DE2534912A1 - Fokussierlinsenanordnung fuer den elektronenstrahl einer kathodenstrahlroehre - Google Patents

Description

Zenith Radio Corporation, Chicago, Illinois, V₀ St. A₀

Fokussierlinsenanordnung füx* den elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre

Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf fokussierlinsenanordnung en für den Kathodenstrahl in einer Elektronenkanone der AEt, wie sie in Kathodenstrahl Mldröhr en für das Fernsehen eingesetzt werden«,

Die in FS-Kathodenstrahlröhren eingesetzten Elektronenkanonen weisen im allgemeinen zwei grundlegende Teile auf: (1) eine Elektronenstrahlquelle und (2) eine Fokussierlinse für den Elektronenstrahl, die ihn auf den mit Leuchtstoff beschichteten Bildschirm der Kathodenstrahlröhre fokussiert. Die meisten industriell eingesetzten Fokussierlinsen arbeiten elektrostatisch und sind als diskrete leitende rohrförmige Elemente ausgebildet, die koaxial zueinander angeordnet sind und auf vorgeschriebene Weise mit Spannungen versehen werden, um das elektrostatische Fokussierfeld aufzubauen. Eine der industriell akzeptierten Arten derartiger elektrostatischer Fokussierlinsen ist die Bi-

potentiallinse. Der Ausdruck "Bipotentiallinse" wird hier verwendet, um eine Linse aus im allgemeinen zwei Elektroden zu beschreiben, die die axial von der Quelle zum Bildschirm laufenden Elektronen mit einer axialen Potentialverteilung beaufschlagt, die von einem anfänglich niedrigen Potential nahe der Quelle monoton auf ein hohes Potential ansteigt; vergl. die Fig. A₀ Die axiale Potentialverteilung einer Bipotentiallinse dieser Art wird als "monoton" bezeichnet, da ihre erste Ableitung ihr Vorzeichen nicht wechselt,,

Als Gattung jedoch leidet die Bipotentiallinse an einer unerwünschten schlechten spärischen Aberration und ist außerstande, innerhalb eines sinnvoll kleinen Volumens, wie er im Hals des Kolbens einer Kathodenstrahlröhre vorliegt, fokussierte Strahlpunkte zu erzeugen, die ausreichend klein sind, um einen wesentlichen Verlust an Bildauflösung - insbesondere bei hohen Strahlströmen - zu vermeiden.

Eine weitere Gattung von Linsen, die Unipotentiallinse, ist ebenfalls seit langem bekannt· Der Ausdruck "Unipotentiallinse" bezeichnet hier eine Linse, deren axiale Potentialverteilung im wesentlichen sattelförmig ist und bei der das Potential am Anfang und am Ende der Linse im wesentlichen gleich sind. Die axiale

Potentialverteilung einer solchen Linse nimmt von einem anfänglich verhältnismäßig hohen Potential nahe der Elektronenquelle monoton auf ein verhältnismäßig niedriges Potential ab und steigt dann wieder auf das endgültige hohe Potential an; vergl. die

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Pige Β· Der Präfix "Uni-" betrifft den Umstand, daß das Endpotential das gleiche ist wie das Anfangspotential„

Obgleich die Unipotentiallinse industriell erfolgreich gewesen ist, hat sie einen Nachteil hinsichtlich der Elektrodenüberschlage innerhalb des Kolbenso Zum Verständnis des Wesens dieses Nachteils nehme man an, daß die Elektronenquelle in einer Elektronenkanone der in einer Kathodenstrahlröhre üblicherweise verwendeten Art in Richtung der Kanonenachse eine Kathode und zwei leitende Gitter aufweist - ein negatives Steuergitter, daß oft als "Elektrode G₁" bezeichnet wird, und ein erstes Anodengitter, das man üblicherweise als "Gp" bezeichnete Das Gitter Gp wird üblicherweise mit einer Gleichspannung von weniger als 1ooo V vorgespannte

Das Potential der ersten Fokussierlinsenelektrode, die man häufig als "G," bezeichnet, ist in einer Unipotentiallinse jedoch vergleichsweise sehr hoch und beträgt typischerweise 25 bis 3o kV_o Demgegenüber ist die körperliche Trennung zwischen G„ und G, so gering, daß der sehr hohe Spannungsunterschied zwischen ihnen in unerwünschten Maß die Gefahr von Überschlägen zwischen Gp und G, bewirkt« Diese Überschläge sind unerwünscht, da sie die Elektronenkanone oder die Ansteuerschaltungen des zugehörigen FS-Empfängers beschädigen können«, Überschläge im Bereich der Elektronenquelle sind besonders unerwünscht, da dann die Emissionsfläche der Kathode, die besonders brüchig ist, Schaden nehmen kann.

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Das Problem der Überschläge in einer Unipotential-Fokussierlinse läßt sich nicht lösen, indem man einfach den Abstand zwischen Gp und G, vergrößert, da man mit dieser Maßnahme die elektronenoptischen Eigenschaften im Bereich der Elektronenquelle (Kathode, G₁, G^ bis G,) beeinträchtigt oder gar den Elektronenstrahl externen Feldern aussetzt.

Wie bereits erwähnt, hat die Bipotentiallinse einen zweiten wesentlichen Vorteil gegenüber der Unipotentiallinse: ihre Neigung zu Überschlägen ist wesentlich geringer, da die erste Elektrode ein gegenüber der Vorspannung des Gitters Gp wesentlich geringeres Potential aufweist als die erste Elektrode einer Unipotentiallinse. Ein zusätzlicher Vorteil einer Bipotentiallinse ist, daß sie bei vorgegebener Länge der Elektronenkanone im allgemeinen eine geringere elektronenoptische Vergrößerung erzeugt, was kleinere fokussierte Bildpunkte insbesondere bei geringen Strahlströmen ergibt.

Eine dritte Gattung, die sich in der Literatur, aber nicht auf dem Markt findet, ist die mit periodisch verlängertem Feld nach bspwe der US-PS 3.7o2.95o, wie sie schematisch in der Fig_o C angedeutet ist.

Die Anmelderin hat nun eine Linse mit verlängertem Feld entwikkelt, die nur geringfügige Aberrationen erzeugt und wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik zeigt. Es hat sich herausgestellt, daß die Linsenaberrationen erheblich vom Wert des

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Linienintegrals der Größe (V_Q /V_Q )r abhängt, in der V_Q die axiale Potentialverteilung in der Linse und r die Radialkoordinate eines Elektrons im Strahl darstellen. Es folgt also, daß höhere Werte von V" besonders in Bereichen schädlich sind, wo das Axialpotential V niedrig oder der Strahlradius groß ist«. Eine diagrammatische Darstellung der axialen Potentialverteilung einer Fokussierlinse, die dieser Entwicklung entspricht, ist in Pig. D gezeigte

Es soll an diesem Punkt darauf verwiesen werden, daß das Fokussierfeld der solchen Linse mit verlängertem Feld ("extended field lens") in Axialrichtung durchgehend wirkt. Man beachte folgendes. Eine Senkung von V" allein - insbesondere in den Bereichen niedrigen Axialpotentials - ließe sich erreichen mit einer "Verbundlinse" aus zwei Bipotentiallinsen, die Rücken an Rücken angeordnet sind und einen vorbestimmten Axialabstand haben. Jede solche Reduktion von V" würde aber auch einen Driftbereich bzw. einem Bereich ergeben, in dem die Fokussierung nicht wirksam ist und der - infolge der axialen Trennung der Bipotentiallinsen - in der Mitte der Verbundlinse liegt.

Das Gesamtergebnis der Anwendung der oben beschriebenen Prinzipien auf die von der Anmelderin durchgeführte Entwicklung ist eine Linse mit verlängertem Feld, bei der das Fokussierfeld so entlang der Linsenaehse verteilt ist, daß V_Q sich über seinen gesamten Bereich glatt und allmählich änderte Die gewünschte Feldcharakteristik läßt sich im Paraxialbereich einer Linse mit

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sehr großem Durchmesser erzeugen«, Jedoch ist es bisher nicht möglich gewesen, die gewünschte Feldcharakteristik in einer Linse mit geringem Durchmesser ebenfalls zu erreichen. Es hat sich her« ausgestellt, daß, indem man in Bereichen, wo V klein oder der Strahldurchmesser groß ist, V" so klein wie möglich hält, man die erforderliche Fokussierleistung erhält, aber die gesamte erzeugte sphärische Aberration unterdrückt«

Daraus ist der Schluß gezogen worden, daß, wenn man gleichzeitig eine hohe Bildhelligkeit (d«,h_o verhältnismäßig hohe Strahlströme) und eine hohe Auflösung (verhältnismäßig geringe fokussierte Größe der Bildpunkte) wünscht, man anders vorgehen muß als bei den üblichen Uni- oder Bipotentiallinsen«, Diese Ziele werden von der vorliegenden Erfindung erreichte Die Erfindung wird unten im Detail beschrieben; um sie jedoch schnell in den Zusammenhang der Diagramme der Figo A-D einzuordnen, soll auf die Fig. E verwiesen werden, die die neuartige axiale Potentialverteilung einer beispielhaften Fokussierlinse zeigt, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Fokussierlinsenanordnung für den Elektronenstrahl in einer FS-Kathodenstrahlröhre mit einer Betriebsstromversorgung, die diskrete Spannungen liefert, und einer Elektronenkanone, an die die Spannungen aus der Betriebsstromversorgung angelegt werden, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen, und bestehend aus einer zugeordneten Kathoden- sowie einer Gitteranordnung, die einen Kathoden-

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strahl erzeugen, wobei die Fokussierlinsenanordnung Elektronen aus der Kathodenanordnung und ein vorbestiramtes Muster von Spannungen aus der Betriebsstromversorgung aufnehmen kann, um in einiger Entfernung einen Elektronenstrahlpunkt zu erzeugen, und die Fokussierlinsenanordnung mindestens drei .Elektroden aufweist, um ein elektrostatisches Fokussierfeld aufzubauen, dessen axiale PotentialVerteilung von einer verhältnismäßig niedrigen monoton auf ein verhältnismäßig niedriges Potential an einer Stelle an einem Punkt zwischen den Enden der Linse und von dem niedrigeren Potential monoton auf ein verhältnismäßig hohes Potential ansteigt,.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine elektrostatische Fokussierlinse geschaffen, die selbst bei hohen Strahlströmen eine verbesserte Punktfokussierung des Elektronenstrahls ermöglicht, aber eine geringere Überschlagsneigung zeigt.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Linse, die die verhältnismäßig günstige Fokussierung einer Unipotentiallinse, aber auch die reduzierte Überschlagsneigung und geringe Vergrößerung aufweist, die den Bipotentiallinsen eigen sind.

Die Merkmale der Erfindung, die für neuartig gehalten werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen ausgeführte Die Erfindung « zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen - soll nun im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen»

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Die bereits erwähnten Fig„ A bis E sind Bilder der axialen PotentialVerteilung über der Länge für verschiedene Konstruktionen der Fokussierlinsen für Kathodenstrahlröhren; Figo 1 ist eine teilgeschnittene Seitenansicht einer FFS-BiIdröhre mit einer neuartigen Elektronenkanone, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; Figo 2 zeigt eine alternative Fokussierlinse für Elektronenstrahlen nach der vorliegenden Erfindung;

Figo 3 ist ein Schaubild der mit dem Cmmputer berechneten Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes und der Elektronenbahnen für die Fokussierlinse nach der Fig_o 2; Figo 4 und 5 zeigen Farbbildröhren mit Punktmaske und Dreieckskanone bzw· Strichmaske und Reihenkanone, bei denen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angewandt werden können; und die Fig_e 6 zeigt die Anwendung der Erfindung in einer Strahlindex-Bildröhre ("beam index tube")_o

Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben werden, sollen zunächst bestimmte Prinzipien erläutert werden, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegen. Wie bereits dargelegt, erzeugt eine optimal konstruierte Unipotentiallinse normalerweise eine geringe sphärische Aberration als eine Bipotentiallinse. Der Grund hierfür ist, daß in einer Bipotentiallinse die erste Linsenelektrode, die am von der Elektronenquelle (Kathode und zugehöriges Gittersystem) erzeugten Strahlknoten liegt, sich auf einem verhältnismäßig niedrigen Potential von typischerweise 5 bis 6 kV befindet« Dies

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erlaubt, daß der aus dem Strahlknoten austretende Strahl sich rasch ausbreitet und einen großen Teil der Linse ausfüllt.

Demgegenüber liegt die erste Elektrode einer Unipotentiallinse (die dem System aus Kathode, erstem Gitter und zweitem Gitter am nächsten liegende Elektrode) auf einem erheblich höheren Potential, doh,, 25 bis 3o kV«, Infolge dieses erheblichen Potentials der ersten Linsenelektrode dehnt der Strahl sich nicht so rasch aus und füllt die Linse nicht so stark aus wie bei einer Bipotentiallinse,,

Es ist also einzusehen, daß der Vorteil eines verhältnismäßig hohen Potentials an der anfänglichen Linsenelektrode darin liegt, daß die Strahlaufspreizung in der Linse und damit das Ausmaß der sphärischen Aberration verringert werden. Als allgemeine Regel läßt sich feststellen, daß die sphärische Aberration mit zunehmendem Verhältnis des maximalen Strahldurchmessers zum maximalen Linsendurchmesser schnell zunimmt, d.h_o die sphärische Aberration ist eine direkte Funktion der Linsenausfüllung ('lens filling').

Es muß ein weiterer Faktor berücksichtigt werden - die Vergrößerung des Strahlknotens durch die Fokussierlinse. Die von einer Elektronenlinse erzeugte Vergrößerung ist eine Funktion des Potentials im Bereich zwischen dem Strahlknoten und dem Hauptfokussierfeld. Da dieses Potential bei einer Bipotentiallinse erheblich geringer ist als bei einer Unipotentiallinse, ist einzusehen, daß eine Bipotentiallinse in den Kategorien der Vergrößerung

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des Strahlknotens einer Unipotentiallinse überlegen ist. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung,eine Elektronenkanone mit einer Fokussierlinse zu schaffen, die die wünschenswerten Eigenschaften sowohl der Bi- als auch der Unipotentiallinse ausnutzte

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Farbbildröhre 1o mit drei der neuartigen Elektronenkanonen (von denen eine bei 12 gezeigt ist), die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpern,, Die Farbbildröhre 1o ist mit einem Hals 14 dargestellt, der die Elektronenkanonen 12 enthält und an einen Trichter 16 angeschlossen ist. Der Trichter setzt sich eine gewisse Strecke den Röhrenkolben entlang fort und läuft in eine Stirnplatte 18, einer vakuumdichten Umhüllung aus. Auf der Innenfläche der Stirnplatte 18 befindet sich ein Leuchtstoffschirm aus einem Muster ineinander verschachtelter rot-, blau- und grünstrahlender Leuchtstoffelemente 2oR, 2oB bzw* 2oG« Obgleich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sich auch auf den Bau von Elektronenkanonen anwenden lassen, die für Färb- und Schwarzweiß-Bildröhren allgemein einsetzbar sind, ist die Röhre Io als eine Farbbildröhre der Lochmaskenart dargestellt, bei der sich vor der Stirnplatte 18 eine Lochmaske 24 befindet. Wie bekannt, soll die Lochmaske als Parallaxensperre dienen, die eine saubere Ausrichtung des Rot-, Blau- und Grün-Elektronenstrahls mit jeweils den rot-, blau- und grünstrahlendeη Leuchtstoffelementen auf dem Bildschirm gewährleistet»

Die Elektronenkanone 12, die die Figo 1 zeigt, soll nun im ein-

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zelnen beschrieben werden. Die Elektronenkanone 12 kann als aus zwei grundsätzlichen Bestandteilen aufgebaut betrachtet werden: einer Elektronenquelle und einer Fokussierlinse«, In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die Elektronenquelle eine Kathodenanordnung auf, die hier als Kathodenzylinder 46, Heizwickel 48 und eine Emissionsschicht 5o dargestellt ist» Die aus dieser auftretenden Elektronen werden unter der Wirkung eines Gitters 52, das gewöhnlich als G„ bezeichnet wird, zu einem Strahlknoten 51 fokussiert Ein Steuergitter 54» das Gitter G₁, erhält eine gegenüber der Kathode negative Vorspannung und dient dazu, die Stärke des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von einem Videosignal, das an dieses Gitter oder die Kathode angelegt wird, zu steuern. Die Elektronenquelle zur Erzeugung des Strahlknotens 51 kann herkömmlich aufgebaut und betreibbar sein«.

Die neuartige Fokussierlinsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung nimmt Elektronen von einer Kathode und vorzugsweise von einem Strahlknoten, wie bei 51 dargestellt, sowie Betriebsspannungen in einer vorbestimmten Reihenfolge auf, um in einer Entfernung von der Kanone, nämlich auf dem Bildschirm 34 der Röhre 1o einen fokussierten Bildpunkt zu bilden - hier ein reales Abbild des Strahlknotens 51« Diese neuartige Fokussierlinsenanordnung enthält mindestens drei Elektroden, um ein elektrostatisches Fokussierfeld aufzubauen, das durch eine axiale Potentialverteilung gekennzeichnet ist, die von einem verhältnismäßig niedrigen Potential monoton auf ein verhältnismäßig niedrigeres Potential an einer Stelle innerhalb der Linsenlänge absinkt und

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dann von dem niedrigeren Potential monoton auf ein verhältnismäßig hohes Potential ansteigt. Bei Fernsehanwendungen, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, liegt die beschriebene Potentialverteilung in der Richtung des Elektronenstrahlflusses«. D.h., daß das niedrige Potential der Kathode und das verhältnismäßig hohe Potential dem Bildschirm am nächsten liegen«, Alternativ kann es in anderen Fernsehanwendungen - bspw« bei Röhren mit Nachablenkungsfokussierung - erwünscht sein, die Linsenorientierung umzukehren, d_eh. das verhältnismäßig hohe Potential auf die Kathode folgen zu lassen und das verhältnismäßig niedrigere Potential am bildschirmseitigen Ende der Linse vorzusehen.

In der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist die Linse 56 eine erste Elektrode 58, eine zweite Elektrode 6o, eine dritte Elektrode 62 und eine vierte Elektrode 64 auf_e Im Sinne einer leichten und wirtschaftlichen Herstellung sind die Elektroden vorzugsweise, aber nicht unbedingt aus herkömmlichen Rohrmaterial mit gleichem Innendurchmesser hergestellt. Die Elektroden 58 -64sind koaxial mit dazwischenliegenden kleinen Spalten angeordnete Ein Hals 65 auf der Elektrode 58 bewirkt eine Strahlabschirmung und eine Feldformung im Endteil des Elektronenquell enbereichse

Eine Betriebsstromversorgung 66 ist schematisch gezeigt; sie erzeugt die verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung Vr^m» eine verhältnismäßig niedrigere Betriebsspannung V^₀ und eine verhältnismäßig hohe Betriebsspannung Vuye Die Spannung "V™™ wird

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mittels eines Leiters 67, eines Stiftes 68 im Sockel 7o des Halses 14, und eine leitende Zuleitung 72 zur ersten und zweiten Elektrode 58 bzw. 62 geführte Die Betriebsspannung V_LQ geht über den Leiter 73, den Stift 74 und eine Zuleitung 76 zur zweiten Elektrode 6o.

Die verhältnismäßig hohe Betriebsspannung Vttj geht mittels eines Leiters 78, eines Anodenknopfes 8o, einer leitenden Beschichtung 82 auf der Innenfläche des Röhrenkolbens, einer an der Beschichtung 82 anliegenden Feder 59 und einen Konvergenzkäfig 86, der elektrisch mit der vierten Elektrode 64 zusammengeschaltet ist, an diese vierte Elektrode«, Die verhältnismäßig hohe Betriebsspannung VrTj ist vorzugsweise die Schirm- bzw. Endspannung, die über den Anodenknopf 8o und die leitende Beschichtung 82 an den Schirm gelangt.

Die statische Konvergenz der drei Kanonen 12 läßt sich auf herkömmliche Weise bewerkstelligen, d.h. magnetisch, elektrostatisch oder durch körperliche Konvergenz der Kanonenachsen 55 am Bildschirm. Die Stützanordnung für die Konvergenz der Kanonenachsen können ebenfalls herkömmlich sein; sie weisen Elektrodenstützsäulen (von denen eine bei 57 gezeigt ist), eine (später zu beschreibende) Feder 59 und andere, hier nicht gezeigte herkömmliche Elemente auf.

Entsprechend der bevorzugten Implementierung der Prinzipien nach der vorliegenden Erfindung wird die verhältnismäßig niedrige

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Spannung Vj_NT auf eine anfängliche Elektrode der Linse 56 gegeben, die hier mit 58 bezeichnet ist, und liegt innerhalb eines Bereiches von etwa 25 % bis etwa 6o % der verhältnismäßig hohen Betriebsspannung Vjjt· Obgleich für eine erfolgreiche Implementierung der Erfindung nicht erforderlich, zeigt die Darstellung die gleiche verhältnismäßig niedrige Spannung Vj_NT auch an die dritte Elektrode 62 gelegte In anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen einer einfachen Konstruktion gegenüber der Leistungsfähigkeit der Vorzug ge&en wird, kann die dritte Elektrode vollständig fortgelassen werden. Alternativ kann man an sie eine andere, zwischen der niedrigsten und der höchsten liegenden Spannung legenο

Im Sinne der Vereinfachung der Betriebsstromversorgung 66 und einer möglichst geringen Anzahl von Versorgungsspannungen ist erwünscht, daß dort, wo zwischen der höchsten und der niedrigsten liegende Spannungen an die anfängliche und Zwxschenelektroden angelegt werden sollen, diese Spannungen untereinander gleich sind.

In der in Fig_e 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist erwünscht, daß die Betriebsspannung V-^₀ innerhalb eines Bereiches von etwa 1o % bis 3o % der Betriebsspannung V^ liegt, aber immer geringer ist als die Spannung Vt_NT· Als Beispiel sei ausgeführt, daß die Spannung an· der ersten und der dritten Elektrode 58 bzw«, 62 etwa 12 kV, die Spannung an der zweiten Elektrode 6o etwa 5,o kV und die Spannung an der vierten Elektrode 64 etwa

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3o kV betragen können«

Um eine Linse mit verlängertem Feld zu erzeugen, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist weiterhin wichtig, daß die Längen der Elektroden 58 Ms 64 im Verhältnis zu ihren Durchmesser und untereinander vorherbestimmt werden. In der in Figo 1 dargestellten vorzugsweise ausgeführten Form der Erfindung kann die erste Elektrode 58 ein Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser von etwa o,5 bis 3,o, die zweite Elektrode 6o vorzugsweise ein solches Verhältnis von o,5 bis 2,2, die dritte Elektrode 62 vorzugsweise eine Länge von weniger als etwa dem o,75-fachen Innendurchmesser und die vierte Elektrode 64 eine Länge aufweisen, die nicht kritisch ist, aber groß genug sein muß, um die Linse zu vervollständigen.

Es folgen weitere konstruktive Einzelheiten für eine betriebsfähige Linse des bevorzugten Vier-Elektroden-Typs nach Figo 1. Die angegebenen Abmessungen gelten für eine Bildröhre in "Dickhals "-Ausführung mit im Dreieck angeordneten Elektrodenkanon en«, Länge der Elektrode 58 (ohne Hals 65)=1o,922 mm (o,43o in«,) ; Länge der Elektrode 6o = 12,7oo mm (o,5oo in.); Länge der Elektrode 62 = 4,191 mm (o,i65 in_o); Länge der Elektrode 64 = 7,62o mm (o,3oo in_e) ; Breite der Spalte zwischen den Elektroden o,762mra (o,o3o in.); Innendurchmesser der Elektroden 8,966 mm (o,353 in„)

Während aus wirtschaftlichen Gründen rohrförmige Elektroden bevorzugt werden, wie sie in der Ausführungsform in Fig. 1 gezeigt

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sind, lassen sich auch andere Elektrodenformen einsetzen, wie bspwe in der Pig. 2 gezeigt. Die Ausführungsform nach Pig. 2 weist eine Kathodenanordnung 98, eine rohrförmige Elektrode 1oo für G₁ sowie eine geformte Gp-Elektrode 1o2 auf. Eine neuartige Fokussierlinse nach der vorliegenden Erfindung ist dargestellt mit einer ersten Elektrode 1o4 mit einer Rückwand 1o6, die konvex auf die Elektronenstrahlquelle hinzu gekrümmt ist und eine Apertur 1o8 aufweist, durch die Elektronenstrahl hindurchtritt. Die zweite, dritte und vierte Elektrode sind bei 11o, 112 bzw. 114 und als rohrförmig dargestellt. Die typischen Elektrοdenabmessungen und -abstände sowie die angelegten Spannungen, die oben für die Ausführungsform der Fig. 1 angegeben sind, lassen sich auch für die Konstruktion und den Betrieb der Ausführungsform nach Fig, 2 verwenden.

Die Fig, 3 ist eine Aufzeichnung mit dem Computer berechneter Äquipotentiallinien und der Elektronenflugbahnen, die sich für eine Fokussierlinse nach Fig. 2 mit den allgemeinen Abmessungen und Betriebsspannungen erwarten lassen, die oben für die Ausfüh* rungsform der Fig. 1 angegeben sind_e Die Aufzeichnung der Fig„ 3 zeigt klar das kontinuierlich aktive Wesen des aufgebauten Fokussierfeldes und die geringere Ausfüllung der Linse durch den Elektronenstrahle Weiterhin zeigt sie den im wesentlichen feldfreien Bereich am kathodenseitigen Ende der ersten Elektrode, der den Vorbereich der Kanone von deren eigentlicher Fokussierlinse trennt. Die Abtrennung der Fokussierlinse vom Strahlknoten ist wichtig, da diese Entfernung unmittelbar die Vergrößerung des

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Strahlknotens beeinflußt, die die Fokussierlinse bewirkt.

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden für besonders nützlich gehalten für i'S-Bildröhren mit im Dreieck angeordneten Elektronenkanonen, Punktmaske und Punktbildschirm, wie sie die I'igo 4 zeigt, sowie für FS-Bild... öhr en mit in Reihe angeordneten Elektronenkanonen, Schlitzmasken und otrichbildschirm nach Fig.5. In der Fig. 4 sind die Elektronenkanonen im Dreieck bei 126, 128 und 13o gezeigte Eine Lochmaske 132 in Punktausführung wirkt mit einem Punktschirm 134 zusammen. In der Darstellung der Fig. 5 sind die KLektronenkanonen koplanar waagerecht aufgereiht; vergl_e 136, 138 und 14o_e Die Schattenmaske 142 ist eine "Schlitzmaske" und wirkt mit einem Bildschirm mit vertikal gerichteten rot-, blau- und grünetrahlenden Leuchtstoffstreifen zusammen. Weiterhin ist einzusehen, daß die Elektronenkanonen nach der Lehre der vorliegenden Erfindung auch für FFS-Bildröhren mit· nur einem Elektronenstrahl und in anderen einstrahligen Kathodenstrahlanordnungen nützlich sind.

Als weiteres Beispiel läßt die Erfindung sich bei einer FFS-BiIdröhre 115 in Strahlindex-Ausführung ("beam index type") verwenden, wie sie schematisch in der Fig. 6 dargestellt ist; hier wird eine .inzige Elektronenkanone 116 zur Erzeugung eines einzigen Strahls 117 verwendete Bei dieser Röhrenart erregt eine einzige Elektronenkanone normalerweise sequentiell die vertikal gerichteten rot-, blau- und grünstrahlenden Leuchtstoffstreifen auf der Schirmplatte der Röhre« Damit die Farbinformation, mit

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der der Elektronenstrahl 117 moduliert ist, während der Ablenkung des Strahls 117 über den Bildschirm mit der Strahlung der Leuchtstoffstreifen 118 synchronisiert werden kann, ist der Schirm in regelmäßigen Abständen mit Streifen eines Indiziermaterials versehen, die der Elektronenstrahl erregt. Diese (nicht gezeigten) Indizierstreifen können in einer von vielen Arten vorliegen - bspw. als solche, die bei Elektronenerregung UV-Strahlung abgeben, die dann von einem Photodetektor, der schematisch als 12o dargestellt ist, erfaßt wird» Der Photodetektor 12o ist an eine Verarbeitungsschaltung 122 angeschlossen, die ein Indiziersignal erzeugt, das zur Steuerung der Elektronenstrahlmodulation eingesetzt wird und gewährleistet, daß die Strahlbewegung mit der Farbinformation richtig koordiniert wird. Eine Elektronenkanone nach der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einer Strahlindexröhre geringer Größe, bei der der im Kolbenhals geringe verfügbare Raum der kleinen Punktgröße entgegensteht, die in einer Indexröhre erzeugt werden muß_o Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung läßt sich eine Elektronenkanone mit dem erforderlichen kleinen Durchmesser konstruieren, die in der Lage ist, eine annehmbar kleine Strahlpunktgröße zu erzeugen«.

Wie oben bereits erwähnt, lassen sich, wenn man einer einfachen Konstruktion-den Vorzug gegenüber höchster Leistungsfähigkeit gibt, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer 3-Elektroden-Ausführung realisieren, bei der die erste Elektrode entsprechend gestaltet ist und eine verhältnismäßig niedrige, zwi«

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sehen der höchsten und der niedrigsten Elektrodenvorspannung liegende Betriebsspannung erhält, die zweite Elektrode ebenfalls entsprechend ausgestaltet ist und eine verhältnismäßig niedrigere Betriebsspannung erhält und die dritte Elektrode entsprechend ausgestaltet ist und eine verhältnismäßig hohe Betriebsspannung erhalte Elektronenkanonen mit 3-Elektroden-IOkussierlinsen der hier beschriebenen Art werden jedoch nicht bevorzugt eingesetzt, da hinsichtlich der Strahlpunktgröße ihre Leistungsfähigkeit nicht so gut ist wie die der 4-Elektroden-Ausführung, wie sie oben beschrieben ist.

In Anwendungsfällen, in denen der Leistung der Vorzug gegenüber einfachem Aufbau und niedrigen Kosten gegeben wird, lassen sich Fokussierlinsen nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung implementieren, die fünf oder mehr Elektroden enthalten« Eine 5~Elektroden-Linse besteht aus fünf entsprechend ausgestalteten und im Abstand angeordneten Elektroden, an die in Richtung des Elektronenstrahlflusses folgende Spannungen angelegt werden:

^VINT» ^VL0» ⁷LO-INT* ⁷HI-INT ^{und V}HI° ^{Es hat sich} <3^edoch herausgestellt, daß eine 4-Elektroden-Linse einen praktischen Kompromiß zwischen mechanischer Kompliziertheit und Leistungsfähigkeit der Elektronenkanone darstellt.

Während in jeder der beschriebenen Ausführungsformen eine einzelne Elektronenkanone für die Erzeugung eines einzelnen Elektronenstrahls eingesetzt wird, lassen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sich auch unmittelbar in vereinheitlichten ("uni-

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tized") Kanonenkonstruktionen verwenden, in denen eine Verbundkonstruktion eine Vielzahl von Elektronenstrahlen erzeugt und gewisse Elemente mehrfach ausgenutzt werden,. Während bei den oben beschriebenen Ausführungsformen rohrförmige elektroden verwendet sind und diese ^lektrodenkonfiguration bevorzugt wird, lassen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sich auch mit ücheibenelektroden implementieren. Bei jeder der Ausführungsformen, die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, ist die aufeinanderfolge der angelegten Spannungen in den Elektrodenkonfigurationen und Abständen so zu wählen, daß die axiale Potentialverteilung monoton von einer verhältnismäßig niedrigen Potential auf ein niedrigeres Potential absinkt und dann monoton von diesem niedrigeren auf ein verhältnismäßig hohes Potential ansteigt.

Während die neuartigen Fokussierlinsen nach der vorliegenden Erfindung oben im Zusammenhang der fokussierung eines Elektronenstrahls auf einem Bildschirm beschrieben wurden, ist einzusehen, daß bei bestimmten Röhrenarten die Fokussierung vor oder hinter den Bildschirm gelegt werden kann. Während weiterhin hier die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrer Anwendung auf Elektronenkanonen mit kleinem Durchmesser betont wurden, die im Hals eines Bildröhrenkolbens dicht beieinander zusammengefaßt sind, ist ebenfalls einzusehen, daß bei Wegfall der Einschränkung hinsichtlich des Linsendurchmessers sich eine Linse mit großem Durchmesser nach der vorliegenden Erfindung konstruieren läßt, die eine wesentlich bessere Leistungsfähigkeit hinsichtlich der

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Punktgröße aufweist,.

An den oben beschriebenen Verfahren und Anordnungen lassen sich noch andere und"weitere Änderungen durchführen, onne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. L*ie Gegenstände der obigen Beschreibung sind also nur als erläuternd aufzufassen, nicht als die Erfindung beschränkende

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Claims (1)

1. QQ ^ ' ' ⁴^

   Patentansprücne

   1o Pokussierlinsenanordnung für Elektronenstx'anlen in einer -bernsehbildröhre mit einer Betriebsstromversorgung, die diskrete Betriebsspannungen liefert und einer elektronenkanone, an die die Betriebsspannungen aus der Betriebsstromversorgung gelegt werden, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen, mit einer zugeordneten Kathoden- und einer Gitteranordnung zur erzeugung eines elektronenstrahls, wobei die Eokussierlinsenanordnung mindestens drei Elektroden aufweist, die ein elektrostatisches Fokussierfeld aufbauen und Elektronen von der Kathodenanordnung sowie Spannungen aus der Betriebsstromversorgung in einer vorbestimmten Reihenfolge aufnehmen können, um in einiger Entfernung einen Strahlpunkt auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Fokussierlinsenanordnung ein Eokussierfeld mit einer axialen Potentialverteilung aufbauen können, die von einem verhältnismäßig niedrigen Potential monoton auf ein verhältnismäßig niedrigeres Potential an einer zwischen den Enden der Linse gelegenen Stelle absinkt und dann von diesem relativ niedrigeren Potential monoton auf ein verhältnismäßig hohes Potential ansteigt.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aaß die axiale Potentialverteilung in der Richtung des Elektronenstrahlflusses erzeugt wird und das verhältnismäßig niedrige Potential der Kathodenanordnung am nächsten liegt.

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   3o Anordnung nacn Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Potentialverteilung in einer dem KLektronenstrahlfluß entgegengesetzten Richtung erzeugt wird und das verhältnismäßig hohe Potential der Kathodenanordnung am nächsten liegt„

   4, Anordnung nach Anspruch 1, 2 oaer 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verhältnismäßig hohe Potential das gleiche ist, das an den Bildschirm der das oystem einschließenden Bildröhre gelegt ist, und das verhältnismäßig niedrigere Potential einen V/ert innerhalb eines Bereiches von etwa 1o bis 3o % der Bildschirmspannung und das niedrige Potential einen V/ert innerhalb eines Bereiches von etwa 25 bis 6o % des Bildschirmpotentials, aber nie weniger als das verhältnismäßig niedrigere Potential aufweisen.

   5ο Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pokussierlinsenanordnung eine erste, zweite, dritte und eine vierte rohrförmige leitende elektrode aufweist, die alle etwa den gleichen Innendurchmesser haben und in geringem Abstand koaxial zueinander angeordnet sind₀

   6_e Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Länge zu Innendurchmesser für die erste elektrode etwa o,5 bis 3,ο ist„

   7ο Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die zweite Elektrode das Verhältnis von Länge zu Innen-

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   durchmesser etwa ο, 5 Ms 2,2 "beträgt,,

   8. Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode eine Länge von weniger als etwa dem 0,75-fachen Innendurchmesser hat„

   9c Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen in einer Elektronenkanone, gekennzeichnet durch eine Betriebsstromversorgung, um eine erste Elektrode in der Pokussierlinsenanordnung mit einer verhältnismäßig niedrigen Betriebsspannung, eine zwischenliegende Elektrode in der Linse mit einer verhältnismäßig niedrigeren Betriebsspannung und eine endständige Elektrode in der Linse mit einer verhältnismäßig hohen Betriebsspannung zu versorgen und diese Spannungen an die jeweiligen Elektroden anzulegen_e

   1o. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine erste, zweite, dritte unu vierte Elektrode aufweist, die axial-zueinander auf Abstand liegen, und daß die verhältnismäßig hohe Betriebsspannung angenähert der an den Bildschirm der das System umschließenden Kathodenstrahlbildröhre entspricht und an die vierte Elektrode gelegt ist, die verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung eine Höhe von etwa 25 bis 6ο % der verhältnismäßig hohen Betriebsspannung hat und an die erste und die dritte Elektrode gelegt ist, und daß die verhältnismäßig niedrigere Betriebsspannung eine Höhe im Bereich von etwa 1o bis 3o % der verhältnismäßig hohen Betriebsspannung aufweist, aber

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   immer niedriger als die verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung und an die zweite Elektrode gelegt ist.

   11. Anordnung" nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung etwa 12 kV, die verhältnismäßig niedrigere Betriebsspannung etwa 5,8 kV und die verhältnismäßig hohe Betriebsspannung etwa 3o kV betragen»

   12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einer Farbfernsehbildröhre mit kleinem Hals und Lochmaske, wobei die Elektronenkanone Mittel aufweist, um im Röhrenhals ein im Dreieck oder in einer Reihe angeordnetes Bündel aus dem jeweils dem Rotanteil, den Blauanteil und dem Grünanteil zugeordneten Elektronenstrahl zu erzeugen, die einzeln fokussiert und auf dem Bildschirm der Röhre zusammengeführt werden, und die Kathodenanordnung und die Gitteranordnung drei getrennte Strahlknoten - jeweils einen pro Elektronenstrahl - erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinsenanordnung Elektronen von den Strahlknoten her aufnehmen und die Strahlknoten einzeln auf dem Bildschirm fokussieren kann«,

   13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwendung in einer Fernsehbildröhre der Strahlindex-Bauart, wobei die Elektronenkanone einen einzelnen fokussierten Elektronenstrahl erzeugt und die Kathoden- und die Gitteranordnung einen Strahlknoten erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinsenanordnung Elektronen aus dem Strahlknoten und aus der Betriebs-

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   stromversorgung eine verhältnismäßig niedrige, eine verhältnismäßig niedrigere und eine verhältnismäßig hohe Betriebsspannung in vorbestimmter Reihenfolge aufnehmen, um in einer Entfernung ein reelles Abbild des Strahlknotens zu erzeugen»

   Cl / Se

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   a-

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