DE1276085B - Verfahren, Vorrichtung und Fernsehaufnahmeroehre zur optischen Wiedergabe von Feldverteilungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES mTWQSV PATENTAMT Int. α.:

AUSLEGESCHRIFT

HOIj

H04n

Deutsche KL: 21 al - 32/36

Nummer: 1276 085

Aktenzeichen: P 12 76 085.9-31 (L 50959)

Anmeldetag: 23. Juni 1965

Auslegetag: 29. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Fernsehaufnahmeröhre zur optischen Darstellung der Feldverteilung einer beliebigen physikalischen Größe unter Verwendung einer Fernsehaufnahmeröhre mit Ausleseelektronenstrahl.

Es ist häufig erwünscht, eine optische Darstellung von Feldverteilungen, beispielsweise von Licht oder sonstigen elektromagnetischen Wellen, Druckwellen, wie Ultraschallwellen, Röntgenstrahlungen, Wärmestrahlungen, wie Infrarotstrahlung, von elektrischen oder magnetischen Feldern, zu erhalten, welche für das menschliche Auge nicht unmittelbar wahrnehmbar sind.

Für die Wiedergabe einer Intensitätsverteilung von Schallwellen, beispielsweise bei Ortungsverfahren, ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher in die Frontplatte einer Elektronenstrahlröhre Kristallelemente eingebettet sind, die beim Auftreffen von Schallwellen eine entsprechende Verteilung elektrischer Ladungen zeigen, welche von dem Elektronenstrahl abgetastet und in ein entsprechendes Signal umgewandelt wird, das wiederum auf einer Bildröhre zur Anzeige gebracht werden kann.

Bei einer anderen Anordnung zur Auswertung von Radarimpulsen sind in die Frontplatte einer Elektronenstrahlröhre aufgeladene Elektreten eingebettet, welche beim Auftreffen der reflektierten Radarimpulse eine entsprechende Verteilung elektrischer Ladungen erzeugen, die ebenfalls von einem Elektronenstrahl abgetastet werden. Ein Nachteil dieser beiden vorgenannten Anordnungen besteht insbesondere darin, daß sie einmal nur für die Sichtbarmachung der Verteilung jeweils einer einzigen physikalischen Größe — Schallwellen bzw. elektromagnetischer Wellen — geeignet sind und außerdem nur ein relativ geringes Auflösungsvermögen ergeben, da sich in der Frontplatte einer Kathodenstrahlröhre nur eine sehr begrenzte Anzahl von Wandlerelementen einbetten läßt.

Weiterhin ist es zur Sichtbarmachung eines Röntgenbildes bekannt, in einer Elektronenstrahlröhre einen Speicherschirm anzuordnen, welcher die durch den zu untersuchenden Gegenstand hindurchgetretene Röntgenstrahlung in ein elektrisches Ladungsbild umwandelt, das wiederum von einem Elektronenstrahl abgetastet wird. Für die Sichtbarmachung eines Infrarot- oder Ultraviolettbildes ist ferner eine Anordnung bekannt, bei der die Glaskolben einer Aufnahmeröhre und einer Bildwandlerröhre miteinander verschmolzen sind und an der Verbindungsstelle auf der Seite der Aufnahmeröhre eine Fotoschicht, auf der Seite der Bildwandlerröhre ein Verfahren, Vorrichtung und
Fernsehaufnahmeröhre zur optischen Wiedergabe von Feldverteilungen

Anmelder:

Litton Industries, Inc.,
Beverly Hills, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Norman F. Fyler, Menlo Park, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. August 1964 (392 224)

Leuchtschirm vorgesehen ist, so daß das zunächst unsichtbare, in der Feldverteilung der Ultraviolettbzw. Infrarotstrahlen enthaltene Bild auf dem Leuchtschirm sichtbar gemacht wird, von wo es mit Hilfe des Bildwandlers in elektrische Signale umgewandelt wird. Auch diese beiden Anordnungen sind lediglich für die Umwandlung der Feldverteilung jeweils nur einer einzigen physikalischen Größe in elektrische Signale geeignet.

Kennzeichnend für sämtliche bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist, daß die Umwandlung der Feldverteilung der darzustellenden physikalischen Größe in eine mittels eines Elektronenstrahls abtastbare Spannungsverteilung innerhalb der Kathodenstrahlröhre bewirkt wird, so daß diese Röhren, wie erwähnt, jeweils nur für eine einzige bestimmte Art physikalischer Größen einsetzbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, daß eine einzige Fernsehaufnahmeröhre mit einem Ausleseelektronenstrahl für die Wiedergabe einer Feldverteilung ganz verschiedener physikalischer Größen verwendbar gemacht werden soll, so daß man mit einem einzigen Röhrentyp unter nur geringfügigen Abwandlungen für die verschiedenartigsten Anwendungsgebiete auskommen kann. Naturgemäß ergibt sich dadurch eine ganz erhebliche Verbilligung derartiger Anzeigeanlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Feldverteilung, sofern sie nicht bereits als elektrische Spannungsverteilung vorliegt, außer-

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halb der Aufnahmeröhre über Detektorelemente in sches Videosignal umwandelt, das dann in üblicher

eine entsprechende elektrische Spannungsverteilung Weise durch eine Bildwiedergaberöhre dargestellt

umgewandelt wird, diese Spannungsverteilung den werden kann.

äußeren Teilen von mosaikförmig angeordneten, Die Zusammenschaltung der Detektormatrix mit durch die Frontplatte der Aufnahmeröhre hindurch- 5 den leitenden Elementen in der Frontplatte der Aufreichenden, elektrisch leitenden Elementen auf- nahmeröhre ist zweckmäßigerweise so durchgeführt, gedrückt wird, die inneren Teile dieser leitenden EIe- daß der Ausgang jedes einem vorbestimmten Komente mittels des Ausleseelektronenstrahls abgetastet ordinatenpunkt der Feldverteilung zugeordneten Dewerden und von dem rückkehrenden Strahlanteil als tektorelements mit dem äußeren Teil eines zugehöri-Funktion der jeweiligen Strahlmodulation ein Video- io gen leitenden Elements in der Frontplatte verbunden signal abgeleitet wird. ist. Die einzelnen Detektorelemente sind dabei als

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnun- Wandler ausgebildet, welche die Intensität der Feldgen erfolgt bei der Erfindung die Umwandlung der verteilung an einer bestimmten Stelle in ein entspredarzustellenden Feldverteilung der physikalischen chendes Spannungssignal umwandeln, so daß die Größe nicht in der Aufnahmeröhre selbst, sondern 15 Matrix der leitenden Elemente ein genaues elektriaußerhalb dieser, so daß ein und dieselbe Röhre in sches Spannungsabbild der Feldverteilung der dar-Verbindung mit verschiedenen Detektoren, deren zustellenden Größe ergibt.

Einzelelemente nach Art einer Matrix angeordnet Zwischen jedes der Detektorelemente und das zusind, verwendbar ist. Die Art der Detektoren be- gehörige leitende Element kann ein Gleichrichter gestimmt sich nach dem jeweiligen Verwendungs- 20 schaltet sein, derart, daß dem äußeren Teil des leizweck, d. h. also nach der Art der sichtbar zu tenden Elements ein Gleichspannungspotential aufmachenden Strahlung. gedrückt wird, dessen Größe proportional der FeId-

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin- intensität an einer vorbestimmten Stelle der wiederdungsgemäßen Verfahrens besteht in einer Fernseh- zugebenden Feldverteilung ist. Andererseits kann aufnahmeröhre mit einer Frontplatte mit einem Mo- 25 zwischen jedem Detektorelement und dem zugeordsaik aus leitenden Elementen, die durch die Front- neten leitenden Element auch ein Halbleiterelement platte hindurchreichen und von denen jedes einen angeordnet sein, welches das in dem Detektorinneren Teil innerhalb der Aufnahmeröhre und einen element erzeugte Spannungssignal gleichrichtet und äußeren Teil außerhalb der Aufnahmeröhre aufweist, verstärkt, derart, daß dem äußeren Teil jedes leitenferner aus einer Mehrzahl von Detektorelementen, 30 den Elements ein Gleichspannungspotential entsprewelche den äußeren Teilen der leitenden Elemente chend der Intensität der Feldverteilung an dem zueine Spannungsverteilung aufdrückt, die kennzeich- geordneten Detektorelement aufgedrückt wird. Eine nend für die optisch wiederzugebende Feldverteilung solche Verstärkung vor der Abtastung durch den ist, sowie aus einer Ausgangseinrichtung, welche auf Elektronenstrahl liefert ein störungsfreieres BiIddie Modulation des rückkehrenden Anteils des Aus- 35 signal und damit bei der Wiedergabe ein klareres leseelektronenstrahls anspricht und ein Videosignal Bild.

erzeugt, das der den äußeren Enden der leitenden Für die Wiedergabe einer Ultraschallfeldverteilung

Elemente aufgedrückten Spannungsverteilung ent- kann jeder Detektor im Mosaik der Detektorelemente

spricht. ein piezoelektrischer Kristall zur Umwandlung der

Elektronenstrahlröhren, in deren Frontplatte lei- 40 Ultraschallintensität an einer gegebenen Stelle der

tende Elemente mosaikartig angeordnet sind, sind bei Feldverteilung in ein elektrisches Signal entsprechen-

Elektronenstrahlschreibern bekannt. Bei ihnen wird der Intensität sein. Ein besonderes Anwendungs-

an der Frontplatte ein ladungsempfindliches Papier gebiet für Ultraschallwellen ist die Ortungstechnik,

vorbeigeführt. Wenn der Elektronenstrahl die Innen- mit Hilfe deren das Vorhandensein von Schiffen oder

Seiten der leitenden Elemente überstreicht, übertra- 45 die Beschaffenheit des Meeresgrundes festgestellt

gen diese die jeweilige Ladung des Elektronenstrahls wird. Da die Wellenlänge der dabei benutzten Schall-

nach außen auf den Papierstreifen, dem auf diese wellen groß gegenüber den im Wasser befindlichen

Weise ein elektrisches Ladungsbild eingeprägt wird, Schwebeteilchen ist, tritt fast keine Streuung der

das dann in bekannter Weise sichtbar gemacht wird. Schallwellen auf, wie es unter Wasser bei Lichtwellen

Die Röhre mit den in die Frontplatte eingebetteten 50 der Fall ist, so daß sich mit Schallwellen eine wesent-

Leitern befindet sich bei diesen Schreibern jedoch im Hch größere Reichweite erzielen läßt. Zur weiteren

Gegensatz zu der Erfindung nicht am Anfang, son- Vergrößerung der Reichweite bzw. zur besseren Auf-

dern am Ende eines Übertragungskanals und dient lösung des erhaltenen Bildes kann den piezoelektri-

nicht der Eingabe einer Nachricht in den Kanal, sehen Detektorelementen eine Fokussiereinrichtung

sondern ihrer Ausgabe aus dem Übertragungskanal. 55 vorgeschaltet sein, welche die darzustellende Ultra-

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung braucht schallenergie bündelt. Ferner können die einzelnen

dieser Fernsehaufnahmeröhre je nach dem Anwen- piezoelektrischen Kristalle jeweils als Kegelstumpf

dungsgebiet nur eine geeignete Detektormatrix vor- ausgebildet sein, dessen größerflächiges Ende der

geschaltet zu werden, welche die Feldverteilung der Feldverteilung ausgesetzt ist und dessen kleinerflä-

darzustellenden physikalischen Größe in eine elek- 60 chiges Ende mit dem zugeordneten leitenden Element

irische Feldverteilung umwandelt, die auf die in der des Mosaiks leitender Elemente elektrisch verbunden

Frontplatte der Röhre eingebetteten Leiter übertra- ist. Man erzielt dadurch geringere Kapazitäten zwi-

gen wird und von diesen mit Hilfe des Elektronen- sehen den einzelnen Kristallen, so daß die gegen-

strahls abgetastet wird. Entsprechend der jeweiligen seitige kapazitive Beeinflussung verringert und die

Aufladung der leitenden Elemente kehrt ein be- 65 Bildschärfe erhöht wird.

stimmter Anteil des Ausleseelektronenstrahls von der Zweckmäßigerweise können die Ausgänge der De-

Frontplatte der Röhre zu der Ausgangseinrichtung tektorelemente mit den Eingangselektroden von ihnen

zurück, welche die Strahlmodulation in ein elektri- zugeordneten, in einem entsprechenden Mosaik an-

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geordneten Transistoren verbunden sein, deren ge- schallsender 10 und eine Wandlerkamera 12 auf, die meinsame Elektroden untereinander elektrisch ver- auf Ultraschallenergie anspricht, welche vom Sender bunden sind und deren Ausgangselektroden mit zu- 10 ausgesendet wird, um ein Videosignal zu erzeugeordneten leitenden Elementen in der Frontplatte gen, das kennzeichnend für das oder die die Energie der Aufnahmeröhre verbunden sind. 5 der Ultraschallwelle reflektierende Objekt bzw. Ob-Für die Wiedergabe der Feldverteilungen von jekte ist. Die Frequenz der Ultraschallwelle ist nicht Ultraviolettstrahlungen, Infrarotstrahlungen, Licht- kritisch, es kann jede beliebige Frequenz verwendet Strahlungen oder Wärmestrahlungen können die ein- werden, für die geeignete Generatoren und Detekzelnen Detektoren in dem Mosaik der Detektor- toren zur Verfügung stehen. Der Sender 10 und die elemente als Szintillatoren, als auf die Wellenlänge io Kamera 12 können zweckmäßig im Rumpf 14 eines der UV-, IR- bzw. Lichtstrahlung ansprechende Fahrzeugs, beispielsweise eines Unterseeboots, an-Photozellen bzw. als Thermoelemente ausgebildet sein. gebracht sein, welches mit der Anlage ausgerüstet ist.

Die Fernsehaufnahmeröhre mit den in der Front- Ultraschallenergie vom Sender 10 kann mittels eines platte angeordneten und durch sie hindurchreichen- herkömmlichen Auskopplers 16 in Form eines Ultraden leitenden Elementen, die jeweils einen inneren 15 schallsendestrahls 18 abgestrahlt werden. Der Sender Teil innerhalb der Röhre sowie einen äußeren Teil 10 und der Auskoppler 16 können in bekannter außerhalb der Röhre aufweisen, sowie mit einer Elek- Weise aufgebaut sein und beispielsweise den enttronenkanone zur Erzeugung eines die inneren Teile sprechenden Bauteilen herkömmlicher Sonaranlagen der leitenden Elemente abtastenden Elektronenstrahls entsprechen. Der Auskoppler 16 kann einen engkann eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines 20 gebündelten Strahl liefern, wenn Gegenstände in erVideosignals entsprechend der jeweiligen Modula- heblichem Abstand betrachtet werden sollen, wobei tion des zurückkehrenden Anteils des Elektronen- sich ein verhältnismäßig enges Gesichtsfeld ergibt, Strahls, das kennzeichnend für die dem Mosaik in der Sendestrahl kann aber auch breit gestreut werder Frontplatte aufgedrückte Spannungsverteilung den, falls ein breites Gesichtsfeld für Gegenstände ist, enthalten. Hierbei kann benachbart der Elektro- 25 erwünscht ist, die dem Sender verhältnismäßig nahe nenkanone ein Elektronenvervielfacher, wie er von sind. Derartige Sender und Auskoppler sind bekannt Superorthikon-Fernsehaufnahmeröhren her bekannt und bilden für sich keinen Teil der vorliegenden Erist, angeordnet sein. Ferner kann eine besondere Ein- findung. Weitere Einzelheiten des Aufbaus des Senrichtung zur Leitung der von der Frontplatte in ders 10 und des Auskopplers 16 erübrigen sich daher. Richtung auf die Elektronenkanone zurücklaufenden 30 Der Ultraschallsendestrahl 18 kann auf ein UnterElektronen in den Elektronenvervielfacher vorgesehen wasserobjekt 20, beispielsweise ein Unterseeboot, trefsein. fen, und ein Teil wird als Strahl 22 reflektiert, der

In besonderer Ausbildung der in die Frontplatte kennzeichnend für die Kenngrößen des Objekts 20

der Aufnahmeröhre eingebetteten leitenden Elemente ist. Der reflektierte Strahl 22 wird auf die Kamera 12

kann die Querschnittsfläche des inneren Teils jedes 35 mittels einer Flüssigkeitslinse 24 fokussiert, die aus

leitenden Elements erheblich größer als seine durch einer ballonartigen Membran bestehen kann, die mit

die Frontplatte hindurchreichende Querschnittsfläche einem Medium, beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff,

sein. Dadurch kann der die Matrix der leitenden EIe- gefüllt ist, in welchem die Geschwindigkeit einer ela-

mente abtastende Elektronenstrahl die inneren Enden stischen Welle von derjenigen in Wasser hinreichend

der leitenden Elemente im Interesse seiner besseren 40 unterschieden ist, um eine geeignete Fokussierung zu

Modulation besser überstreichen. erhalten. Statt der Linse 24 können beliebige andere

Zur Sichtbarmachung der zu beobachtenden Feld- Fokussiereinrichtungen verwendet werden. Die Kaverteilung läßt sich an die Fernsehaufnahmeröhre ein mera 12, die im folgenden näher erläutert ist, liefert Fernsehbetrachtungsmonitor anschließen, der mit ein für den reflektierten Strahl 22 kennzeichendes dem von der Röhre erzeugten Videosignal beauf- 45 Videosignal, das über den Leiter 26 an einen herschlagt wird. kömmlichen Fernsehmonitor 28 angelegt wird, um

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten eine optische Wiedergabe des Objekts 20 zu erhalten,

der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be- F i g. 2 zeigt einen Querschnitt einer erfindungs-

schreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung gemäß aufgebauten Fernsehaufnahmeröhre 12, die

mit den Zeichnungen. Es zeigt 50 bei der Anlage nach F i g. 1 vorgesehen werden kann.

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Unter- Die Fernsehaufnahmeröhre 12 weist eine Frontplatte wasser-Ultraschallsichtanlage entsprechend der vor- 30 auf, die ein Mosaik oder eine Matrix von leitenliegenden Erfindung, den Elementen trägt, die durch die Frontplatte hin-

F i g. 2 einen Schnitt einer bei der Anlage nach durchreichen, so daß jeweils ein Ende der Elemente

F i g. 1 verwendeten Fernsehaufnahmeröhre nach der 55 an der Innenseite der Frontplatte 30 und das andere

Erfindung, an der Außenseite der Frontplatte 30 liegt. Von dem

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Objekt 20 reflektierte Ultraschallenergie wird mittels

Frontplatte der Fernsehaufnahmeröhre nach F i g. 2 der Linse 24 auf die Außenseite der Frontplatte 30

im Schnitt, fokussiert, und es wird, wie im folgenden ausführlich

F i g. 4 eine äquivalente Schaltung der Elemente 60 dargelegt, an der Außenseite der Frontplatte 30 ein

nach F i g. 3, Ladungsmuster erzeugt, das kennzeichnend für die

F i g. 5 eine äquivalente Schaltung einer verein- reflektierte Ultraschallenergie und dementsprechend

fachten Ausführungsform der Erfindung und für das Objekt 20 ist. Dieses Ladungsmuster liegt

F i g. 6 eine schematische Darstellung der Anlage naturgemäß auch an den Innenenden des Mosaiks

nach der Erfindung in ihrer allgemeinen Form. 65 aus leitenden Elementen vor, die in die Frontplatte

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer 30 eingebettet sind, und erscheint auf diese Weise an erfindungsgemäß aufgebauten Unterwassersicht- der Innenfläche der Frontplatte 30. Eine Elektronenanlage. Die Anlage weist einen Unterwasser-Ultra- kanone 32 erzeugt einen Elektronenstrahl, der mittels

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einer Ablenkspule 34 abgelenkt werden kann, um sität der Intensität der Ultraschallwelle an dem bedie Innenfläche der Frontplatte 30 abzutasten. Der treffenden Ort jedes Detektors entspricht. Die Detek-Elektronenstrahl nähert sich der Innenfläche der toren 50 können bei der veranschaulichten Ausfüh-Frontplatte 30 und trifft entweder dort auf oder wird rungsform pyramidenförmige piezoelektrische Krizurückgestoßen, was von dem Ladüngsmuster ab- 5 stalle sein, wobei jeder der Detektoren 50 einem enthängt, das an der betreffenden Stelle herrscht, wel- sprechenden leitenden Element 42 zugeordnet oder eher sich der Elektronenstrahl nähert. Der auftref- mit diesem verbunden ist. Die Basis jedes Detektors fende Strahl trifft die Innenenden der in die Front- 50 steht in elektrischem und mechanischem Kontakt platte 30 eingebetteten leitenden Elemente und be- mit einer Außenmembran 52, die zweckmäßigerweise wirkt Sekundäremissionen von Elektronen von die- io aus einem dünnen rostsicheren Stahlblech aufgebaut sen Elementen. Diese Elektronen laufen zusammen sein kann, das so getrieben ist, daß entsprechend mit zurückgestoßenen Elektronen des Strahls zum F i g. 3 einzelne Hohlräume entstehen, um die Ultraelektronenkanonenseitigen Ende der Bildaufnahme- schallenergie auf die jeweilige Basis der Detektoren röhre 12 zurück, wo sie in einem Elektronenverviel- 50 zu fokussieren. Das schmale Ende jedes Detektors fächer 36 aufgefangen werden, von dessen Ausgang 15 50 steht mit der Basiselektrode eines entsprechenden 38 das Videosignal abgeleitet wird. Eine Fokussie- Transistors 54 in elektrischem Kontakt. Eine leitende rungsspule 40 liefert ein axiales Magnetfeld, um den Schicht 56 verbindet die Emitterelektroden der Tran-Elektronenstrahl sowohl beim Lauf von der Elektro- sistoren 54 elektrisch untereinander. Die Schicht 56 nenkanone 32 zur Frontplatte 30 als auch beim kann mit der Außenmembran 52 elektrisch verbun-Rücklauf von der Frontplatte 30 zum Elektronen- 20 den sein. Die Kollektorelektrode 58 jedes Transistors vervielfacher 36 gebündelt zu halten, 54 ist mittels eines Leiters 60 mit dem Außenkopf 46

Für den Fachmann versteht es sich, daß nach Aus- des entsprechenden leitenden Elements 42 in der bildung des Ladungsmusters an der Innenfläche der Frontplatte 30 verbunden. Die Leiter 60 können in Frontplatte 30 die Abtastung und die Erzeugung des einen Block 62 aus Isolierstoff eingebettet sein. Zwi-Videosignals in ähnlicher Weise erfolgen wie bei 25 sehen dem Block 62 und den Kollektoren 58 ist ein einer herkömmlichen Orthikon - Fernsehbildauf- Widerstandsbelag 64 vorgesehen. Zwischen dem nahmeröhre, Block 62 und der Frontplatte 30 kann ferner ein

Die Fernsehaufnahmeröhre 12 ist ferner mit dem freier Raum zur Aufnahme von Beanspruchungen üblichen leitenden Wandbelag 41 versehen, der in oder mechanischen Spannungen vorgesehen sein. Es den meisten Kathodenstrahlröhren anzutreffen ist. 30 versteht sich jedoch, daß gegebenenfalls die Leiter 60 Bei üblichen Orthikon-Fernsehbildaufnahmeröhren unmittelbar mit den leitenden Elementen 46 verbunliegt der leitende Belag 41 auf einer verhältnismäßig den sein oder Verlängerungen der leitenden EIehohen positiven Spannung, beispielsweise auf 200 V. mente 42 darstellen können.

Es wurde gefunden, daß demgegenüber eine gestei- Die Pyramidenform der Detektoren 50 entspre-

gerte Empfindlichkeit der Fernsehaufnahmeröhre 12 35 chend F i g. 3 hat verschiedene Vorteile. Zunächst ist nach der vorliegenden Erfindung erzielt werden es erwünscht, möglichst viel Ultraschallenergie aufkann, wenn der leitende Wandbelag 41 auf einer yer- zufangen, und zwar nicht nur wegen des erhöhten hältnismäßig niedrigen positiven Spannung, beispiels- Wirkungsgrades, sondern auch wegen der verbesserweise 10 bis 20 V, gehalten wird. Wie bekannt, führt ten Auflösung des erhaltenen Bildes. Diese Bedindiese niedrigere Wandspannung zu einer geringeren 40 gung erfordert daher, daß eine größtmögliche Fläche Geschwindigkeit des Elektronenstrahls, und es wurde jedes Detektorelements der Welle ausgesetzt ist. Würbeobachtet, daß eine erhöhte Empfindlichkeit zu er- den jedoch dicht beieinanderliegende kubische Dereichen ist, wenn das Ladungsmuster an der Innen- tektorelemente verwendet, würde die sich einstellende fläche der Frontplatte 30 mit einem Elektronenstrahl kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Detekniedriger Geschwindigkeit abgetastet wird. 45 toren die Empfindlichkeit der Anlage ungünstig be-

F i g. 3 stellt eine geschnittene perspektivische An- einflussen. Dieser nachteilige Effekt wird durch die sieht eines Teils der Frontplatte 30 der Fernsehauf- Verwendung der pyramidenstumpfförmigen Detektonahmeröhre 12 dar und zeigt Einzelheiten der Um- ren 50 vermieden. Außerdem ermöglichen die kleiwandlung der reflektierten Ultraschallwelle in ein nen Pyramidenenden eine bequeme Kopplung der entsprechendes Ladungsmuster. In die Frontplatte 30 50 Transistoren an der Stelle höchsten elektrischen Poist eine Mehrzahl von leitenden Elementen 42 ein- tentials der Detektorelemente.

gebettet, die zweckmäßigerweise in einem rechtecki- Es ist ferner erwünscht, daß der statische Druck an

gen Mosaik angeordnet sein können. Jedes leitende allen Seiten der Detektorelemente 50 ausgeglichen Element 42 ist mit einem Kopfteil 44 an der Innen- ist, so daß die Detektoren nur durch die Ultraschallseite der Frontplatte 30 und einem weiteren Kopfteil 55 energie und nicht durch den statischen Meeresdruck an der Außenseite der Frontplatte 30 versehen. Es druckbeaufschlagt werden. So kann der Zwischenist zweckmäßig, wenn auch nicht unbedingt erforder- raum zwischen der Membran 52 und dem Keramiklich, daß der Innenteil 44 jedes leitenden Elements block 62 mit einem isolierenden Medium gefüllt wergeometrisch derart aufgebaut ist, daß der Elek- den, das auf einem Druck gehalten wird, der gleich tronenstrahl 48 das größtmögliche Verhältnis der 60 dem äußeren Meeresdruck ist.

Fläche der Köpfe 44 zur Fläche der freiliegenden F i g. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ein-

Frontplatte 30 anfindet. So sind die Köpfe 44 in den zigen Detektorelementes 50 und läßt erkennen, wie Ausführungsformen der Erfindung entweder drei- die Ladung an jedem leitenden Element 42 die Ineckig, rechteckig oder hexagonal geformt. tensität der Ultraschallwelle an dem entsprechenden Es ist ein entsprechendes Mosaik von Detektor- 65 Detektor50 nach Fig.3 darstellt. Wie aus Fig.4 elementen 50 vorgesehen, wobei die Detektoren als hervorgeht, ist jeder Detektor 50' mit der Basiselek-Wandler dienen, um die Ultraschallwelle in eine Viel- trode eines Transistors 54' verbunden, dessen Kolzahl elektrischer Signale umzuformen, deren Inten- lektor 58' an das entsprechende leitende Element 42

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angeschlossen ist. Ein Lastwiderstand 64' ist eben- aufgedrückt. Wenn der Elektronenstrahl dieses po-

falls mit der Kollektorelektrode 58' verbunden. Ge- sitive Spannungsmuster abtastet, verbleibt ein Teil

eignete Gleichstromquellen 68 und 70 (in F i g. 3 des Strahls auf den leitenden Elementen und neutra-

nicht gezeigt) legen den Arbeitspunkt des Transistors lisiert das positive Ladungsmuster, während der rest-

54 derart fest, daß das Ausgangssignal an der KoI- 5 liehe Elektronenstrahlstrom zu dem Elektronenver-

lektorelektrode 58' eine verstärkte und gleichgerich- vielfacher 36 zurückläuft und das Videosignal bildet,

tete Darstellung der Amplitude des an die Basis- Werden die Polaritäten des Transistors 54' oder der

elektrode angelegten Wechselstromsignals darstellt. Diode 72 umgekehrt, wird den leitenden Elementen

Dieses Wechselstromsignal stellt das Ausgangssignal 42 ein negatives Ladungsmuster aufgedrückt. Wie zu-

des Detektors 50' dar, und seine Intensität ist eine io vor diskutiert, wird zur Abtastung der leitenden EIe-

Funktion der Intensität der Ultraschallwelle, welcher mente 42 vorzugsweise ein Elektronenstrahl niedriger

der Detektor 50' ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird Geschwindigkeit benutzt. Der gesamte Elektronen-

dem leitenden Element 42 eine Ladung aufgedrückt, Strahlstrom wird dann durch die negativen Ladungen

die eine Funktion der Intensität der auf den Detek- abgestoßen und läuft zum elektronenkanonenseitigen

tor 50' auffallenden Ultraschallwelle ist. 15 Ende der Kathodenstrahlröhre zurück. Um den Elek-

Fig. 5 zeigt eine schematische Schaltungsaus- tronenvervielfacher 36 herum kann eine geeignete legung einer vereinfachten Anordnung, die angewen- Abschirmung vorgesehen sein, um nur diejenigen det werden kann, wenn keine Verstärkung des Signals Elektronen aufzufangen, deren Bahn nicht durch ein erforderlich ist. Der eine elektrische Anschluß des negatives elektrisches Feld an der Frontplatte 30 geDetektors 50' ist mit der Anode einer Diode 72 ver- 90 stört ist, so daß nur die auf diese Weise gestörten bunden, und eine Kapazität 74 liegt zwischen der Elektronen in den Elektronenvervielfacher 36 gelan-Kathode der Diode 72 und dem anderen elektrischen gen und ein Ausgangssignal bewirken können. Der Anschluß des Detektors 50'. Das leitende Element 42 Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, daß der steht in elektrischer Verbindung mit der Verbin- Elektronenstrahl das Ladungsmuster nicht zerstört, dungssteile von Diode 72 und Kapazität 74. Diese »5 Das Ladungsmuster kann vielmehr unbegrenzt auf Schaltung arbeitet daher als einfacher Spitzendetek- dem Mosaik aus leitenden Elementen 42 verbleiben tor für das Ausgangssignal des Detektors 50'. In der und nach Wunsch mittels des Elektronenstrahls wie-Praxis ergeben sich Anwendungsfälle, in denen eine derholt abgetastet werden, selbst wenn von dem Mogesonderte Kapazität 74 nicht vorgesehen sein muß, saik der Detektorelemente 50 kein weiteres Signal ersondern statt dessen die zwischen den Elektroden 30 halten wird. Bei der heutigen Entwicklung der auftretende Kapazität des Mosaiks aus leitenden EIe- Gleichrichter und dem hohen spezifischen Widermenten 42 ausgenutzt werden kann. stand von Glas kann das Ladungsmuster bis zu meh-

Die Anlage nach der vorliegenden Erfindung arbei- rere Tage lang auslesbar bleiben. Soll das Muster getet zusammengefaßt wie folgt: Bei der beschriebenen löscht werden, um auf das Mosaik der leitenden EIe-Ausführungsform wird die einfallende Ultraschall- 35 mente 42 ein neues Muster aufzudrücken, braucht welle in ein elektrisches Wechselstromsignal um- die an den Belag 41 angelegte Spannung nur gesteigewandelt, dessen Frequenz der Frequenz der Ultra- gert und das Mosaik mit einem Elektronenstrahl schallwelle entspricht und dessen Intensität eine hoher Geschwindigkeit oder einem »harten« Elek-Funktion der Intensität der Ultraschallwelle am Ort tronenstrahl abgetastet zu werden.
des Wandlers ist. Die hohe Güte Q der bei dieser 40 F i g. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform verwendeten piezoelektrischen Kri- Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, die es stalle führt zu einer Erscheinung, die als passive elek- ermöglicht, jedes beliebige Feldmuster in eine optitrische Verstärkung des Signals bezeichnet werden sehe Darstellung des Feldmusters umzuwandeln. Wie kann und etwa gleich dem ß-Wert des Kristalls ist, gezeigt, ist das Detektormosaik 80 über ein flexibles der im allgemeinen bei einigen Tausend liegen kann. 45 Kabel 82 mit der Frontplatte 84 einer Fernsehauf-Dieses Signal wird dann entweder an einen Tran- nahmeröhre 86 ähnlich der in Verbindung mit F i g. 2 sistor oder eine Diode angelegt, und es erfolgt eine beschriebenen verbunden. Das Mosaik der Detekto-Gleichrichtung und, falls erwünscht, weitere Verstär- ren 80 sieht für jedes leitende Element in der Frontkung. Das Ausgangssignal des Transistors oder der platte 84 der Bildaufnahmeröhre 86 einen Detektor Diode wird unmittelbar durch die Frontplatte der so vor, wobei jedes Detektorelement mittels eines Lei-Röhre hindurchgeführt, um auf der Innenfläche der ters im Kabel 82 mit dem entsprechenden leitenden Frontplatte ein quantisiertes Ladungsmuster zu er- Element mit der Frontplatte 84 elektrisch verbunden halten. Der gewünschte Auflösungsgrad kann daher ist. Im Betrieb wird das Mosaik der Detektoren 80 in einfach durch Wahl der Anzahl leitender Elemente das Feldmuster 81 gebracht, das optisch dargestellt im Mosaik, die durch die Frontplatte hindurchrei- 55 werden soll. Jeder Detektor des Mosaiks liefert ein chen, und Verwendung einer entsprechenden Anzahl elektrisches Signal entsprechend der Intensität des von Wandlern im Detektormosaik berücksichtigt Feldmusters 81 am betreffenden Ort, und dieses werden. Das sich einstellende Ladungsmuster an der Signal wird über das Kabel 82 an die leitenden EIe-Innenfläche kann dort auch für verhältnismäßig lange mente in der Frontplatte 84 angelegt. Wie oben in Zeiträume gespeichert werden, und zwar auf Grund 60 Verbindung mit F i g. 2 erläutert, tastet der Elektroder Elektrodenkapazität zwischen den leitenden EIe- nenstrahl der Bildaufnahmeröhre 86 dann die Innenmenten. Infolgedessen kann die Abtastgeschwindig- fläche der Frontplatte 84 ab, und das erhaltene keit der Anlage in gewünschter Weise gewählt wer- Videosignal kann über einen Leiter 88 an einen herden, wobei das Ladungsmuster zwischen den Ab- kömmlichen Fernsehmonitor 90 angelegt werden, um tastperioden gespeichert bleibt. 65 das Feldmuster 81, welchem das Leitermosaik 80

Bei den in den F i g. 4 und 5 gezeigten Polaritäten ausgesetzt ist, optisch wiederzugeben,

wird dem Mosaik der leitenden Elemente 42 eine Die Art der für das Mosaik 80 gewählten Detek-

positive Spannung oder ein positiver Ladungsmuster torelemente hängt natürlich von der Natur des FeI-

des 81 ab, dessen optische Wiedergabe erwünscht ist. Handelt es sich bei dem Feld 81 beispielsweise um ein Röntgenstrahlfeld, können die Detektoren im Mosaik 80 Szintillatoren sein. Ist das Feld ein Lichtfeld, können die Detektoren Fotoleiter oder Fotozellen sein. Handelt es sich bei dem Feld um ein Infrarot- oder Ultraviolettfeld, können die Detektoren Fotoleiter oder Fotozellen sein, die auf die betreffende Frequenz des Felds ansprechen. Ist das Feld ein statisches elektrisches Feld, können die Detektoren einfach Sonden sein, die unmittelbar an die leitenden Elemente in der Frontplatte 84 angeschlossen sind. Es versteht sich daher, daß die Erfindung allgemein dazu dienen kann, eine optische Darstellung eines beliebigen Feldmusters zu liefern, für das Detektoren zur Verfügung stehen, die eine elektrische Darstellung der Intensität des Feldmusters an einer bestimmten Stelle liefern können.

Mit einer geringfügigen Abwandlung der Anordnung nach F i g. 6 kann eine optische Darstellung der so Temperaturverteilung auf oder in einem Körper erhalten werden, indem an Stelle des Mosaiks der Detektoren 80 eine Mehrzahl von Thermoelementen vorgesehen wird, wobei die Thermoelemente an vorbestimmten Stellen des Körpers angeordnet sind und ihre Ausgänge unmittelbar mit den leitenden Elementen in der Frontplatte 84 verbunden sind.

Aus der Anordnung nach Fig. 6 folgt auch, daß das Feldmuster 81 nicht notwendig ein reflektiertes Feld einer Sendewelle zu sein braucht, wie dies bei der Anordnung nach Fig. 1 dargestellt ist. Die Erfindung kann vielmehr sowohl bei derartigen, mit reflektierten Wellen arbeitenden Anlagen als auch bei Anlagen genutzt werden, wo eine visuelle Darstellung eines beliebigen Feldmusters unabhängig von der Entstehungsgeschichte des Feldmusters erfolgen soll.

Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen Beispiele für Anwendungen der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung darstellen. Beispielsweise ist in den Zeichnungen ein zweidimensionales Mosaik aus Detektoren gezeigt. Es kann aber auch, falls erwünscht, ein eindimensionales oder ein dreidimensionales Mosaik vorgesehen werden.

Claims (10)

45 Patentansprüche:

1. Verfahren zur optischen Darstellung der Feldverteilung einer beliebigen physikalischen Größe unter Verwendung einer Fernsehaufnahmeröhre mit Ausleseelektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung, sofern sie nicht bereits als elektrische Spannungsverteilung vorliegt, außerhalb der Aufnahmeröhre über Detektorelemente in eine entsprechende elektrische Spannungsverteilung umgewandelt wird, diese Spannungsverteilung den äußeren Teilen von mosaikförmig angeordneten, durch die Frontplatte der Aufnahmeröhre hindurchreichenden elektrisch leitenden Elementen aufgedrückt wird, die inneren Teile dieser leitenden Elemente mittels des Ausleseelektronenstrahles abgetastet werden und von dem rückkehrenden Strahlanteil als Funktion der jeweiligen Strahlmodulation ein Videosignal abgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fernsehaufnahmeröhre (12,86) mit einer Frontplatte (30,84) mit einem Mosaik aus leitenden Elementen (42), die durch die Frontplatte hindurchreichen und von denen jedes einen inneren Teil (44) innerhalb der Aufnahmeröhre und einen äußeren Teil (46) außerhalb der Aufnahmeröhre aufweist, ferner durch eine Mehrzahl von Detektorelementen (50,80), welche den äußeren Teilen der leitenden Elemente eine Spannungsverteilung aufdrückt, die kennzeichnend für die optisch wiederzugebende Feldverteilung (20,81) ist, sowie durch eine Ausgangseinrichtung (36), welche auf die Modulation des rückkehrenden Anteils des Ausleseelektronenstrahls anspricht und ein Videosignal erzeugt, das der den äußeren Enden der leitenden Elemente aufgedrückten Spannungsverteilung entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes einem vorbestimmten Koordinatenpunkt der Feldverteilung zugeordneten Detektorelements (50,80) mit dem äußeren Teil (46) eines zugehörigen leitenden Elements (42) in der Frontplatte (30,84) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Detektorelemente (50,80) ein Wandler ist, welcher die Intensität der Feldverteilung (20,81) an einer bestimmten Stelle in ein entsprechendes Spannungssignal umwandelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedes der Detektorelemente (50,80) und das zugehörige leitende Element (42) ein Gleichrichter (72) geschaltet ist, derart, daß dem äußeren Teil (46) des leitenden Elements ein Gleichspannungspotential aufgedrückt wird, dessen Größe proportional der Feldintensität an einer vorbestimmten Stelle der wiederzugebenden Feldverteilung (20,81) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Detektorelement (50,80) und dem zugeordneten leitenden Element (42) ein Halbleiterelement (54,54') angeordnet ist, welches das in dem Detektorelement erzeugte Spannungssignal gleichrichtet und verstärkt, derart, daß dem Außenteil (46) jedes leitenden Elements ein Gleichspannungspotential entsprechend der Intensität der Feldverteilung (20,81) an dem zugeordneten Detektorelement aufgedrückt wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Ultraschallfeldverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (50,80) im Mosaik der Detektorelemente ein piezoelektrischer Kristall zur Umwandlung der Ultraschallintensität an einer gegebenen Stelle der Feldverteilung in ein elektrisches Signal entsprechender Intensität ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Detektorelementen (50, 80) eine Fokussiereinrichtung (24) vorgeschaltet ist, welche die darzustellende Ultraschallenergie bündelt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der piezoelektrischen Kristalle (50,80) ein Kegelstumpf ist, dessen größerflächiges Ende der Feldverteilung ausgesetzt ist und dessen kleinerflächiges Ende mit dem zugeordneten leitenden EIe-

ment (42) des Mosaiks leitender Elemente elektrisch verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch ein entsprechendes Mosaik aus Transistoren (54,54'), deren Eingangselektroden mit den Ausgängen der zugeordneten Detektorelemente (50,80) verbunden sind, deren gemeinsame Elektroden (56,56') untereinander elektrisch verbunden sind und deren Ausgangselektroden (58,58') mit zugeordneten leitenden Elementen (42) in der Frontplatte (30, 84) der Aufnahmeröhre (12,86) verbunden sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Röntgenstrahl-Feldverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Detektoren (50, 80) in dem Mosaik der Detektorelemente ein Szintillator ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Ultraviolett-Feldverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Detektoren (50,80) in dem Mosaik der Detektorelemente eine auf die Wellenlänge der Ultraviolettverteilung ansprechende Fotozelle ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Infrarot-Feldverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Detektoren (50,80) des Mosaiks der Detektorelemente eine auf die Wellenlänge der Infrarotverteilung ansprechende Fotozelle ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Lichtverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (50,80) in dem Mosaik der Detektorelemente eine auf die Wellenlänge der Lichtverteilung ansprechende Fotozelle ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6 zur Wiedergabe einer Wärmeverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (50,80) in dem Mosaik der Detektorelemente ein Thermoelement ist.

16. Fernsehaufnahmeröhre zur Anwendung in einer Vorrichtung entsprechend einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 15, mit einer Frontplatte mit einem Mosaik aus leitenden Elementen, die durch die Frontplatte hindurchreichen und die jeweils einen inneren Teil innerhalb der Fernsehaufnahmeröhre sowie einen äußeren Teil außerhalb der Fernsehaufnahmeröhre aufweisen, sowie mit einer Elektronenkanone zur Erzeugung eines die inneren Teile der leitenden Elemente abtastenden Elektronenstrahls, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung (36) zur Erzeugung eines Videosignals entsprechend der jeweiligen Modulation des rückkehrenden Anteils des Elektronenstrahls, das kennzeichnend für die dem Mosaik in der Frontplatte aufgedrückte Spannungsverteilung (20,81) ist.

17. Fernsehaufnahmeröhre nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen benachbart der Elektronenkanone (32) angeordneten Elektronenvervielfacher (36).

18. Fernsehaufnahmeröhre nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche die von der Frontplatte (30,84) in Richtung auf die Elektronenkanone (32) zurücklaufenden Elektronen in den Elektronenvervielfacher (36) leitet.

19. Fernsehaufnahmeröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des inneren Teils (44) jedes leitenden Elements (42) erheblich größer als die Querschnittsfläche des durch die Frontplatte hindurchreichenden Teils (42) des Elements ist.

20. Vorrichtung mit einer Fernsehaufnahmeröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 19, gekennzeichnet durch einen an die Fernsehaufnahmeröhre (12,86) angeschlossenen, mit dem Videosignal beaufschlagten Fernsehbetrachtungsmonitor (28,90).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1169 500,

1186102; deutsche Patentanmeldung P13363 VIII a/21 a¹

(bekanntgemacht am 5.4.1956);

USA.-Patentschriften Nr. 2 015 570, 2 453 502,

528 725, 2 528 726, 2 571163, 2 952 796,

067 81, 3 095 517;
067281,3 095 517;

»Elektronische Rundschau«, 10. Jahrgang, 1956,
Heft 6, S. 153 bis 157, Heft 7, S. 193 bis 197,
und Heft 8, S. 225 bis 226.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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