DE4300076A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen oder Schaltkreise zum Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an einen abtastenden Elektronenstrahl zum Fokussieren des Strahles auf einen Punkt auf dem Schirm oder einer anderen Anzeige- Oberfläche.

Elektronen werden von der Kathode einer Kathodenstrahlröhre (CRT) emittiert und auf den Schirm beschleunigt, auf ihrem Weg tendieren sie jedoch dabei - aufgrund der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Elektronen - zum Divergieren. Die Elektronen können zur Konvergenz in einen engen Strahl (tight beam) auf dem Schirm mittels elektrostatischer oder magnetischer Felder gezwungen werden. Hochauflösende Kathodenstrahlröhren (mit sehr feinen Punkten bzw. Spots) benutzen in der Regel magnetische Fokussiereinheiten. Solche Röhren können in Fernsehempfängern und vielen anderen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. Kopierern, Fax-Geräten, Projektionsgeräten u. ä., die konventionelle Phosphor-Schirme (Leuchtstoffschirme) oder Faseroptik-Anordnungen haben.

Die Fokussiereinrichtung bildet eine magnetische Linse mit einer Brennweite (focal length). Die (X, Y)-Position eines Konvergenz-Punktes des Strahles wird im Rastermuster von der Haupt-Ablenkeinrichtung - unabhängig von dem Fokussieren - variiert. Nachdem der Schirm (oder die andere Kopplung in ein oder an ein optisches System oder zu einer Projektionslinse) im wesentlichen eine planare Oberfläche ist, die senkrecht zu der Strahlachse verläuft, statt eine sphärische Oberfläche (Kugelsegment-Oberfläche), variiert der Abstand zwischen der Fokussiereinrichtung und dem Punkt, an dem der Strahl auf den Schirm-Leuchtstoff oder -Punkte auftrifft als Funktion der vertikalen und horizontalen Abtastposition des Strahles. Der Abstand von der Fokussiereinrichtung zum Punkt des Auftreffens auf dem Schirm ist größer an den Rändern des Schirmes und geringer in dessen Mitte. Um diese Unterschiede in dem Strahlweg (beam path length) zu berücksichtigen (d. h. um den Strahl auf einen Punkt zu konvergieren, wenn der Strahl über die Gebiete variierenden Strahlweges hinwegführt), wird die Fokussiereinrichtung so betrieben, daß sie ein Magnetfeld erzeugt, das als Parabel mit Abtast-Rate der Ablenk-Schaltungen variiert.

Die Fokussiereinrichtung oder magnetische Linse kann vorgesehen werden, indem ein Magnetfeld erzeugt wird, das koaxial mit dem Elektronenstrahl verläuft, was durch Verwenden einer Wicklung geschieht, die die Strahlachse ringförmig einschließt. Es gibt verschiedene Arten, wie das Feld zu erzeugen. Ein Vorschlag ist es, das zum Fokussieren des Strahles benötigte Magnetfeld mittels einer ringförmigen Wicklung (circular winding), die in einem Rahmen oder Träger eingeschlossen ist, zu erzeugen; wobei der Strom in der Wicklung variiert wird, um das erforderliche Fokussierfeld mit seinen statischen und dynamischen Komponenten zu erzeugen. Ein anderer Vorschlag geht dahin, das Magnetfeld durch Überlagern der Felder eines Permanentmagneten und einer dynamischen Fokussierspule zu erzeugen. Die dynamische Fokussierspule addiert bzw. subtrahiert (etwas) von dem Feld, das von dem Permanentmagneten erzeugt wird, so daß die Brennweite (focal length) der Fokussiereinrichtung verkürzt bzw. verlängert wird.

Der in einer Spule benötigte Strom zur Erzeugung der erforderlichen Fokussierungs-Ablenkung des Strahles als Funktion der X- und Y-Strahlposition ist parabolisch, und zwar festgelegt durch die Gleichung,

I = K(X² + Y²);

wobei der Strom I proportional zur Feldstärke ist; K eine Konstante bildet; und X und Y die Koordinaten des Punktes sind, an welchem der Strahl auf den Schirm (screen) auftrifft oder einfällt. Die Strahlachse ist die - zu X und Y senkrechte - Z-Achse. Da die Gesetzmäßigkeit der Ablenkung (deviation) linear ist, sind die Fokus-Korrekturströme parabolisch bei jeweiligen Abtastraten des Elektronenstrahls so, daß ein Feld erzeugt wird, das ein Maximum an der Mitte des Schirmes und ein Minimum an dessen Rändern oder Randbereichen aufweist. Das Feld kann erreicht werden durch Bereitstellen eines Stromes, der sich zu dem Feld addiert, das von einem statischen Feldgenerator erzeugt wird, oder es kann dadurch erreicht werden, daß es von dem statischen Feld subtrahiert wird.

Das weitverbreitetste Mittel zur Steuerung einer dynamischen Fokusspule ist ein Stromverstärker. Ein Stromverstärker ist in Fig. 5 dargestellt und die Spannung U am Ausgang des Verstärkers und der Strom I, der in der dynamischen Fokusspule resultiert, sind in den Fig. 6a und 6b dargestellt, wobei sie einige horizontale Hinlauf- und Rücklauf-Intervalle repräsentieren. Einer der Eingänge eines Operationsverstärkers U1 ist mit einem Spannungs- Parabelsignal über einen Serienwiderstand R2 gekoppelt und der andere Eingang ist mit einer Referenz (Masse) gekoppelt. Der Strom, der durch die dynamische Fokusspule L gekoppelt wird, wird mittels eines Widerstandes RS mit geringem Widerstandswert gemessen, der in Serie mit der Fokusspule und Masse liegt, und dieses Stromsignal wird über den Rückkopplungs-Widerstand R1 zurückgeführt. Der Stromverstärker erzeugt eine Stromparabel (current parabola) in der Fokusspule L als Antwort auf die Spannungsparabel am Eingang des Verstärkers.

Ein Hauptproblem, das bei einem Stromverstärker, wie er in Fig. 5, 6a und 6b dargestellt wird, angetroffen wird, ist die Verlustleistung. Dazuhin muß der Verstärker einen hohen Strom bei hoher Frequenz liefern. Die Abtastung, die diesen Typ von Fokussiereinrichtung verwendet, speziell in Projektions-Geräten, arbeitet zwischen 32 und 128 kHz, wobei ein Hochpaß-Bandfilter für den Verstärker erforderlich ist.

Aufgrund der Steigung der erforderlichen Stromparabel an den End- oder Randpunkten ist die Spannung an den Anschlüssen der Spule recht hoch. Als Ergebnis ist es also notwendig, eine Spannungsversorgung mit hoher Leistung für den Verstärker bereitzuhalten, um die notwendige Spannung an die Spule zu koppeln. Andererseits muß das Parabel-Stromsignal während des Rücklaufs konstant bleiben, um Überspannungs-Zustände beim Rücklauf zu vermeiden. Dies bedeutet, daß der Strom in den Ausgangs-Transistoren des Verstärkers auf einem Maximum verbleibt (Fig. 6b), während die Spannung von ihrem positiven zu ihrem negativen Spitzenwert verändert wird (Fig. 6a), was zusätzlich Verlustleistung bewirkt. Stromverstärker-Anordnungen dieses Typs können mehr als 100 Verlustleistung abgeben.

(Eine) Aufgabe der Erfindung ist es, die Verlustleistung einer Schaltung wesentlich zu reduzieren, die eine dynamische Fokussierspule speist oder versorgt.

(Auch) diese Aufgabe wird mit der technischen Lehre gemäß Anspruch 1 und/oder Anspruch 12 gelöst.

Mit diesen Lösungen wird ein Teil der aufgebauten oder gebildeten Energie in einem dynamischen Fokussierungsspulen- Kreis während des Hinlaufs gespeichert und an das Netzteil während des Rücklaufs zurückgespeist.

Mit diesen Lösungen wird auch ein Resonanz-Stromgenerator geschaffen, der zwei gekoppelte Induktionsspulen hat, und der so abgestimmt ist, daß er ein 180° Cosinus-Stromsignal während des Zeilen-Abtastens (d. h. bei halber Zeilen- Abtastfrequenz) bereitstellt, wobei ein Zurückgewinnen von Energie aus den Elementen des Resonanzkreises während des Rücklauf-Intervalls ermöglicht wird.

Diese und andere Vorteile fließen aus einer Lösung, bei der eine Fokussiereinrichtung statt einer einzelnen Wicklung eine Mehrzahl von gekoppelten dynamischen Fokussierwicklungen oder -spulen aufweist. Eine Fokussier-Ablenkungswicklung und eine zusätzliche Wicklung werden magnetisch gekoppelt. Ein Resonanzkreis erzeugt einen Cosinusstrom (Cosinusstromsignal), der eine Stromparabel in der Fokussierspule annähert, und speichert einen Teil der Energie des dynamischen Fokussignales. Während des Rücklaufs wird die gespeicherte Energie von der zusätzlichen Wicklung zu der Fokus-Ablenkwicklung gekoppelt, womit ein Teil der Energie an das Netzteil zurückgeliefert wird, der anderenfalls als Verlustleistung vernichtet worden wäre, was sich in einer wesentlich herabgesetzten Netzteil-Belastung äußert.

Spezieller und (ebenfalls) in Übereinstimmung mit der Erfindung erzeugt eine Fokussiereinrichtung für ein Gerät mit abtastendem Elektronenstrahl - wie einem Fernsehempfänger mit einem Strahlerzeuger - einen Strahl von Elektronen, die auf einem - senkrecht zum Strahl angeordneten - Schirm auftreffen, wobei eine Ablenkschaltung vorgesehen ist zum Abtasten (Scannen) eines Auftreffpunktes des Strahles auf dem Schirm. Eine Fokussierspule ist zwischen dem Strahlerzeuger und dem Schirm angeordnet, die eine Wicklung hat, die zwischen einem Netzteil und einer Stromsenke gekoppelt ist zum Bereitstellen eines Magnetfeldes aufgrund des Stromes in der Spule, wobei das Magnetfeld dazu tendiert, die Elektronen im Strahl zu konvergieren. Ein Resonanzkreis ist mit der Fokussierspule zum Erzeugen eines Parabelstromes in der Fokussierspule gekoppelt. Der Resonanzkreis speichert einen Teil der - während eines Hinlaufs des Strahles - gebildeten oder aufgebauten Energie und liefert dieses Energie an das Netzteil während eines Rücklaufes des Strahles zurück. Der Resonanzkreis beinhaltet einen Kondensator und eine zusätzliche Spule, die miteinander in Serie geschaltet sind und die parallel zu der Fokussierspule liegen. Die zusätzliche Spule ist magnetisch mit der Fokussierspule gekoppelt und induziert - während des Rücklaufs - aus der Ladung, die in der Kapazität gespeichert ist, einen Rückwärtsstrom in der Fokussierspule zum Zurückführen (Rückspeisen) der Energie an das Netzteil. Die Fokussierspule und der Resonanzkreis sind zwischen einer Gleichspannungs- Versorgung und einem Thyristor gekoppelt, der an Masse gekoppelt ist; wobei der Thyristor einen Gate-Eingang aufweist, der mit einem Rückführpuls (flyback pulse) gekoppelt ist, der von den Abtast-Ablenkschaltungen erzeugt wird. Die Schaltung kann auch eine Stromquelle beinhalten zum Einprägen oder Einführen eines stationären Korrekturstromes und/oder eines Korrektursignales mit Vertikal-Abtastfrequenz in die Fokussierspule.

Der Resonanzkreis weist vorteilhaft eine Kapazität und die zusätzliche Spule auf, die in Serie geschaltet sind, wobei der in Serie geschaltete Kondensator und die zusätzliche Spule parallel zu der Fokussierspule gekoppelt sind, und wobei die Kapazität Energie während des Hinlaufs speichert und der zusätzlichen Spule - während des Rücklaufs - Energie zur Verfügung stellt. Die zusätzliche Spule induziert so einen Strom in der Fokussierspule während des Rücklauf- Intervalls, und zwar als Funktion der Energie, die von dem Kondensator bereitgestellt wird. Der Resonanzkreis und die Fokussierspule sind abgestimmt, um einen Cosinusstrom in der Fokussierspule zu erzeugen, womit eine Parabel bei Abtastfrequenz angenähert wird (das Zentrum des Schirmes ist der Ursprung, die Ränder sind bei ± 90°). Dies wird erreicht durch Verwenden eines Resonanzkreises, der abgestimmt ist auf die Hälfte der horizontalen Zeilen-Abtastfrequenz.

Eine Abgleichschaltung kann parallel zu zumindest der Fokussierspule oder dem Resonanzkreis geschaltet werden, um den Cosinusstrom zu modifizieren und besser (more closely) der Parabel mit Abtast-Frequenz anzunähern. Zusätzlich kann eine Abgleichschaltung vorgesehen werden, die eine Stromquelle zum Einbringen eines Stromes in die Fokussierspule bei Vertikal-Abtastfrequenz bildet.

Die Abgleichschaltung prägt vorzugsweise einen Strom gemäß der folgenden Gleichung ein, wobei der Cosinus-Fokus- Ablenkstrom der Fokusspule gemäß

cos (R) - (3/2 - 2^½) · cos (2R)

modifiziert wird, wobei 6 eine Winkel-Abweichung vom Zentrum der Abtastung ist.

Die Fokussierspule ist gekoppelt zwischen ein Netzteil mit konstanter Spannung und einen Thyristor, der mit Masse verbunden ist, wobei der Thyristor einen Gate-Eingang aufweist, an den ein Rücklaufsignal gekoppelt ist, das bei Beginn des Rücklauf-Intervalls auftritt. Die Resonanzschaltung beinhaltet eine Kapazität und die zusätzliche Spule in Serie und ist gekoppelt zwischen die Fokussierspule und Masse. Die Werte für Induktivität und Kapazität, die zum Erreichen der vorhergehenden Funktionen erforderlich sind, werden hernach im Detail erläutert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Strahl einem dynamischen Feld, das aus einem Parabelstrom resultiert, und einem statischen Feld ausgesetzt, und das statische Feld und das dynamische Feld haben Maximalwerte, die im wesentlichen übereinanderfallen längs des Weges des Strahles, als Ergebnis, daß das statische und dynamische Feld (Felder) von einem Permanentmagneten und einer Fokussierspule bereitgestellt werden, die zusammenmontiert sind oder von einem statischen Feld und dem dynamischen Feld, das bereitgestellt wird durch Verwenden einer einzelnen Wicklung, wobei die Mitten des statischen Feldes und des dynamischen Feldes längs des Strahles längs der Strahlachse übereinanderfallen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Ausführungsbeispiele sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen.

Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt längs der Strahlachse eines Elektronenstrahles, bei welchem das Fokussieren des divergierenden Strahles auf einen Punkt mittels eines Magnetfeldes veranschaulicht wird.

Fig. 2 ist ein Schnittbild längs der Strahlachse mit den Komponenten einer Fokussierspule.

Fig. 3 ist ein Schnittbild - korrespondierend zu Fig. 2 -, das eine Fokussierspule mit einem Permanentmagneten und einer dynamischen Spulenwicklung zeigt.

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Elektronenstrahls, der auf einen flachen Schirm auftrifft, der normal (senkrecht) zu der Achse des Strahles angeordnet ist, wobei die Variation der Strahllänge zwischen dem Zentrum und den Rändern des Schirmes deutlich wird.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die einen Stromverstärker gemäß dem Stand der Technik zeigt, zum Ansteuern einer dynamischen Fokussierspule.

Fig. 6a, 6b sind Zeitdiagramme, die die Spannung - am Ausgang des Verstärkers gemäß Fig. 5 - und den Treiberstrom für die dynamische Fokussierspule zeigen.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 8a bis 8d sind Zeitdiagramme, die den Strom und die Spannung an den bezeichneten Punkten in der Schaltung gemäß Fig. 7 veranschaulichen.

Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Erzeugung einer Parabel aus der Summe bestimmten Cosinussignalen gemäß der Erfindung.

Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; wobei die Fig. 10a ein Schaltbild darstellt und die Fig. 10b, 10c Zeitdiagramme von Spannungen und Strömen sind, die an den bezeichneten Schaltungspunkten auftreten.

Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Gestaltung der Erfindung, die die Ausführung gemäß Fig. 10a aufweist, welche mit Mitteln gekoppelt ist, die (zusätzlich) einen statischen Strom in einer Fokussierspule erzeugen können.

Zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit Punkt-Fokussierung auf dem Schirm - wie in Fig. 1 dargestellt ist - beschleunigt ein Magnetfeld - das von einer Fokussierspule erzeugt wird - die Elektroden eines divergierenden Elektronenstrahls zur Konvergenz, d. h. in Richtung auf die Strahlmitten-Achse. Das Magnetfeld kann - beispielhaft - von einer Wicklung erzeugt werden, die mit dem erforderlichen Stromsignal (dargestellt in Fig. 2) gekoppelt ist oder von der Kombination einer Wicklung und eines Permanentmagneten erzeugt werden. In dem Fall, in dem eine Wicklung in Verbindung mit einem Gerät mit abtastendem Elektronenstrahl verwendet wird, ist es notwendig, einen Strom mit statischer Komponente und dynamischer Komponente zu liefern, dies aus Gründen, die sich aus Fig. 4 ergeben. Im Beispiel eines Permanentmagneten kann die statische Komponente von dem Permanentmagneten bereitgestellt werden und die dynamische Komponente kann von der dynamischen Spule besorgt werden.

In Fig. 4 wird angenommen, daß der Strahl einem statischen Fokusfeld ausgesetzt ist. Da der Schirm allerdings flach ist, variiert der Abstand von einem gegebenen Punkt längs des Strahles (insbesondere der Position der Fokusspule) zu dem Auftreff-Punkt auf dem Schirm, während der Strahl abtastet. Wenn der Strahl statisch an einem bestimmten Abstand fokussiert ist, wird der Strahl nicht ordnungsgemäß fokussiert sein bei einem längeren oder kürzeren Abstand von der Fokusspule. Dementsprechend wird die Fokusspule synchron mit dem Abtasten mit einem Treiber-Stromsignal beaufschlagt, das effektiv die Brennweite (focal length) der Fokussiereinrichtung anpaßt, um den Abstand zum Auftreff- Punkt auf dem Schirm bei aktueller Lage des Abtast-Strahles zu reflektieren (zu berücksichtigen).

Fig. 6b zeigt den erforderlichen Strom in der Fokusspule, um die erwünschte Ablenkung zu erreichen, wobei dieser Strom erhalten werden kann durch Koppeln der Fokusspule an das Spannungssignal, das in Fig. 6a dargestellt ist. Wird im Stand der Technik dieses mit einem Stromverstärker - dargestellt in Fig. 5 - erreicht, verwendet die Erfindung dagegen eine Schaltung (Kreis), der auf die halbe Zeilen- Abtastfrequenz abgestimmt ist, wobei die Energie während des Horizontal-Rücklauf-Intervalls wiedergewonnen wird.

Ein wesentlicher Vorteil des Stromgenerators gemäß der Erfindung ist die Verwendung von zwei gekoppelten Induktionsspulen L1 und L2 - wie dargestellt in Fig. 7. Die Induktionsspule L1 ist die tatsächliche dynamische Fokussierwicklung, in welcher der parabolische Strom (Parabelstrom) während des Hinlauf-Intervalls fließen muß. Der Strom in der Induktionsspule L1, der gemäß der Erfindung - deren Ausführungsbeispielen - erzeugt wird, ist in Fig. 8a während zwei horizontaler Abtastungen (Abtastzyklen) dargestellt.

Die Versorgungsspannung ist konstant, z. B. 15 V. Entsprechend der beispielhaft erörterten Schaltung ist der Stromverbrauch an der Versorgung etwa 230 mA, womit etwa 3.5 W Verlustleistung entstehen. Die Spule L1 ist zwischen Versorgungsspannung und Anode eines Thyristors gekoppelt (geschaltet), dessen Kathode mit Masse gekoppelt (verbunden) ist. Der Gate-Anschluß (Eingang) des Thyristors ist gekoppelt mit dem Rückführ-Puls V_G (flyback pulse), dem schmalen Puls, der am Beginn des horizontalen Rücklaufs auftritt, mit dem das Leiten des Thyristors während des Rücklauf-Intervalls veranlaßt wird. Wenn der - zwischen Spule L1 und Masse gekoppelte - Thyristor sein Leiten beendet (d. h. zum Zeitpunkt t₀), dies aus Gründen, die deutlicher im Zusammenhang mit der Erläuterung der Spannungsänderungen an Punkt VA werden, fließt der Strom I_FORWARD von der Versorgungsspannung V_SUPPLY über die Spule L1, den Kondensator C1 und die Spule L2, wobei die letztere gegen Masse gekoppelt (geschaltet) ist. Während dieser Phase ist der Kondensator C1 aufgeladen (positiver an seinem Anschluß, der an den Schaltungspunkt VA gekoppelt ist). Der Thyristor ist nichtleitend während des Hinlauf-Intervalls, während ein nächster Rückführ-Puls (flyback pulse) bevorsteht, und die Spannung am Schaltungspunkt VA erreicht ihren Spitzenwert, beispielhaft 70 V.

Die Induktionsspulen L1, L2 und der Kondensator C1 bilden einen abgestimmten Kreis, dessen charakteristische Frequenz die Hälfte der Abtastfrequenz (scanning freq.) ist. Der - durch die Spule L1 fließende - Strom ist deshalb als Cosinus geformt, wie in Fig. 8a dargestellt, wobei die Mitte des Schirmes den Ursprung bildet (origin).

Zum Zeitpunkt t₁ am Vorderende (leading edge) des Rückführ- Pulses V_G (vgl. Fig. 8c) wird der Thyristor Th gesättigt und erdet im wesentlichen den Schaltungspunkt VA. Die in der Kapazität C1 gespeicherte Energie zirkuliert zwischen Kondensator C1, Spule L2 und Thyristor Th. Als Ergebnis der Kopplung zwischen den Spulen L1 und L2 und des in der Spule L2 in Richtung von I_RETURN erzeugten Stromes wird gespeicherte Energie auf die Spule L1 übertragen. Die Spule L1 führt nun in der entgegengesetzten Richtung Strom - wie in Fig. 8a dargestellt -, wobei zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ gespeicherte Energie an das Netzteil zurückgegeben (zurückgespeist) wird.

Der Thyristor Th - beispielhaft ein gesteuerter Gleichrichter aus Silicium (silicon controlled rectifier) - wird von einem einfachen positiven Puls V_G an seinem Gate-Eingang getriggert. Der Thyristor Th leitet nach dem Triggern solange weiter, wie Ladung zum Abführen verbleibt, d. h. bis der Stromfluß abklingt. Wenn der Strom durch den Thyristor Th abfällt (abgeklungen ist) - wie zum Zeitpunkt t₂ in Fig. 8d dargestellt -, ist alle verfügbare gespeicherte Energie herausgenommen und der Thyristor Th wird rückwärts vorgespannt (reverse biased), weil der Kondensator C1 von dem Strom I_RETURN in die entgegengesetzte Richtung aufgeladen worden ist. Mit dem Abschalten des Thyristors Th fällt die Spannung VA auf einen negativen Spitzenwert. Der Zyklus beginnt zum Zeitpunkt t₂ erneut und in derselben Weise wie zum Zeitpunkt t₀, wobei der Strom in der Spule L1 sinusförmig am Beginn des Hinlaufs ansteigt. Weil der Ursprung betrachtungsgemäß am Zentrum bzw. der Mitte des Schirmes liegt, folgt der Strom einer Cosinus(-Schwingung) zwischen - 90° und +90°. Der Strom in dem Thyristor hat Bezug zu der Anzahl von Windungen in den jeweiligen Spulen, und zwar folgendermaßen:

I_Th = I_L1 · (n1/n2);

wobei n1 die Anzahl der Windungen von L1 und n2 die Anzahl der Windungen von L2 repräsentiert.

Das Verhältnis der Werte der beiden Wicklungen L1 und L2 ist eine Funktion des Scan-Timings (Abtast-Zeitverlaufs). Die Werte der Summe der Induktivitäten der Spulen L1 und L2 und der Kapazität des Kondensators C1 sind unter Bezug auf die Vorwärts-Abtastzeit definiert und die Werte der Spule L2 und C1 werden bestimmt von der Rücklauf-Zeit des Abtast-Systems.

Während des Hinlaufs befinden sich die Spulen L1 und L2 effektiv in Serie. Unter der Annahme, daß die Kopplung zwischen den Spulen L1 und L2 perfekt ist, kann die Induktivität aus der benötigten Zeitbeziehung (timing relationship) errechnet werden:

L = L1 + L2 + 2 · [L1 · L2]^½
Ta = π [L · C1]^½ = π [{ L1 + L2 + 2(L1 · L2)^½} · C1]^½
Ta = π [(L1 + L2)² · C1]² · C1]^½ oder
Ta/(πC1^½) = L1^½ + L2^½.

Während des Rücklaufs bilden die Induktivität (Spule) L2 und der Kondensator C1 zusammen den abgestimmten Kreis (tuned circuit). Daher lassen sich die folgenden Beziehungen anwenden zur Korrelation der Rücklaufzeit τ mit den jeweiligen Werten von Induktivität und Kapazität, so daß der im Thyristor Th geführte Strom sinusförmig am Ende des Rücklauf-Intervalls abfällt:

τ = π [L2 · C1]^½ oder τ/(π · C1^½) = L2^½,

woraus sich ergibt: L1/L2 = [(Ta/τ) - 1]².

Irgendein System, das eine der obigen Anordnungen verwendet, unterliegt dieser Gleichung.

Der Abgleich der Amplitude des dynamischen Stromes wird erreicht durch Vorgabe des Pegels der Versorgungsspannung, welcher stabil gehalten werden sollte, um Fokus-Drift zu vermeiden. Thermischer Drift aufgrund von Variationen in den Widerständen der Wicklungen ist dagegen vernachlässigbar.

Der erläuterte grundlegende Schaltkreis stellt ein Cosinus- Stromsignal zur Verfügung; jedoch ist die geometrische Lösung für den Abstand der Fokusspule vom Schirm eine Parabel. Fig. 9 zeigt einen Kurvenverlauf, der mit einer Schaltung (Fig. 10) erreicht werden kann, wobei eine genauere Parabel aus der Summe von Cosinus-Schwingungen oder -Funktionen angenähert wird. Das erwähnte Bild stellt die Aufeinanderfolge von Cosinusströmen während aufeinanderfolgender Hinläufe - bezogen auf die Mitte des Schirmes - dar. Der Maximalstrom, der Parabel, der an die dynamische Fokussierspule (oder unterstützend für ein stationäres Feld eines stationären Stromes in einer einzelnen Wicklung) angelegt wird, tritt an der Mitte des Schirmes auf, welche als Ursprung (origin) betrachtet werden soll. Für Anwendungen, die keine höchste Präzision erfordern, ist die einfachere Cosinus-Lösung sinnvoll. Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich wird, ist es wünschenswert, die Gestalt der Kurvenform einer genauen Parabel besser (more nearly) anzunähern.

Eine Parabel zwischen den beiden (Winkel-)Punkten kann angenähert werden als Summe von zwei Cosinus(-Schwingungen) mit sehr guter Näherung, wie in Fig. 9 dargestellt. Die Näherung wird erreicht gemäß der folgenden Beziehung:

kR² = cos (R) - (3/2 - 2^½) · cos (2R).

Wenn eine Schaltung gemäß Fig. 10a vorgegeben ist, wird parallel zu dem Kondensator C1 ein Resonanzkreis geschaltet (gekoppelt), der von dem Kondensator C2 und der Spule L3 gebildet wird. Dieser Kreis ist so arrangiert, daß er bei der doppelten Frequenz des Kreises arbeitet, der von den Spulen L1, L2 und Kondensator C1 gebildet wird, womit ein zusätzliches Stromsignal - in Fig. 9 in der strichpunktierten Linie dargestellt - erzeugt wird. Wenn der - in diesem zusätzlichen Parallelkreis fließende - Strom zu dem Hauptstrom über den Kondensator C1 addiert wird, wird die Parabel genauer geformt. Die Spule L3 erlaubt das genaue Abgleichen des Kreises und kann - wie Fig. 10a zeigt - als einstellbare Induktivität für genauestes Abgleichen des Kreises ausgeführt sein, um eine optimale Fokussierung auf dem (gesamten) Schirm zu erreichen. Die Spannung an den Anschlüssen der Induktivität L1 wird dann linear, d. h. das Differential des Stromes.

In der Fokussierungseinrichtung, die mit einem Permanentmagneten ausgestattet ist, wird das statische Fokusfeld abgeglichen mittels eines Gleichstromes, der durch eine Hilfswicklung fließt, womit ein Feld erzeugt wird, das dem Feld des Permanentmagneten überlagert wird. Um vollständig effektiv zu sein, sollte das von der dynamischen Fokussiereinrichtung erzeugte Feld genau dem statischen Fokussierelement überlagert werden. Mit anderen Worten sollte das Maximum der Magnetfelder aus statischen und dynamischen Elementen längs der Achse des Elektronenstrahls aufeinanderfallen, um die genauesten Fokussierergebnisse zu erhalten. Entsprechend der Erfindung werden statisches und dynamisches Element in ein einzelnes Element zusammengefaßt, z. B. eine einzige Wicklung. Die statische/dynamische Wicklung trägt/führt eine Gleichstrom-Komponente entsprechend dem Schaltung von Fig. 11. Die Spule L4 dient als Blockierspule für den dynamischen Strom, läßt jedoch den statischen Strom, der durch eine Stromverstärker-Konfiguration vorgegeben wird, passieren, wobei letztere einen Treibertransistor aufweist, der mit der Spule L4 und Masse gekoppelt ist. Der Stromverstärker erzeugt eine Stromkomponente, wie sie von einer einstellbaren Gleichspannungs-Referenz festgelegt wird, die an einen Eingang des Stromverstärkers gekoppelt ist und dafür vorgesehen ist, thermische Wiederstandsänderungen, die anderenfalls eine Variation der statischen Fokussierung nach sich ziehen würden, und auch Stromänderungen auszuschalten, als Folge dynamischer Stromeinstellungen des Netzteiles.

Zur gleichen Zeit prägt der Strom-Steuerverstärker - der den Operationsverstärker U1 beinhaltet - eine Stromparabel mit Vollbild-Frequenz (frame frequency) für Vertikal- Fokuskorrektur ein. Die Spule L4 hat eine geringe Impedanz bei der Vertikalfrequenz, die viel geringer als die Horizontal-Abtastfrequenz ist, und ist gekoppelt mit dem Summierpunkt VA. Strom wird aus dem Summierpunkt über die Spule L4 und einen Ausgangstransistor TR1 gezogen, der mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers U1 gekoppelt ist. Die Verstärker-Konfiguration hat einen Fühlerwiderstand RS (Meßwiderstand) und einen Rückkopplungs-Widerstand R1, wie der Stromverstärker von Fig. 5. Eine statische Komponente und eine dynamische Komponente werden an die Verstärkereingänge über die Serienwiderstände R2, R3 gekoppelt. Entsprechend profitiert die Schaltung von der Stromsteuerung, die von dem Rückkopplungs-Verstärker der Stromverstärker-Konfiguration zur Verfügung gestellt wird, während sie gleichzeitig eine wesentliche Reduktion der Verlustleistung in der Fokussierschaltung als Ganzes erreicht.

Claims (12)

1. Fokussiereinrichtung für einen abtastenden Elektronenstrahl mit zumindest einer Fokussierspule (L1), die eine Wicklung trägt, welche zwischen einem Netzteil (V_SUPPLY) und einer Stromsenke zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufgrund von Strom in der Fokussierungsspule - gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Resonanzkreis (C1, L2), der mit der Fokussierungsspule (L1) zur Erzeugung eines Stroms in der Fokussierungsspule (L1) gekoppelt ist, und der (C1, L2) so betreibbar ist, daß er einen Teil der - während der Hinlauf-Intervalle des aufgebauten Strahles - Energie speichert und den Teil der Energie an das Netzteil während Rücklauf-Intervallen des Strahles rückspeist bzw. zurückführt.

2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis eine zweite Spule (L2) aufweist, die magnetisch mit der Fokussierspule (L1) gekoppelt ist; wobei der Resonanzkreis einen Rückwärtsstrom (reverse current) in der Fokussierspule - während der Rücklauf- Intervalle induziert zum Rückspeisen bzw. Rückführen des Teils (Anteils) der Energie an das Netzteil.

3. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzschaltung eine Kapazität (C1) aufweist, die mit der zweiten Spule gekoppelt ist; wobei die Kapazität (C1) während der Hinlauf-Intervalle geladen und während der Rücklauf-Intervalle entladen wird.

4. Fokussiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsenke eine Schalteinrichtung (Th) aufweist, die zwischen der Fokussierspule und Masse gekoppelt ist; wobei die Schalteinrichtung so betreibbar ist, daß sie während der Rücklauf-Intervalle leitfähig ist.

5. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Thyristor (Th) aufweist oder ein solcher ist, dessen Gateeingang so gekoppelt ist, daß er die Rücklauf-Pulse (flyback pulses) erhält, die bei Beginn der Rücklauf-Intervalle auftreten.

6. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis aufweist:

• - eine Kapazität (C1) und eine zweite Spule (L2), welche in Serie gekoppelt sind, wobei die in Serie geschaltete Kapazität und zweite Spule parallel zu der Fokussierspule (L1) gekoppelt sind/werden;
• - eine Schalteinrichtung (Th), die zwischen der Fokussierspule (L1) und Masse gekoppelt ist und so betreibbar ist, daß sie während der Rücklauf-Intervalle leitfähig oder leitend ist/wird.

7. Fokussierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierspule (L1) und der Resonanzkreis (C1, L2) so abgestimmt sind, daß sie einen Cosinusstrom in der Fokussierspule bewirken, der eine Parabel mit einer Abtastfrequenz annähert.

8. Fokussiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgleichkreis (L3, C2) vorgesehen ist, der parallel zu der Fokussierspule (L1) und/oder dem Resonanzkreis (C1, L2) geschaltet ist, zum Modifizieren des Cosinusstromes, um die Parabel bei der Abtastfrequenz besser anzunähern.

9. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz eine Horizontal-Abtastfrequenz ist und der Abgleichkreis (L3, C2) Mittel (U1, TR1, L4) aufweist zum Einbringen von Strom in die Fokussierspule (L1) bei Vertikal-Abtastfrequenz.

10. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichschaltung (U1, TR1, L4, L3, C2) so betreibbar ist, daß sie einen Strom einbringt, der - wenn R die Winkel-Variation von einer Abtastungs-Mitte (center of scan ist - sich gemäß der Gleichung cos (R) - (3/2 - 2^½) · cos (2R)bestimmt.

11. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dauer (Ta) der Hinlauf-Intervalle (Hinlauf), die Dauer (τ) der Rücklauf-Intervalle (Rücklauf), die Induktivität (L1) der Fokussierspule, die Induktivität (L2) der zweiten Spule und die Kapazität (C1) des Kondensators sich gemäß den folgenden Gleichungen berechnen: τ = π [L2 · C1]^½ und L1/L2 = [(Ta/τ) - 1]²

12. Fokussiereinrichtung für einen abtastenden Elektronenstrahl (scanning electron beam) mit zumindest einer Fokussierspule (L1), die eine Wicklung trägt, welche mit einem Netzteil (V_SUPPLY) und einer Stromsenke gekoppelt ist, zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufgrund des Stromes in der Fokussierspule (L1) und die einen Schalter (Th) aufweist, der mit der Wicklung und der Stromsenke gekoppelt ist, wobei er so betreibbar ist, daß er während der Rücklauf-Intervalle des Strahles leitend ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Resonanzkreis vorgesehen ist mit einer Kapazität (C1) und einer zweiten Spule (L2), die miteinander in Serie geschaltet sind und zusammen parallel zu der Fokussierspule (L1) gekoppelt sind;
• - daß die Fokussierspule (L1) und der Resonanzkreis (C1, L2) miteinander magnetisch gekoppelt sind und daß sie darauf abgestimmt sind, einen Cosinusstrom zu erzeugen, der eine Parabel mit Abtast-Frequenz in der Fokussierspule annähert;
• - daß der Resonanzkreis (C1, L2) so betreibbar ist, daß er einen Teil (Anteil) der Energie speichert, die während der Hinlauf-Intervalle des Strahles aufgebaut wird und den Anteil der Energie an das Netzteil während der Rücklauf-Intervalle rückspeist oder rückführt;
• - daß Mittel (U1, TR1, L4, L3, C2) vorgesehen sind, die mit der Fokussierspule (L1) und/oder dem Resonanzkreis (C1, L2) - zum Einbringen eines Abgleichstromes bei Vertikal- Abtastfrequenz in die Fokussierspule (L1) - gekoppelt sind, zum Modifizieren des Cosinusstromes, um die Parabel besser anzunähern.