JPS63121237A - ライトバルブ用の層流電子銃 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は全般的にシュリーレン暗視野形ライトバルブ
投影装置の改良、更に具体的に云えば電気光学的な部品
の機械的な整合及び印加電圧の臨界性を少なくすると共
に、電子ビームの焦点合せされる被写界深度を改良する
と共にビームの拡がり及びビームの軸外収差を減少する
様な、ライトバルブ用の改良された電子銃に関する。

従来技術の説明 シュリーレン暗視野形ライトバルブ投影装置は何年も商
業的に使われており、優れた性能を発揮することができ
る。こういう形式の従来の典型的なカラー投影装置が米
国特許第３．　２９０．　４３６号、同第３，３５２，
５９２号及び同第３，４３７．７４６号に記載されてい
る。こういう形式の投影装置の動作原理を簡単に第１図
、第２図及び第３図について説明する。

最初に第１図について説明すると、この図には単一銃テ
レビジョン拳ライトバルブ集成体が図式的に示されてお
り、この集成体はランプ１０．密封されたライトバルブ
１２及びシュリーレン投影レンズ１４で構成されている
。密封されたライトバルブ１２が硝子外被を持ち、その
中に電子銃１６、入力側バープレート１８、集束偏向装
置２０゜回転円板２２上の制御層３２及び流体貯蔵部２
４が入っている。シュリーレン暗視野形ライトバルブに
使われる電子銃の具体例が、米国特許第３．・５８８．
９０１号に記載されている。

電子銃１６が陽極開口１１から電子ビームを発生し、こ
の電子ビームを使って、制御層３２に電荷パターンを「
書込む」。円板２２が硝子源であり、電子銃１６の方を
向く側に透明電極面を持ち、それがライトバルブの陰極
に対して正の電位の源に電気接続されている。円板２２
及びその透明電極は変形可能な流体層で被覆されており
、この層が制御層３２である。電子ビームからの電子電
荷パターンが制御層３２の表面に沈積され、円板電極か
らの電界の作用を受けて、制御層の表面を変形させ、回
折格子を形成する。電子ビームが集束、偏向及び変調さ
れて、層３２及び円板２２を通過する光線を制御する流
体面の変形を制御する。

集束偏向装置２０が、何れも直交する４つの電極で構成
され、この明細書でボックス２３．２５゜２７と呼ぶ３
つの電極「ボックス」を形成する３組の電極と、円筒形
電極２１とで構成される。この内の１番目のボックス２
３が、入力窓の開口の周りに配置され、電子ビームを中
心合せすると共に、その予備偏向が出来る様にする。次
の２つのボックス２５及び２７には、制御層３２上のラ
スク平面を走査する開口１１の電子ビーム像が−様に集
束される様な形で直流及び交流電圧が印加されている。

これによって、電荷制御によって制御層の流体を−様に
変調して、−様な色の投影像を発生することが出来る。

集束偏向ボックス２５゜２７の後にドリフト・リング２
１があり、これは円板２２上の透明電極と共に、集束偏
向装置２０の最後の電子レンズの要素として作用する。

光変調流体の具体例が米国特許第３，２８８゜９２７号
、同第３，３１７，６６４号、同第３゜３１７．６６５
号、同第３，５４１，９９２号及び同第３，７６１，６
１６号に記載されている。

こういう流体は米国特許第３，７６４，５４９号及び同
第３，９２８，３９４号に記載されている様な添加剤を
含んでいてもよい。一般的に、制御層又は光変調流体は
非常に特殊な化合物であって、特別の添加剤を用いて変
性されており、電子ビームでアドレスされるライドバル
ブ内の有効な制御層としての性質が得られる様にするの
に必要な電気機械的な性質及び粘弾性を持っている。

基本的な集光装置がアーク灯１０を持ち、これはキセノ
ン・ランプであってよいが、そのアークが反射装置の焦
点に配置される。この反射装置は図示の様な単純な楕円
面反射器であってもよいし、或いは例えば米国特許第４
．３０５，０９９号に記載されている様な複合反射器で
あってもよい。

アークからの光が反射器から反射されて１対の相隔たる
レンズプレートを通る。こういうレンズプレートは、水
平の行及び垂直の列に分けて配置された対応する複数個
の矩形レンチキュラルを持っている。１番目のレンズプ
レートが第１図の２８に示されており、２番目のレンズ
プレートがライトバルブ１２の硝子外被の光入力面に形
成されている。ランプ１０からの光がカラー・フィルタ
・プレート２６及びレンチキュラ・レンズ２８を介して
投射されてからライトバルブ１２に入る。

ライトバルブ１２の硝子外被の内面は入力側バープレー
ト１８の形をした入力側光マスクを担持しており、これ
は例えば蒸着によって適用することが出来る。入力側バ
ープレート１８は、全体的に第１図に示すパターンで、
一連の透明なスロットと不透明なバーが交互になってい
る。ランプ１０からのフィルタに掛けられた光線がこう
いう透明なスロットを介してライトバルブ１２に入る。

レンチキュラ・レンズ２８の小レンズ並びにライトバル
ブ１２の硝子外被の光入力面に形成された対応する小レ
ンズが、集光レンズの対を形成し、それが最初はフィル
タに掛けられた光のスポットを光マスクのスロットに集
束し、その後光線を制御層のラスク平面３２に再び結像
する。この構成により、アーク灯からの光が効率よく利
用され、光変調媒質又は制御層３２上には、矩形パター
ンで、光の−様な分布が作られる。

シュリーレン投影レンズ１４がシュリーレン會レンズ要
素２９、出力側色選択バープレート３０及び投影レンズ
装置３１を含む。出力側色選択バープレート３０は入力
側バープレート１８に対して相補的である。即ち、出力
側バープレートでは、そのバーが入力側バープレート１
８のスロットと光学的に整合しており、この為、制御層
３２を通過する光が回折されない場合、光線が出力側バ
ープレートのバーに集束されて、そこで終わる。この為
「暗視野」状態になる。即ち、偏向装置２０の水平及び
垂直偏向板に印加されるラスク走査信号に重畳される変
調信号が存在しない時は、光が透過しない。然し、ラス
ク走査して制御層に電荷を供給する電子ビームは定電流
電子ビームであり、（ビームがオフである水平及び垂直
帰線期間の間以外は）電子銃１６によって発生されるビ
ームの強度は何ら変調されないことに注意されたい。

第１図の下半分は、光及びライトバルブの部品の断面を
示す。一番下のスペクトル線図は、ライトバルブに入る
前に光がフィルタに掛けられる様子を示す。

第２図はライトバルブのブロック図で、３つの基本的な
格子の色選択作用を示している。回転円板２２（第１図
に示した）に支持される制御層３２が、赤、緑及び青の
光成分に対する３つの異なる回折格子を持つものとして
示されている。こういう回折格子は個別に又は同時に書
込むことが出来、普通は重畳しているのが実際であるが
、例示の都合上、それらが第２図ではＩＩ＋御層３２上
で別々に示されている。

第１図及び第２図に示すライトバルブ投影装置では、緑
の光が入力側バープレート１８の水平スロットを通過し
、制御層３２上の被走査ラスク線の高さを変調すること
によって形成された回折格子によって制御される。この
為、第３図に示す様に、緑のビデオ信号によって変調さ
れた、垂直偏向板に印加される高周波搬送波の振幅を制
御する。

マゼンタ（赤と青）の光は、入力側バープレート１８の
垂直スロットを通過し、電子ビームが水平方向に走査さ
れる時に、この電子スポットを速度変調することによっ
て、ラスク線に対して直角に作られた、電荷によって発
生された回折格子によって制御される。第３図に示す例
では、この為、１６ＭＨｚの信号を水平偏向板に印加し
、第３図に示す様に、それを赤のビデオ信号で変調する
。この結果制御層３２に作られた溝は、スペクトルの赤
部分をプレート３０の出力側垂直スロットに回折する様
な正しい間隔を持っており、その反面、青部分は遮られ
る。（１２ＭＨｚの搬送波を使う時、青の光がプレート
３０の垂直スロットを通過し、赤の光が遮られる。） この為、３つの同時の重畳された原色の映像を同じ電子
ビームを用いて書込み、完全に整合した金色映像として
スクリーン３３に投影することが出来る。１本の走査用
電子ビームを操作することにより、流体面上の各々の画
素の中に小さな回折格子を書込むことにより、色が発生
される。こういう回折格子が透過光線を出力バーで終ら
ない様に回折し、そこで空間的なフィルタ作用に掛けら
れて、所望の色がスクリーンに達する様にする。

回折光量は制御層に形成される格子の深さに関係する。

この方式により、別に整合を行なわなくても、１個の制
御層の上に金色テレビジョン映像を書込むことが出来る
。

第３図はライトバルブ投影装置の基本回路のブロック図
である。複合ビデオ信号が復号器３４の入力に供給され
、これがその出力に赤、青及び緑のビデオ信号を発生す
る。これらの信号が夫々変調器３６．３８．４０に印加
される。格子発生器４２が、変調器３６及び３８に対し
て、今の場合は夫々１６ＭＨｚ及び１２ＭＨｚの周波数
を持つ搬送波信号を供給すると共に、変調器４０に対し
て４８　ＭＨｚの周波数を持つ信号を供給する。赤及び
青変調器３６及び３８の出力を組合せ、水平偏向信号発
生器４４からの水平偏向信号に重畳する。緑変調器４０
の出力が、垂直偏向信号発生器４６からの垂直偏向信号
に重畳される。

第１図、第２図及び第３図に図式的に示した基本的なシ
ュリーレン暗視野形ライトバルブ装置装置は、何年もの
期間にわたって開発され、良好なカラーバランス及び高
い分解能を持つ優れた品質の映像を発生する非常に効率
のよい投影装置になっている。然し、投影装置の設計及
び動作を最適にする為の努力が続けられている。設計上
の更に重要な点は、ライトバルブの電子光学系である。

電子光学系は、以上の説明から判る様に、非常に複雑で
あると共に、偏向電圧が変化する結果として、ダイナミ
ックに変化する。

ライトバルブの集束及び偏向電極装置を非常に正確に整
合させ、且つ印加電圧、掃引の平衡及びダイナミックな
予備偏向を臨界的に厳密に制御することにより、かなり
の程度に満足し得るビデオ書込み性能を達成することが
出来ることが判った。

上に述べた問題点を注意深く制御しても、従来の電子光
学系は、最もよい性能が得られる様に、ライトバルブ装
置の電気的な性質及び機械的な性質の多くの変数の釣合
いをとる上で、動作の折合いを必要とした。この為、投
影像の変調された色の場の一様性を最適にすると共に改
善し、更に電子光学系の電極装置の機械的な組立て及び
整合に対する敏感さを少なくする必要性が依然としであ
る。

この発明は電子銃の改良により、ライトバルブの設計を
最適に近付ける。従来公知の電子銃は次に述べる様な米
国特許に記載されているものがある。

米国特許第２．８８８，６０５号には、電子を加速電極
で収斂させ、その後ドリフトリング円筒形電極に通して
、横断方向の速度成分を下げると共に、横方向の速度を
高める様な「電子のコリメートされた流れ」を形成する
装置が記載されている。１．１乃至１．５の電圧の範囲
が確認されている。ビーム整形開口は使わない。円筒形
電極の場はドリフト空間を作るが、陰極から放出された
ビームの一部分を遮らない。

一米国特許第２．９０９，７０４号には、陰極から発散
ビームを作る装置が記載されている。この為に、第１の
正の開口電極Ｂ及び負の集束リングＡを用いる。これら
の２つの電極に印加される電圧により、発散ビームが「
平行」な流れに集束される。この後の陽極が陰極電極の
直径よりもかなり大きい開口直径を持っており、最初の
２つの加速電極の電圧は大体同じ程度である。更に、集
束電極の面が陰極の平面の背後にある。この米国特許の
銃の設計の目的は、軸方向の速度の分散を最小限に抑え
ることにより、「低雑音」の電子ビームを作ることであ
る。こういうことが、電子ビームのかなりの部分を遮ら
ない様な大きな陽極開口を使うことによって達成される
。この米国特許では、その陰極の直径の１乃至４倍のビ
ームが発生される。

米国特許第３，３４９．２６９号には、英数字を発生す
るのに使われる陰極線管内で収斂ビームの交差を用いる
装置が記載されている。電子ビームを使って英数字を形
成するビーム整形マトリクスに溢れさせ、その結果得ら
れたビームを２対の円筒形レンズによって所望のターゲ
ット位置へ偏向する。この電子銃は最小のビーム角を持
つ層流を作らない。

米国特許第３，４１７，１９４号には、電子銃の格子−
陰極領域に印加される比較的高いビデオ変調電圧の焦点
外し効果を補償することによって、ビームの拡がりを少
なくしようとする陰極線管が記載されている。電子ビー
ムの層流又は平行な流れは発生されない。格子電極の開
口は、陰極からの距離が増加する時、同じ又は−層大き
な直径である。

米国特許第３．５８６，９０１号には、全般的にこ〜で
説明する様な形式のライトバルブに使われる電子銃が記
載されている。この銃は、放出される電子ビームを整形
する為にビーム整形陽極開口を用いるビーム交差形であ
る。更にこの電子銃は、陰極、格子及び開口つき陽極の
下流側に、小さい「電位の丘」の場を使って、開口及び
放出体に到達し得る正イオンの数を少なくする。こうい
う正イオンは、ライトバルブの回転円板上の制御層を電
子ビームが叩くことによって生ずる。

米国特許第３，７４０，６０７号には、電流密度の高い
小さいビームを発生する層流電子銃が記載されている。

これを達成する為、焦点距離の長ｔルンズを使い、開口
を制限せず、収斂レンズを用いて銃の仮想陰極を結像す
ることによって、スクリーンのスポット寸法を設定しよ
うとする。この銃の陽極に使われる開口はビームの直径
よりも大幅に大きい。この米国特許の銃にはビームを遮
る開口がなく、電流を制限する開口によってビームが整
形されることもない。

米国特許第３．９２４．１５３号には、ビームの半径方
向の速度成分を小さくする為に、銃の格子から陽極へ至
る領域を取囲む軸方向の円筒形電極を使うことにより、
ビームの拡がりを防止しようとする電子銃が記載されて
いる。この米国特許はビーム制限開口を用いているが、
層流を作り且つビームの拡がりの角度を最小限に抑える
様な設計については何も記載されていないし、ビームの
断面を整形する多重の開口つき陽極を使うことについて
も記載されていない。更に、使われる開口はターゲット
に結像しない。

米国特許第３．９８０，９１９号には、シート状ビーム
を形成することが記載されている。小さい開口を避ける
と共に、銃のレンズの中心部分に焦点距離の長いレンズ
を使うことにより、非対称の影響を最小限に抑えている
。開口つき電極を使って、必要な加速電界を発生するが
、これらの電極はビームを遮ったり又は制限するもので
はない。

どの開口もターゲットに結像しない。

米国特許第４．４６７．２４３号には、開口つきの格子
及び陽極を用い、１番目の開口の直径が２番目の開口の
直径より小さいか又はそれに等しい様な電子銃が記載さ
れている。こういう手段により、軸方向の−様な電界が
形成され、一定の電流密度を持つ層流の電子ビームが発
生される。スポット寸法及び形は、開口ではなく、磁気
集束によって発生される。

米国特許第４，４８１．４４５号には、交差ビームを発
生して、陰極から離れるにつれて開口の直径が増加する
一連の開口つき陽極により電界を設定する双電位電子銃
が記載されている。

米国特許第４．４９６，８７７号には、電界整形電極及
び電圧を用いて、第１の交差がビームの拡がりの角度に
対して持つ影響に対抗しようとする銃の構造が記載され
ている。開口を使って、ビーム集束電界を形成するが、
ビームを遮らない。

陰極からの距離が増加する時、開口の直径は同じである
か一層大きくなる。

発明の要約 従って、この発明の全般的な目的は、シュリーレン暗視
野形ライトバルブ投影装置の設計及び製造を最適にする
様な改良を提供することである。

この発明の更に特定の目的は、投影される変調ビデオの
場の一様性を改善する様な電子銃の改良を提供すること
である。

この発明の別の目的は、シュリーレン暗視野形ライトバ
ルブに於ける電極の間隔の臨界性を最小限にすると共に
印加電圧の臨界性を最小限に抑える様な電子銃の改良を
提供することである。

この発明では、陰極の温度及び陽極電圧の所定の値に対
し、ビームの角度が最小の電子ビームを発生する改良さ
れた電子銃が開発された。このビーム角度により、偏向
電子ビームの軸外の収差が最小になると共に、陽極開口
の光学的に結像された電子像の被写界深度が改善される
。この発明は特にシュリーレン暗視野形ライトバルブに
使うのに適した電力効率のよいビーム加速及び整形電極
装置を用いて、ビーム電流密度が制御し得る層流電子ビ
ームを発生す゛る。この発明の電子銃は、約２０００’
にの陰極温度で動作して、高い一定電流を放出すること
が出来る陰極を有する。種々の放出材料に対して、１２
００°Ｋ乃至３０００’にの陰極の温度範囲を使うこと
が出来る。多重開口つき加速電極を用いて、層流ビーム
を形成する。これらの全ての電極が、陰極から放出され
た電流の一部分を制御し又は遮り、大きい横方向の速度
ベクトルを持つ大部分の電子を取去り、中間の電極が最
後のビーム整形開口の電圧よりも低い電圧で動作する為
に、銃の所要電力を引下げ、こうして他の場合には銃の
内部の熱の問題を生ずる様な、電圧の高い電力を浪費す
ることをなくする。

陰極から軸方向に展開する開口は次第に面積が一層小さ
くなる。これと対照的に、従来の電子銃は、開口の直径
が同じであるか或いは一層大きくなる様な相次ぐレンズ
を用いて、層流を得ようとしている。然し、シュリーレ
ン暗視野形のライトバルブは、最後の開口を使って、制
御層に結像するビームの形を設定するから、偏向ビーム
の点収差の歪みを最小限に抑える為には、ビームの拡が
りの角度を小さくすることを必要とする。この発明は、
拘束用の磁界を用いずに、高い一定のビーム電流密度及
び低い電圧で、小さいビームの拡がりの角度を達成する
。

この発明のライトバルブ用の層流電子銃は、平坦な陰極
、格子及び少なくとも２つ、好ましくは３つの加速電極
を使う点で、上に述べた従来技術と区別される。格子及
び全ての加速電極が陰極電極の軸線上にあり、全てが開
口つきで、開口の面積を相次いで小さくする。こういう
開口つき電極に印加された電圧によって発生される静電
界により、電子が陰極から略層流として電子銃の中を通
り、ビーム整形開口を通過するビームのビーム拡がり角
度を最小限に抑える。この銃の設計では、電子電荷を集
中させる為のビーム交差点を使わずに、ビーム電流密度
が達成される。この銃は、交差点が、横方向の速度の高
い電子を持っていて、最終的な収集電極に結像して、高
密度の集束スポットを形成する様な従来の大抵の銃とは
異なる。

その代りに、電子ビームがビーム整形開口の所で整形さ
れ、電流密度が高くて、ビームの拡がりの少ない整形ビ
ームが開口を通った時、電子光学的に、ライトバルブの
回転円板の制御層に結像する。

この発明の上記並びにその他の目的、特徴及び利点は、
以下図面について説明する所から更によく理解されよう
。

好ましい実施例の詳しい説明 図面全体にわたり、同じ又は対応する部分には、同じ参
照数字を用いている。特に第４図について説明すると、
新世代のシュリーレン暗視野形ライトバルブの内部真空
部品が分解図で示されている。

真空外波が入力窓５１、集束偏向円筒５２）ポンプ集成
体７０を受入れる成形凹部５５を持つ後側ハウジング５
３、及びフェースプレート５８を有する。電子銃集成体
１６が入力窓５１の中心開口に取付けられ、入力側スロ
ット又はバープレート１８が入力窓５１の内面に形成さ
れていて、作用はこの種の従来のライトバルブと同様で
ある。

集束偏向集成体が３組の電極を有する。４個１組の電極
６１は、１対の水平板及び１対の垂直板で構成されてい
るが、入力窓５１の中心開口の周りに取付けられる。１
対の垂直偏向板６２及び１対の水平偏向板６７が円筒５
２内にあって、第２組を形成する。第３組は垂直偏向板
６３及び水平偏向板６５で構成される。第４図に示す様
に、偏向板６２，６３，６５．６７がブラケット６６に
より、円筒５２の中に支持されており、このブラケット
が偏向板に対する電気接続もする。後側ハウジング５３
の中で偏向板６３．６５の先に円筒形ドリフトリング６
８があり、これが円板８３上の透明電極と共に集束偏向
装置を完成する。

全体を７０で示すギアポンプ集成体が後側ハウジング５
３の凹部５５の中に配置されている。ギアポンプが、ハ
ウジング７２の中にあって磁石７３゛によって駆動され
る歯車７１を有する。磁石７３が、ポンプを収容する四
部５５の後側の外面上でポンプ７０と軸方向に整合した
電動機（図に示してない）によって駆動される回転磁石
に結合されている。磁石７３に対する軸方向遮蔽体７４
を設けて、その磁界が電子ビームに影響しない様にする
。ライトバルブ投影装置の中には、投影装置の磁界又は
地磁気の影響を電子ビームが受けない様にする為のこの
他の磁気遮蔽が施されている。

ポンプ集成体７０を収容する凹部５５を含む後側ハウジ
ング５３とフェースプレート５８が全体的に、流体を収
容する貯蔵槽２４（第１図に図式的に示した）を構成す
る。ギアポンプ７０がこの貯蔵槽の中に配置されていて
、フィルタ７６を介して流体を圧送する様に作用する。

フィルタ７６がフィルタ・ハウジング７７と穿孔パネル
７８の間に挟まれており、この集成体がじゃま板８１の
下側の後面に固定されている。じゃま板８１は全体的に
円形の円板で、前向きに突出するフランジが回転円板８
３を取囲んでいる。円板８３は軸受８４によって回転出
来る様に支持されており、じゃま板８１の中心に取付け
られたビンがこの軸受の中に突入している。リング歯車
８５が円板８３の周縁に取付けられていて、ギアポンプ
７０から伸びるビニオン歯車７５によって駆動される。

円筒５２の側面に真空維持装置８９が取付けられており
、これが密封した後に外被内に残る気体状材料及びライ
トバルブの動作の副産物として発生される気体材料を収
集する。

第５図について説明すると、電子銃１６が電気加熱陰極
１１９を持ち、これがヒータ脚１１８に支持されている
。脚１１８は、絶縁円板１２７に取付けられていて、そ
の中を通抜けるコネクタ１１７に取付けられている。格
子１１０が陰極１１９に隣接して、それと同軸に整合し
、絶縁円板１２７と絶縁スペーサ１０９の間の位置に保
持されている。同軸に整合した４つの開口つき電極１１
１．１１２．１１３及び１２３が絶縁体１０９゜１１４
．１１５．１１６によって同軸に隔てた状態に保持され
ており、銃が密封ダイヤフラム１２５によって密閉され
ている。ダイヤフラム１２５の目的は、電子銃を密封し
て、ライトバルブに組立てる前に、それを試験すること
が出来る様にすることである。まだ密封されているが、
試験の済んだ電子銃をライトバルブの入力窓に組込んだ
後、ダイヤフラム１２５をレーザービーム（こよって除
き、ライトバルブの真空空間を電子銃の内部容積と接続
し、電子ビームがライトバルブの集束偏向装置（第１図
の２０）へ通過出来る様にする。

ライトバルブ装置に於ける電子銃の作用は、ライトバル
ブの制御層の上に電荷パターンを沈積する為に使うこと
の出来る様な、小さな、全体的に矩形の形をした電子ビ
ームを発生することである。

陰極１１９からの電子が、電極１１１，１１２゜１１３
の形状及び間隔と、これらの電極に対する適当な電圧の
印加とによって作られた静電界により、陽極１１３に向
かって引寄せられる。陽極１１３は矩形の開口を持つ部
品１２１を有し、これは電子ビームの一部分が、電極１
２３及びダイヤフラム１２５の領域へ通過することが出
来る様にする。

この発明の目的は、ビームの角度が最小であって電流密
度の大きい電子ビームを発生して、電子光学的に結像す
る物体開口の焦点深度を最大にし、またラスタ走査ビー
ムのターゲット平面に於ける軸外ビーム収差を最小限に
することである。別の目的は、その電子ビーム電流の娠
幅を制御することは出来るが、そのビームの角度が制御
用のビーム電流及び／又は電圧の変化に比較的影響され
ない様な電子銃を提供することである。従来の電子銃は
一般的に加速及び集束電界を利用して、電流密度の高い
領域を作り、その中で陰極から放出された電子を交差点
まで運び、その後交差点から電子放出装置のターゲット
電極まで結像している。

これは、比較的高いビーム電流密度を必要とする装置で
、陰極電流密度の比較的低い放出材料を利用することが
出来た。然し、こういう銃で層流電子流の望ましいビー
ムの性質を得ようとすると、一般的には、焦点距離の長
い電子レンズに高い電圧を使って、軸外電子の大きな交
差部人口角による発゛散、並びにビームの熱的な力及び
相互の反発力による発散が、交差部で結像するビームに
生じない様にすることが必要であった。

偏向又は軸外ビームの収差は、ビームの角度の３乗に比
例して増加することが判った。更に、電子ビームの拡が
りの角度が軸方向及び横方向の電子速度ベクトルの組合
せに関係することを証明することが出来る。こういう関
係は次の様に表わすことが出来る。

軸方向速度＞Ｗ こ＼でＫはボルツマン定数、Ｔｋは陰極の絶対温度、ｅ
は電子の電荷、Ｖａｘｉｓは加速電界の軸方向電圧成分
である。

このライトバルブ装置では、効率のよい投影表示装置に
とって適切な回折格子を作るのに必要な電荷分布を制御
層３２に送出す為には、約５マイクロアンペアのビーム
電流が必要である。電子ビームによって走査される区域
にわたって・・形成される回折格子の一様性が、制御層
に於ける、ビーム形成開口１２１の寸法の電子光学的な
結像の一様性に正比例する。この格子の一様性が、ラス
タの書込まれる各々の素子にわたる光の伝達の一様性を
定める。従って、ライトバルブが定められたどの色でも
、−様に照明される光の場を投射することが出来るかど
うかは、制御層の平面に於ける電子ビームの寸法及び形
に直接的な関係を持つ。書込み電子ビームの倍率、焦点
又は形に変化があれば、光の伝達が変化する。従って、
この発明の目的は、電子銃の矩形開口１２１を出て行く
時のビームの角度を最小にすることにより、電子ビーム
書込みパラメータの差別的な影響を最小限に抑えること
である。この目的を達成する為、この発明の電子銃は結
像開口１２１の平面で略層流の電子流を発生し、ビーム
の横方向の速度成分を最小限に抑え、こうしてライトバ
ルブの偏向ビームの収差を最小限に抑える為に、適当な
電荷密度及び非常に小さいビームの角度を持つビームを
発生する。

この電子銃の陰極が約２０００６にで動作して、約１６
２アンペア／Ｃ−の所望の電流密度を発生する。この陰
極の温度レベルが、陽極開口１２１を通るビーム中の若
干の電子の最大の横方向速度成分を定め、こうして最小
のビームの拡がりの角度に関係する。この電子銃が電極
１１３を約＋７２００ボルトにして動作する場合、熱的
な拡がりの角度は０．５６’であることが計算で求めら
れた。

第６Ａ図は簡単な電極２個の層流電子銃を示す。

開口１２１に於ける所望の層流状態を達成しようとする
場合、陰極Ｋから電極Ａへ流れる電子は軸方向の速度ベ
クトルだけをもって到着しなければならないし、開口つ
き陽極の面積全体が−様な電流密度の電流を受けなけれ
ばならない。第６Ａ図に示した陰極にの電極の形、格子
Ｇ及び陽極Ａの電界の整形、並びに電極間の間隔及び電
圧が、直径ＤＫ−０，０３０吋の陰極Ｋから放出された
電子が陽極電極Ａに達して約１．２アンペア／ｃｍ２の
所望の層流ビーム電流密度を発生する様になっていると
仮定すると、電子銃の陽極に於ける電力Ｐ＾は、５．２
５Ｘ１０３アンペアに７．２Ｘ１０３ボルトを乗じた積
であり、即ち３８ワツトであって、４．８Ｘ１０７６ア
ンペアの所望の書込みビーム電流を発生する。この電力
レベルが陽極に生ずる加熱作用は、６００℃乃至１１０
０℃の所望の範囲をはるかに越え、高電圧エネルギを浪
費する。

改良が第６Ｂ図に示されている。この場合、補助陽極Ａ
１が格子Ｇ及び陰極にと、もとの開口つき陽極Ａ２の間
に介在配置される。この電極は、静電界の等電位線の形
と対応する様に弯曲していて、ビームの侵入点に於ける
電界の電位に対応する一層低い電圧で動作する。その開
口の直径ＤＡ□は、全電流のかなりの部分を遮りながら
、電極Ａ２の面にわたって−様なビーム電流の分布を発
生するのに必要な層流ビームの部分を通す様に選ばれて
いる。ＤＫ−０，０３０吋でＤＡｌ−０，０１０吋の場
合、８９％が遮られ、この結果電極Ａ２の電力は僅か４
．２ワツトに減少する。電極Ａ１の電力はその電圧に関
係し、この電圧がその電極間間隔に関係する。

この方式は、陰極の直径及び陰極と陽極の間の間隔の様
な他の変数を調節して、数値を下げることが出来ること
を示唆している。然し、放出材料の選ばれた直径ＤＫが
０．０３Ｑ吋であることは、ライトバルブに要求される
寿命の長い高い電流密度の陰極にとって実用的な最低限
の寸法である。

ビームの拡がりの角度が軸方向の速度（並びに陽極電圧
）と反比例の関係にあることを考え、合計の内角０．６
未満と云う計算によるビームの拡がりを達成する為には
、電極Ａ２には＋７０００乃至＋８０００ボルトの範囲
の電圧が必要である。

更に、電圧が一層低いことにより、望ましくない磁界の
影響に対する銃の感度が高まる。従って、この新しい電
子銃に対する最適の設計パラメータは、陰極温度、加速
電圧、電界及びビーム整形電極及び開口、ビームの縁の
削取り、層流及びビームの拡がりの場の因子、消費電力
、機械的、磁気的及び電気的な装置の感度、並びにライ
トバルブの環境で時間的に変化する銃の状態のもとての
銃の電流の安定性の間の兼合いである。

直径０．０３０吋の陰極から出発して、上に述べた全体
的な原理及びパラメータを考慮に入れ、新しい層流銃装
置を開発した。第６Ｂ図及び第６Ｃ図に示す様な電極Ａ
１゜Ａ２）格子Ｇ及び陰極にの間のビーム電流を制御す
る静電界を解析することにより、Ａ２からＧ１及びＫへ
Ａ１の開口を通って入り込む正の電界をＧ１及びＫから
Ａ１への負の電界によって丁度釣合いをとることが出来
る様に、１組の電極間間隔及びＡ１の開口直径を選んで
、開口を通る流れを所望の層流に保つことが出来ること
が判った。然し、ビーム電流を制御しなければならない
時、電流を減少して、Ａ１の開口区域内の電流密度を下
げる様なＡ１電圧の低下は、Ａ１とＡ２の間の電界強度
が増大することによって打消され、ビームが再びＡ２開
口に集束されて、ビームの角度は若干増加するけれども
、ビーム密度が前のレベルに回復する（第６Ｃ図参照）
。この例は、この銃の設計が、若干の電圧変化に比較的
影響されない様に作ることが出来る様子を例示している
。他方、電極Ａ２を通る電子ビ−ム電流を減少する必要
がある時、格子Ｇ１の負の電位を高めると、Ｇ１及びＫ
からＡ１への電界が変化し、Ａ１開口を通るビーム電流
密度が増加する傾向があり、変調信号に大幅に打勝つの
で、これは望ましくない特性である。

この電子銃の別の形が第６Ｄ図に示されている。

この実施例では、３番目の開口つき電極を追加し、銃の
所要電力を更に減少し、変調能力を高めると共に、電流
を制御する電圧の関数としての書込みビームのビーム角
度の変化を減少する。この電子銃が陰極に、格子Ｇ１及
び第１の開口つき電極Ａ１を持つことが示されている。

電極Ａ１は低い正の電位で動作して、放出材料の所望の
電流密度を設定すると共に、陰極Ｋを電極Ａ２及びＡ３
の電界から部分的に隔離する。開口つき電極Ａ２が第６
Ｃ図の銃と同じ様な層流を集束してビームを削成る作用
をするが、その入力ビーム集束電界は、Ａ１及びＫの間
ではなく、電極Ａ１及びＡ２の間で主に作用する。電極
Ａ３が開口１２１を持ち、−様な電流密度の層流電子ビ
ームを受取り、この電子ビームがこの後この開口によっ
て所望の矩形の断面に整形され、ライトバルブに入る時
にビームの拡がりの角度が非常に小さいビームとして出
て行く。ビーム整形開口の平面に於ける層流電流密度を
所望の値に調節することにより、横方向の電子速度の変
化を極く小さくして、この銃を通る電子ビーム電流を制
御することが出来、こうしてビームの拡がりが極く小さ
いと云う所望の特性を保つ。この多重陽極の設計も、陰
極からの距離が増加するにつれて、開口の寸法が減少す
る様な、一連の電界を作る開口つき電極を設けることに
より、陰極の有効面積全部からの電子の放出を利用する
。層流を設定する為の相次ぐ電子レンズの相互作用と、
Ａ３の電位より低い電圧の所でビームの縁を遮る作用の
組合せにより、陽極Ａ３の平面に於けるビームと磁界と
の干渉から比較的自由であると共に、優れた電気的及び
機械的な安定性が得られる。制御格子Ｇ１が第６Ｄ図に
示されているが、これを層流銃に含めることは随意選択
である。陰極電極の放出作用のない延長部が、適切なＡ
Ｉ−に電界を限定する電極になり得る。この代りに、Ｇ
＋　［極を負に向かうパルスで変調して、それが望まし
い場合、ビデオ又は投影装置の制御電圧に応答して、ビ
ームを遮断することが出来る。

ところで第６図の例で、直径ＤＫは０．０３０吋、ＤＡ
工は０．０２０吋、ＤＡ２は０．０１０吋である。

第７図は１実施例の層流銃に対する電子ビーム線の軌跡
を例示しており、陽極構造の開口の寸法が漸進的に減少
する効果を示す。これは、仕事関数が４電子ボルトで直
径０．０３０吋の陰極の放出材料が空間電荷制限モード
で動作し、ＫからＡ１までの間隔が０．０１２吋で、開
口の直径が０．０２０吋の電子銃の場合について計算し
たものである。Ａ１からＡ２の間隔は０．１８８吋であ
り、Ａ２からＡ３の間隔を０．２２０吋であり、Ａ３の
矩形開口１２１は０．０００３５ＸＯ，００１８吋であ
る。この設計の銃は制御格子電極を使わない。何れも電
圧は陰極にの電位を基準として、Ａ１が＋６０ボルト、
Ａ２が＋２８００ボルト、モしてＡ３が＋７２００ボル
トの時、ビーム電流密度は１．１５アンペア／ｃｄであ
る。この計算では、電子放出の初期速度にマクスウェル
分布を仮定すると共に、陰極表面からの速度ベクトルに
はランバート分布を仮定している。結像開口に於ける電
子ビームの層流は、図示の線の痕跡から明らかである。

第８図は２番目の実施例の層流銃の設計に対する電子ビ
ーム線の軌跡を例示しており、やはり電極構造の開口の
寸法が徐々に減少する効果を示している。これは、制御
格子１１を持っていて、これが直径０．１１０吋の開口
を持ち、その面の平面が陰極表面より０．０２０吋前方
に出ており、゛陰極には直径０．０３０吋で仕事関数が
４電子ボルトであって、空間電荷制限モードで動作し、
ＫからＡ、までの間隔が０．０４０吋、Ａ１開口の直径
が０．０１６吋、ＡＩからＡ２までの間隔が０．１６０
吋、Ａ２開口の直径が０．０１０吋、Ａ２からＡ３まで
の間隔が０．２２０吋、Ａ３矩形開口が０．０００３５
吋×０．００１８吋である場合の電子銃の計算である。

Ｇ１が−１３０ボルト、Ａ１が＋３００ボルト、Ａ２が
＋２０００ボルト、Ａ３が＋７２００ボルト（全ての電
圧は陰極にの電位を基準とする）である時、ビーム電流
密度は１．１５アンペア／ｃｄである。第７図に示した
銃の場合と同じく、放出電子の初期速度はマクスウェル
分布を仮定し、陰極表面からの速度ベクトルはランバー
ト分布を仮定している。層流は図示の線の痕跡から明ら
かである。

臨界的な軸方向の間隔とビームの直径との比を持つ３つ
の加速電極を使うことにより、２番目及び３番目の加速
電極に対する電極電圧の臨界性を低下させながら、物体
開口に於けるビーム電流密度の独立の調節及び／又は変
調が出来る。１番目の加速電極は陰極に接近している為
、大体この電極の電圧レベル又はその近くにある仮想陰
極を作り、これが普通の電子銃で見られる熱的なビーム
の拡がりを少なくする。幅の狭い角度のビーム電流の１
次制御は、銃の最終開口に入射するビーム電流密度の調
節によって行なう。銃内の負及び正の電子レンズの相互
作用が、ビーム電流レベルの広い範囲にわたり、最後の
開口まで層流状態を保ち、こうして銃からの出力ビーム
の拡がりが小さくなることを保証している。

第９図はＡ３開口の平面の相異なる半径方向の位置に（
上に述べた様な）格子を持つこの発明の層流電子銃によ
って発生される電子ビームのビーム電流密度のグラフで
ある。

この発明を特定の好ましい実施例について説明したが、
当業者であれば、この発明の範囲内でこの発明に種々の
変更を加えて実施することが出来ることは明らかであろ
う。例えば、所望の電流密度を放出することが出来る陰
極を１２００乃至３０００°Ｋの温度範囲で動作させ、
陽極電圧及び間隔を調節して、層流及び所望のビームの
小さな角度を保ちながら、所要の条件を満たすことが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のライトバルブ投影装置の構造を示す簡略
断面図、第２図は従来のライトバルブ投影装置の動作原
理を示す簡略斜視図、第３図は従来のライトバルブ投影
装置の変調偏向装置の基本回路を示すブロック図、第４
図はこの発明を実施した新世代のライトバルブの主要な
要素の分解斜視図、第５図はこの発明の改良された電子
銃の断面図で、軸方向に分散した多数の開口つき電極を
示している。第６Ａ図乃至第６Ｄ図は電子銃の一部分の
拡大断面図で、種々の電極の形式を示すと共に所望の層
流状態を設定する時の静電界の影響を示している。第７
図はこの発明の電子銃によって得られる電子ビームの層
流状態を線の痕跡の解析によって示すグラフ、第８図は
この発明の２番目の設計によって得られる電子ビームの
層流状態を線の痕跡の解析によって示すグラフ、第９図
はこの発明の電子銃によって達成されるビーム電流密度
を示すグラフである。 ［主な符号の説明］ １１１．１１２，１１３，１２３：電極（陽極）１１９
：陰極 １２１：開口 ＦＩＧ、６Ａ ＦＩＧ　６８ ＦＩＧ６Ｃ １０−４，８ＪＩＡ ＦＩＧ、７ Ｇｌ　０２’０−１３０．０　　Ａ１４Ｑ／３００　Ａ
２２００／２０００　Ａ３４４０１ｒ２００釉万左目ε
角ｔ、（ｘｏ、ρρ／く９　　　　σ−ムｔａ４．６３
ＳＥ　−０３Ａ ＩＧＢ ＧＩ０２０−１３０．０　　＆、４０／３００　Ａ２２
００／２０００　Ａ３４４０／７２００じ・−６６イイ
菜 ＦＩＧ　９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）シュリーレン暗視野形ライトバルブに用いる層流電
   子銃に於て、約１．２アンペア／ｃｍ＾２の電流密度を
   持つ様に約２０００°Ｋの温度で動作する陰極と、該陰
   極と軸方向に整合してそれに密に接近している開口を持
   つと共に前記陰極に対して小さな正の電圧で動作する第
   １の電極であって、前記陰極及び当該第１の開口つき電
   極により当該第１の開口つき電極の電位又は大体その電
   位の仮想陰極を形成する当該第１の開口つき電極と、前
   記第１の開口つき電極と軸方向に整合し且つそれから隔
   たる開口を持っていて、前記陰極に対して比較的高い正
   の電位で動作し、前記第１の電極の開口よりも小さな開
   口を持つ第２の電極と、前記第２の開口つき電極と軸方
   向に整合し且つそれから隔たる開口を持ち、前記第２の
   開口つき電極よりも高い電位で動作し、前記第１及び第
   ２の電極の開口よりも小さい開口を持つ第３の電極とを
   有する層流電子銃。 ２）特許請求の範囲１）に記載した層流電子銃に於て、
   前記第３の電極の開口が矩形である層流電子銃。 ３）特許請求の範囲１）に記載した層流電子銃に於て、
   前記陰極が約０．０３０吋の直径を持ち、前記陰極及び
   前記第１の電極の間の間隔が０．０１２乃至０．０８０
   吋程度である層流電子銃。 ４）特許請求の範囲３）に記載した層流電子銃に於て、
   前記第１及び第２の電極の間の間隔が約０．１８８吋で
   あり、前記第２及び第３の電極の間の間隔が約０．２２
   吋であり、前記第１の電極の開口の直径が約０．０２吋
   であり、前記第２の電極の開口の直径が約０．０１吋で
   あり、前記第１の電極が＋４０乃至＋８０ボルトの範囲
   の電位で動作し、前記第２の電極が＋２０００乃至＋３
   ０００ボルトの範囲の電位で動作し、前記第３の電極が
   約＋７２００ボルトの電位で動作する層流電子銃。 ５）電流が調節自在な層流電子銃に於て、平坦な陰極、
   格子及び少なくとも２つの加速陽極を持ち、前記陰極か
   ら一番遠い加速陽極はビーム整形開口を持ち、前記格子
   及び前記加速陽極は前記陰極と共通の軸線上にあり、各
   々の加速陽極は前記陰極から遠ざかる向きに開口が次第
   に小さくなり、前記加速陽極は電位源に接続されて、静
   電界を発生し、該静電界が、電子を前記陰極から電子銃
   の中を略層流として移動させて、前記ビーム整形開口を
   通過する電子ビームのビームの拡がりを最小にし、前記
   ビーム整形開口が電子光学的にターゲットに結像される
   層流電子銃。 ６）特許請求の範囲５）に記載した層流電子銃に於て、
   ３つの加速陽極を設けた層流電子銃。 ７）特許請求の範囲５）に記載した層流電子銃に於て、
   前記ビーム整形開口が矩形である層流電子銃。 ８）特許請求の範囲５）に記載した層流電子銃に於て、
   前記陰極が１２００乃至３０００°Ｋの温度範囲で動作
   して４アンペア／ｃｍ＾２までの電流密度を発生する層
   流電子銃。 ９）特許請求の範囲８）に記載した層流電子銃に於て、
   １番目の加速陽極及び前記陰極が密な間隔であり、前記
   １番目の加速陽極は陰極に対して小さな正の電圧で動作
   し、前記陰極及び前記１番目の加速陽極が前記１番目の
   加速陽極の電位又は大体その電位にある仮想陰極を形成
   する層流電子銃。 １０）特許請求の範囲９）に記載した層流電子銃に於て
   、３つの加速陽極を持ち、２番目の加速陽極は前記陰極
   に対して比較的高い電位で動作し、前記ビーム整形開口
   を持つ３番目の加速陽極が前記２番目の加速陽極より高
   い電位で動作する層流電子銃。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した層流電子銃に於
   て、前記ビーム整形開口が矩形である層流電子銃。