DE2638391A1

DE2638391A1 - Vorrichtung zum optischen projizieren eines durch einen elektronenstrahl in einer kathodenstrahlroehre erzeugten bildes

Info

Publication number: DE2638391A1
Application number: DE19762638391
Authority: DE
Inventors: Timothy Gunton Blake; Charles Peter Hedley Sheldrake
Original assignee: ELECTRO OPTIEK NV
Current assignee: ELECTRO OPTIEK NV
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1976-08-26
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2322500B3; JPS5237720A; US4034398A; BE845459A; NL7609476A; AU1718476A; FR2322500A1; SE7609394L

Description

Electro-Optiek N-V., 305 Willemstad, Curacao, Niederländische Antillen

Vorrichtung zum optischen Projizieren eines durch einen Elektronenstrahl in einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Bildes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Projizieren eines durch einen Elektronenstrahl in einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Bildes außerhalb der Kathodenstrahlröhre, wobei die Elektronenkanone mit einer Targetfläche, die beim Auftreffen eines Elektronenstrahles lumineszisrt, einem primären Sammelspiegel und mit einer mit dem Sammelspiegel zusammenarbeitenden Korrekturplatte entlang einer optischen Achse angeordnet ist, sowie ein Fernseil- Projektionssystem, welches eine Anzahl von Farbtrenneinheiten aufweist.

Allgemein bezieht sich die Erfindung also auf das Problem der optischen Projektion von Fernsehbildern, insbesondere auf Fernsehprojektionssysteme der Art, bei der eine Anzahl

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von Farbabtrenneinheiten oder Farbabtrenngeräten (typischerweise rot, grün und blau) verwendet wird, wobei diese Geräte jeweils eine Kathodenstrahlröhre sowie optische Projektionskomponenten aufweisen, von denen einige innerhalb der Kathodenstrahlröhre angeordnet sind. Diese Farbtrenneinheiten werfen vergrößerte Farbtrennbilder auf einen Bildschirm, wo sie durch Beobachter gesehen werden können.

Zum Projizieren und Vergrößern von Fernsehbildern sind bereits verschiedene Systeme vorgeschlagen worden. Bei einem derartigen bekannten System wird das reale Bild, welches in einer Fernsehröhre mittels einer herkömmlichen Dreifarb-Schattenmaske erzeugt wird, durch eine einzige optische Einheit abgebildet. Es ist bekannt, daß die informationstragende Fläche einer herkömmlichen Kathodenstrahlröhre um mehr als 50 % ihres theoretischen Maximalwertes reduziert wird, wenn eine Dreifärb-Schattenmaske vorliegt. Die Schattenmaske dient dazu, in. wirksamer Weise die Färbtrennpunkte zu isolieren, die in einer Einzel-Fernsehröhre erforderlich sind, um ein mehrfarbiges Bild zu erzeugen, jedoch werden in unerwünschter Weise abgeschattete Zwischenräume eingeführt, die keine Information tragen. Das resultierende zusammengesetzte Bild zeichnet sich durch eine unerwünscht niedrige Auflösung und einen unerwünscht niedrigen Kontrast aus.

•Bei einem anderen derartigen System erzeugen drei getrennte Farbabtrenngeräte rote, grüne und blaue Farbtrennbilder und projizieren diese so, daß sie auf einem Bildschirm miteinander ausgerichtet werden. Jedes Farbtrenngerät weist in axialer Anordnung die folgenden Komponenten auf: Eine vorwärts gerichtete Elektronenkanone; ein : nach hinten gerichtetes Leuchtstofftarget; einen nach vorne gerichteten Positivspiegel mit zentraler Apertur, der zwischen der Elektronenkanone unJ dem

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Target angeordnet ist; und eine Korrekturlinse, die vor dem Target angeordnet ist. Die Elektronenkanone, der Spiegel und das Target sind dabei innerhalb einer Kathodenstrahlröhre angeordnet. Die Korrekturlinse ist außerhalb der Kathodenstrahlröhre angeordnet. Der Spiegel und die Korrekturlinse bilden ein optisches Schmidt-Systern. Hier tritt eine Bildverschlechterung dadurch ein, daß sich die optischen Befestigungen nur schwierig verwirklichen und schlecht einstellen lassen, wobei im übrigen Abschnitte des katadioptrischen Feldes in unerwünschter Weise abgedunkelt werden. Außerdem ergeben sich optische Flächenkonfigurationen, welche nicht optimal zusammenarbeiten. Schließlich ist noch nachteilig, daß die bekannten Leuchtstofftargets Energieabhängigkeiten aufweisen, deren Charakteristiken sich zeitlich in unerwünschter Weise verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Fernsehprojektionssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden sind.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sammelspiegel und die lumineszierende Fläche durch eine Buchse abgestützt sind, die mit Abstand mittels federnder Lippen an der Innenseite der Kathodenstrahlröhre anliegt, wobei die Lippen an einer Seite an der Buchse befestigt sind.

Bei Anwendung in einem Fernsehprojektionssystem ist jede einzelne Farbtrenneinheit dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Farbabtrenngeräte entlang einer optischen Achse die nachfolgenden Komponenten aufweist: a) eine nach vorne gerichtete Elektronenquelle; b) ein nach rückwärts gerichtetes Leucht-

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stofftarget; c) einen nach vorne gerichteten Sammelspiegel, der eine Öffnung aufweist; d) eine nach vorwärts angeordnete Korrektureinrichtung; und e) ein evakuiertes Gehäuse, wobei f) die Elektronenquelle, der Spiegel und das Target innerhalb des Gehäuses angeordnet sind; g) die Elektronenquelle, der Spiegel, das Target und die Korrektureinrichtung entlang einer optischen Achse angeordnet sind; h) eine erste Befestigungseinrichtung vorgesehen ist, welche nur eine einzige Speiche aufweist, die sich radial in Richtung auf die optische Achse erstreckt, wobei ein Lagerabschnitt vorgesehen ist, dessen äußere zylindrische Lagerfläche eine Achse aufweist, die mit der optischen Achse zusammenfällt; i) eine zweite Befestigungseinrichtung eine äußere zylindrische Lagerfläche und eine innere, sphärische Lagerfläche aufweist, wobei die äußere, zylindrische Lagerfläche innerhalb der inneren, zylindrischen Lagerfläche gleitbeweglich ist; j) eine dritte Befestigungseinrichtung eine äußere, sphärische Lagerfläche aufweist, die schwenkbar in der inneren, sphärischen Lagerfläche ruht, wobei die dritte Befestigungseinrichtung das Target abstützt; k) eine erste Schraube zum Verriegeln der zweiten Befestigungseinrichtung relativ zur ersten Befestigungseinrichtung vorgesehen ist; und 1) eine zwei-te Schraube zum Verriegeln der zweiten Befestigungseinrichtung relativ zur zweiten Befestigungseinrichtung vorgesehen igt.

Bei dem erfindungsgemäßen Fernsehprojektionssystem finden also mehrere (typischerweise drei) verbesserte Farbtrenngeräte Verwendung, die jeweils, in axialer Anordnung, eine nach vorne gerichtete Elektronenkanone, ein naich rückwärts gerichtetes Leuchtstofftarget, einen nach vorne gerichteten Positivspiegel mit zentraler Öffnung, der zwischen der Elektronenkanone und dem Target angeordnet ist, und eine Korrek-

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turlinse aufweisen, die vor dem Target angeordnet ist. Die Elektronenkanone , das Target und der Spiegel sind dabei innerhalb der Kathodenstrahlröhre mittels verbesserter mechanischer Einrichtungen befestigt. Die Korrekturlinse kann entweder außerhalb der Kathodenstrahlröhre oder aber auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre angeordnet sein. Der Spiegel und die Korrekturlinse können gegebenenfalls in vorteilhafter Weise ein katadioptrisches Objektiv verbesserter Konfiguration bilden. Das Target weist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine verbesserte Struktur auf. Kritische Beziehungen zwischen den Farbtrenngeräten lassen sich durch die vorgenannten Verbesserungen verwirklichen.

Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß die Erfindung miteinander verknüpfte optische, mechanische und elektronische Verbesserungen eines Fernsehprojektionssystems mit sich bringt, welches mehrere Farbtrenneinheiten aufweist, die jeweils Kathodenstrahl- und optische Projektionskomponenten aufweisen, von denen einige innerhalb .einer Kathodenstrahlröhre angeordnet sind. Die erzielten Verbesserungen beziehen sich insbesondere auf optische Abstützungen spezieller Konstruktion, optische Flächen neuartiger Gestaltung und elektronische Komponenten speziellen Aufbaus.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung,·teilweise in Form einer elektrischen Schemazeichnung und teilweise in mechanischer Perspektive, in allgemeiner Form ein erfindungsgemäßes System von drei Farbabtrenngeräten;

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AO

Fig. 2 einen Querschnitt durch eines der Geräte des

in Fig. 1 gezeigten Systems, wobei der Schnitt entlang einer Ebene gewählt ist, welche durch eine Achse eines der Farbabtrenngeräte von Fig. 1 hindurchgeht;

Fig. 3 in schematischer Darstellung bestimmte optische Grundlagen der Erfindung;

Fig. 4 eine andere Schemadarstellung, bei der ein bestimmtes optisches Prinzip der Erfindung wiedergegeben ist; und

Fig. 5 ein modifiziertes optisches System nach der Erfindung.

Zunächst wird auf das in den Fig. 1 und 2 beschriebene Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Allgemein weist das Fernsehpro j ektionssys tem, welches in den Figuren 1 und 2 wiedergegeben ist, drei Farbabtrenngeräte 20, 22, 24 auf, welche durch ein elektronisches System 26 gesteuert und durch eine mechanische Abstützung 28 in einstellbarer gegenseitiger Orientierung gehalten sind. Wie bei dem Gerät 24 (welches weggebrochen ist) gezeigt ist, weist jedes der Geräte 20, 22, 24 eine evakuierte Kathodenstrahlröhre 32 auf, welche einen hinteren, langgestreckten, rohrförmigen Abschnitt 34 und einen vorderen, erweiterten Abschnitt aufweist, der mit einer nach vorne weisenden, optisch durchsichtigen Fläche versehen ist. Ein Kathodenstrahl, d.h. also ein Elektronenstrahl, 38 wird am hinteren Ende des rohrförmigen Abschnittes 34 durch eine thermionische Kathode bei 40, durch eine zur Elektronenbeschleunigung dienende Anode bei 42, eine Fokussierspule bei 44 sowie elektromagnetische X- bzw. Y-Achsen-Spulen bei 46 bzw. 47 erzeugt und gesteuert. In» vorderen Abschnitt der Kathodenstrahlröhre ist nahe der Fläche 36 ein im wesentlichen rechteckiges Leuchtstofftarget 50 angeordnet, über welches der Elektronenstrahl 38 zum Definieren eines Rasters verschwenkt wird. Innerhalb des vorderen, erweiterten Abschnittes

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der Kathodenstrahlröhre ist nach hinten ein konvergierender Reflektor 52 angeordnet, der eine zentrale Öffnung aufweist. Relativ zur Fläche 36 der Kathodenstrahlröhre nach vorne ist eine Korrekturplatte in Form einer Korrekturlinse 54 angeordnet. Die geometrischen Mittelpunkte des Reflektors oder Spiegels 52, des Targets 50 und der Platte 54 liegen auf einer optischen Achse, welche rait der Achse der Elektronenkanone zusammenfällt. Die Achsen der Farbabtrenngeräte 20, 22, 24 konvergieren auf einen Punkt auf einem Bildschirm

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel emittiert das Leuchtstoff target des Gerätes 20 nur rotes Licht, das Leuchtstofftarget des Gerätes 22 nur grünes Licht und das Leuchtstofftarget des Gerätes 24 nur blaues Licht. In jedem Fall ist die Stromstärke des auftreffenden Elektronenstrahles 38 niedrig, und zwar im Bereich von 50 bis 100 Mikro-Ampere,verglichen mit den Stromstärken von 100 bis 400 Mikro-Ampere,die bei herkömmlichen Fernsehröhren verwendet werden. Die elektronische Steuerschaltung 26 hält einen konstanten Stromeingang in die Beschleunigungsanode 42 sowie zu der Fokussierspule 44 jedes der Geräte 20, 22, 24 aufrecht, um momentane Änderungen der Rasterpunktgröße auf ein Minimum uu reduzieren und so die Bildauflösung sowie die Gleichmäßigkeit über die Fläche des Leuchtstofftargets zu verbessern. Wie in Fig. 1A dargestellt ist, wird in jedem der drei Leuchtstofftargets dadurch eine verbesserte Wirkungsweise erzielt, daß eine Leuchtstofffläche vorgesehen ist, die aus einer unteren Schicht 56 aus Aluminium, einer Zwischenschicht 58 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und einer Leuchtstoffschicht 60 besteht. Die Leuchtstoff schicht 60 enthält beispielsweise eine Mischung aus einem oder mehreren Leuchtstoffen, wie beispielsweise Zinksulfid und Kadmiumsulfid, und einem oder mehreren Aktivatoren oder Koaktivatoren, wie Natrium, Lithium, Silber, Kupfer, Gold, Chlor, Aluminium, Skandium, Gallium und Indium. Die ausgerich-

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teten Bilder dieser Leuchtstofftargets werden mit 25- bis 29-facher, vorzugsweise 27-fächer, Vergrößerung auf den Bildschirm 55 projiziert.

Wie in Fig. 2 erkennbar ist, sind der Sammelspiegel 52 und das Leuchtstofftarget 50 innerhalb der Kathodenstrahlröhre durch eine rohrförmige Metallbüchse 61, welche typischerweise aus Aluminium bestehen kann, befestigt, deren Achse mit der optischen Achse zusammenfällt. Die Metallbuchse 61 ist innerhalb der Kathodenstrahlröhre durch drei gefaltete Blattfedern gehalten, die um die Achse mit Winkelabständen von 120 angeordnet sind und von denen eine bei 62 gezeigt ist. Jede der Blattfedern weist einen nach vorne schräg verlaufenden Innenabschnitt 64, einen in Längsrichtung verlaufenden Zwischenabschnitt 66 und einen rückwärts gebogenen Außenabschnitt 68 auf. Der Innenabschnitt 64 ist an die Metallbuchse 60 angeschweißt. Der Zwischenabschnitt 66 drückt gegen den rohrförmigen Innenumfang des verlängerten Abschnittes der Kathodenstrahlröhre. Der Außenabschnitt 68 ist durch einen Zapfen (nicht gezeigt), der vor dem Abschnitt 68 an der Kathodenstrahlröhre angeordnet ist, in Position gehalten, wobei der Zapfen sich in die Öffnung im Abschnitt 68 erstreckt. Der Spiegel 52, der ein kreisförmiges Außenprofil 70 und eine kreisförmige Zentralöffnung 72 aufweist, besteht aus Glas und weist eine aluminisierte Vorderfläche 74 auf. Der Spiegel 52 ist hinten an der Buchse 60 durch drei Federstahlklammem befestigt, welche um 120° um die Achse versetzt sind und von denen zwei bei 76, 78 gezeigt sind. Jede der Federstahlklammern v/eist einen vorderen Abschnitt auf, der mit einer ,Gewindeöffnung versehen ist. In die Gewindeöffnung ist eine Schraube 80 eingeschraubt, welche sich durch eine Öffnung in der Buchse 60 erstreckt. Jede der Federstahlklammern weist einen hinteren Abschnitt mit einer zentralen Fahne 82 auf, die

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gegen die vordere, konkave Fläche des Spiegels 52 drückt. Weiterhin sind zwei rückwärtige Fahnen vorgesehen, von denen eine bei 84 gezeigt ist. Die Fahnen 84 spreizen die Fahne 82 und liegen an der hinteren, konvexen Fläche des Spiegels 52 an.

Erfindungsgemäß ist das Leuchtstofftarget 50 durch eine Abstützung 86 gehalten, mittels welcher das Leuchtstofftarget um einen begrenzten Bogen in jeder Richtung relativ zur optischen Achse geschwenkt werden kann. Außerdem ermöglicht die Abstützung 86 eine Hin- und Herbewegung des Leuchtstofftargets um eine begrenzte Strecke entlang der optischen Achse. Die Abstützung 86 weist ein Drehkreuz mit einer einzigen Speiche auf, welches in vorgegebener Weise an der Buchse befestigt ist. Weiterhin umfaßt die Abstützung 46 einen hin- und herbeweglichen Träger 90 , der axial durch das Drehkreuz 88 abgestützt ist. Schließlich weist die Abstützung 86 noch eine Schwenkstütze 92 auf, die axial durch den hin- und herbeweglichen Träger getragen ist, wobei all diese Komponenten aus Aluminium bestehen. Das Drehkreuz 88 besteht aus einer einzigen Speiche, welche einen äußeren Fußabschnitt 94 und einen inneren Lagerabschnitt 96 aufweist. Der Fußabschnitt 94 weist eine Außenfläche in Form eines zylindrischen Bogens desselben Radius auf, wie die innere, zylindrische Fläche der Buchse 60, so daß die beiden Flächen in vorgegebener Weise passend aneinander anliegen. Der Fußabschnitt 94 ist an der Buchse 60 mittels einer Schraube 98 befestigt, die durch eine Öffnung in der Buchse 60 vorspringt und in eine Gewindebohrung im Fußabschnitt 94 eingeschraubt ist. Der Lagerabschnitt 96 weist eine glatte, innere zylindrische Lagerfläche 100 auf, deren Achse mit der optischen Achse des Spiegels 52 zusammenfällt. Der Träger 90 weist eine glatte, äußere zylindrische

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Lagerfläche 102 auf, deren Radius annähernd gleich dem Radius der zylindrischen Lagerfläche 100 ist, so daß der Träger 90 als Präzisionsschlitten relativ zum Drehkreuz 88 wirkt.

Die Längsposition des Trägers 90 entlang der optischen Achse wird durch eine Schraube 104 fixiert, die sich durch einen Längsschlitz 106 im Lagerabschnitt 96 erstreckt und in eine Gewindebohrung 108 im Lagerabschnitt des Trägers eingeschraubt ist. Der Schlitz 106 erstreckt sich entlang der optischen Achse. Der Kopf der Schraube 104 liegt an den Kanten des Schlitzes an, wenn die Schraube fest angezogen ist.

Die winkelmäßige Orientierung der Schwenkstütze 92 relativ zur optischen Achse ist mittels eines Werkzeuges, welches in eine Bohrung 110 eingreift, einstellbar. Die Schwenkstütze 92 weist eine Lagerfläche 112 in Form einer Kugelzone auf. Der Träger 90 weist eine innere Lagerfläche 114 in Form einer Kugelzone auf, wobei die Radien der beiden Lagerflächen übereinstimmen. Der Träger 90 weist eine hintere, ausgeschnittene zylindrische Vertiefung 116 auf, welche einen Verschlußring 118 aufnimmt. Der Verschlußring 118 weist eine innere, kugelzonenförmige Lagerfläche 120 auf, die in Anlage an die Lagerfläche 114 durch zwei Schrauben 122, 124 verriegelt ist, von denen jede durch eine glatte Bohrung im Verschlußring 118 sich erstreckt und in eine Gewindebohrung im Träger 90 eingeschraubt ist.

Im folgenden wi rd nun eine bevorzugte optische Anordnung beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich zwar nicht auf die Verwendung eines optischen Schmidt-Systemes, jedoch wird dieses System hier als bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher

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erläutert. Das optische Schmidt-System eignet sich nämlich hervorragend für den vorliegenden Anwendungszweck, da hierbei eine minimale Anzahl optischer Komponenten, nämlich nur zv/ei, für eine maximale Energieübertragung verwendet werden. Außerdem weist das Schmidt-System eine gekrümmte Fokusfläche auf, wodurch der übliche Abfall der Energieübertragung auf den Kosinus -Terme anstelle des Kosinus -Termes reduziert wird. Beim Schmidt-System wird ein sphärischer Primärspiegel verwendet, der beträchtlich zur sphärischen Aberration beiträgt, insbesondere bei sehr hohen Empfindlichkeiten. In diesem Fall ist das System so ausgelegt, daß es nahe an der Grenze von f/0,6 arbeitet. Bei dieser Empfindlichkeit würde der sphärische Spiegel selbst nicht akzeptierbare sphärische Aberrationen einführen, welche durch die dünne, asphärische Korrekturplatte korrigiert werden müssen. Diese Platte ist im Krümmungsmittelpunkt des Primärspiegels angeordnet. Da . auch die System-Aperturblende im Krümmungsmittelpunkt des Primärspiegels liegt, werden also alle monochromatischen Seidel-Fehler des sphärischen Spiegels automatisch eliminiert, so daß nur eine Rest-Petzval-Krümmung verbleibt. In diesem Fall ist das Leuchtstofftarget so gekrümmt, daß es der Petzval-Fläche entspricht, so daß dieser Restfehler vollständig unterdrückt wird. Die einzigen Restfehler/ die noch verbleiben, sind diejenigen, welche auf die dünne asphärische Korrekturplatte selbst zurückzuführen sind. Diese Fehler bedingen eine chromatische Änderung der Kugelbedingung mit der Wellenlänge sowie einige Astigmatismuserscheinungen höherer Ordnung oder auch eine Schrägverzerrung, und zwar deshalb, weil die außerhalb der Achse liegenden Energiebündel auf das asphärische Profil nicht mit demselben Winkel einfallen wie die auf der Achse liegenden Bündel.

Da offensichtlich der asphärische Korrektor nur dazu verwendet

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wird, die sphärische Aberration des Primärspiegels aufzuheben, läßt sich eine Vielzahl von asphärischen Profilen verwenden. Die beste Form zum Minimalisieren der Rest-Farbfehler erhält man dann, wenn ein Plattenprofil verwendet wird, welches etwa in der 75 % - Zone durch einen Beugungspunkt hindurchgeht. Diese Form führt dazu, daß das Profil den geringstmöglichen Neigungsgradienten erhält, woraus wieder die Tendenz resultiert, die gesamten Rest-Farbfehler auszugleichen.

Aus der vorstehenden Erläuterung geht hervor, daß sich das Schmidt-System bei der Erfindung vorzüglich eignet. Das System ergibt verbesserte Leistungseigenschaften, wobei gleichzeitig eine minimale Anzahl optischer Komponenten erforderlich ist. Weiterhin ist eine maximale Energieübertragung bei hohen Empfindlichkeiten gewährleistet. Der hauptsächliche Nachteil besteht darin, daß die Restfehler über das Gesichtsfeld nicht ausgeglichen werden, sondern die Tendenz haben, zum Rand des Gesichtsfeldes hin zuzunehmen. Dieses Merkmale ist vermutlich bei dem vorliegenden Anwendungszweck nur von geringfügiger Bedeutung, da der hauptsächliche Szenenablauf normalerweise im Mittelpunkt des Blickfeldes stattfindet. Am Rand des Gesichtsfeldes laufen im allgemeinen Vorgänge von untergeordneter Bedeutung ab, so daß der Betrachter normalerweise eine gewisse Unscharfe des auf dem Bildschirm erscheinenden Bildes am Rand nicht erkennen wird, da er seine Aufmerksamkeit konzentriert auf die Bildmitte richtet. Aus diesem Grunde kann jedwede geringfügige Abnahme der Bildqualität an den Rändern des Bildschirmes außer Betracht bleiben, da hierdurch die Aufmerksamkeit des Publikums nicht abgelenkt wird.

Unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele erfolgt nun eine detaillierte Diskussion des klassi-

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sehen Schmidt-AbbildungsVerfahrens. In Fig. 3 wird angenommen, daß ein asphärisches Profil mit der Aperturblende zusammenfällt, wobei beide dann im Krümmungsmittelpunkt des sphärischen Spiegels M liegen. Eine ebene Wellenfront fällt auf diese asphärische Platte von links auf. Da die Aperturblende im Krümmungsmittelpunkt angeordnet ist, verursacht der sphärische Spiegel kein Koma und keinen Astigmatismus. Aus diesem Grunde wird die verbleibende Aberration, nämlich sphärische Aberration, durch die Verwendung eines asphärischen Korrekturprofiles auf der Platte P eliminiert. Wenn die Platte P nicht vorhanden ist, so fokussiert der Randstrahl HR an einem Punkt auf der optischen Achse innerhalb des paraxialen Fokus F. Nimmt man an, daß LS einen paraxialen Strahl auf der einfallenden Wellenfront darstellt, so fokussiert dieser am paraxialen Bildpunkt F. Nun ist es offensichtlich erforderlich, den Randstrahl HR dazu zu bringen, daß er nach außen abgelenkt wird, um im selben Punkt F zu fokussieren, wodurch dann eine stigmatische Abbildung erreicht wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß auf den Strahl eine prismaähnliche Wirkung ausgeübt wird, erzeugt durch das asphärische Profil der Platte P. Benutzt man das Fermat'sche Prinzip, so läßt sich das Plattenprofil bestimmen, wenn man gleiche optische Wege für die perfekte Abbildung am Punkt F annimmt. Die Differenz des optischen Weges./ OPD.., zwischen den beiden Strahlenwegen HR + RF und LS + SF ist gegeben durch

4 · 6

OPD - -£_■ £ς + Gleichung 1

^m 4r 8r

Dabei ist r der Krümmungsradius des Spiegels und ρ die "Zonenhöhe in der Apertur. Nach dem Fermat¹sehen Prinzip läßt sich feststellen, daß der Randstrahlenweg HR + RF sich auch nach dem Einführen der Platte nicht wesentlich ändert. Daher bleibt Gleichung 1 auch noch für die optische Wegdifferenz (OPD)gültig,

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die nicht der Platte entspricht. Wenn OPD die auf die Platte zurückzuführende, zusätzliche Wegdifferenz ist, so ergibt sich:

p = (N-1) t Gleichung 2

wobei t = Dicke bei Zonenhöhe,

so daß folgt:

. 4

4r

OPD_M+p = (N-1)t + -^- Gleichung 3.

Dieser Ausdruck ist natürlich nur für die Seidel'sehe Aberrationskorrektur gültig, d.h. also, bei verhältnismäßig "langsamen" optischen Systemen, etwa f/6,3. Diese Erläuterung und Ableitung dient nur dazu, die zugrundeliegenden Prinzipien zu demonstrieren. Aus Gleichung 2 ergibt sich, daß die optische Wegdifferenz zu Null wird, wenn gilt:

t = 2 _ Gleichung 4

^P (N-D32f³

wobei f = Spiegelbrennweite.

Aus diesem Ausdruck folgt, daß die Plattendicke proportional zur vierten Potenz des Zonenradius ansteigen würde, wenn man die Dicke Null auf der Achse annimmt. Da die Platte eine bestimmte Basisdicke auch auf der Achse haben muß, würde sich aidο der obengenannte Ausdruck monoton vergrößern, wodurch eine beträchtliche chromatische Aberration hervorgerufen würde. Wird nun ein schwacher, plankonvexer Linseneffekt in die Korrekturplatte eingeführt, so läßt sich der Farbfehler minimalisieren. Zusätzlich verstärkt diese Linse positiv die Stärke des Primärspiegels, so daß der Fokus sich leicht von dem paraxialen Fokus weg- und näher an den Primärspiegel heran-

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bewegt. Dies entspricht dem Punkt F in Fig. 3. Auch tritt ei'n Beugungspunkt nahe der Randkante der Platte auf, wo keine Strahlabweichung auftritt. Für Spiegel niedriger "Geschwindigkeit" oder Empfindlichkeit, beispielsweise f/5,6, ist der hauptsächliche Restfehler die Seidel'sehe sphärische Aberration, welche dazu führt, daß die Randstrahlen an einer Position fokussiert werden, die gegeben ist durch:

P_M ²/ 8f Gleichung 5

wobei p„ = Rand-Strahlhöhe.

Es ist aber weiterhin bekannt, daß der Fokus mit minimalem Verschmierungskreisdurchmesser an einer Position auftritt, die etwa 3/4 dieses Betrages ausmacht, oder:

2
3p_M /32f Gleichung 6.

Wenn also das asphärische Plattenprofil so justiert wird, daß die auffallende Wellenfront an diesem gemeinsamen Brennpunkt fokussiert wird, dann ist die Neigungsgradientenkurve der Platte minimal, damit aber auch der Plattenfehler. Die gesamte optische Wegdifferenz an diesem gemeinsamen Fokus ist gegeben durch:

OPD = (N-Dt +p

3/2p_M ² '

32f³ ;

- ρ /32f^J Gleichung 7,

Diese optische Wegdifferenz wird zu Null, wenn die nachfolgende Bedingung erfüllt ist:

4 9 ?
p*- 3/2p\ D^

_t _ ii_^ Gleichung 8.

^P 32 (N-1)f^J

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Der vorstehende Ausdruck wird eine.r Modifikation unterzogen, indem ein konstanter Betrag derart hinzugefügt wird, daß ein Beugungspunkt bei etwa 3/4 der Randzone auftritt. Die Platte nimmt dann die herkömmliche Geometrie der klassischen Schmidt¹sehen Korrekturplatte an.

Eine genauere Untersuchung dieser Platten- und Spiegelkombination zeigt, daß die hauptsächlichen Restfehler, die achsenfern auftreten, aus einer Kombination einer "schiefsphärischen Aberration" und einem Astigmatismus höherer Ordnung bestehen. Geeignete Ausdrücke für diese Restfehler lassen sich leicht ableiten, wenn man annimmt, daß die Randzonen der Korrekturplatte tatsächlich sehr dünne Prismen darstellen, und zwar bei jedem beliebigen Azimuth. Nennt man daher die winkelmäßige Abweichung eines beliebigen Strahles Θ, so ergibt sich in guter Näherung:

θ = (N-1) χ Ji + ^~ ω² + ( Gleichung 9

wobei N = Brechungsindex der Platte Θ = Winkelabweichung c* = Prismen-Keilwinkel

Ü = Einfallswinkel des Strahles auf die Prismafläche.

Für kleine Plattenneigungswinkel, ist der Plattenwinkel<κdurch das Differential von Gleichung 8 gegeben, d. h. also:

Ck= Stp/ ^p Gleichung 10

4p³-3.p ²p
OL =üGleichung 11.

32(N-1)f

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Beim maximalem Schrägungswinkel, ρ = ρ, ergibt sich:

Ct= ü _ Gleichung 12.

32(N-1)f

Aus Fig. 4 ergibt sich, daß der senkrechte Abstand zwischen dem Hauptstrahl und dem Randstrahl, gemessen am asphärischen Scheitel, ρ cos.W beträgt. Aus Gleichung 12 folgt demgemäß, daß der Winkelplattenwert des Randstrahles durch die folgende Reihenentwxcklung gegeben ist:

32(N-1)f [ J

Gleichung 13.

Da die entsprechende Strahlabweichung sich aus Gleichung ergibt, muß Gleichung 13 mit (N-1) multipliziert werden, woraus folgt:

θ = < 1

32 (N-D f^J

Gleichung 14.

Dies ist diejenige Abweichung, die erforderlich ist, um eine stigmatische Abbildung für den axialen Randstrahl zu erzielen. Aus Fig. 4 folgt, daß die höher und tiefer.auf der Platte gelegenen Randstrahlen Winkelabweichungen erleiden, welche gegeben sind durch:

⁶M =

Gleichung 15

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32 (N-Df*

1 +

N+1 2N

Gleichung 16."

Der letztgenannte Ausdruck liefert ein angenähertes Maß für die verbleibende achsenferne Aberration, welche durch die asphärische Korrekturplatte produziert wird. Indem man die Wxnkeiabwexchungen der achsenfernen Randstrahlen von der auf die axialen Randstrahlen zurückzuführenden Abweichung subtrahiert, ergibt sich:

CO'

32f ·

/N+1 } 2N

Gleichung 17

oder, durch Kombination und unter Vernachlässigung von IA -Termen;

Pm³G.² 64f³

1ON +1 N

Gleichung 18.

Es ist nun einfach, die Trenndistanz dieser beiden Strahlen auf der Fokusfläche zu erhalten, indem eine Multiplikation mit f durchgeführt wird, da dieser radiale Abstand gleich f9 ist. Daher ist dieser seitliche Fehler, der als "schief-sphärisch" bezeichnet wird, gegeben durch:

1ON

Gleichung 19.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel dieses optischen Systems wird der vorgenannte Restfehler noch weiter reduziert, indem an der klassischen ;Schmidt'sehen Konstruktion die folgenden

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Modifikationen angebracht werden:

a) Hinzufügen einer leicht asphärischen Formgebung zum Primärspiegel;

b) eine leichte Änderung im Profil der asphärischen Korrekturplatte; und

c) eine Justierung der asphärischen Platte in Richtung auf den Spiegel.

Diese Veränderungen führen geringfügige, gesteuerte Beträge in sphärischen und astigmatischen Seidel'sehen Aberrationen ein, wodurch die Feldfehler ausgeglichen werden. Die klassische physikalische Konfiguration wird aber als adäquate und geeignete Realisierung für die Erfindung angesehen, wie in dem Eingangsabschnitt ausgeführt worden ist.

Im folgenden wird nun das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 diskutiert, wobei sich eine bessere Bildqualität ergibt. Diese Konstruktion läßt sich als Meniskus-Schmidt-System beschreiben. Wie bereits bemerkt wurde, dient die klassische Schmidt'sehe Korrekturplatte dazu, alle Ordnungen sphärischer Aberrationen zu korrigieren und die Farbfehler, welche sie einführt, zu minimalisieren.

Dieser Effekt wird erreicht, jedoch werden achsenferne Fehler hönerer Ordnung eingeführt: Dabei handelt es sich nämlich um eine laterale sphärische Aberration 5. Ordnung und um den Astigmatismus. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel werden die Seidel'sehen Fehler eines sphärischen Primärspiegels 126 durch eine konzentrische Meniskuslinse 128 korrigiert. Liegt die Aperturblende im Krümmungmittelpunkt des Primärspiegels, so

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sind die restlichen Grenzfehler sphärische Aberrationen höherer Ordnung, mit einheitlicher Größe über das Feld, und Farbfehler. Das System weist keine anderen monochromatischen Fehler auf. Es ergibt sich dann sogleich die Möglichkeit, die sphärische Aberration höherer Ordnung dadurch zu beseitigen, daß eine geeignete asphärische Korrekturplatte an der Position 130 der Aperturblende eingefügt wird. Die letzten, noch verbleibenden Farbfehler werden dann eliminiert, indem diese Korrekturplatte in der gezeigten Weise durch eine Schichtkonstruktion 132, 134 aus zwei Materialien, die eine Dispersionsdifferenz von etwa 30 aufweisen, bei gleichem Hauptbrechungsindex, achromatisiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine so hohe Asphärizität erforderlich wie bei der Standard-Schmidt-Platte, so daß die Herstellung erleichtert wird.

Es ist zu beachten, daß diese Konstruktion sich in idealer Weise für ein abgedichtetes Projektionssystem eignet, da die Meniskuslinse zwei wichtige Funktionen erfüllen kann, nämlich einmal, die Kathodenstrahlröhre abzudichten, und zum anderen als Abstützung für die Targetfläche 136 zu dienen. Der zweite Vorteil liegt darin, daß keine separate Drehkreuzabstützung für das Leuchtstofftarget erforderlich ist, wodurch sich also eine verbesserte Energiekonservierung für das optische System ergibt.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich zahlreiche, miteinander zusammenhängende Vorteile, die darauf zurückzuführen sind, daß drei einzelne, wechselseitig farbunabhängige, abgedichtete Video-Projektionssysterne verwendet werden. Da jeder Leuchtstoff so ausgelegt ist, daß er nur eine einzige Farbe bei Erregung abgibt, läßt sich die Korngröße so auswählen, daß sich eine optimale Auflösung und ein maximaler

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Energieausstoß ergeben. Die Reinheit des spektralen Ansprachebereiches ist wesentlich höher, und zwar infolge des abgesenkten Strahlenbelastungsniveaus. Aus diesem Grunde wird die Elektronendichte auf der Leuchtstofffläche herabgesetzt, so daß das Leuchtstoffmaterial deutlich unterhalb des Sättigungspegels betrieben wird. Die Auflösung des Systems ist besser, da ein kleinerer Ablenkwinkel für kleine Targetgrößen der erfindungsgemäßen Art erforderlich ist. Dies führt zu einer stärker linearen Abtastung und zu einem reduzierten nicht-linearen oder "Ballungs"-Effekt der Elektronendichte über die Targetfläche während des Abtastungsdurchlaufes. Der Implosionsschutz wird bei einer derart abgedichteten Konstruktion durch die Art der Abdichtung der optischen Komponenten innerhalb des rohrförmigen Gehäuses stark verbessert. Die Fokusspannung und die Beschleunigungsspannung werden so geregelt,, daß sich ein konstanter Eingang zur Fokusspule ergibt, wodurch die Änderungen der Leuchtfleckgröße minirtialisiert und die Auflösung und die Bildgleichmäßigkeit über die Fläche des Leuchtstofftargets verbessert werden. Die Fokusspule wird nur für einen Strahl justiert, wodurch sich eine hohe Einstellungspräzision für jede Röhre ergibt. Die speziell entwickelte Methode des Aufbringens eines Leuchtstoffes mit engem Spektralband auf ein Target-Trägermaterial aus Aluminium sowie die Verwendung einer Kupfer-Nickel—Legierungs-Zwischenschicht gewährleisten eine bessere Haftung und damit auch eine größere Härte der Leuchtstoff beschichtung. Dadurch, daß ein Drehkreuz mit nur einer einzigen Speiche für die Targetfläche innerhalb der abgedichteten Kathodenstrahlröhre verwendet wird, läßt sich der abgedunkelte Bereich der Fläche verringern, wodurch der Energiebetrag, der auf den Bildschirm gelangt, gesteigert wird. Die frei schwebenden Federklammern befestigen den Primärspiegel sicher innerhalb der Kathodenstrahlröhre, die abgedichtet ist.

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Volle Neigungsverstellungen und die Längsfokussierung der Leuchtstofftargetfläche werden durchgeführt _r ehe das Einschließen in die Kathodenstrahlröhre erfolgt.

Innerhalb des Erfindungsgedankens sind selbstverständlich mannigfache Abwandlungen, Ausgestaltungen und Ergänzungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglicht, die lediglich zur Erläuterung der Erfindung, nicht aber zu deren Begrenzung, dienen.

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Claims

BOEHMERT &"BOEHMERT Electro-Optiek N.V. E 790 Ansprüche

1. Vorrichtung zum optischen Projizieren eines durch einen Elektronenstrahl in einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Bildes außerhalb der Kathodenstrahlröhre, wobei die Elektronenkanone mit einer Targetfläche, die beim Auftreffen eines Elektronenstrahles luminesziert, einem primären Sammelspiegel und mit einer mit dem Sammelspiegel zusammenarbeitenden Korrekturplatte entlang einer optischen Achse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelspiegel

(52) und die lumineszierende Fläche (50) durch eine Buchse (61) abgestützt sind, die mit Abstand mittels federnder Lippen (62) an der Innenseite der Kathodenstrahlröhre (32) anliegt, wobei die Lippen (62) an einer Seite an der Buchse (61) befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (50) an einem einspeichigen, an der Buchse (61) befestigten Drehkreuz (88) drehbar und verschiebbar angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (50) direkt an der Innenwandung der Frontplatte

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der Kathodenstrahlröhre (32) befestigt ist.

4.. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontplatte der Kathodenstrahlröhre (32), welche der Elektronenkanone zugewandt ist, eine Meniskuslinse ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der asphärischen Korrekturplatte (54) geringfügig geändert, ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einstellung der asphärischen Korrekturplatte (54) in Richtung auf den Spiegel (52).

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine leicht asphärische Formgebung des Sammelspiegels (52).

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturplatte (54) achromatisch ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszierende Fläche des Targets (50) ein Aluminiumsubstrat (56), eine Zwischenschicht (58) aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und eine Leuchtstoffschicht (60) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche als Bestandteil eines Fernsehprojektors, welcher mehrere Farbabtrenngeräte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Farbabtrenngeräte (20, 22, 24) entlang einer optischen

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Achse die nachfolgenden Komponenten aufweist: a) eine nach vo_trne gerichtete Elektronenquelle (32); b) ein nach rückwärts gerichtetes Leuchtstofftarget (50); c) einen nach vorne gerichteten Sammelspiegel (52), der eine öffnung (72) aufweist; d) eine nach vorwärts angeordnete Korrektureinrichtung (54); und e) ein evakuiertes Gehäuse (61), wobei f) die Elektronenquelle (32), der Spiegel (52) und das Target (50) innerhalb des Gehäuses (61) angeordnet sind; g) die Elektronenquelle (32), der Spiegel (52), das Target (50) und die Korrektureinrichtung (54) entlang einer optischen Achse angeordnet sind; h) eine erste Befestigungseinrichtung (86) vorgesehen ist, welche nur eine einzige Speiche aufweist, die sich radial in Richtung auf die optische Achse erstreckt, wobei ein Lagerabschnitt (96) vorgesehen ist, dessen äußere, zylindrische Lagerfläche eine Achse aufweist, die mit der optischen Achse zusammenfällt; i) eine zweite Befestigungseinrichtung eine äußere zylindrische Lagerfläche und eine innere, sphärische Lagerfläche aufweist, wobei die äußere, zylindrische Lagerfläche innerhalb der inneren, zylindrischen Lagerfläche gleitbeweglich ist; j) eine dritte Befestigungseinrichtung eine äußere, spärische Lagerfläche aufweist, die schwenkbar in der inneren, sphärischen Lagerfläche ruht, wobei die dritte Befestigungseinrichtung das Target (5O) abstützt; k) eine erste Schraube zum Verriegeln der zweiten Befestigungseinrichtung relativ zur ersten Befestigungseinrichtung vorgesehen ist; und

1) eine zweite Schraube zum Verriegeln der dritten Befestigungseinrichtung relativ zur zweiten Befestigungseinrichtung vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (52) sphärisch ausgebildet ist.

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12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (52) asphärisch ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (52) und die Korrektureinrichtung (54) ein katadioptrisches Schmidt-System bilden.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (54) bei annähernd 3/4 der Randzone Beugungspunkte aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (32) eine konstante Fokus- und Beschleunigungsspannung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch m) eine im Gehäuse vorgesehene Buchse (61) zum Abstützen der ersten Befestigungseinrichtung (86); und n) wenigstens drei Federelemente (76) , die sich von der Buchse (61) erstrecken und gegen das Gehäuse gespannt sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (54) eine Meniskuslinse, welche mit dem Spiegel (52) konzentrisch angeordnet ist, und eine achromatische Korrekturplatte (54) aufweist.

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