DE3213498A1

DE3213498A1 - Bildwiedergabevorrichtung

Info

Publication number: DE3213498A1
Application number: DE19823213498
Authority: DE
Inventors: Maurits Willem 7602 Almelo Van Tol
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-04-16
Filing date: 1982-04-10
Publication date: 1982-11-04
Also published as: JPS57180050A; NL8101888A; GB2097182B; GB2097182A; JPH0554212B2; FR2504312B1; US4710672A; FR2504312A1; CA1181467A; DE3213498C2

Description

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PHN 10013 "*" 10.8.1981

Bildwiedergabevorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildwiedergabevorrichtung bestehend aus einer Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben, der entlang einer elektronenoptischeii Achse zentriert eine Kathode und eine Anzahl von Linsenelektroden enthält, die zusammen das Elektronenstrahlerzeugungssystem bilden, das bildschirmseitig mit einer beschleunigenden, aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Linsenelektroden besjtehenden, elektrostatischen Elektronenlinsen versehen ist, die zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einem Bildschirm dient, und einem Ablenkspulensystem zur Ablenkung des Elektronenstrahls, das die Elektronenlinse umgibt.

Eine derartige Bildwiedergabevorrichtung ist aus der US-PS 2 151 777 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird, die elektrostatische Elektronenlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls wenigstens teilweise innerhalb des Ablenkspulensystems angeordnet, damit eine kurze Vorrichtung erhalten wird. Der Ablenkpunkt des Ablenkspulensystems liegt in diesem Falle zwischen den zwei Hauptflächen der elektro— statischen Elektronenlinse. Die Lage der zwei Hauptflächen der elektrostatischen Elektronenlinse ergibt sich aus den Tabellen in "Electrostatic lenses", E. Harting und F.H. Read, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam-Oxford-New York, 1976. Auf diese Lage wird nachstehend noch näher eiiiiiü^niifi'eii.

Das Ablenkspulensystem weist aber eine Anzahl elektronenoptischer Aberrationen auf, von denen die auffallendsten der Astigmatismus und die Bildfeldkrümmung sind. Bildfeldkrümmung ist das Nicht-Zusammenfallen der Haupt— bildfläche mit dem Bildschirm. Während der Astigmatismus durch passende Wahl des Entwurfes der Ablenkspulen korrigiert werden kann, ist der Krümmungsradius der Hauptbildfläche etwa gleich

PHN 10 103 /^ 10.8.1981

L+k ^K ' '

wobei k die wirksame Länge des Ablenkfeidos der Ablenkspulen und L der Abstand des Ablenkpunktes von dem Bildschirm ist. Dieser Ablenkpunkt liegt auf der elektronenoptischen Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems und ist der Schnittpunkt dieser Achse mit einer zu dieser Achse senkrechten Ebene, von der die Elektronen emittiert zu werden scheinen, bei maximaler Ablenkung des Elektronenstrahls und von dem Bildschirm her gesehen. Auf die Stelle dieses Ablenkpunktes auf der Achse wird später noch ausführlicher eingegangen.

Es ist möglich, die Bildfeldkrümmung mit Hilfe dynamischer Fokussierung zu korrigieren. Die Stärke der Elektronenlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls - als Fokuslinse bezeichnet - wird als Funktion der Ablenkung des Elektronenstrahles eingestellt. Dadurch ist es möglich, die Hauptbildfläche so zu legen, dass sie den Bildschirm an derjenigen Stelle schneidet, an der der Elektronenstrahl auf den Bildschirm auftrifft. Wenn auf diese Weise korrigiert wird, ist es erforderlich, in die Vorrichtung eine zusätzliche Schaltung zum Erzeugen der richtigen dynamischen Fokusspannungen an den Elektroden der Fokuslinse aufzunehmen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Bildwiedergabevorrichtung ohne dynamische Fokussierung mit einem im Vergleich zu den bekannten Röhren grossen Auflösungsvermögen und einer geringeren Bildfeldkrümmung zu schaffen.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Bildwiedergabevorrichtung der beschriebenen Art durch eine solche Ausbildung und Anordnung gelöst, dass der Ablenkpunkt des Ablenkspulensystems im wesentlichen mit der Mitte der elektrostatischen Elektronenlinse zusammenfällt. Die Mitte dieser Linse ist der Punkt, in dem die zweite Ableitung des Potentialverlaufs als Funktion des Ortes

^⁵ auf der Achse Null ist.

Der Erfindung liegt die experimentell und theoretisch erworbene Erkenntnis zugrunde, dass eine beschleunigende elektrostatische Elektronenlinse immer eine positive

PHN 10 103 y 10.8.1981

if

Bildfeldkrümmung aufweist, wobei die konvexe Seite der Hauptbildfläche dem Bildschirm zugewandt ist. Auch, das mit Hilfe der Ablenkspulen erzeugte Ablenkfeld weist eine positive Bildfeldkrümmung auf. Indem nun der Ablenkpunkt und die Mitte der Fokuslinse nahe aneinander gelegt oder dafür gesorgt wird, dass diese zusammenfallen, findet die Ablenkung des Elektronenstrahles, in der Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls gesehen, im wesentlichen in dex· zweiten lläll'be der Fokuslinse statt.

^ Die beschleunigende Linse kann, in der Fortpflan-

zungsrichtung des Elektronenstrahls gesehen, als eine positive Linse mit einer sich daran anschliessenden negativen Linse betrachtet werden. Da eine negative Linse eine negative Bildfeldkrümmung und eine positive Linse eine ^ positive Bildfeldkrümmung aufweist, der Elektronenstrahl in der positiven Linse aber nahezu an der Achse der Linse entlang verläuft und sich in der negativen Linse infolge der Ablenkung weiter von der Achse weg bewegt, ist der Gesamtbeitrag der Linse zu der Bildfeldkrümmung negativ. Dieser begative Beitrag zu der Bildfeldkrümmung gleicht teilweise die positive Bildfeldkrümmung des Ablenkfeldes aus. Ausserdem wix'd noch der folgende günstige Effekt erhalten. Da die Fokuslinse weniger weit von dem Bildschirm entfernt ist als in Röhren bei denen die Fokuslinse den Ablenkspulen vorgeordnet ist, ist bei gleichbleibendem Elektronenstrahldurchmesser in der Fokuslinse, als.o bei gleichbleibenden Aberrationen und einer vorgegebenen Kathodenbelastung der Öffnungswinkel des Strahles auf dem Bildschirm grosser, wodurch ein kleinerer Elektronen— auftreffleck auf dem Bildschirm erzeugt wird. Dies bringt ein besseres Auflösungsvermögen mit sich.

Da die Elektroden der Fokuslinse sich im Feld der Ablenkspulen befinden, werden diese vorzugsweise als dünne Wandelektroden auf der Innenwand des Kolbens ausgebildet, damit das Auftreten von Wirbelströmen im Material der Elektroden möglichst unterdrückt wird. Die Wirbelströme können auch durch das Anbringen von Schlitzen in metallenen Elektroden unterdrückt werden.

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PHN 10 103 ·* 0> 10.8.1 υ«

Die Erfindung kann mit Erfolg in allen Bildwiedergabe vorrichtungen mit Kathodenstrahlröhren mit einem Elektronenstrahl und magnetischer Ablenkung, wie Schwarz-Weiss-Fernsehröhren, bestimmten Farbfernsehröhren (Chromatrons und Penetrons), aber vor allem in Projektionsfernsehbildwiedergabevorrichtungen angewandt werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Bildwiedergabevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine nähere Erläuterung des Ausdruckes "Ablenkpunkt",

Fig. 3jä bis 3d schematisch eine nähere Erläuterung der Erfindung, und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Bildwiedergabevorrichtung nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine Kathodenstrahlröhre mit einem Glaskolben 1, der aus einem Frontglas 2, einem konusförmigen Teil 3 und einem Hals h zusammengesetzt ij;. In diesem Hals h sind die Elektroden 8, 9» 10 und 11 angeordnet, die zusammen mit der Kathode 7 das Elektronenstrahlerzeugungssystem 12 bilden. Die elektronenoptische Achse 6 des Elektronenstrahlerzeugungssystems 12 ist zugleich die Achse des Kolbens. Der

Elektronenstrahl wird von der Kathode 7 und den Elektroden 8, 9» 10 und 11 erzeugt und beschleunigt. Die Elektroden 10 und 11 bilden die Fokuslinse, die den Strahl auf dem Bildschirm 14 fokussiert. Übliche angelegte Spannungen sind z.B. Kathode 7 50 V
Elektrode 8 OV
Elektrode 9 500 V
Elektrode 10 7 kV

Elektrode 11 30 kV.

Im allgemeinen ist das angelegte Spannungspotential der zweiten Linsenelektrode 11 um einen Faktor zwei bis zehn höher, als das Potential der ersten Linsenelektrode 10 der Fokuslinse.

PHN 10 103 S? 6 10.8.1981

Mit Hilfe des Ablenkspulensystems 5 wird der

Elektronenstrahl 13 von der Achse 6 ab über den Bildschirm abgelenkt. Der Bildschirm 14 besteht aus einer Leuchtstoffschicht, die mit einem dünnen Aluminiumfilm überzogen ist, der über den leitenden Überzug 15 auf der Innenwand des konusförmigen Teiles 3 mit der Elektrode 11 elektrisch verbunden ist.

Nach der Erfindung muss der Ablenkpunkt P des Ablenkspulensystems 5 im wesentlichen mit der Mitte der durch die Elektroden 10 und 11 gebildeten Fokuslinse zusammenfallen, um einen Ausgleich der Bildfeldkrümmung des Ablenkspulensystems zu erhalten. Vas der Ablenkpunkt ist und warum diese besondere Stelle nötig ist, wird an Hand der Fig. 2 und 3ϋ bis 3d näher erläutert.

Die Elektronenbahn wird nach Fig. 2 in einem Magnetfeld mit einer Länge k, abgelenkt. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass dieses Feld homogen ist. In der Fig. 2 steht das Magnetfeld senkrecht auf der Zeichnungsebene und ist von der Zeichnungsebene weg gerichtet.

Am Anfang des Feldes ist ein Koordinatensystem dargestellt. Die sich in der z-Richtung bewegenden Elektroden erhalten durch die auf sie ausgeübte Kraft eine Geschwindigkeitskomponente in der y-Richtung und werden eine gekrümmte Bahn beschreiben, die im Falle eines homogenen Magnetfeldes, eine Kreisbahn ist. Die Elektronen verlassen das Feld tangential zu dieser Bahn. Diese Tangente schliesst einen maximalen Winkel τ mit einer elektronenoptischen Achse ein, den sogenannten Ablenkwinkel. Der Schnittpunkt dieser Tangente mit dor elektronenoptischen Achse wird als der Ablenkpunkt P bezeichnet. Aus der Fig. 2 lässt sich auf einfache Weise der Abstand des Punktes P von der Mitte des homogenen Magnetfeldes M ermitteln.

Dieser Abstand beträgt:

1 - cosf , ν

^K 2)

^K * 2(1 + cos YM V2)

Für kleine Ablenkwinkel fallen P und M zusammen, während bei grossen Ablenkwinkeln der Punkt P in geringem Masse zum Bildschirm hin verschoben ist. So ist z.B. für Y= 45°, d.h. die maximale Ablenkung in einer 9O°-Bildröhre,

PHN 10 103 ^ Γ 10.8.1981

die VerHcbiobunK ρ « ο,ORf) U.

Selbstverständlich weist der Elektronenstrahl einen bestimmten Durchmesser auf. Daher kann auch der Ausdruck "Ablenkebene" angewandt werden. Diese Ablenkebene wird dadurch erhalten, dass die Schnittebene des nicht abgelenkten Elektronenstrahls mit dem in der Rückwärtsrichtung verlängerten maximal abgelenkten Elektronenstrahl bestimmt wird. Der Schnittpunkt dieser Ablenkebene mit der Achse ist der Ablenkpunkt. Bei den meisten käuflich erhält-

^ liehen Ablenkspuleneinheiten ist die Lage des Ablenkpunktes genau bekannt. Die Lage des Ablenkpunktes lässt sich auch dadurch ermitteln, dass die mittlere Bahn (Achse) des abgelenkten Elektronenstrahls bis zu der Röhrenachse verlängert und der Schnittpunkt bestimmt wird.

¹^ In Fig. 3a ist schematisch eine fokuslinse eines

Elektronenstrahlerzeugungssystems dargestellt. Zwei zylindrische .-metallene Elektroden 10 und 11 haben die Potentiale 0 bzw. 0.. und die Durchmesser D₁ bzw. D_. Die gekrümmten Linien stellen die Schnittlinien der Aquipotentialebenen zwischen den Elektroden der Zeichnungsebene dar. Jede Aquipotentialebene stellt eine Ebene mit einer gleichen Brechungszahl dar. Die Mitte der Linse ist der Punkt A. Dies ist der Punkt, in dem die zweite Ableitung des Potentialverlaufs 0 als Funktion des Ortes auf der Achse Null ist (siehe Fig. 3c,)· Die Brennweiten f^ und f₂ sind' die Abstände zwischen dem Brennpunkt F₁ und der ersten Hauptfläche H₁ bzw. zwischen dem Brennpunkt F₂ und der zweiten Hauρ Lflache Hp. Die Brennpunkte F₁ und F₂ liegen in Abständen F' bzw.F' von der Mitte A. Der Abstand der Mitte A von der ersten Hauptfläche H₁ beträgt also F.· - f ₁ . Aus den Tabellen in der bereits genannten Veröffentlichung "Electron lenses" folgt, dass sogar für extreme Potentialverhältnisse und Durchmesserverhältnisse D₂ZD₁ die erste Hauptfläche H₁ in einem Abstand von mindestens 0,6 χ D.. von der Mitte A liegt; (siehe Tabellen A1.11, A1.23 und A1.27).

Die Fig. 31> zeigt schematisch den Potentialverlauf in beliebigen Einheiten als Funktion des Abstandes in der z-Richtung.

PHN 10 103 jy · IO.8.I98I

Die Fig. 3.£ zeigt den Verlauf der zweiten Ableitung des Potentialverlaufes 0" als' Funktion des Ortes auf der z-Achse.

Ein elektronenoptisches System, das Astigmatismus korrigiert, weist eine Bildfeldkrümmung auf, die gemäss dem optischen Analogon als Petzval-Krümmung bezeichnet wird und für eine elektrostatische Elektronenlinse in einem Krümmungsradius charakterisiert wird mit

in ^{1 1} Γ ¹ 0"/ a
JT- = T J /03/2 ^dz Dabei stellen 0 das Potential und ζ die Lage entlang der Achse der Elektronenlinse dar. Die Indexe 0 und 1 beziehen sich auf die Werte an der Stelle des Objekts und des Bildes.

In Fig. 3d ist der Verlauf des vorstehend angegebenen Integrales dargestellt. Daraus lässt sich erkennen, dass eine elektrostatische Linse immer eine positive Bildfeldkrümmung aufweist (das Integral ist positiv). Wenn der Elektronenstrahl aber im wesentlichen vom Punkt C an von der Achse her abgelenkt wird, trägt nur der rechts von diesem Funkt liegende Teil zu dem Krümmungsradius bei. Die Fokuslinse liefert einen negativen Beitrag zur Bildfeldkrümmung. Die schraffierten Flächen rechts und links von der Mitte weisen gleiche Flächeninhalte auf, so dass rechts von C bis zu der Mitte A der negative Wert des Integrals immer grosser wird. Rechts von A nimmt der negative Wert des Integrals wieder auf Null ab. Dieser negative Beitrag, der in der Mitte A maximal ist, gleicht nach Bedarf die

positive Bildfeldkrümmung des Ablenkfeldes aus. 3D Es ergibt sich, dass der Punkt C in einem Abstand

von höchstens 0,h D₁ von der Mitte A für ein Spannungsverhältnis 0../0 von 2 liegt. Da die erste Hauptfläche H.. in einem Abstand von mindestens 0,6 D₁ von der Mitte A liegt, liegt bei einer Vorrichtung nach der Erfindung der Ablenkpunkt also nie zwischen den Hauptflächen H- und H₃. Für ein grösseres Spannungsverhältnis liegt der Punkt C der Mitte A näher.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung ergibt

CA

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sich, dass der Elektronenauftreffleck eine erheblich, geringere Defokussierung infolge von Bildfeldkrümmung erhält. Ausserdem ergibt sich, dass der Elektronenauftreffleck auf dem Bildschirm nach Ablenkung kleiner als bei vergleich— baren Röhren ist, in denen die Erfindung nicht angewandt ist.

Da die Elektroden der Fokuslinse in dem Ablenkspulensystem und also in einem sich stark ändernden Magnetfeld liegen, müssen Massnahmen getroffen werden, um Wirbolströme zu unterdrücken. Dies kann dadurch erreicht werden,

1" dass die Elektroden mit einer Vielzahl von Schlitzen versehen werden, wodurch die Oberfläche, in der die Ströme auftreten können, beschränkt wird. Diese Schlitze üben keinen Einfluss auf das Potential innerhalb der Elektrode

und somit auf die Fokussierung aus.
Es ist aber auch möglich, wie in Fig. k dargestellt, die Fokuslinse als Wandelelektroden 20 und 21 aus dünnen Belägen zusammenzustellen. Die Wandelelektrode 20 wird durch das Ende des leitenden Überzugs 15 gebildet. Für die Bedeutung der übrigen Bezugsziffern sei auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen.

Der Ablenkpunkt P wird dadurch gefunden, dass die gerade Bahn des Elektronenstrahls 13 von dem Bildschirm 14 an verlängert und der Schnittpunkt P mit der Achse 6 bestimmt wird. Dieser Ablenkpunkt P muss nach der Erfindung nahezu mit der Mitte der durch die Wandelelektroden 20 und 21 gebildeten Fokuslinse zusammenfallen.

Leerseite

Claims

PHN 1O 103 Sf 10.8.1981 PATENTANSPRÜCHE

1.) Bildwiedergabevorrichtung bestehend aus einer

Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben, der entlang einer elektronenoptischen Achse zentriert eine Kathode und eine Anzahl von Linsenelektroden enthält, die zusammen des Elektronenstrahlerzeugungssystem bilden, das bildschirmseitig mit einer beschleunigenden, aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Linsenelektroden bestehenden elektrostatischen Elektronenlinse versehen ist, die zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einem BiIdschirm dient, und einem Ablenkspulensystem zur Ablenkung des Elektronenstrahls, das die Elektronenlinse umgibt, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung und Anordnung, dass der Ablenkpunkt des Ablenkspulensystems im wesentlichen mit der Mitte der elektrostatischen Elektronenlinse zusammenfällt.

2. Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zwei Linsenelektroden, die zusammen die Elektronenlinse bilden, als dünner Belag auf der Innenwand des Kolbens aufgebracht ist.

3· Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei letzten Linsenelektroden, die zusammen die Elektronenlinse bilden, mit einer Anzahl von Schlitzen in Richtung der optischen Achse versehen sind. k. Bildwiedergabevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwiedergabevorrichtung Teil einer Projektionsfernsehvorrichtung ist.