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"tonband" - Heft 6 • Dezember 1971 • 8. Jahrgang
Der technische Weg zur Farbbildplatte
1. Der Informationsträger

Von Horst Redlich im Sommer 1971
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Rückblick auf die Entwicklung der Schallplatte

Es gab kaum ein Jahrzehnt, in dem nicht die technischen Grenzen des Kommunikationsmediums Schallplatte erweitert wurden. Die letzten Schritte in den fünfziger und in den sechziger Jahren hießen 1949 Langspielplatte und 1958 Stereophonie, und 1970 war es die Bildplatte, die sich heute bereits in Farbe vorgestellt hat. Mit jedem dieser Schritte wurde die Informationsdichte des Mediums erhöht, wurden mehr Informationen gespeichert und ein größerer Informationsfluß übertragen. Die Prinzipien aber, die über 90 Jahre hinaus diese Technik jung erhalten haben, sind beibehalten worden.
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Die Schallplatte, eine weltumspannende Norm

Da ist der scheibenförmige Informationsträger, der im Gegensatz zu einem bandförmigen Träger die Vorteile des einfachen Rotationsantriebes und des schnellen Zugriffs zur Information bietet, da ist auch die mechanische Vervielfältigungstechnik, die ähnlich wie beim Buchdruck die gesamte, zeitlich ausgedehnte Information in einem kurzen Preßvorgang zeitlich komprimiert zu vervielfältigen gestattet und schließlich das Herauslesen der Information auf mechanischem Wege, eine Methode, die an Einfachheit bis heute nicht übertroffen werden konnte.

Neben diesen Eckpfeilern war es eine stets weltumfassende Normung, die die Austauschbarkeit sicherstellte und damit eine weltweite Verbreitung dieses Mediums ermöglichte. Die technische Entwicklung der Farbbildplatte hat nunmehr einen Stand erreicht, daß auch für sie ein Standard gesetzt werden kann. Wir möchten hier versuchen, mit unseren Ausführungen die Kriterien aufzuzeigen, die zu unserem Bildplattensystem geführt haben. Wir hoffen, daß die Bildplatte die Tradition der mechanischen Aufzeichnungs- und Wiedergabetechnik über das erste Jahrhundert hinaus fortsetzt.

„Dichtspeichertechnik" und „Druckabtastung"

Zunächst gestatten Sie mir, noch einmal auf die beiden grundsätzlich neuen Elemente, die erst die Bildplatte in ihrer heutigen Form ermöglichten - „Dichtspeichertechnik" und „Druckabtastung" - kurz einzugehen.

Eine Informationsdichte von mindestens einer halben Million Bit auf einer Fläche von nur einem Quadratmillimeter ist im Mittel notwendig, um eine Bildplatte zu schaffen, die in Spielzeit und in den äußeren Abmessungen der Schallplatte ähnlich ist. Diese Speicherdichte wurde bisher in der praktischen Anwendung von keinem Speicher erreicht und liegt zwei Größenordnungen höher als auf einer Mikrorillen-Langspielplatte.

Die Informationsdichte pro Quadratmillimeter

Eine Analyse des Aufzeichnungsvorganges bei der Schallplatte ergab nun, daß die Möglichkeiten der mechanischen Speicherung hinsichtlich ihrer Speicherfähigkeit bei der Schallplattentechnik bei weitem noch nicht ausgenutzt waren. Hier lag der Ansatzpunkt, nach Möglichkeiten zu suchen, um diesen Informationsträger im Sinne einer Dichtspeichertechnik weiterzuentwickeln.

Wir haben geeignete Methoden zur Erzeugung mechanischer Aufzeichnungen gefunden, mit denen sich Oberflächengüten erreichen lassen, die selbst nach dem galvanischen Prozeß und dem Preßvorgang auf dem Duplikat Rauhigkeiten von nur wenigen hundert Ängström garantieren. Kleinste Signale sind auf derart glatten Flächen erkennbar.

Verwendet man geeignete Signal-Aufbereitungsmethoden wie die Frequenzmodulation, so ist es möglich, mit dieser „Dichtspeichertechnik" ein volles Fernsehbild auf einer Fläche von nur 2 bis 3 Quadratmillimeter mit gutem Störabstand unterzubringen.

Eine große Zahl so kleiner Einzelbilder geht auf die bespielbare Fläche einer Schallplatte. So ergeben sich interessante Programmlängen.

Der Denkfehler mit der mechanischen Abtastung

Das Herauslesen jeder einzelnen Information aus einem Speicher von so hoher Dichte stellt nun in vielerlei Hinsicht ein Problem dar. Die Fläche, die ein Signalelement benötigt, beträgt nur 10µm2.

Hier bietet sich wieder, wie bei der guten alten Schallplatte, die mechanische Abtastung als einfachste und zuverlässigste Lösung an. Wir werden später noch näher darauf eingehen.

Die mechanische Abtastung in der Form, wie sie bei der Schallplatte verwendet wird, ist jedoch leider für eine Bildübertragung unbrauchbar. Für den enorm großen Informationsfluß und die damit verbundenen hohen Abtastfrequenzen versagt das Prinzip der Bewegungsabtastung.

  • Anmerkung : Eigentlich versagt das Prinzip der mechanischen Abtastung irgendeines Datenträgers - egal welchen Materials - bei diesem Datenfluß kläglich. Aber sie hatten bei Telefunken gar keine andere Wahl, weil das Laser Knowhow fehlte. Philips steckte viel mehr Geld in die Forschung, das Telefunken schon nicht mehr hatte. Alleine IBM hätte dort mitspielen können und die steckten ihr Geld in die berührungslose magnetische Speicherung auf den sogenannten Plattenstapeln in den Festplatten.

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Das grundsätzlich neue Prinzip für die mechanische Abtastung der Bildplatte ist die „Druckabtastung". Vereinfacht gesagt, kehrt sich bei der Druckabtastung der Abtastvorgang um. Nicht die Auslenkungen der Rille auf der Platte setzen die Abtastnadel in Bewegung. Wegen der hohen Abtastfrequenzen, der endlichen großen Masse des Abtasters und den damit verbundenen großen Beschleunigungskräften ist das auch nicht mehr möglich, sondern der Abtaster bleibt näherungsweise in seiner Ruhelage, und die Auslenkungen in der Rille werden bei Berührung mit ihm niedergedrückt und erzeugen so eine Druckkraft auf den Abtaster, die der auf der Platte aufgezeichneten Signalgröße entspricht. Wir nennen diesen Vorgang daher „Druckabtastung".
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Die Signalaufbereitung

Die Dichtspeicherplatte und die Druckabtastung stellen nun ein System dar mit teilweise eigenen, von der konventionellen Schallplattentechnik abweichenden Gesetzmäßigkeiten. Da ist zunächst einmal die Form, in der das Signal aufgezeichnet ist, um eine möglichst hohe Dichte zu erreichen. Bei der Schallplatte ist die Höhe des Signals proportional der aufgezeichneten Geschwindigkeitsamplitude. Das bedeutet, daß in erster Näherung ein Signal tiefer Frequenz mehr Platz benötigt als ein Signal hoher Frequenz.

Für eine dichte Speicherung ist es nun vorteilhaft, die Frequenzabhängigkeit der Amplituden der aufgezeichneten Schwingungen zu vermeiden und alle Signale mit gleicher Amplitude aufzuzeichnen. Das klingt einleuchtend, doch steht der Aufzeichnung eines breiten Frequenzbandes in dieser Form ein Hindernis entgegen.

Die eingangs erwähnte hohe Oberflächengüte von nur 1.. 2... oder 300 Ängström charakterisiert nur die Feinstruktur des Aufzeichnungsträgers. Für größere Flächenelemente werden die Unebenheiten auf der Plattenobenfläche größer, wie das folgende Bild es zeigt (Bild 1).

Es ist also schwer, sehr langwellige Aufzeichnungen von den Unebenheiten der Trägeroberfläche zu unterscheiden. Wählt man für große Wellenlängen die gleiche Amplitude, die für kurzwellige Aufzeichnungen eine gute Unterscheidungsmöglichkeit von Signalamplitude und Plattenoberflächenrauheit ergibt und somit einen guten Störabstand gewährleistet, erhält man für lange Wellen einen schlechten Störabstand.

Aufzeichnung mit Hilfe eines FM-Signals

Die Lösung dieses Problems ist die Aufzeichnung eines breitbandig modulierten FM-Signals. Die Wellenlängenvariation der in der Rille eingeschriebenen Trägerschwingungen bleibt hierbei trotz der breitbandigen Modulation klein. Im Falle der Bildplatte nur 1:2,66. Für die Festlegung eines optimalen Wellenbereichs ist die Frage nach der optimalen Signalamplitude zu stellen. Diese ist nun unabhängig von den Eigenschaften des Druckabtasters und denen des Plattenmaterials.

Über die Abtastereigenschaften werden Sie später hören, soviel nur vorweg: Auf die Platte aufgezeichnete Amplituden von einem Bruchteil eines Mikrometers reichen aus, um eine genügend große Ausgangsspannung an den Klemmen des Abtasters zu erzeugen. Unter Berücksichtigung der Eigenschaften der heute bekannten, für die Bildplatte geeigneten Kunststoffe, sind für ein frequenzmoduliertes Signal Aufzeichnungsamplituden von ca. 1/2µm optimal.

In diesem Bereich steht die Größe der Verformung der Aufzeichnung während des Abtastvorganges und die Größe der Amplitude in einem vernünftigen Verhältnis zueinander. Der mit einem guten Störabstand nutzbare Wellenlängenbereich liegt unter Berücksichtigung des eben Gesagten zwischen 2 und 20µm.
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Optimale Rillenform und Spurbreiten

Stellt sich nun die Frage nach der Optimierung der dritten Dimension der Aufzeichnung, der Signalspurbreite oder anders ausgedrückt der Rillenbreite und der Rillenform, so muß man von zwei Dingen ausgehen. Die Eigenschaften des Abtasters erlauben es, die Auflagekraft so niedrig zu halten, daß bereits Spurbreiten zwischen 3 und 4µm ausreichen, um das Plattenmaterial nicht zu überbeanspruchen.

Bereits derart kleine Spurbreiten ergeben gute Gleitwerte zwischen Abtaster und Plattenoberfläche, die notwendig sind, um einen guten Störabstand zu erzielen.

Ein Knackpunkt : Die Lebensdauer eines Abtastdiamanten

Der zweite Gesichtspunkt ist die Lebensdauer eines Abtastdiamanten. Um zu erreichen, daß auch durch Abnutzung stärker eingeschliffene Diamanten eine einzelne Information lesen können, also die Nachbarrillen nicht berühren, ist es zweckmäßig, die Rillenbreite auf den doppelten Wert der minimal möglichen zu bringen (Bild 2). Dieses Bild zeigt die Rillenform, die sich durch viele Testreihen ergeben hat. Eine Rillendichte von 140 Rillen auf einen Millitemer hat sich danach als das Optimum für eine sichere, mit geringem Aufwand zu beherrschende Wiedergabetechnik ergeben.

Die Einfachheit der mechanischen Abtastung - (ist auch deren Schwäche)

Die Einfachheit der mechanischen Abtastung liegt, wie wir später noch erkennen werden, auch darin begründet, daß die Führung des Abtasters sich automatisch beim Lesen der Information ergibt. Das benutzte Rillenprofil, der große Rillenwinkel bei der Bildplatte stellt einen optimalen Kompromiß zwischen Führungs- und Gleiteigenschaften und Abtasterlebensdauer dar.

Ganz besonders eignet es sich für die Wiedergabe von Standbildern, bzw. Wiederholung kurzer Bildsequenzen. Ein anderer, sehr wichtiger Vorteil dieses gewählten Rillenprofils ist die Unempfindlichkeit gegen Staub und die damit zusammenhängende Vermeidung von Störungen bei der Wiedergabe.

Ein Wiedergabesystem auf der Basis eines optischen Films z. B.
wäre bei einem so kleinen Bildformat, wie es auf der Bildplatte vorliegt, allein wegen des Staubproblems kaum denkbar.

  • Anmerkung : Aus diesem letzten Satz lesen Sie, es fehlten den alten Ingenieuren die Visionen der optischen Abtastung mittels Laser. Der Ton-Film ist eine genauso alte Gurke wie der Plattenspieler und die Abtastnadel. Meine Erkenntnis aus 2017 : Alle 4 waren bereits zu alt "zum Träumen", auch mein Namensvetter Horst Redlich (wir waren nicht verwandt). Auf die fatale Idee, daß die immer besser werdende Magnetbandtechnik ihnen innerhalb von nur wenigen Jahren die Grundlage entzieht, kamen sie nicht mehr.

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Optimierung der Plattengröße

Nachdem sich aus dem bisher Gesagten eine Lehre für die vernünftige Bemessung der Signalspur ergibt, ist die Frage nach der weiteren Ausgestaltung der Bildplatte im Hinblick auf ihr Format, der Rillengeschwindigkeit bzw. Drehzahl offen.

Wie bei der Schallplatte ist auch bei der Bildplatte der konstanten Drehzahl der Vorrang gegeben worden vor einem Antrieb mit konstanter Rillengeschwindigkeit, also einer nach dem Mittelpunkt der Rillenspirale hin ansteigenden Drehzahl, obwohl hiermit 50% mehr Spielzeit erreicht werden könnte.

Diese Entscheidung hat mehrere Gründe. Einmal ist der Antrieb mit konstanter Drehzahl der einfachste, und trotz der hohen Anforderung, die die Bildplatte an die Gleichlaufgenauigkeit stellt, billig zu verwirklichen.

Zum anderen ist es für die Anwendung des Mediums, besonders im Unterricht oder für Dokumentationszwecke wichtig, auch stehende Bilder wiedergeben zu können. Dieses ist aber nur beim Antrieb mit konstanter Drehzahl leicht zu erreichen, wenn die Drehzahl so festgelegt ist, daß je Umdrehung gerade ein Bild oder ein Vielfaches eines Fernsehbildes aufgezeichnet wird.

Setzt man also konstante Drehzahl für die Bildplatte voraus, so ergibt sich der beste Kompromiß zwischen Ausnutzung der Plattenoberfläche und Qualität der Wiedergabe dann, wenn das Verhältnis von Außendurchmesser zum Innendurchmesser des mit Aufzeichnungen versehenen Teiles der Platte 2 : 1 ist.

Die Berechnung des Aufzeichnungsspiegels und des Durchmessers

Dieses ist eine mathematisch leicht nachweisbare Tatsache. Durch Einsetzen der aus den Betrachtungen über die Optimierung der Signalspur erhaltenen Werte in diese Kalkulation kommt man zu dem Ergebnis, daß die günstigste Ausnutzung der Oberfläche der Bildplatte dann vorliegt, wenn der Aufzeichnungsspiegel sich über einen Durchmesserbereich von 100 bis 200mm erstreckt und ein volles Fernsehbild je Umdrehung aufgezeichnet wird. Für eine 21cm-Bildplatte ergibt sich eine normierte Spielzeit von 0,9sec/cm2, für eine 30cm-Platte dagegen nur 0,8sec/cm2.

Der Außendurchmesser der Bildplatte ist u. a. aus diesem Grunde mit 210mm festgelegt worden und paßt somit in das weltweit verbreitete Kuvertformat, das dem deutschen DIN-A4-Format entspricht.

Eine Platte dieser Größe ist damit auch den meisten internationalen Journalen beilegbar. Die Spielzeit liegt bei fünf Minuten, eine Zeit, die für eine Programmeinheit im Bereich der Unterhaltung, der Berichterstattung, des Features und bei der Anwendung im Unterricht optimal erscheint.

Plattentypen (Länderübersicht)
Bildplatten mit 1500 Upm für 625 Zeilen 50 Hz

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  1. Argentinien
  2. Australien
  3. Belgien
  4. Bolivien
  5. BR-Deutschland
  6. Bulgarien
  7. Dänemark
  8. DDR
  9. Finnland
  10. Frankreich
  11. Großbritannien
  12. Holland
  13. Hongkong
  14. Indonesien
  15. Irland
  16. Italien
  17. Jugoslawien
  18. Kuwait
  19. Neuseeland
  20. Norwegen
  21. Österreich
  22. Polen
  23. Portugal
  24. Rumänien
  25. Schweiz
  26. Schweden
  27. Singapur
  28. Spanien
  29. Südafrika
  30. Thailand
  31. Tschechoslowakei
  32. UdSSR
  33. Ungarn
  34. Uruguay

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Bildplatten mit 1800 Upm für 525 Zeilen 60 Hz

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  1. Brasilien
  2. Japan
  3. Kanada
  4. Mexiko
  5. USA

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Ein Bildplatten-Magazinsystem

Wie bekannt, ist das Material für den Informationsträger eine ca. 1 Gramm schwere, 0,1 mm dicke, sehr preiswerte und bei dem gewählten Durchmesser mit hoher Geschwindigkeit zu vervielfältigende PVC-Folie.

Diese Form des Speichers bietet sich nun für eine sehr flexible Lösung zum Aufzeichnen längerer, ja theoretisch beliebig langer Programme an. Weil die Platte nur 0,1 mm dick ist, ist es also raumsparender und auch ökonomischer, für längere Programme nicht die Fläche der Platte zu vergrößern, sondern sie zu stapeln.

Die Lösung ist das von uns gewählte Magazin System. Ähnlich wie bei einem Magazin für Diapositive werden hierbei mehrere Einzelplatten mitsamt ihrem Cover in ein Kunststoffmagazin gesteckt. Das gesamte Magazin wird dann praktisch pausenlos vom Plattenspieler wiedergegeben (Bild 3).

3 Magazingrößen

Drei Magazingrößen für Spielzeiten verschiedener Dauer sind vorgesehen. Leermagazine können vom Benutzer leicht mit Einzelplatten seiner Wahl bestückt werden. Der wesentliche Vorteil des platten-förmigen Speichers, nämlich der schnelle Zugriff, bleibt auch beim Magazin erhalten.

Wie schon angedeutet, wird die Bildplatte mit der Schutzhülle in das Magazin gebracht. Der Benutzer kommt dadurch nie mit der Folie in Berührung. Das gleiche gilt für das Abspielen einer einzelnen Platte, auch hier wird das Abspielgerät mit der in der Schutzhülle eingetaschten Folie bestückt. Bildplatte, Plattenhülle und Magazin bilden also ein System.

Einem System mit einer einheitlichen Plattengröße ist auch vom Standpunkt der Normung der Vorzug zu geben, besonders wenn damit, wie im Falle des Bildplatten-Magazins, alle Spielzeiterfordernisse flexibel abgedeckt werden können.

Die Codierung des Bildsignals ist außerdem so gewählt worden, daß man trotz der Vielzahl der existierenden Fernsehsysteme mit nur zwei verschiedenen Aufzeichnungen auskommt. Für eine weltweite Verbreitung der Bildplatte sind demzufolge nur zwei Plattentypen erforderlich.

Erläuterungen zur Tabelle oben

Diese Übersicht (Bild 4) zeigt, daß für die Länder mit 625 Zeilen/50 Hz-Fernsehsystemen eine mit 1500 Umdrehungen/ min. laufende Platte erforderlich ist, entsprechend einem vollen Fernsehbild je Umdrehung. Für die Länder mit 525 Zeilen/60 Hz-FS-Systemen ist eine Platte mit 1800 Umdrehungen/min. erforderlich. Beide ergeben bei gleichen äußeren Abmessungen die gleiche Spielzeit, da wegen der größeren Wellenlänge der Aufzeichnung auf der 1800 tourigen Platte der Innendurchmesser der Rillenspirale verkleinert werden kann.

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