Beide Systeme arbeiten mit einer Hochvakuumröhre, in der eine beheizte Kathode einen Elektronenstrahl erzeugt, der von einem Steuergitter beschleunigt wird. Ein magnetisches oder elektrostatisches elektronenoptisches System fokusiert und lenkt ihn soweit ab bis er auf seiner Zielkoordinate des Bildschirms auf eine Phosphorschicht trifft.

Der Bildschirm ist mit einem Phosphor belegt, der beim Auftreffen des Elektronenstrahls Licht emittiert (Fluoreszenz). Anschließend leuchtet der Phosphor mit abnehmender Helligkeit nach (Phosphoreszenz). Die Nachleuchtdauer (Persistenz) ist bei der Auswahl einer Bildröhre neben Farbe und Helligkeit von größter Bedeutung. Sie bestimmt, wie oft das Bild wieder neu aufgebaut werden muß, damit der Benutzer den Eindruck eines stehenden, flimmer- und schlierenfreien Bildes erhält.

Die Bildwiederholfrequenzen liegen bei Displays zwischen 30 bis 50 (interlaced) bzw. 50, typischerweise 70/72/75, bis zu 140 (non interlaced) Bilder pro sec (Hz), vgl. Kino: 24 Hz!

Drei Elektronenstrahlen (für Rot, Grün & Blau) durchqueren beim Farbmonitor eine Schattenmaske und treffen dann auf den Leuchtschirm mit Phosphorschichten. Je nach Anordnung der Phosphorpunkte unterscheiden sich zwei grundlegende Typen:

Phosphoranordnung bei der Delta-Röhre, die Trinitron-Röhre arbeitet mit Streifenanordnung.

Prinzipiell unterscheiden sich diese beiden Typen auch in ihren physikalisch/technischen Möglichkeiten ihr Bild darzustellen. Während der FlatScreen-Monitor eine Kugelgeometrie hat – davon stammt auch der Name – liegt der Trinitron Röhre ein Zylinder zugrunde. Die zylindrische Struktur zeigt Vorteile bei Moiré, da nur die Kugelwölbung in einer Richtung ausgeglichen werden muß. Die Deltaformation der Phosphorpunkte beim FlatScreen erzeugt einen optisch kleineren runden Punkt, der wegen der Dreiecksform dichter positioniert werden kann.

FlatScreen haben deshalb gewöhnlich eine höhere Auflösung und ein stufenfreieres Bild als Trinitron, die durch ihre Farben, Kontraststärke und Konvergenz überzeugen.

Die Schattenmaske der Trinitronröhre (die sog. “Streifenmaske”) wird durch feine Drähte innerhalb des CRT gehalten. Dies ist unter bestimmten Umständen am Monitor sichtbar. Ein FlatScreen zeigt dieses Problem nicht.

Mittlerweile existieren weitere – zum Teil Mischformen der oben genannten – CRT-Spielarten:

Die Helligkeit des Leuchtpunktes wird beim CRT durch den Strahlstrom (Stärke des am Phosphor auftreffenden Elektronenstrahls) bestimmt. Da die Beschleunigungsspannung konstant ist, kann von einem linearen Zusammenhang zwischen Strahlstrom und emittierter Lichtleistung ausgegangen werden. Trotzdem ist die Ansteuerkennlinie fast aller erhältlichen Monitore nicht linear (Fernseh-Norm!).

Der Zusammenhang zwischen Steuerspannung U_G am Steuergitter und Strahlstrom I (Helligkeit) kann annähernd durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

wobei I_max eine Gerätekonstante ist.

Um nun Linearität zu erreichen, muß mit einer korrigierten Steuerspannung

gearbeitet werden. Dies leistet die Gammakorrektur. Beim TV wird diese Korrektur von der Kamera abgefangen: Entsprechend dem logarithmischem Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges wird der Output der Kamera automatisch korrigiert.

Flüssigkristallanzeigen (auch LCDs für “Liquid Cristal Display”) wurden bereits 1888 vom Physiker F. Reinitzer entdeckt und werden seit 1970 in Bildanzeigesystemen eingesetzt.

Sie beruhen auf dem Prinzip der Streuung von Licht (d.h. passive Effekte!): Abhängig von der Art der Ausrichtung ihrer Moleküle unterscheidet man Flüssigkristalle in nematische (fadenförmig), smekmatische (schichtenförmig, häufig in Seifen zu finden) und cholesterinische (wendelförmig verändernd) Kristalltypen.

Flüssigkristallzellen werden mit zwei Glasplatten aufgebaut, die sich im Abstand von 5 bis 10 µm voneinander entfernt befinden und den Flüssigkristall einschließen. Die Moleküle jeder Zelle müssen – ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes – mit einer bestimmten Orientierung zu den Oberflächen der Glasplatte ausgerichtet sein. Dies wird technisch etwa durch Mikro-Riffelung der Plattenoberfläche oder durch Auftragen einer dünnen, dielektrischen Schicht von Siliziummonooxid bewirkt.

Man unterscheidet reflexive (Auflichtnutzung, für Tageslichtbetrieb), transmittive (Hintergrundbeleuchtung, für dunkle Räume) und transflexive (Kombination beider, mit halbdurchläßiger Folie) Anzeigen.

Die Funktion einer verdrillt-nematischen (twisted nematic cell) Zelle, die am weitesten verbreitet ist, stellt sich so dar:

Die Innenseiten der beiden Glasplatten zeigen um 90° gedrehte mikroskopisch feine paralelle Längsriffellungen und sind mit Elektrodenmaterial bedampft, das sowohl durchsichtig als auch leitend ist – etwa: Indiumzinoxid (indium tin oxide, ITO). Die Außenseiten der Platten sind mit Polarisationsschichten belegt, die nur das Licht mit der Wellenebene des Polarisators durchlassen (ebenfalls um 90° gegeneinander verdreht). Ohne Einwirkung eines Feldes werden die Achsen der Flüssigkristallmoleküle, die die Plattenoberfläche berühren, so beeinflußt, daß sich diese gleichfalls im rechten Winkel zueinander einstellen. Es entsteht dabei ein um 90° gedrehter Molekülfaden, der die Polarität des Lichtes, das vom Polarisator durchgelassen wurde, so verändert, das es auch vom Analysator transmittiert wird.

Liegt ein Feld an, so richten sich alle Moleküle aus ihrer Ruhelage gleichermaßen aus, ändern also nicht mehr die Polarität des hindurchtretendes Lichtes. Jetzt absorbiert allerdings der Analysator. Die Zelle erscheint lichtundurchlässig.

Maximales Kontrastverhältnis: ca. 50 : 1.

In Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannung wird Licht an der LCD-Zelle verschieden stark gebrochen. Diese Spannung muß für die Dauer des Bildes (typisch 50 Hz) gehalten werden. Dazu verwendet man Mini Kondensatoren und MOS-Transistoren.

Daher ist auch der minimale Stromverbrauch und die sehr geringe Betriebsspannung zu verstehen.

Die Zustandsänderungen der Flüssigkristalle können wegen der hohen Viskosität der organischen Flüssigkeiten nur sehr träge erfolgen. Daher ergeben sich auch gewisse Probleme bei der Darstellung schnell veränderlicher Bildinhalte (Bewegungen).

Es sind zusätzliche Lichtquellen nötig, um die Anzeige zu beleuchten.

Die Herstellungskosten sind – ausfallsbedingt – sehr hoch.

Die Bildwiederholfrequenzen liegen bei Displays zwischen 30 bis 80 (bis zu 140) Bilder pro sec (Hz), vgl. Kino: 24 Hz!

Ein Laserdrucker nutzt das xerographische (elektrographische) Aufzeichnungsverfahren, das auch in den meisten Kopierern angewandt wird. In einem Dunkelraum wird mittels Coronaentladung die photoleitfähige Selenschicht auf einer sich kontinuierlich drehenden Aluminiumtrommel mit einer homogenen, positiven Flächenladung versehen. Dieser photoleitfähigen Schicht, die sich im Dunkeln wie ein Isolator und bei Licht wie ein Halbleiter verhält, wird die zu druckende Information durch entsprechende Belichtung als latentes Entladungsbild aufgeprägt, das anschließend in einer Tonerstation mit einem positiven Toner sichtbar gemacht wird.

Hinter dem Toner wird dieses Bild mit einem synchron laufenden Normalpapier in Kontakt gebracht. Dabei werden die Tonerpartikel durch Anlegen eines elektrostatisches Feldes auf dem Papier übertragen und anschließend thermisch fixiert. Vor einer erneuten Aufladung wird die photoleitfähige Schicht von restlichen Tonerpartikeln gereinigt und entladen. Das Bild wird von einem Laserstrahl als Punktmuster auf die photoleitfähige Schicht geschrieben.

Die Auflösung beträgt bis zu 20 µm oder 50 Punkte pro mm (= 1270 dpi).

Farbtauglichkeit läßt sich durch Kopplung mehrerer Stationen mit verschieden farbigen Tonern erzielen.

Ein Tintenstrahldrucker ist ein Vollfarben- (oder Contone-) Gerät, das Farbe durch Auftragen der drei Primärfarben C (für Cyan), M (für Magenta) und Y (für Yellow, also Gelb) acht Grundfarben (Primär-, Sekundär-Farben und s/w) erzeugen kann. Die Farbpunkte werden durch gezieltes Spritzen von Tintentröpfchen aus drei bzw. vier Druckpatronen (in den Primärfarben) auf das Druckmedium erzeugt. Tertiär-Farben können nicht direkt, sondern erst durch Dithertechnik dargestellt werden.

Die Technik des Tintenstrahldruckes wird inzwischen so gut beherrscht, daß die Druckqualität fast an die eines Laserdruckers herankommt. In der Regel übersteigt die physikalische Auflösung (besonders die Positionierung) moderner Geräte sogar die Geräte aus der Lasertechnik; jedoch die uneinheitliche Struktur des Tintenfleckes – physikalisch bedingt i.A. sogar größer als der optisch gesetzte Lichtpunkt – im Gegensatz zum Tonerpartikel machen ihn nur zum zweiten Sieger.

Weitere Vorzüge des Tintenstrahldruckers sind die Geräusch- und Verschleißarmut, sowie geringer Energieverbrauch und seine Umweltverträglichkeit (kein Ozon!).

Die Erzeugung von Tintentröpfchen mit einem Durchmesser von ca. 50 µm bis 100 µm kann auf die unterschiedlichsten Weisen erfolgen. Verbreitet sind außer Verfahren, die piezoelektrische Schwinger benutzen, vor allem das sog. “Bubble-Jet-Verfahren”. Dabei wird in unmittelbarer Nähe der Düse durch ein kleines Heizelement Tinte zum Verdampfen gebracht, was den Ausstoß eines Tröpfchens zur Folge hat. Die Herstellung von Druckköpfen, die solche Düsen enthalten, ist inzwischen so billig geworden, daß bei vielen Druckern Druckkopf und Tintenpatrone eine Wegwerfeinheit bilden.

Scanner dienen der direkten Erfassung von zweidimensionalen Bild-Objekten als BitMaps. Für niedrige Auflösungen (bis ca. 800 × 600 Pixel) kann auch eine (Fernseh-/Video-)Kamera mit nachgeschaltetem digitalem Ausgang (etwa durch Analog-Digital-Wandler) verwendet werden. Höhere Auflösungen werden mit CCD-Scannern (CCD steht für: „Charged Coupled Device“) eingelesen.

Ein CCD-Element funktioniert nach dem photo-elektrischen Effekt: Die Lichtquanten eines Lichtstrahls setzen aus einer Metallplatte Elektronen frei, die im luftleeeren Raum mit einer Meßspannung über eine Kondensatorstrecke transportiert und gemessen werden. Bitte beachten Sie, daß die Anzahl der ausgelösten Elektronen einerseits von der Intensität, andererseits unmittelbar von der Wellenlänge des gemessenen Lichtes abhängt.

Das gleiche Prinzip wird auch in den heute üblichen Phototransistoren verwendet. Gute CCD-Elemente kaskadieren diese Spannung und können so feinere Abstufungen messen.

Grundsätzlich unterscheiden wir verschiedene Bauformen von Scannergeräten:

Der Flachbettscanner ist die technisch einfachste Bauform. Er besteht aus einer festmontierten CCD-Zeile, die das von einem mechanisch geführtem Spiegel umgeleitete (reflektierte bzw. transmittierte) Licht auf eine CCD-Zeile umlenkt, an der es schließlich ausgewertet wird.

Wir unterscheiden hier im farbtauglichem Bereich die “Single-” und “Multi-Pass-Technik”, die sich dadurch unterscheiden, daß im ersten Fall alle Farbinformationen simultan gelesen und analysiert wird, was für gewöhnlich zu schlechteren physikalischen Ergebnissen (in Bezug auf Auflösung, Farbtreue, Lichtausbeute, etc.), aber in der technischen Realisierung zu besseren Konvergenz-Eigenschaften führt.

Technisch wird bei der Flachbett-Technologie i.A. im Single-Pass-Verfahren der Lichtstrahl nicht aufgebrochen. Die verschieden farbigen CCD-Elemete liegen horizontal in der CCD-Zeile nebeneinander.

Beim Trommelscanner dreht sich die (auf eine Glastrommel gespannte) Vorlage mit hoher Geschwindigkeit. Ein weißer Lichtstrahl, der eventuell noch über ein Spiegelsystem umgelenkt wird, tastet punktuell die Vorlage ab und wird in zeitlicher Koordination zum Drehmotor der Vorlage ausgewertet.

Technisch wird beim Trommelscanner der Lichtstrahl dann durch Prismen gemultiplext, um schließlich durch verschieden farbige Filter hochwertigen CCD-Punktelementen zugeführt zu werden. Das Konvergenzverhalten ist deshalb optimal, ebenso wie die Farbtreue, weil das CCD-Punktelement keiner weiteren technischen Begrenzung unterliegt, also Lichtstrahl und Punktelement genügend gut dimensioniert werden können. Die Auflösung ist technisch nur durch die Größe des ausgewerteten Lichtpunktes und der Koordination des Drehmotors mit den farbempfindlichen CCD-Punktelementen begrenzt. Sie liegt bei der heutigen Technologie bei mehr als 5000 dpi.

Die digitale Kamera

Ein Lichtgriffel erlaubt dem Benutzer, direkt mit dem Bild auf dem Sichtgerät zu kommunizieren. Wesentliches Element des Lichtgriffels ist ein Lichtsensor (Photodiode oder -transistor). Die eintreffenden Lichtimpulse werden registriert, verstärkt und dann in Wechselkontakt mit der Anzeigeeinheit (Grafikkarte und eventuell Monitor) die aktuelle Ortskoordinate bestimmt. Zu beachten ist hier die korrekte Synchronisierung des Lichtimpuls und des Gerätetreibers für die Ausgabe/Anzeige. Die so ermittelte Ortskoordinate wird dann dem System zur Verarbeitung weitergegeben.

Zum Funktionieren ist also ein Lichtimpuls erforderlich. Dieser wird bei allen Ausgabeverfahgren mit zyklischer Bildwiederholung durch den vorüberlaufenden Schreibstrahl geliefert. Daher spricht ein Lichtgriffel auch nur dort an, wo auf dem Bildschirm eine Lichterscheinung auftritt.

Wegen der Unschärfe seiner Optik und der Schwierigkeit der exakten Positionierung auf dem Bildschirm wird der Lichtgriffel meist zum Picken größerer Bildelemente verwandt. Die Führung eines Lichtgriffels vor einem senkrecht stehenden Bildschirm ist recht anstrengend, deshalb wird er heute nur noch selten eingesetzt.

Ein Come-Back dieses totgesagten Griffels kündigt sich allerdings mit dem Erscheinen von Palmtops (Mini-Notebooks) Computern an, die als Eingabeeinheit einen speziellen Stift besitzen, mit dem direkt auf dem Schirm “geschrieben” werden kann. Der Rechner ist mit Software ausgestattet, die handschriftliche Eingaben in ASCII übersetzt. Speziell entwickelte graphische Benutzeroberflächen erlauben auch Computerlaien ein intuitives Arbeiten mit derartigen Geräten.

Eine weitere Variante davon ist der “Touch-Screen”, ein Monitor mit nachgeschaltetetem druckempfindlichem Folieneingabefeld. Auch seine Arbeitsweise ähnelt dem Lichtgriffel.

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