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Der Bildabtaster mit Kathodenstrahlröhre
Eine Beschreibung aus 1953 !!

Der Bildabtaster mit Kathodenstrahlröhre ist eine auch heute noch (wir sind hier in 1953) gebräuchliche Einrichtung. Um diesen Abtaster richtig zu verstehen, müssen wir uns zunächst über das Wesen und den Aufbau einer Kathodenstrahlröhre, nach ihrem Erfinder auch Braunsche Röhre genannt, klar werden. Die Kathodenstrahlröhre ist, nebenbei bemerkt, das Herz einer jeden modernen Fernseh-Empfangsanlage, so daß wir uns mit ihr etwas eingehender beschäftigen müssen.

Den grundsätzlichen Aufbau zeigt Bild 9.
Dort ist ein konusförmig verlaufender Glaszylinder angedeutet, in dem sich verschiedene Elektroden befinden. Zunächst sehen wir den aus den Radioröhren bekannten Heizfaden H, der von einer Batterie Bt geheizt wird. Er stellt hier gleichzeitig die Elektronen aussendende Kathode dar. Die modernen Röhren enthalten aber ebenso wie die Radioröhren eine indirekt geheizte Kathode, was jedoch für unsere Betrachtungen unwesentlich ist.

Die geheizte Kathode ist von einem Metallzylinder W umgeben, der in Richtung der Zylinderachse ein winzig kleines Loch aufweist. Dieses Loch liegt also der Kathode gegenüber. Man nennt den Metallzylinder nach seinem Erfinder den „Wehneltzylinder".

Der Wehneltzylinder

Er hat ebenso wie das Gitter einer Elektronenröhre die Aufgabe, den von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahl in seiner Stärke zu steuern. Macht man die Spannung des Zylinders negativ gegenüber der Kathode, indem man nach Bild 9 einen Teil der Batterie-Spannung B2 abgreift,1 so können nur wenige oder gar keine Elektronen das Loch des Wehneltzylinders verlassen. Verringert man die negative Vorspannung des Wehneltzylinders so treten entsprechend mehr Elektronen aus.

Die den Wehneltzylinder verlassenden Elektronen passieren nun eine Reihe weiterer, in der Röhre angeordneter Elektroden. Zunächst finden wir ein kreisförmiges, in der Mitte durchbohrtes Blech L, dessen Bedeutung wir etwas später erklären werden. Auf dieses Blech folgt eine ebenso gebaute Metallscheibe A, an der eine hohe positive Spannung gegenüber der Kathode liegt. Es handelt sich um die Anode der Kathodenstrahlröhre, die dieselbe Aufgabe hat wie die Anode einer Radioröhre.

Verlassen also die Elektronen den Wehneltzylinder, so werden sie von der Anode entsprechend angezogen und fliegen mit großer Geschwindigkeit auf sie zu. Diese Geschwindigkeit ist so groß, daß die Elektronen auf der Anode überhaupt nicht landen können, sondern durch das in der Mitte des Anodenbleches angebrachte Loch fliegen und ihren Weg rechts von der Anode fortsetzen. Hierbei gelangen sie zu einem weiteren Elektrodenkomplex, den sogenannten Ablenkplatten, die in Bild 9 mit P1-P1 und P2-P2 bezeichnet sind. Von der Bedeutung dieser Platten wird noch die Rede sein.

Wenn die Elektronen die Ablenkplatten passiert haben, so setzen sie infolge der ihnen erteilten großen Beschleunigung ihren Weg weiter fort, bis sie auf die Glaswand des Röhrenkolbens fallen. Die Innenseite dieser Glaswand ist mit einem Stoff von recht merkwürdigen Eigenschaften bedeckt. Man verwendet gewöhnlich bestimmte Salze seltener Metalle, etwa Calziumwolframat, Zinksulfid oder ähnliche Mineralien. Diese Stoffe haben die Eigenschaft, beim Aufprall von Elektronen sichtbares Licht abzugeben.

Man nennt daher den inneren Überzug des Röhrenkolbens Leuchtschirm, denn wenn Elektronen auf diesen Schirm treffen, so leuchtet die getroffene Stelle in mehr oder weniger hellem Lichte auf. Wir erkennen deshalb das richtige Arbeiten der Röhre an einem Leuchtfleck.

Die Schärfe der Strahlbündelung

Die Größe des Leuchtflecks hängt, wie man leicht einsieht, von der Schärfe der Strahlbündelung ab. Zunächst verlassen ja die Elektronen den Wehneltzylinder in einem ziemlich breiten Strahl und würden daher auf dem Leuchtschirm einen verwaschenen Fleck mit verhältnismäßig großem Durchmesser erzeugen. Ein derart unscharfer Strahl ist jedoch in der Praxis nicht brauchbar. Deshalb ist man bestrebt, die Elektronen zu einem möglichst engen Strahlbündel zusammenzuschnüren.

Hierfür dient die vorhin nur kurz erwähnte Blechscheibe L in Bild 9, die gegenüber der Kathode eine etwas kleinere positive Spannung als die Anode erhält. Rings um das Loch in der Scheibe, der man den Namen Linsenelektrode gegeben hat, baut sich nun ein elektrisches Feld auf, das imstande ist, den Elektronenstrahl sehr scharf zu bündeln. Wie das im einzelnen vor sich geht, wollen wir nicht weiter erörtern. Wir merken uns lediglich, daß die Größe der an L liegenden Spannung für eine exakte Strahlbündelung von Bedeutung ist.

Wir haben in unserer Kathodenstrahlröhre einen dünnen und scharf umgrenzten Elektronenstrahl erzeugt, dessen Vorhandensein durch den vorhin erwähnten Leuchtfleck erkennbar ist. Nun kommt das Wichtigste: Der Strahl läßt sich mit verhältnismäßig einfachen Mitteln in jede beliebige Richtung und fast vollkommen trägheitslos ablenken. Zu diesem Zwecke sind die vorhin bereits erwähnten Ablenkplatterf vorgesehen. Es handelt sich dabei um rechteckige Metallplatten, die sich nach Art eines Kondensators gegenüberstehen.

Die Ebene der Platten P1P1 liegt senkrecht zur Zeichenebene, während die Platten P2P2 in der Zeichenebene selbst liegen. Zur besseren Veranschaulichung ist das Aussehen der Platten in Bild 10 noch einmal perspektivisch dargestellt. Wir sehen dort das Plattenpaar P1P1 die Platten P2P2 müssen wir uns senkrecht dazu denken, wobei die erste Platte dieses Paares vor, die zweite Platte hinter P1P1 angeordnet ist. Der Elektronenstrahl durchläuft daher gewissermaßen ein von vier Seiten begrenztes Metallkästchen und steht jetzt unter dem Einfluß der an diesen Elektroden liegenden Spannungen.

Die Ablenkung

Betrachten wir zunächst die Wirkung der Platten P1P1. Liegt an der oberen Platte eine positive, an der unteren Platte dagegen eine negative Spannung, so wird der Strahl nach oben abgelenkt. Das ist verständlich, denn die Elektronen werden von der elektronenarmen oberen Platte angezogen, von der unteren Platte dagegen abgestoßen. Der Strahl erfährt daher eine Ablenkung, wie sie in Bild 11 angedeutet ist. Drehen wir die Polarität der Platten um, so ereignet sich das Gegenteil. Der Strahl wird nun nach unten abgelenkt.


Die Platten P2P2 lenken den Strahl nicht von oben nach unten, sondern von links nach rechts ab, denn ihre Ebenen stehen senkrecht zum anderen Plattenpaar. Ist beispielsweise die vordere Platte in Bild 9 positiv, so wird der Strahl nach vorn abgelenkt, ist die Platte dagegen negativ, so erfolgt eine Strahlablenkung nach hinten. Wir sehen, daß wir durch einfaches Anlegen von Spannungen entsprechender Polarität an die Ablenkplatten den Strahl mit Leichtigkeit sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung ablenken können.


Die fast vollständige Trägheitslosigkeit, mit der man die Strahlablenkung vornehmen kann, hat der Kathodenstrahlröhre auch auf anderen Gebieten außerordentlich große Anwendungsmöglichkeiten erschlossen, worauf wir hier jedoch nicht eingehen wollen. Weitere Konstruktionseinzelheiten der Kathodenstrahlröhre, die sie besonders für den Fernsehempfang geeignet machen (z. B. magnetische Strahlablenkung, s. S. 98), besprechen wir im dritten Kapitel, sobald wir zur Behandlung der Fernseh-Empfangsröhre kommen. Wir wenden uns nun wieder dem Kathodenstrahl-Bildabtaster zu.

Abtastung von Objekten

Wie läßt sich die beschriebene Röhre zur Abtastung von fernzusehenden Objekten verwenden? Zu diesem Zweck muß man an die Ablenkplatten der Röhre Spannungen von ganz bestimmtem Verlauf legen. Denken wir uns einmal eine Spannung, die nach Bild 12 in regelmäßigen Zeitabständen absolut gleichförmig ansteigt und dann in einer wesentlich kürzeren Zeit wieder auf den Nullwert zurückfällt. Eine solche Spannung heißt Sägezahnspannung oder Kippspannung. Wie sie erzeugt wird, ist vorerst nicht von Interesse. Hier wollen wir das Vorhandensein einer solchen Spannung voraussetzen.

Legt man sie an die Ablenkplatten P2P2 nach Bild 9 so wird sie den Strahl je nach Polarität entweder von links nach rechts oder von rechts nach links ablenken. Erfolgt diese Ablenkung mit der nötigen Geschwindigkeit, so wird das Auge wegen seiner Trägheit dem auf dem Leuchtschirm hin und her huschenden Fleck nicht mehr folgen können. Im Endergebnis sehen wir daher auf dem Leuchtschirm nach Bild 13 eine leuchtende Linie, die genau die Spur des Leuchtfleckes als Folge der Ablenkung der Kathodenstrahls darstellt.

Eine Zeile ....

Wir brauchen nun nicht viel Phantasie, um uns vorzustellen, daß der beschriebene Vorgang gleichbedeutend mit der Niederschrift einer Fernsehzeile ist. Dieser Vorgang wiederholt sich dauernd, wenn die Kippspannung regelmäßig ansteigt und dann wieder in sehr kurzer Zeit auf den Anfangswert zurückfällt. Die Zeile eines modernen Fernsehbildes wird daher in einer Zeit von 0,000066 Sekunden niedergeschrieben. Das bedeutet, daß Anstieg und Abfall der Kippspannung in dem genannten Zeitraum beendet sein müssen. Nachdem sich der Kippvorgang dauernd wiederholen soll, haben wir eine periodisch wiederkehrende Schwingung, eine sogenannte Kippschwingung, vor uns, der man eine bestimmte Frequenz zuordnen kann. Nach den Grundgesetzen der Elektrotechnik ist diese Frequenz der reziproke Wert der Zeilendauer, d. h. wir erhalten eine Frequenz von 1 : 0,000066 = 15 000 Hertz. Legen wir also eine Spannung mit dieser Frequenz an die Platten P2P2, so wird der Strahl mit der richtigen Geschwindigkeit dauernd von links nach rechts über den Schirm geführt, beschreibt also die Zeile eines modernen Fernsehbildes.

Ein Bild .....

Wir müssen nun den Kathodenstrahl dazu bringen, daß er Zeile für Zeile untereinander schreibt. Zu diesem Zweck betrachten wir die Ablenkplatten P1P1. Wir legen an diese Platten wiederum eine Kippspannung nach Bild 12, diesmal jedoch mit einer 600mal kleineren Frequenz. Die Kippspannung führt den Strahl nunmehr von oben nach unten. Hat die Spannung mit der kleinen Frequenz den ganzen Schirm durchlaufen, so ist der Strahl außerdem 600mal von links nach rechts abgelenkt worden, denn die Frequenz an den Platten P2P2 ist ja 600mal höher als die Frequenz an den Platten P1P1.

Da auch die Ablenkung des Strahles in vertikaler Richtung absolut gleichmäßig folgt, reiht sich nun Zeile an Zeile in schöner Ordnung untereinander, und das Auge erhält wegen seiner Trägheit den Eindruck einer leuchtenden Fläche, die aus lauter horizontalen und eng untereinanderliegenden Zeilen besteht.

Nachdem für die Niederschrift einer Zeile 0,000066 Sekunden zur Verfügung stehen, wird für die Niederschrift des ganzen Bildes, also für (in unserem Beispiel) 600 Zeilen, eine 600mal längere Zeit benötigt. Multipliziert man 600 mit 0,000066, so erhält man eine Zeit von 0,04 = 1/25 Sekunde. Das entspricht den früher aufgestellten Forderungen. Erteilen wir also der an den Platten P1P1 liegenden Kippschwingung eine Frequenz von 25 Hertz, so schreibt der Elektronenstrahl die 600 Zeilen in der Zeit von 1/25 Sekunde. Man kann auch sagen, daß in jeder Sekunde 25 Bilder mit 600 Zeilen geschrieben werden. Wir wollen uns diese einfachen Vorgänge genau merken, weil sie bei den späteren Betrachtungen stets wiederkehren.

In Bild 14 ist das Aussehen des Leuchtschirmes angedeutet, wenn die Röhre mit den beiden Kippschwingungen in Betrieb ist. Die aus Lichtzeilen bestehende Fläche nennt man Fernsehraster. Dieses Raster1 bildet den Ausgangspunkt des eigentlichen Kathodenstrahlabtasters, dessen Wirkungsweise wir jetzt sehr schnell verstehen werden.

Der Abtastvorgang ....

In Bild 15 ist eine Kathodenstrahlröhre von der Seite gezeichnet. Auf ihrem Leuchtschirm soll sich ein Fernsehraster befinden. Mit Hilfe einer Linse L projizieren wir nun dieses Raster auf ein durchsichtiges Diapositiv D. Hinter dem Diapositiv befindet sich eine weitere Linse L1, die das durch D fallende Licht sammelt und einer Fotozelle P zuleitet. Wir wissen, daß der Kathodenstrahl Zeile um Zeile auf dem Leuchtschirm niederschreibt. Demnach wird der Lichtstrahl auch das Diapositiv D Zeile um Zeile überfahren. Trifft er dabei gerade auf einen dunklen Punkt des Diapositivs, so wird von diesem nur wenig Licht durchgelassen und auf die Fotozelle gelangen. Die Zelle gibt daher nur wenig Spannung ab.

Erreicht der Strahl im nächsten Augenblick eine durchsichtige Stelle des Diapositivs, so gelangt viel Licht in die Fotozelle, was einer hohen Spannung entspricht. Wir erhalten demnach im äußeren Stromkreis der Fotozelle eine schwankende Spannung, die Punkt für Punkt und Zeile um Zeile genau der jeweiligen Schwärzung des Diapositivs entspricht. Damit ist der Abtastvorgang bereits erklärt.

Der Rasterbegriff ist aus der Drucktechnik seit langem bekannt. Während hier die Bezeichnung „der Raster" üblich ist, sagt der Fernsehtechniker „das Raster". Eine vernünftige Begründung für diese Abweichung gibt es nicht, man folgt jedoch zweckmäßigerweise diesem heute schon eingebürgerten Sprachgebrauch.

Ein bewegtes Bild abtasten

An Stelle des Diapositivs kann man nun aber auch beliebige andere Gegenstände abtasten. Voraussetzung dafür ist allerdings eine ausreichende Helligkeit des Leuchtflecks. Man projiziert bei der Direktabtastung von Personen oder sonstigen Gegenständen das Fernsehraster mit einer geeigneten Optik auf den abzutastenden Gegenstand und ordnet in einiger Entfernung davon eine oder mehrere Fotozellen an, die das von dem Gegenstand reflektierte Licht auffangen. Auf diese Weise lassen sich bei genügender Leistungsfähigkeit der Apparaturen recht gute Bilder erzielen. Wir wollen bei dieser Gelegenheit erwähnen, daß die früheren Fernseh-Sprechstellen (auch Zellen genannt) der deutschen Post bereits 1934 von diesem Verfahren Gebrauch machten.

Heutzutage wird der Kathodenstrahlabtaster vorzugsweise für die Abtastung von Filmen herangezogen. Der Film tritt an Stelle des Diapositivs D in Bild 15 und läuft mit entsprechender Geschwindigkeit an der Kathodenstrahlröhre vorbei. Auf diese Weise lassen sich, wie im Kino, bewegte Filmszenen übertragen.

Die Stärken und Schwächen der Braunschen Röhre

Das soeben beschriebene Abtastprinzip zeigt uns bereits mit großer Eindringlichkeit die gewaltigen Vorteile, die man bei Verwendung von trägheitslosen Elektronenstrahlen erzielen kann. Die Erzeugung der für die Ablenkung benötigten Kippschwingungen macht mit den modernen Mitteln der Technik nicht die geringsten Schwierigkeiten, und der Elektronenstrahl folgt haargenau und praktisch absolut zeitlos den Ablenkspannungen. Die ganze Abtastapparatur enthält überhaupt keine mechanisch bewegten Teile, ist daher auch von allen damit verbundenen Mängeln vollständig frei. Selbstverständlich sind die elektronischen Einrichtungen nicht gerade billig, vor allem dann nicht, wenn die Röhre so hell sein soll, daß auch die Abtastung beliebiger Gegenstände gelingt.

So muß eine Kathodenstrahlröhre für die Abtastung von Diapositiven immerhin mit einer Anodenspannung von mindestens 8000 Volt betrieben werden. Will man darüber hinaus Personen oder sonstige Gegenstände abtasten, muß man sich also mit dem von diesen reflektierten Licht begnügen, so ist eine Erhöhung der Anodenspannung bis auf etwa 50 000 Volt unvermeidlich. Je höher nämlich die Anodenspannung ist, um so stärker werden die Elektronen im Inneren der Röhre beschleunigt. Sie erhalten also entsprechend mehr kinetische Energie, die sie beim Aufprallen auf den Leuchtschirm abgeben. Diese Energie setzt sich dabei teils in Wärme, teils aber auch in Licht um, wodurch sich das Anwachsen der Leuchtfleckhelligkeit mit steigender Anodenspannung ohne weiteres erklärt.

Die Schwächen:
Zum Schluß wollen wir noch auf eine gewisse Schwierigkeit hinweisen, die in der Natur der Leuchtmassen begründet ist. Alle Stoffe, die während der Bestrahlung mit Elektronen aufleuchten („Fluoreszenz"), geben noch nach dem Aufhören der Bestrahlung ein wenig Licht ab („Phosphoreszenz"). Diese Erscheinung ist unerwünscht, was man an Hand einer einfachen Erklärung leicht versteht.

Wenn wir auf dem Schirm der Röhre auch ein leuchtendes Raster sehen, so ist doch letzten Endes immer nur der Leuchtfleck ganz allein für die Abtastung verantwortlich. Hat daher dieser Fleck zum Beispiel einen Bildpunkt abgetastet und gelangt er zum zweiten, so muß der Bildpunkt, auf dem sich der Strahl zuerst befand, wieder völlig dunkel sein, denn der Abtastvorgang des ersten Bildpunktes ist bereits abgeschlossen. Leuchtet dagegen der Schirm auf der zuerst getroffenen Stelle eine Zeitlang nach, so wird der bereits abgetastete Bildpunkt nochmals beleuchtet. Das liegt aber nicht im Sinn einer regelrechten Abtastung.

Bei genügender Stärke des Nachleuchtens ergibt sich empfangsseitig schließlich ein mehr oder weniger „verschmiertes" Fernsehbild ohne richtige Helligkeitskontraste. Man müßte daher von den Leuchtmassen fordern, daß ihre Leuchtkraft sofort nach dem Aufhören der Erregung auf unschädlich kleine Werte absinkt. Weiter oben lasen wir, daß für die Abtastung eines Bildpunktes nur eine Zeit von weniger als 1 Milliontel Sekunde zur Verfügung steht. Innerhalb dieser Zeit sollte also auch das Nachleuchten vollkommen abklingen! Diese außerordentlich scharfe Forderung kann man in der Praxis lediglich durch Wahl eines geeigneten Leuchtstoffes niemals ganz erfüllen. Man muß dann am Verstärker der Fotozellen-Wechselspannung durch geeignete Schaltmaßnahmen korrigierend eingreifen, wovon hier jedoch nicht weiter die Rede sein soll.

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