NL8900067A - Beeldweergeefinrichting. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Beeldweergeefinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een beeldweergeefbuis bevattende een beeldscherm en een daartegenover geplaatst elektronenkanon met langs een elektronen-optische as gecentreerd een kathode en een aantal elektroden welke samen een bundelvormend deel vormen voor het opwekken van een elektronenbundel, welk kanon verder voorzien is van een elektrostatische focusseerlens voor het opwekken van een focusseerlens-veld met een kathodezijdig convergerend gedeelte en een schermzijdig divergerend gedeelte, welke buis voorzien is van afbuigmiddelen voor het opwekken van een afbuigveld dat tenminste een deel van het convergerende gedeelte van het focusseerlensveld overlapt.

Bij de tot nu toe gefabriceerde beeldbuizen is de focusseerlens van het elektronenkanon altijd buiten het afbuigveld geplaatst. Op theoretische gronden is het echter aantrekkelijk om de elektrostatische elektronenlens voor het focusseren van de elektronenbundel op het beeldscherm tenminste gedeeltelijk binnen het afbuigspoelenstelsel te plaatsen, zodanig dat het afbuigveld tenminste een deel van het convergerende gedeelte van het afbuigveld overlapt, om zo enerzijds een kortere inrichting te verkrijgen, en anderzijds de afstand tussen de focusseerlens en het beeldscherm te verkleinen. De functie van de focusseerlens is het afbeelden van de kathode of de cross-over op het beeldscherm. De bij de afbeelding optredende vergroting is evenredig met de afstand tussen het focusseerlenssysteem en het beeldscherm, en, zij het in mindere mate, evenredig met de afstand tussen de kathode, of de cross-over, en het focusseerlenssysteem. Hoe kleiner dus de eerstgenoemde afstand is, hoe kleiner de elektronen-optische vergroting van de spot is en hoe beter de resolutie van de beeldweergeefinrichting kan zijn.

Vooral wanneer men ook de sferische aberratie van de focusseerlens in ogenschouw neemt, en zoekt naar optimale oplossingen om cross-over of kathode af te beelden dan blijft de afstand van focusseersysteem tot scherm van uiterst belang. De relatie dat de mate van focusseren evenredig is met het inverse van deze afstand blijft geldig. De invloed van de afstand van kathode tot focuseerlens is dan van veel minder belang.

Gezien het bovenstaande zou men de focusseerlens zo ver mogelijk naar het beeldscherm toe, d.w.z. zo ver mogelijk naar voren in het afbuigveld willen plaatsen. Echter, hoe meer de focusseerlens binnen het afbuigspoelenstelsel komt te liggen, hoe meer het afbuigveld wordt tegengegaan door wervelstromen (eddy currents) die in de elektrisch geleidende onderdelen van de focusseerlens worden opgewekt.

Afgezien van de afschermende werking t.o.v. het door het afbuigspoelenstelsel opgewekte veld leveren deze wervelstromen ook nog magneetvelden die de focussering storen.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag het bovengenoemde probleem op te lossen.

Een beeldweergeefinrichting van de in de aanhef beschreven soort heeft daartoe volgens de uitvinding als kenmerk, dat de focusseerlens een buisvormige structuur omvat met een binnenoppervlak waarop een spiraalvormige weerstandsstructuur van een materiaal met een hoge elektrische weerstand is aangebracht, dat de focusseerlens een buisvormige structuur omvat met een binnenoppervlak waarop een spiraalvormige weerstandsstructuur van een materiaal met een hoge elektrische weerstand is aangebracht welke buisvormige structuur een coaxiaal ingangsdeel en een coaxiaal uitgangsdeel heeft, waarbij het uitgangsdeei afmetingen heeft die aanlopen van de afgebogen elektronenbundel voorkomen.

Als gevolg van de hoge weerstand van de spiraalstructuur wordt het optreden van wervelstromen, en daarmee het tegenwerken van het afbuigveld, vergaand vermeden.

De focusseerlens kan daardoor bij de beeldweergeefinrichting volgens de uitvinding zonder nadelige gevolgen verder naar voren in het afbuigveld geschoven worden dan bij beeldweergeefinrichtingen volgens de stand van de techniek mogelijk was.

Omdat de buisvormige structuur van de focusseerlens zo ver naar voren wordt geplaatst, dient het uitgangsdeel van deze structuur zodanige afmetingen te hebben dat geen aanloper van de afgebogen bundel optreedt. Bij voorkeur verwijdt de buisvormige structuur zich daartoe naar het beeldscherm toe. Een bijzonder praktische oplossing is in dat geval het aanbrengen van de spiraal- vormige weerstandsbaan op de binnenzijde van de beeldbuisomhulling.

Echter, bij het verder naar voren schuiven blijkt een nieuw probleem op te duiken. Hoe verder de focusseerlens in het afbuigveld komt, hoe sterker de elektronenbundel in de lens van de centrale positie afgebogen wordt. Dit blijkt tot gevolg te hebben dat behalve sferische aberratie ook andere aberraties zich doen gelden die het verkleinen van de spotvergroting, die het gevolg is van het verkleinen van de afstand tussen focusseerlens en beeldscherm, voor een deel tenietdoen. Deze aberraties zijn een gevolg van het feit dat de bundel t.g.v. het door het focusseersysteem heen grijpend deflectieveld niet meer centraal door het focusseersysteem loopt. Van deze elektronen-optische aberraties is de meest storende spotgroei door coma, terwijl daarnaast spotgroei door deflectie-astigmatisme en door beeldveld-kromming (curvature of field) blijken op te treden. Beeldveldkromming is het niet samenvallen van het hoofdbeeldvlak ("mean surface of the image" of ook wel "surface of best focus" genoemd) met het beeldscherm.

Wenst men zoveel mogelijk profijt van het laten overlappen van het afbuigveld met het focusseerlensveld te hebben, dan dient men tenminste de spotgroei door coma tegen te gaan. Hierin kan in het kader van de uitvinding op de volgende wijze worden voorzien.

Voor het compenseren van spotgroei door coma is een eerste uitvoeringsvorm van een beeldweergeefbuis volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de buis een tussen het bundelvormend kanondeel en de focusseerlens gelegen hulpinrichting bevat voor het opwekken van een dipoolveld dat een vóór-afbuiging aan de elektronenbundel geeft in een richting tegengesteld aan de richting van de bundelafbuiging door het afbuigspoelenstelsel (zodat de bundel gemiddeld door het midden van de lens gaat).

Voor het compenseren van spotgroei door deflectie-astigmatisme is een tweede uitvoeringsvorm van de beeldweergeefbuis volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat het elektronenkanon is voorzien van een tussen het bundelvormend kanondeel en de focusseerlens gelegen dynamisch aanstuurbaar elektrostatisch of magnetisch 2N-pool element (N is 2 of 4).

Voor het compenseren van spotgroei door beeldveldkromming is een derde uitvoeringsvorm van een beeldweergeefinrichting volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de spiraalvormige focusseerlensstructuur in bedrijf verbindbaar is met middelen voor het toevoeren van een in de tijd variërend veld, voor het variëren van de sterkte van de focusseerlens als functie van de positie van de trefvlek van de elektronenbundel op het beeldscherm (z.g. dynamische focus).

De bovenbeschreven maatregelen kunnen afzonderlijk of in combinatie worden toegepast.

Enige uitvoeringsvormen van de beeldbuis volgens de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van een tekening. Hierin toont fig. 1 schematisch een doorsnede van een beeldweergeef-buis volgens de uitvinding; fig. 2 een aanzicht van een langsdoorsnede van een elektronenkanon geschikt voor toepassing in de buis van fig. 1; fig. 3 een m.b.v een elektronenkanon van het type van fig. 2 opwekbaar focusseerveld; fig. 4 een alternatief uitvoeringsvoorbeeld van een beeldweergeefbuis volgens de uitvinding in een doorsnede; en tonen fig. 5, 6 en 7 de toename van de spotafmetingen als functie van het schuiven van een focusseerlens in de richting van het. beeldscherm.

De inrichting weergegeven in figuur 1 bevat een kathodestraalbuis bestaande uit onder andere een glazen omhulling 1 welke is samengesteld uit een beeldvenster 2, een konusvormig deel 3 en een hals 4. In deze hals zijn een aantal elektrodestructuren 8, 9, 10 geplaatst welke samen met een kathode 7 een elektronenkanon vormen. De elektronen-optische as 6 van het elektronenkanon is tevens de as van de omhulling. Een elektronenbundel 12 wordt achtereenvolgens gevormd en versneld door de kathode 7 en de elektrodestructuren 8, 9. De elektrodestructuur 10 vormt een focusseerlens welke de bundel op een beeldscherm 14 op de binnenzijde van het beeldvenster 2 focusseert. De elektrodestructuur 10 wordt gevormd door een spiraalvormige weerstandsbaan van een materiaal met een hoge elektrische weerstand die is aangebracht op het binnenoppervlak van een buisvormige structuur. Gebruikelijke aangelegde spanningen zijn bijvoorbeeld kathode 7 50 V

elektrode 8 0 V

elektrode 9 500 V

begin-elektrode 10 7 kV

einde-elektrode 10 30 kV

In het algemeen is de potentiaal van het begin van de focusseerlenselektrode een factor 2 tot 10 hoger dan de potentiaal van het einde van de focusseerlenselektrode. Met behulp van een afbuigspoelenstelsel 5 wordt de elektronenbundel 12 van de as 6 af over het beeldscherm 14 afgebogen. Beeldscherm 14 bestaat uit een fosforlaag bedekt met een dunne aluminiumfilm welke via een geleidende bedekking op de binnenwand van het konusvormig deel 3 met elektrode 10 elektrisch kan zijn verbonden.

In figuur 3 is schematisch een voorbeeld van een focuslensveld dat door de focusseerlens 10 kan worden opgewekt weergegeven. De gebogen lijnen stellen de snijlijnen voor van de equipotentiaalvlakken, die door het aanleggen van een spanningsverschil over de uiteinden van de spiraalvormige weerstandsbaan ontstaan, met het vlak van tekening. Elk equipotentiaalvlak stelt een vlak met een gelijke brekingsindex voor. Het centrum van de lens is het punt A. Dit is het punt waarin de tweede afgeleide van het potentiaalverloop als functie van de plaats op de as nul is. De brandpuntsafstanden f1 en f2 zijn respectievelijk de afstanden tussen het brandpunt en het eerste hoofdvlak H-| en de afstand tussen het brandpunt F2 en het tweede hoofdvlak H2. De brandpunten F^ en F2 zijn respectievelijk op afstanden F'^ en F'2 van het centrum A gelegen. De focusseerlens heeft een convergerend ingangsgedeelte en een divergerend uitgangsgedeelte. De door de elektrodestructuur 10 gevormde focusseerlens ligt gedeeltelijk binnen het afbuigspoelenstelsel 5. Omdat de focusseerlens minder ver verwijderd is van het beeldscherm dan in buizen waarbij de focuslens vóór de afbuigspoelen is gelegen, is bij gelijkblijvende elektronenbundeldiameter in de focuslens en dus gelijkblijvende aberraties en bij een gegeven kathodebelasting, de bundelopeningshoek op het beeldscherm groter, waardoor een kleinere elektronentrefvlek op het beeldscherm gerealiseerd wordt. Dit houdt een beter oplossend vermogen in.

Omdat de focusseerlens zich gedeeltelijk in het veld van de afbuigspoelen bevindt, wordt deze in het kader van de uitvinding als een spiraalvormige baan van een materiaal met een hoge elektrische weerstand die op de binnenwand van een buisvormige structuur is aangebracht uitgevoerd om zoveel mogelijk het optreden van wervelstromen in het materiaal van de lenselektrode te onderdrukken.

De uitvinding kan vruchtbaar worden toegepast in alle beeldweergeefinrichtingen voorzien van kathodestraalbuizen met één elektronenbundel en magnetische afbuiging, zoals monochrome televisiebuizen, bepaalde kleurentelevisiebuizen (chromatons en penetrons) maar vooral in projectietelevisiebeeldweergeefinrichtingen.

Figuur 2 toont een elektronenkanon van een type dat geschikt is voor toepassing in de beeldbuis van fig. 1. Het type in kwestie omvat een buisvormige (glazen) omhulling 15. Op de binnenkant van de omhulling 15 is een hoog-ohmige weerstandslaag 16 aangebracht, waarin nabij een uiteinde een spiraalvormige structuur is gevormd die een focusseerlensveld 17 vormt. De hoog-ohmige weerstandslaag 16 kan b.v. bestaan uit glasemaille een klein aandeel (b.v. enkele gew.%) aan metaaloxyde (i.h.b. rutheniumoxyde) deeltjes. De laag 16 kan een dikte hebben tussen 1 en 10 pm, b.v 3 pm. De vierkantsweerstand van een dergelijke laag hangt af van de concentratie aan metaaloxide en de stookbehandeling waaraan de laag wordt onderworpen. In de praktijk zijn vierkantsweerstanden variërend van 10 tot 10 Ω gerealiseerd.

Door instellen van de relevante parameters kan een gewenste vierkantsweerstand gerealiseerd worden. Een vierkantsweerstand in de c n orde van 10 a 10 δ is voor de onderhavige toepassing zeer geschikt. De totale weerstand van de in de laag 16 gevormde spiTaalstructuur (die zowel uit een continue spiraal kan bestaan als uit een aantal afzonderlijke, door segmenten zonder spiraalstructuur verbonden spiralen - in het voorbeeld van fig. 2 zijn dit er 6 -) kan in de orde van 10 G δ liggen, wat betekent dat er bij een spanningsverschil van 30 kV over de uiteinden een stroom zal lopen van enkele micro-ampères.

Vóór de focusseerlens 17 bevat het elektronenkanon van fig. 2 een bundelvormend deel 18, dat i.h.a. een kathode 19, een roosterelektrode 20 en een anode 21 bevat. De onderdelen van het bundelvormend deel 18 kunnen in de buisvormige omhulling 15 van de focusseerlens 1 gemonteerd zijn, zoals in het in fig. 2 getoonde kanon.

Op alternatieve wijze kunnen ze buiten de buisvormige omhulling van de focusseerlens in de beeldbuis gemonteerd zijn, b.v. door ze aan axiale glaskeramische montage staven (mounting rods) te bevestigen. De buisvormige omhulling 16 kan met voordeel door de nek van de beeldbuis gevormd worden. Een beeldbuis 22 waarin dit het geval is wordt schematisch getoond in fig. 4. Het voordeel van een dergelijke constructie is in het bijzonder dat doordat de hoog-ohmige weerstandslaag met spiraalstructuur 23 van de focusseerlens op een deel van de omhulling van de beeldbuis 22 is aangebracht waar deze zich trechtervormig verwijdt aanlopen van de door het afbuigspoelenstelsel 25 afgebogen elektronenbundel 24 tegen de spiraalstructuur voorkomen wordt. Bij de in fig. 1 getoonde beeldbuisconstructie kan dit een probleem vormen, dat in dat geval verkleind kan worden door b.v. de buisvormige omhulling van de focusseerlens 10 een zich trechtervormig verwijdend uiteinde te geven. Een maatregel die ook kan helpen is de elektronenbundel vóór hij in de focusseerlens treedt een voorafbuiging te geven tegengesteld aan de hoofdafbuiging. Een elektronanbundel die een dergelijke voorafbuiging heeft ondergaan is in fig. 1 aangeduid met 12'. Een elektronenbundel die geen voorafbuiging heeft ondergaan is aangeduid met 12. Zoals hiervoor reeds beschreven is het geven van een tegengestelde voorafbuiging aan de elektronenbundel op zich een nuttig correctiemiddel om bij de beeldbuis volgens de uitvinding spotgroei door coma te verkleinen. Voor het bewerkstelligen van een voorafbuiging kan de beeldbuis van een spoelenstelsel voorzien zijn (aangegeven met verwijzingscijfer 11 in fig. 1 en met verwijzingscijfer 26 in fig. 4).

Zo'n spoelenstelsel 11, resp. 26, kan een ringvormige magneetkern 27 bevatten waarop b.v. één of twee stellen van vier spoeltjes gewikkeld zijn (Fig. 1A). Door deze selectief dynamisch te bekrachtigen kunnen resp. elektromagnetische voorafbuigingsdipoolvelden in x- en y-richting en een elektromagnetisch quadrupoolveld opgewekt worden. Door de elektronenbundel door een guadrupoolveld te sturen kan, zoals hiervoor beschreven, bij de beeldbuis volgens de uitvinding spotgroei door astigmatisme verkleind worden.

Analoge effecten kunnen echter bereikt worden door het aanleggen van elektrische dipool- en quadrupoolvelden. Hiertoe kan men b.v. in het niet van een spiraal voorziene cilindrisch segment van de hoog-ohmige weerstandslaag 16 van het elektronenkanon van fig. 2 acht axiale elektrodes ("vingers") vormen die apart aanstuurbaar zijn.

Fig. 5, 6 en 7 tonen hoe de afmetingen van de spot bij verplaatsing van de focusseerlens in de richting van het beeldscherm toenemen t.g.v. coma (fig. 5), beeldveldkromming (fig. 6) en astigmatisme (fig. 7). De spotafmetingen zijn bepaald voor een bundel met een bundelopeningshoek aan de voorwerpszijde van de focusseerlens van r' = 50 mrad., voorwerpsgrootte van 50 pm en deflectie op het beeldscherm van X = 7,36 x R^eng. Qj is de afstand van de voorzijde van de focusseerlens tot het beeldscherm (in de beginpositie was = 15 cm, in de eindpositie was = 10 cm) en R is de straal van de focusseerlens (in het geval van het voorbeeld is R = 5 mm).

In fig. 5 wordt de spotgroei, door coma geïllustreerd aan de hand van de factor (k^ X r'2), waarbij kL is een foutencoëfficiënt en X en r' zoals hierboven gedefinieerd.

Op analoge wijze wordt in fig. 6 de spotgroei door beeldveldkromming geïllustreerd aan de hand van de factor (kpX r') en wordt in fig. 7 de spotgroei door astigmatisme o geïllustreerd aan de hand van de factor (kAX r'), waarbij kp en kA voor die gevallen de foutencoëfficiënt voorstellen.

Fig. 5 toont bovendien aan de hand van de factor hoe groot de benodigde voordeflectie (5 het benodigde aantal

ampèrewindingen) relatief t.o.v. de hoofddeflectie moet zijn om steeds de coma nul te maken. Hierbij is B de magnetische flux en 1 de effectieve veldlengte. Voor het verminderen van 3e orde comafouten is een lineair verband tussen de sterkte van het hoofd- en het voorafbuigveld voldoende, wat technisch gemakkelijk te realiseren is en in de praktijk goede resultaten geeft. Voor het verminderen van hogere orde fouten kan een niet-lineair verband wenselijk zijn.

Door i.h.b. de voorafbuiging vóór de focusseerlens te doen plaatsvinden zal de bundel in de focusseerlens gemiddeld door het midden gaan en wordt het probleem van het aanlopen van de bundel tegen de rand van het uitgangsdeel van de buisvormige structuur verminderd. De effectieve uittree-opening van de buisvormige structuur wordt a.h.w. vergroot.

In het kader van de uitvinding is het desgewenst mogelijk de beeldveldkromming met behulp van dynamische focussering te corrigeren. De sterkte van de elektronenlens voor het focusseren van de , elektronenbundel, welke lens ook wel focuslens wordt genoemd, wordt als functie van de afbuiging waaraan de elektronenbundel op dat moment onderworpen is ingesteld. Daardoor is het mogelijk het op dat moment geldend hoofdbeeldvlak het beeldscherm daar te laten snijden waar de elektronenbundel het beeldscherm treft. Deze manier van corrigeren maakt het nodig in de besturingsinrichting een extra schakeling op te nemen voor het opwekken van de juiste dynamische focusspanningen op de elektroden van de focuslens.

Doordat het materiaal van de spiraalvormige weerstandsbaan zo'n hoge elektrische weerstand heeft (b.v. 10 GQ) is de RC tijd hoog (b.v. 10 msec). Daardoor dringt het effect van de dynamische focusspanning niet ver door in de spiraalvormige weerstandsstructuur. Men zou kunnen denken dat het toevoeren van een dynamische focusspanning daarom geen substantieel resultaat heeft. Dit blijkt in die gevallen dat de lijnfrequenties niet te hoog zijn echter niet zo te zijn. Er wordt a.h.w. in het begin van de focusseerlens toch een correctielensje verkregen en dat is al voldoende. De lengte van de correctielens speelt geen rol omdat alleen de 1e orde eigenschappen van belang zijn.

Claims (5)

1. Beeldweergeefbuis bevattende een beeldscherm en een daartegenover geplaatst elektronenkanon met langs een elektronen-optische as gecentreerd een kathode en een aantal elektroden welke samen een bundelvormend deel vormen voor het opwekken van een elektronenbundel, welk kanon verder voorzien is van een elektrostatische focusseerlens voor het opwekken van een focusseerlensveld met een kathodezijdig convergerend gedeelte en een scherrazijdig divergerend gedeelte, welke buis voorzien is van afbuigmiddelen voor het opwekken van een afbuigveld dat tenminste een deel van het convergerende gedeelte van het focusseerlensveld overlapt, met het kenmerk, dat de focusseerlens een buisvormige structuur omvat met een binnenoppervlak waarop een spiraalvormige weerstandsstructuur van een materiaal met een hoge electrische weerstand is aangebracht welke buisvormige structuur een coaxiaal ingangsdeel en een coaxiaal uitgangsdeel heeft, waarbij het uitgangsdeel afmetingen heeft die aanlopen van de afgebogen elektronenbundel voorkomen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buisvormige structuur zich naar het beeldscherm toe verwijdt.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kathodestraalbuis een tussen het bundelvormend kanondeel en de focusseerlens gelegen hulpinrichting bevat voor het opwekken van een dipoolveld dat een vóór-afbuiging aan de elektronenbundel geeft synchroon mét en in een richting tegengesteld aan de richting van de bundelafbuiging door de afbuigraiddelen.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het elektronenkanon is voorzien van een tussen het bundelvormend kanondeel en de focusseerlens gelegen dynamisch aanstuurbaar electrostatisch of magnetisch 2-pool element (N is 2 of 4).

5. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de spiraalvormige focusseerlensstructuur in bedrijf verbindbaar is met middelen voor het toevoeren van een in de tijd variërend veld, voor het variëren van de sterkte van de focusseerlens als functie van de positie van de trefvlek van de elektronenbundel op het beeldscherm.