DE1764514A1 - Bildverstaerkereinrichtung - Google Patents

Description

Ί7645Η

Dr.-Ing. Hans-Dietridi Zeil*

Patentanwalt JV / WJJi,

Anmelder: w γ, philips' Gtoetlampenfabneken

Akte Äe. PHB-31o763
Anmeldunfl vom« 18. Juni -1968

"Bildvereta'rkereinrichtung".

Die Erfindung bezieht sioh auf eine elektronische Bildverstärker einrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kanalverstärkereinrichtung und eine elektronische Bilderzeugungerohr·, in der eine derartige Einrichtung verwendet vird.

Eine Kanalversta'rkereinrichtung ist eine Einrichtung für Elektronenvervielfaohung durch Sekundäremission, wobei die EÜnriohtung eine Matrix in Form einer Platte enthalt, deren Hauptf!Sehen die Eingangs- und Ausgangsseiten bilden und eine leitende Schicht auf der Fläche an der Eingangsseite der Matrix als Eingangselektrode und eine gesonderte leitende Schicht auf der Fläche an der Ausgangsseite der Matrix als Ausgangselektrode dient. Sie Matrix ist mit länglichen Kanälen versehen, die je einen Durohgang von der einen Seite der aus der Matrix und den Eingangs- und Ausgangs elektroden bestehenden Zusamtr.en-

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stellung zur anderen Seite der genannten Zuaaenensteilung bilden, wobei die Verteilung der Durchmesser der Kanäle und der spezifische Widerstand der Matrix derartig sind, dass das Auflösungsvermögen und die Elektronen Vervielfachungecharakteristik jeder willkurliohen Oberfla'cheneinheit der Einrichtung denen jeder anderen willkürlichen Oberfläoheneinheit für die erzielte Bilderzeugungszveoke in ausreichenden Masse entspricht.

Kanalverstärkereinrichtungen kämen eine sehr hohe Verstärkung geben, während sie nur eine geringe Tiefe in Richtung der optischen Achse beanspruchen. Der besondere Vorteil der geringen Tiefe wird benutzt, wenn die Einrichtung in eine äilderzeugungerohre tob nicht gerichteten Typ aufgenommen wird, d.h. eine Bohre, in der die Photokathode ohne Zwischenfassung elektronenoptiseher Fokussierungaaittel der Kanalverstärkereinrichtung sehr nahe angeordnet ist.

Andererseits weisen Kanal verstärkereinrichtungen dieser Art ein verhältnismässig sohlechtes Signal-Hauschverhältnis auf»

Dafür gibt es drei Gründe. Es kann Bein, dass ein Photoelektron kein Sekundärelektron bildet, das Photoelektron durch den Kanal hindurchgeht, ohne gegen die Kanalwand su stossen oder dass die' statische Schwankung der Ausbeute einer Aufeinanderfolgung von Elektronen, die in die Kanäle eintreten, gross ist. Daduroh, dass Photoelektronen nisht in den Kanal eintreten, sondern auf die Eingangs fläche zwisohen den Kanälen stossen, werden die erzeugten Sekundärelektronen

...*,* ■■■■ ■

im allgemeinen über mehr Kanäle verbreitet werden. Eine Anzahl Sekundärelektronen geht dadurch verloren, dass diese Elektronen selber keine Sekundärelektronen bei den nachfolgenden Zusammenstoss erzeugen. Jeder dieser Erscheinungen trägt dazu bei, dass der in der ursprünglichen Photoelektronenverteilung vorhandene Informationsinhalt verringert und

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dadurch in elektrischer und" visueller Hinsicht das Signal-Rauschverhältnis ungunstiger wird.

Andere "bekannte Bilderaeugungsröhren enthalten eine Photo kathode und einen Leuchteohirm oder einen anderen Elektronenauffangechinn, die durch einen Vakuunraum getrennt sind, in den keine einzige Dinode oder gleichwertige Sekundäremissionsstruktür angeordnet ist, und die Elektronen, die auf den Auffangsschirm gelangen sind dieselben, wie die, welche durch die Photokathode emittiert sind. Zwischen der Photokathode und dem Leuchtschirm ist ein elektronenoptisches Fokussierungssysten angeordnet, das drehsymnetrisch ist und eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Achse der Drehsymmetrie zusammenfällt. Die elektronenoptische Achse ist senkrecht gegenüber den Flächen der Photokathode und des Schirms in den unterschiedlichen Schnittpunkten.

Eine derartige Elektronenröhre ist in "Philips Research Reports" Vol. 7, Seite 119-130 (1952) beschrieben worden. Diese Röhren geben weniger Lichtverstärkung als Röhren mit einer Kanalverstärkereinrichtung, aber sie weisen ein besseres Signal-Rauschverhältnis auf und werden durch keine der Ursachen fur Informationsverlust, die in Kanaleinrichtungen vorhanden sind, beeinflusst.

Die Erfindung bezweckt, auf vorteilhafte Weise die günstigen Eigenschaften beider Bildverstärkungssysteme in einer Einrichtung zu verwenden, die nicht mehr Voluaen oder axiale Länge beansprucht als das System mit elektronenoptischer Bildübertragung.

Haoh der Erfindung enthält die Bildveretärkereinrichtung eine erste Bildverstärkerstufe mit einer ersten Photokathode, einem elektronenoptischen System und einen ersten Leuchtschirm, ein optisches System, das den genannten Schirm mit einer zweiten Photokathnde verbin-

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det, und eine zweite Bildverstärkerstufβ mit der genannten zweiten Photokathode, einer Kanalverstärkereinrichtung, wie diese im obenstellenden angedeutet ist, und einem «weiten Leuchtschirm am Ausgang der genannten Kanalverstärkereinrichtung. Der Ausdruok ".bildverstärker" wird dazu ▼erwendet, auch diejenigen Anwendungen zu umfassen, bei denen ''Bildumwandlung" stattfindet und deren primäree Ziel ist, die Wellenlange des Bildes zu ändern.

In einer derartigen Einrichtung ist das günstige Signal-Rausch verhältnis der ersten (oder Vorverstärker-JStufe fur das Signal-Rausch verhältnis des ganzen Systeme bestimmend, während die Kanalverstärkerstufe mit einer grossen Verstärkung in einer kleinen Länge dazu beiträgt. Ausserdem lässt sieh die Verstärkung wesentlich ändern, ohne dass >dae Auflösungsvermögen geändert wird, einzig und allein dadurch, dass die Spannung an den Eingang·- und Aus gange elektroden der Matrix geändert wird. In einem Bereich von beispielsweise 400 bis 1200 ToIt ist eine Verstärkung variation von 1 bis 10 möglich.

Ein bereits bekanntes System ist aus drei fiber-optisoh gekoppelten Bildverstärkern mit elektronenoptisoher Fokussierung zusammengestellt. Um dabei den Verstärkungsbereich von 1 bis 5 χ 10 zu umfassen ist es notwendig, die Spannung an einer Röhre von etwa 1000 bis 13ΟΟΟ Volt zu ändern. Dabei tritt der Naohteil auf, dass bei den niedri geren Spannungen das Auflösungsvermögen geschwächt wird.

Im Vergleioh mit derartigen zusammengestellten Einrichtungen weist die erfinaungsgemäese Einrichtung die folgenden Vorteile aufi

1. niedrigere Betriebes pawning (20 kV im Vergleich zu 45 *X

2. Orossere Verstärkung*regelbarkeit (10 im Vergleioh, zu

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3. Geringe Gesamtlänge (etwa die halbe Lange).

4· Sättigung der Liohtubertragungakennlinie,

5· Einfache Verstärkungsregelung.

Zur Erzielung der notwendigen Verstärkung arbeitet das Dreiröhrensystem bei 45 kV und die erste Bohre bekommt 15 kV zugeführt. Als Vorverstärker bei einer Kanalverstärkereinrichtung konnte man eine derartige Röhre mit V6.iiger als 15 kV (beispielsweise 10 kV) betreiben· Bei dieser niedrigeren Spannung sind Bildröhren viel weniger empfindlich gegen Hintergrunderscheinungen» die durch Feldemission und Ionenerzeugung verursacht werden, so dass in diesem Fall das Signal-Rauschverhältnis sogar besser sein kann als das des Dreiröhrensysteme.

Die Sättigung der Lichtübertragungskennlinie des Kanalverstärkers tritt dadurch auf, dass der Kanal dem Ausgangestro« nicht mehr Elektronen liefern kann als durch Leitung in den Wänden der Kanäle zugeführt werden, was auftritt, wenn das Licht in der KanalVerstärkereinrichtung zunimmt.und ein Pegel erreioht wird, bei dem weitere Zunahme des einfallenden Lichtes keine weitere Zunahme der Ausgangsintensität bewirkt, Der Vorteil dabei ist, dass wenn ein sehr kräftiges Licht im Gesichtsfeld vorhanden ist, keine entsprechende starke Beleuchtung des Ausgangesohirmes stattfindet, was eine zweckmässige Beurteilung durch Verblendung verhindern wurde·

Wenn die zwei Stufen in getrennten Umhüllungen angeordnet sind, kann die erste oder Vorverstärkerstufe dazu eingerichtet werden, dass bestimmte Anforderungen in bezug auf die Grosse des Geaichtswinkele, die Spektralsopflndliohkeit der Photokathode und die Bildvergrösserung erfüllt werden. Ea lässt sich ein Standardmodulkanalν ratärherstellen, der mit verschiedenen Vorverstärkern gekoppelt werden

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kann. Andererseite können dl· zwei Stufen in eines gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, das nioht luftdicht su sein braucht, wobei sieb aber die Fiberoptik la Vakuus befindet·

Ausführungebeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden ia folgenden näher beschrieben. Bb seigern

Fig. 1 einen Längsschnitt duroh ein elektronisches BiIderzeugungssystea alt swei aufeinanderfolgenden Btldreretfirkerstufen,

Fig. 2 ein derartige· System alt einer «of eine ander· Weise ausgebildeten Vorrerstirkerstufe,

Fig. 3 ein· geänderte Ausfuhrungsfora der Fig. 1.

Das Bilderseugungssystea naoh Fig. 1 ««igt «in· erste Mldversta'rkerstufe alt einer ersten Photokathod· PI, ein«· ersten lualnessierenden Vidergabesohiraa S₁ und einem elektronenoptisohen Fokussierungssystem, das «wischen der genannten Photokathod· und dea Sohira an« geordnet ist, wobei das elektronenoptische Sys tea Drehsyaaetrie und eine elektronenoptische Aohse 2-ü hat, die mit der Aohs· der Dr«hsyam«trie ausaeunenffillt. Eine faseroptische Platte FO verbindet der Sohira 31 alt einer «weiten Photokathode P₂ die einen Teil einer sweit«n Terstlrkerstufe bildet, die aus einer KanalVerstärkereinrichtung I und einem «weiten luainessierenden Viedergabeeohira S₂ an der Ausgangsselt· der genannten Einrichtung I besteht. Die erste Stufe enthält «in elektronen* optisches System tob üildwandlertyp und ist als ein Systea tob elektronenoptisohen Diodentyp dargestellt, mit einer kegelförmigen oder nahesu kegelförmigen Anode A, die alt einer leitenden Sohioht, die einen Teil des Sohirms S1 bildet, und mit einer schematisch Aargestellten Anodenepannungsquelle ai. verbunden ist.

Die Verstärkerstufen können beide in einea gemeinsamen

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evakuierten Gehavise angeordnet sein, das auch die faseroptische Platte enthält, wobei diese letztgenannte nicht luftdicht zu sein braucht» Wenn beide Verstärkerstufen gesonderte austauschbare Einheiten sind, kann jede mit einer faseroptischen Platte versehen sein, die mit ihrer Trennfläche-aneinander sohliessen.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der erste Wiedergabeschinn S1, von der ersten Photokathode P1 aus betrachtet, konkav und die Elenente P2-I-S2 der zweiten Stufe sind flach. Die faseroptische Platte FO hat eine konkave Eintrittsseite, die der Krümmung des ersten Schirms S1 angepasst ist, und eine flache Austrittsseite. Ausserdem ist die erste Photokathode P1, vom ersten Wieder gabeschirm S1 aus betrachtet konkav.

lussere Strahlung wird von einem Gegenstand 0 auf die Photokathode P1 gerichtet, um darauf ein Bild zu erzeugen, wobei Photoelektronen von allen Teilen der Photokathode mit variierenden örtlichen Stärken, abhangig vom erzeugte Bild freiwerden.

Die Photokathode P1 bildet zusammen mit der kegelförmigen oder nahezu kegelförmigen Anode A eine elektronenoptische Diode. Die Elektronenoptik dieses Systems ist'derartig, dass aus jedem Punkt der Fhotokathode emittierte Photoelektronen ein Strahlenbündel R bilden, wobei dieses Bündel durch die Wirkung der sphärischen Äquipotential-

flächen zwischen der Photokathode und der Anode konvergiert wird. Beim Durchgang durch die öffnung in der Anode wird das Bündel infolge der negativen Linsenwirkung in der Cffnung der Anode weniger konvergierend (dies stellt eine Vergrosserung in der Brennweite dar). Das Strahlenbündel konvergiert achliesslich zu einem Brennpunkt im Bildfeld F, dac im wesentlichen eine Brennfläche oder nine Flache der besten Brennpunkie

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ist und eine beträchtliche Krümmung aufweist (wie angegeben ist).

Die Anode A enthält einen zylinderformigen Kragenteil und ist damit am Schirm S1 befestigt*

Der Kanal verstärker enthält eine Matrix I, durch welche die Kanäle gebildet sind, eine Eingangselektrode E1 und eine Auagangselektrode E2. Die Elemente des Kanalverstärkerβ können an die Spannungsquellen B_Q, B₁ und B₂ angeschlossen sein· Die Photokathode P₂ braucht jedoch nicht von der Elektrode E₁ getrennt zu sein. Statt dessen kann P₂ bekanntlich mit der genannten Elektrode E₁ und/oder mit des Innenflächen der Kanäle kontaktiert sein. In einom derartigen Fall sind die Elemente P₃-E₁ elektrisch miteinander verbunden und die Quelle B_Q kann entfallen·

Obschon beschrieben worden ist, dass die Anode A und der Schirm S₁ miteinander verbunden sind, ist es in manohen Fällen erwünscht, diese "Dioden"-Anordnung dadurch au ändern, dass die Anode A vom Sahir* S₁ getrennt wird, so dass diesen zwei Elementen unterschiedlichen Potentiale zugeführt werden können» Eine derartige .Änderung ergibt im wesentlichen eine äquivalente Triodenstruktur und der Nennbündelknoten Z

(Fig. 1), kann ein virtueller Bündelknoten werden. Derartige Auefährungsformen ermöglichen beispielsweise eine regelbare Vergrosserung.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel, das für einen Bildverstärker nach die Anordnung nach Fig. 1 geeignet ist, können dl· Abmessungen des Systeme ungefähr wie folgt seint

Tabelle. Durchmesser der Matrix I «2,5 on. Durchmesser eines Kanals ■ 15 μη. Länge eines Kanals „ 1 mm.

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Abstand zwischen EL lind S- · 1 mm.

Abstand zwischen den Mitten

von S. und P₂ - 5 ma.

Abstand zwischen den Mitten

von P₁ und S₁. «50 msu

Unter Beibehaltung der obenatehenden Abmessungen, können sämtliche Kanäle pai.„jel zur Achse Z-Z verlaufen, oder sie können all· in einer schrägen Lage stehen·

Zum Gebrauch mit sichtbarem Licht können die Photokathoden vom bekannten S20 Trialkalityp sein, der Ce, Sb, K und Na enthält. Der Phosphor des Schirms S1 muss derart gewählt werden, dass es zu diesem Photokathodentyp passt, d.h. dass er die maximale Anzahl Photonen je Stromstärkeeinheit im Phosphor S. gibt. (Ein geeigneter Phosphor ist der als P₂₀ bekannte typ).

Venn für die zwei Stufen getrennte Umhüllungen verwendet werden kann die faseroptik FO aus zwei eng miteinander verbundenen Platten bestehen, die in der Trennfläche d gegeneinander liegen und wobei jede Platte einen Teil der unterschiedlichen Umhüllung bildet.

Nach Fig. 2 ist eine erste oder Vorverstärkerstufe angeordnet, die der die Elemente P₁ und S₁ einander «ehr nahe angeordnet sind, die* zur Vermeidung eines ungewollten Auflösungsverlustes. Auf diese Weise kann die gesamte axiale Länge des Systeme verringert werden, was der Fall ist, wenn Bildwandlung nicht erforderlich ist, beiepiels-

weise wenn der Schirm S₂ mit einer Kameraröhre verbunden ist« Wenn jedoch Bildwandlung erforderlich ist, kann dies durch ein optisches Ausganssystem, wie dies mit dem optischen System OI schematiβoh ang*jaben ist, erreicht werden. Letzteres kann beispielsweise ein faseroptisches Element des bekannten Typs mit einem gedrehten Faserbündel sein.

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Die Vorverstärker stufe P. - S. iat durch, eine As er optik FO nit dem Kanalverstärker Pp - 1-S₂ optisoh gekoppelt. Wen» beide Stufen nach Fig. 2 eben sind, kann die zwischenliegende faseroptische Platte FO leicht durch eine einfache dünne Membrane aus Glas oder Mika ersetzt werden, aber dies ist nicht in allen Fällen erwünscht, da dies eine einzige Umhüllung für die swei Stufen erforderlich «acht.

In der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist die erste Stufe von denselben Typ wie in Fig. 2, aber die sweite Stufe enthält ein elektronenoptiecb.es System von Bildvandlerdiodentyp oder von einen gleichwertigen Typ »wischen der Photokathode P₂ und der Kanalplatte I* Wenn eine faseroptische Platte FO als Kopplung zwischen den Schirm S und der Photokathode P₂ verwendet wird, kann die Photokathode P₂ konkav genacht werden, (wie dargestellt), was an sich den Gebrauoh einer ebenen Kanalplatte ernoglioht·

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Claims (6)

PHB. 31.763. - 11 PATENTANSPRÜCHE.

1. Elektronisches .dilderaeugungseyetem mit einer ersten verstärkerstufe mit einer ersten Photokathode und einem ersten Leuchtschirm, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Kopplungeelement den genannten Schirm mit einer zweiten Photokathode verbindet, und eine zweite BiIdverstärkerstufe die genannte zweite Fhotokathode, eine Kanalvers ta'rker einrichtung und einen zweiten Leuchtschirm am Auegang der genannten Kanalverstärkereinrichtung enthält.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe ein elektronenoptisches System vom Bildwandlertyp mit Drehsymmetrie und einer elektronenoptischen Achse, die mit der Achse der Drehsymmetrie zusammenfällt, enthält.

3· System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

das elektronenoptische System tob elektronenoptischen Diodentyp oder gleichwertigen Typ ist und eine kegelförmige oder nahezu kegelförmige Anode enthält.

4* System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

das optische Kupplungselement zwischen der ersten und der zweiten Bildverstärkerstufe eine faseroptische Platte ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leuchtschirm von der ersten Photokathode aus betraohtet, konkav ist, die Elemente der zweiten Stufe eben sind und die faseroptische Platte eine konkave Eintrittsfläche, die der Krümmung des ersten Schirms angepasst ist, und eine ebene Austrittsober fläche hat.

6. Beobachtungseinrichtung oder elektronische Kamera mit einem System nach einem der vorstehenden Ansprüche«

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