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Fernsehaufnahmeröhre mit Elektronenstrahlabtastung des auf einer lichtempfindlichen
Speicherschicht entworfenen Ladungsbildes Die Erfindung betrifft eine Fernsehaufnahmeröhre
mit lichtempfindlicher Speicherschicht. Das optisch erzeugte Ladungsbild führt auf
dieser zu einer entsprechenden Potentialverteilung, die zur Modulation eines abtastenden
Elektronenstrahls verwendet werden kann. Der Modulationsstrom ist proportional zur
jeweils gespeicherten Ladungsintensität. Um die einzelnen Stellen des Ladungsbildes
voneinander unabhängig zu machen, muß jede abgetastete Elementarfläche der Speicherschicht
eine größere Kapazität gegen Erde haben als die Kapazität zwischen benachbarten
Elementen.
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Es sind derartige Fernsehaufnahmeröhren bekannt, bei denen die Spannungsdifferenz
zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Speicherschicht zwischen zwei Werten
umschaltbar ist, von denen der eine zur Unterstützung der Speicherung und der andere
zum Lesen und Löschen des Ladungsbildes dient. Das Potential der Anode bzw. der
Speicherschicht kann hierzu beispielsweise zwischen zwei Werten, etwa zwischen 0
und 50 Volt, umgeschaltet werden.
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Oft ist es jedoch erwünscht, ein Ladungsbild mit geringem Kontrast
zu verstärken bzw. zu entwickeln, derart, daß die einzelnen Bildelemente des Ladungsbildes
sich in ihren relativen Potentialwerten stärker voneinander unterscheiden und so
bei der Ablesung einen stärkeren Kontrast ergeben.
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Die erfindungsgemäße Fernsehaufnahmeröhre mit Elektronenstrahlabtastung
des auf einer lichtempfindlichen Speicherschicht entworfenen Ladungsbildes, bei
welcher die Spannungsdifferenz zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Speicherschicht
zwischen zwei Werten umschaltbar ist, von denen der eine zur Unterstützung der Speicherung
und der andere zum Lesen bzw. Löschen des Ladungsbildes dient, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Speicherschicht in an sich bekannter Weise aus einem photoleitenden Material
besteht, das Sekundäremissionseigenschaften besitzt, daß die erste Spannungsdifferenz
einen Wert hat, bei dem die Strahlelektronen mit einer Energie auf die Schicht auftreffen,
die für alle Stellen des Ladungsbildes einem Arbeitspunkt im negativen Widerstandsteil
der Sekundäremissionskurve entspricht, so daß eine Verstärkung des Ladungsbildes
eintritt, und daß die zweite Spannungsdifferenz einen Wert hat, bei dem die Strahlelektronen
mit einer Energie auf die Schicht auftreffen, die einem Abschnitt der Sekundäremissionskurve
mit positivem Widerstand entspricht, so daß der Elektronenstrahl ein dem verstärkten
Ladungsbild entsprechendes Ausgangssignal liefert.
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Das in den Perioden, in welchen keine Ablesung des Ladungsbildes stattfindet,
angelegte Potential bewirkt also erfindungsgemäß nicht die Speicherung, sondern
eine Verstärkung des anschließend abzulesenden Bildes. Hierzu wird z. B. eine Spannung
von etwa 55 Volt angewandt, um für alle Stellen des Ladungsbildes den negativen
Widerstandsteil der Sekundäremissionskurve zu erreichen. Auf diese Weise ist es
möglich, eine getreue Halbtonwiedergabe zu erzielen.
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Die Erfindung beruht darauf, daß alle Stoffe mit Sekundäremissionseigenschaften
eine Sekundäremissionskurve, d. h. eine Abhängigkeit des Sekundäremissionsstromes
von der Energie der Primärelektronen aufweisen, bei der sich an einen etwa linear
vom Ursprung ansteigenden Abschnitt ein mehr oder weniger stark abfallender Abschnitt
anschließt. In diesem Abschnitt sinkt also die Stromstärke mit zunehmender Spannung,
d. h., das Material hat in diesem Bereich einen negativen Widerstand.
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Es ist bekannt, daß bei einer dielektrischen Speicherschicht mit hohem
spezifischem Widerstand
ein Ladungsbild durch gleichmäßigen Elektronenbeschuß
verstärkt bzw. konserviert werden kann. Infolge des negativen Widerstandes :des
Materials in dem erwähnten Bereich sind nämlich nur zwei stabile Arbeitspunkte möglich,
die dem Kathodenpotential, bzw. dem Potential der Auffangvorrichtung für die Sekundärelektronen
entsprechen. Man kommt so zu einer reinen Schwarzweißwiedergabe. Halbtöne können
mit diesem bekannten Verfahren nicht gespeichert werden.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine an sich bekannte photoleitende
Speicherschicht benutzt, bei der also der örtliche Schichtwiderstand von der Belichtung
abhängt. Der durch Elektronenbeschuß nach der Erzeugung eines Ladungsbildes hervorgerufene
negative Widerstand liegt dem Schichtwiderstand an den einzelnen Bildstellen parallel,
derart, daß stabile Arbeitspunkte auf dem negativen Widerstandsteil der Sekundäremissionskurve
erreicht werden, die zu einer im wesentlichen linearen Verstärkung des Ladungsbildes
führen. Außerdem wird hierdurch die Zeitkonstante des Schichtwerkstoffs heraufgesetzt,
so daß eine längere Speicherung ermöglicht wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin
ist F i g.1 ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Speicherröhre mit angeschlossener
Umschaltvorrichtung und F i g. 2 eine typische Sekundäremissionskurve für einen
Stoff, der als Werkstoff der Speicherschicht in der Speicherröhre nach F i g 1 verwendbar
ist.
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F i g.1 zeigt, daß der Röhrenkolben 10 (z. B. aus Glas) einen erweiterten
Abschnitt 11 und einen engeren Abschnitt 12 aufweist. Der erweiterte Abschnitt 11
kann mittels einer Fensterplatte 13 abgeschlossen sein, die aus einem in einem breiten
Frequenzband durchlässigen Material, wie Aluminiumoxyd, Calciumfluorid oder Bariumfluorid,
bestehen kann und unmittelbar an den Kolben 10 aasgeformt sein kann. Der
teil 12 ist in bekannter Weise mittels eines Glasfußes 14 abgeschlossen. Ein Elektronenstrahlsystem
15 befindet sich im Teil 12. Es umfaßt eine Kathode 16, eine Steuerelektrode 18
und eine Anode 20. Konstruktion und Betrieb solcher Strahlsysteme sind bekannt.
Die indirekt geheizte Glühkathode 16 besitzt einen Glühfaden 17, der zu zwei Anschlüssen
19 herausgeführt ist. Die Kathode 16 liegt auf Erdpotential, während die Steuerelektrode
zwischen Spannungswerten von Null und -3 Volt umgeschaltet wird, wie nachstehend
noch näher erläutert wird. Die Anode 20 kann auf einem positiven Spannungswert von
etwa 0,5 Kilovolt gegen die Kathode liegen.
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Ferner befinden sich im Teil 12 Ablenkplatten 22 und 24, auf die periodisch
veränderliche Ablenk-Spannungen gegeben werden können, um die horizontale und vertikale
Ablenkung des vom Strahlsystem 15 erzeugten Elektronenstrahls zu erzeugen. Diese
Ablenkung dient dazu, daß der Elektronenstrahl einen Speicherschirm 30 abtastet,
der sich unmittelbar hinter der Fensterplatte 13 befindet.
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Die Speicherelektrode 30 ist beispielsweise für sichtbare Strahlung
empfindlich und enthält einen Träger 31, der aus einem durchsichtigen Stoff, wie
Glas, besteht. Auf der dem Fenster 13 abgewandten Seite des Trägers 31 befindet
sich eine dünne durchsichtige Elektrode 32, die beispielsweise aus einer sehr dünnen
Gold- oder Zinnoxydschicht besteht. Auf der Elektrode 32 befindet sich eine Speicherschicht
33 aus einem belichtungsabhängigen Material, wie Antimontrisulfid, Arsentrisulfid
oder Arsentriselenid. Die Elektrode 32 ist über eine Durchführung 34 mit einer umschaltbaren
Spannungsquelle verbunden.
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Zwischen den Ablenkplatten 22 und 24 und der Speicherelektrode 30
befinden sich mehrere zylindrische Elektroden 35, 36 und 37, die zusammen eine Elektronenoptik
zur Konzentration des Strahls auf die Speicherschicht bilden. Die Elektroden 35
bis 37 liegen beispielsweise an Spannungen von 0,5, 1 und 1,8 Kilovolt. Ein Bremsgitter
38, das auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 37 liegen kann, befindet sich
unmittelbar vor der Oberfläche der Speicherschicht 33. Das Bremsgitter 38 dient
zur Aufnahme mindestens eines Teils der von der Speicherschicht 33 emittierten Sekundärelektronen
sowie zur Erzeugung eines gleichförmigen elektrischen Feldes, worin die Elektronen
des Elektronenstrahls ohne Divergenz verlangsamt werden, so daß sie rechtwinkelig
und mit geringer Energie auf die Speicherschicht 33 auftreffen.
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Die dargestellteAusführungsform, die in bekannter Weise mit Strahlrückkehr
ausgestattet ist, enthält ferner einen Elektronenvervielfacher 40. Er befindet
sich im Kolbenteil 12 und umgibt die Steuerelektrode 18. Er dient zur Erzeugung
eines Ausgangssignals entsprechend der Intensität des rückkehrenden Ablesestrahls.
Während des Ablesevorgangs wird das vom Elektronenvervielfacher 40 erzeugte Signal
über eine Verbindungsleitung 41 einem Verstärker 67 zugeführt.
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Die Speicherschicht 33 ändert ihre Leitfähigkeit entsprechend der
Intensität der durch das Fenster 13 auftreffenden Belichtung. Diese Leitfähigkeitsänderung
führt wegen der an der Speicherschicht 33 liegenden Spannung zu einem Stromfluß
in der Schicht 33, wodurch ein Ladungsbild an der freien Oberfläche derselben entsteht.
Man kann sich vorstellen, daß die Speicherschicht--mosaikartig aus sehr vielen einzelnen
Elementen zusammengesetzt ist, und die freie Oberfläche jedes dieser Elemente nimmt
entsprechend der an dieser Stelle herrschenden Lichtintensität eine bestimmte Ladung
an. Wesentlich ist hierbei, daß die freie Oberfläche der einzelnen Elemente eine
größere Kapazität gegen Erde (Elektrode 32) hat, als die Kapazität zwischen benachbarten
Elementen beträgt. Ein so erzeugtes Ladungsbild hat aber insbesondere bei schwacher
Belichtung oft einen sehr geringen Kontrast und ist deshalb nicht auswertbar. Will
man die Empfindlichkeit der Anordnung verbessern, so ist es oft wünschenswert, den
Kontrast zu verstärken, d. h. das Ladungsbild ähnlich wie in der Photographie zu
entwickeln. Diese Entwicklung bedeutet eine Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen
den einzelnen verschieden belichteten Stellen der Speicherschicht.
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Erfindungsgemäß geschieht die Entwicklung des latenten Ladungsbildes
mittels des aus dem Strahlsystem 15 stammenden Elektronenstrahls, der bei einer
nachfolgenden Abtastung auch das verstärkte Ladungsbild aus der Speicherschicht
33 abliest. Die Art, in der das Ladungsbild durch einen Elektronenstrahl verstärkt
werden kann, wird an Hand der F i g. 2 erläutert. Als Abszisse ist hier die Spannung
der Speicherschicht gegen Kathode und als Ordinate die resultierende, von der Speicherschicht
abgeführte Stromstärke aufgetragen. Die Kurve ist eine typische
Sekundäremissionskennlinie
für belichtungsabhängige Widerstände, wie sie bei den beschriebenen Röhren verwendet
werden. Am Punkt A, der einer Spannung von etwa 4 Volt in der dargestellten Kurve
entspricht, macht, wie man sieht, die Sekundäremissionskurve eine plötzliche Richtungsänderung.
Bei weiterer Spannungszunahme über den Punkt A hinaus sinkt die Stromstärke in der
Speicherschicht mit zunehmender Spannung, d. h., das Material hat in diesem Spannungsbereich
einen negativen Widerstand. Dieser negative Widerstand rührt davon her, daß das
Sekundäremissionsverhältnis in diesem Bereich bei steigender Spannung zunimmt. In
diesem Bereich kann die erfindungsgemäße Verstärkung des Ladungsbildes stattfinden.
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Wenn zwei Punkte B und C auf dem Kurventeil mit negativem Widerstand
die Zustände zweier Elementarstellen B und C der Speicherschichtoberfläche mit verschiedenen
Potentialen entsprechend der einfallenden Belichtung darstellen, so verläuft die
Verstärkung des Ladungsbildes auf der Oberfläche der Schicht 33 folgendermaßen:
An beiden Stellen B und C ist das Sekundäremissionsverhältnis kleiner als 1, so
daß beim Eintreffen eines Elektronenstrahls im Ergebnis Elektronen an den betreffenden
Stellen der Schicht 33 zugeführt werden. Das Ausmaß dieser Elektronenvermehrung
hängt von der Lage des betreffenden Punktes auf der Kurve ab. Beide Stellen B und
C laden sich im vorliegenden Beispiel negativ auf, aber da Punkt B tiefer als Punkt
C auf der Kurve liegt, ist die Sekundäremission von der Stelle B kleiner als diejenige
von der Stelle C. Damit lädt sich bei gleicher Strahlstromstärke die Stelle B stärker
negativ auf als die Stelle C. Die Aufladung ist bei diesem Verstärkungsverfahren
proportional zu der an der Stelle bereits vorhandenen Ladung. Diese verschieden
starke Aufladung bewirkt die gewünschte Verstärkung oder Entwicklung des Ladungsbildes.
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Nach dem Abtasten der Schicht 33 zwecks Entwicklung des latenten Ladungsbildes
wird die Schicht 33 vom gleichen Elektronenstrahl abermals abgetastet, um die Information
abzulesen. Die hierfür geeignete Spannung ist aber nicht die gleiche wie für die
Kontrastverstärkung. Deshalb wird die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Speicherschirm
zwischen zwei verschiedenen Werten umgeschaltet.
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Die periodische Umschaltung der Schirmspannung geschieht im vorliegenden
Beispiel mittels eines Multivibrators 60. Eine genauere Beschreibung desselben dürfte
sich erübrigen. Ein mit der Netzfrequenz arbeitender Synchrongenerator 61 dient
zur Auslösung des Multivibrators 60. Dieser ist bistabil, und jede der beiden Röhren
T1 und T2 leitet mit der halben Frequenz des Auslösepulses.
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Die Ausgangsspannung der Röhre T1 wird auf einen Spannungsteiler 62
gegeben. Zwei gegeneinandergeschaltete Dioden 63 und 64 dienen zur abwechselnden
Zuführung von Spannungen von 45 und 55 Volt an eine gemeinsame Stelle des Spannungsteilers
62. Zwei weitere Dioden 65 und 66 dienen zur abwechselnden Verbindung der Steuerelektrode
18 mit zwei Spannungen von Null und -3 Volt. Die Umschaltung der Steuerelektrodenspannung
dient zur Steuerung der Strahlstromdichte. Während des Entwicklungsabschnitts jeder
Periode ist die Röhre T2 leitend und die Röhre T1 gesperrt. In diesem Fall wird
die Spannung von +55 Volt der Elektrode 32 der Speicherelektrode 30 zugeführt, während
an der Steuerelektrode 18 die Spannung von Null Volt liegt. Gleichzeitig wird die
Ausgangsspannung der Anode von T2, die eine Rechteckschwingung mit halber Netzfrequenz
darstellt, dem Ausgangsverstärker 67 als Austastimpuls zugeführt, um das vom Sekundäremissionsvervielfacher
40 gelieferte Signal zu sperren. Während des anderen Abschnitts der Periode, worin
die Ablesung stattfindet, ist T1 leitend und T2 gesperrt. Infolgedessen liegt am
Spannungsteiler 62 eine niedrige Spannung, und die Diode 64 wird geöffnet, während
die Diode 63 gesperrt ist. Somit herrscht auf der Leitung 34 und an der Elektrode
32 der Speicherelektrode 30 eine Spannung von 45 Volt, während gleichzeitig die
Steuerelektrode 18 ein Potential von -3 Volt aufweist. Damit sind die günstigsten
Bedingungen für die Ablesung des Ladungsbildes hergestellt, wobei gleichzeitig der
Ausgangsverstärker 67
geöffnet ist.
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Im vorliegenden Beispiel bewirkt der Ablesestrahl gleichzeitig auch
die Löschung des Ladungsbildes. Die Ablesespannung von 45 Volt ist nämlich so gewählt,
daß während der Ablesung die Anordnung auf dem Abschnitt der Sekundäremissionskurve
mit positivem Widerstand betrieben wird, so daß alle Elementarstellen der Speicherplatte
im wesentlichen auf Erdpotential zurückgeführt werden. Hierdurch tritt die Löschung
des Ladungsbildes ein.
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Um eine Speicherröhre in der beschriebenen Weise zu betreiben, müssen
drei Grundvoraussetzungen erfüllt sein. Diese sind: 1. ein negativer Widerstandsbereich
in der Sekundäremissionskurve der Speicherschicht von ausreichender Steigung, um
einen Gewinn durch verschiedene Aufladung zu ermöglichen; 2. eine Zeitkonstante
der Speicherschicht von ausreichender Länge, damit die Ladungen so lange auf der
Oberfläche bleiben, bis sie vom Abtaststrahl abgelesen werden; 3. eine ausreichende
Strahlstromstärke, um die Entwicklung des latenten Bildes zu ermöglichen. Es wurde
gefunden, daß diese Voraussetzungen bei verschiedenen Röhrentypen existieren, darunter
zahlreichen Vidicons, Orthicons mit dünnen Widerstandsschichten und vielen Bildspeicherröhren.
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Ein zusätzlicher Vorteil der beschriebenen Strahlumschaltung ist die
Verringerung des Ableserauschens. Da die Speicherschicht einen Widerstand darstellt,
ergibt sich infolge der Potentialdifferenz an den Oberflächen der Widerstandsschicht
auch ohne Belichtung bereits ein Strom. Dieser Dunkelstrom hat oft eine beträchtliche
Größe. Wenn der Dunkelstrom vom Ablesestrahl geliefert wird, so können kleine Schwankungen
des Dunkelstroms zu entsprechenden Schwankungen des rückkehrenden Strahls führen
und dadurch Fehler im Ausgangssignal hervorrufen. Der Hauptanteil des Dunkelstroms
wird dabei vorzugsweise während der Entwicklungsperiode geliefert. Während des Ablesens
braucht also die Strahlstromstärke nur so gering zu sein, daß das Ladungsbild erkennbar
ist. Dies bedeutet eine wesentlich geringere Strahlintensität als bei der bekannten
Betriebsweise dieser Röhren.
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Mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise können bekannte Fernsehaufnahmeröhren
wegen der Empfindlichkeitserhöhung bei geringeren Belichtungen als bisher verwendet
werden.