Anordnung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem flächenelementweise erregbaren Leuchtphosphorschirm Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anord nung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem elektrolumineszierenden Leuchtphosphor- schirm, der flächenelementweise erregbar ist.
In einem in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments , Vol. 24 (1953, Seite 471), erschiene nen Artikel von Arthur Bramley und Jenny E. Rosen thal wird ein Wiedergabeschirm beschrieben, welcher zwei gitterförmige Sätze von parallelen leitenden Streifen aufweist, zwischen welchen eine Lage aus elektrolumineszierendem Leuchtphosphor angeordnet ist. Die auf beiden Seiten der Lage liegenden Streifen sind senkrecht zueinander angeordnet und die Enden der Streifen jedes Satzes mit einem Verteilschalter verbunden.
Die Verbindungen zwischen den einzel nen Streifen und dem Schalter sind so ausgelegt, dass in irgendeinem Zeitpunkt nur ein Streifen jedes Satzes mit einer Signalspannungsquelle, wie z. B. einem Videoverstärker, verbunden ist. Unter der An nahme, dass der Wiedergabeschirm in eine aufrechte Lage gebracht wird, wobei ein Satz von Streifen vertikal und der andere Satz horizontal verläuft, ar beitet der Verteilschalter in der Weise, dass er die Signalspannung nacheinander mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit an die vertikalen Streifen und mit einer geringeren Geschwindigkeit an die horizon talen Streifen anlegt.
Für Fernsehzwecke entspricht die hohe Geschwindigkeit der horizontalen Zeilen abtastfrequenz, während die geringere Geschwindig keit der Teilbildfrequenz entspricht.
Obwohl diese Methode auf irgendeine Informa- tionswiedergabevorrichtung anwendbar ist, die irgendwelche geeigneten Abtastgeschwindigkeiten für die horizontalen und die vertikalen Streifen verwen det, beziehen sich die vorliegenden Ausführungen vornehmlich auf eine Fernsehbildwiedergabevorrich- tung, welche die üblichen Abtastgeschwindigkeiten in horizontaler und vertikaler Richtung verwendet.
Eine Schwierigkeit, die sich bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ergibt, besteht darin, dass bei der üblichen Fernsehwieder gabe zwischen Pegeln starken Lichtes und schwachen Lichtes nur ein sehr kleiner Kontrast oder gar keiner unterscheidbar ist.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Wiedergabeschirms mit guter Kontrastdefinition zwischen Pegeln hoher Helligkeit und geringer Helligkeit.
Ein weiterer Zweck besteht in der Schaffung eines Leuchtphosphorschirms, welcher in der Art eines gekreuzten Gitters aufgebaut ist und im Be trieb in einem Bild einen ausgesprochenen Kontrast zwischen Pegeln hoher Helligkeit und geringer Hellig keit erzeugen kann.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Anord nung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem flächenelementweise erregbaren Leuchtphos- phorschirm mit einer Schicht aus elektrolumineszie rendem Leuchtphosphor, bei welchem Leiter auf der einen Seite der Leuchtphosphorschicht bezüglich Lei tern auf der andern Seite gekreuzt sind, welche Anord nung ferner mit Mitteln versehen ist, um der Reihe nach Signalsteuerungen an die genannten Leiter an zulegen, zwecks Erregung des Leuchtphosphors, und sich dadurch auszeichnend, dass zwischen dem Leuchtphosphor und mindestens einem Teil der Leiter eine Impedanzschicht vorhanden ist,
welche eine nichtlineare Stromspannungskennlinie aufweist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt: Die Fig. 1 in schematischer Darstellung einen gitterförmig aufgebauten Leuchtphosphorschirm zur Erläuterung des Erfindungsprinzips, die Fig. 2 einen Teil des Schirms nach Fig. 1 in Perspektivansicht, die Fig.3 einen Querschnitt durch einen Teil des Schirms nach Fig. 1, die Fig. 4 das elektrische Ersatzschema der Fig. 3,
die Fig.5 den Grundriss eines Ausführungsbei spiels des Erfindungsgegenstandes, die Fig. 6 eine Perspektivansicht der Vorrichtung nach Fig. 5 mit teilweise ausgebrochenen Teilen, die Fig. 7 ein Ersatzschema für den Schirm nach Fig. 5 und die Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Ar beitsweise des erwähnten Ausführungsbeispiels.
In den Fig. 1-3 ist eine Leuchtphosphorschicht 1 zu erkennen, die aus irgendeinem geeigneten elek trolumineszierenden Leuchtphosphor besteht, wie er z. B. in den USA-Patenten Nrn. 2566349 und 2698915 beschrieben ist. Diese Schicht 1 liegt zwi schen zwei Sätzen oder Gittern von senkrecht zu einander verlaufenden Streifen oder Leitern. Der mit 2 bezeichnete Satz (Fig. 1) besteht aus parallelen Streifen oder Leitern, die unter sich einen Abstand aufweisen und vertikal verlaufen. Diese Streifen sind mit v1, v2, v3 usw. bezeichnet.
Das andere Gitter, welches in der Fig. 1 mit 3 bezeichnet ist, besteht aus horizontal verlaufenden Streifen oder Leitern <I>hl,</I> h2, h3 usw. Obwohl die Zeichnung nur einige wenige Streifen zeigt, ist es verständlich, d'ass irgendeine Anzahl Streifen gemäss dem gewünschten Ergebnis vorgesehen werden kann. So muss beispiels weise ein Fernseh-Bildwiedergabeschirm eine grosse Anzahl solcher Streifen, z. B. 500 oder 1000, auf weisen.
In der Fig. 1 ist weiter ein Verteilschaltsystem vorhanden, welches aus zwei mechanischen Schaltern 4 und 5 besteht, von denen der Schalter 4 mit dem horizontalen Gitter 3 und der Schalter 5 mit dem vertikalen Gitter 2 verbunden ist. Mit den Rotoren dieser Schalter ist eine Signalspannungsquelle 6 ge koppelt. Wenn die Schalter sich mit vorgegebenen Geschwindigkeiten drehen, wird die -Signalspannung der Reihe nach an entsprechende Streifen der beiden Gitter 2 und 3 angelegt. Da der Leuchtphosphorstoff in Abhängigkeit eines variablen elektrischen Feldes Licht aussendet, werden an den Kreuzungsstellen der einzelnen Streifen Lichtblitze erzeugt, sobald sie über die Schalter mit der Quelle 6 verbunden werden.
In der Fig. 1 stehen die Schalter 4 und 5 in einer Lage, bei welcher der vertikale Streifen v2 mit der Quelle 6 und der horizontale Streifen h3 mit Erde verbunden ist. Wenn der Momentanwert der Quellen spannung V ist, erzeugen die Schalter bei der dar gestellten Stellung einen Spannungsimpuls mit der Amplitude V an der Kreuzungsstelle der Streifen v2 und h3, welche mit 7 bezeichnet ist. Der an dieser Kreuzungsstelle zwischen den Streifen liegende Leuchtphosphor erzeugt infolge des genannten Im pulses einen Lichtblitz entsprechender Helligkeit.
Falls der Schaltvorgang mit einer Geschwindigkeit vor sich geht, welche der üblichen Fernsehabtastung in vertikaler und horizontaler Richtung entspricht, so war erwünscht, dass die an den Kreuzungsstellen erzeugten Lichtblitze ein Helligkeitsbildmuster er zeugen, welches dem Videosignal entspricht. Diese erwünschte Wirkungsweise ist jedoch mittels dieser zunächst geschilderten, einfachen Konstruktion in Wirklichkeit nicht erreichbar, und zwar vorwiegend aus den beiden folgenden Gründen: 1. Es werden Lichtblitze nicht nur an der Kreu zungsstelle der beiden über den Schalter verbundenen Streifen, sondern auch über die ganze Länge der angeschalteten Streifen erzeugt, wenn auch mit ver minderter Intensität; 2.
Jedes Element, das heisst der an jeder Kreu zungsstelle vorhandene Leuchtphosphor, wird nur während eines ausserordentlich kurzen Bruchteils der Teilbilddauer (das heisst der für eine vollständige Ab tastung aller Streifen des Gitters 3 benötigten Zeit) erregt, so dass die durch das Auge beobachtete Helligkeit, welche eine Durchschnittshelligkeit wäh rend der Teilbilddauer ist, bedeutend unterhalb der Helligkeit liegt, welche der Leuchtphosphor bei dauernder Erregung erzeugen kann.
Bei fernsehmässiger Abtastung der Streifen der beiden Gitter erzeugt also die Anordnung nach Fig. 1 kein Bild, sondern einen über die ganze Leuchtphosphorschicht sich erstreckenden Licht fleck von praktisch gleichförmiger Helligkeit, obwohl die momentanen Spannungen von Streifen zu Streifen verschieden sein können.
Zur Erläuterung dieses unannehmbaren Ergeb nisses wird im nachstehenden auf die Fig. 2, 3 und 4 eingegangen. Wenn die beiden Schalter 4 und 5 der Fig. 1 kurzzeitig mit den beiden Streifen v2 und h3 verbunden sind, wird, wie schon erwähnt, an der Kreuzungsstelle eine Signalspannung vom Wert V auftreten. Alle andern Streifen der beiden Gitter sind jedoch mit dem Streifen v2 und h3 kapazitiv ge koppelt.
Es soll angenommen werden, dass die elementare Kapazität des Leuchtphosphors an jeder Kreuzungs stelle C ist, und dass m horizontale und n vertikale Streifen vorhanden sind. Dabei kann die kapazitive Kopplung zwischen den (angeschalteten und nicht angeschalteten) Streifen durch das äquivalente Schema der Fig. 4 dargestellt werden. In diesem Schema sind alle nicht angeschalteten horizontalen Streifen durch den Punkt hi dargestellt. Da (m - I ) nicht angeschlossen horizontale Streifen den ange schlossenen vertikalen Streifen v2 kreuzen, ist die Kapazität dieses Streifensystems hi bezüglich des Streifens v2 gleich (m- 1) C.
In gleicher Weise ist die Kapazität der nicht an geschlossenen, vertikalen Streifen, die durch das Symbol v; dargestellt sind, bezüglich des angeschlos- senen horizontalen Streifens h#, gleich (fa- 1) C, und die Kapazität zwischen den nicht ange schlossenen Streifen beider Gitter 2 und 3 ist gleich (in <I>- 1)</I> (h <I>- 1) C.</I>
Wenn, wie dies im Fall der Anwendung auf das Fernsehen der Fall ist, die Anzahl der horizontalen und vertikalen Streifen angenähert gleich ist und beispielsweise 500-1000 beträgt, ist der Spannungs abfall an der Kapazität (n - 1) (n - 1) C vernach- lässigbar klein, und die angeschlossenen horizontalen und vertikalen Streifen empfangen auf ihrer ganzen Länge einen Videoimpuls der halben Amplitude des Impulses V, der an der Kreuzungsstelle der Streifen vi> und ho erzeugt wird.
Da zwischen der Phosphor helligkeit und der Erregerspannung angenähert eine kubische Beziehung besteht, leuchten die ganzen Län gen der angeschalteten Streifen v@ und h;; mit einer Helligkeit B/8 auf, wenn das Signal an der Kreu zungsstelle eine Helligkeit B erzeugt.
Wenn ein Streifen 500 Kreuzungsstellen aufweist, wird die Gesamtleuchtemission von den Streifen mehr als 100mal grösser als die Leuchtemission von der durch die Schalter 4 und 5 ausgewählten Kreuzungs stelle. In einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 würde also ein Bild auf einen Hintergrund aufgedrückt werden, dessen Helligkeit ungefähr 100mal grösser als die durchschnittliche Helligkeit des Bildes selbst ist, so dass letzteres vollkommen überstrahlt werden würde.
Diese Schwierigkeit lässt sich mit dem Leucht- phosphorschirm gemäss Fig. 5 und 6 der Zeichnung beheben.
Der Kreuzgitter-Wiedergabeschirm der Fig. 1 weist zwischen den beiden Gittern nur eine elektro lumineszierende Leuchtphosphorschicht auf, und es wurde im vorstehenden gezeigt, dass die Erregung, welche durch einen Spannungsimpuls bewirkt wird, der an zwei sich kreuzenden Streifen zur Wirkung kommt, nicht auf die Kreuzungsstelle beschränkt ist, sondern, wenn auch mit verringerter Intensität, über die ganze Länge der beiden Streifen zur Wirkung kommt. Für eine grosse Anzahl von Streifen ist diese unerwünschte Streifenerregung spannungs mässig gleich der Hälfte der gewünschten Erregung der Kreuzungsstelle der angeschalteten Streifen.
Es ergibt sich somit die unabänderliche Tat sache, dass die Hälfte der an der Kreuzungsstelle der angeschalteten Streifen auftretenden Spannung zwischen den nicht angeschalteten und den ange schalteten Streifen auftritt, und diese halbe Span nung ist von genügender Intensität, um den Leucht- phosphor in einem Ausmass zu erregen, dass der Un terschied zwischen Pegeln grosser und kleiner Hellig keit kaum wahrnehmbar ist. Ausgehend von der Tatsache, dass der erwähnte Zustand mit halber Spannung immer vorhanden ist, wird in der Folge gezeigt, dass es möglich ist, die nachteilige Wirkung dieses Zustandes zu beheben und ein Bild zu er zeugen, welches gute Kontrasteigenschaften aufweist.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 weist wiederum die Kreuzgitterelektroden oder -streifen auf, zwischen denen eine Schicht 8 aus elektrolumi neszierendem Leuchtphosphor liegt, welche sich je doch in diesem Falle in engem Kontakt mit einer Schicht 9 befindet, welche aus einem Stoff besteht, welcher eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Eine nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung ist bekanntlich bei verschiedenen Gruppen von Stoffen vorhanden, beispielsweise bei Halbleitern, Polaristoren und ferroelektrischen Stoffen. Stoffe aller dieser Gruppen sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Polaristoren sind Widerstände, die dadurch ge bildet werden, dass man leitende oder halbleitende Teilchen in eine plastische Schicht einbettet, wobei die Härtung des plastischen Stoffes vorgenommen wird, während die Teilchen einem starken polarisie renden elektrischen Feld unterworfen sind. Die Leitfähigkeit solcher Schichten ändert sich wesent lich bei Änderung der angelegten Spannung. Weitere Einzelheiten betreffend Polaristoren können den bei den folgenden Veröffentlichungen entnommen wer den: 1. H. E. Hollmann, Journal of Applied Phy- sics , Vol. 21, Seiten 402-413, Mai 1950, und 2. H.
E. Hollmann, Proceedings of the I. R. E. , Vol. 40, Seiten 538-545, Mai 1952.
Obwohl Halbleiterschichten und Polaristorschich- ten im vorliegenden Falle anwendbar sind, wird nachstehend angenommen, dass die bereits erwähnte Schicht 9 ferroelektrische Stoffe enthält. Der dar gestellte Schirm besteht aus einem dielektrischen ge schichteten Gebilde (Sandwich), welches zwischen zwei Gittern aus parallelen leitenden Streifen liegt, die senkrecht zueinander verlaufen. Das genannte geschichtete Gebilde besteht aus einer Schicht 8 aus elektrolumineszierendem Stoff, beispielsweise elek trolumineszierendem Pulver, welches in einen durch sichtigen plastischen Stoff eingebettet ist. Die Schicht 8 befindet sich in engem Kontakt mit einer Schicht 9, welche aus einem Stoff variabler Impedanz, z.
B. aus ferroelektrischem Material, besteht. Die das Gitter 10 bildenden Streifen, die an der Leuchtphosphor- schicht 8 anliegen, sind vorzugsweise durchsichtig und können aus dünnen Filmen von aufgedampftem Aluminium oder Silber oder aus durchsichtigen lei tenden Streifen aus Stannochlorid oder -oxyd be stehen, welches unter der Markenbezeichnung Nesa bekannt ist.
Die Streifen der beiden Gitter 10 und 11 sind mit leitenden Vorspannelektroden oder Sam melschienen 12 und 13 über individuelle Isolier- widerstände oder Entkopplungsmittel 14 und 15 verbunden. Der Zweck dieser Widerstände 14 und 15 besteht darin, die leitende Kopplung zwischen den einzelnen Streifen des gleichen Gitters und der Sammelschiene zu verringern, um zu verhindern, dass die Sammelschiene die entsprechenden Streifen kurz schliesst.
Die Sammelschienen 12 und 13 sind mit den Klemmen einer Batterie verbunden, welche an die ferroelektrische Schicht 9 eine Vorspannung anlegt. Es ist von Vorteil, durch die Leuchtphosphor schicht hindurch eine beträchtliche Ableitung zu er zeugen, was sich dadurch verwirklichen lässt, dass man dem Leuchtphosphorstoff halbleitende oder leitende Teilchen in der richtigen Konzentration beigibt.
In der Fig. 5 sind, wie ersichtlich, Verteilschalt- mittel ähnlich denjenigen der Fig. 1 vorgesehen, die aus den Schaltern 17 und 18 bestehen und mit den vertikalen bzw. horizontalen Streifen 10 und 11 ver bunden sind.
Die Arbeitsweise der bis hierher beschriebenen Vorrichtung und der Unterschied gegenüber der Ar beitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 wird unter Bezugnahme auf das Ersatzschema der Fig.7 ver ständlich.
Der Einfachheit halber werden die gleichen mo mentanen Betriebszustände für die Fig. 5 angenom men, wie sie vorher der Betrachtung der Fig. 1 zu grunde lagen. Der Spannungsimpuls oder Video impuls wird daher wie zuvor an den gleichen verti kalen Streifen vz, und den gleichen horizontalen Streifen h3 angelegt. Der volle Videoimpuls mit der Amplitude V wird wiederum an den Kondensator C angelegt, der. an der Kreuzungsstelle der Streifen v. Lind h3 vorhanden ist, und die Hälfte dieses Impulses tritt längs der verbleibenden Streifen v. und h3 auf.
Die an der Kreuzungsstelle zwischen den Streifen v.., und h3 vorhandene Kapazität C wird nun jedoch aus zwei Teilkapazitäten C, und Cn gebildet, wo Cf die Kapazität des ferroelektrischen Elementes und Cl, die Kapazität des Leuchtphosphorelementes ist. Das gleiche gilt für die Kapazitäten zwischen den ausge wählten und nicht ausgewählten Streifen.
Unter der Einwirkung des richtig bemessenen Gleichstromvor- spannfeldes, das durch die Batterie 16 geliefert wird, wird die ferroelektrische Schicht 9 bis zur Sättigung polarisiert und spricht daher auf eine gegebene Feld änderung mit nur einem geringen Verschiebungs strom an. Diese Eigenschaft von ferroelektrischen Streifen ist in der Literatur ausführlich beschrieben worden.
(Siehe beispielsweise das Kapitel Ferro- electric Crystals im Buch Introduction to Solid State Physics von Charles Kittel, John Wiley and Sons, Inc., 1953.) Die Vorspannung wird so gewählt, dass der zwi schen den ausgewählten und nicht ausgewählten Streifen auftretende Spannungsimpuls V/2 das Vor spannfeld nicht genügend vermindert,
um den ferro- elektrischen Stoff aus dem in der Nähe der Sättigung liegenden Bereich heraus zu bringen, wie dies in der Fig. 8 zum Ausdruck kommt.
Die Hysteresisschleife (Verschiebungsstrom D in Funktion der elektrischen Feldstärke E) der Fig. 8 ist typisch für ferroelektrische Stoffe, wie dies beispiels weise auf Seite 17 des eben erwähnten Buches klar zum Ausdruck kommt. Extrem ausgesprochene Hysteresisschleifen, welche zur Verwendung für den erfindungsgemässen Zweck sehr vorteilhaft sind, sind in einem Artikel von A. von Hippel in der Zeitschrift Review of Modern Physics , Vol. 22, Juli 1950, Seiten 221-237, beschrieben.
Die Schleife der Fig. 8 zeigt, dass mit der richti gen Vorspannung <I>VS</I> der schädliche Spannungs impuls V/2, welcher auf der ganzen Länge der aus gewählten vertikalen und horizontalen Streifen auf tritt, einen verhältnismässig kleinen Verschiebungs strom 19 zur Folge hat.
Der an der Kreuzungsstelle der ausgewählten Streifen v.. und h3 auftretende Ver- schiebungsstromimpuls 20, welcher durch die volle Spannung V erzeugt wird, wird nicht nur verdoppelt, wie dies bei einem gewöhnlichen dielektrischen Stoff der Fall ist, gegenüber dem Verschiebungsstrom 19, sondern beträgt das Vielfache des letzteren, wie dies aus der Fig. 8 ersichtlich ist.
Dieser ausgesprochene Unterschied der Verschie bungsströme an der Kreuzungsstelle der ausgewähl ten Streifen v. und h3 und an irgendeiner andern Kreuzungsstelle des Schirmes lässt sich wie folgt er klären: Das ferroelektrische, kapazitive Element Cf, welches an der ausgewählten Kreuzungsstelle der Streifen v. und h3 in Reihe mit dem Leuchtphosphor- element C., liegt,
bildet eine bedeutend höhere Kapa zität als die entsprechenden ferroelektrischen Ele mente auf dem Rest der ausgewählten Streifen. Daher empfängt der elektrolumineszierende Leuchtphosphor an der Kreuzungsstelle von v. und h3 praktisch den ganzen Videoimpuls V, während an den übrigen Stellen nur ein kleiner Bruchteil des unerwünsch ten Impulses V/. zur Wirkung kommt. Es ist ersicht lich, dass das an der Kreuzungsstelle der angeschal teten Streifen v#, und h; erzeugte Licht bedeutend heller wird und sich daher besser von der Hinter grundshelligkeit unterscheidet, als dies beim Schirm der Fig. 1 der Fall war.
Verglichen mit Fig. 1 lässt sich sagen, dass bei der Fig.5 die Helligkeit des Hintergrundes als praktisch nicht vorhanden ange sehen werden kann.
Falls die Erregerimpulse für die entsprechenden Streifen aus amplitudenmodulierter Videoinforma tion bestehen, verlangt die vorstehend beschriebene Arbeitsweise, dass die Amplituden von Impulsen grosser Leuchtstärke auf einem solchen Wert V be schränkt werden, dass V/2 das vorgespannte ferro- elektrische Material nicht aus dem Bereich des prak tisch gesättigten Zustandes hinaus treibt. Auf der an dern Seite sollte die Amplitude eines Impulses nied riger Leuchtstärke gleich oder etwas grösser als der Wert V/2 sein.
Diese Forderung lässt sich durch eine Gammakorrektion im Videoverstärker eines üblichen Fernsehempfängers oder durch Überlagerung von Videoimpulsen auf zusätzlich erzeugte Impulse kon stanter Amplitude V/2 verwirklichen. Anstelle der ferroelektrischen Schicht 9 (Fig. 6) lässt sich, wie schon erwähnt, eine Polaristorschicht verwenden. Dabei ist die Arbeitsweise ähnlich, da eine solche Schicht auch eine Impedanz aufweist, welche für einen Impuls geringer Amplitude hoch und für einen Impuls grosser Amplitude gering ist.
Infolgedessen wird - wie im vorangehenden Beispiel - praktisch die ganze Impulsamplitude an einer Streifenkreu- zungsstelle, welche einen Impuls V entsprechend einer grossen Lichtstärke empfängt, an den Leucht- phosphor angelegt, während der unerwünschte Impuls V/2, welcher zwischen den ausgewählten und nicht ausgewählten Streifen auftritt, nur mit einer stark verminderten Amplitude am Leuchtphosphor zur Wirkung kommt, vorausgesetzt, dass die Impedanzen der Leuchtphosphorschicht und der Polaristorschicht richtig aufeinander abgestimmt sind.
Die Entkopp- lungswiderstände 14 und 15, die Sammelschienen 12 und 13 und die Vorspannquelle 16 der Fig. 5 können bei Verwendung einer Polaristorschicht weggelassen werden.