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Lichtelektrischer Wandler Die Erfindung betrifft einen lichtelektrischen
Wandler für Fernsehzwecke, der optische Bilder für Ubertragungszwecke in ein Bildsignal
umwandelt.
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Die Erfindung beseitigt insbesondere Schwierigkeiten, die bei Farbfernsehaufnahmeeinrichtungen
mit derartigen Wandlern auftreten. Die Erfindung ist auch bei Schwarz-Weiß-Aufnahmeeinrichtungen
und bei Normenwandlern vorteilhaft anwendbar.
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Bei Farbfernsehaufnahmeeinrichtungen ist es bekannt, von einem Aufnahmegegenstand
mehrere, beispielsweise zwei, drei oder vier Bildauszüge zu erzeugen. Beispielsweise
wird das Bild in einen die reine Helligkeit darstellenden Bildauszug und in einen
roten, grünen und blauen Bildauszug zerlegt. Unabhängig von der Zahl der farbbildauszüge
werden die Bildauszüge einzeln auf die Schirme von getrennten Kathodenstrahlröhren
projiziert, die somit je einen Bildauszug erhalten und zur Erzeugung eines Bildsignals
abgetastet werden. Zur Erzielung einwandfreier Farbfernsähsignale müssen die
Bilder
in den einzelnen Aufnahmeröhren in Größe und Form Übereinstimmen. Außerdem müssen
die Abtastungen in den einzelnen Aufnahmeröhren mit einem hohen Maß an Genauigkeit
synchron und übereinstimmend verlaufen, d.h. einander entsprechende Punkte auf den
Bildschirmen der verschiedenen Aufnahmeröhren müssen stets genau zum gleichen Zeitpunkt
abgetastet werden. Irgendwelche Abweichungen in der Abtastung in einer der Röhren
muß entsprechend auch in den anderen Röhren durchgeführt werden. Wenn diese Bedingungen
nicht genügend genau erfüllt sind, entstehen in den von den Farbbildsignalen erzeugten
Bildern Fehler, weil bei der Wiedergabe die einzelnen, überlagerten Bildauszüge
gegeneinander versetzt sind. Diese Fehler bestehen beispielsweise in Farbrändern
bei einem Schwarz-Weiß-Bild oder in Farbtonverfälschungen.
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Die erste der beiden genannten Forderungen, nämlich die nach übereinstimmender
Größe der auf den Schirmen der Aufnahmeröhren abgebildeten Bildauszüge, läßt sich
verhältnismäßig leicht einhalten, weil die optischen Mittel, wie Linsen und Spiegel,
zur Projizierung der Bilder mit hoher Genauigkeit verfügbar sind und die einmal
eingestellte Justierung sich im allgemeinen nicht ändert. Die zweite Forderung,
nämlich die Übereinstimmung in den Abtastungen der Aufnahmeröhren, läßt sich hingegen
nur schwer einhalten. Das Ablenkraster, mit dem der einer Aufnahmeröhre zugeführte
Bildauszug abgetastet wird, wird in der Aufnahmeröhre durch einen Elektronenstrahl
gebildet, der ein Fokussierfeld und ein Ablenkfeld
durchläuft. Form,
Größe und Zage des Abtastrasters sind abhängig von der Genauigkeit, mit der Ablenkung
und Fokussierung durchgeführt werden können, und von der Genauigkeit der Herstellung
und der Anbringung der Elektroden innerhalb der Aufnahmeröhre. Äußere Felder und
in der Nähe befindliche metallische Gegenstände können bereits eine Verzerrung des
Ablenkrasters in der Aufnahmeröhre hervorrufen. Diese Verzerrungen sind im allgemeinen
in den einzelnen Aufnahmeröhren unterschiedlich, selbst wenn die Aufnahmeröhren
die gleichen Abmessungen haben und eng zusammen in einer Kamera enthalten sind.
ferner sind die Form, Größe und Lage des Ablenkrasters einer Röhre abhängig von
den Fokussier- und Ablenkströmen, die den entsprechenden Spulen der RöhreÄ zugeführt
werden, von dem Strahljustierstrom und dem Zentrierstrom der röhre sowie von den
Werten der verschiedenen, an die einzelnen Elektroden der Aufnahmeröhre angelegten
Spannungen.
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Es besteht also eine Vielzahl von Unsicherheitsfaktoren und von während
des Betriebs veränderlichen Größen, von denen jede eine Abweichung des Ablenkrasters
einer Röhre von dem der anderen Röhren bewirken kann, wodurch -die Einhaltung der
genannten zweiten Forderung in der Praxis erschwert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Schwierigkeiten
zu vermeiden. Durch die Erfindung wird ein für Farbfernsehzwecke, Schwarz-Weiß-Zwecke
und Normenwandlerzwecke geeigneter
Bildwandler geschaffen, der in
der Herstellung einfach und billig ist, hohe Empfindlichkeit sowie ein hohes Signal/Rausch-Verhältnisaufweist,
und dessen einwandfreie Wirkungsweise nicht von einer Vielzahl von veränderlichen
Größenabhängig ist.
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Die Erfindung besteht bei einem lichtelektrischen Wandler mit einem
schichtförmigen Aufbau darin, daß eine elektronendurchlässige und lichtundurchlässige
erste Schicht vorgesehen ist, auf deren einen Seite eine fotoleitende zweite Schicht
mit elektrischen Ladungseigenschaften, und auf deren anderen Seite eine fotoleitende
oder fotoemittierende, relativ trägheitslose dritte Schicht angeordnet ist, daß
auf der Außenseite der zw&ten und dritten Schicht je eine lichtdurchlässige,
leitende Schicht vorgesehen ist, zwischen denen eine Spannung angelegt ist, und
daß ein Ladungsmuster, das auf der zweiten Schicht durch Projektion eines optischen
Bildes durch die auf dieser Schicht befindliche lichtdurchlässige Schicht hindurch
entsteht, durch die erste Schicht Punkt für Punkt abgebaut wird, wenn auf den entsprechenden
Punkt der dritten Schicht durch die darauf befindliche lichtdurchlässige, leitende
Schicht hindurch ein Lichtpunkt bestimmter Intensität auftrifft.
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Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Wandlers wird ein optisches Bild
der durch die auf der Außenseite/zweiten Schicht befindliche lichtdurchlässige,
leitende Schicht hindurch auf die zweite Schicht projiziert. Dieses Bild erzeugt
auf der zweiten Schicht ein elektrisches Ladungsbild,cias auf dieser Schicht gespeichert
wird und dem projizierten Bild entspricht. Solange die dritte Schicht
unbeleuchtet
ist, bleiben die einzelnen Ladungen der Bildpunkte in dem Ladungsbild erhalten,
bis sie durch Leckströme in dieser Schicht abfließen. Diese Ladungen fließen jedoch
nicht über die lichtundurchlässige und elektronendurchlässige erste Schicht ab.
Wenn. jedoch die dritte Schicht durch die auf ihr angeordnete lichtdurchlässige
leitende Schicht hindurch mit einem abgelenkten Lichtstrahl geeigneter Stärke abgetastet
wird, wird das Ladungsbild der zweiten Schicht abgetastet, so daß ein entsprechendes
Bildsignal in dem an die beiden äußeren leitenden Schichten angeschlossenen Ausgangskreis
erscheint. Dies ist darauf zurückzuführen, daB bei jeder Lage des Lichtstrahles
die dem Lichtstrahl gegenüberliegende Ladung auf der anderen Seite der ersten Schicht
über diese erste Schicht abgebaut wird. Der abgelenkte Lichtstrahl kann z.B. durch
eine als Lichtpunktabtaster arbeitende Elektronenstrahlröhre erzeugt werden. Wenn
die geforderte Genauigkeit der Ablenkung es zuläßt, kann dieser Lichtstrahl auch
durch rotierende Spiegel erzeugt werden. Die Erzeugung des Bildsignals aus dem optischen
Bild weicht also von der.Wirkungsweise einer bekannten FernsehaufnahmerÖhre ab,
so daß bei der erfindungsgemäßen Lösung der Einfluß einer Vielzahl von Betriebsgrößen
und die Notwendigkeit hoher Genauigkeit in der Herstellung und in der Wirkungsweise
entfallen. Die einzige notwendige Kathodenstrahlröhre ist der Lichtpunktabtaster,
der lediglich einen urmodulierten Lichtstrahl erzeugt. Dieser Lichtstrahl dient
nur dazu, die einzelnen Ladungen in dem Ladungsbild bei der Abtastung nacheinander
abzubauen.
Die lichtundurchlässige und elektronendurchlässige erste
Schicht kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Die lichtdurchlässige, leitenden
äußeren Schichten können aus einem dünnen Metall-oder Metalloxydbelag auf der äußeren
Oberfläche der zweiten und dritten Schicht bestehen. Als Material für den Metallbelag
kann beispielsweise Gold verwendet werden. , _ Die zweite Schicht kann beispielsweise
eine fotoleitende Schicht" sein, wie sie für den Schirm einer Vidikonaufnahmeröhre
verwendet wird.
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Die dritte Schicht kann entweder eine fotoleitende oder fotoemittierende
Schicht sein. Diese Schicht soll eine geringe Eigenverzögerung haben, d.h. auf Lichtänderungen
schnell ansprechen. Ein praktischer Wert dieser Verzögerung liegt in der Größenordnung
einer Mikrosekunde.
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Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich mit verhältnismäßig kleinen
Abmessungen herstellen. Er kann beispielsweise aus einzelnen Scheiben mit einem
Durchmesser von ungefähr 25 mm bestehen.
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Eine Farbfernsehaufnahmeeinrichtung läßt sich mit mehreren erfindungsgemäßen
Wandlern in vorteilhafter Weise dadurch verwirklichen, daß mittels optischer Mittel
mehrere Bildauszüge eines Aufnahmegegenstandes durch die lichtdurchlässigen, leitenden
äußeren Schichten getrennter Wandler hindurch auf deren zweite
Schichten
projiziert und daß die dritten Schichten aller Wandler durch die auf diesen Schichten
angeordneten lichtdurchlässigen, leitenden äußeren Schichten hindurch mit einem
gemeinsamen Lichtpunktabtaster abgetastet werden.
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Bei einer Schwarz-Weiß-Aufnahmeeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen
Wandler kann ein Lichtpunktabtaster zusammen mit dem Wandler in einer Kathodenstrahlröhre
angeordnet sein, die außerhalb ihres Leuchtschirmes eine Fiberoptikplatte und außerhalb
dieser Platte den mit seiner dritten Schicht dieser Platte zugewandten Wandler enthält.
. Ein Fernsehnormenwandler läßt sich mit einem erfindungsgemäßen Wandler dadurch
verwirklichen, daß ein mit einem Fernsehsignal einer ersten Norm erzeugtes Bild
durch die auf der Außenseite der zweiten Schicht befindliche lichtdurchlässige,
leitende Schicht hindurch auf die zweite Sc$icht projiziert, daß die dritte Schicht
durch die auf ihrer Außenseite befindliche lichtdurchlässige Schicht hindurch mit
einem Lichtstrahl nach einem Ablenkraster einer zweiten Norm abgetastet und von
dem Wandler ein Bildsignal nach einer zweiten Norm abgenommen wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an mehreren
Ausführungsbeispielen erläutert. Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen
Wandlers, Big. 2 eine Schwarz-Weiß-Aufnahmeeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen
Wandler und Fig. 3
eine Farbfernsehaufnahmeeinrichtung mit mehreren
erfindungsgemäßen. Wandlern. In Fig. 4 ist die Anwendung eines erfindungsgemäßen
Wandlers für einen Normenwandler erläutert.
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Fig. 1, die eine nicht maßgebliche Darstellung ist, zeigt eine kreisförmige
Scheibe 1, die lichtundurchlässig, jedoch elektronendurchlässig ist und beispielsweise
aus einer dünnen Siliziumschicht besteht. Auf der einen Seite der Scheibe 1 liegt
eine Scheibe 2, die aus einem Belag aus einem fotoleitenden Material besteht, wie
es beispielsweise bei dem fotoleitenden Schirm einer Vidikonaufnahmeröhre verwendet
wird. Auf der anderen Seite der Scheibe 1 ist eine dritte Scheibe 3 angeordnet,
die ebenfalls aus einem fotoleitenden oder einem fotoemittierenden Material besteht.
Auf den äußeren, d.h. der Scheibe 1 abgewandten Oberflächeader Scheiben 2 und 3
sind dünne Metallbeläge 4,5 angeordnet, die beispielsweise aus Gold bestehen und
lichtdurchlässige, leitende Außenbeläge der gesamten Anordnung darstellen. An die
Beläge 4,5 sind Leiter 6,7 angeschlossen.
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Für den Betrieb wird eine positive Spannung über einen Widerstand
8 an die Leitung 6 und eine negative Spannung an die Zeitung 7 angelegt. Ein Bild
eines durch einen Pfeil 16 dargestellten Aufnahmegegenstandes wird mittels einer
Zinse 17 durch den Belag 4 hindurch auf der Scheibe 2 abgebildet. Ein Lichtstrahl
von einem als Kathodenstrahlröhre ausgebildeten Lichtpunktabtaster 9 wird
mittels
einer Optik 18 dazu verwendet, die Scheibe 3 durch den Belag 5 hindurch abzutasten.
Das Ausgangssignal wird an einer Klemme 10 von der Zeitung 6 abgenommen. Das auf
die Scheibe 2 projizierte Bild ist im allgemeinen rechteckig mit einem Seitenverhältnis
von 4 x 3 entsprechend der heutigen Fernsehpraxis. Bei Abwesenheit einer Beleuchtung
hat die Scheibe 2 einen hohen Widerstand, und ihre Zeitfähigkeit steigt mit wachsender
Beleuchtungsintensität an. Wenn ein optisches Bild auf die Scheibe 2 projiziert
wird, so ändert sich die Zeitfähigkeit dieser Scheibe von Punkt zu Punkt entsprechend
der jeweiligen Helligkeit des Punktes. Durch den Ladungsspeichereffekt der Scheibe
2 entsteht auf der Scheibe 2 ein dem optischen Bild entsprechendes Ladungsbild.
Es sei angenommen, daß die Scheibe 3 eine fotoleitende Schicht ist, wenngleich,
wie schon erwähnt, sie auch eine fotoemittierende Schicht sein kann. Ebenso wie
die Scheibe 2 ist auch die Scheibe 3 bei der Abwesenheit von Licht hochohrig und
bei Belichtung niederohmig.
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Die Verzögerung in der fotoleitenden Eigenschaft, d.h. der Zeitunterschied
zwischen dem Auftreffen des Lichtes und der Anderung des Widerstandes, sollte klein
sein und in der Größenordnung einer Mikrosekunde liegen, so da.ß die Schicht ihren
Widerstand praktisch trägheitslos entsprechend der Zunahme und Abnahme des auffallenden
Lichtes ändert.
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Die physikalischen Vorgänge, die in einer Einrichtung nach Fig. 1
vor sich gehen, sind zum Teil noch nicht ganz geklärt oder können zumindeßt
auf verschiedene Weise erklärt werden. Eine Erklärung für
die Wirkungsweise
besteht darin, daß die Anordnung als zwei in Reihe geschaltete Fotodioden betrachtet
wird. Wegen ihres geringen Ableitwiderstandes kann. die Scheibe 2 als ein Mosaik
einer Vielzahl einzelner .Fotodioden angesehen werden, deren Zeitfähigkeit von der
durch das Bild erzeugten Ladung abhängt. In jedem Augenblick ist nur der Punkt der
Scheibe 3 leitend, der durch den Lichtpunktabtaster 9 abgetastet wird. Aus diesem
Grunde ist der Signalstrom, der in einem bestimmten Augenblick in dem Ausgangskreis
8 fließt, abhängig von der Helligkeit des Bildes an dem Punkt der Scheibe 2, der
in diesem Augenblick dem abtastenden Lichtstrahl gegenüberliegt.
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Für eine Schwarz-Weiß-Aufnahmeeinrichtung kann eine Anordnung nach
Fig. 1 zusammen mit dem Lichtpunktabtaster in einem einzigen kathodenstrahlrÖhrenaufbau
zusammengefaßt sein. Eine solche Ana:.inung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Röhre
enthält in ihrem Röhrenhals die nicht dargestellte Elektronenkanone zur Erzeugung
des abgelenkten Elektronenstrahls und die üblichen elektrostatischen oder elektromagnetischen
Ablenkmittel, sowie, falls notwendig, zusätzliche Fokussiermittel. Mit diesen Mitteln
wird auf dem Leuchtschirm 11 ein feiner Lichtpunkt erzeugt, der den Schirm 11 entsprechend
dem gewünschten Fernsehraster zeilenweise abtastet. Ebenfalls innerhalb der Röhre,
und zwar auf der Außenseite des Bildschirmes 11, befindet sich eine Fiberoptikplatte
12 und außerhalb dieser die schichtförmige, gemäß der Erfindung ausgebildete Anordnung.
Der Aufnahmegegenstand wird wieder auf die Scheibe 2 projiziert, und der
Lichtstrahl
tastet die Scheibe 3 durch die Fiberoptikplatte 12 hindurch ab.
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Fig. 3 zeigt eine Farbfernsehaufnahmeeinrichtung für drei Farbauszüge,
die drei erfindungsgemäße Wandler D1, D2, D3, je einen für jeden Bildauszug, enthält.
Die drei Bildauszüge des durch den Pfeil 16 dargestellten Aufnahmegegenstandes werden
mit der Linse 17 und mit Spiegeln M1, M2, M3 jeweils auf die Scheibe 2 der Wandler
D1, D2, D3 projiziert. M1 und M2 sind halbversilberte Spiegel und F1, F2, F3 verschieden
gefärbte Farbfilter. Die Scheiben 3 der einzelnen Wandler D1, D2, D3 werden mit
einem Lichtstrahl abgetattet, der in einem Lichtpunktabtaster 9 erzeugt und mittels
Spiegel M11, M12, M13 auf die einzelnen Wandler umgelenkt wird. Auch hier sind die
beiden Spiegel M11, M12 halbversilbert. Es ist ersichtlich, daß die eingangs beschriebenen
Schwierigkeiten bei der Erzielung einer übereinstimmenden Abtastung in den drei
Farbaufnahmeeinrichtungen vermieden werden=, da die Abtastung der drei Einrichtungen
mit einem gemeinsamen abgelenkten Strahl erfolgt. Die einzige Einrichtung, in der
überhaupt eine Ablenkung erzeugt wird, ist der Lichtpunktabtaster 9, der lediglich
einen unmodulierten abgelenkten Strahl erzeugt, der dann über optische Mittel die
Wandler D1, D2, D3 abtastet. Diese optischen Mittel können mühelos übereinstimmend
und so genau hergestellt werden, daß die Ablenkungen in den drei Wandler D1, D2,
D3 übereinstimmen.
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Bei dem Normenwandler nach Fig. 4 werden Fernsehsignale gemäß einer
ersten, urzusetzenden Norm in einer bekannten Einrichtung 13 verarbeitet
und
zur Erzeugung eines Bildes in einer Wiedergaberöhre 14 verwendet. Dieses Bild wird
mit bekannten Mitteln auf den Belag 4 eines erfindungsgemäßen Wandlers abgebildet.
Die Scheibe 3 dieses Wandlers wird mit einem Lichtpunktabtaster 9 abgetastet, der
ein Ablenkraster gemäß einer zweiten Fernsehnorm erzeugt. Die dazu erforderlichen
Ablenkströme und Spannungen werden in einer Einheit 15 erzeugt. An der Klemme 10
kann jetzt ein Bildsignal entsprechend einer zweiten Norm abgenommen werden.