DE3200492A1 - Vorrichtung zum wiedergeben von bildern mit hilfe einer kathodenstrahlroehre - Google Patents
Vorrichtung zum wiedergeben von bildern mit hilfe einer kathodenstrahlroehreInfo
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Description
PHN 993^+ S^ 22.5.1981
Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodens tr ahlx-öhre
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre,
die in einem evakuierten Kolben einen Bildschirm und ein Elektronens trahlerzeugungssy stern zum Erzeugen eines
Elektronenstrahls enthält und die mit einem Hauptablenkspulensysteni
versehen ist, das rings um die Röhre angebracht ist und mit dessen Hilfe in zwei zueinander senkrechten
Richtungen der Elektronenstrahl über den Bildschirm abgelenkt wird.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 28 26 788 bekannt, Ln der eine Vorrichtung mit einer
Kathodenstrahlröhre für Pi'ojektionsfernsehzwecke beschrieben
ist.
Bei Kathoclons Lraldröhren verwendete Ablenkspulen
führen oft elektronenoptische Aberratiurien in dem abgelenkten
Elektronenstrahl herbei. Die wichtigsten Aberrationen
sind Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Koma. Dies
sind die sogenannten Aberrationen dritter Ordnung. Neben diesen Aberrationen dritter Ordnung treten auch Bildfehler
fünfter und siebtel' Ordnung auf. Diese sind aber erst bei grossen Werten des Abstandes s des Elektronenstrahls
von der Aclide des Ablenkspulensystems im Ablenkfeld und
der Tangente des Ablenkwinkels lJJ von Bedeutung. Diese
Aberrationen können daduj-ch korrigiert werden, dass synehr
on mit der Ablenkung· dynamische Korrekturen vorgenommen
werden,- So werden Astigmatismus mit Hilfe eines
oder zweier dynamischer Vierpole, Bildfeldkrümmung mit
dynamischer Fokussierung und Komafehler mit Hilfe dynamischer Sechs-, Acht- und Zehnpolfelder korrigiert.
Aus dem Aufsatz "A practical approach to the third order theory of magnetic deflection and its application
to tlie deflection of convergent electron beams", Digest
of Technical Papers of the International Symposium 198O
PHN 993^ 4* 23.5.1981
of the Society of Information Display, San Diego, California,
der als in der vorliegenden Anmeldung· enthalten zu betrachten ist, geht hervor, dass, wenn die Horizontal- und Vertikalablenkfelder
nahezu identische Zweipolfelder mit einer wirksamen Länge
I3 = L/2 (1)
sind, wobei L der Abstand des Ablenkpunktes des Ablenkspulensystems
von dem Bildschirm ist, kein Astigmatismus dritter Ordnung mehr auftritt. Ausserdem wird behauptet,
dass die wirksame Länge im Zusammenhang mit Aberrationen fünfter Ordnung etwas grosser als (i) gewählt werden muss.
Die wirksame Länge l„wird durch dio Länge und die Form
des Magnetfeldes bestimmt und ist in P.E. Kaus, RCA Rev. 17«
168, 1956, definiert.
Hddz / J Ird2
If dZ (2)
H ist das erzeugte Magnetfeld als Funktion der Stelle Z
auf der Achse des Ablenkspulensystems. In kurzen Kathodenstrahlröhren ist es aber nicht möglich, die in (1) angegebene
Anforderung zu erfüllen, weil das Ablenksystem verhältnismässig nahe dem Bildschirm angebracht werden muss.
Auch ist es günstig, wenn die Stelle des Ablenkpunktes mehr oder weniger unabhängig von den Spuleabmessungen und
der Spulenform gewählt werden kann.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung
mit einem System von Ablenkspulen au schaffen, bem dem es möglich ist, einen virtuellen elektronenoptischen
Ablenkpunkt zu wählen.
Ausserdem hat die Erfindung die Aufgabe, durch diese Konstruktion die in (1) angegebene Anforderung auch
bei verhältnismässig kurzen Röhren erfüllen zu können, so dass eine anastigmatisehe Ablenkung erhalten wird.
Eine Vorrichtung der im ersten Absatz beschriebenen Art ist zur Lösung dieser Aufgaben dadurch gekennzeichnet,
dass rings um die Bildröhre ausserdem ein zweites Ablenkspulensystem auf der Bildschirmseite des Hauptablenkspulen-
PHN 993^ iff 22.5. 1981
systems angebracht ist, das Nachablenkspulen enthält, die
eine Nachablenkung des Elektronenstrahls herbeiführen, die der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem entgegengesetzt
ist und synchron mit der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem und schwächer als diese Ablenkung ist.
In der US-PS 2 728 027 ist zwar eine Vorrichtung
mit zwei synchron und entgegengesetzt wirkenden Ablenkspulensystemen
beschrieben, aber das auf der Seite des Elektronenstrahlerzeugungssystems liegende Ablenkspulensystem
in dieser Vorrichtung bewirkt eine Vorablenkung des Elektronenstrahls, die viel schwächer als die Ablenkung
durch das Hauptablenkspulensystem ist und dazu dient, einen grösseren Ablenkwinkel zu ermöglichen.
Der.Schnittpunkt der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Elektronenstrahls mit der Bahn des
nicht abgelenkten Elektronenstrahls ist bei einer Vorrichtung nach der Erfindung als der virtuelle Ablenkpunkt
der Kombination des Hauptablenkspulensystems und des Nachablenkspulensystems
zu betrachten. Durch die Wahl der Stärke der Nachablenkung kann mehr oder weniger unabhängig
von der Form und den Abmessungen des Ablenkspulensystems die Stelle dieses virtuellen Ablenkpunktes gewählt werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt
' der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Elektronenstrahls mit der Bahn des nicht abgelenkten
Elektronens Crahls in einem Abstand l· von dem Bildschirm
liegt, wobei gilt, dass L im wesentlichen gleich 2.1 ist, wobei 1 die wirksame Länge (nach der oben gegebenen Defini-Lion)
des gesamten magnetischen Ablenkfeldes der zwei Ablenkspulensysteme,
entlang der Bahn des nicht abgelenkten Elektronenstrahls gemessen ist. In diesem Falle wird durch
Anwendung der Erfindung mehr oder weniger die in (1) beschriebene
Anforderung erfüllt und der Astigmatismus dritter
Ordnung und fünfter Ordnung erheblich herabgesetzt, wie nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels nachgewiesen
werden wird.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
PHN ^^2>h if 22.5. 1981
ist dadurch, gekennzeichnet, dass die Ablenkspulen und die
dazu gehörenden in entgegengesetzter Richtung ablenkenden Nachablenkspulen in Reihe geschaltet sind.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung in ProjektionsfernsehbildrÖhren, weil diese verhältnismässig
kurz sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschriebst
Es zeigen:
1^ Fig. 1 eine Ansicht einer Kathodenstrahlröhre nach
der Erfindung,
Fig. 2 schematisch einen Quadranten eines Satzes von Haupt- und Nachablenkspulen,
Fig. 3 die Stärke des von einer derartigen Haupt-
™ ablenkspule und einer derartigen Nachablenkspule erzeugten
magnetischen Feldes als Funktion der Stelle auf der Achse,
Fig. k die Beeinflussung des Elektronenstrahls
durch dieses magnetische Feld, und
Fig. 5 und 6 eine nähere Erläuterung der Bestimmung
der Aberrationskoeffizienten.
Die in Fig. 1 in Ansicht gezeigte Kathodenstrahlröhre
nach der Erfindung enthält in einem evakuierten Kolben 1 ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 und ist
mit einem Frontglas verschlossen, das zugleich den BiIdschirm 3 bildet und aus einem auf einer Seite aktivierten
Einkristall besteht. Eine derartige Kathodenstrahlröhre mit einem Einkristallbildschirm für Projektionszwecke ist
bereits in der vorgenannten DE-OS 28 26 788 beschrieben,
die als in der vorliegenden Anmeldung enthalten zu betrachten ist. Die Röhre ist von einem Hauptablenkspulenpaar h
und einem Nachablenkspulenpaar 5 umgeben, die die Horizontalablenkung
des im Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 erzeugten Elektronenstrahls versorgen. Das zweite System
von Hauptablenkspulen und Nachablenkspulen, das über 90° in bezug auf das erste System gedreht ist und auf analoge
Weise die Vertikalablenkung versorgt, ist der Übersichtlichkeit der Figur halber nicht dargestellt. Hinter dem Bildschirm
3 ist ein Linsensystem 6 angebracht, mit dem das
PHN 9934 #* 22.5.1981
sehr helle Bild des Bildschirmes 3 auf einen Projektionsschirm
projiziert wird. Auf die Form und die Abmessungen der Hauptablenkspulen und der Nachablenkspulen wird nach
der Beschreibung der Fig. k eingegangen.
In Fig. 2 ist schematisch ein Quadrant einer Hauptablenkspule h und einer Nachablenkspule 5 dargestellt,
wobei diese Spulen für die Vertikalablenkung dienen. Die Achse 7 der Ablenkspulen fällt im wesentlichen mit der
Röhrenachse zusammen. Die Y-Achse 8 und die X-Achse 9 erstrecken
sich in senkrechter bzw. in waagerechter Richtung und stehen senkrecht auf der Z-Achse 7· Bei einer vorgegebenen
Gesamtlänge Z1 + Z„ und einer vorgegebenen Windungszahl
bleiben, wie evus dieser Figur ersichtlich ist, noch drei Freiheitsgradt: übrig, die als die Winkel { -, und V^o
" angegeben sind, die das Sechspol/Zweipolverhältnis der
Hauptablenkspule h und der Nachablenkspule 5 und das Verhältnis
ZpZZ1 bestimmen, das ein Mass für die relative
Stärke des Nachablenkfeldes ist.
In Fig. 3 ist das von einer derartigen Hauptablenkspule
und einer derartigen Nachablenkspule erzeugte magnetische Feld H, als Funktion der Stelle Z auf der
Achse 7 dargestellt. Der Punkt Z gibt die Lage des Bild-Schirmes an.Die Punkte 1Ü und 11 sind die Punkte mit einer
maximalen Feldstärke! in der Hauptablenkspule bzw. in der
Nachablenkspule. Das Feld der Nachablenkspule ist in bezug auf den Absolutwert schwächer und äusserdem dem Feld der
Hauptablenkspule entgegengesetzt gerichtet. Der Feldverlauf in einer Vorrichtung nach der Erfindung gemäss Fig.
beeinflusst den vom Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenstrahl 13 auf die in Fig. k dargestellte
Weise. Dieser Elektronenstrahl tritt auf der linken Seite der Figur in das Feld ein. Infolge des Feldes der Hauptablenkspule
k wird der Elektronenstrahl 13 einer ersten
Ablenkung unterworfen. Der abgelenkte Elektronenstrahl 13 scheint aus dem Punkt 10' auszutreten, der, wie sich in
der Praxis zeigt, im wesentlichen mit dem Punkt 10 zusammenfällt. Infolge des Feldes der Nachablenkspule wird der
Elektronenstrahl arischliossend einer zweiten Ablenkung
PHN
22.5.1981
10
auf der Höhe des Punktes 11 auf der Z—Achse unterworfen.
Da des Feld der Nachablenkspule schwächer als das Feld der Hauptablenkspule und diesem Feld entgegengesetzt gerichtet
ist, hat diese eine teilweise Rückablenkung des Elektronenstrahls 13 zur Folge, Es ist einleuchtend, dass
die Ablenkempfindlichkeit des Systems dadurch etwas abnimmt.
Der Elektronenstrahl 13» der vom Hauptablenkspulensystem
und vom Nachablenkspulensystem abgelenkt ist, scheint, von dem Bildschirm her gesehen, aus einem virtuellen Ablenk—
punkt 12 auszutreten. Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass, obgleich dieser Ablenkpunkt 12 virtuell
ist, dennoch der Abstand χ L (L - virtuell) dieses Ablenk-
X. V
punktes von dem Bildschirm (Z„) und nicht der Abstand L_
(L - reell) zusammen mit der Sechspölstärke die Grosse der
Aberrationen dritter Ordnung des Systems bestimmt.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In einer Vorrichtung
der an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Art wurden Ablenkspulen mit den in der nachstehenden Tpbelle angegebenen
Parametern verwendet.
20 25
Horizontalablenkung | Nachablenkung | Vertikalablenkung | Nachablenkung |
d =32 mm | Z_ = 1k,6 mm H2 = 71° |
d = 3k mm ff |
Z2 = Ik,6mm γ2 = 090 |
Hauptablenkung | Hauptablenkung | ||
Z1 = 28,6 mm X1 = 78° |
Z1 = 28,6 mm IV — 770 |
d ist der mittlere Durchmesser der Haupt- und Nachablenkspulen. X und X,- sind die Äquivalente von S^1 und *fl
für das Horizontalablenkfeld. Diese Abmessungen und diese Form der Ablenkspulen ergeben, wenn sich der Bildschirm
in einem Abstand von 55 mm von dem Beginn der Ablenkspuleneinheit
befindet, über nahezu den ganzen Bildschirm einen anastigmatischen (runden) Auftreffleck. Bei Anwendung der
Erfindung ist es also möglich, auch bei sehr kleinen Abständen zwischen dem Ablenkpunkt 12 und dem Bildschirm noch
anastigmatische Ablenkspulen zu entwerfen. Dies lässt sich
:"; . . Γ: ■ . " - 3200Α92
PHN 993^ ST 22.5.1981
auch theoretisch, nachweisen. Dazu ist es notwendig, zunächst
eine Anzahl von Begriffen zu definieren.
In Fig. 5 ist ein Achsensystem dargestellt, dessen
Z-Achse mit der Symmetrieachse des zu beschreibenden Ablenksystems zusammenfällt, während die XY-Ebene in .der Ebene
des Bildschirmes liegt. Die Horizontalablenkung erfolgt in der X-Richtung und die Vertikalablenkung in der Y-Richtung,
Eine beliebige Elek troneribahn kann nun durch ihren Schnittpunkt
(x,y) mit der XY-Ebene und durch die Winkel (χ',γ1),
die die Bahn an der Stelle des Schirmes mit der Z-Achse einschliesst, definiert werden. Wie in Fig.6 dargestellt
ist, wird ein Strom i durch die horizontale Haupt- und
X.
Nachablenkspule die Bahn des Elektronenstrahls ablenken,
so dass der Schnittpunkt der mittleren Bahn mit dem BiIdschirm nun (X , Y ) wird. Die Horizontalablenkung kann als
aus einem zu i proportionalen Teil X, der idealen oder Gaus'sehen Ablenkung, und zwei Aberrationsbeiträgen £>
Xjt und -^Y-IT aufgebaut gedacht werden. Die Vertikalablenkung
wird auf analoge Weise aus einem zu i proportionalen Teil Y und zwei Aberrationsbeiträgen AXV und AYy aufgebaut.
Im Falle eines Elektronenstrahls mit Anfangskoordinaten (x,y), der in horizontaler Richtung vom Punkt 20 zum
Punkt 21 auf dem Bildschirm 3 abgelenkt wird, wird der neue Schnittpunkt 21 mit dem Bildschirm (x+X+ ΛΧ^, Υ+ Δγ ).
Wenn der Elektronenstrahl in vertikaler Richtung abgelenkt wird, besitzt der neue Schnittpunkt 22 die Koordinaten:
(χ+ ΔΧγ, y+Y+ ΔΥν).
Ablenkung in diagonaler Richtung zum Punkt 23 wird im
allgemeinen noch zu einer Anzahl zusätzlicher Aberrationen führen, so dass für die Koordinaten gilt:
(x+X+ AX11+ ΔΧγ+ ΔΧβ, y+Y+ ΔΥΗ+ AYy+ Δγβ) .
Die Indexe H, V und D bezeichnen Horizontal, Vertikal bzw. Diagonal. Bei Horizontalablenkung treten eine Anzahl von
Fehlerkoeffizienten auf:
ΑΧ,, = A'>oi +(AT0'lX^JC'+A309X x^ + Komai'ehler + ···
AY11 = (A X2y'+A„10X2y) + Koinafehler ...
Eine Vertikalablenkung ergibt auf analoge Weise:
Ä (2X1H-B310Y^x) + Komafehler +
PHN 993k jf 22.5. 19B1
ΛΥν = B30^3+(B104Y2Y ·+Β30<)Υ'>) + Komafehlor +
während bei gleichzei tiger Horizontal- und Vertikalablenkung
noch die folgenden Terrae erscheinen:
Die Terme mit A„n.. , A„n„ und A„ „ geben zusammen mit ihren
Aqyivalenten B_n1, B„ „ und B„ „ die auftretende Verzeichnung
wieder. Die Komafehler, die durch die Koeffizienten A^07,
A„oq und A„1„ definiert sind, sind hier nicht ausgeschrieben.
Der Astigmatismus dritter Ordnung ist völlig durch das System von Koeffizienten A_0_i , A„o_, A„og, A„qq bis A„.. 2
und ihrer B-Äquivalente für die Vertikalablenkspule bestimmt.
Die relative Bedeutung der Koeffizienten A„oi,
A305 und A300 einerseits und A309, A310, A311 und A312
andererseits wird durch den Aufbau des Elektronenstrahls bestimmt. In den meisten Fällen und gewiss in den meisten
Elektronenstrahlröhren für Projektionsfernsehzwecke wird
ein breiter Strahl auf einen kleinen Auftreffleck fokussiert:
Die Winkel x1 und y1 sind gross im Vergleich zu dem Verhältnis
zwischen den Auftreffleckabmessungen (x,y) und dem
Abstand L zwischen dem Ablenkpunkt und dem Schirm. Im folgenden sind die Koeffizienten A.,Og bis A„ 1 „ und B„ bis
B„ 2 denn auch vernachlässigt.
Die an eine anastigniatische Ablenkspule zu stellenden
Anforderungen sind, dass bei jeder Ablenkung, in horizontaler, vertikaler und diagonaler Richtung, der Auftreff
leck rund bleiben soll, ,so da^s mit Hilfe dynamischer
Fokussierung die Bildfeldkrümmung korrigiert werden kann.
Um bei Horizontalablenkung eines drehsymmetrisehen kegeligen
Strahles den Auftreffleck rund zu halten, muss die Bedingung
erfüllt sein, dass:
= A,
= A,
3O5*
Auch bei Vertikalablenkung muss der Auftreffleck rund bleiben
Auch bei Vertikalablenkung muss der Auftreffleck rund bleiben
und muss also die Bedingung erfüllt werden, dass:
35
Schliesslich soll auch bei diagonaler Ablenkung der Auftreff
leck rund bleiben, so dass als dritte Anforderung gestellt werden darf, dass der Koeffizient A„., der Horizon-
PHN 9934 X 22.5.1981
talablenkung seinen Äquivalent B„_,- der Vertikalablenkspule
entgegengesetzt sein muss.
Beim gegebenen Ausführungsbeispiel wird von rechteckigen oder gemäss einer Zylinderoberfläche gewickelten
Spulen ausgegangen (siehe Fig. 1.) . Wenn das Verhältnis ZpZz1 für die Horizontal- und die Vertikalablenkspulen
gleichgewählt wird, bleiben noch fünf beliebig zu wählende
Abmessungen übrig, und zwar die Öffnungswinkel V1 und ψ „
für das Ver tikalablenksysteni und ihre Äquivalente X und X
für das Horizontalablenksystem und das Verhältnis Zp/Z..
Da für den Anastigraatismus nur die Bedingung erfüllt zu
werden braucht, dass
A3O4 " A3O5 = B3O4 " B3O5 = A3O6 + B3O6'
ist es möglich, zwei der sechs Komakoeffizienten gleich
1S> Null zu machen.
Die Abmessungen des gegebenen Ausführungsbeispiels ergeben die folgenden Aberrationskoeffizienten:
A301 = 30,8 (m~2) B301 = 33,0 (nf2)
A302 = 35,8 (m~2) B302 = 34,8 (m~2)
* - 1 «5 (π-ζ) B303 = -0,6 (πΓ2)
) B304 = 13,3 (ηΓ1)
) B305 = 13,3 (m"1)
) B306 = 2,5 (ηΓ1)
) B307 = 0,9 ( - )
Λ _ η λ C _ ) B308 = 0,0 ( - )
In diesem Beispiel wird also davon ausgegangen, dass A,, . y
und B„ ο gleich Null gemacht werden. Es ist somit möglich,
durch Anwendung der Erfindung auch bei verhältnismässig sehr kleinen Abständen des Ablenkpunktes von dem Bildschirm
anastigmatische Ablenkspulen zu entwerfen.
A3O3 | = 1,5 | (» |
A3O4 | = 14,4 | (m |
A3O5 | = 14,4 | (m |
A3O6 | = -2,5 | (m |
A307 | = 0,9 | ( |
A3O8 | = 0,0 | ( |
Claims (3)
- PHN 9934 äff 22.3.1 «)81PATENTANSPRÜCHE\J Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuiei'ten Kolben (1) einen Bildschirm (3) und ein Elektronenstrahlerzeugungssystem (2) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (13) enthält und die mit einem Hauptablenkspulensystem (k) versehen ist, das rings um die Röhre angebracht ist und mit dessen Hilfe in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Elektronenstrahl über den Bildschirm abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass rings um die Bildröhre ausserdem ein zweites Ablenkspulensystem auf der Bildschirmseite des Hauptablenkspulen sy st ems angebracht ist, das Nachablenkspulen (5) enthält, die eine Nachablenkung des Elektronenstrahls herbeiführen, die der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem entgegengesetzt ist und die synchron mit der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem und schwächer als diese Ablenkung ist.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (12) der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Kiektronenstrahls (13) mit der Bahn des nicht abgelenkten Elektronenstrahls in einem Abstand L von dem Bildschirm liegt, wobei gilt, dass L im wesentlichen gleich 2.1 ist, wobei 1 die wirksame Länge des gesamten magnetischen Ablenkfeldes der Ablenkspulensysteme, entlang der Bahn des nicht abgelenkten Elektronen-Strahls gemessen, ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkspulen und die dazu gehörenden in entgegengesetzter Richtung ablenkenden Nachablenkspulen in Reihe geschaltet sind.h. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eathodens trahlröhre eine Projektionsfernsehbildröhre ist.
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