DE69219460T2

DE69219460T2 - Elektronenkanone mit niederspannungs-gesteuerten apertur in hauptlinse

Info

Publication number: DE69219460T2
Application number: DE69219460T
Authority: DE
Inventors: Hsing-Yao Chen
Original assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Current assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1992-08-12
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: DE69219460D1; JP3369173B2; JPH06508719A; US5223764A; EP0570540A1; EP0570540B1; WO1993012532A1; EP0570540A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektronenkanonen zum Formen, Beschleunigen und Fokussieren eines Elektronenstrahls wie zum Beispiel in einer Kathodenstrahlröhre (CRT = cathode ray tube) und befaßt sich besonders mit dem den Strahl beschleunigenden und fokussierenden Bereich einer Elektronenfokussierungslinse in einer CRT und einer Anordnung zum Bereitstellen eines Elektronenstrahls mit einer kleinen, wohl definierten Fleckgröße.
Elektronenkanonen, die bei Fernseh-CRTs eingesetzt werden, können allgemein in zwei Grundabschnitte unterteilt werden: (1) einen Strahlformbereich (BFR = beam forming region) und (2) eine Elektronenstrahlfokussierungslinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf den den Leuchtstoff tragenden Schirm der CRT. Die meisten Elektronenstrahlfokussierungslinsenanordnungen sind vom elektrostatischen Typ und enthalten in der Regel diskrete, leitfähige, rohrförmige Elemente, die coaxial angeordnet sind und wobei an jedes der Elemente bestimmte Spannungen angelegt sind, um ein elektrostatisches Fokussierungsfeld aufzubauen. Eine monochrome CRT verwendet zum Erzeugen und Fokussieren eines einzelnen Elektronenstrahls eine einzelne Elektronenkanone. Farb- CRTs verwenden in der Regel drei Elektronenkanonen, wobei jede Kanone einen jeweiligen fokussierten Elektronenstrahl auf die phosphoreszierende Schirmplatte der CRT richtet, um die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau bereitzustellen. Die Elektronenkanonen sind meist in einer Inline-Matrix angeordnet oder auch planar, obwohl auch Delta-Kanonenmatrizen recht verbreitet sind. Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei monochromen als auch bei Farb-CRTs mit mehreren Elektronenstrahlen eingesetzt werden. Ein scharf fokussierter Elektronenstrahl mit einer kleinen Fleckgröße liefert ein Videobild mit hoher Auflösung. Um die Fleckgröße des Strahls zu reduzieren, sind Begrenzungsaperturen kleiner Größe in die Elektronenkanone miteinbezogen worden. Diese Ansätze mit den Begrenzungsaperturen nach dem Stand der Technik waren wegen dreier Ursachen, die die Leistung begrenzten, nur begrenzt erfolgreich.
Bei dem herkömmlichen Aufbau ist die Begrenzungsapertur in der Regel in dem Fokussierspannungsgitter angeordnet. In diesem Bereich weisen die Elektronen in der Regel eine kinetische Energie in der Größenordnung einiger Kilovolt (kV) auf, was am Fokussierungsgitter zu einer sekundären Elektronenemission führt. In der Regel landen die sekundären Elektronen auf dem CRT-Schirm und verursachen einen Kontrastabfall und/oder einen Abfall bei der Reinheit einer Farbe, was in der Regel als Unschärfe um ein Videobild herum erscheint. Da der Elektronenstrahl in der Regel im Strahlfokussierungsbereich einen großen Querschnitt aufweist, ist auch die Begrenzungsapertur des Fokussierungsgitters relativ groß. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, daß sekundäre Elektronen auf dem Schirm auftreffen. Gewöhnlich existiert kein Gitter mit einer Spannung, die höher ist als an der Begrenzungsapertur und niedriger als an der Anode, um die sekundären Elektronen zu absorbieren, bevor sie den Schirm erreichen können und zu einem Auflösungsabfall führen können. Ein zweites Problem entsteht dadurch, daß die von der Begrenzungsapertur abgefangenen Elektronen durch die Widerstandskette in Richtung auf die Anode der CRT fließen. Dieser Elektronenstrom führt zu einer Verschiebung der Fokussierspannung und einer resultierenden Defokussierung des Elektronenstrahls. Auch das dritte Problem entsteht daraus, daß energiereiche Elektronen um die Begrenzungsapertur herum auf das Fokussierungsspannungsgitter auftreffen. Da die abgefangenen Elektronen in diesem Hochspannungsbereich der Elektronenkanone eine hohe kinetische Energie aufweisen (die CRT-Kanone weist in der Regel eine Fokussierungsspannung von einigen tausend Volt auf), geben die abgefangenen hochenergetischen Elektronen ihre kinetische Energie am Aperturbereich frei, was zu einer wesentlichen Temperaturerhöhung des Fokussierungsspannungsgitters führt, das in einigen Fällen verdampfen kann, bevor diese Energie abgeleitet werden kann. Die Versuche nach dem Stand der Technik, die Fleckgröße des Elektronenstrahls mit Hilfe einer kleinen Apertur in der Elektronenkanone zu reduzieren, sind durch diese drei Probleme begrenzt worden.
Die vorliegende Erfindung meistert die oben erwähnten Begrenzungen des Standes der Technik durch Bereitstellen einer Begrenzungsapertur mit relativ niedriger Spannung, die an einer feldfreien Zone in der Hauptfokussierungslinse einer Elektronenkanone angeordnet ist, wodurch Abweichungen des Elektronenstrahls vermieden werden, die Emission von sekundären Elektronen auf ein Minimum reduziert wird, die Fokussierung des Elektronenstrahls nicht beeinträchtigt wird und die Elektronen am Umfang mit relativ niedriger Energie abgefangen werden, um die Wärmeableitung des Gitters auf ein Minimum zu reduzieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Elektronenstrahls in einer CRT mit einer kleinen, wohl definierten Fleckgröße für verbesserte Videobildqualität.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Linse zum Fokussieren eines Elektronenstrahls bereitgestellt, der aus von einer Quelle entlang einer Achse emittierten und von einer Spannung VA in Richtung eines Bildschirms beschleunigten energiereichen Elektronen besteht, wobei die Linse aus relativ zu der Quelle auf der Achse in der Nähe angeordneten Niederspannungs- Fokussiermitteln zum Anlegen eines fokussierenden elektrostatischen Feldes an die energiereichen Elektronen zur Formung der energiereichen Elektronen zu einem Strahl und zwischen den Niederspannungs-Fokussiermitteln und dem Bildschirm und auf der Achse angeordneten Hochspannungs- Fokussiermitteln zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf den Bildschirm besteht und ein im allgemeinen zylinderförmiges geladenes Gitter mit einer Axiallänge tG4 enthält, das an entgegengesetzten Enden ein erstes und ein zweites koaxiales, im allgemeinen kreisrundes zylindrisches rohrförmiges Teil enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der rohrförmigen Teile einen Durchmesser dG4 aufweist, daß das geladene Gitter bei Gebrauch auf einer Spannung VG gehalten wird, wobei VG ≤ 0,12 VA ist, und die rohrförmigen Teile in dem geladenen Gitter einen von einem elektrostatischen Feld relativ freien Bereich schaffen, und daß die Linse weiterhin Mittel umfaßt, die auf der Achse in dem von einem elektrostatischen Feld relativ freien Bereich des geladenen Gitters eine Begrenzungsapertur zum Entfernen von Elektronen in einem Umfangsteil des Elektronenstrahls und Reduzieren der Fleckgröße des Elektronenstrahls auf dem Bildschirm definieren, wobei die Begrenzungsapertur einen Durchmesser dG4' aufweist, der kleiner ist als dG4.
Diese Anordnung in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich des Elektronenstrahlfokussierungsbereichs der Elektronenkanone liefert einen Strahl mit kleiner Fleckgröße mit minimaler Energieableitung in der Form von Wärme und reduziert die auf dem Bildschirm auftreffenden sekundären Elektronen und die damit verbundene Verschlechterung der Videobildqualität auf ein Minimum.
Ein von einem elektrostatischen Feld im wesentlichen freier Bereich wird in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich der Elektronenlinse bereitgestellt, wobei eine kleine Apertur für die Umfangsstrahlen des Elektronenstrahlbündels eine Sperre bildet und die Fleckgröße des Strahls begrenzt, um eine verbesserte Videobildauflösung und eine Fokussierung ohne Erzeugung sphärischer Aberration zu erzielen.
Da die Fokussierungselektrode, die die äußeren Elektronen im Elektronenstrahl abfängt, von einer Stromversorgung, die von den Hauptstromversorgungen der Elektronenkanone zum Beschleunigen und Fokussieren getrennt und unabhängig ist, geladen wird, werden Verschiebungen der Fokussierungsspannung und die resultierende Strahldefokussierung auf ein Minimum reduziert.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird eine Elektronenkanone für eine Kathodenstrahlröhre mit einer Linse gemäß einem Aspekt der Erfindung und eine Kathodenstrahlröhre mit einer derartigen Elektronenkanone bereitgestellt.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen in allen Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente identifizieren, werden nun Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 die Veränderung der Fleckgröße (Ds) des Elektronenstrahls mit dem Strahlwinkel (θ) hinsichtlich der drei relevanten Faktoren Vergrößerung (dM), sphärische Aberration (dsp) und Raumladungseffekt (csθ³);
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung, die den Elektronenstrahlwinkel (θ) relativ zur Strahlachse A-A' darstellt;
Figuren 3a und 3b vereinfachte axiale Querschnittsansichten einer Fokussierungslinse für eine Elektronenkanone mit einer Begrenzungsapertur in ihrem Strahlfokussierungsbereich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Figuren 3a bzw. 3b den Ort und die Konfiguration der Elektronenstrahlen und der elektrostatischen Feldlinien und der auf die Elektronen einwirkenden elektrostatischen Kräfte in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
Figur 4 eine graphische Darstellung der Gaußschen Verteilung von Elektronen in einem Elektronenstrahl und der Art und Weise, auf die die Begrenzungsapertur der vorliegenden Erfindung äußere Elektronen aus dem Strahl entfernt, um einen Elektronenstrahl mit kleiner Fleckgröße zu liefern;
Figuren 5a und 5b vereinfachte axiale Querschnittsansichten einer Fokussierungslinse für eine Elektronenkanone mit einer Begrenzungsapertur in ihrem Strahlfokussierungsbereich gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Figuren 5a bzw. 5b den Ort und die Konfiguration der Elektronenstrahlen und der elektrostatischen Feldlinien und der auf die Elektronen einwirkenden elektrostatischen Kräfte in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
Figuren 6a und 6b vereinfachte axiale Querschnittsansichten einer Fokussierungslinse für eine Elektronenkanone mit einer Begrenzungsapertur in ihrem Strahlfokussierungsbereich gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Figuren 6a bzw. 6b den Ort und die Konfiguration der Elektronenstrahlen und der elektrostatischen Feldlinien und der auf die Elektronen einwirkenden elektrostatischen Kräfte in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
Figuren 7a und 7b vereinfachte axiale Querschnittsansichten einer Fokussierungslinse für eine Elektronenkanone mit einer Begrenzungsapertur in ihrem Strahlfokussierungsbereich gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Figuren 7a bzw. 7b den Ort und die Konfiguration der Elektronenstrahlen und der elektrostatischen Feldlinien und der auf die Elektronen einwirkenden elektrostatischen Kräfte in dem Hochspannungs-Strahlfokussierungsbereich gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Eine elektrostatische Fokussierungslinse weist hauptsächlich drei Eigenschaften auf, die den Durchmesser, bzw. die Fleckgröße, des auf dem phosphoreszierenden Bildschirm einer CRT auftreffenden Elektronenstrahls bestimmen. Das Ziel liegt natürlich in der Bereitstellung von auf dem Bildschirm auftreffenden scharf definierten, präzise fokussierten Elektronenstrahlen. Die drei Haupteigenschaften der elektrostatischen Fokussierungslinse sind die Vergrößerung, die sphärische Aberration und der Raumladungseffekt.
Der Vergrößerungsfaktor ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
dM = dOM = q/p VO/VA dO
wobei
q = Entfernung von der Mitte der Hauptlinse zum Bildschirm;
p = Entfernung von der Objektebene zur Mitte der Hauptlinse;
VO = Spannung auf der Objektseite der Hauptlinse;
VA = Spannung auf der Bildseite der Hauptlinse;
und
dO = Objektgröße.
Die Eigenschaft der sphärischen Aberration ist durch den Ausdruck gegeben:
ds = Cs θ³ (2)
wobei
Cs = Koeffizient der sphärischen Aberration; und
θ = Divergenzwinkel des Elektronenstrahls.
Die Fleckgröße des Elektronenstrahls wächst aufgrund der Tatsache, daß eine von einer Linse fokussierte punktförmige Quelle nicht wiederum zu einem Punkt fokussiert werden kann. Je weiter sich ein Elektronenstrahl von der optischen Achse der Fokussierungslinse weg befindet, um so größer ist die Fokussierungsstärke der Linse, die den Elektronenstrahl daran hindert, wieder auf eine punktförmige Quelle fokussiert zu werden.
Der Raumladungseffekt auf die Fleckgröße des Elektronenstrahls ist durch den Ausdruck gegeben:
dsp α θ&supmin;¹ (3)
Dieser Wachstumsfaktor bei der Fleckgröße des Elektronenstrahls wird durch die Abstoßungskraft zwischen gleichartig geladenen Elektronen hervorgerufen.
Figur 1 zeigt die Veränderung der Fleckgröße (Ds) des Elektronenstrahls mit dem Strahlwinkel (θ) hinsichtlich der drei oben erwähnten Faktoren Vergrößerung (dM), sphärische Aberration (ds) und Raumladungseffekt (dsp). Wenn dtotal die Fleckgröße des Elektronenstrahls unter Einbeziehung aller drei oben erwähnten Faktoren darstellt, so ist ersichtlich, daß dtotal bei θopt mit Dopt den kleinsten Wert aufweist. Der Strahlwinkel θ entlang der Achse A-A' der Elektronenlinse wird in Figur 2 gezeigt.
Der Elektronenstrahl wird in der Regel in einem sogenannten Strahlformbereich (BFR) der Elektronenkanone erzeugt. Der BFR kann als ein von der Hauptlinse der Elektronenkanone getrenntes elektronenoptisches System zum Erzeugen eines Elektronenstrahlbündels betrachtet werden, wobei das elektronenoptische System so zugeschnitten ist, daß es zu der speziellen Hauptlinse der Elektronenkanone paßt.
Unter Bezugnahme auf Figuren 3a und 3b wird eine vereinfachte axiale Schnittansicht einer Elektronenkanone 30 mit einer Begrenzungsapertur 44 in einer Hochspannungs-"QPF-Typ"-Strahlfokussierungslinse 40 davon gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Aus Gründen der Einfachheit und zur Erleichterung der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in Figuren 3a und 3b und weiteren, unten erörterten Figuren gemeinsamen Elementen die gleiche identifizierende Zahl zugewiesen worden. Figur 3a stellt auch die Verteilung und den Ort der Elektronenstrahlen innerhalb der Elektronenkanone 30 dar, während Figur 3b die (gestrichelt gezeigte) Form von Äquipotentiallinien sowie das elektrostatische Feld E und die an die Elektronen in dem Strahl innerhalb der Elektronenkanone 30 angelegte elektrostatische Kraft F in der Nähe der Begrenzungsapertur 44 zeigt. Die Elektronenkanone 30 enthält eine Elektronenstrahlquelle 16, die herkömmlich aufgebaut und betrieben sein kann und in der Regel eine Kathode K enthält. Die Kathode K enthält eine Hülse, eine Heizspule und eine Emissionsschicht, die aus Gründen der Einfachheit in den Figuren weggelassen sind. Elektronen werden von der Emissionsschicht der Kathode K emittiert und auf einen Niederspannungs-Strahlformbereich (BFR) 38 gerichtet und durch die Wirkung eines gewöhnlich als das G&sub2;-Schirmgitter bezeichneten Gitters auf eine erste Überkreuzung entlang der Strahlachse A-A' fokussiert. Das G&sub2;-Schirmgitter ist an eine VG2-Spannungsquelle 50 angekoppelt und wird von ihr aufgeladen. Ein als das G&sub1;-Steuergitter bekanntes und zwischen der Kathode K und dem G&sub2;-Schirmgitter angeordnetes Gitter wird mit relativ zur Kathode negativem Potential betrieben und dient dazu, die Elektronenstrahlintensität als Reaktion auf das Anlegen eines Videosignals daran oder an die Kathode K zu steuern. Einfachheitshalber ist aus den Figuren eine G&sub1;- Gitterspannungsquelle weggelassen worden. Die erste Überkreuzung des Elektronenstrahls ist an einem Punkt, wo die Elektronen durch die Achse A-A' gehen und befindet sich in der Regel in allgemeiner Nähe des G&sub2;-Schirmgitters und eines G&sub3;-Gitters. In den folgenden Absätzen sind die Ausdrücke "Spannung" und "Potential" sowie auch die Ausdrücke "Gitter" und "Elektrode" austauschbar verwendet worden.
Das G&sub1;-Steuergitter dient in der Regel dazu, die von der Kathode K emittierten Elektronen zu steuern und sie in die allgemeine Richtung des Bildschirms 42 zu lenken. Das G&sub2;-Schirmgitter dient zur Bildung der ersten Überkreuzung des Elektronenstrahls und zur Steuerung der Elektronenstrahlintensität.
Zusätzlich zu dem G&sub3;-Gitter enthält die Elektronenkanone 30 weiterhin ein G&sub5;-Gitter, wobei diese Gitter in der in Figuren 3a und 3b gezeigten Ausführungsform an eine Spannungsquelle 32 mit Fokussierspannung (VF) angekoppelt sind und von ihr aufgeladen werden. Die Elektronenkanone 30 enthält weiterhin ein G&sub4;-Gitter, das zwischen dem G&sub3;- und dem G&sub5;-Gitter angeordnet ist und ebenfalls an die VG2-Spannungsquelle 50 angekoppelt ist und von ihr aufgeladen wird. Die Elektronenkanone 30 enthält weiterhin ein an eine Spannungsquelle 34 mit der die Elektronen beschleunigenden Anodenspannung (VA) angekoppeltes G&sub6;-Gitter. Die Beschleunigungsspannung VA ist wesentlich höher als die Fokussierungsspannung VF und dient zur Beschleunigung der Elektronen in Richtung eines Bildschirms 42 mit einer Leuchtstoffbeschichtung 46 auf seiner inneren Fläche. In der Regel liegt die Fokussierungsspannung VF bei 20-40% der Anodenspannung VA, wobei VA in der Regel in der Größenordnung von 25 kV und VF in der Regel in der Größenordnung von 7 kV liegt.
Jedes der Gitter ist zu der Elektronenstrahlachse A-A' ausgerichtet und coaxial zur Achse angeordnet. Die Gitter G&sub1;, G&sub2; und G&sub3; sind jeweils mit jeweiligen Aperturen versehen, die entlang der Achse A-A' ausgerichtet sind und durch die die energiereichen Elektronen gehen, wenn sie in Richtung des Bildschirms 42 gelenkt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das G&sub4;- Gitter mit einer Begrenzungsapertur 44 versehen und weist entlang der Strahlachse A-A' eine vergrößerte Stärke bzw. Länge auf. Die Begrenzungsapertur 44 ist allgemein kreisförmig und weist einen Durchmesser von dG4' auf. Die Stärke des G&sub4;-Gitters ist durch tG4 gegeben.
Das erfindungsgemäße G&sub4;-Gitter enthält weiterhin eine erste und eine zweite äußere Ausnehmung 52 und 54, die auf gegenüberliegenden Flächen davon angeordnet und entlang der Achse A-A' ausgerichtet sind. Die erste und die zweite äußere Ausnehmung 52, 54 weisen jeweils einen Durchmesser von dG4 auf, wobei tG4 ≥ 1,8dG4 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist tG4 ≥ 5,4 - 10,8 mm und dG4 = 3 - 6 mm. Zwischen der ersten und der zweiten Ausnehmung 52, 54 ist eine die Begrenzungsapertur 44 definierende innere Trennwand 56 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Durchmesser dG4' der Begrenzungsapertur 44 bei 10-50% des Durchmessers dG4 der ersten und der zweiten äußeren Ausnehmung 52, 54 des G&sub4;-Gitters. Die erste und die zweite äußere Ausnehmung 52, 54 definieren jeweilige gegenüberliegende ausgenommene Teile des G&sub4;-Gitters, die in der Nähe der Begrenzungsapertur 44 innerhalb des Gitters entlang der Achse A-A' eine Verringerung des elektrostatischen Feldes im wesentlichen auf Null bewirken. Die Begrenzungsapertur 44 begrenzt, wie in den folgenden Absätzen beschrieben, die Fleckgröße des Elektronenstrahls. Wie zuvor beschrieben, sind das G&sub2;-Schirmgitter und das Begrenzungsaperturgitter G&sub4; an die VG2-Spannungsquelle 50 angekoppelt und werden von dieser aufgeladen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform 500 V ≤ VG2 ≤ 0,12 VA ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 3b wird eine Schnittansicht der Elektronenkanone 30 gezeigt, die in der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Strahlfokussierungslinse 40 den Ort und die Konfiguration von Äquipotentiallinien sowie die elektrostatischen Felder und die an die Elektronen angelegten Kräfte zeigt. Äquipotentiallinien sind in gestrichelter Form neben dem G&sub4;-Gitter und insbesondere neben der Begrenzungsapertur 44 in dem G&sub4;- Gitter gezeigt. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die durch die erste und die zweite äußere Ausnehmung 52, 54 neben der Begrenzungsapertur 44 gebildeten ausgenommenen Teile des G&sub4;-Gitters Äquipotentiallinien bilden, die nach innen in Richtung der Begrenzungsapertur gekrümmt sind. Da die Dicke des G&sub4;-Gitters tG4 derart ist, daß tG4 ≥ 1,8dG4 ist, sind die Äquipotentiallinien in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsapertur 44 im wesentlichen gleich Null. Das durch den Feldvektor E dargestellte elektrostatische Feld übt auf die Elektronen eine durch den Kraftvektor F dargestellte Kraft aus, wobei F = -eE ist. Zwischen zwei geladenen Elektroden wird ein elektrostatisches Feld gebildet, wobei G&sub3; und G&sub5;, die an gegenüberliegenden Seiten des G&sub4;-Gitters entlang der Elektronenkanonenachse A-A' angeordnet sind, mit einer Fokussierspannung VF betrieben werden, die in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens zehn (10) Mal so groß ist wie VG&sub2;.
Wie in Figur 3b gezeigt, ist das elektrostatische Feld E quer zu den Äquipotentiallinien ausgerichtet, wie auch die elektrostatische Kraft F, die wegen der negativen Elektronenladung entgegengesetzt zur Richtung der Linien des elektrostatischen Feldes E ist. Während der Elektronenstrahl den Raum zwischen dem G&sub3;- und dem G&sub4;- Gitter durchquert, wird er einer divergierenden Kraft ausgesetzt, wie durch die Richtung des Kraftvektors F gezeigt wird. Dieses divergierende Kraftfeld verursacht eine begrenzte Streuung der Elektronen innerhalb des Strahls, um den Effekt der Strahlraumladung zu verringern. Ein Teil des Außenumfangs des Elektronenstrahls trifft auf den inneren Teil des G&sub4;-Gitters auf, der die Begrenzungsapertur 44 definiert, um den Außenumfang des Elektronenstrahls abzuschneiden. Dies begrenzt die Fleckgröße des Strahls, wenn der Elektronenstrahl das G&sub4;- Gitter durchquert und in Richtung des G&sub5;-Gitters läuft. Zwischen dem G&sub4;- und dem G&sub5;-Gitter ist der Vektor des elektrostatischen Feldes E wieder auf die Elektrode mit der niedrigeren Spannung gerichtet, d.h. das G&sub4;-Gitter, während der Kraftvektor F in Richtung der Elektrode gerichtet ist, die wegen der negativen Ladung des Elektrons auf größerem Potential gehalten wird. Somit werden die Elektronen bei ihrem Durchgang durch den Raum zwischen dem G&sub4;- und dem G&sub5;-Gitter einer konvergierenden Kraft ausgesetzt, die mit der Fokussierungsspannung VF betrieben wird, um die Elektronenstrahlen in Form eines kleinen Flecks auf der Leuchtstoffbeschichtung 46 des Bildschirms zu konvergieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das G&sub4;- Gitter eine Dicke tG4 auf. Durch die Dicke tG4 entlang der Achse A-A' in Kombination mit der verlängerten ersten und zweiten äußeren Ausnehmung 52, 54 auf gegenüberliegenden Flächen des G&sub4;-Gitters wird in der Mitte des G&sub4;-Gitters bei der Begrenzungsapertur 44 ein von einem elektrostatischen Feld im wesentlichen freier Bereich gebildet. Da das elektrostatische Feld in der Nähe der inneren Zwischenwand 56 von G&sub4; im wesentlichen Null ist, werden die von der inneren Zwischenwand von G&sub4; als Ergebnis der darauf auftreffenden energiereichen Elektronen emittierten sekundären Elektronen nicht auf den Bildschirm 42 gerichtet. Ohne den Einfluß eines elektrostatischen Feldes bleiben diese sekundären Elektronen im allgemeinen solange in der Nähe der Begrenzungsapertur 44, bis sie von dem G&sub4;- oder dem G&sub5;-Gitter absorbiert werden. Sekundäre Elektronen werden somit im wesentlichen aus dem auf den Bildschirm 42 auftreffenden Elektronenstrahl eliminiert. Durch die Eliminierung dieser sekundären Elektronen, die einen Abfall hinsichtlich Kontrast und/oder Reinheit verursachen, wird die Qualität des Videobildes verbessert. Der kleine Durchmesser dG4' der Begrenzungsapertur 44 verringert die Anzahl von sekundären Elektronen von dem G&sub4;-Gitter, die den Bildschirm 42 erreichen, noch weiter. Ansätze nach dem Stand der Technik haben in der Hauptfokussierungslinse wegen des gesteigerten Strahlquerschnitts in diesem Teil der Elektronenkanone eine große Apertur verlangt. Diese große Apertur hat nicht nur bei der Verringerung der Strahlfleckgröße eine begrenzte Wirkung gezeigt, sondern hat es auch noch einer wesentlichen Anzahl von sekundären Elektronen gestattet, den Bildschirm zu erreichen und das Videobild zu verschlechtern.
Unter Bezugnahme auf Figur 4 wird eine graphische Darstellung der Gaußschen Verteilung von Elektronen in einem Elektronenstrahl und das Abschneiden von äußeren Elektronenstrahlen durch die Begrenzungsapertur 44 der vorliegenden Erfindung, um einen Elektronenstrahl mit kleiner Fleckgröße zu bilden, gezeigt. Da die Begrenzungsapertur 44 des G&sub4;-Gitters in einem feldfreien Bereich angeordnet ist, hat die Begrenzungsapertur keinen Linseneffekt auf den Elektronenstrahl und bewirkt keine unerwünschte sphärische Aberration. Wenn eine Begrenzungsapertur in einem Bereich mit einem elektrostatischen Feld angeordnet ist, werden die Elektronen von den Gradienten des elektrostatischen Feldes beeinflußt, was zu einer sphärischen Aberration des Elektronenstrahlflecks auf der inneren Fläche des Bildschirms führt. Da sich die Begrenzungsapertur 44 in einem im wesentlichen feldfreien Bereich befindet, steht der Teil des G&sub4;- Gitters, der die Begrenzungsapertur definiert, d.h. die innere Trennwand 56 von G&sub4;, mit den Elektronen elektrostatisch nicht in Wechselwirkung, sondern stellt für die Elektronenstrahlen im Außenumfang des Elektronenstrahls lediglich eine physische Barriere dar. Wie in Figur 4 gezeigt, werden jenseits bzw. außerhalb der Begrenzungsapertur mit einem Durchmesser von dG4 angeordnete Elektronenstrahlen aus dem Elektronenstrahlbündel eliminiert.
Unter Bezugnahme auf Figuren 5a und 5b wird eine axiale Schnittansicht einer Elektronenkanone 78 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Figur 5a zeigt die Strahlen des Elektronenstrahlbündels, während Figur 5b die Äquipotentiallinien innerhalb der Elektronenkanone 78 darstellt. Die Elektronenkanone 78 unterscheidet sich von der in Figuren 3a und 3b gezeigten Elektronenkano insofern, als das G&sub2;- Schirmgitter an eine VG2-Spannungsquelle 74 angekoppelt ist, während das G&sub4;-Gitter an eine getrennte VG4- Spannungsquelle 76 angekoppelt und von ihr aufgeladen wird. Bei der Ausführungsform von Figur 5a und 5b werden das G&sub2;- und G&sub4;-Gitter somit von getrennten und unabhängigen Spannungsquellen bzw. Stromversorgungseinrichtungen aufgeladen. Da die VG4-Spannungsquelle 76 von der VG2-Spannungsquelle 74 unabhängig ist, werden die von der die Begrenzungsapertur 44 definierenden inneren Trennwand 56 von G&sub4; abgefangenen Elektronen daran gehindert, durch die Widerstandskette zu fließen und die Strahlabschneidungseigenschaften des Niederspannungs-BFR 38 zu beeinflussen. Bei dieser Ausführungsform gilt 300 V ≤ VG4 ≤ 0,12 VA.
Unter Bezugnahme auf Figuren 6a und 6b wird gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Elektronenkanone 80 vom Typ mit Einzellinse gezeigt. Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist das G&sub4;-Gitter von allgemein zylindrischer Form, wobei seine Längsachse entlang der Achse A-A' der Elektronenkanone 80 ausgerichtet ist. Die Dicke des G&sub4;-Gitters entlang der Achse A-A' ist tG4. Das G&sub4;- Gitter in der Ausführungsform von Figuren 6a und 6b enthält ebenfalls eine innere Trennwand 56, die eine Begrenzungsapertur 44 definiert. In dieser Ausführungsform ist das G&sub2;-Schirmgitter an eine getrennte VG2- Spannungsquelle 74 angekoppelt und wird von ihr aufgeladen. Analog dazu ist das G&sub4;-Gitter an eine getrennte Spannungsquelle 32 mit Fokussierungsspannung VF angekoppelt und wird von ihr aufgeladen. Bei einigen Elektronenkanonen kann mehr als eine Spannungsquelle mit Fokussierungsspannung VF vorliegen, wobei VF von 100 V bis zu 10,000 V oder darüber reicht. Eine höhere Anodenspannung VA lädt das G&sub3;- und das G&sub5;-Gitter mittels einer daran angekoppelten VA-Spannungsquelle 34 auf. Wie bei den vorausgegangenen Ausführungsformen ist 300 V ≤ VG4 ≤ 0,12 VA und die Tiefe des ersten und des zweiten ausgenommenen Schlitzes 52, 54 in gegenüberliegenden Flächen des G&sub4;-Gitters liefert in der Nähe der Begrenzungsapertur 44 einen von einem elektrostatischen Feld im wesentlichen freien Bereich. Dieser feldfreie Bereich eliminiert einen Linseneffekt der Begrenzungsapertur 44 auf den Elektronenstrahl und die damit verbundene unerwünschte sphärische Aberration. Da sich die Begrenzungsapertur 44 in einem von einem elektrostatischen Feld im wesentlichen freien Bereich befindet, tritt die innere Trennwand 56 mit den Elektronen nicht elektrostatisch in Wechselwirkung, sondern stellt für die Elektronenstrahlen um den Umfang des Elektronenstrahlbündels herum lediglich eine physische Barriere dar, um periphere Elektronen aus dem Bündel abzufangen und zu entfernen und die Fleckgröße des Elektronenstrahls zu verringern.
Unter Bezugnahme auf Figuren 7a und 7b werden axiale Schnittansichten von noch einer weiteren Ausführungsform einer Elektronenkanone 82 gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gezeigt. In der Ausführungsform von Figuren 7a und 7b enthält das G&sub4;-Gitter in der Elektronenkanone 82 eine innere Trennwand 72, die eine Begrenzungsapertur 66 entlang der Achse A-A' der Elektronenkanone definiert. Eine Spannungsquelle 32 mit Fokussierungsspannung VF ist an das G&sub6;-Gitter sowie an das G&sub4;-Gitter angekoppelt. Dem G&sub3;-, G&sub5;- und G&sub7;-Gitter wird über eine daran angekoppelte VA-Spannungsquelle 34 eine höhere Anodenspannung VA geliefert. Eine getrennte VG2- Spannungsquelle 74 ist an das G&sub2;-Schirmgitter angekoppelt und lädt es auf. Figur 7a zeigt die Position und Konfiguration der Elektronenstrahlen innerhalb der Elektronenkanone 82, wobei die äußeren Elektronenstrahlen von der inneren Trennwand 76 des G&sub4;-Gitters neben der Begrenzungsapertur 66 abgefangen werden. Die innere Trennwand 76 trennt gegenüberliegende äußere ausgenommene Teile 68, 70 des G&sub4;-Gitters. Figur 7b zeigt in gestrichelter Form Äquipotentiallinien in der Nähe der Begrenzungsapertur 66 im G&sub4;-Gitter. Es werden ebenfalls das elektrostatische Feld E und die auf die Elektronen in der Nähe des G&sub4;-Gitters ausgeübte elektrostatische Kraft F gezeigt. Wie bei vorausgegangenen Ausführungsformen erfahren Elektronen, die sich dem G&sub4;-Gitter nähern, eine divergierende Kraft weg von der Achse A-A', um den Raumladungseffekt innerhalb des Strahlbündels zu verringern. Dies gestattet, daß eine steigende Anzahl von Umfangsstrahlen in dem Elektronenstrahlbündel von der die Begrenzungsapertur 66 definierenden inneren Trennwand 72 abgefangen werden. Nach dem Durchgang des Elektronenstrahls durch die Begrenzungsapertur 66 wird auf die Elektronen, während sie auf die Leuchtstoffbeschichtung 46 auf dem Bildschirm 42 fokussiert werden, eine konvergierende elektrostatische Kraft F ausgeübt, um die Fleckgröße des Elektronenstrahls auf ein Minimum zu reduzieren.
Es sind somit verschiedene Ausführungsformen einer Elektronenkanone gezeigt worden, die eine Begrenzungsapertur beinhalten, die in einem von einem elektrostatischen Feld relativ freien Bereich im Hochspannungs- Hauptfokussierungslinsenteil der Elektronenkanone angeordnet ist. Die im allgemeinen kreisförmige Begrenzungsapertur ist auf der Achse der Elektronenkanone und innerhalb einer geladenen Elektrode bzw. eines geladenen Gitters innerhalb der Hauptfokussierungslinse angeordnet. Die Begrenzungsapertur ist zwischen einem Paar von allgemein kreisförmigen ausgenommenen Teilen in gegenüberliegenden Flächen der geladenen Elektrode, die entlang der Achse der Elektronenkanone eine vergrößerte Dicke tG aufweist, angeordnet, wobei die kreisförmigen ausgenommenen Teile einen Durchmesser dG aufweisen und tG ≥ 1,8dG ist. Das die Begrenzungsapertur tragende Gitter wird bei einer Spannung VG gehalten, die viel niedriger liegt als die beschleunigende Anodenspannung VA der Elektronenkanone, wobei VG ≤ 0,12 VA ist. Bei innerhalb der zylindrisch geformten, länglichen geladenen Elektrode ausgenommener Begrenzungsapertur ist das elektrostatische Feld bei der Begrenzungsapertur im wesentlichen Null, wo äußere Umfangselektronen in dem Elektronenstrahlbündel abgefangen werden, um die Fleckgröße des Elektronenstrahls zu begrenzen. Durch die niedrige Spannung des Begrenzungsaperturgitters und die kleine Größe der Begrenzungsapertur wird die Möglichkeit, daß sekundäre Elektronen den Bildschirm erreichen, wesentlich verringert und die damit verbundene "Unschärfe" um Videobilder auf dem Bildschirm so gut wie eliminiert.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es doch für den Fachmann offensichtlich, daß Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung insgesamt abzuweichen. Zwar ist beispielsweise das die Begrenzungsapertur tragende Niederspannungsgitter als das G&sub4;- oder G&sub6;-Gitter offenbart worden, doch ist es nicht auf diese besonderen Gitter beschränkt, sondern es kann sich dabei um jedes der Gitter in dem Hauptfokussierungslinsenteil der Elektronenkanone handeln. Der in der voraüsgegangenen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen dargelegte Erfindungsgegenstand ist nur beispielhaft vorgestellt worden und soll nicht als Beschränkung aufgefaßt werden. Der eigentliche Umfang der Erfindung soll in den nachfolgenden Ansprüchen, die von der Beschreibung untermauert werden, definiert werden.

Claims

1. Linse zum Fokussieren eines Elektronenstrahls, der aus von einer Quelle (K) entlang einer Achse (A-A') emittierten und von einer Spannung VA in Richtung eines Bildschirms (42) beschleunigten energiereichen Elektronen besteht, wobei die Linse aus relativ zu der Quelle auf der Achse (A-A') in der Nähe angeordneten Niederspannungs-Fokussiermitteln (16) zum Anlegen eines fokussierenden elektrostatischen Feldes an die energiereichen Elektronen zur Formung der energiereichen Elektronen zu einem Strahl und zwischen den Niederspannungs-Fokussiermitteln (16) und dem Bildschirm (42) und auf der Achse (A-A') angeordneten Hochspannungs-Fokussiermitteln (40) zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf den Bildschirm besteht und ein im allgemeinen zylinderförmiges geladenes Gitter (G&sub4;) mit einer Axiallänge tG4 enthält und an entgegengesetzten Enden ein erstes und ein zweites koaxiales, im allgemeinen kreisrundes zylindrisches rohrförmiges Teil (52, 54) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der rohrförmigen Teile einen Durchmesser dG4 aufweist, daß das geladene Gitter bei Gebrauch auf einer Spannung VG gehalten wird, wobei VG ≤ 0,12 VA ist und die rohrförmigen Teile in dem geladenen Gitter einen von einem elektrostatischen Feld relativ freien Bereich schaffen, und daß die Linse weiterhin Mittel umfaßt, die auf der Achse (A-A') in dem von einem elektrostatischen Feld relativ freien Bereich des geladenen Gitters (G&sub4;) eine Begrenzungsapertur (44) zum Entfernen von Elektronen in einem Umfangsteil des Elektronenstrahls und Reduzieren der Fleckgröße des Elektronenstrahls auf dem Bildschirm (42) definieren, wobei die Begrenzungsapertur (44) einen Durchmesser dG4' aufweist, der kleiner ist als dG4.

2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dG4' im Bereich von 0,1 dG4 bis 0,5 dG4 liegt.

3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser dG4' der Begrenzungsapertur (44) geringer ist als die Axiallänge tG4 des geladenen Gitters (G&sub4;) .

4. Linse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite koaxiale, im allgemeinen kreisrunde zylindrische rohrförmige Teil (52, 54) voneinander durch eine die Begrenzungsapertur (44) definierende, sich radial nach innen erstreckende dünne Wand (56) getrennt sind.

5. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallänge tG4 des geladenen Gitters (G&sub4;) derart größer ist als dG4, daß tG4 ≥ 1,8 dG4 ist.

6. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dG4 im Bereich von 3 mm bis 6 mm liegt.

7. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geladene Gitter ein G&sub4;- Gitter umfaßt.

8. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geladene Gitter ein G&sub6;- Gitter umfaßt.

9. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an das geladene Gitter (G&sub4;) gekoppelte erste Stromversorgung (76) niedrigerer Spannung und eine an das Hochspannungs-Fokussiermittel gekoppelte zweite Stromversorgung (32) höherer Spannung.

10. Elektronenkanone für eine Kathodenstrahlröhre mit einer Linse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone nach Anspruch 10.