aus der Funk-Technik Nr. 19 / Okt. 1972
Die „VLP" - Video-Langspielplatte vom 5. September 1972
von W. Roth
Langspiel-Bildplatte mit optischer Abtastung
"Eine Vision von 1972"
Mit der Entwicklung optisch auslesbarer Speicher hoher Informations- dichte beschäftigen sich wissen- schaftliche Institute sowie Forschungslaboratorien der Industrie schon seit einer Reihe von Jahren.
Einzelheiten über den Stand der Forschung und Entwicklung sind aber bisher kaum in die Öffentlichkeit gedrungen und an praktischen Demonstrationen vor einem größeren Kreis von Außenstehenden hat es bisher praktisch völlig gefehlt.
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- Bereits 1974 war die Philips Laserdisc fertig und die TED Bildplatte war mehrfach überrundet
Um so mehr ist es deshalb zu begrüßen, daß Philips am 5. September 1972 einem Kreis europäischer Fachjournalisten Gelegenheit gab, im Eindhovener Forschungsinstitut als Ergebnis ausgedehnter Forschungsarbeiten eine Bildplatte kennenzulernen, die mit optischer Abtastung des gespeicherten Farbfernsehsignals arbeitet.
Diese Bildplatte mit 30 cm Durchmesser hat heute etwa 30 Minuten Spieldauer. Es besteht aber begründete Hoffnung, diese Spieldauer im Laufe der nächsten Jahre bis auf etwa 45 Minuten zu erhöhen. Nach der Schallplatten-Terminologie handelt es sich also um eine echte Langspielplatte, und deshalb hat Philips für sie den neuen Ausdruck „VLP" - Video-Langspielplatte - geprägt.
Anmerkung der Redaktion zu dieser Entwicklung
Natürlich sind wir im Nachhinein viel schlauer als die Telefunken Manager von damals (1974). Doch die müssten zumindest so viel "Marktgefühl" gehabt haben, um zu erkennen, daß ein ausgeknautschtes mechanisches 10 Min. TED System einem optischen Laserdisc System niemals das Wasser reichen konnte. Die Nipkow Scheibe hatten doch alle mal in der Schule durchgenommen und die war 1934 ab der ersten Farnsworth- und der Zworkin- Elektronen-Röhre schon obsolet. Nach dieser in vielen Zeitschriften publizierten Philips Ankündigung 1972 hätten sie bei Telefunken eigentlich aufhören sollen und müssen. - Hatten sie aber nicht . . . . . . bis zum bitteren Ende . . . - warum nicht ? Es gab da schon Gründe . . .
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Ein amerikanischer Slogan: Dont talk about the pipeline.
- die 30cm Disc
G. Gaazenbeek, Deputy Director der Philips Electro-Acoustics Division in Eindhoven, nannte mehrere Gründe, weshalb man erst jetzt (Okt. 1972) der technisch interessierten Öffentlichkeit diese neueste Entwicklung vorstelle.
Zum ersten haben die jahrelangen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten jetzt einen Stand erreicht, daß die Einführung dieses Systems in die Praxis gesichert ist. Man hat ganz konkrete Vorstellungen davon, wie sich die Ergebnisse dieser Arbeiten in verkaufbare Hardware umsetzen lassen, wenngleich es noch mehrere Jahre dauern wird, bis dem Markt entsprechende Geräte und Bildplatten aus serienmäßiger Großfertigung angeboten werden. Auf einen bestimmten Einführungstermin will man sich heute bei Philips noch nicht festlegen. Aus Gesprächen war aber zu entnehmen, daß damit vor 1975 kaum zu rechnen sein wird, denn man will nur mit einer ausgereiften und risikolosen Technik auf den Markt gehen.
Das um so mehr, als in der Vergangenheit schon wiederholt Systeme - insbesondere auch solche mit optischer Abtastung - als fertigungsreif erklärt worden sind, ohne daß bisher jemals entsprechende Geräte aus serienmäßiger Fertigung auf dem Markt erschienen sind oder ein verbindlicher Starttermin genannt worden ist. Zum anderen glaubt man, daß ein weltweiter multinationaler Konzern wie Philips in naher Zukunft auch ein Bildplattensystem anbieten muß. Man betrachtet die magnetische Bildaufzeichnung, beispielsweise nach dem VCR-System, nicht als Alternativlösung, sondern ist der Überzeugung, daß beide Systeme ebenso nebeneinander ihre Existenzberechtigung haben, wie die Schallplatte und das bespielte Tonband. Man teilt also in dieser Richtung die Auffassung anderer führender Unternehmen auf diesem Gebiet.
1. Prinzip der Aufzeichnung (Anmerkung: analoges Konzept)
- Bild 1. Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche einer Video-Langspielplatte
Die VLP hat die gleichen Abmessungen wie die 30cm Langspiel-Schallplatte (LP). Sie besteht auch aus einem ganz ähnlichen Material und wird bei der Großserienfertigung ähnlich wie die Schallplatte durch Pressen vervielfältigt. Die Videosignale einschließlich der Synchronisierimpulse und des Tons werden spiralförmig aufgezeichnet, und zwar je Umdrehung der Platte ein Vollbild. Die Bildplatte rotiert also mit 25 U/s = 1500 U/min. Im Gegensatz zur Schallplatte liegt die gespeicherte Information hier aber nicht in Form mechanisch deformierter Rillen vor, sondern die Spur der VLP-Platte (Bild 1) besteht aus einer Folge mikroskopisch kleiner länglicher Vertiefungen (Pits) gleicher Breite und Tiefe. Der Spurabstand liegt bei etwa 2um. Die zu speichernden Informationen werden als frequenzmodulierte Signale aufgezeichnet, weil diese Modulationsart wegen ihrer weitgehenden Unabhängigkeit von Amplitudenschwankungen besondere Vorteile bietet.
Als Signalquellen können eine Farbfernsehkamera oder ein Farbfernsehempfänger oder ein magnetisch auf Videoband gespeichertes Farbfernsehsignal dienen. Die Art der Farbcodierung ist gleichgültig; NTSC-Signale sind gleichermaßen wie PAL- oder SECAM-Signale geeignet. In jedem Fall werden die Signale in ähnlicher Weise wie beim VCR-System intern umgesetzt. Über die Frequenzen der benutzten Hilfs-träger wurde noch keine Auskunft gegeben.
Die Länge der einzelnen Pits ist ein Maß für die Farbinformation. Ihre Länge schwankt im Mittel um 10%, maximal um 20%. Die Frequenz des Luminanzsignals ist durch den Abstand der Pits gegeben. Sie liegt derzeit bei rund 3MHz, jedoch ist man sicher, die obere Grenzfrequenz schon in absehbarer Zeit heraufsetzen zu können.
2. Prinzip der Abtastung
Die gepreßte Platte erhält in einem weiteren Arbeitsgang eine dünne Schicht aus einem gut reflektierenden Material, beispielsweise Aluminium. Als Lichtquelle für die optische Abtastung benutzt man einen kleinen Helium-Neon-Laser mit 1mW Ausgangsleistung. Diese Leistung ist so gering, daß mit Sicherheit keinerlei Gefahr für die Umgebung besteht, selbst dann nicht, wenn bei Montagearbeiten oder Reparaturen der Laserstrahl einmal direkt in das Auge fallen sollte.
Beim Betrieb des Abspielgeräts ist ein solcher Fall überhaupt ausgeschlossen, weil die Platte von unten abgetastet wird und die gesamte Abtasteinrichtung im Inneren des Abspielgeräts untergebracht ist. Das vom Laser ausgehende kohärente Lichtbündel wird über ein optisches System als kleiner Lichtfleck von etwa Spurbreite auf die Unterseite der Platte abgebildet. Trifft der Lichtfleck auf einen Teil der Platte zwischen zwei Pits, dann wird er mit maximaler Helligkeit reflektiert. Das reflektierte Licht fällt auf einen in monolithischer Technik ausgeführten Silizium-Photodetektor, der ein der Beleuchtungsstärke entsprechendes elektrisches Signal abgibt. Trifft der Lichtstrahl dagegen auf ein Pit, dann wird ein Teil des auffallenden Lichts durch Beugungseffekte an den Kanten des Pits in andere Richtungen abgelenkt und erreicht dementsprechend den Photodetektor nicht.
Das Licht wird also im Rhythmus der Länge und des Abstands der Pits frequenzmoduliert, so daß am Ausgang des Photodetektors wieder das Fernsehsignal entsteht, das nach entsprechender Codierung beispielsweise als PAL-Signal einen HF-Oszillator im VHF- oder UHF-Bereich moduliert. Dieses modulierte HF-Signal kann man dann genau wie beim VCR-Re-corder einem Farbfernsehempfänger über die Antennenbuchsen zuführen. Die Demonstration der VLP war überzeugend. Farbqualität und Auflösung waren beim bewegten Bild ebenso wie beim Standbild gut, und die Gesamtqualität war besser als manches drahtlos aufgenommene Fernsehbild, weil wegen der relativ hohen Eingangsspannung an den Antennenbuchsen kein vom Empfänger herrührendes störendes Rauschen sichtbar ist. Das wiedergegebene Bild entsprach in dieser Hinsicht der in Sendernähe oder an einer guten Gemeinschafts-Antennenanlage erreichbaren Bildqualität.
3. Herstellung des Masters und Vervielfältigung
- Bild 2. ertes Ausführungsbeispiel für ein VLP-Abspielgerät
Für die Signalspeicherung auf dem Master benutzt man zur Aufzeichnung ebenfalls einen Laser. Die Platte ist mit einer Photoresistschicht überzogen, und der f okussierte Lichtpunkt des im Blauen emittierenden 100mW-Lasers belichtet entsprechend der Modulationsfrequenz des auffallenden Laserlichts die blauempfindliche Photoresistschicht. Die Pits auf der Oberfläche des Masters entstehen in einem anschließenden Ätzprozeß, wie er von der Herstellung integrierter Schaltungen her bekannt ist.
Hervorzuheben ist, daß die Aufzeichnung in Echtzeit (real-time) erfolgt. Die Aufzeichnungszeit entspricht also exakt der Zeitdauer des Ereignisses, so daß man Live-Aufnahmen mit der Kamera oder empfangene Fernsehsendungen oder auf Videoband gespeicherte Aufnahmen ohne jeden Zwischenspeicher direkt aufzeichnen kann. Als kleinen Gag führte man die unbemerkt aufgenommene Ankunft der deutschen Teilnehmergruppe vor dem Hotel kurze Zeit später im Rahmen der Pressekonferenz vor.
Der Weg vom Master zur gepreßten Platte verläuft ganz ähnlich wie bei der Schallplatte. Da aber bei der VLP die aufgezeichneten Pits im SubMikrometer-Bereich liegen, müssen an die Arbeitsgänge zur Herstellung der Preßmatrize und ebenso an den Preßvorgang selbst ungewöhnlich große Anforderungen gestellt werden. Diese Innovationsaufgaben bearbeitet Polygram, die zum Konzern gehörende Schallplattenfirma.
Hier sind noch bestimmte technische Probleme zu lösen. Deshalb wurden für die Demonstrationen auch noch keine gepreßten Platten, sondern Master benutzt. An die makroskopischen Größen der gepreßten Platte, beispielsweise Zentrierung und Planlage, werden hingegen keine besonderen Anforderungen gestellt, weil das noch beim Abspielgerät zu beschreibende elektro-optische Folgesystem Abweichungen auf relativ einfache Weise ausgleicht. Zum Schutz gegen Staub und mechanische Kratzer erhalten die gepreßten Platten einen durchsichtigen Plastiküberzug, der zugleich die verspiegelte Oberfläche gegen Einwirkungen von Umwelteinflüssen schützt. Damit ist die VLP in der Handhabung problemloser als die LP-Schallplatte. Auf alle „Kniffe" der HiFi-Freunde - Naßfahren, Staubpinsel usw. - kann man deshalb hier verzichten.
4. VLP-Abspielgerät
Das VLP-Abspielgerät hat etwa die Abmessungen eines flachen Plattenspielers (Bild 2). Die aufgelegte Platte wird, wie bereits erwähnt, von unten mit einem feinen Laserlichtpunkt abgetastet. Um einen hohen Störabstand zu erreichen, muß die Leuchtdichte des abtastenden Lichtpunkts möglichst groß sein. Da diese Bedingung mit Glühlampen nicht zu erfüllen ist, hat man als Lichtquelle einen kleinen Laser gewählt. Eine optoelektronische Regelung führt den Lichtpunkt über die spiralförmige Spur der Platte. Deshalb kann jede mechanische Führung des Abtastsystems durch eine Rille oder andere mechanische Maßnahmen entfallen - ein wegen des äußerst kleinen Spurabstands von nur 2um und der hohen Informationsdichte sehr wichtiger Punkt.
- Bild 3. Schematischer Aufbau des VLP-Abspielgeräts: 7 Video-Langspielplatte, 1a Muster der
Da die Abtastung berührungslos erfolgt, tritt prinzipiell keine Abnutzung auf, so daß Einzelbildbetrachtung (Dauerabtastung einer einzigen Rille) über beliebig lange Zeiten ohne den geringsten Qualitätsverlust möglich ist.
Den schematischen Aufbau des VLP-Abspielgeräts zeigt Bild 3. Die Bildplatte 1 trägt auf der abzutastenden Seite (untere Seite) die im Bild 3 oben links angedeuteten Spuren la mit der in Form von Pits gespeicherten Information.
Das vom Helium-Neon-Laser 6 ausgehende Licht wird fokussiert und fällt über das teildurchlässige Umlenkprisma 4 und einen festen Umlenkspiegel auf den Klappspiegel 3 zur Verfolgung der Spur und von dort über das federnd aufgehängte Mikroskopobjektiv 2 auf die Bildplatte 1. Das an der reflektierenden Metallisierung der VLP gespiegelte Licht gelangt auf demselben Weg zurück, wird aber am teildurchlässigen Prisma 4 nicht abgelenkt, sondern fällt auf den Photodetektor 5. Je nach Intensität des an der glatten Plattenoberfläche oder an den Pits reflektierten Lichts ändert sich die Beleuchtungsstärke auf dem Photodetektor, an dessen Ausgang das ausgelesene Fernsehsignal zur Verfügung steht.
Wegen der schmalen Spuren ist die exakte Führung des Lichtpunkts von ausschlaggebender Bedeutung. Dazu dient eine optoelektronische Folgeregelung, die in ganz groben Zügen etwa wie folgt arbeitet: Auf die Plattenoberfläche fällt ein Lichtpunkt, der etwas größer als die Spurbreite ist. Damit kann man einen Teil des Stegs auf beiden Seiten der Spur abtasten. Läßt man das Bild der Spur und der beiden Randzonen über ein System von Strichblenden auf einen Differenz-Photodetektor fallen, so liefert dieser für den Fall, daß der Punkt genau auf der Spur liegt, kein Ausgangssignal, weil beide Hälften des Photodetektors gleichmäßig beleuchtet werden.
Bei jeder Abweichung von der exakten Spurlage sind die Beleuchtungsstärken der beiden Hälften des Differenz-Photodetektors ungleich, und man erhält ein Ausgangssignal, das nach Betrag und Richtung der Abweichung des abtastenden Lichtstrahls von der Spur entspricht. Mit diesem Signal kann man dann den Klappspiegel 3 beispielweise über ein Drehspul-System so nachführen, daß die exakte Spurabtastung in jedem Fall gewährleistet ist.
Wie bei der Schallplatte, muß auch hier das Abtastsystem der spiralförmigen Spur nachgeführt werden. Dazu benutzt man im Prinzip die gleiche Anordnung. Sie verschiebt während des Abspielvorgangs das gesamte optoelektronische Abtastsystem einschließlich Lichtquelle in radialer Richtung parallel zur Platte. Ein zweites Regelsystem gleicht die Höhenschwankungen der Platte aus. Das ist notwendig, weil wegen der abbildenden Eigenschaften des Mikroskopobjektivs der Tiefenschärfebereich nur sehr klein ist. Bei Höhenschwankungen würde der Lichtpunkt deshalb unscharf werden. Um diese Abstandsänderungen zu kompensieren, mißt man beispielsweise mit Hilfe eines kapazitiven Sensors laufend den Abstand zwischen Plattenebene und Objektiv und steuert bei Abweichungen das federnd montierte Objektiv 2 (Bild 3) entsprechend nach.
Weitere und detailliertere technische Angaben über das in vieler Hinsicht technisch interessante VLP-Abspielgerät können im Augenblick nicht gemacht werden, weil darüber noch nichts bekanntgegeben worden ist.
5. Betriebsarten
Das optoelektronische Folgesystem bietet gleichzeitig auch die Voraussetzungen für verschiedene Betriebsarten des VLP-Abspielgeräts. So kann man beispielsweise an jeder beliebigen Stelle der Platte auf Standbildwiedergabe umschalten. Dazu wird während der Austastlücke am Ende des Bildes das Abtastsystem durch entsprechende Drehung des Klappspiegels 3 wieder auf die vorhergehende Spur zurückgeführt. Ebenso lassen sich kontinuierlich veränderbare Zeitlupeneffekte von Normalgeschwindigkeit bis zum Bildstillstand erreichen. Für Zeitraffereffekte wird der abtastende Lichtpunkt nach Abtastung von beispielsweise jeweils einer viertel Zeile auf die nächste Spur geschwenkt und so weiter. Man erreicht damit für diesen angenommenen Fall vierfache Zeitraffung, weil ein Vollbild aus je einem Viertel von vier aufeinanderfolgenden Teilbildern entsteht. Ebenso ist auch sichtbarer Bildrücklauf möglich. Bei all diesen speziellen Betriebsarten läßt sich der Ton selbstverständlich abschalten. Ein ganz besonderer Vorteil des VLP-Systems ist wie bei allen Plattensystemen der sofortige wahlfreie Zugriff (random access) zu jeder Spur.
6. Zukunftsperspektiven
- angedacht: verschiedene Disc-Größen
Beim derzeitigen Stand der Entwicklung läßt sich die wichtige Frage nach dem Preis des VLP-Abspielgeräts und der VLP-Platte noch nicht beantworten. Der technische Aufwand beim Abspielgerät ist nicht gerade klein. Es bleibt abzuwarten, bis wann und zu welchem Preis es möglich sein wird, den 1mW-Laser in Großserien zu fertigen. Philips hat dafür ein spezielles Fertigungsverfahren entwickelt, das die wirtschaftliche Massenfertigung ermöglichen soll. Man rechnet mit einer Lebensdauer des Lasers von 3000 Betriebsstunden.
Nach Anlauf der Serienfertigung hofft man, in relativ kurzer Zeit einen Preis für das Abspielgerät zu erreichen, der etwa dem eines mittleren 66cm-Farbfernsehempfängers entspricht (nach heutigem Stand also rund 2.000 DM). Der Preis des Lasers könnte bei etwa 10% des Abspielgerätepreises liegen. Hinsichtlich des Preises der VLP-Platte ist man noch
unsicher, insbesondere auch deshalb, weil man wegen der nicht überschaubaren Entwicklung der reinen Programmkosten noch keine genügend konkreten Vorstellungen für die Zukunft hat. Möglicherweise könnte sich der Preis einige Jahre nach Einführung des VLP-Systems in der Größenordnung heutiger Schallplatten der oberen Preisklasse bewegen.
Die Gedanken über die Profi-Preise im Jahr 1972
Die vorstehende Preisspekulation für das Abspielgerät bezieht sich auf die Ausführung der Consumer-Klasse. Daneben aber werden mit einiger Wahrscheinlichkeit auch noch Geräte für den semiprofessionellen und den professionellen Bereich auf den Markt kommen. Sie werden entsprechend ihrer aufwendigeren technischen Ausstattung teurer sein, wenn man beispielsweise an Ergänzungen wie Fernbedienung, Zählwerk für die Zählung der einzelnen Spuren oder Vorrichtungen für die automatische Steuerung des Abspielgeräts beim Zusammenarbeiten mit Anlagen der komplexeren Unterrichtstechnologie denkt.
Die Frage der zukünftigen Normung des VLP-Systems ist im Augenblick noch völlig offen. Man ist sich bei Philips aber darüber klar, daß internationale Normung in jedem Fall der Schlüssel zum Markterfolg ist. Die Anwendung dieses Systems im Bereich der reinen Audiotechnik ist ebenfalls möglich. In der heutigen Ausführung erfüllt das Gerät bereits mit großen Sicherheitsreserven die Forderungen der HiFi-Norm. Die Übersprechdämpfung zwischen den beiden Stereo-Kanälen ist so groß, daß VLP-Platten mit zweisprachigem Ton ohne weiteres hergestellt werden können. Ob es sinnvoll ist, dieses System auch für heute schon bekannte und für zukünftige Vielkanal-Ton-Wiedergabeverfahren einzusetzen, das kann nur die Zukunft zeigen.
Geschrieben von W. Roth im September 1972