DE3213498C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 das Elektronenstrahlerzeugungssystem bilden, das bildschirmseitig mit einer beschleunigenden, aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Linsenelektroden bestehenden, 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 21 51 777 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 elektrostatischen 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 eingegangen.

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 Hauptbildfläche mit dem Bildschirm. Während der Astigmatismus durch passende Wahl des Entwurfs der Ablenkspulen korrigiert werden kann, ist der Krümmungsradius der Hauptbildfläche etwa gleich

wobei k die wirksame Länge des Ablenkfeldes der Ablenkspulen und L der Abstand des Ablenkpunktes von dem Bildschrim 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 auf der Achse Null ist.

Der Erfindung liegt die experimentell und theoretisch erworbene Erkenntnis zugrunde, daß eine beschleunigende elektrostatische Elektronenlinse immer eine positive 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 der zweiten Hälfte der Fokuslinse statt.

Die beschleunigende Linse kann, in der Fortpflanzungsrichtung 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 negative Beitrag zu der Bildfeldkrümmung gleicht teilweise die positive Bildfeldkrümmung des Ablenkfeldes aus. Außerdem wird 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, also bei gleichbleibenden Aberrationen und einer vorgegebenen Kathodenbelastung der Öffnungswinkel des Strahles auf dem Bildschirm größer, wodurch ein kleinerer Elektronenauftrefffleck 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.

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

Eine Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

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

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

Fig. 3a 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 4 zusammengesetzt ist. In diesem Hals 4 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	0 V
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.

Mit Hilfe des Ablenkspulensystems 5 wird der Elektronenstrahl 13 von der Achse 6 ab über den Bildschirm 14 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. Was der Ablenkpunkt ist und warum diese besondere Stelle nötig ist, wird an Hand der Fig. 2 und 3a 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 Zeichnungsbene und ist von der Zeichnungsebene weg gerichtet. Am Anfang des Feldes ist ein Koordinatensystem dargestellt. Die sich in der z-Richtung bewegenden Elektronen 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 ϕ mit einer elektronenoptischen Achse ein, den sogenannten Ablenkwinkel. Der Schnittpunkt dieser Tangente mit der 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:

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 ϕ=45°, d. h. die maximale Ablenkung in einer 90°-Bildröhre, die Verschiebung P=0,086 k.

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 erhältlichen 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.

In Fig. 3a ist schematisch eine Fokuslinse eines Elektronenstrahlerzeugungssystems dargestellt. Zwei zylindrische metallene Elektroden 10 und 11 haben die Potentiale Φ₀ bzw. Φ₁ und die Durchmesser D₁ bzw. D₂. Die gekrümmten Linien stellen die Schnittlinien der Äquipotentialebenen zwischen den Elektroden der Zeichnungsebene dar. Jede Äquipotentialebene 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 Φ als Funktion des Ortes auf der Achse Null ist (siehe Fig. 3c). Die Brennweiten f₁ und f₂ sind die Abstände zwischen dem Brennpunkt F₁ und der ersten Hauptfläche H₁ bzw. zwischen dem Brennpunkt F₂ und der zweiten Hauptfläche H₂. Die Brennpunkte F₁ und F₂ liegen in Abständen F₁′ bzw. F₂′ von der Mitte A. Der Abstand der Mitte A von der ersten Hauptfläche H₁ beträgt also F₁′-f₁. Aus den Tabellen in der bereits genannten Veröffentlichung "Electron lenses" folgt, daß sogar für etreme Potentialverhältnisse und Durchmesserverhältnisse D₂/D₁ die erste Hauptfläche H₁ in einem Abstand von mindestens 0,6×D₁ von der Mitte A liegt; (siehe Tabellen A1.11, A1.23 und A1.27).

Die Fig. 3b zeigt schematisch den Potentialverlauf in beliebigen Einheiten als Funktion des Abstandes in der z-Richtung.

Die Fig. 3c zeigt den Verlauf der zweiten Ableitung des Potentialverlaufes Φ′′ als Funktion des Ortes auf der z-Achse.

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

Dabei stellen Φ das Potential und z 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 Punkt 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 größer 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.

Es ergibt sich, daß der Punkt C in einem Abstand von höchstens 0,4 D₁ von der Mitte A für ein Spannungsverhältnis Φ₁/Φ₀ von 2 liegt. Da die erste Hauptfläche H₁ 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 H₁ und H₂. Für ein größeres Spannungsverhältnis liegt der Punkt C der Mitte A näher.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich, daß der Elektronenauftreffleck eine erhebliche geringere Defokussierung infolge von Bildfeldkrümmung erhält. Außerdem ergibt sich, daß der Elektronenauftrefffleck auf dem Bildschirm nach Ablenkung kleiner als bei vergleichbaren 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 Wirbelströme zu unterdrücken. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Elektronen 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. 4 dargestellt, die Fokuslinse als Wandelektroden 20 und 21 aus dünnen Belägen zusammenzustellen. Die Wandelektrode 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 Wandelektroden 20 und 21 gebildeten Fokuslinse zussammenfallen.

Claims (4)

1. Bildwiedergabevorrichtung bestehend aus einer Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben (1), der entlang einer elektronenoptischen Achse (6) zentriert eine Kathode (7) und eine Anzahl von Linsenelektroden (8-11) enthält, die zusammen das Elektronenstrahlerzeugungssystem (12) bilden, das bildschirmseitig mit einer beschleunigenden, aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Linsenelektroden (10, 11), (20, 21) bestehenden elektrostatischen Elektronenlinse versehen ist, die zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einem Bildschirm (14) dient, und einem Ablenkspulensystem (5) zur Ablenkung des Elektronenstrahls, das die Elektronenlinsen (10, 11) umgibt, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung und Anordnung, daß der Ablenkpunkt des Ablenkspulensystems (5) im wesentlichen mit der Mitte der elektrostatischen Elektronenlinse zusammenfällt.

2. Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der zwei Linsenelektroden (20, 21), die zusammen die Elektronenlinse bilden, als dünner Belag (15) auf der Innenwand des Kolbens aufgebracht ist.

3. Bildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei letzten Linsenelektroden (10, 11), die zusammen die Elektronenlinse bilden, mit einer Anzahl von Schlitzen in Richtung der optischen Achse (6) versehen sind.

4. Bildwiedergabevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwiedergabevorrichtung Teil einer Projektionsfernsehvorrichtung ist.