7. Bildverstärkerröhre

Waren die ersten Generationen (0. bis 1.) von Bildverstärkerröhren noch sehr unterschiedlich in ihrer äußeren Form und eher den vielen verschiedenen Geräten angepaßt, setzte sich ca. ab der 2.Generation ein modulares Konzept bei vielen Nachtsichtgeräten durch. Nun wurde die Röhre mit ihrer verkleinerten Steuerelektronik zusammen als ein Bauteil hergestellt, so daß die Nachtsichtgeräte für eine standardisierte Modulgröße ausgelegt werden konnten. Der Vorteil, teuere optische Geräte jeweils einfach durch den Austausch des Röhrenmoduls dem Stand der Technik anzupassen, liegt klar auf der Hand.

Neben wenigen Sondergrößen unter den Bildverstärkerröhren gibt es heute im wesentlichen zwei Bauformen: Moderne Bildverstärkerröhren verfügen über eine Arbeitsfläche von 18 mm bzw. 25 mm Durchmesser. Sowohl das Eingangsfenster (die Photokathode) als auch das Ausgangsfenster (der Phosphorschirm) haben dabei dieselbe Größe. Aufgrund der Bestrebungen Gewicht und Größe von Nachtsichtgeräten für exekutive und militärische Anwendungen weiter zu reduzieren, ohne ihre Leistungsfähigkeit unnötig zu beschränken (je kleiner die Arbeitsfläche, desto weniger 'Lichtmenge' steht zur Verstärkung zu Verfügung), haben sich die 18 mm Durchmesser (entprechend ca. 250 qm Arbeitsfläche) speziell bei den Monokularen und Nachtsichtbrillen durchgesetzt. Die nahezu doppelte Arbeitsflächengröße (ca. 500 qm) bei den 25mm-Röhren findet dagegen z.B. bei Nachtzielgeräten Verwendung. Bei ihnen kommt es mehr auf Leistung (sozusagen der Ausgleich für eine vorgeschaltete, lichtschwache Vergrößerungsoptik), als auf Kompaktheit an.

Gerade im Bereich der Aviatik werden aus naheliegenden Gründen (schnelle Kopfbewegungen, Kurvenbeschleunigung im Flug) die kleinsten und leistungsfähigsten Bildverstärkerröhren hergestellt. Die neuesten Leistungssteigerungen der Röhrentechnik lassen eine weitere Reduzierung auf 16 mm oder sogar 12 mm realistisch erscheinen. Jedoch wird es auch weiterhin Sonderformen geben, wie z.B. die veraltete Konstruktion der dreifach hintereinander geschalteten Röhren der 1.Generation (3-stufige 1.Generation), oder beispielsweise für Nachtsichtbrillen mit stark vergrößertem Gesichtsfeld.

links:
Schnitt 1.Gen, einstufiges NSG, geringe Aufhellung, in Bildmitte akzeptable Auflösung

rechts:
Schnitt 1.Gen, dreistufiges NSG, i.d.R. hohe Verstärkung bei geringerem Kontrast, geringe Auflösung

Die meisten Nachtsichtgeräte benutzen mittlerweile die 18 mm Nahfokussierungsröhren ('Proximity Image Intensifier'). Obwohl nur der Einsatz von zwei unabhängigen Röhren in einer Nachtsichtbrille eine echte Tiefenwahrnehmung (und nebenbei Redundanz gegen Ausfall) liefert, wird diese Konfiguration aus Kostengründen eher gemieden, da die Herstellung einer Bildverstärkerröhre sehr kompliziert und aufwendig ist.

Neben dem sensiblen Aufbringen der Beschichtung der Photokathode und des Phosphorschirms muss das Kernstück, die Mikrokanalplatte (MCP), aus insgesamt 12 Millionen Fasern, gebündelt in hexagonaler Struktur mit herausätzbarem Kern, zusammengestellt werden. Nach dem Ätzvorgang erhält man eine Platte mit Hohlfasern (sog. Mikrokanälen), die anschließend noch mit einer elektrisch leitenden Beschichtung ('Dünnfilmtechnologie') versehen wird. Photokathode, MCP und Phosphorschirm (ggf. Glasfaserausgang) müssen dabei soweit wie möglich fehlerfrei hergestellt und in einem Vakuumgehäuse untergebracht, bzw. versiegelt werden.

Wie bereits im Funktionsprinzip beschrieben, wird die eigentliche Verstärkungsleistung (die Vervielfältigung der von den Rest-Lichtteilchen aus der Photokathode herausgeschlagenen Elektronen) innerhalb dieser Mikrokanäle durch Anlegen einer Spannung erbracht. Dabei ist es über die (um das Röhrenmodul angebrachte) Elektronik möglich die Verstärkungsleistung der MCP zu steuern, indem der Ausgangsstrom ständig gemessen und geregelt wird. Praktisch bedeutet das eine Anpassung an die tatsächlichen Helligkeitswerte der Umgebung, um so die Röhre vor zu hohem Verschleiß zu schützen (ABC-Funktion, Automatic Brightness Control). Eine andere Funktion moderner Röhren gegen Überblendung (z.B. durch direkte Punktlichtquellen) innerhalb eines Bereiches des Bildes ist BSP (Bright Source Protection). Diese Funktion verhindert, daß eine Punktlichtquelle den Hintergrund oder weite Teile des Bildes überstrahlt (ohne BSP: Verstärkungsleistung wird heruntergeregelt, so daß ein großer Bildbereich zu dunkel erscheint). Technisch gesehen hängt sie von dem 'natürlichem Sättigungsgrad' (d.h. maximaler Ausschüttungsgrad von Elektronen aus der elektrischen Beschichtung der Mikrokanalinnenwand) der MCP ab.

Die beschriebenen Funktionen bringen nicht nur Bildqualitätsverbesserungen, sondern sorgen auch für eine wesentlich längere Lebensdauer des modernen Bildverstärkers im Vergleich zu den Röhren der 1.Generation. Diese wurden de facto wie ein Kondensator per Taster 'aufgeladen' (i.d.R. kein Dauerbetrieb, kurzes Einschalten reichte aus einige Minuten zu sehen), um einerseits Strom zu sparen und andererseits eine Beschädigung durch zu starken Lichteinfall zu vermeiden. Da bei der 1.Generation sogar schon ein Einschalten im Sekundenbereich bei hellem Licht zu bleibenden Einbrennschäden führen konnte, wurden teilweise später auch bessere Bildverstärker der 1.Generation mit einer ABC-Funktion ausgestattet (Vorsicht: Die meisten sind aber OHNE ABC! Unbewegte Lichtquellen, bzw. unbewegte Ansichten, können sich grundsätzlich in allen Generationen einbrennen - nur eine Frage der Zeit!). Wenn man von Idealbedingungen ausgeht, d.h. keine direkte Beobachtung von sehr hellen Lichtquellen, lichtgeschützte Aufbewahrung (auch bei ausgeschaltetem Gerät kann z.B. direktes Sonnenlicht schnell eine Beschädigung der Photokathode herrvorrufen) und Vermeidung des Betriebs bei starker elektromagnetischer Strahlung, kann man bei der 1.Generation mit einer Lebensdauer von ca. 1000-2000 Betriebsstunden rechnen. Per Definition ist am 'Lebensende' der Röhre dann nur noch ca. 50 % der ursprünglichen Leistung vorhanden und sie gilt damit als 'verbraucht'. Während bei der 2.Generation die sog. 'Standzeit' auf ca. 2500-5000 h erhöht wurde, ist sie mittlerweile bei der aktuellen 3.Generation mit ca. 10.000 - 15.000 Betriebsstunden nicht mehr ein Faktor, der die Gebrauchfähigkeit des Bildverstärkers zeitlich einschränkt. Unter militärischen Bedingungen wird entweder durch erhöhten Verschleiß die Röhre vorzeitig unbrauchbar oder später aufgrund der technischen Weiterentwicklung durch eine Aktuelle ersetzt.

In einzelnen Fällen lohnt sich eine 'Wiederaufarbeitung' gebrauchter Bildverstärker der 2. - 3.Generation für den zivilen Markt. Beim diesem sog. 'Reconditioning' wird die Steuerelektronik neu eingestellt und die Röhre neu versiegelt. Allerdings sollte nicht unerwähnt bleiben, daß man über die weitere Lebensdauer einer solchen Röhre wenig Verläßliches aussagen kann. Grundsätzlich kann man sagen, daß eine Bildröhre mit üblicher Herstellergewährleistung, welche nicht gleich zu Beginn ihres Einsatzes einen Defekt bekommt eine gute Chance hat die volle Lebensdauer zu erzielen.

Da auch jede neue Röhre wegen der schwierigen Herstellung sozusagen ein Unikat im Rahmen zugelassener Leistungseigenschaften (Spezifikationen) ist, gehört zu jedem fabrikneuen Bildverstärker ein Datenblatt des Herstellers, auf dem die tatsächlich gemessenen Charakteristika verzeichnet sind. Darauf sind sogar bestimmte Beeinträchtigungen, wie. z.B. unvermeidliche, aber hinzunehmende Flecken vermerkt (Ein weiterer Grund für die hohen Preise und Beleg für die Herstellungsschwierigkeiten ist übrigens eine gewisse Menge an 'Ausschuß-Röhren' pro 'Qualitätsröhren', die zwangsläufig mitproduziert werden). Auf dem Datenblatt für eine Bildverstärkerröhre werden verschiedene gemessene Leistungs-Parameter aufgeführt.

Um eine Aussage über die Qualität der Röhre treffen zu können, geben zunächst die Angaben zu der Empfindlichkeit der Photokathode den ersten Hinweis. Unter normierten Bedingungen (Strahler mit definierter Farbtemperatur von 2856° K) wird gemessen wie viele Elektronen aus dieser Bestrahlung der Photokathode abgegeben werden, d.h. wie viel Strom fließt. Angegeben in 'Mikroampere pro Lumen' (µA/L) betragen die Werte mittlerweile für die modernste 3.Generation über 2100 µA/L (zum Vergleich: 1.Gen max. 150 µA/L, 2.Gen max. 600 µA/L, 3.Gen ab ca. 1000 µA/L). Besonders deutlich wird die hohe Leistung einer GaAs-Beschichtung der Photokathode bei den Werten für die Empfindlichkeit im Infrarotbereich. Gemessen wird hier bei einer Wellenlänge von 830 nm in 'Milliampere pro Watt' (mA/W). Aufgrund des hohen Infrarotanteils im nächtlichen Restlicht sagt dieser Wert viel über die Ausnutzung der 'Lichtressourcen' aus. In diesem Meßbereich sind die äußerst kleinen Werte selbst für die 2.Generation von Röhren kaum mehr erfaßbar. Dagegen erreichen die modernsten Röhren der 3.Generation Leistungen bis ca. 200 mA/W.

Aufgrund der Instabilität der GaAs-Photokathodenbeschichtung ist bei der 3.Generation ein Schutzfilm (Ionenbarriere) vorhanden, der leider auch die Leistung dieser Beschichtung behindert. Sogenannte neuartige 'filmless / autogated tubes' besitzen nicht / kaum mehr diese Ionenbarriere, sondern takten die Stromversorgung in so kurzen Intervallen, daß die GaAs-Beschichtung nicht mehr Schaden durch eventuell entstehende freie Ionen nehmen kann. Ob diese Technik offiziell die Bezeichnung 4.Generation bekommt, wird aber auf einer anderen Ebene entschieden.

Eine weitere interessante Angabe betrifft das Auflösungsvermögen eines Bildverstärkers. Ob z.B. zwei nebeneinander stehende, aber weit entfernte Objekte noch tatsächlich als solche zu erkennen sind (und nicht optisch zu einem verschelzen) ist ein Qualitätsmerkmal, welches in 'Linienpaare pro Millimeter' (lp/mm) gemessen wird. Dabei wird über eine Standardtafel die maximale Anzahl von eindeutigen Linienpaaren der Röhre pro Millimeter Abbildungsfläche ermittelt. Zur Zeit haben Nachtsichtgeräte der amerikanischen Streitkräfte i.d.R. eine Auflösung von min. 64 lp/mm (im Vergleich: ältere 1. bis 2.Generation ca. nur um 25-40 lp/mm). Allerdings sind auch schon Spitzenwerte von 78 lp/mm beispielsweise von europäischen Herstellern erreicht worden. Jedoch nutzt eine hohes Auflösungsvermögen allein nicht aus, um gut zu sehen.

Bei der Umwandlung von Licht in Elektronen kommt es immer auch zu dem sog. Hintergrundrauschen, daß sich als 'Grieseln' bemerkbar macht. Gerade bei Situationen mit sehr wenig Restlicht (z.B. dichter Laubwald bei Neumond) kann dieser Effekt das Bild dominieren und feine Helligkeitsunterschiede überlagern. Das Verhältnis von Lichtinformation zum Hintergrundrauschen wird als 'Signal To Noise Ratio' (S/N) auf dem Datenblatt angegeben. Lag das Verhältnis noch bei der 2.Generation zu Beginn bei 4,5 sind es bei der 3. über 20 mit Spitzenwerten um die 30. Mit den Angaben über Lichtempfindlichkeit, Auflösung und Rauschverhalten können Bildverstärkerröhren schon recht genau in ihrer Leistung eingeschätzt werden. Weitere angeführte Meßwerte, wie z.B. das Maß für das Verhältnis von aufgenommenen zu wiedergegebenen Informationen ('Modulare Transfer Funktion', 'MTF'), bieten allerdings nur noch Detailinformationen für eine Qualitätsbestimmung einer Röhre an.

Leider wird oft eine bestimmtes Vielfaches an Lichtverstärkung als scheinbares Kriterium für Nachtsichtgeräte genannt. Die Lichtverstärkung ('Luminance Gain') ist zwar auch auf dem Datenblatt verzeichnet, bezieht sich aber natürlich nur auf die Röhre und stellt kein Vielfaches der Gesamtverstärkung des Lichts (Systemverstärkung), sondern nur das Verhältnis von eingehender zu ausgehender Beleuchtungsstärke dar (gemessen in 'footlambert per footcandela', 'fL/fc'). Eine Röhre der 1.Generation, die erstmal einen 'Lichtinformationsverlust' von über zwei Drittel an der Photokathode aufweist, um anschließend den kleinen Rest zu verzehnfachen, hat natürlich eine hohe interne 'Lichtvervielfachung', aber trotzdem wahrscheinlich nur ein detailarmes Bild. Die dreistufigen Röhren der 1.Generation sind einerseits sehr hell, aber leider multiplizieren sich andererseits durch die Hintereinanderschaltung auch die Informationsverluste (Prinzip "zu hell eingestellter Fernseher", kontrastarm).

Eine Aussage zur Lichtverstärkung macht höchstens als Angabe der gesamten Systemverstärkung eines Nachtsichtgerätes Sinn. Eine ernüchternde max. 50-fache tatsächliche Lichtverstärkung (der Bezug ist hier Umgebungshelligkeit zu Ausgangs-Helligkeit des Gerätes) der einstufigen 1.Generation steht ca. 1000-fach, bzw. 2000-fach der 2. und 3.Generation gegenüber.

Die oft angeführte Angabe über eine bestimmte Reichweite eines Nachtsichtgeräts mit entsprechendem Bildverstärker ist ebenso 'schwammig', da neben dem optischen Linsensystem die gesamten Bedingungen vor Ort (Wolken, Mond, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, künstliche Lichtemissionen, etc.) schon in kleinsten Veränderungen drastisch und schwer berechenbar in die maximale Beobachtungsreichweite eingreifen, so daß nicht selten der angegebene Wert um weit mehr als die Hälfte unterboten wird.

Da Bildverstärkerröhren immer eine kleine Informationsmenge zu einem brauchbarem Bild verstärken sollen, können auch kleinste Schwankungen in der Ausgangsituation zu unerwünschten Ergebnissen vervielfältigt werden. Die herausragende Bedeutung einer Röhre zeigt sich auch im Anschaffungspreis: Ca. 2/3 der Kosten für ein modernes Nachtsichtgerät entfallen auf den Bildverstärker.

li: 1.Gen PC-P/24-11mm (RU), re: 3.Gen 18 mm (US)

Eine geöffnete 18mm Röhre der 3.Generation: Um das eigentliche Röhrenmodul herum ist die gesamte Steuerelektronik angebracht. An ihrer Unterseite sind zwei Regler zum Einstellen der Röhre. Die MCP befindet sich im oberen Modul-Drittel. Nahezu die Hälfte des Röhrenmoduls macht ein Glasfaserbündel aus, welches bei den meisten Bildverstärkerröhren das kopfstehende Bild um 180° dreht.

Datenblatt für eine Bildwandlerröhre der 3.Generation der Firma Litton (jetzt Northrop Grumman): Links sind mögliche Fehler der Röhre vermerkt (Zonen für Flecken & allg. Mängel), rechts die gemessenen Werte mit den Minima aufgeführt.

Die USAF 1951 Standardtafel wird für die Ermittlung des Auflösungsvermögens benutzt.

1.Gen: große interne Lichterstärkung eines 'Rests'
3.Gen: geringere interne Verstärkung, aber durch günstigere 'Ausgangslage' insg. besseres Ergebnis