Fernsehen: Mechanischer Fernseher (System Nipkow)

Wer heutzutage mit dem Fernsehen lebt, macht sich in der Regel keinen Begriff davon, wie das Fernsehen einmal begonnen hat. Im Grunde genommen ist das Fernsehen früher erfunden worden als die Glühbirne. Paul Nipkow kam 1860 zur Welt. Die Idee mit der Spirallochscheibe soll ihm am Heiligen Abend 1883 in den Sinn gekommen sein, um ein Bild mit einem photosensitiven Punkt abzutasten, der zeilenförmig von oben nach unten wandert. Die Scheibe muss sich dabei so schnell drehen, dass die Zeilen- und Bildwechsel bedingt durch die Trägheit des Auges nicht mehr wahrgenommen werden.
Das Prinzip der zeilenweisen Bildabtastung ist allerdings schon vor Nipkow entdeckt worden. Bereits 1843 wurde das Faxgerät durch den schottischen Uhrmacher Alexander Bain erfunden, der ein stehendes Bild mit einem Detektor abtastete, der an einem Pendel hing. Die ersten Fernsehüberlegungen gingen noch davon aus, für die Information eines jedes Bildpunktes ein einzelnes Kabel zu verwenden. Bei 100 Zeilen mal 100 Punkten wären das 10000 Drähte gewesen. Der Franzose Constantin Senlecq hatte bereits drei Jahre vor Nipkow die Idee, anstelle einer parallelen Bildübertragung, das Bildsignal seriell zu übertragen und dazu das Bild zeilenweise abzutasten. Diese Idee publizierte er in dem Artikel "Le Télectroscope". Senlecq hatte die Idee, hinter einer Platte mit den photoelektrischen Elementen einen rotierenden elektrischen Kontakt anzubringen, der die photoelektrischen Elemente zeilenweise abtastet. Im Widergabegerät befand sich eine Platte mit Lampen, die ebenfalls durch einen synchron gesteuerten elektrischen Kontakt helligkeitsgesteuert werden. Wärend Constantin Senlecq sozusagen die theoretischen Grundlagen der zeilenweisen Abtastung bewegter Bilder beschrieb, gelang es Nipkow mit seiner Spirallochscheibe, eine sehr viel einfacherere Bildabtastung zu realisieren, die sich elektrisch und mechanisch leichter beherrschen ließ, sobald die entsprechenden Bauteile dafür zur Verfügung standen.
Dieses Fernsehverfahren wird "mechanisches Fernsehen" genannt, weil die Bildabtastung - im Gegensatz zum elektronischen Fernsehen mit Kamera- und Bildröhren - mechanisch erfolgt mit Hilfe einer Lochscheibe. Die Bildqualität ist allerdings nicht vergleichbar mit unseren heutigen Erwartungen an ein Fernsehbild. Bei in der Regel 12 Bildwechseln pro Sekunde flimmert es sehr, und mit ca. 24 bis 60 Zeilen Auflösung sind nur grobe Details gut erkennbar.

Persönliche Vorbemerkung

Bereits in meiner Jugendzeit (1974, damals war ich 14 Jahre alt) träumte ich davon, einmal einen Fernseher aus seinen Einzelteilen selbst zu konstruieren und zusammen zu bauen. Dabei wollte ich nicht das wiederholen, was es sonst so gab auf dem Markt, sondern es sollte ein Fernseher sein, der für die Bildwiedergabe eine Nipkowscheibe verwendet, also jenes Prinzip, dass der deutsche Erfinder Paul Nipkow bereits 1884 zum Patent anmeldete. Zu dieser Zeit war die Technik noch nicht soweit fortgeschritten, um einen entsprechenden Fernseher nach diesem Prinzip zu realisieren. Erst 1928, also 44 Jahre nach seiner Patentanmeldung, konnte Paul Nipkow die Spirallochscheibe, die er für Fernsehzwecke erfunden hatte, bei der Berliner Funkausstellung erleben. Doch außer schemenhafte, dunkle Lichtreflexe war auf der Nipkowscheibe nichts zu erkennen gewesen.
 
Es ist überliefert, dass Paul Nipkow entäuscht und verbittert von der Funkausstellung wieder nach Hause in seine Berliner Wohnung ging, da er sich selbst unter seiner Erfindung viel mehr vorgestellt hatte. Nachdem sich dann Anfang der 1930er Jahre die Braunsche Roehre als Bildwiedergabeinstrument durchsetzte, geriet die Nipkowscheibe weitgehend in Vergessenheit. Auch in Deutschland. Was die Nipkowscheibe wirklich kann, das wurde nie ermittelt. Doch mich interessierte gerade diese Frage schon im Jugendalter.
 
Zweck meines Projekts war es nun, herauszufinden, wie gut oder schlecht die Fernsehbildwiedergabe mit einer Nipkowscheibe wirklich ist. Als die Nipkowscheibe in den 1920er und 1930er Jahren nämlich für Fernsehzwecke verwendet wurde, steckte die Bild- und Verstärkertechnik noch soweit in den Kinderschuhen, dass eine Wiedererkennbarkeit der gezeigten Personen oder Gegenstände nur selten erreicht wurde. Ich wollte nun einen Fernseher mit Nipkowscheibe bauen, der das best Mögliche aus dem mechanischen Fernsehen herausholt.
 
Die Lehrer und Fachleute, die ich als Jugendlicher dazu befragte, schüttelten nur alle mit dem Kopf: Was willst du denn mit einer Technik von vorgestern? Wie willst du das Problem des Gleichlaufs der Scheibe mit dem Bildsignal lösen? Das hat doch damals schon nicht geklappt! Und selbst, wenn es dir gelänge, wird die Bildqualität so schlecht sein, dass man nichts wiedererkennen kann.
 
Derart damals entmutigt, legte ich das Projekt erst einmal ad acta. Abgesehen von ein paar Skizzen im Tagebuch und Erinnerungen daran hatte ich davon nichts weiter in das Ewachsenenleben gerettet.
 
Aber dann hat man auf einmal selbst Kinder, und als mein Sohn mit Papas Hilfe sein erstes Radio zusammengebaut hatte, da erwachte die Idee von damals wieder...

Erste Voraussetzung für einen mechanischen Fernseher ist die Spirallochscheibe oder auch Nipkow-Scheibe. Eine solche, für 32 Zeilen pro Bild, habe ich vorgefertigt von Peter Yanczer zusammen mit einem Gleichstrommotor und einem Kugellager aus den USA bekommen. Die Lochscheibe hat einen Durchmesser von 30,7 cm (= 12 Zoll) und besitzt neben den Löchern für die Zeilen auch noch im Innenkreis 32 Löcher für den Referenzimpuls, der in der Gabellichtschranke erzeugt wird für die Motorsteuerung. (Rechts im Bild ein Negativphoto, auf dem die Löcher für die Zeilen besser zu erkennen sind.) Wer selbst eine Nipkowscheibe anfertigen möchte, findet hier dazu ein gezipptes Excel-Programm. (Das Diagramm wird markiert und kann per Kopie und Einfügen in Paint Shop Pro übernommen und ausgedruckt werden als Schablone für die Nipkopw-Scheibe. Ggf. reicht eine schwarze Pappe aus, wenn sie farbig z.B. mit Gelb, bedruckt wird, und dann können die Löcher ausgestochen werden.)

Für den ersten Versuchsaufbau nahm ich ein Brett mit zwei Blechwinkeln, die die Nipkowscheibe hielten. Daneben wurde der Motor festgeschraubt. Hinter der Sichtfläche waren sechs weiße Leuchtdioden auf einer Platine angebracht. Der Motor wurde durch einen regelbaren Gleichstrom- Eisenbahntrafo gesteuert. Und die Leuchtdioden wurden über einen 20-Ohm-Widerstand direkt an den Audioausgang eines Stereoverstärkers angeschlossen. Parallel zu den Leuchtdioden - jede einzelne war mit einem Vorwiderstand von 47 Ohm versehen worden, wurde eine 4,5 Volt-Batterie über 10 Ohm geschaltet, um die nötige Durchbruchspannung für die Leuchtdioden bereit zu stellen. Mit diesem sehr einfachen Versuchsaufbau war es bereits möglich, ein Fernsehbild auf der Nipkowscheibe wieder zu geben. Um ein Bild zu erkennen, musste der Raum etwas abgedunkelt sein. Aber auch da waren zunächst nur weiße, schräge Balken zu erkennen. Der Audiokanal musste umgepolt werden. Da der Motor bei den ersten Versuchen noch nicht synchronisiert wurde, musste die Drehzahl phasenrichtig von Hand eingeregelt werden. Es ist schwierig, bei einem Video mit bewegten Bildern ein stehendes Bild zu photographieren, noch dazu, wenn das Bild regelmäig wegläuft. Besser als das rechte Bild zeigen die folgenden MPEG-Videos 1 und 2 die ersten Bilder auf der Nipkowscheibe.

Nachdem der Versuchsaufbau funktionierte, ging es daran, dem Apparat in eine solide Form zu bringen. Das Gehäuse ist so gefertigt, dass sich das Innenbrett mit der Scheibenhaltung und der Elektronik mühelos herausnehmen lässt. Gehäusehöhe: 36 cm., Breite: 39 cm., Tiefe 26,5 cm (alles einschließlich der Wanddicke). Zum Schutz der Nipkowscheibe ist vor ihr eine Glastür angebracht. Diese ermöglicht es, die Funktionsweise bei der Bildwiedergabe zu studieren. Das Kugellager, das die Scheibe hält, wurde mit zwei Winkelblechen auf ein Holzbrett montiert. Der Motor wurde mit einer Blechlasche (aus einem PC) und einem Stück Gummi ebenfalls auf dem Holz befestigt. Die Scheibe wird über einen Riemen angetrieben. Für den Motor wurde in den ersten Versuchen eine regelbare Gleichstromquelle verwendet, in diesem Fall hier war es das Netzteil für die Modelleisenbahn meines Sohnes. Die "Videosignale" wurden vom Lautsprecherausgang des Verstärkers direkt auf das Leuchtdiodenfeld gegeben. Später kam eine elektronische Motorsteuerung hinzu.

Links: die Elektronikplatte ist ins Gehäuse eingeschoben, aber die Nipkowscheibe wurde noch nicht installiert. Rechts und links neben dem Einschub sind Schrauben mit Abstandsröhrchen angebracht, die verhindern sollen, dass man versehentlich den Geräteeinschub nach hinten herauszieht und dabei die Lochscheibe verbiegt. Die Geräteeinschubplatte wurde in Höhe von 11,7 cm. vom Gehäuseboden angebracht. Rechts: Um das LED-Feld wurde mit Hartfaserplättchen ein Sichtschutz angebracht, der das Licht sammelt. Von innen sind die Hartfaserplättchen mit Alufolie beklebt. Mit Richtung auf den Motor wurde der Sichtschutz offen gelassen, damit man von außsen das Wirkprinzip erkennen kann.

Hier ist der Apparat von vorn und von hinten mit allen Bestandteilen zu sehen. Für Hinten gibt es eine Rückwand. Für die Vorderansicht soll noch eine Glasscheibe angebracht werden. Üblich waren früher geschlossene Geräte, doch hier wurde darauf verzichtet, da es ja auch interessant ist, den Motor- und Lochscheibenmechanismus im Inneren zu betrachten.

Die Motorsteuerung erhält neben den Synchronimpulsen aus dem Videosignal noch einen Vergleichsimpuls, der aus einer Gabellichtschranke gewonnen wird. Auf der Lochscheibe befinden sich Extrabohrungen exakt unter jedem Zeilenloch. Um nicht nur die Zeilen, sondern auch das Bild richtig zu synchronisieren, wird das Synchronloch, das durch die Gabellichtschranke läuft, wenn die erste Zeile des nächsten Bildes geschrieben wird, mit schwarzer Folie zugeklebt. Eine bessere Synchronisierung erhält man, wenn man auch das zweite folgende Synchronloch zuklebt.

In den 1920er und 1930er Jahren wurden vorwiegend Glimmlampen als Lichtquelle benutzt, deren Licht sich gut mit der Amplidute des Videosignals modulieren lässt. Heute verwende ich weiße Leuchtdioden. Sechs Stück wurden in parallel (mit je einem 47-Ohm-Widerstand in Serie) auf eine Lochrasterplatine gelötet. Die Leuchtdioden werden durch einen Verstärker angesteuert, der Eingang des Verstärkers kann in der Polarität umgeschaltet werden. Dieser Verstärker trennt auch die Synchronimpulse ab, die der Motorsteuerung zugeführt werden. Die Bandbreite eines Videosignals für ein 32-Zeilen- Bild ist mit ca. 12 KHz so gering, dass sich dieses Videosignal mühelos in einem Audiokanal übertragen lässt.Mit Hilfe einer Computersoftware wurde ein kleines AVI-Video in eine WAV-Datei konvertiert, die ein Videosignal mit 32 Zeilen und 12,5 Bildwechseln pro Sekunde enthält (Zeilenfrequenz: 400 Hz). Ein solches Videosignal hier "angehört" werden.

Eine gute Auskoppelung der Synchronimpulse sowie ein sauberer Referenzimpuls von der Gabellichtschranke sind für einen guten Gleichlauf der Nipkowscheibe unerlässlich. Im ersten Versuchsaufbau ließ sich gar keine Synchronisation erzielen, der Steuerimpuls aus dem 4046 war so stark, dass der Motor unter voller Spannung lief. Erst nachdem ich den Gleichspannungsregelwert erhöht hatte, wurde eine Synchronisation möglich. Links im Bild das aus dem Videosignal gewonnene Synchronsignal, rechts im Bild der Vergleichsimpuls aus der Gabellichtschranke.

Ein besonderes Problem besteht darin, auf der Spirallochscheibe ein diffuses, gleichmäßig ausgeleuchtetes Feld zu erzeugen, auf dessen Rückseite (vom Betrachter aus gesehen Vorderseite) das Bild dann erkennbar sein soll. Dazu wurde eine "Mattscheibe" (Diffuser) aus einem Diabetrachter angebracht.
Auf dem linken Bild ist das Netzteil zu erkennen, das zwei 12-Volt-Spannungen liefert für die LED-Treiber und für die Motorsteuerung.

Nachdem der Videokanal erst einmal provisorisch installiert wurde, erfolgt die Ansteuerung des Motors. Das Bild wird hier - da es sich um die englische Norm der Narrow-bandwidth Television Association (NBTV) handelt, vertikal wiedergegeben. Die Zeilen werden von rechts nach links geschrieben, und die Spirallochscheibe dreht sich - von vorn betrachtet - gegenläufig zum Uhrzeigersinn. Langsam wird die Betriebsspannung hochgeregelt bis bei ca. 8 Volt die erwünschte Umdrehungszahl (750 rpm) erreicht ist.

Nachdem Einbau der Motorsteuerung konnte das Bild automatisch synchronisiert werden: siehe die folgenden MPEG-Videos 3 und 4. Um das Bild besser zu erkennen, sollte das Video im Wiederholungsmodus abgespielt werden.
Bei diesen Versuchen muss man sich klar machen, dass die ersten Fernsehbetrachter Ende der 1920er Jahre die Scheibe von Hand synchronisieren mussten (meistens über eine Kabelfernbedienung). Und sie waren froh, wenn es ihnen gelang, für ein paar Sekunden ein stehendes Bild zu sehen. Aber nicht nur das: für das menschliche Auge erscheint auf der Lochscheibe ein Bild. Das ist allerdings eine optische Täuschung! In Wirklichkeit erscheint auf der Lochscheibe nur ein - sich allerdings sehr schnell bewegender Leuchtpunkt, dessen Helligkeit von den Helligkeitsschwankungen der LEDs dahinter abhängt. Erst im menschlichen Auge wird das gesamte Bild zusammen gesetzt. In dem Moment aber, wo der Mensch das Bild erkennt, schreibt der Leuchtpunkt bereits das nächste Bild.

Nachdem der erste Apparat funktionierte, war es Zeit, Gehäuse und Mechanik in einer solideren Form zu bauen. Dazu erklährte sich spontan Dr. Ulrich Barkow aus Broitzem bereit. Die Wände des Gehäuses wurden an den Ecken sauber verzinkt und verleimt. Der Innenraum wurde soweit vergrößert, dass man die Grundplatte mit Mechanik und Elektronik in einer Lattenführung nach außen ziehen kann.

Die Lichtschranke wurde auf einen Holzblock gesetzt, der mit Schrauben verstellbar an der Grundplatte befestigt ist. Motor und Lagerung wurden ebenfalls in einen Holzblock gesetzt, so dass sie stabil gehalten werden.Die Elektronik wurde wie schon zuvor auf die Grundplatte hinten montiert, das Netzteil befindet sich eine Etage tiefer.

Durch die Möglichkeit, die Grundplatte nach vorn heraus zu ziehen, ohne die Glastür entfernen zu müssen, lässt sich der Apparat sehr bequem justieren und ggf. auch reparieren. Das schwierige Nach-Hinten-Fassen entfällt nun auch, weil die Regler für Lautstärke, Motorsteuerung, Synchron-Impuls-Austastung, Kontrast-, Weißwert und Schwarzwert an der rechten Seite angebracht sind.
Videobeispiele für die Wiedergabequalität der Nipkowscheibe sind auch bei Youtube zu finden: Mechanical Television I, Mechanical Television II, Mechanical Television III.

Update Januar 2010: Mit Hilfe des Weltkonverters von Darry Hock gelanmg es, den Apparat auf Farbwiedergabe umzustellen. Der Weltkonverter setzt ein beliebiges PAL- oder NTSC-Farbsignal in ein 32-Zeilen-NBTV-Signal um und gibt es als RGB-Signal aus, mit dem ein RGB LED-Array angesteuert werden kann.

Der Weltkonverter kann dazu um ein Daughter-Board erweitert werden, dass die optimal angepassten RGB-Verstärker gleich mitbringt. Für jeden Farbkanal sind Schwarzwert (Level) und Verstärkung (Gain) individuell einstellbar. Das RGB LED-Array enthält 32 Leuchtdioden und ist damit extrem lichtstark.

Durch den extrem hohen Lichtstrom ist es mühelos möglich, das Farbbild auf der Nipkowscheibe auch bei normaler Raumhelligkeit zu betrachten. Als Besonderheit ist noch anzumerken, dass die RGB-Leuchtdioden im Gegensatz zum herkömmlichen Farbfernsehen über den erweiterten Farbraum verfügen (wide gamut), wodurch eine gegenüber unserem kommerziellen besonders naturgetreue Farbwiedergabe erzielt werden kann. Allerdings gelingt es aufgrund der kameratechnischen und bildschirmtechnischen Begrenzungen hier nicht, diesen erweiterten Farbraum im Photo zu erfassen. Hier sind die Werte für die einzelnen Farben der RGB-LEDs:

632nm (Rot)
523nm (Grün)
465nm (Blau)

Diese Werte ähneln eher den Wellenlängen der frühen NTSC-Farbbildröhren aus der Mitte der 1950er Jahre als dem PAL-Standard mit verringertem Farbraum:

636 bis 658nm (Rot)
523 bis 532nm (Grün)
442 bis 452nm (Blau)

Zum Vergleich die Wellenlängen der PAL/SECAM-Farben:

607nm (Rot)
552nm (Grün)
466nm (Blau)

Alle diese Bild- und Videobeispiele zeigen, dass die Bildwiedergabe mit der Nipkowscheibe wesentlich besser ist als je vorher angenommen wurde. Die Erfahrungen zeigen, dass über 95% des Film- und Bildmaterials erkannt werden können. Beste Ergebnisse erzielt man mit Film und Videomaterial aus den 1950er bis 1970er Jahren, da man damals nicht soviel Details in ein Bild packte.