zeit der Abtastung unterbrochen. Die gebräuchlichen Aufnahmeröhren (Anmerkung: wir schreiben 1956) unterscheiden sich in der Anordnung der fotoelektrischen Schichten, der Speicherplatten und in der Geschwindigkeit der abtastenden Elektronen.

Das Superorthikon

Beim Superorthikon (Abb.) befindet sich wenige Zentimeter von der Fotokathode Fk entfernt die Speichefplatte Sp, eine wenige Tausendstel mm dicke Glashaut Gl, vor der ein überaus feinmaschiges Drahtnetz Dr gespannt ist. Eine elektrisch geheizte Kathode Ka sendet Elektronen aus, die elektronenoptisch zu einem Strahl Es gebündelt werden. Mehrere Spulen Sp formen den Strahl und richten ihn auf die Speicherplatte.

Unter dem Einfluß eines weiteren Spulenpaares Ab schreibt er das Zeilenraster auf der Speicherplatte. Entwirft nun das Objektiv Ob das Bild auf die Fotokathode Fk, so lösen sich Elektronen ab, die, von einem elektrostatischen Feld stark beschleunigt, auf die Glashaut Gl prallen und dort Sekundärelektronen freimachen. Durch den Verlust dieser Elektronen, die vom Drahtnetz Dr abgesaugt werden, entsteht auf der Glashaut ein Ladungsbild, das infolge dielektrischer Verschiebung im Glas auch auf der Rückseite vorhanden ist.

Hierauf trifft der Elektronenstrahl Es mit kleiner Geschwindigkeit, so daß keine störenden Sekundärelektronen ausgelöst werden. Ein Teil der Elektronen entlädt das Bildelement völlig, der überschüssige Teil kehrt um und fliegt zurück. Je nach der vorgefundenen Ladung sind das viele oder wenige Elektronen. Der rückkehrende Strahl ist daher mit den Helligkeitswerten der einzelnen Bildelemente moduliert, er transportiert die Bildinformation.

Am Ende seines Weges prallt der Rückstrahl auf den Sekundärelektronenvervielfacher Sv, in welchem er verstärkt wird und die Röhre als Signalstrom I verläßt. Das Superorthikon nutzt den Speichereffekt vollkommen aus und besitzt daher eine sehr hohe Lichtempfindlichkeit. (Anmerkung: wir schreiben 1956) Im Studio genügt eine Beleuchtungsstärke von ~ 500 Iux. Der zulässige Kontrastumfang ist allerdings gering (20-30), und der Betrieb erfordert eine besonders sachkundige Bedienung. In Amerika, England und Italien wird das Superorthikon fast ausschließlich verwendet, in Deutschland vornehmlich für Außenübertragungen.

Das Superikonoskop

Das (ältere) Superikonoskop (Abb.) ist wesentlich einfacher aufgebaut. Vor der Glaswand gegenüber der Fotokathode Fk hängt die Speicherplatte Sp, eine dünne Glimmerplatte, deren Außenseite A leitend versilbert ist. Der von der Kathode Ka stammende Elektronenstrahl Es trifft schräg auf die Speicherplatte und tastet die Ladungen entsprechend dem Zeilenraster ab.

Die Wirkungsweise dieser Röhre ist sehr verwickelt. Da die Abtastelektronen hohe Geschwindigkeiten besitzen, lösen sie viele Sekundärelektronen aus, die auf Teile der Speicherplatte zurückfinden und dort ein Störbild erzeugen. Dieser Störeffekt läßt sich durch künstliche Berieselung (Rieselikonoskop) mit besonderen Elektronen kompensieren.

Nur etwa 20 Prozent der Bildperiode sind für die Speicherung wirksam, so daß die Röhre eine Beleuchtungsstärke von ~ 2500 Iux erfordert. Der Kontrastumfang kann 100, in Spitzlichtern mehr sein, ohne daß die ausgezeichnete Qualität der Bilder darunter leidet. Überdies ist die Bedienung recht einfach. Das Superikonoskop wird in Deutschland, Osteuropa und anderen Ländern als Studioaufnahmeröhre bevorzugt. (Anmerkung: wir schreiben 1956)

Das Vidikon

Das Vidikon nutzt den inneren Fotoeffekt und ist sehr einfach aufgebaut (Abb.). Strahlerzeugungs, Konzentrier und Ablenksysteme ähneln denen des Superorthikons. Auf die Stirnseite des Glaskolbens ist eine sehr dünne durchsichtige Metallschicht Ms aufgebracht, auf ihr die Halbleiter Schicht Hs.

Aus der Kathode Ka fliegen die Elektronen des Abtaststrahles Es auf eine Speicherplatte Spe, deren Metallschicht gegenüber der Halbleiterschicht Hs positiv ist. Diese in jedem Flächenelement vorhandene Potentialdifferenz gleicht sich zwischen zwei Abtastperioden (z. B. 1/25 s) in Gestalt eines Stromes I aus. Das vom Objektiv auf die Speicherplatte entworfene Bild ändert den Widerstand der Halbleiterschicht, wodurch sich der Ausgleichsstrom ändert. Die langsamen Abtastelektronen lösen auf der Speicherplatte keine Sekundärelektronen aus, so daß die Entladung, deren Schnelligkeit durch die Belichtung gesteuert wird, ungestört erfolgt.

Die Röhre speichert also den Lichteindruck optimal und könnte daher eine hohe Lichtempfindlichkeit besitzen, wenn nicht im gleichen Maße die Nachleuchtdauer zunähme. Bisher wird die Röhre für die Übertragung von Dias und Filmen bevorzugt, bei denen die erforderlichen hohen Leuchtdichten verfügbar sind. Bei leichter Bedienung werden ausgezeichnete Bilder erzielt. Interessant für die Praxis sind die Abmessungen, die den Bau von kleinen, leichten Kameras für die Fernsehreportage erlauben. Hier dürften im Verein mit der Transistortechnik noch wesentliche Fortschritte zu erwarten sein (Anmerkung: wir schreiben 1956).

Elektrisch Optische Energiewandlung - Wiedergabe

Zur Erzeugung eines optischen Bildes aus elektrischen Signalen wird die Kathodolumineszenz benutzt. Prallen sehr schnelle Elektronen auf eine dünne Schicht von Phosphor- oder Erdalkalisalzen, so werden diese Stoffe an der getroffenen Stelle zum Leuchten angeregt. Die Lumineszenzschichten lassen sich in gewünschter Leuchtfarbe, Nachleuchtdauer und ausreichender Lebensdauer herstellen; Wirkungsgrade der Energieumwandlung von einigen Prozent werden erreicht.

Die (noch ältere) Kathodenstrahlröhre (Abb.) besteht aus einem evakuierten Kolben, dessen Schirmfläche die für das Fernsehbild erwünschten Abmessungen hat. Im Kolbenhals befindet sich die Kathode Ka, deren Elektronenstrahl Es elektronenoptisch gebündelt, gerichtet und dem Zeilenraster gemäß abgelenkt wird. Die Elektronen treffen unter dem Einfluß einer hohen positiven Anodenspannung A (~ 15000 V) auf den Schirm S und erzeugen dort den scharfen Leuchtfleck. Da das Abklingen des Leuchtens exponentiell erfolgt, ist die Speicher Wirkung nur gering.

Die Helligkeit des Leuchtflecks wird durch die Sperrwirkung einer Steuerelektrode St verändert, an der das elektrische Bildsignal VF liegt. Während des Zeilenrücklaufs wird der Elektronenstrahl an der Steuerelektrode völlig gebremst. Größe und Glasstärke der Röhre hängen vom Schirmformat ab. Bei den heutigen Abmessungen treten im Glas Reflexionserscheinungen des Leuchtflecks auf, die die Schärfe und den Kontrastumfang vermindern. Auch das notwendige Umgebungslicht verringert den Kontrast, doch kann dieser Mangel durch Filterscheiben aus Grau oder Selektivglas verbessert werden, da das Außenlicht - im Gegensatz zum Licht des Schirmbildes - zweimal das Filter passieren muß.

Die Kathodenstrahlröhre hat von Natur aus ein Gamma von etwa 2 (vgl. Abb.oben). Um die Gradation nicht zu verfälschen, wird im Interesse einfacher Empfängerkonstruktion auf der Senderseite ein Gamma von etwa 0,5 eingestellt (2 X 0,5 = 1). In Europa haben sich als nutzbare Längen für die Bilddiagonale 30-50 cm eingebürgert. (Anmerkung: wir schreiben 1956). In Amerika geht man bis zu 75 cm, doch wird andererseits eine kleine Type (19 cm) für Zweitempfänger populär.

Bildsignal - Das Frequenzband

Der Charakter des von der Bildaufnahmeröhre gelieferten elektrischen Bildsignals bedingt die Eigenschaften des gesamten Übertragungskanals zwischen den Bildwandlern.

Die Analyse zweier extrem gewählter Bildinhalte wird die zu stellenden Forderungen deutlich machen:

1. Das aufgenommene Bild sei eine gleichmäßig graugetönte Fläche. Dann liefert der abtastende Elektronenstrahl längs jeder Zeile dieselbe elektrische Amplitude, d. h. eine Gleichspannung. Die tiefste Frequenz des Bildsignals ist somit Null.
2. Eine senkrechte gerade Kante trenne das Bild in eine linke, schwarze und eine rechte, weiße Hälfte. Jetzt liefert der Abtaststrahl längs jeder Zeile einen Spannungssprung vom Schwarzwert auf den Weißwert (Abb.). Nach jeder Zeile wiederholt sich der Vorgang, so daß während der Abtastung eines Bildes ein mäanderförmiger Spannungsverlauf entsteht, der analytisch der Überlagerung vieler Sinuswellen äquivalent ist. Die Zeilenfrequenz (fz = 1/tz) tritt als Grundfrequenz auf, sodann ihre "Harmonischen" (Vielfachen, Oktaven) 2fz, 3fz, 4fz. ........ mit stetig abnehmenden Amplituden.

Dicht um jede dieser "Harmonischen" drängt sich noch ein Spektrum von Oberwellen der Bildfrequenz (fb, 2fb, 3fb, 4fb ...). Tiefste Frequenz ist die Halbbildfrequenz selbst (z. B. 50 Hz), höchste Frequenz ist unendlich (∞).

Bildsignal - Die "Harmonischen"

Ein idealer Fernsehkanal müßte danach das Frequenzband von 0 bis ∞ übertragen, welches nicht zu verwirklichen ist. Somit erhebt sich die Frage nach der höchsten zu übertragenden Frequenz. Wenn ein sehr schlechter Kanal als höchste Frequenz nur die Zeilenfrequenz durchläßt, so wird die Rechteckkurve (der Abb.) in eine Sinuskurve entarten.

Im Bild wäre die Kante daher völlig verschwommen. Je mehr Harmonische hinzutreten, desto schneller erfolgt der Übergang von Schwarz zu Weiß, desto mehr nimmt die Kantenschärfe zu. Ein realisierbares System besitzt Kennlinien (Abb.), bei denen der Sprung nach der Abtastzeit eines Bildpunktes vollzogen ist. Der neue Zustand wird nach einigen Pendelungen erreicht.

Es hat sich herausgestellt, daß vertikale Kanten nicht so scharf zu sein brauchen wie horizontale. So braucht in einem Fernsehsystem mit dem Seitenverhältnis 3:4 die Bildpunktzahl längs der (1/3 längeren) Zeile tatsächlich nur etwa ebenso groß zu sein wie die Zeilenzahl des ganzen Bildes ("Kell"-Faktor). Mit dieser Einschränkung ergeben sich obere Grenzfrequenzen, die je nach der Zeilenzahl mehrere Millionen Hertz (MHz) erreichen; bei 405 Zeilen 3 MHz, bei 819 Zeilen 10,4 MHz. Das sind - von der Bildfrequenz als Grundschwingung aus gerechnet - 18 bis 20 Oktaven Bandbreite, somit mehr als doppelt soviel wie bei der akustischen Übertragung.

Bildsignal - Die Phasentreue

Das Bildsignal enthält weiterhin die Forderung nach phasengetreuer Übertragung. Da der Schwarz-Weiß-Sprung eine Überlagerung vieler Sinuswellen darstellt, müssen die Phasen dieser Wellen durchaus feste Verhältnisse zueinander haben. Ändern sich die Phasenlagen der einzelnen Wellen, so setzen sie sich nicht mehr formgetreu zur Ursprungskurve zusammen, was zur Verfälschung des Bildes führt.

Da bei der Fotoemission die Elektronen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auftreten, überlagert sich dem eigentlichen Nutzstrom ein regellos schwankender Strom. Dieses Störsignal äußert sich im Bild als sog. "Grieß"; es gibt dem Bild eine unregelmäßige, körnige Struktur. Der Grieß sinkt bei normaler Betrachtungsweise des Fernsehbildes unter die Erkennbarkeitsgrenze, wenn das Verhältnis Nutz zu Störamplitude größer als etwa 100:1 wird. (Dieser Wert schwankt mit der Detailhelligkeit, Feinkörnigkeit des Grießes und dergleichen.) Entsprechende Forderungen müssen an alle Glieder der Übertragungskette gestellt werden.

Schließlich muß von einem Fernsehsystem verlangt werden, daß die Helligkeitsstufen richtig übertragen werden (∂= 1). Diese Forderung wird von manchen Geräten nicht erfüllt, z. B. vom Superikonoskop und von der Braunschen Röhre. Daher müssen besondere Korrekturglieder in die Übertragungskette eingeführt werden (Gammakorrektur).

Bildsignal - Zusammenfassung

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß ein Fernsehsystem ein weites Frequenzband gleichmäßig übertragen muß, daß es in diesem Frequenzband die Phasenbeziehungen nicht verfälschen darf, daß seine inneren Störungen klein genug bleiben müssen, und daß sein ∂=1 sein muß. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen werden die Forderungen nur mit Kompromissen erfüllt. Das reine Bildsignal ist für Sendung und Empfang noch nicht geeignet. Für den Strahlrücklauf und die Synchronisation sind zwei weitere Signale erforderlich.

Das Austastsignal

Wenn der Elektronenstrahl des Bildwandlers eine Zeile von links nach rechts abgetastet hat, muß er elektrisch unterdrückt und an den Anfang der nächsten Zeile geführt werden. Hierzu dient das Austastsignal, ein rechteckiger Spannungsimpuls von etwa 15-20 Prozent einer Zeilendauer tz (Abb.). Dadurch entsteht im Bildsignal die "Austastlücke" ta. Sind alle Zeilen eines Bildes abgetastet, so muß der Strahl wieder unterdrückt und vom Ende der letzten Zeile zum Anfang der ersten Zeile des nächsten Bildes geführt werden. Hierfür wird etwa die Dauer von 20 Zeilen benötigt, und zur Auslösung des Vorgangs dienen die "Bildsynchronimpulse".

Da der Abtaststrahl der Aufnahmeröhre und der Schreibstrahl der Wiedergaberöhre völlig synchron bewegt werden müssen, ist ein weiteres Synchronsignal nötig, das den Schreibstrahl (des entfernten Empfängers) mit dem Abtaststrahl synchronisiert. Es besteht aus einem Rechteckimpuls während der Austastlücke, der etwa 1/10 Zeilendauer besitzt. Sein Spannungsmaximum liegt in Richtung "schwärzer als schwarz" und ist mit etwa 30 Prozent der Bildsignalamplitude festgelegt.

Die (linke) Vorderflanke des Synchronimpulses steuert die Zeilen-Ablenk-Einrichtungen der Empfänger. Während der viel längeren Austastzeit zwischen zwei Bildern (tab) werden lediglich Synchronimpulse gesendet. Innerhalb dieser Zeit liegen mehrere breitere Bildsynchronimpulse, deren größerer Energieinhalt die Bildablenkeinrichtungen des Empfängers so steuert, daß der Strahl an die linke obere Ecke des Bildes geführt wird.

Das Zeilensprungverfahren

Alle Fernsehsysteme wenden heute das Zeilensprungverfahren an. Hierbei schreibt bzw. tastet der Elektronenstrahl in der halben Zeitdauer eines vollständigen Bildes zuerst die ungeradzahligen Zeilen eines Bildes ab. Dann springt er an die Oberkante des Bildes zurück, und nun folgen die geradzahligen Zeilen, die sich genau in die Lücken einfügen müssen. Dadurch verdoppelt sich die Bildfrequenz, welches zu einer erheblichen Verringerung des Flimmerns führt.

Diese Technik teilt jedes Bild in zwei Halbbilder mit halber Zeilenzahl, verlangt somit auch ein besonderes Schema für die Folge der Synchronimpulse. Das kombinierte Bild-Austast-Synchron-Signal enthält in seiner endgültigen Form stets zwei Arten der Information:
Die Synchroninformation für den Gleichtakt von Sender und Empfänger und
die Bildinformation innerhalb jeder Zeile.

Beide Informationen werden am Aufnahmeort zusammen geführt und am Wiedergabeort wieder getrennt. Der dazwischen liegende Übertragungskanal kann daher als zweigleisige Strecke aufgefaßt werden.
Auf dem Wege über Leitungen, Verstärker, Sender, Empfänger ist das Fernsehsignal der Möglichkeit mannigfacher Verschlechterungen ausgesetzt.

Die Amplituden der einzelnen Informationen (Pegel) können sich ändern, die Übertragung des Frequenzbandes kann ungleichmäßig sein (lineare Verzerrungen), die Gradationskurven können von ∂ =1 abweichen (nichtlineare Verzerrungen), innere und äußere Störungen können sich dem Signal überlagern (Grieß, Streifen, über das Bild huschende Flecken, Doppelbilder und dergleichen mehr).

Jedes einzelne Glied der Übertragungskette muß daher hohe Ansprüche erfüllen, damit bei der Zusammenschaltung der zahlreichen Elemente die erforderliche Qualität gewährleistet wird.

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