DE2031486A1

DE2031486A1 - Elektrostatische Linse, insbesondere für elektrostatisches Vidikon

Info

Publication number: DE2031486A1
Application number: DE19702031486
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.rer.nat 8000 München Veith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-06-25
Filing date: 1970-06-25
Publication date: 1971-12-30
Also published as: FR2099885A5; GB1354566A; US3786302A

Description

Elektrostatische Linse, insbesondere für elektrostatisches

Vidikon

Die Erfindung betrifft eine aus zylindrischen Rohrabsehnitten und/oder Lochblenden aufgebaute elektrostatische Einzellinse für Kathodenstrahlröhren, wie elektrostatisches Elektronenmikroskop, Bildröhren, Bildaufnahmeröhren und Speicherröhren, insbesondere Vidikon, bestehend aus zwei als Endelektroden ausgebildeten Anoden sowie einer dazwischen angeordneten Mittelelektrode (Zentralelektrode), wobei die beiden Endelektroden hohes positives Potential und die Mittelelektrode niedriges und/oder negatives Potential haben.

Sie hat somit besondere Bedeutung für solche Elektronenstrahl-3äiren, bei denen das Ausmaß der Kaustik die Güte der betreffenden Röhre wesentlich herabsetzen.

Bekanntermaßen ist es nicht möglich, die sphärische Abberration ohne weiteres zu beseitigen. Gleichzeitig ist es nicht möglich, die Kaustik von elektronenoptischen Linsen praktisch zu Null zu machen. Ein einleuchtender Grund für diese Tatsache ist der Umstand, daß die rücktreibende Kraft für den Elektronenstrahl bei der Entfernung von der Achse mehr als linear zunimmt.

Eine Korrektur dieses allgemein auftretenden Öffnungsfehlers gehört im wesentlichen mit zur Aufgabe der Erfindung. Wegen der besonderen Bedeutung der Einzellinse, z.B. für das Vidikon, sollen in Anlehnung an praktische Verhältnisse und an damit im Zusammenhang stehende Probleme die Aufgabenstellung anhand eines Vidikons näher erläutert werden.

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Beim Vidikon muß der Abtaststrahl auf die Signalplatte mit sehr kleiner Geschwindigkeit und in jedem Fall senkrecht auftreffen. Dies wird beim magnetisch fokussierten Vidikon dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl schon sehr frühzeitig vom homogenen Längsmagnetfeld erfaßt wird* Die Ablenkung des Strahls findet innerhalb dieses homogenen Magnetfeldes statt, indem letzten Endes eine Parallelversetzung des einfallenden Strahls bewirkt wird.

Die außerdem erforderliche Abbremsung erfolgt zwischen dem Target und einem üblichen Feldnetz, Beim elektrostatischen Vidikon läuft jedoch der Strahl nach seiner Ablenkung geneigt zur Achse hin. Da er jedoch schließlich streng senkrecht auf das Target auftreffen muß, ist es unbedingt erforderlicn, den abgelenkten Strahl wieder in die Achsrichtung zurückzubringen. Dies muß zwischen Ablenkzentrum und Target mit Hilfe einer elektrostatischen Linse (Hauptlinse) geschehen, die bei dein bisher üblichen elektrostatisch fokussierten Vidikon, z.B. aus einer Einzellinse bestehen könnte.

Derartige Einzellinsen sind jedoch allgemein mit starker Kaustik behaftet, was zur Folge hat, daß die Schärfe des Bildes zum ■ Bildrand hin bei einer Abbildung abnimmt und dadurch das Bild kissenförmig verzeichnet.

Diese kissenförmige Verzeichnung bei einer Einzellinse mit denisiel durch eine entsprechend korrigierte Linse weitgehendst zu vermeiden, und gleichzeitig das aufwendige Magnetfeld sowie das übliche Feldnetz einzusparen, ist Aufgabe der Erfindung.·

Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz beschriebenen Einzellinse nach der Erfindung dadurch, daß die Mittelelektrode derart in zwei Teile unterteilt ist, daß zwischen diese eine zusätzliche Korrekturelektrode positiverem Potentials als das der Teilelektroden zwischengefügt ist.

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Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin unbezeichnet oder fortgelassen.

Während in Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlen^ verlaufe, z.B. in einem elektrostatisch fokussierten Vidikon, wiedergegeben ist, ist in den Figuren 2, 3 und 5 der Potentialverlauf (Potentialplan) sowohl mit einer normalen, nicht korrigierten, als auch mit unterschiedlich korrigierten Einzellinsen wiedergegeben. Darin sind die Strahlen bzw. der Strahlenverlauf durch Konstruktion mit einem im Netzwerk gemessenen zylindersymmetrischen Potentialfeld erhalten. Die darin eingetragenen Potentiallinien sowie deren Angabe über die Höhe ihres Potentials sind echte Meßwerte aus praktisch durchgeführten Messungen. Pig. zeigt außerdem noch einmal schematisch ein optisches Analogon über die Wirkungsweise und Auswirkung der vorgenommenen Korrektur.

In Pig. 1 ist schematisch der Strahlenverlauf wiedergegeben, wie er z.B. in einem Vidikon erfolgt. Das von der Kathode 1 ausgehende Strahlenbündel bildet zunächst einen oross-over 2, der mit Hilfe der Linsen 3 und 4 auf das Target 5 abgebildet wird. Hinter der Linse 3 befindet sich die eingefügte Ablenkeinrichtung 6. Dabei muß die Brechkraft der Linse 4 so groß gewählt sein, daß alle im Ablenkzentrum 6 abgelenkten Strahlen 7, 8 und 9 senkrecht auf das Target 5 auftreffen.

Wichtigstes Element für die dabei zu erfolgende elektrostatische Abbildung ist die Linse 4, d.h. die Hauptlinse, die von einer Einzellinse gebildet wird. TJm ihre Abbildüngsgüte zu erfassen, genügt es bereits, die Zentralstrahlen jedes einzelnen abgelenkten Bündels 10, 11 und 12 hinsichtlich ihres weiteren Ver-

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lauf3 zu betrachten. Dabei werden gemätf einem Gesetz au« der Elektronenoptik die Strahlen in umgekehrter Richtung verfolgt, d.h. man läßt die Strahlen an ihren Auftreffpur.i.-ten 13, 14 und 15 auf dem Target 5 in umgekehrter itichöiir.g mit der Geschwindigkeit Null starten und prüft dabei, ob alle Strahlen dasselbe Ablenkzentrum treffen, Es genügt natürlich - wegen der Symmetrie - von den drei Strahlen 13, 14 und 15, z.B. allein nur die Strahlen 15 und 14, genauer zu verfolgen.

In Fig. 2 sind deshalb die beiden Strahlen 22 und 24 maßstab- ■ lieh in das aus in einem Netzwerk gemessenen Meßwerten konstruierte Potentialfeld eingezeichnet. Dazu sind mit 19 und die beiden Jindelektroden und mit 18 die Zentral- bzw. Mittel-elektrode bezeichnet. Rein aus experimentellen Gründen, nämlich wegen der groben Rasterform bei der Verwendung des vorhandenen Widerstandsritzwerkes, ist die Mittelelektrode 18 als in drei Teile aufgeteilt dargestellt, obwohl die Teile in Wirklichkeit zusammenhängend, zumindest galvanisch miteinander verbunden sind. Zu beiden Seiten dieser Mittelelektrode befinden sich die Endelektroden 19 und 20 auf hohem positivem ILjotential. Anschließend, zumindest an die eine Endelektrode 20, befindet sich in Achsrichtung das Target 5. "Die Formen der erwähnten dargestellten Elektroden sind in keiner Weise maßgeblich, sondern lediglich - wie vorher erwähnt - durch die Möglicnkeiten am Netzwerk bedingt". Das dargestellte Feldliniendiagramm entspricht einer normalen Einzellinse, bei der die Mittelelektrode 18 ein negatives Potential, insbesondere von etwa -100 Volt in bezug auf die Endelektrode mit +1000 Volt besitzt. Innerhalb des Feldlinienfeldes, etwa in der Mittelebene der' Mittelelektroäe, hat sich bei den angelegten Spannungen

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ein Sattelpunktfeld 21 derart ausgebildet, daß der innere Strahl 22 in der erwarteten Weise abgelenkt wird und die Achse bei 23 schneidet, während der äußere Strahl 24 dagegen sehr weit in die Nähe der negativen Elektrode 18 verstößt, so daß er infolge starker Ablenkung die Achse bereits in einem wesentlich näher liegenden Punkt 25 schneidet. Dieser dadurch aufgezeigte, typische Fehler der Einzellinse wird nun dadurch vermieden, daß die Mittelelektrode 18 in ihrem Mittelteil in 3W2i Teilelektroden aufgeteilt wird, und zwischen diese eine weniger negativ vorgespannte Elektrode, z.B. ein Ring 26 (.Pig. 3), eingefügt wird.

Eine derart vorteilhafte Korrektur dieser Einzellinse ist anhand eines entsprechenden Potentialfeldplanes in Fig. 3 dargestellt. Zu diesem Zweck ist das Mittelteil der Mittelelektrode 18 (vergleiche Mg. 2) in-zwei Teile unterteilt und ein weniger negativ vorgenannter Ring 26 zwischen die Reste des Mittelzylinders 18 (Fig. 2 und gemäß Fig. 3) 27, eingefügt. Das Einfügen der positiven Elektrode 26 in die Anordnung der Fig. 3 hat nämlich zur Folge, daß die Brechkraft der Einzellinse in zwei geometrisch getrennte Bereiche erfolgt, deren Wirkungssphären etwa die Form eines Doppelkegels besitzen. ■

Die Wirkungsweise der beschriebenen Korrektur ist noch ' einmal gesondert in der Fig. 4 durch ein optisches Analogon veranschaulicht. Symbolisch dargestellt ist diese Tatsache in der Fig. 4 dadurcn, daß für den innersten Strahl 29 zwei sich berührende Linsen 30 und 31 für den Strahl 32 die voneinander getrennten Linsen 33 und 34 und schließlich für den Strahl 35 die weit voneinander entfernt angeordneten Linsen 36 und 37 symbolisiert angeordnet sind. Da weiter

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die Brechkraft eines Linsenpaares in erster Nähe rufig- durch die nacnfolgende Formel ,

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bestimmt ist, ergibt sich daraus, daß ein Linsensystem umso schwächer bricht, je weiter die beiden Linsen voneinander entfernt sind. Um also für alle drei Strahlen 29, 32 und J>~ die gleiche Brechung auf dem gemeinsamen Punkt 3ö zu erzielen, müssen danach die Brechkräfte der Linsen nach außen hin zunehmen, wie es in der Tat auch bei elektrostatischen Linsen allgemein immer der Fall ist (die unterschiedliche Dicke der dargestellten optischen Linser .-;vmbolisiert so z.B. die unterschiedliche Brechkraft an den einzelnen Stellen der Zylinderlinse - dies ist nicht zu verwechseln mit der daraus sich ergebenden unterschiedlichen Ablenkung- ). Bei der symbolischen Darstellung des Strahlenverlaufs ist also die Korrektur insofern erreicht, als alle drei Parallelstrahlen 29, 32 und 35 sich tatsächlicü im Achspunkt 38 treffen.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Einzellinse ist das angestrebte Ziel, das Feldnetz vor dem Target einzusparen, bereits erreicht. Wie der Potentiallinienverlauf zeigt, wurde vor dem Target eine solche Elektrodenanordnung benützt, daß das elektrische Feld am Target weitgehend homogen ist. Allerdings muß hierbei in Kauf genommen werden, daß die Feldstärke wesentlich kleiner ist, als sie normalerweise beim Vidikon sein muß; diese, relativ hohe Abbremofeldstärke ist durch die relativ große Stromdichte im Abtaststrahl bedingt, wie schon aus dem einfachen Haumladungsgesetz hervorgeht. Allerdings wird hierbei in Kauf genommen, daß die Feldstärke über die Targetfläche inhomogen ist, d.h. nach außen zunimmt. Deshalb wurde eine zweite Anordnung.untersucht, bei "der die Feldstärke am Target dieselben oder wenn möglich nach höhere Werte erreicht, als z.B. bei einem magnetisch fokussierten Vidikon.

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Pig. b zeigt das Ergebnis einer sulchen Anordnung mit korrigierter Einailinde/aucn ohne das sonst übliche Peldnetz. Beim Vergleich der Potentiallinien der Pig. 5 und Pig. 3 erkennt man ohne weiteres, daß mit Anlegen einer hohen Spannung an die dem Target 5 benachbarte Endelektrode 20 nicht nur die Feldstärke zwischen 5 uni auf den gewünschten Wert ansteigt, sondern auch das anstehen zweier Sattelpunkte 39 und 40 bewirkt wird, während bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel das Potential vom Target bis zum Eintritt des Strahls in den Röhrenhals stetig ansteigt. Das Vorhandensein des ersten Sattelpunktes 3^Q. etwa im Raum vor dem Target, bewirkt somit, daS der innere Strahl 22 dort unverhältnismäßig stark nach außen abgelenkt wird. Dies hat aber zur Folge, daß die vorher erwähnte gefürchtete sphärische Abberration, wie sie z.B. in Fig. 2 dargestellt ist., besonders stark' derart betont wird, daß es schwierig sein wird, den gewünschten Schnittpunkt der Strahlen 22 und 24 auf der Achse zu erzielen. Bei der Darstellung in Pig. 5 handelt es sich ebenfalls um ein Meßergebnis, stellt aber keineswegs den optimalen Pail dar. Jedoch gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Fall einer normalen Einzellinse mit einer vergleichbaren korrigierten Elektrodenanordnung ist bereits mit der zuletzt dargestellten Anordnung eine wesentliche Verbesserung eingetreten. Die in der Fig. 4 im Rahmen des optischen Analogons aufgezeigten Knickpunkte sind besonders gut am äußeren Strahl 24, an den Stellen 43 und 44, zu erkennen. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang, daß zwar das Potentialfeld am Target 5 im ganzen nicht homogen ist, dafür aber in sehr großer Nähe des Targets als weitgehend homogen angesehen werden kann. Auf jeden Fall wird dadurch eine solche Abbremsung des Elektronenstrahls erreicht, daß das sonst unentbehrliche Peldnetz nicht erforderlich ist. .

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Nachdem die Einzellinse so konzipiert wird» daß die parallelen Strahlen 10, 11 und 12 (vergleiche FIg₄ .1) möglichst in einem Punkt im Ablenkzentrum 6 zusammentreffen (gemäß umgekehrten Strahlenverlaufs), bewirkt neben der üblichen Kondensorlinse J-diese Hauptlinse 4 aber auch noch eine weitere wesentliche Funktion. Sie bildet, wie aus Fig. 1 klar hervorgeht, nämlich einen Teil, und zwar einen wesentlichen Teil des Fokussierungssystems, ζ»3. eines Vidikons. Dabei ist es vorteilhaft, die Linse 4 so stark zu machen, daß ihre Brechkraft diejenige der Kondensorlinse 3 überwiegt* Bei den in der Fig. 1 eingetragenen Abständen gilt für die zu erzielende Vergrößerung die nachfolgende Beziehung:

ο b. (fp - bp) bp

Vergrößerung V = j- + ₎

Mit stärker werdender Brechkraft der Linse 4 wird somit die Hauptebene des Gesamtfokussierungssystems mehr und mehr nach rechts, alsc mehr gegen das Target hin verschoben. Dies hat zur Folge, daß der abzubildende cross-over 2 mehr und mehr verkleinert abgebildet wird, was sich auf die Auflösung im gleichen Sinne wie die geschilderte Linsehkorrektur günstig auswirkt. WLe die Formel für die Vergrößerung zeigt, wird diese z.B. für den Fall f₂ = b₂ zu dem einfachen Ausdruck

V = ^b2 · .

c - b-

Für ein hinreichend kleines b₂ ist also die Vergrößerung kleiner als 1. Sie kann noch mehr verringert werden, wenn f₂<b₂ ist.

Durch die Verkleinerung - sie kann kleiner als 1, z.B. 1/2 bis betragen - wird die Schärfe durch die korrigierte Linse der ausnutzbare Bildbereich und durch die hohe Feldstärke die verwendbare Stromstärke erhöht.

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Die beschriebene- Anordnung besitzt somit nicht nur den Vorteil des Wegfalls des Magnetfeldes, sondern kann auch bei geeigneter Wahl der Brechkraft der Linse 4 zu erhöhter Auflösung führen. Selbstverständlich ist durch den Wegfall des Magnetfeldes die Größe des Targets praktisch beliebig wählbar und kann deshalb die heute üblichen Abmessungen weit übertreffen.

Die dabei verwendeten Ablenkmittel können z.B. wie bei normalen Vidikons magnetisch aber auch genau so einfach als elektrostatische Ablenkplatten ausgebildet sein, da das Ablenkzentrum sich im feldfreien Raum befindet.

4 Patentansprüche

5 Figuren >

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Claims

Patentansprüche

zylindrischen ßohrabschnitten und/oder Lochblenden aufgebaute elektrostatische Einzellinse für Kathodenstrahlröhren, wie elektrostatisches Elektronenmikroskop, Bildröhren, Bildaufnahmeröhren und Speicherröhren, insbesondere Vidikon, bestehend aus zwei als Endelektroden ausgebildete Anoden sowie einer dazwischen angeordneten Mittelelektrode (Zentralelektrode), wobei die beiden Endelektroden hohes positives Potential und die Mittelelektrode niedriges und/oder negatives Potential haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (18) derart in zwei Teile (27,28) unterteilt ist, daß zwischen diese eine zusätzliche Korrekturelektrode (26) positiveren Potentials als das der Teilelektroden zwischengefügt ist.
2. Vidikon mit einer korrigierten Einzellinse als Hauptlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwiBChen die Endelektroden (19,20) innerhalb der unterteilten Mittelelektrode (18)'eine Korrekturelektrode (26) positiveren Potentials als das der Endelektroden eingefügt ist.
3. Vidikon mit einer korrigierten Einzellinse als Hauptlinse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelektrode (20), an der das Abbremsfeld vor dem Target (5) liegt, ein offener Zylinder ohne Feldnetz ist.

4· Vidikon bestehend aus einer Kondensor- und einer korrigierten Hauptlinse nach den Ansprüchen 2 und 3 sowie einem dazwischen angeordneten Ablenksystem, dadurch gek e η n' zeichne daß die Brechkraft der Hauptlinse (4) gleich oder größer als die der Kondensorlinse (3) und ihr Abstand vom Target (5) etwa gleich oder besser größer als ihre Brennweite ist.

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