DE3200492A1 - Vorrichtung zum wiedergeben von bildern mit hilfe einer kathodenstrahlroehre - Google Patents

Description

PHN 993^+ S^ 22.5.1981

Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodens tr ahlx-öhre

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuierten Kolben einen Bildschirm und ein Elektronens trahlerzeugungssy stern zum Erzeugen eines Elektronenstrahls enthält und die mit einem Hauptablenkspulensysteni versehen ist, das rings um die Röhre angebracht ist und mit dessen Hilfe in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Elektronenstrahl über den Bildschirm abgelenkt wird.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 28 26 788 bekannt, Ln der eine Vorrichtung mit einer Kathodenstrahlröhre für Pi'ojektionsfernsehzwecke beschrieben ist.

Bei Kathoclons Lraldröhren verwendete Ablenkspulen führen oft elektronenoptische Aberratiurien in dem abgelenkten Elektronenstrahl herbei. Die wichtigsten Aberrationen sind Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Koma. Dies sind die sogenannten Aberrationen dritter Ordnung. Neben diesen Aberrationen dritter Ordnung treten auch Bildfehler fünfter und siebtel' Ordnung auf. Diese sind aber erst bei grossen Werten des Abstandes s des Elektronenstrahls von der Aclide des Ablenkspulensystems im Ablenkfeld und der Tangente des Ablenkwinkels ^lJ^J von Bedeutung. Diese Aberrationen können daduj-ch korrigiert werden, dass synehr on mit der Ablenkung· dynamische Korrekturen vorgenommen werden,- So werden Astigmatismus mit Hilfe eines oder zweier dynamischer Vierpole, Bildfeldkrümmung mit dynamischer Fokussierung und Komafehler mit Hilfe dynamischer Sechs-, Acht- und Zehnpolfelder korrigiert.

Aus dem Aufsatz "A practical approach to the third order theory of magnetic deflection and its application to tlie deflection of convergent electron beams", Digest of Technical Papers of the International Symposium 198O

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of the Society of Information Display, San Diego, California, der als in der vorliegenden Anmeldung· enthalten zu betrachten ist, geht hervor, dass, wenn die Horizontal- und Vertikalablenkfelder nahezu identische Zweipolfelder mit einer wirksamen Länge

I₃ = L/2 (1)

sind, wobei L der Abstand des Ablenkpunktes des Ablenkspulensystems von dem Bildschirm ist, kein Astigmatismus dritter Ordnung mehr auftritt. Ausserdem wird behauptet, dass die wirksame Länge im Zusammenhang mit Aberrationen fünfter Ordnung etwas grosser als (i) gewählt werden muss. Die wirksame Länge l„wird durch dio Länge und die Form des Magnetfeldes bestimmt und ist in P.E. Kaus, RCA Rev. 17« 168, 1956, definiert.

^Hd^dz / J ^Ird²

If dZ (2)

H ist das erzeugte Magnetfeld als Funktion der Stelle Z auf der Achse des Ablenkspulensystems. In kurzen Kathodenstrahlröhren ist es aber nicht möglich, die in (1) angegebene Anforderung zu erfüllen, weil das Ablenksystem verhältnismässig nahe dem Bildschirm angebracht werden muss. Auch ist es günstig, wenn die Stelle des Ablenkpunktes mehr oder weniger unabhängig von den Spuleabmessungen und der Spulenform gewählt werden kann.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung mit einem System von Ablenkspulen au schaffen, bem dem es möglich ist, einen virtuellen elektronenoptischen Ablenkpunkt zu wählen.

Ausserdem hat die Erfindung die Aufgabe, durch diese Konstruktion die in (1) angegebene Anforderung auch bei verhältnismässig kurzen Röhren erfüllen zu können, so dass eine anastigmatisehe Ablenkung erhalten wird.

Eine Vorrichtung der im ersten Absatz beschriebenen Art ist zur Lösung dieser Aufgaben dadurch gekennzeichnet, dass rings um die Bildröhre ausserdem ein zweites Ablenkspulensystem auf der Bildschirmseite des Hauptablenkspulen-

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systems angebracht ist, das Nachablenkspulen enthält, die eine Nachablenkung des Elektronenstrahls herbeiführen, die der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem entgegengesetzt ist und synchron mit der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem und schwächer als diese Ablenkung ist. In der US-PS 2 728 027 ist zwar eine Vorrichtung mit zwei synchron und entgegengesetzt wirkenden Ablenkspulensystemen beschrieben, aber das auf der Seite des Elektronenstrahlerzeugungssystems liegende Ablenkspulensystem in dieser Vorrichtung bewirkt eine Vorablenkung des Elektronenstrahls, die viel schwächer als die Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem ist und dazu dient, einen grösseren Ablenkwinkel zu ermöglichen.

Der.Schnittpunkt der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Elektronenstrahls mit der Bahn des nicht abgelenkten Elektronenstrahls ist bei einer Vorrichtung nach der Erfindung als der virtuelle Ablenkpunkt der Kombination des Hauptablenkspulensystems und des Nachablenkspulensystems zu betrachten. Durch die Wahl der Stärke der Nachablenkung kann mehr oder weniger unabhängig von der Form und den Abmessungen des Ablenkspulensystems die Stelle dieses virtuellen Ablenkpunktes gewählt werden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt ' der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Elektronenstrahls mit der Bahn des nicht abgelenkten Elektronens Crahls in einem Abstand l· von dem Bildschirm liegt, wobei gilt, dass L im wesentlichen gleich 2.1 ist, wobei 1 die wirksame Länge (nach der oben gegebenen Defini-Lion) des gesamten magnetischen Ablenkfeldes der zwei Ablenkspulensysteme, entlang der Bahn des nicht abgelenkten Elektronenstrahls gemessen ist. In diesem Falle wird durch Anwendung der Erfindung mehr oder weniger die in (1) beschriebene Anforderung erfüllt und der Astigmatismus dritter

Ordnung und fünfter Ordnung erheblich herabgesetzt, wie nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels nachgewiesen werden wird.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

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ist dadurch, gekennzeichnet, dass die Ablenkspulen und die dazu gehörenden in entgegengesetzter Richtung ablenkenden Nachablenkspulen in Reihe geschaltet sind.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung in ProjektionsfernsehbildrÖhren, weil diese verhältnismässig kurz sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der

Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschriebst Es zeigen:

¹^ Fig. 1 eine Ansicht einer Kathodenstrahlröhre nach

der Erfindung,

Fig. 2 schematisch einen Quadranten eines Satzes von Haupt- und Nachablenkspulen,

Fig. 3 die Stärke des von einer derartigen Haupt-

™ ablenkspule und einer derartigen Nachablenkspule erzeugten magnetischen Feldes als Funktion der Stelle auf der Achse,

Fig. k die Beeinflussung des Elektronenstrahls durch dieses magnetische Feld, und

Fig. 5 und 6 eine nähere Erläuterung der Bestimmung

der Aberrationskoeffizienten.

Die in Fig. 1 in Ansicht gezeigte Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung enthält in einem evakuierten Kolben 1 ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 und ist mit einem Frontglas verschlossen, das zugleich den BiIdschirm 3 bildet und aus einem auf einer Seite aktivierten Einkristall besteht. Eine derartige Kathodenstrahlröhre mit einem Einkristallbildschirm für Projektionszwecke ist bereits in der vorgenannten DE-OS 28 26 788 beschrieben, die als in der vorliegenden Anmeldung enthalten zu betrachten ist. Die Röhre ist von einem Hauptablenkspulenpaar h und einem Nachablenkspulenpaar 5 umgeben, die die Horizontalablenkung des im Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 erzeugten Elektronenstrahls versorgen. Das zweite System von Hauptablenkspulen und Nachablenkspulen, das über 90° in bezug auf das erste System gedreht ist und auf analoge Weise die Vertikalablenkung versorgt, ist der Übersichtlichkeit der Figur halber nicht dargestellt. Hinter dem Bildschirm 3 ist ein Linsensystem 6 angebracht, mit dem das

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sehr helle Bild des Bildschirmes 3 auf einen Projektionsschirm projiziert wird. Auf die Form und die Abmessungen der Hauptablenkspulen und der Nachablenkspulen wird nach der Beschreibung der Fig. k eingegangen.

In Fig. 2 ist schematisch ein Quadrant einer Hauptablenkspule h und einer Nachablenkspule 5 dargestellt, wobei diese Spulen für die Vertikalablenkung dienen. Die Achse 7 der Ablenkspulen fällt im wesentlichen mit der Röhrenachse zusammen. Die Y-Achse 8 und die X-Achse 9 erstrecken sich in senkrechter bzw. in waagerechter Richtung und stehen senkrecht auf der Z-Achse 7· Bei einer vorgegebenen Gesamtlänge Z₁ + Z„ und einer vorgegebenen Windungszahl bleiben, wie evus dieser Figur ersichtlich ist, noch drei Freiheitsgradt: übrig, die als die Winkel { -, und V^o

" angegeben sind, die das Sechspol/Zweipolverhältnis der Hauptablenkspule h und der Nachablenkspule 5 und das Verhältnis ZpZZ₁ bestimmen, das ein Mass für die relative Stärke des Nachablenkfeldes ist.

In Fig. 3 ist das von einer derartigen Hauptablenkspule und einer derartigen Nachablenkspule erzeugte magnetische Feld H, als Funktion der Stelle Z auf der Achse 7 dargestellt. Der Punkt Z gibt die Lage des Bild-Schirmes an.Die Punkte 1Ü und 11 sind die Punkte mit einer maximalen Feldstärke! in der Hauptablenkspule bzw. in der Nachablenkspule. Das Feld der Nachablenkspule ist in bezug auf den Absolutwert schwächer und äusserdem dem Feld der Hauptablenkspule entgegengesetzt gerichtet. Der Feldverlauf in einer Vorrichtung nach der Erfindung gemäss Fig. beeinflusst den vom Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenstrahl 13 auf die in Fig. k dargestellte Weise. Dieser Elektronenstrahl tritt auf der linken Seite der Figur in das Feld ein. Infolge des Feldes der Hauptablenkspule k wird der Elektronenstrahl 13 einer ersten Ablenkung unterworfen. Der abgelenkte Elektronenstrahl 13 scheint aus dem Punkt 10' auszutreten, der, wie sich in der Praxis zeigt, im wesentlichen mit dem Punkt 10 zusammenfällt. Infolge des Feldes der Nachablenkspule wird der Elektronenstrahl arischliossend einer zweiten Ablenkung

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auf der Höhe des Punktes 11 auf der Z—Achse unterworfen. Da des Feld der Nachablenkspule schwächer als das Feld der Hauptablenkspule und diesem Feld entgegengesetzt gerichtet ist, hat diese eine teilweise Rückablenkung des Elektronenstrahls 13 zur Folge, Es ist einleuchtend, dass die Ablenkempfindlichkeit des Systems dadurch etwas abnimmt. Der Elektronenstrahl 13» der vom Hauptablenkspulensystem und vom Nachablenkspulensystem abgelenkt ist, scheint, von dem Bildschirm her gesehen, aus einem virtuellen Ablenk— punkt 12 auszutreten. Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass, obgleich dieser Ablenkpunkt 12 virtuell ist, dennoch der Abstand χ L (L - virtuell) dieses Ablenk-

X. V

punktes von dem Bildschirm (Z„) und nicht der Abstand L_ (L - reell) zusammen mit der Sechspölstärke die Grosse der Aberrationen dritter Ordnung des Systems bestimmt.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In einer Vorrichtung der an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Art wurden Ablenkspulen mit den in der nachstehenden Tpbelle angegebenen Parametern verwendet.

20 25

Horizontalablenkung	Nachablenkung	Vertikalablenkung	Nachablenkung
d =32 mm	Z_ = 1k,6 mm H2 = 71°	d = 3k mm ff	Z2 = Ik,6mm γ2 = 090
Hauptablenkung	Hauptablenkung
Z1 = 28,6 mm X1 = 78°	Z1 = 28,6 mm IV — 770

d ist der mittlere Durchmesser der Haupt- und Nachablenkspulen. X und X,- sind die Äquivalente von S^₁ und *fl für das Horizontalablenkfeld. Diese Abmessungen und diese Form der Ablenkspulen ergeben, wenn sich der Bildschirm in einem Abstand von 55 mm von dem Beginn der Ablenkspuleneinheit befindet, über nahezu den ganzen Bildschirm einen anastigmatischen (runden) Auftreffleck. Bei Anwendung der Erfindung ist es also möglich, auch bei sehr kleinen Abständen zwischen dem Ablenkpunkt 12 und dem Bildschirm noch anastigmatische Ablenkspulen zu entwerfen. Dies lässt sich

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auch theoretisch, nachweisen. Dazu ist es notwendig, zunächst eine Anzahl von Begriffen zu definieren.

In Fig. 5 ist ein Achsensystem dargestellt, dessen Z-Achse mit der Symmetrieachse des zu beschreibenden Ablenksystems zusammenfällt, während die XY-Ebene in .der Ebene des Bildschirmes liegt. Die Horizontalablenkung erfolgt in der X-Richtung und die Vertikalablenkung in der Y-Richtung, Eine beliebige Elek troneribahn kann nun durch ihren Schnittpunkt (x,y) mit der XY-Ebene und durch die Winkel (χ',γ¹), die die Bahn an der Stelle des Schirmes mit der Z-Achse einschliesst, definiert werden. Wie in Fig.6 dargestellt ist, wird ein Strom i durch die horizontale Haupt- und

X.

Nachablenkspule die Bahn des Elektronenstrahls ablenken, so dass der Schnittpunkt der mittleren Bahn mit dem BiIdschirm nun (X , Y ) wird. Die Horizontalablenkung kann als aus einem zu i proportionalen Teil X, der idealen oder Gaus'sehen Ablenkung, und zwei Aberrationsbeiträgen £> Xjt und -^Y-IT aufgebaut gedacht werden. Die Vertikalablenkung wird auf analoge Weise aus einem zu i proportionalen Teil Y und zwei Aberrationsbeiträgen AX_V und AYy aufgebaut. Im Falle eines Elektronenstrahls mit Anfangskoordinaten (x,y), der in horizontaler Richtung vom Punkt 20 zum Punkt 21 auf dem Bildschirm 3 abgelenkt wird, wird der neue Schnittpunkt 21 mit dem Bildschirm (x+X+ ΛΧ^, Υ+ Δγ ).

Wenn der Elektronenstrahl in vertikaler Richtung abgelenkt wird, besitzt der neue Schnittpunkt 22 die Koordinaten:

(χ+ ΔΧ_γ, y+Y+ ΔΥ_ν).

Ablenkung in diagonaler Richtung zum Punkt 23 wird im allgemeinen noch zu einer Anzahl zusätzlicher Aberrationen führen, so dass für die Koordinaten gilt: (x+X+ AX₁₁₊ ΔΧ_γ+ ΔΧ_β, y+Y+ ΔΥ_Η+ AY_y+ Δγ_β) .

Die Indexe H, V und D bezeichnen Horizontal, Vertikal bzw. Diagonal. Bei Horizontalablenkung treten eine Anzahl von Fehlerkoeffizienten auf:

ΑΧ,, = ^A'>oi ⁺(^AT0'l^X^^JC'^+A309^{X x}^ ^{+ Komai}'^ehler + ··· AY₁₁ = (A X²y'+A„₁₀X²y) + Koinafehler ... Eine Vertikalablenkung ergibt auf analoge Weise: Ä (²X¹H-B₃₁₀Y^x) + Komafehler +

PHN 993k jf 22.5. 19B1

ΛΥ_ν = B₃₀^³+(B₁₀₄Y²Y ·₊Β_30<)Υ'>) + Komafehlor +

während bei gleichzei tiger Horizontal- und Vertikalablenkung noch die folgenden Terrae erscheinen:

Die Terme mit A„_n.. , A„_n„ und A„ „ geben zusammen mit ihren

Aqyivalenten B__n1, B„ „ und B„ „ die auftretende Verzeichnung wieder. Die Komafehler, die durch die Koeffizienten A^₀₇, A„_oq und A„₁„ definiert sind, sind hier nicht ausgeschrieben. Der Astigmatismus dritter Ordnung ist völlig durch das System von Koeffizienten A_₀_i , A„_o_, A„_og, A„qq bis A„.. ₂ und ihrer B-Äquivalente für die Vertikalablenkspule bestimmt.

Die relative Bedeutung der Koeffizienten A„_oi, A₃₀₅ und A₃₀₀ einerseits und A₃₀₉, A₃₁₀, A₃₁₁ und A₃₁₂

andererseits wird durch den Aufbau des Elektronenstrahls bestimmt. In den meisten Fällen und gewiss in den meisten Elektronenstrahlröhren für Projektionsfernsehzwecke wird ein breiter Strahl auf einen kleinen Auftreffleck fokussiert: Die Winkel x¹ und y¹ sind gross im Vergleich zu dem Verhältnis zwischen den Auftreffleckabmessungen (x,y) und dem Abstand L zwischen dem Ablenkpunkt und dem Schirm. Im folgenden sind die Koeffizienten A.,_Og bis A„ ₁ „ und B„ bis B„ ₂ denn auch vernachlässigt.

Die an eine anastigniatische Ablenkspule zu stellenden Anforderungen sind, dass bei jeder Ablenkung, in horizontaler, vertikaler und diagonaler Richtung, der Auftreff leck rund bleiben soll, ,so da^s mit Hilfe dynamischer Fokussierung die Bildfeldkrümmung korrigiert werden kann. Um bei Horizontalablenkung eines drehsymmetrisehen kegeligen Strahles den Auftreffleck rund zu halten, muss die Bedingung erfüllt sein, dass:
= A,

3O5*
Auch bei Vertikalablenkung muss der Auftreffleck rund bleiben

und muss also die Bedingung erfüllt werden, dass: ³⁵

Schliesslich soll auch bei diagonaler Ablenkung der Auftreff leck rund bleiben, so dass als dritte Anforderung gestellt werden darf, dass der Koeffizient A„., der Horizon-

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talablenkung seinen Äquivalent B„_,- der Vertikalablenkspule entgegengesetzt sein muss.

Beim gegebenen Ausführungsbeispiel wird von rechteckigen oder gemäss einer Zylinderoberfläche gewickelten Spulen ausgegangen (siehe Fig. 1.) . Wenn das Verhältnis ZpZz₁ für die Horizontal- und die Vertikalablenkspulen gleichgewählt wird, bleiben noch fünf beliebig zu wählende Abmessungen übrig, und zwar die Öffnungswinkel V₁ und ψ „ für das Ver tikalablenksysteni und ihre Äquivalente X und X für das Horizontalablenksystem und das Verhältnis Zp/Z.. Da für den Anastigraatismus nur die Bedingung erfüllt zu werden braucht, dass

^A3O4 " ^A3O5 ^{= B}3O4 " ^B3O5 ^{= A}3O6 ^{+ B}3O6' ist es möglich, zwei der sechs Komakoeffizienten gleich

^1S> Null zu machen.

Die Abmessungen des gegebenen Ausführungsbeispiels ergeben die folgenden Aberrationskoeffizienten: A₃₀₁ = 30,8 (m~²) B₃₀₁ = 33,0 (nf²) A₃₀₂ = 35,8 (m~²) B₃₀₂ = 34,8 (m~²) * - 1 «5 (π-^ζ) B₃₀₃ = -0,6 (πΓ²)

) B₃₀₄ = 13,3 (ηΓ¹) ) B₃₀₅ = 13,3 (m"¹) ) B₃₀₆ = 2,5 (ηΓ¹) ) B₃₀₇ = 0,9 ( - ) ^Λ _ η λ C _ ) B₃₀₈ = 0,0 ( - )

In diesem Beispiel wird also davon ausgegangen, dass A,, . _y und B„ ο gleich Null gemacht werden. Es ist somit möglich, durch Anwendung der Erfindung auch bei verhältnismässig sehr kleinen Abständen des Ablenkpunktes von dem Bildschirm anastigmatische Ablenkspulen zu entwerfen.

A3O3	= 1,5	(»
A3O4	= 14,4	(m
A3O5	= 14,4	(m
A3O6	= -2,5	(m
A307	= 0,9	(
A3O8	= 0,0	(

Claims (3)

1. PHN 9934 äff 22.3.1 «)81

   PATENTANSPRÜCHE

   \J Vorrichtung zum Wiedergeben von Bildern mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre, die in einem evakuiei'ten Kolben (1) einen Bildschirm (3) und ein Elektronenstrahlerzeugungssystem (2) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (13) enthält und die mit einem Hauptablenkspulensystem (k) versehen ist, das rings um die Röhre angebracht ist und mit dessen Hilfe in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Elektronenstrahl über den Bildschirm abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass rings um die Bildröhre ausserdem ein zweites Ablenkspulensystem auf der Bildschirmseite des Hauptablenkspulen sy st ems angebracht ist, das Nachablenkspulen (5) enthält, die eine Nachablenkung des Elektronenstrahls herbeiführen, die der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem entgegengesetzt ist und die synchron mit der Ablenkung durch das Hauptablenkspulensystem und schwächer als diese Ablenkung ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (12) der rückwärts verlängerten Bahn des maximal abgelenkten Kiektronenstrahls (13) mit der Bahn des nicht abgelenkten Elektronenstrahls in einem Abstand L von dem Bildschirm liegt, wobei gilt, dass L im wesentlichen gleich 2.1 ist, wobei 1 die wirksame Länge des gesamten magnetischen Ablenkfeldes der Ablenkspulensysteme, entlang der Bahn des nicht abgelenkten Elektronen-Strahls gemessen, ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkspulen und die dazu gehörenden in entgegengesetzter Richtung ablenkenden Nachablenkspulen in Reihe geschaltet sind.

   h. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eathodens trahlröhre eine Projektionsfernsehbildröhre ist.