DE971431C

DE971431C - Anordnung zur Helligkeitsverstaerkung von lichtoptischen Bildern

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Publication number: DE971431C
Application number: DEA2566D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1934-06-07
Filing date: 1934-06-08
Publication date: 1959-01-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Helligkeitsverstärkung von lichtoptischen Bildern.

Es ist eine Einrichtung zur Umformung von lichtoptischen Bildern aus einem Spektralbereich in einen anderen bekannt, in der das umzuformende Bild durch optische Mittel auf eine Fotokathode abgebildet und dann die dem Bildinhalt entsprechende Verteilung der Elektronenemission aus der Fotokathode auf einen Fluoreszenzschirm beschleunigt und dort sichtbar gemacht wird.

Es ist weiterhin eine Einrichtung dieser Art vorgeschlagen worden, in der die dem Bildinhalt entsprechend verteilten Elektronen über eine Elektronenoptik auf dem Fluoreszenzschirm scharf abgebildet werden.

Zur Steigerung der Helligkeit der durch eine solche Einrichtung erzeugten Fluoreszenzschirmbilder ist eine Anordnung mit mehreren Bildverstärkereinheiten bekannt, in denen das optische Bild durch eine Fotokathode in ein Elektronenbündel mit den optischen Intensitäten proportionalen Elektronenintensitäten umgewandelt wird und in denen dieses Elektronenbündel auf einem Fluoreszenzschirm ein verstärktes optisches Bild erzeugt, die optisch so in Reihe angeordnet sind, daß der Fluoreszenzschirm der n. Einheit die Fotokathode der (m+i). Einheit optisch beaufschlagt. Die Einheiten in dieser Anordnung enthalten jedoch jeweils nur Fotokathode und Fluoreszenzschirm und keine Elektronenoptik. Die

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Verwendung von Einheiten ohne Elektronenoptik in dieser Anordnung hat den Nachteil, daß — um eine einigermaßen brauchbare Bildschärfe zu erhalten —■ mit hohen Feldstärken vor der Fotokathode jeder Einheit gearbeitet werden muß; hierdurch nimmt der Dunkelstrom jeder Fotokathode hohe Werte an, und störende Aufhellungen der Fluoreszenzschirme sind die Folge. Die Anwendung sehr hoher Beschleunigungsspannungen und damit ίο sehr hoher Feldstärken erscheint bei Verwendung hochempfindlicher Fotokathoden in den Einheiten dieser Anordnung überhaupt nicht möglich, da der Dunkelstrom der Fotokathoden so weit anwächst, daß Entladungen einsetzen. Weiterhin ist bei dieser Anordnung, infolge des — wegen der erforderlichen hohen Feldstärke — einzuhaltenden kleinen Abstandes zwischen Fotokathode und Fluoreszenzschirm, in jeder Einheit eine Lichtrückkopplung gegeben, die eine Vernebelung des Fluoreszenzschirmbildes bewirkt; ohne daß der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung erheblich leidet, kann dieser Mangel — auch durch Anwendung besonderer Mittel — nicht abgestellt werden.

Die geschilderten Nachteile sind nicht gegeben bei einer Anordnung zur Helldgkeitsverstärkung von lichtoptischen Bildern, bestehend aus in Reihe angeordneten Bildverstärkereinheiten, in denen das optische Bild durch eine Fotokathode in ein Elektronenbündel mit den optischen Intensitäten proportionaler Elektronenintensitäten umgewandelt wird und in denen dieses Elektronenbündel auf einem Fluoreszenzschirm ein verstärktes optisches Bild erzeugt, die optisch so in Reihe geschaltet sind, daß der Fluoreszenzschirm der n. Einheit die Fotokathode der (n+i). Einheit optisch beaufschlagt, dadurch daß erfindungsgemäß jeweils zwischen Fotokathode und Fluoreszenzschirm einer jeden Verstärkereinheit elektronenoptische, die Bildschärfe der Kaskade sicherstellende Abbildungsmittel vorgesehen sind.

Durch die Anwendung einer Elektronenoptik zwischen Fotokathode und Fluoreszenzschirm in jeder Einheit können Fotokathode, Beschleunigungselektroden und Fluoreszenzschirm in jeder Einheit in großen Abständen voneinander aufgestellt werden. Überdies wird durch die Elektronenoptik in jeder Einheit die Schärfe der Fluoreszenz-Schirmbilder von Einheit zu Einheit aufrechterhalten.

Die Tatsache, daß die vom Fluoreszenzschirm der Anordnung abgehende Lichtmenge wesentlich größer sein kann als die auf die Fotokathode einfallende Lichtmenge, wird durch folgende Wirkungsgradbetrachtung verständlich.

Als Beispiel wird der Fall betrachtet, daß Glühlampenlicht auf eine Cäsiumschicht (Einatomschicht auf Silberoxyd nach Sewig mit zweiter Silberschicht) falle. Darin ist für Hochvakuum (vgl. Schröter, Handbuch der Bildtelegraphie und des Fernsehens, 1932, S. 182) der Strom 40-10—⁸AnIp-ZLUmCn. Für eine Beschleunigungsspannung von ι o⁵ Volt erhält man als Wert der dem Schirm zugeführten Leistung 4 Watt pro Lumen der auf die Fotokathode die Zelle treffenden Wellenstrahlung. Es wird nun vorausgesetzt, daß der Schirm pro Watt der durch die Elektronen gelieferten Energie 2 Hefnerkerzen liefern soll. Dann erhält man also für den betrachteten Fall pro Lumen der einfallenden Strahlung 8 HK. Diesem Wert entspricht ein Wert von 4 71-8 Lumen = 100 Lumen für den vom Fluoreszenzschirm ausgehenden Gesamtlichtstrom (vgl. F. K oh Ir au sch, Lehrbuch der praktischen Physik, 15. Auflage, S. 414). Man erhält also eine Verstärkung von 100. Die Verstärkung ist übrigens proportional der Spannung. Der überraschend hohe Gesamtwirkungsgrad ist darauf zurückzuführen, daß die kinetische Energie der ausgelösten Fotoelektronen durch die im Raum zwischen Fotoschicht und Fluoreszenzschirm eintretende Beschleunigung eine gewaltige Zunahme erfährt. Während die Austrittsgeschwindigkeit der Fotoelektronen ursprünglich wenige Volt beträgt, entspricht die Elektronengesdhwindigkeit am Schirm sehr hohen Spannungen, in dem Beispiel io⁵ Volt. Die kinetische Energie der Elektronen wird also» um viele Größenordnungen verstärkt. Der hohe Wirkungsgrad ist, wie die vorstehenden Erläuterungen gezeigt haben, weitgehend abhängig von der Beschleunigungsspannung. Man wird die B es chi eunigungs-Anodenspannung so hoch zu wählen haben, daß trotz der Verluste in dem zur Abbildung auf der fotoaktiven Schicht benötigten optischen System und eventuell eines weiteren ausgangsseitig nach dem Fluoreszenzschirm angewandten optischen Systems ein Wirkungsgrad von mehr als roo %>, d. h. eine Verstärkung resultiert. Besteht, über das gesamte System betrachtet, ein Verstärkungseffekt, so läßt dieser nach dem Gegenstande der Erfindung, wie weiter unten noch näher erläutert wird, durch Kaskadenschaltung mehrerer Lichtverstärkungseinheiten sich erheblich vergrößern, bis schließlich als Grenze in der letzten Stufe die Schwankungserscheinungen sichtbar und störend werden (Schrot-Effekt), die der Auslösung einzelner Fotoelektronen der ersten Stufe entsprechen. Die Erreichung einer bestimmten Verstärkung in mehreren Kaskaden hat gegenüber der Verstärkung einer einzigen Stufe den Vorteil, daß kleinere Spannungen genügen. Gelingt es doch, aus einer einzigen Spannungsquelle die für den Betrieb der Lichtverstärkerröhren erforderlichen Spannungen für Beschleunigung und Elektronenoptik zu entnehmen.

Die praktische Ausführung einer einzigen Lichtverstärkerstufe, die schon recht zufriedenstellende Ergebnisse lieferte, ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die fotoelektrische Schicht A wird durch eine elektrostatische Beschleunigungsoptik B von relativ großer, ausnutzbarer öffnung etwa im Verhältnis 1:1 auf dem mattscheibenartigen Fluoreszenzschirm C abgebildet. Wegen der großen Helligkeit des auf dem Fluoreszenzschirm erscheinenden Bildes wird das Streulicht auf dem Schirm hinreichend geschwächt durch den als Lichtschutz wirkenden Tubus D.

Die Abbildung des zu übertragenden Bildes auf der fotoaktiven Schicht erfolgt hier durch den in der Mitte durchbrochenen Parabolspiegel E. Dem optischen und elektronenoptischen Strahlengang entsprechend erscheint auf dem Schirm C ein aufrecht stehendes Bild. Die Scharfstellung des Bildes erfolgt in bekannter Weise durch Wahl einer geeigneten Teilspannung für die der Kathode zugekehrte Elektrode.

ίο Die schematisch angedeutete Zylinderelektronenoptik erwies sich als vollkommen ausreichend, um die gesamte Fläche der Fotokathode mit hoher Abbildungsgüte auf dem Schirm abzubilden. Eine etwas andere Ausführungsform ist bei der Lichtverstärkungsröhre in Vorschlag gebracht, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Der Unterschied gegenüber dem Rohr (Fig. 1) besteht darin, daß sowohl die fotoaktive Schicht A als auch der Fluoreszenzschirm C schräg gestellt sind. Die Schrägstellung der Fotoschicht erfolgt, um bei der optischen Abbildung des Bildes mit einfacheren und kleineren Anordnungen auszukommen, während die Schrägstellung des Fluoreszenzschirmes C vorgenommen ist, um einen Aufsichtsschirm, der gegenüber Durchsichtsschirmen bekanntlich einen wesentlich besseren Wirkungsgrad besitzt, besser beobachten zu können. Der Schirm ist in diesem Falle in bekannter Weise auf eine abgeleitete Metallplatte aufgebracht. Durch die gleichzeitige Schrägstellung von Fotoschicht und Fluoreszenzschirm gelingt es, die gesamte Fläche der Fotoschicht scharf auf dem Schirm abzubilden. Lediglich eine kleine Verzeichnung, die jedoch in Kauf genommen und eventuell optisch entzerrt werden kann, tritt infolge der Neigung ein. Die beiden Neigungen müssen allerdings bestimmte Verhältnisse zueinander haben, damit die Abbildungsschärfe über die gesamte Fläche besteht. Dieses günstige Verhältnis hängt ab vom resultierenden Abbildungsverhältnis und einem mittleren Brechungsexponenten des Mediums vor und hinter der Elektronenoptik. So ist beispielsweise bei der schematischen Zeichnung (Fig. 2) die fotoaktive Schicht, die sich auf der Seite geringerer Elektronengeschwindigkeit (größeren Brechungsindexes) hier zwangläufig befindet, weniger gegen die Rohrachse geneigt als der Fluoreszenzschirm, der sich auf der Seite größerer Elektronengeschwindigkeit (kleinen Brechungsindexes) befindet. Die Kaskadenschaltung mehrerer elektronenoptischer Bildverstärkungsstufen ist schematisch in Fig. 3 angedeutet. Da die Verstärkereinheiten elektrisch vollkommen voneinander getrennt sind, kann, wie schon oben erwähnt, immer die gleiche Spannungsquelle benutzt werden. Im allgemeinen wird es sich bei Kaskadenschaltungen empfehlen, daß Produkt aus elektronenoptischer Vergrößerung und der Vergrößerung der optischen Kopplung zwischen Schirm der einen Stufe und Fotoschicht der nachfolgenden Stufe gleich 1 zu wählen. Es besteht jedoch auch selbstverständlich die Möglichkeit, allmählich Vergrößerungen oder Verkleinerungen vorzunehmen. Die Fotoschicht A der ersten Stufe in Fig. 3 wird so zu sensibilisieren sein, daß ihr Empfindlichkeitsmaximum mit dem Maximum der zu verstärkenden Strahlung zusammenfällt. Das Schirmmaterial sowie die Auswahl und Sensibilisierung der Fotoschicht weiterer angekoppelter Lichtverstärkerstufen hat sinngemäß so zu erfolgen, daß ein möglichst großer Gesamtwirkungsgrad resultiert. Beispielsweise werden hier blau leuchtende Schirme und entsprechend sensibilisierte Fotoschichten günstiger sein als analoge Schirme und Schichten für langwelligeres Licht. Der Schirm der Endstufe C in Fig. 3 ist dem Sinne der Apparatur entsprechend wieder so zu wählen, daß das Strahlungsmaximum mit dem Empfmdlichkeitsmaximum des menschlichen Auges zusammenfällt. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit für die Kaskadenschaltung, die iedoch höheren Anforderungen hinsichtlich Bildschärfe nicht genügen kann und auch für sehr hohe Beschleunigungsspannungen nicht in Frage kommt, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die Fotoschichten sind hier ebenso wie die Fluoreszenzschirme sehr dünn, aber selbstverständlich noch schwach leitend gehalten. Hierdurch wird, wie auch aus einem Vergleich der Zeichnung Fig. 3 mit der Darstellung Fig. 4 hervorgeht, der optische Aufwand erheblich reduziert. Um weiter den Betrieb aus der gleichen Spannungsquelle für mehrere Kaskadenstufen zu ermöglichen, ist darauf zu achten, daß zwischen Fluoreszenzschirm der einen Stufe und Fotoschicht der nächsten Stufe eine hinreichend durchschlagsichere Zwischenisolation / vorgesehen ist. Die durchsichtige Isolationsschicht ist natürlich nicht stärker zu wählen, als aus elekirischen Gründen erforderlich, um die die Bildschärfe herabsetzende Lichtstreuung klein zu halten.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Helligkeitsverstärkung lichtoptischer Bilder unter Verwendung von mehreren Bildverstärkereinheiten, in denen das optische Bild durch eine Fotokathode in ein Elektronenbündel mit den optischen Intensitäten proportionalen Elektronenintensitäten umgewandelt wird und in denen dieses Elektronenbündel auf einem Fluoreszenzschirm ein verstärktes optisches Bild erzeugt, die optisch so in Reihe angeordnet sind, daß der Fluoreszenzschirm der n. Einheit die Fotokathode der (w+i). Einheit optisch beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Fotokathode und Fluoreszenzschirm einer jeden Verstärkereinheit elektronenoptische, die Bildschärfe der Kaskade sicherstellende Abbildungsmittel vorgesehen sind.

2. Einrichtung zur Helligkeitsverstärkung von Bildern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation zwischen den beiden optisch gekoppelten Flächen so gewählt ist, daß die gleiche Hochspannungsquelle für die verschiedenen Stufen zur Anwendung kommen kann.

3. Einrichtung zur Helligkeitsverstärkung von Bildern gemäß vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotokathode

der ersten Stufe für die ankommende, zu verstärkende Strahlung sensibilisiert ist, die Strahlungs- und Empfmdlichkeitsmaxima der optisch gekoppelten Fluoreszenzschirme und Fotokathoden aufeinander angepaßt, insbesondere im Gebiet blauer oder violetter Strahlung liegend gewählt werden und daß der Fluoreszenzschirm der letzten Stufe ein Strahlungsmaximum aufweist in der Nähe des Empfindlichkeitsmaximums des menschlichen Auges.

4. Einrichtung zur Helligkeitsverstärkung von Bildern gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei den verschiedenen Einheiten zur Lichtverstärkung die Ebene der fotoaktiven Schicht und gleichzeitig auch die Ebene des Fluoreszenzschirmes gegen die Achse der abbildenden Elektronenoptik geneigt sind und die Neigungswinkel so gewählt sind, daß für die jeweils gegebenen elektronenoptischen Brechungs- und Abbildungsverhältnisse eine scharfe Abbildung aller Punkte der Kathodenebene auf der Fluoreszenzschirmebene erfolgt.

5. Einrichtung zur Helligkeitsverstärkung von Bildern gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Kopplung zwischen Fluoreszenzschirm einer Stufe und der undurchsichtigen Fotokathode der folgenden Stufe bei schräg gestellten Schirmen über Sammellinsen oder bei senkrecht zur Systemachse liegenden Ebenen über ein oder zwei in der Mitte durchbrochene Hohlspiegeloptiken erfolgt.

6. Einrichtung zur Helligkeitsverstärkung von Bildern gemäß vorhergehenden. Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotokathoden durchsichtig, aber noch hinreichend leitend hergestellt werden und die optische Kopplung entweder über optische Systeme oder durch einfaches Aufeinanderlegen des ebenen Fluoreszenzschirmes der einen Stufe und der Kathode der folgenden Stufe unter Zwischenschaltung hinreichender Isolation erfolgt.

45 In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 525 380, 535 208,

569, 775;

schweizerische Patentschrift Nr. 165 549;

USA.-Patentschrift Nr. 1 773 980; Zeitschrift für Physik, 86 (1933), S. 448 bis 450.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 878427.

Hierzu 1 Blaitt Zeichnungen