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Elektronenoptisches System zur Erzeugung extrem kleiner, scharf begrenzter BrennHecke auf dem Schirm.
Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre zur Erzeugung extrem kleiner, scharf begrenzter Brennfleck auf dem Schirm, wie sie insbesondere für Fernsehzwecke bei hohen Zeilenzahlen, z. B. bei 300-600 Zeilen pro Bild, und bei kleinen Bildformaten, wie bei Projektionsröhren, erforderlich werden.
Der Erzeugung scharf begrenzter Brennfleck derartig geringer Ausmasse (Grössenordnung 0-1 mM ;) standes bisher grosse Schwierigkeiten entgegen, wie im folgenden näher erläutert sei.
Bei der Erzeugung kleiner Brennfleck ist es erforderlich, von der Abbildung einer Elektronenquelle möglichst geringer Ausmasse durch die Hauptlinse der Röhre auszugehen. Die heute allgemein wegen ihrer Ergiebigkeit verwendete Oxydkathode kann jedoch im Hinblick auf Belastbarkeit und Lebensdauer nicht beliebig klein hergestellt werden. Ein weiterer, die Herstellung kleiner Brennfleeke erschwerende Umstand besteht darin, dass der Abstand zwischen der abbildenden elektronenoptisehen Linse und dem Leuchtschirm (Bildweite) wegen der erforderlichen Zeigerlänge des Kathodenstrahles verhältnismässig gross sein muss.
Man ist daher vielfach dazu übergegangen, an Stelle der Kathode selbst eine im Strahlengang liegende Blende kleineren Durchmessers als die Kathode auf dem Schirm abzubilden, wobei man durch besondere Mittel, z. B. durch Anwendung einer zylindrischen Elektrode, bestrebt war, möglichst die ganze von der Kathode ausgehende Emission durch die Öffnung dieser Blende zu schicken. Es zeigte sich nun, dass eine solche Anordnung nicht dazu ausreicht, um hohen Anforderungen bezüglich der Kleinheit und Schärfe des abzubildenden Brennfleckes in der Abbildungsebene Genüge zu leisten.
Ein weiteres Hindernis, das die Erreichung des gewünschten Zieles erschwert, ist die Strahlsteuerung. Diese führt, wenn man z. B. wie üblich die Steuerpotentiale der besagten zylindrischen Konzentrationselektrode oder der abzubildenden Blende zuführt, dazu, dass sich ausser der Strahlstromstärke zugleich die Geschwindigkeit der aus der abzubildenden Blende austretenden Elektronen in axialer Richtung verändert. Will man aber eine Blendenöffnung dauernd scharf abbilden, so muss verlangt werden, dass die aus dieser austretenden Elektronen stets gleichbleibende Geschwindigkeit besitzen.
Fig. 1 zeigt eine an sich bekannte Anordnung mit einer in der Kähe der Kathode A'angeordneten Sammellinse, die unter Anwendung eines Wehneltzylinders W erzeugt wird und die durch die punktierte Linie L angedeutet ist. Auf die Linse L folgt eine Blende B, die durch die Hauptlinse HL, welche zwischen den Elektroden Il und S entsteht, auf dem Schirm abgebildet wird. Will man eine solche Anordnung nun z. B. zur Erzeugung eines Brennfleckes für den Aufbau einer Bildfläche von 18 x 22 cm Grösse in 375 Zeilen benutzen, so muss die Öffnung der abzubildenden Blende B sehr viel kleiner als der Kathodendurchmesser sein (zirka 0-3 WM Durchmesser). Ferner muss die Linse L eine starke Brech-
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Kathodenemission ausgeleuf-l. tet werden kann.
Es bereitet keine Schwierigkeiten, solche Linsen zu erzeugen, und man I'at diesen Weg bisher ohne Bedenken beschritten. Linsen starker Wölbung führen nun aber zu einer fehlerhaften Abbildung der Kathode in der Bleudenebene, besonders infolge sphärischer Aberration. Ausserdem erhält das Elektronenstrahlbündel durch die stark brechende Linse L eine
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starke Apertur or, so dass nach dem Austritt desselben aus der Blendenöffnung von B weiter von der Mitte entfernte Teile der Hauptlinse HL ausgeleuchtet werden, was wiederum zu Fehlern bei der Abbildung der Blendenöffnung in der Schirmebene führt, selbst wenn die Hauptlinse nur eine geringe Krümmung aufzuweisen hat.
Diese Nachteile sollen auf folgende Weise behoben werden. Die Ausleuchtung der durch die Hauptlinse abzubildenden kleinen Blendenöffnung soll nicht, wie bei früheren Anordnungen (vgl. Fig. 1), durch eine einmalige Abbildung der Kathode in der Öffnung dieser Blende erfolgen, sondern es soll eine stufenweise Abbildung, u. zw. eine stufenweise Verkleinerung der Kathode vorgenommen werden in der Weise, dass zunächst ein verkleinertes Abbild der Kathode auf einer Blende entsprechender Öffnung entworfen wird. Die Öffnung dieser Blende muss aber noch grösser sein als die durch die Hauptlinse auf dem Schirm abzubildende Blende. Dieses Bild der Kathode wird nun wiederum verkleinert
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darstellenden Fig. 2-6 näher erläutert.
In Fig. 2 bedeuten entsprechend Fig. 1 K und W Kathode bzw. Wehneltzylinder. Dieser ist an solche Spannung gelegt bzw. so angeordnet, dass im Vergleich zu der Anordnung nach Fig. 1 eine nur schwach brechende Linse entsteht, mit Hilfe derer ein verkleinertes Bild der Kathode in der Öffnung einer Blende A entworfen wird. Diese erste Öffnung, auf die die Kathode abgebildet wird, ist. wenn beispielsweise dieselbe Bildgrösse und Zeilenzahl verlangt sei wie bei der Beschreibung der Fig. 1, grösser als die Öffnung von B in Fig. 1. Auf diese Blende folgt eine weitere Linse, die sich an der Elektrode C ausbildet, welche sich gegenüber A und B auf unterschiedlichem Potential befindet, und die eine verkleinere Abbildung der Öffnung von A auf eine entsprechend kleinere Öffnung der Elektrode B bewirkt.
Diese ist ebenso gross wie die Öffnung von B in der Anordnung nach Fig. 1 und wird durch die Haupt- linse HL auf dem Schirm abgebildet. Die Verkleinerung zwischen A und B kann z. B., wie in Fig. 2 dargestellt, in der Weise vorgenommen werden, dass A und B sieh auf gleichem Potential befinden und
C in ein ganz bestimmtes Abstandsverhältnis zu A und B gebracht wird, oder aber in eine hievon abweichende Stellung, z. B. (wie in Fig. 3 dargestellt) in die Mitte von A und B, während A und B sich auf verschiedenem Potential befinden (z. B.
B auf höherem Potential als A). Hat die durch die Haupt- linse HL in Fig. 2 abzubildende Öffnung von B denselben Durchmesser wie die abzubildende Öffnung von B in Fig. 1, so ist es trotzdem nur mit der erstgenannten Anordnung möglich, einen wirklich scharf begrenzten kleinen Brennfleck der erwähnten Ausmasse zu erhalten. Dies ist darauf zurückzuführen. dass jede der beiden vor der abzubildenden Blende B verwendeten Linsen nur eine geringe Wölbung aufzuweisen hat, so dass weder in der Bildebene A noch in der Bildebene B ein fehlerhaftes Bild entsteht.
Ferner aber können auch bei der Abbildung durch die Hauptlinse keine Linsenfehler entstehen, die immer gleichbedeutend sind mit einer Verwaschung des Brennfleckes, da das Strahlenbündel auch in
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Strahlstrom, damit eine möglichst geringe Anzahl von Elektronen durch die Blende aufgenommen wird.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit dreifacher Verkleinerung. Die verschiedenen Abbildungsebenen entsprechen der Reihe nach den Ebenen der Blenden A, D und B, von denen jede eine kleinere Öffnung besitzt als die vorhergehende. B ist wieder die endgültig durch die Hauptlinse abzubildende Blende. Bei dieser Anordnung gelingt es, mit noch schwächer brechenden Linsen auszukommen und noch schlankere Aperturen zu erzielen. Ferner bietet diese Anordnung die Möglichkeit einer wirksameren Kathodenstrahlsteuerung durch die gleichzeitige Zuführung der Steuerspannungen zu mehreren Elektroden, z. B. an die Elektroden C und E. Statt dessen kann aber auch die Steuerung des Kathodenstrahles an einer der Elektroden C, D, E vorgenommen werden, während sich die übrigen Elektroden auf konstantem Potential befinden.
Zwecks Erzielung einer Verkleinerung durch die Linse ACD bzw. DEB kann in ähnlicher Weise vorgegangen werden, wie dies an Hand der Anordnungen gemäss Fig. 2 und 3 erläutert wurde. Für den Fall gleicher Abstände sämtlicher zwischen J und B liegender Elektroden wählt man zweckmässig die Spannung an D grösser als die an zu und diejenige an B wiederum grösser als an D.
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In den Fig. 4-6 sind als Beispiele verschiedene Sehaltungsmögliehkeiten einer Anordnung mit dreifacher Verkleinerung dargestellt. Natürlich können auch bei diesen Anordnungen an Stelle der Wehneltzylinderlinse andere Linsenarten treten, z. B. solche, die durch eine besondere Ausgestaltung der Kathode erzeugt werden. Die Elektroden C und JE können ebenfalls durch andersartige, z. B. zylindrische oder konische Elektroden ersetzt werden, und die Blenden in den Abbildungsebenen können gegebenenfalls zylindrische oder konisehe Fortsätze aufweisen. In sämtlichen Ausführungsformen wurde als Beispiel für die Hauptlinse HL eine elektrostatische Linse gewählt. Die eine Elektrode dieser Linse, die mit R bezeichnet ist, kann gegebenenfalls mit der abzubildenden Blende B verbunden sein, wie durch die punktierte Linie angedeutet ist.
Die Spannungsquelle für die Hauptlinse FL wurde in sämtlichen Abbildungen der besseren Übersicht wegen fortgelassen, ebenso eine im Bedarfsfalle für den Wehneltzylinder zu verwendende Spannungsquelle. Die Steuerspannung wird zweckmässig derjenigen Elektrode zugeführt, die mit einem Wechselstromzeichen versehen ist, jedoch kann die Steuerspannung auch einer andern im Strahlengang liegenden Elektrode zugeführt werden.
Für eine Anordnung gemäss Fig. 2 eignen sich beispielsweise folgende Spannungen :
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<tb>
<tb> Elektroden <SEP> A <SEP> und <SEP> B <SEP> = <SEP> 300 <SEP> Volt,
<tb> Elektrode <SEP> C <SEP> =-100 <SEP> Volt.
<tb>
Für eine Anordnung nach Fig. 3 sind der Reihe nach für die Elektroden. 1, C und B z. B. folgende Spannungen zu verwenden :
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<tb>
<tb> 4 <SEP> = <SEP> 1UU <SEP> Volt,
<tb> C <SEP> =-50 <SEP> Volt,
<tb> B <SEP> = <SEP> 600 <SEP> Volt.
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Der Blende B wird vorzugsweise eine so kleine Öffnung gegeben, dass auch noch eine schwache Vergrösserung durch die Hauptlinse zulässig ist. In praktisch ausgeführten Röhren besass die Blende B einen Durchmesser von O'l bis 0. 3 mm.
Es hat sich als zweckmässig herausgestellt, sämtliche oder einen Teil der zwischen der Kathode und der abzubildenden Blende B liegenden Elektroden, gegebenenfalls einschliesslich der Kathode und/oder der abzubildenden Blende, in einer zweckmässigerweise zylindrischen Hüllelektrode anzuordnen, die sich vorzugsweise auf gleichem oder niedrigerem Potential befindet als das Potential der abzubildenden Blende. Diese Hüllelektrode wird zweckmässigerweise mit der Kathode verbunden.
Sie kann ferner zugleich zur Aufreihung der von ihr umschlossenen Elektroden, gegebenenfalls unter Einschaltung von Distanzstücken, und zur Zentrierung der Elektroden dienen. Man erreicht durch die Anwendung einer solchen Hüllelektrode neben einer Abschirmung äusserer Felder, die z. B. von den Zuleitungen zu den Elektroden herrühren, insbesondere wenn man der Hüllelektrode gegenüber den von ihr umschlossenen, in bezug auf die Kathode positiven Elektroden ein negativeres Potential gibt, dass ein höherer Prozentsatz an Elektronen durch die kleinen Blendenöffnungen hindurchtritt.
Der Verlauf der Kennlinie für den Anodenstrom in Abhängigkeit von der Steuerspannung kann durch Wahl des Abstandes der Steuerelektrode (z. B. C in Fig. 2) von der nächsten in Elektronenflugrichtung folgenden Elektrode (z. B. B in Fig. 2) bzw. durch Wahl des Potentials dieser letzteren Elektrode in gewünschter Weise beeinflusst werden. Gegebenenfalls können auch beide Mittel kombiniert angewendet werden. Mit zunehmender Verringerung des erwähnten Elektrodenabstandes bzw. durch Erhöhung des Potentials an der auf die Steuerelektrode folgenden Elektrode wird z. B. die Steilheit der Kennlinie vergrössert. Man hat auf diese Weise ein bequemes Mittel in der Hand, die Kennlinien den elektrischen und optischen bzw. physiologischen Erfordernissen der Ubertragungsanlage anzupassen, d. h. man kann z.
B. erreichen, dass die Helligkeitsskala des Empfangsbildes so abgestimmt ist, dass sie physiologisch als richtig wahrgenommen wird. Bei einer derartigen Abstimmung des Kennlinienverlaufes kann zugleich Beeinflussungen, die der Kennlinienverlauf durch die Übertragungsmittel erfährt, Rechnung getragen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronenoptisches System zur Erzeugung kleiner, scharf begrenzter Brennfleck auf dem Schirm, insbesondere für Fernsehzweeke, gekennzeichnet durch eine Folge von mindestens zwei verkleinernden elektronenoptischen Systemen, mit Hilfe derer die Kathode bzw. deren Bild au dazwischen geschaltete Blenden entsprechender Öffnung stufenweise verkleinert abgebildet wird, von denen die kleinste als auf den Schirm der Röhre abzubildendes Objekt dient.