Mechatronik » Die Bildröhre

Bauformen bei Bildröhren

Die ursprünglich eingesetzten Bildröhren waren gleich aus mehreren Gründen mehr oder weniger stark in horizontaler wie vertikaler Richtung gewölbt. Da durch das Vakuum im Innern einer Bildröhre ein enormer Aussenluftdruck auf den Glaskörper wirkt, bietet sich ein gewölbte Bauweise schon aus Stabilitätsgründen an. (Diese gewölbte Bauweise findet man zum Beispiel auch bei Staudämmen.)Neben der grösseren Stabilität erleichtert die Wölbung auch die genaue Fokussierung des Elektronenstrahles in den äusseren Bildbereichen, da der Winkel in dem der Strahl auf die Maske trifft mit zunehmender Krümmung immer günstiger wird. Da sich die Entfernung zwischen Elektronenkanone und Bildmitte von der Entfernung zum seitlichem Bildrand unterscheidet, treten hier gewisse Unterschiede in der Laufzeit des Elektronenstrahles auf. Je stärker ein Bildschirm gewölbt ist, um so geringer ist der Entfernungsunteschied und folgerichtig auch die Laufzeitabweichung.

Shortneck
Um die ursprünglich recht lange Bauweise dieser Bildröhren zu verkürzen, werden zunehmend sogenannte Shortneck-Bildröhren eingesetzt, deren Elektronenstrahlkanonen sich näher an der Bildschirmoberfläche befinden. Dadurch können die Monitorgehäuse nach hinten etwas kürzer gebaut werden, was insbesondere bei grossen Bilddiagonalen Vorteile mit sich bringt. Allerdings muss bei diesen Bildröhren der Elektronenstrahl stärker seitlich abgelenkt werden, was einen erhöten Aufwand bei der Ansteuerung und Fokussierung notwendig macht. Problematisch ist hier vor allem der ungünstige Winkel, mit dem der Elektronenstrahl in den äusseren Bildteilen (besonders an den Seiten und in den Bildecken) auf die Bildschirmmaske trifft. Darüber hinaus ist die Strecke von der Elektronenkanone bis in die Bildwinkel wesentlich länger als bis zur Bildschirmmitte, was unter anderem bei der Steuerung der Strahlenintensität berücksichtigt werden muss, um eine gleichmässige Bildhelligkeit zu erzielen.

Flache Bildröhren
Die neueste Entwicklung im Bereich der Monitore ist eine absolut flache Bildröhre, die keine erkennbare Wölbung der Bildschirmoberfläche mehr aufweist. Diese Bildröhre soll durch die flache Oberfläche wesentlich weniger störende Reflexionen erzeugen und Vorteile bei der Bildgeometrie bringen. Ebenso wie bei den Shortneck-Röhren ist auch bei diesen extremen Flachbildröhren die genaue Fokussierung des Elektronenstrahls in den Bildecken ein Problem, das nur mit grossem Aufwand gelöst werden kann. Die angeblichen Vorteile der Bildgeometrie sind bei eingehender Betrachtung nicht so eindeutig nachvollziehbar wie es viele Hersteller in ihren Publikationen darstellen. Selbstverständlich ist die geometrisch richtige Darstellung eines Bildes auf einer planen Oberfläche naturgemäss bedeutend einfacher zu realisieren als auf einer gewölbten Fläche, Geometriefehler entstehen aber auch durch eine ungenaue Steuerung beziehungsweise durch eine Ablenkung des Elektronenstrahles durch starke äussere Felder.
Die geometrisch absolut korrekte Darstellung bei TFT Bildschirmen resultiert jedenfalls nicht allein aus der planen Display-Oberfläche, sondern vor allem aus der Tatsache, dass bei dieser Technologie jeder Bildpunkt einzeln an- und abgeschaltet werden kann, im Gegensatz dazu muss bei den Röhrenmonitoren mehr oder weniger genau auf das jeweilige Pixel gezielt werden .
Eine Gleichsetzung von planer Bildröhre und TFT-Flachbildschirm ist demnach nicht möglich.

Monitormasken

- Allgemein
Alle Masken haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile; die Maske für alle Anwendungen gibt es nicht.
Allgemein gilt: Je kleiner der Punktabstand einer Bildschirmmaske ist, um so schärfer ist auch die Darstellung des Bildes auf dem Monitor. Von wenigen Anwendungszwecken einmal abgesehen, ist dabei die Entscheidung für eine bestimmte Maskentechnologie letztendlich eher unerheblich; eine ganze Reihe anderer Parameter beeinflussen die Bildqualität zu einem mindestens ebenso großen Teil.

- Lochmasken
Wenngleich Lochmasken die älteste Form der heute gebräuchlichen Bildschirmmasken bei Farbmonitoren darstellen, sind die doch keine Auslaufmodelle und werden nach wie vor auch in hochwertigen Geräten verwendet. Wie der Name bereits andeutet, handelt es sich bei diesen Masken um dünne Metall- oder Keramikplatten, die mit einer Vielzahl von kleinen Löchern versehen sind. Durch diese wird der Elektronenstrahl immer auf den richtigen Dot gelenkt, sofern eine einwandfreie Montage erfolgt ist und keine hitzebedingte Verformung vorliegt. Da sich eine Bildschirmmaske im Betrieb aber durch die auftretenden Elektronen zwangsläufig erwärmt, ist die Wahl des Materials insbesondere bei Lochmasken - weniger bei Streifenmasken - von großer Bedeutung. Häufig wird eine metallische Legierung mit dem Namen Invar benutzt, da dieses Material einen extrem kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.

Der Punktabstand wird bei Lochmasken stets diagonal gemessen, und zwar zwischen benachbarten Dots der gleichen Farbe. Die auch Dot-Pich genannten Abstände lassen sich nicht direkt mit denen einer Streifenmaske vergleichen, da hier der Punktabstand durch eine horizontale Messung ermittelt wird. Durch Unterschiede in der Punktkonfiguration verschiedener Bildröhrenhersteller kann eine Umrechnung der diagonalen Werte in horizontale nicht so ohne weiteres vorgenommen werden.

- Streifenmaske
Monitore, die den Typenzusatz "Trinitron" oder "Diamondron" im Namen führen, sind mit einer Streifenmaske, dem sog. Aperture Grill, ausgestattet. Statt durch eine durchlöcherte Metallplatte werden die Elektronen bei dieser Maskentechnologie durch eine Vielzahl vertikal gespannter Drähte, die Stahlfilamente, auf die Phosphorschicht geschossen. Diese setzt sich nicht aus farbigen Dots oder Punkten zusammen, sondern besteht aus vertikalen Phosphorstreifen, die in den Grundfarben abwechselnd angeordnet sind.

Der Punktabstand wird im Gegensatz zur Lochmaske nicht diagonal, sondern horizontal gemessen und liegt daher in den Werten leicht unter denen eines Monitors mit herkömmlicher Bildschirmmaske. Streifenmasken sind relativ unempfindlich gegen die im Betrieb entstehende Wärme, da sie sich nicht verbiegen, sondern lediglich in ihrer Länge ändern. Dem entgegen steht allerdings eine größere Empfindlichkeit in bezug auf mechanische Belastung, wie sie unter Umständen bei Stößen gegen das Gehäuse auftreten. Zur Stabilisierung werden je nach Monitorgröße eine bzw. zwei horizontale Haltedrähte eingesetzt, die sich als sehr feine graue Linien im oberen sowie im unteren Drittel des Bildschirms bemerkbar machen.

- Schlitzmaske
Schlitzmasken sind bereits in der Fernsehtechnik etabliert. Sie vereinen charakteristische Merkmale von Loch und Streifenmasken. Unter dem Namen Chrom-Clear hat NEC eine Bildschirmmaske mit ovalen Öffnungen und einer Phosphorkonfiguration entwickelt, die in ähnlicher Weise auch bei Streifenmasken verwendet wird. Der Punktabstand wird aus diesem Grund ebenfalls horizontal gemessen.

- Maskenvergleich
Lochmasken bieten im Vergleich zu Streifenmasken zwar eine geringere Durchlässigkeit für den Elektronenstrahl - und somit theoretisch auch eine geringere Leuchtkraft -, sind aber mechanisch wesentlich stabiler und kommen ohne störende Dämpfungsdrähte der Trinitron- bzw. Diamondron-Röhren aus. Sie stehen zudem im Ruf eine besonders präzise Darstellung zu ermöglichen, die besonders im CAD-Bereich geschätzt wird.
Bildröhren mit Streifenmasken weisen eine kontrastreiche und farbbrilliante Darstellung auf, da sie einerseits den Elektronenstrahl weniger behindern und andererseits die Leuchtfläche pro Bildpunkt größer ist. Das ermöglicht eine stärkere Tönung der im übrigen sehr wenig gewölbten Bildröhre und wirkt sich günstig auf kontrastreiche Darstellung aus. Die mechanisch nur wenig belastbare Streifenmaske reagiert empfindlich auf Stöße gegen das Gehäuse oder Schwingungen, wie sie bspw. eingebaute Lautsprecher hervorrufen können.
Schutzmasken bzw. Weiterentwicklungen wie die Chroma-Clear-Bildröhre sollen besonders für Videowiedergaben geeignet sein; schließlich stammen die Schlitzmasken ursprünglich aus der Fernsehtechnik.
Zur Zeit wird allerdings die Mehrzahl aller Monitore mit Loch- oder Streifenmasken angeboten.

Entspiegelung

Optimale Bildergebnisse können nur durch eine hochwertige Entspiegelung der Bildschirmoberfläche gewährleistet werden. Einfache Methoden zur Reduzierung störender Reflexe wie zum Beispiel eine Silikatbeschichtung sowie eine einfache mechanische oder chemische Behandlung der Glasoberfläche (Aufrauhen) erfüllen zwar ihren Zweck, reduzieren aber gleichzeitig die Bildschärfe und den Kontrast. Bei einer optischen Entspiegelung, wie sie auch bei Brillen und hochwertigen Optiken zum Einsatz kommen, werden verschiedene zum Teil metallische Schichten auf die Bildschirmoberfläche aufgedampft beziehungsweise aufgeklebt, die durch eine gezielte Phasenverschiebung die auftretenden Reflexionsstrahlen auslöschen. Das Licht des dargestellten Monitorbildes kann hingegen diese Schicht ungebrochen durchdringen. Elektrisch leitfähige Beschichtungen halten zudem die eletrostatische Aufladung der Oberfläche gering und reduzieren elektrische Felder. Entspiegelung von Bildröhren, insbesondere optische Beschichtungen sind sehr empfindlich und können durch den Einsatz ungeeigneter oder aggressiver Reinigungsmittel dauerhaft beschädigt werden.