.

bearbeitet von G. Euler - nach Berichten von A. Franken und W. Lohuis
.

.

.

• 1. Kameraröhren für größere Formate — Halbleiterbildaufnehmer für 1/2"-Format
• 2. 2/3" PLUMBICON Kameraröhre XQ 4187 als Beispiel für moderne Kameraröhrentechnik
• 2.1. Diodensystem zur Trägheitsverminderung, Verbesserung der Modulationstiefe und zur Spitzlichtunterdrückung
• 2.2. Glashülle als integraler Bestandteil des Elektrodensystems, HS-Ausführung
• 2.3. LOC-Ausführung mit hohem Signal-zu-Rauschverhältnis
• 3. Vergleich zwischen einer 1/2" PLUMBICON Kameraröhre und einem FT-Halbleiterbildaufnehmer
• 3.1. Allgemeine Anwendungsgesichtspunkte
• 3.2. Vergleich der Einzelparameter — 1/2"-Röhre XQ 4087 und FT-Bildaufnehmer NXA1011
• 3.3. Spezielle Vergleichsgesichtspunkte XQ 4087 und NXA 1011 hinsichtlich der Anwendungsfelder

.

Entsprechend den Anwendungsbereichen, vor allem für die elektronische Berichterstattung, gelten folgende Anforderungen an die Kameraröhre:
• hohe dynamische Auflösung bei ungünstigen Lichtverhältnissen,
• hohe Empfindlichkeit.
(Bei Studioanwendungen kommt es dagegen auf hohe statische Auflösung an.)

Die Röhren gibt es in den üblichen Versionen

XQ4187 für SW-Betrieb,
XQ4187 (R für Rotkanal, G für Grünkanal, B für Blaukanal)

Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Modulationstiefe, so daß sich für die üblicherweise angegebene Bezugsquelle (Wolframlampe mit einer Farbtemperatur von 2856 K) folgende typische Werte ergeben:

Die Modulationstiefewerte sind für 400 Zeilen (etwa 5MHz) eines Meßrasters mit Sinusverteilung bei 30 Lp/mm, Objektiv: Leitz, Summicron: 50mm Brennweite, Blendenzahl F=5,6 und entsprechenden Farbfiltern für R, G, B gemessen worden.

In Bild 2a ist der spektrale Empfindlichkeitsverlauf dargestellt. Im roten Bereich — ca. 650nm — liegt beim PLUMBICON XQ 8187 R noch eine Empfindlichkeit von ca. 40 mA/W vor.

Bild 2b zeigt die Verläufe der relativen Modulationstiefe als Funktion der Frequenz f oder der Raumfrequenz (in Lp/mm) für die PLUMBICON Röhren XQ 4187 R/G/B.

Für den Speicherschicht-Signalelektrodenaufbau wurde das verhältnismäßig neue Prinzip mit verringerter Ausgangskapazität gewählt (LOC: Low Output Capacitance). Bei diesen Röhren ist die Signalelektrode nur geringfügig größer als die abgetastete Fläche (bei konventionellen Röhren ist die gesamte Stirnfläche bedeckt). Der Kontakt zum Signalelektrodenanschluß wird mit Hilfe einer Durchführung und einer metallisierten Kontaktfläche gebildet. Der FET-Vorverstärker kann direkt an dem Kameraröhrenfenster angebaut werden, so daß die Leitungskapazität minimiert ist. Bei dieser Anordnung ist die Ausgangskapazität, die das Signal-zu-Rauschverhältnis (S/N) im wesentlichen mitbestimmt, minimal.

Nach allem ist verständlich, daß innovative Technik auch bei etablierten und bewährten Bauelementen, wie z. B. dem PLUMBICON, stattfindet und zu erheblicher Steigerung der Leistungsfähigkeit führen kann. Dennoch werden auf dem Gebiet der kleinen Formate, also dem 1/2"-Format, von den Halbleiterbildaufnehmern neue Akzente gesetzt. Vorteile und Nachteile liegen auf verschiedenen Gebieten, die die Anwendung betreffen, so daß ein Vergleich zwischen der Röhre und dem Bildaufnehmer von großem Interesse sein dürfte.

Für beide Systemarten kommt der Einsatz in professionellen FS-Kameras (Broadcast-Kameras, Überwachungskameras und Industriekameras) in Frage.

Auf bestimmten Gebieten sind jedoch Anwendungen ausschließlich für Halbleiterbildaufnehmer möglich:
.
• Geräte zur berührungslosen Vermessung (Muster etc.),
• Anwendungen mit hoher Überstrahlung und Vibration (Ofenüberwachung oder Automobiltechnik),
• Anwendungen bei engen Abmessungen und Stoßgefahr (Rohrkameras, Schachtüberwachung, Maschinenkameras),
• Mikrokameras mit niedrigem Gewicht (Robotik, Türspion).
.

Für die Elektronische Berichterstattung (EB) und EAP-Anwendungen (Elektronische Außen-Produktion) werden überwiegend Röhrenkameras meist mit größerem Format eingesetzt. Es ist zu erwarten, daß Halbleiterbildaufnehmer zunehmend auch in derartigen EB- und EAP-Kameras eingesetzt werden.

Bei dem Vergleich von Einzelparametern muß auf einen bestimmten Röhrentyp und einen bestimmten Bildaufnehmertyp Bezug genommen werden. Aus unserer Sicht bieten sich dazu die PLUMBICON Röhre XQ 4087 (1/2"-Format) und die Halbleiterbildaufnehmerfamilie NXA1011 .. .1041 an.

Die Röhrenfamilie XQ 4087 (R/G/B) ist nach den gleichen modernen Bauprinzipien wie die ausführlich beschriebene Röhre XQ 4187 aufgebaut; sie stellt einen Vorläufertyp mit kleinerem Format dar. Die Ausführung XQ 4087 G ist für den Grünkanal oder für S/W-Kameras vorgesehen, die anderen für den Rot- und Blaukanal von Farbkameras.

Bei den Frame-Transfer-Bildaufnehmern bildet NXA 1011 den Grundtyp für SW-Anwendungen oder Farbkameras mit 3 Bildaufnehmern und höherer Auflösung; der Grundtyp für Farbanwendungen NXA 1021 ist mit einem Streifenfilter versehen.

Inzwischen gibt es außerdem noch die Typen NXA1031 und 1041, die auch den nichteuropäischen FS-Normen (EIA, NTSC) genügen. Die Bilder 6 und 7 zeigen die Vergleichsbauelemente, die Röhre XQ 4087 und FT-Bildaufnehmer NXA1011....

Bei Halbleiterbildaufnehmern wird das Rauschen aus folgenden Anteilen gebildet

• dynamische Anteile, das kTC- oder Reset-Rauschen und das 1/f-Rauschen, die zu zeitlichen Schwankungen des Ausgangssignals führen;

• statischer Anteil, das Dunkelstromrauschen, durch das ortsfeste Störungen auf dem Schirm entstehen (Fixed-Pattern-Noise).

Das Reset-Rauschen spielt lediglich bei sehr kleinen Signalen eine Rolle, das 1/f-Rauschen hängt von der Auslegung (den Abmessungen) des ersten Transistors ab; es ist um so höher, je kleiner die Abmessungen sind. Da eine hohe Empfindlichkeit kleine Eingangstransistoren erfordert, stellt das 1/f-Rauschen für die Bildaufnehmer eine empfindlichkeitbegrenzende Größe dar.

Durch die Signalverarbeitung darf das 1/f-Rauschen nicht noch weiter gesteigert werden.

Daneben spielen das statische Rauschen in Form von Fehlstellen im Halbleiterkristall auch an Übergangsbereichen zu anderen Kristallbereichen sowie Dotierungs-Inhomogenitäten eine Rolle.

Bei den FT-Bildaufnehmern werden die Ladungspakete, die die aufgenommene Information darstellen, in senkrechter Richtung vom Bildbereich in den Speicherbereich und schließlich in die Ausleseregister transportiert, die sich am unteren Rand des Bildaufnehmerkristalls befinden.

Ist nun ein Element (Pixel) des Bild- oder Speicherbereichs geschädigt, ohne daß der Transport gefährdet wird, so spricht man von Pixel-Fehlern, die sowohl als helle als auch als dunkle Punkte auftreten können. Sind Elemente so stark geschädigt, daß der Ladungstransport unterbrochen wird, kann eine ganze Spalte hell oder dunkel auf dem Monitor erscheinen.

Beim PLUMBICON führen Fehler auf der Speicherplatte zu Fleckenbildung auf dem Bildschirm; die Flecken werden durch kleine Flächen mit ungleichmäßiger Modulationstiefe gebildet. Der Fehler-Kennwert wird SNV genannt ("Spot Nuisance Value" : Produkt aus mittlerem Fleckdurchmesser (in Prozent der Bildröhre) und der Störamplitude in Prozent (bezogen auf den Weißwert)).

In den technischen Daten der PLUMBICON Röhren werden die weiteren Kriterien für SNV-Werte (für weiße Flecke, schwarze Flecke etc.) angegeben.

Bei Kameraröhren ist das Rauschen im wesentlichen durch die Gesamtausgangskapazität bestimmt, die die Anteile der FET-Eingangskapazität sowie die Kapazität der Röhre in der Spule enthält.

Wie bereits erläutert (Abschnitt 2.3), spielt dabei die "Dicke" und "Oberfläche" der Speicherschicht eine große Rolle. Weitere, das Rauschen bestimmende Größen sind neben der Temperatur der Signalstrom in der Röhre sowie Parameter des Vorverstärkers (Eingangssteilheit, Rückkopplungswiderstand, Bandbreite).

Obgleich die Rauschmechanismen beim PLUMBICON und dem FT-Sensor unterschiedliche Ursachen haben, lassen sich bei gut ausgelegter Signalverarbeitung und geeigneter Optik keine auffälligen Vorteile des einen Systems gegenüber dem anderen finden.

Beim FT-Bildaufnehmer müssen die in den drei Ausleseregistern seriell vorhandenen Daten ausgelesen und ineinander verschachtelt weiterverarbeitet werden. Dabei werden die Ausgänge nacheinander abgefragt und die vorliegenden Ausgangssignale von drei getasteten Eingangsstufen sortiert. Ein einfaches Zusammenschalten (bei SW-Betrieb) der Sensorausgänge bewirkt einen starken Abfall der Kontrastübertragung.
Zur Auswertung jedes einzelnen Bit ohne Kontrasteinbuße und Übersprechen ist größerer Schaltungsaufwand nötig.

Bei Kameraröhren stellt die Signalauswertung und -korrektur dagegen keine neuartigen Anforderungen.

Maßgeblich für den Verlauf der Modulationsübertragungsfunktion beim FT-Halbleiterbildaufnehmer ist die horizontale Bildpunktanzahl auf dem Bildaufnehmerkristall. Da es sich um diskrete Bildpunkte handelt, kann ein optischer Tiefpaß benutzt werden, um Moire zu unterdrücken (speziell bei der Farbversion).

Für die SW-Version spielt Moire kaum eine Rolle, da die Grenzfrequenz wegen der hohen Pixelzahl bereits bei ca. 5,8 MHz liegt. Man kann jedoch auch dort einen Tiefpaß verwenden. Unter Verwendung des optischen Tiefpasses sind die Verläufe der Modulationsübertragungsfunktion von Bildaufnehmer und PLUMBICON praktisch gleich, wie aus Bild 9 hervorgeht.

In Tabelle 1 oben sind eine Vielzahl von Eigenschaften des FT-Sensors und der Kameraröhre XQ 4087 gegenübergestellt und bewertet. Die Vergleichsgesichtspunkte sind bezüglich der Anwendung von Interesse und auch bewertet. Das Zeichen „+" besagt sehr gute Eigenschaften, ggf. Überlegenheit gegenüber dem anderen System; „0" bedeutet Neutralität (befriedigende neutrale Eigenschaften).

Teilweise sind Größen angegeben, die im folgenden ergänzend kommentiert werden.

In diesem Zusammenhang werden auch eingangs behandelte Punkte erneut erwähnt.

• • Hinsichtlich Trägheit und Einbrennen verhält sich die PLUMBICON Röhre nur durchschnittlich. Beim Halbleiterbildaufnehmer fehlen diese Effekte, so daß er in diesem Punkt überlegen, d. h. bei sehr hohen Beleuchtungsstärken nicht gefährdet ist sowie schnellen Bewegungen folgen kann (Ofenüberwachung, Überwachung bewegter Teile).
  
  
• • Hinsichtlich des Smear-Effektes (vertikales Verschmieren) ist die Röhre überlegen. Beim vertikalen Verschmieren handelt es sich um eine unerwünschte Lichtempfindlichkeit während der Signalauslesung; diese wirkt sich bei hohen Beleuchtungsstärken aus.
  
  
• • Bezüglich der Störeffekte (Verzerrungen) sind die Unterschiede gering. Beim Sensor tritt keine Verzerrung auf (Halbleiterbildaufnehmer: Anwendung als berührungsloser Meßfühler).
  
  
• • Die Aufnahmeeigenschaften und die Stabilität sind bei beiden Systemen gut, sie hängen von der gewählten Optik und der Kameraauslegung ab. Der Sensor ist mikrofonie-frei; bei Röhren-Farbkameras lassen sich Bildgrößenunterschiede beim Rot-, Grün- und Blaukanal leichter korrigieren als bei Sensor-Kameras.
  
  
• • Beim Sensor wird keine Abschirmung gegen Magnetfelder benötigt. Ähnliches gilt auch für die Röhre, die mit einer Spulenabschirmung für die gesamte Röhren- und Spulenanordnung versehen ist.
  
  
• • Bei der Röhre tritt kein Moire-Störeffekt auf.
  
  
• • Der beim Sensor auftretende Moire-Effekt läßt sich mit Hilfe eines Tiefpaßfilters vermeiden.
  
  
• • Die Spannungsversorgung des Bildaufnehmers ist weitaus einfacher als bei einer Kameraröhre, da nur Niederspannungen vorhanden sind.
  
  
• • Die geringe Masse des Bildaufnehmers bringt nur wenig Vorteile gegenüber der Röhre, da die Masse der gesamten Kamera mitberücksichtigt werden muß; die Bildaufnehmer-Masse kann vernachlässigt werden (z. B. für EB-Anwendungen).
  
  
• • Auch hinsichtlich der Leistungsaufnahme gibt es keine Vorteile des einen Systems gegenüber dem anderen System. Es müssen nämlich periphere Schaltungen (z. B. Ansteuer-und Auswerteschaltungen) berücksichtigt werden.
  
  
• • Der Lebensdaueraspekt ist bereits besprochen worden: Grundsätzlich gilt die Lebensdauer eines Halbleiterbildaufnehmers als länger als die der Kameraröhre. Die Lebensdauer einer Kamera ist jedoch meist durch Betriebsum-stände der Praxis begrenzt und nicht durch die der Kameraröhre.

.