Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 328244 Festkörper-Bildverstärker Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkör- per-Bildverstärker.
Im Hauptpatent ist ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Bildverstärkers und ein nach diesem Verfahren hergestellter Bildverstärker beschrieben, welcher imstande ist, ein Strahlungsbild wiederzu geben und zu verstärken. Dieser Verstärker besteht aus einem Gebilde, welches aus einer elektrolumines zierenden Leuchtphosphorschicht und einer photo empfindlichen Schicht besteht, welche Schichten zwi schen zwei plattenartigen Elektroden liegen.
Mit die sen beiden Elektroden ist eine Wechselspannungs- quelle verbunden, und die Impedanz der photoemp findlichen Schicht ist so bemessen, dass sie bei nicht vorhandener Strahlung so hoch ist, dass die an die Elektroden angelegte Spannung die Leuchtphosphor- schicht nicht zum Lumineszieren bringen kann. In Anwesenheit einer erregenden Strahlung wird jedoch die Impedanz der photoempfindlichen Schicht so weit herabgesetzt, dass ein grösserer Teil der Spannung an der Leuchtphosphorschicht liegt, wodurch diese zum Lumineszieren kommt.
Wie im Hauptpatent beschrieben, ist die photo empfindliche Schicht besonders ausgebildet, um die notwendige Impedanzsteuerung zur Regelung der an die Leuchtphosphorschicht angelegten Spannung zu vermitteln. In dieser Form besteht diese photoemp findliche Schicht aus einer Grundplatte aus Quarz oder Photoformglas, welche eine Anzahl unter sich einen Abstand aufweisende querverlaufende öffnun- gen aufweist, die mit einem aufgedampften photolei tenden Stoff, wie z. B. Kadmiumsulfid, überzogen sind.
Der die Öffnungen verkleidende photoleitende Stoff bildet den die variable Impedanz aufweisenden Teil der Vorrichtung und dient dazu, den Grad der Er regung des benachbarten Leuchtphosphors zu steuern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesse- rung des Festkörper-Bildverstärkers gemäss Patentan spruch II des Hauptpatentes und bezweckt die Schaf fung einer Wiedergabevorrichtung, welche zwischen der Leuchtphosphorschicht und der photoempfind lichen Schicht eine Rückkopplung derart verwendet; dass eine getreue Wiedergabe eines vorgegebenen Bil des entsteht, welche Wiedergabe graue Schatten und ebenso extreme Pegel von starkem Licht und schwa chem Licht aufweist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bei spielsweisen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 einen Querschnitt in schematischer Form durch einen Festkörper-Bildverstärker, die Fig. 2 verschiedene Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise desselben, die Fig. 3 einen vergrösserten Schnitt durch einen Teil eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegen standes, die Fig. 4 einen vergrösserten Schnitt der photo empfindlichen Schicht der Fig. 3, die Fig. 5 einen Schnitt durch eine Kathoden strahlröhre, welche eine Zelle nach Fig. 3 verwendet, die Fig. 6 das Blockschema einer Schaltung,
wel ches die Röhre nach Fig. 5 verwendet, die Fig. 7 einige Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 6 und die Fig. 8 in schematischer Weise eine Schaltvor richtung, welche in Verbindung mit einer lamellierten Zelle verwendet wird, deren Konstruktion in geringem Ausmass von derjenigen der Fig. 3 abweicht.
In der Fig. 1 ist die aus einer lamellierten Zelle bestehende Wiedergabevorrichtung mit 1. bezeichnet. Die Zelle weist eine Tragplatte 2 auf, die beispiels weise aus Glas besteht, einen durchsichtigen Film aus leitendem Material 3, z. B. aufgedampftes Silber, oder eine Schicht, die durch die Reaktion von S.tano- chlorid mit der Glasplatte entsteht, welches auf eine Seite der Platte 2 aufgebracht worden ist, weiter eine Schicht aus photoleitendem Material 4, die z.
B. aus Kadmiumsulfid besteht und auf den Film 3 aufge bracht ist, ferner eine Schicht 5 aus elektrolumines zierendem Leuchtphosphor, welche auf die Schicht 4 aufgebracht ist, ferner einen weiteren Film 6 aus lei tendem Material auf der Leuchtphosphorschicht 5 und schliesslich eine weitere Glasplatte 7, die auf dem Film 6 aufliegt. Eine (in der Fig. 1 nicht gezeigte) lichtdämpfende Isolierschicht kann zwischen die Schichten 4 und 5 eingebracht sein, um die Rück kopplung zwischen diesen Schichten zu begrenzen. Eine Wechselstromquelle von 600 Volt Spannung und einer Frequenz von 400 Hz ist mit den Filmen 3 und 6 verbunden.
Unter der Annahme, dass keine Strahlung auf die photoempfindliche Schicht 4 fällt, ist die Impedanz dieser Schicht so hoch, dass ein un genügender. Teil der angelegten Spannung an der Leuchtphosphorschicht 5 liegt, um diese zu erregen. Wenn jedoch eine Strahlung auf die Schicht 4 fällt, wird die Impedanz dieser Schicht genügend herabge setzt, dass die nun an der Leuchtphosphorschicht 5 liegende Spannung so weit ansteigt, dass diese zum Lumineszieren kommt. Durch richtige Bemessung der Impedanzen der beiden Schichten 4 und 5 kann da für gesorgt werden, dass die Schicht 5 mit einer Hel ligkeit luminesziert, die der einfallenden Strahlung entspricht, die auf die photoempfindliche Schicht 4 gelangt.
Die Grundlagen der Arbeitsweise einer der artigen Wiedergabevorrichtung sind im Hauptpatent beschrieben.
Wenn die Leuchtphosphorschicht 5 luminesziert, wird ein gewisser Teil der Lumineszenz an die photo leitende Schicht 4 zurückgeworfen. Dieses zurück geworfene oder rückgekoppelte Licht bewirkt eine weitere Änderung der Impedanz der Schicht 4 und damit eine weitere Erregung der Leuchtphosphor- schicht 5. Falls man diesem Vorgang nicht Einhalt gebietet, stellt sich ein Sättigungszustand ein, bei wel chem der Leuchtphosphor weiter luminesziert und das auf die photoleitende Schicht fallende Rück kopplungslicht dazu dient, diesen Sättigungszustand aufrechtzuerhalten.
Die vorerwähnte Rückkopplungs- oder Mitkopp- lungswirkung wird leicht anhand der Fig. 2 verständ lich. Diese zeigt den Verlauf der erzeugten Helligkeit einer Wiedergabevorrichtung, wobei der von einer Flächeneinheit des Leuchtphosphors ausgesandte Lichtfluss als Funktion der Beleuchtung des photo leitenden Stoffes dargestellt ist.
Die Kurven sind be stimmt unter der Annahme, dass 1. die Helligkeit der elektrolumineszierenden Schicht mit der dritten Po tenz der angelegten Wechselspannung zunimmt; 2. die photoleitende Schicht in linearer Weise auf die Be leuchtung anspricht; 3. die Kapazität der photoleiten den Schicht ungefähr 201/o der Kapazität einer gleich grossen Fläche der benachbarten elektrolumineszieren den Schicht beträgt; und 4. der Leistungsfaktor der elektrolumineszierenden Schicht vernachlässigbar klein ist (beispielsweise kleiner als 0,15).
Auf der Abszisse ist die einfallende Beleuchtung auf der photoleitenden Schicht in Millilumen/cm2 auf getragen. Die Ordinate stellt die Leuchtphosphor- helligkeit ebenfalls in Millilumen/cm2 dar.
Die S- förmige Kurve 8 zeigt den Verlauf der erzeugten Helligkeit des Wiedergabeschirmes beim Fehlen von Lichtrückkopplung, während die gerade Linie 9 die Beleuchtung der photoleitenden Schicht 4 darstellt, die durch die Strahlung der Leuchtphosphorschicht bewirkt wird, wobei angenommen wird, dass ungefähr 10% des Lichtes der Leuchtphosphorschicht 5 an die Schicht 4 rückgekoppelt wird.
Es ist klar, dass sobald der Leuchtphosphor 5 auf ungefähr 8,5 Helligkeitseinheiten (Punkt 10) erregt worden ist, wofür eine Beleuchtung der photoleiten den Schicht von ungefähr 0,75 Einheiten erforderlich ist, diese Beleuchtung durch Rückkopplung zwischen der Leuchtphosphorschicht und dem photoleitenden Stoff erzeugt werden kann, worauf der Leuchtphos- phor diese Helligkeit aufrechterhält, ohne dass wei tere äussere Strahlung auf die photoleitende Schicht auffällt. Durch diese Mitkopplung wird die Zelle hin sichtlich der Helligkeit in einen Gleichgewichtszu stand gebracht, welcher stabil ist.
Man erkennt, dass ein gleichartiger stabiler Zustand oder Gleichge wichtszustand hinsichtlich Helligkeit am Punkt 11 vorliegt, in welchem sich die beiden Kurven 8 und 9 schneiden. Wie ersichtlich, ist ein dritter Gleichge wichtspunkt 12 vorhanden, in welchem sich die bei den Kurven 8 und 9 schneiden. Dieser Punkt 12 ist jedoch unstabil. Seine Bedeutung liegt in der Tat sache, dass eine anfängliche Erregung auf einem Punkt, welcher etwas unterhalb 0,3 Einheiten liegt, zur Folge hat, dass die Phosphorhelligkeit in Rich tung auf den tiefer gelegenen Helligkeitspunkt ab nimmt. Eine Erregung oberhalb des Punktes 12 hat eine sich steigernde Helligkeit zur Folge, bis der obere Punkt 10 des stabilen Gleichgewichtes erreicht ist.
Die Sättigungshelligkeit, welche dem Punkt 10 entspricht, wird unbegrenzt aufrechterhalten, solange die Erregerspannung an den Schirm angelegt wird. Um den Schirm selbst zu löschen, ist es nötig, die Erregerspannung kurzzeitig herabzusetzen oder zu unterbrechen, und zwar derart, dass die Verstärkung des Schirmes so stark abnimmt, dass die obern Gleich gewichtspunkte 12 und 10 verschwinden (gestrichelte Kurve der Fig. 2).
Die durch die Kurven der Fig. 2 gekennzeichnete Wirkungsweise kann auf verschiedene Arten verwen det werden, um Bilder zu erzeugen, welche entweder keine Halbtöne (Schatten der Farbe Grau) aufweisen oder Bilder, welche getreue Wiedergaben in der Grau skala eines gegebenen Bildes darstellen.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine Form eines Wie dergabeschirmes, welcher eine optische Rückkopp lung zur Verstärkung eines Bildes verwendet. Der Schirm besteht aus einer Glasplatte 13, welche einen durchsichtigen leitenden Film 14 aus irgendeinem ge- eigneten Material, z. B. aus Stannooxyd, trägt. Auf diesem Film 14 ist eine Schicht 15 aus elektrolumi neszierendem Leuchtphosphor vorhanden, welche mit einer Platte 16 aus perforiertem Glas in Berührung steht. Dieses Glas besteht vorzugsweise aus üblichem Photoformglas, welches photographisch in genau um schriebenen Mustern geätzt werden kann, um eine Anzahl Öffnungen 18 zu erzeugen, die unter sich einen Abstand aufweisen.
Die obere Oberfläche der perforierten Glasplatte trägt einen metallischen über zug 19, der beispielsweise durch Aufdampfen aufge bracht werden kann. Während dieses Aufdampfens muss dafür gesorgt werden, dass sich kein Metall an den Innenwänden der Öffnungen 18 niederschlägt. Zu diesem Zweck füllt man die Öffnungen mit einem feinen Pulver aus Glas, Kalk oder Magnesiumoxyd oder einem gleichartigen fein zerteilten Pulver un mittelbar vor der Aufdampfung des Metalls. Nach der Aufdampfung wird das genannte Pulver aus den Öffnungen entweder herausgeschüttelt oder ausge blasen.
Das photoleitende Material, also z. B. Kadmium sulfid, wird von der Unterseite der Glasplatte 16 auf die Wände der Öffnungen 18 aufgedampft. Das auf der Unterseite der Glasplatte niedergeschlagene Kad- miumsulfid wird dann durch Abschleifen oder der gleichen entfernt. Somit ist jede Öffnung 18 mit einer photoleitenden Auskleidung versehen, welche an ihrem obern Ende mit dem metallischen Überzug 19 und an ihrem untern Ende mit der Leuchtphosphor- schicht 15 in Berührung steht.
In einer Ausführungsform des Erfindungsgegen standes ist die Glasplatte 16 undurchlässig für das Licht, welches von der Leuchtphosphorschicht 15 ausgeht. Durch diese Massnahme ist der Rückkopp lungsweg für das Licht zwischen dem Leuchtphosphor und der photoleitenden Schicht so begrenzt, dass das von einem elementaren Flächenteil der Leuchtphos- phorschicht ausgestrahlte Licht nur das zugeordnete Element, nicht aber die seitlich angrenzenden Ele mente der photoleitenden Schicht erreichen kann.
Man erkennt nun, dass jede Öffnung 18 zusam men mit dem benachbarten elementaren Flächenteil des Leuchtphosphors 15 ein Element des Wieder gabeschirmes bildet, welches unter der Voraussetzung genügend hoher Empfindlichkeit des photoleitenden Stoffes und des Leuchtphosphors eine Verstärkung erzeugen kann, welche grösser ist als die Lichtrück kopplung zwischen dem Leuchtphosphor und dem photoleitenden Stoff. Wenn diese Verhältnisse vor liegen, reproduziert der Schirm ein gegebenes Bild mit einer Helligkeit, welches dem Sättigungspunkt 10 der Fig. 2 entspricht.
Der Schirm der Fig. 3 ist auf der Vorderseite der Kathodenstrahlröhre 21 der Fig. 5 montiert, welche in jeder Beziehung eine übliche Fernsehbildröhre ist. Die Öffnungen 18 öffnen sich nach innen, so dass der Elektronenstrahl 22 auf die photoleitende Ver kleidung 20 auftreffen kann. Der Strahl 22 wird in üblicher Weise gemäss den Fernsehnormen über den Schirm geführt, und zwar mit Hilfe der rein schema tisch dargestellten Ablenkspulen 23.
Wenn der Elek tronenstrahl beispielsweise die photoleitende Verklei dung 20 einer Öffnung 18 trifft, wird die Impedanz dieser Verkleidung durch die durch das Auftreffen des Elektronenstahls erzeugte Leitfähigkeit vermin dert, wodurch über dem benachbarten Leuchtphos- phorelement 15 eine höhere Erregerspannung zur Wirkung kommt. Somit bewirkt ein Strahl von gleich förmiger Intensität, welcher mit den üblichen Fre quenzen über den Bildschirm geführt wird, das Lumi neszieren des ganzen Schirmes. Durch Verwendung der Rückkopplung vom Leuchtphosphor aus leuchtet der ganze Schirm mit Sättigungshelligkeit auf.
Man erkennt, dass der Verstärkerschirm der Fig. 3 und 5 keine Tragplatte auf der Oberseite der perfo rierten Glasplatte 16 aufweist. Indem man den Schirm in dieser Weise konstruiert, kann er im evakuierten Kolben einer Kathodenstrahlröhre montiert werden, wie dies die Fig. 5 zeigt, wobei die einzelnen photo leitenden Verkleidungen 20 direkt dem abtastenden Strahl 22 ausgesetzt sind.
Wenn man vorderhand annimmt, dass die Zeit konstante des Photoleiters 20 verglichen mit der Rasterdauer des herzustellenden Fernsehbildes sehr kurz ist, stellt sich die Helligkeit jedes Elementes von selbst auf den obern oder untern Gleichgewichtsheilig keitspegel 10 bzw. 11 in einem kleinen Bruchteil der Rasterdauer ein. Daher wäre die während eines Rasters beobachtete durchschnittliche Helligkeit prak tisch gleich derjenigen des obern oder untern Gleich gewichtspegels 10 oder 11, und Zwischentönungen (Schatten von Grau) würden vollständig fehlen. Die sem Mangel in der Wiedergabe der Grauskala kann abgeholfen werden, wenn der verwendete Photoleiter auf Beleuchtungsänderungen mit einer Zeitkonstanten antwortet, welche mit der Rasterdauer vergleichbar ist.
Dieser Zustand lässt sich erreichen, indem ent weder die chemische Zusammensetzung des photo leitenden Stoffes 20 geändert wird, um die richtige Zeitkonstante zu erhalten oder indem man die Ab tast- oder Rasterdauer ändert, um die Zeitkonstante des Photoleiters entweder gleich oder grösser als die Rasterdauer zu machen. Wenn die Zeitkonstante auf diese Art eingestellt ist, wird die Geschwindigkeit, mit welcher irgendein elementarer Flächenteil des Wiedergabeschirmes sich dem Gleichgewichtswert nähert, so langsam, dass die Gleichgewichtshelligkeit während der Periode eines Rasters nie ganz erreicht wird.
Der Helligkeitsdurchschnitt über die Periode eines Rasters hängt daher vom Pegel der anfänglichen Erregung ab oder, mit andern Worten ausgedrückt, enthält das durch den Leuchtphosphor wiederge gebene Bild graue Schatten, welche den grauen Schat ten im erregenden Bild entsprechen. Wie man er kennt, ist es also möglich, Bilder einerseits ohne Grauskala oder Grauabtönungen und anderseits Bil der zu reproduzieren, welche Grautönungen enthal ten. Nun soll das Problem der Beendigung der Rück kopplung unmittelbar vor dem Erreichen der Sätti gungshelligkeit betrachtet werden.
Es wurde bereits erwähnt, dass man die Sättigungshelligkeit dadurch löschen kann, dass man die Erregerspannung kurz zeitig unterbricht oder auf einen genügend niederen Wert verringert, so dass die Spannung ungenügend wird, um den Leuchtphosphor zu erregen. Für die Wiedergabe eines Fernsehbildes muss jedoch der Schirm für jeden Raster einmal in seinen unerregten Zustand gebracht werden.
Wie man aus dem Dia gramm a der Fig. 7 ersieht, wird der Fernsehschirm während der aktiven Periode der Abtastung, welche mit 24 bezeichnet ist, in Richtung auf die Sättigungs helligkeit erregt und während der Rücklaufperiode 25 die Erregerspannung des Schirmes kurzzeitig stark vermindert oder vollständig unterbrochen, um den Schirm in seinen unerregten oder verdunkelten Zu stand zurückzuführen. Diese Steuerung des Schirmes kann mit Hilfe der Schaltung der Fig. 6 erreicht wer den.
Eine geeignete Abtastvorrichtung 26 von übli chem Aufbau liefert die Abtastsignale (Fig. 7a) an die Ablenkspulen 23. Diese gleichen Abtastsignale gelangen an eine übliche Löschschaltung 27, welche die geeigneten Löschimpulse 28 während jedes Rück laufes 25 erzeugt. Die Erregerspannung für den Wie dergabeschirm 1 wird durch einen Tonfrequenzgene- rator 29 geliefert, welcher durch die Löschimpulse 28 ein- und ausgeschaltet werden kann.
Eine zufrieden stellende Betriebsart besteht darin, die Impulse 28 zur Sperrung des Generators 29 zu verwenden, wo durch die Erregerspannung für den Schirm 1 abge schaltet wid.
Man erkennt somit, d-ass für jede aktive Periode der Abtastung 24, welche die Periode eines Rasters darstellt, die Erregerspannung an den Schirm 1 ange legt wird, und dass während der Rücklaufintervalle 25 die Erregerspannung für den Schirm 1 abgeschaltet ist. Während der aktiven Abtastperiode 24 kann der Schirm 1 sich infolge der Rückkopplungswirkung der Sättigungshelligkeit nähern, aber während der ver hältnismässig geringen Zeitkonstanten des Photoleiters wird diese Sättigungshelligkeit nie ganz erreicht.
Obwohl die Wiedergabe eines verstärkten Fern sehbildes mit der Verwendung der Schaltung nach Fig. 6 möglich ist, ergibt sich eine übertrieben starke vertikale Schattierung, da den untern Teilen des Schirmes wesentlich weniger Zeit zur Verfügung steht, um sich dem obern stabilen Helligkeitszustand zu nähern, und diese untern Teile des Schirmes zei gen sich dem Betrachter auch in einer bedeutend kürzeren Zeitdauer, wodurch die scheinbare Hellig keit in den unten gelegenen Teilen des Bildes ab nimmt. Daher sollte der Schirm nicht gleichzeitig über seine ganze Fläche, sondern nur in elementaren Flächenteilen aberregt werden, wie z. B. in einzelnen horizontalen Linien oder gleichzeitig in einer Gruppe von horizontalen Linien.
Die Fig. 8 zeigt einen Wiedergabeschirm, welcher praktisch gleich demjenigen der Fig.3 ist mit der Ausnahme, dass der leitende Film auf der Leucht- phosphorschicht 15 aus einer Anzahl horizontal ge geneinander isolierter und parallel verlaufender Strei fen 30 besteht, die einzeln mit einem mechanischen Drehschalter oder Verteiler 31 verbunden sind, so dass in irgendeinem Zeitpunkt nur einer der Streifen 30 von der Erregerspannungsquelle 32 abgeschaltet ist.
Der Schalter besteht aus einer Anzahl Statorkon- takte, die durch die Pfeile dargestellt sind, und aus einem Rotorkontakt 33, welcher einen vollständigen Zyklus in der Periode eines Fernsehbildrasters aus führt. Die Drehung des Rotors 33 ist mit dem Elek tronenstrahl derart synchronisiert, dass der abgeschal tete Streifen 38 genau einen Schritt vor dem Streifen liegt, der durch den Strahl abgetastet wird.
Durch das erwähnte Schaltmittel wird die Erre gerspannung an den elementaren Flächenteilen des Wiedergabeschirmes 1 der Reihe nach unterbrochen, wodurch der vorgängig erwähnte vertikale Schatten effekt verhindert wird.