DE1295726B

DE1295726B - Elektronenoptischer Bildwandler

Info

Publication number: DE1295726B
Application number: DEG41486A
Authority: DE
Inventors: Schlesinger Kurt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-09-16
Filing date: 1964-09-11
Publication date: 1969-05-22
Also published as: US3265926A; GB1062197A; DE1905131U; NL6410764A

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronen- geerdeten Fotokatode auf einem hohen positiven optischen Bildwandler, bestehend aus einer ebenen Potential, während die die Zylinderlinse bildende Fotokatode und einem ebenen Leuchtschirm, zwischen Ringelektrode bezüglich der beiden Netzelektroden denen eine Fokussierlinse und eine Einrichtung zur auf einem niedrigeren Potential gehalten wird. Damit Einebnung des Bildfeldes angeordnet sind. 5 erreicht man eine sehr gute Einebnung des Bildfeldes,

Bei einer herkömmlichen elektrostatischen Bild- und die gesamte Anordnung kann aplanatisch arbeiten, wandlerröhre mit einer ebenen Katode und mit einem Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen an Hand

ebenen Leuchtschirm werden die achsennahen Elek- von Figuren erläutert werden, tronen infolge der Krümmung des elektrostatischen F i g. 1 ist ein Schnitt durch einen Bildwandler mit

Feldes in einer anderen Ebene fokussiert als die io einer Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes nach achsenfernen Elektronen. Das von den Elektronen der Erfindung;

erzeugte Bild liegt daher nicht in einer einzigen Ebene F i g. 2 ist ein Schnitt durch einen anders aus-

und kann daher auf einem ebenen Leuchtschirm nicht geführten Bildwandler mit einer Einrichtung zur scharf eingestellt werden. Einebnung des Bildfeldes nach der Erfindung;

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, kann man 15 F i g. 3 zeigt schematisch die Beziehung zwischen eine Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes einer Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes nach zwischen der ebenen Fotokatode und dem ebenen der Erfindung und einer äquivalenten sphärisch Leuchtschirm anordnen. Derartige Einrichtungen sind konvexen Katode;

beispielsweise Faseroptiken, die jedoch zum einen F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Spannung

sehr aufwendig und zum anderen in der Auflösung ao und den Abmessungen einer Einrichtung zur Einbegrenzt sind. ebnung des Bildfeldes nach der Erfindung und einer

Daher weisen die bekannten elektronenoptischen äquivalenten sphärisch konvexen Katode; Bildwandler zur Anpassung an das gekrümmte elektro- F i g. 5 ist ein Schnitt durch einen Bildwandler nach

statische Feld im allgemeinen eine gekrümmte Katode der Erfindung, in dem eine starke elektrostatische und einen gekrümmten Leuchtschirm auf. Die Her- 25 Linse in Verbindung mit der in F i g. 1 gezeigten stellung von gekrümmten anstatt von ebenen Katoden Einrichtung verwendet wird, um die Aberrationen und Leuchtschirmen ist jedoch wesentlich aufwendiger weiter zu verringern;

und bereitet nicht unerhebliche Fertigungsschwierig- F i g. 6 zeigt den räumlichen Potentialgradienten

keiten. längs der Achse des Bildwandlers nach F i g. 5.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 30 Die in F i g. 1 gezeigte elektrostatische Bildwandlermit einfachen Maßnahmen eine Einebnung des Bild- röhre 1 enthält eine Katode 2, eine Einrichtung zur feldes zu erreichen, so daß man eine ebene Fotokatode Einebnung des Bildfeldes, die auch als Katodenlinsen- und einen ebenen Leuchtschirm verwenden kann, ohne abschnitt 3 bezeichnet ist, und eine den Leuchtschirm daß dabei nennenswerte Abbildungsfehler auftreten. darstellende Gegenelektrode 4. Zwischen dem Kato-

Dies wird bei einem elektronenoptischen Bild- 35 denlinsenabschnitt 3 und der Gegenelektrode 4 ist eine wandler der eingangs beschriebenen Art nach der Fokussierlinse (nicht gezeigt) angeordnet. Von einer Erfindung dadurch erreicht, daß die Einrichtung zur zylindrischen Hülle 5, deren Hinterende von der Einebnung des Bildfeldes zwischen der Katode und Katode 2 und deren Vorderende von der Gegender Fokussierlinse angeordnet ist und aus einer ebenen elektrode 4 abgeschlossen ist, werden die zuvor Netzelektrode, mindestens einer mit der optischen 40 erwähnten Einzelteile in der Bildwandlerröhre geAchse koaxialen Zylinderlinse und einer von der haltert.
Katode aus gesehen konvexen Netzelektrode besteht. Die Katode 2 ist eine Fotokatode, die beim Fokus-

Es ist zwar bei einer Katodenstrahlröhre bekannt, sieren eines Bildes auf ihrer Außenfläche 6 Elektronen vor dem Leuchtschirm eine gekrümmte Netzelektrode emittiert. Die Intensität der Elektronenemission aus und ein Stück davon entfernt eine ebene Netzelektrode 45 einem Flächenelement der Fotokatode ist der auf das anzuordnen. Diese Elektroden dienen jedoch einem Flächenelement auftreffenden Strahlung proportional, anderen Zweck als bei der Erfindung. unabhängig davon, ob es sich um eine sichtbare oder

Weiterhin ist bereits die grundsätzliche Wirkungs- unsichtbare Strahlung handelt. Die flächenhafte Verweise von Netzelektroden bekannt. Sie wurden jedoch teilung der aus der Katode 2 emittierten Elektronen bisher in elektronenoptischen Geräten nicht benutzt, 50 entspricht dem auf die Fläche 6 fokussierten Bild, da sie wegen des Durchgreifens des Feldes durch die Die eben ausgebildete Katode 2 steht etwa senkrecht Netzmaschen als unvollkommen betrachtet wurden. zur Längsachse 7 der Bildwandlerröhre. Über eine Erst der Erfindungsgegenstand hat das Vorurteil Anschlußklemme 8 kann die scheibenförmige Katode 2 gegen die Verwendung von Netzelektroden in elek- an ein elektrisches Potential gelegt werden, tronenoptischen Geräten beseitigt. 55 Der Katodenlinsenabschnitt 3, also die zwischen

Durch die Erfindung ist es mit einfachsten Maß- der Katode 2 und der Fokussierlinse (nicht gezeigt) nahmen möglich, die von einer ebenen Fotokatode liegende Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes, emittierten achsennahen und achsenfernen Elektronen enthält eine ebene Netzelektrode 9, zwei Ringelekin derselben Ebene zu fokussieren, also die Bildfeld- troden 10 und 11 und eine von der Katode aus gesehen wölbung zu beseitigen, so daß nun an Stelle von So konvexe Netzelektrode 12. Die Bauteile sind in der gekrümmten Katoden und Leuchtschirmen ebene angegebenen Reihenfolge längs der Achse 7 zwischen Katoden und Leuchtschirme verwendet werden können. der Katode 2 und der Gegenelektrode 4 angeordnet.

Die Ebene der Katode und des Leuchtschirms Die Netzelektroden 9 und 12 und die Ringelektroden 10 sowie die Tangentialebene an der konvexen Netz- und 11 bilden die innere, elektronenoptische Einelektrode in deren Schnittpunkt mit der optischen 65 richtung zur Einebnung des Bildfeldes nach der Erfin-Achse stehen vorzugsweise senkrecht zur optischen dung, wobei eine aplanatische Arbeitsweise in der Achse. elektrostatischen Bildwandlerröhre mit einer ebenen

Die beiden Netzelektroden liegen bezüglich der Katode und Gegenelektrode erreicht wird. Die ebene

3 4

Netzelektrode 9 ist eine stark auflösende Elektrode, ebenen Netzelektrode 9 und der konvexen Netzdie nur einen geringen Abstand von der Katode 2 hat. elektrode 12 ein sattelförmiger, räumlicher Potential-Die Ebene der Netzelektrode 9 ist im wesentlichen gradient gebildet. Die an den Ringelektroden 10 und 11 zur Ebene der Katode 2 parallel. Die Netzelektrode 9 angelegten Potentiale können zur Steuerung des weist eine elektrische Anschlußklemme 13 auf. 5 räumlichen Potentialgradienten längs der Achse 7

Die als Zylinderlinsen dienenden Ringelektroden 10 verändert werden. Die Geometrie des Bildes und die

und 11 sind etwa zylindrisch ausgebildet und liegen Randfokussierung können somit beeinflußt werden,

in einem gewissen Abstand zueinander zur Achse 7 damit tonnen- und kissenförmige Verzeichnungen

koaxial. Die Ringelektroden können durch einen ausgeschaltet werden und eine einzige Brennebene Überzug aus einem elektrisch leitenden Material auf io hergestellt wird.

4er Innenfläche der Hülle 5 hergestellt sein. Mit den Eine einwandfreie Arbeitsweise der Einrichtung

Ringelektroden 10 und 11 steht je eine Anschluß- zur Einebnung des Bildfeldes nach der Erfindung

klemme 14 bzw. 15 in Verbindung. ergibt sich auch dann, wenn die Ringelektroden 10

Die konvexe Netzelektrode 12 ist in einem gewissen und 11 zu einer einzigen Ringelektrode 17 zusammen-Abstand neben der Ringelektrode 11 längs der Achse 7 15 gefaßt sind, die mit einer Klemme 18 nach F i g. 2

der Röhre angeordnet. Die konvexe Netzelektrode verbunden ist. Bei der Konstruktion nach F i g. 2

hat eine geringe Auflösung. Die Tangentialebene an ist somit die Zahl der erforderlichen einstellbaren

die konvexe Netzelektrode 12 in deren Schnittpunkt Spannungen um eine vermindert,

mit der Achse 7 steht senkrecht zur optischen Achse 7. Wenn der elektronenoptische Bildwandler nach den Die konvexe Netzelektrode 12 weist eine elektrische 20 Fig. 1 und 2 für fotografische Zwecke verwendet

Anschlußklemme 16 auf. werden soll, kann eine hohe Verschlußgeschwindig-

Der Leuchtschirm oder die Gegenelektrode 4 liegt keit dadurch erreicht werden, daß der Elektronenfiuß in einer zur Achse 7 etwa senkrechten Ebene. Die im Katodenlinsenabschnitt 3 an der Netzelektrode 9 Gegenelektrode kann eine beliebige Gestalt aufweisen beeinflußt wird. Die Netzelektrode 9 wird dabei und aus einem beliebigen Material hergestellt sein. 25 normalerweise auf einer negativen Sperrspannung Es kann sich beispielsweise um einen fluoreszierenden gehalten. Durch Anlegen eines positiven Hochspan-Schirm handeln, der bei einem Elektronenaufprall nungsimpulses an die Netzelektrode 9 wird der sichtbares Licht abstrahlt. Die Gegenelektrode 4 kann Elektronenfluß von der Katode 2 zur Gegenelektrode 4 auch der Bildschirm eines Orthikons sein. Längs der plötzlich in Gang gesetzt und während einer vorAchse 7 ist zwischen dem Katodenlinsenabschnitt 3 30 gegebenen Zeitspanne beibehalten. Die Belichtungsund der Gegenelektrode 4 eine elektrostatische Fokus- zeit ist dabei eine Funktion der Impulsbreite, sierlinse 22 (F i g. 5) angeordnet, von der das Bild Eine aplanatische Arbeitsweise der inneren, elekauf die Gegenelektrode 4 oder den Leuchtschirm tronenoptischen Einrichtung zur Einebnung des BiIdfokussiert wird. feldes wird mit Hilfe der konvexen Netzelektrode 12

Beim Betrieb wird die Katode 2 auf Erdpotential 35 erreicht, die das elektrostatische Feld zwischen den gehalten. Die ebene Netzelektrode 9, die als erste Netzelektroden 9 und 12 innerhalb des Katoden-Anode dient, erhält ein positives Potential gegenüber linsenabschnittes 3 derart gestaltet, daß die ach sender Katode 2. Das über die Klemme 13 der Netz- fernen Elektronen in derselben Ebene wie die achsenelektrode 9 zugeführte Potential kann auch als nahen oder paraxialen Elektronen fokussiert werden. Katodeninjektionsspannung bezeichnet werden. Die 40 Da die Brechkraft der elektrostatischen Elektronen-Netzelektrode 9 beschleunigt die von der Oberfläche linse dem Quadrat der Linsenlänge umgekehrt proder Katode 2 emittierten Elektronen, die mit hoher portional ist, ist die zwischen den Netzelektroden 9 Geschwindigkeit den Katodenlinsenabschnitt 3 durch- und 12 gebildete Brechkraft an der Achse 7 am größten laufen. Die Fotoemission an den Punkten der Katode 2 und nimmt fortschreitend von der Achse 7 aus in ist auf einen Kegel begrenzt, dessen Halbwinkel durch 45 radialer Richtung ab. Somit sucht die Linse die folgende Gleichung festgesetzt ist: achsennahen Elektronen vor den achsenfernen Elek-

tronen zu fokussieren. Durch diesen Effekt wird die

_ ~\l^e<ⁱ_ η) übliche Fokussierung der achsenfernen Elektronen

I/ β ' vor den achsennahen Elektronen in einer üblichen

' 50 elektrostatischen Bildwandlerröhre mit einer ebenen

Dabei ist e₀ die Spitzenemissionsgeschwindigkeit der Katode und einer ebenen Gegenelektrode kompensiert, aus der Katode 2 austretenden Elektronen und E₁₆ die Die Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes nach der Netzelektrode 9 zugeführte Katodeninjektions- der Erfindung kann mathematisch durch Nachbildung spannung. Maximal beträgt e₀ etwa 2 V. Da die einer sphärisch konvexen Katode analysiert werden. Schärfe des auf der Gegenelektrode 4 erhaltenen Bildes 55 In F i g. 3 ist schematisch zu analytischen Zwecken durch den Halbwinkel χ festgelegt ist, soll der Winkel <x die Beziehung zwischen der elektronenoptischen Einklein sein. Die der Netzelektrode 9 zugeführte Kato- richtung zur Einebnung des Bildfeldes und einer deninjektionsspannung E₁₅ soll daher groß sein, z. B. äquivalenten, sphärisch konvexen Katode 19 darin der Größenordnung von 500 bis 1000 V. Die erfor- gestellt. Das Profil der konvexen Netzelektrode 12 derliche Auflösung der Netzelektrode 12 steht eben- 60 kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt falls mit dem Halbwinkel <x in Beziehung, da der werden:

Kegel entsprechend den bekannten Prinzipien der _ R , -

Netzelektrodenoptik mehr als ein Element der Netz- ^ro — ^r — — lsec<P — 1) . (2) elektrode 12 überstreichen muß.

Die konvexe Netzelektrode 12 wird ebenfalls auf 65 Dabei ist r₀ der Abstand eines Punktes 20 auf der

einem Potential von 500 bis 1000 V gehalten. Das Achse 7 zur Tangente an die Netzelektrode 12 in

Potential an den Ringelektroden 10 und 11 ist geringer einem Punkt, bei dem die Elektrode 12 die Achse

.gewählt. Längs der Achse 7 wird somit zwischen der schneidet,

r der Abstand vom Punkt 20 zur konvexen Netzelektrode 12,

R der Krümmungsradius der nachgebildeten sphärisch konvexen Katode 19,

Φ der Winkel zwischen dem Vektor r und der Achse 7,

E das Potential an der konvexen Netzelektrode 12 und

is'das Potential an der ebenen Netzelektrode 9.

Die Gleichung (2) ist die Gleichung einer Konchoide. Der Krümmungsradius der konvexen Netzelektrode 12 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

= jsr-i?

l + g]

(3)

einander und bilden ein elektronenoptisches Analogon einer verzeichnungsfreien, optischen Doppellinse, die in optischen Instrumenten Aberrationen verringert. In der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 5 werden die ebene Katode 2, die elektronenoptische Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes im Katodenlinsenabschnitt 3 nach F i g. 1, die ebene Gegenelektrode 4 und die Hülle 5 verwendet. In der Linseneinheit 22 sind zwei schraubenlinienförmig verlaufende

ίο Elektroden 23 und 24 mit konstanter Steigung durch ein leitendes Band 25 untereinander verbunden, dessen Breite der Breite der schraubenlinienförmigen Elektroden entspricht. Das Ende der Elektrode 23 und das Ende der sich anschließenden konvexen Netzelektrode 12 sind mit der Klemme 16 verbunden, während das Ende der Elektrode 24 und die benachbarte Gegenelektrode 4 mit einer Klemme 26 in Verbindung stehen. Das leitende Band 25 ist an eine Klemme 27 angeschlossen.

Der Klemme 26 wird ein Potential zugeführt, dessen Größe etwa dem an der Klemme 16 entspricht. An der Klemme 27 liegt ein geringeres Potential, damit das Potential des leitenden Bandes 25 gegenüber den entgegengesetzten Enden der Elektroden 23 und 24

ggg

Dabei ist α der Abstand zwischen der ebenen Netz- 25 abgesenkt und eine sattelförmige, räumliche Potentialelektrode 9 und dem Schnittpunkt der konvexen verteilung innerhalb der Linseneinheit 22 längs der Netzelektrode mit der optischen Achse 7. Achse 7 erzeugt wird. Wenn die Elektronen vor dem

Diese nur angenäherte Gleichung liefert also den Aufprall auf der Gegenelektrode 4 beschleunigt werden Krümmungsradius der konvexen Netzelektrode 12, die sollen, wird das an der Klemme 26 liegende Potential zur Nachbildung einer sphärisch konvexen Katode 19 30 höher als das an der Klemme 16 liegende Potential mit einem speziellen Krümmungsradius R erforderlich gewählt. Eine Verzögerung der Elektronen wird daist. Die Gleichung (3) zeigt, daß die konvexe Netz- durch bewirkt, daß an die Klemme 16 ein höheres elektrode 12 stärker gekrümmt als die Katode ist, Potential als an die Klemme 26 gelegt wird. Die die nachgebildet werden soll, also 0 < R. ungefähre räumliche Potentialverteilung längs der

Wenn der Krümmungsradius ρ der konvexen Netz- ₃₅ Achse 7 ist durch eine Kurve 28 in F i g. 6 wiederelektrode 12 und ihr Abstand α von der ebenen Netz- gegeben. Bei dieser Betriebsweise wirkt die Linseneinheit 22 nicht beschleunigend, da die Netzelektrode 12 und die Gegenelektrode 4 dasselbe Potential haben. Eine gestrichelte Linie 29 zeigt die für ein Orthikon 40 geeignete Verzögerungskennlinie. Zur Erzielung einer größeren Bildschärfe auf der Gegenelektrode 4 kann,

elektrode 9 bekannt sind, kann der Krümmungsradius J? der nachgebildeten Katode 19 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

R — ι

1+ /1 +

4g
l + g

2g

l+g (4)

Die Gleichung (4) ist in F i g. 4 für verschiedene Werte von — aufgetragen. Diese Kurven geben im

wie es durch die Gleichung (1) angezeigt ist, die ebene Netzelektrode 9 auf dem gleichen Potential wie die konvexe Netzelektrode 12 und die Gegenelektrode 4, z. B. auf 1000 V, gehalten werden.

Da der Katodenlinsenabschnitt 3 und die Linseneinheit 22 zwei starke elektrostatische Linsen sind, tritt eine Strahlüberkreuzungsstelle auf, die durch gestrichelte Linien 30 in F i g. 5 angegeben ist. Das

allgemeinen an, daß für ein vorgegebenes Verhältnis 50 dargestellte elektronenoptische System ist ein Analogon

von A sich der Wert R dem Wert 0 annähert, wenn P £iner verzeichnungsfreien, optischen Doppellinse und ρ - bezüglich der geometrischen Verzeichnung in der-

sich dem Wert α nähert, und daß der Wert R sich selben Weise korrigiert, wie die verzeichnungsfreie, dem Winkel« annähert, wenn sich P dem Wertl optische Doppellinse. Versuche mit dem elektronennähert. Für eine vorgegebene Katodeninjektions- 55

spannung E' nimmt das Verhältnis — zu, wenn das

Verhältnis — anwächst. Bei einer Katodeninjektionsspannung von 300 V und einer elektrode 12 mit einem Radius von 2,54 cm wird eine sphärisch konvexe Katode 19 mit einem Radius von 14 cm nachgebildet, wenn der Abstand α gleich 3,38 cm beträgt, wie in F i g. 4 zu sehen ist.

F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bildwandlers 21 mit einer Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes nach der Erfindung. In diesem Bildwandler liegen zwei Linsenabschnitte 3 und 22 hinter-

optischen System nach F i g. 5 haben gezeigt, daß eine starke elektrostatische Linse in Verbindung mit der Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes nach den F i g. 1 und 2 die aplanatische Arbeitsweise verbessert und die Bildfeldwölbung verringert. Außerkonvexen Netz- 60 dem werden andere Aberrationen, einschließlich der geometrischen Verzeichnung, auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel enthält die ebene Netzelektrode 9 750 Löcher auf 25,4 mm mit einem Durchmesser von etwa 0,028 mm, wobei sich eine Durchlässigkeit von 68 % ergibt. Die konvexe Netzelektrode 12 ist sphärisch gekrümmt und weist etwa 750 Löcher auf 25,4 mm mit einem Durchmesser

von etwa 0,019 mm auf, wobei sich eine Durchlässigkeit von etwa 32 % ergibt. Die Netzelektroden werden vorzugsweise aus dünnem Kupferblech hergestellt, in dem die gewünschten Löcher im Lichtdruckverfahren ausgebildet werden. Diese Netzelektroden liefern bei 5 der praktischen Durchführung der Erfindung gute Ergebnisse.

Claims

Patentansprüche: IO

1. Elektronenoptischer Bildwandler, bestehend aus einer ebenen Fotokatode und einem ebenen Leuchtschirm, zwischen denen eine Fokussierlinse und eine Einrichtung zur Einebnung des Bildfeldes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung(3) zur Einebnung des Bildfeldes zwischen der Katode (2) und der Fokussierlinse (22) angeordnet ist und aus einer ebenen Netzelektrode (9), mindestens einer mit der optischen Achse koaxialen Zylinderlinse (10) ao und einer von der Katode aus gesehen konvexen Netzelektrode (12) besteht.

2. Elektronenoptischer Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Katode und des Leuchtschirms sowie die ag Tangentialebene an die konvexe Netzelektrode in

deren Schnittpunkt mit der optischen Achse senkrecht zur optischen Achse stehen.

3. Elektronenoptischer Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der konvexen Netzelektrode durch die Formel

α R

gegeben ist, worin R der Krümmungsradius der nachgebildeten sphärischen Katode, α der Abstand zwischen der ebenen Netzelektrode (9) und dem Schnittpunkt der konvexen Netzelektrode mit der optischen Achse, g der Ausdruck

-1

E'

+ 1

E das Potential an der konvexen Netzelektrode und E' das Potential an der ebenen Netzelektrode ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909 521/Π 5