DE3110124A1

DE3110124A1 - Bildwandlerroehre und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3110124A1
Application number: DE19813110124
Authority: DE
Inventors: Louis Thomas Palo Alto Calif. Zitelli
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1982-02-18
Also published as: US4333030A; NL8101302A; FR2478373B1; FR2478373A1; JPS56136433A

Description

Patentanwälte ■ European Patent Attorneys

München

V1 Ρ533

VARIAN ASSOCIAOJES, INC.
Palo Alto, CaI., USA

Bildwandlerröhre mad Verfahren zu deren Herstellung

Priorität: 17. Mära 1980 - USA - Serial No. 130,877

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Die Erfindung betrifft elektronenoptische Bildwandlerröhren, z.B. Verstärker für lichtschwache Bilder und Röntgenbildverstärker. Bei solchen Höhren wird das ausgegebene Bild auf einem Fluoreszenzschirm erzeugt, auf den Elektronen aufprallen, und durch ein transparentes Vakuumfenster betrachtet.

Beim Durchtritt des Lichts durch das Ausgangsfenster wird ein Teil des Lichts an der äußeren Glas-Luft-Grenzfläche reflektiert. Das reflektierte Licht fällt auf die innere Glas-Vakuum-Oberfläche an verschiedenen Stellen auf, die im Bild Dunkelbereiche sein können. Dort kann es durch die Diskontinuität des Brechungsindex erneut reflektiert oder durch den Phosphorschirm verteilt werden. Im Fall von Fernsehbildröhren ist es üblich, den Kontrast dadurch zu verbessern, daß das Ausgangsfenster aus einem teilweise lichtabsorbierenden Glas hergestellt wird. Das gewünschte direkte Bild tritt nur einmal durch das Fenster hindurch, während reflektiertes Licht mindestens dreimal das Fenster durchtreten muß. Das Verhältnis zwischen reflektiertem und direktem Licht wird dadurch mindestens um das Quadrat des Durchlässigkeitskoeffizienten des Fensters verbessert. Bei Fernsehröhren hat das absorbierende Fenster außerdem den Vorteil, daß es reflektiertes Zimmerlicht dämpft, welches mindestens zweimal durch das Fenster hindurchtreten muß, mehr als das Bildlicht, welches nur einmal hindurchtritt.

Dies Prinzip hat jedoch bei elektronenoptischen Bildwandlerröhren keine allgemeine Anwendung gefunden, da man hierbei in erster Linie bestrebt ist, eine ausreichende gesamte optische Verstärkung zu erzielen und insbesondere, weil die Verstärkung von Röhre zu Röhre aus der gleichen Fertigungsserie ziemlich unterschiedlich sein kann. Es ist darüber hinaus üblich, Bildwandlerröhren mit Spezifikationen des Kontrastverhältnisses zwischen großen Hellbereichen und Dunkelbereichen zu verkaufen. Die QualitätsVerschlechterung aufgrund mehrfacher Reflexionen

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erfolgt in verhältnismäßig kleineren Bereichen, die jedoch für den Informationsgehalt des Bildes von größerer realer Bedeutung sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bildwandlerröhre mit verbessertem Kontrast zu schaffen; darüber hinaus soll eine solche Röhre mit zufriedenstellender Verstärkung verfügbar gemacht werden.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Röhre mit einem im wesentlichen transparenten ausgangsseitigen Betrachtungsfenster versehen, die Verstärkung gemessen, ein Filter zum Absorbieren der gewünschten Lichtmenge ohne Verringerung der Verstärkung bis unter einen akzeptablen Minimalwert gewählt und der Filter in optischer Berührung an der Außenseite des ausgangsseitigen Fensters befestigt wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine RontgenbiIdverstärkerröhre; Fig. 2 einen Teil eines Schnitts durch ein Ausgangsfenster mit

einer Darstellung interner Lichtreflexioneni Fig. 3 eine graphische Darstellung der Lichtintensität in der Nähe eines hellen Fleoksj

Fig. h einen Schnitt durch ein Fenster gemäß der Erfindung! Fig. 5 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 1st schematisch im Längsschnitt eine Röntgenbildverstärkerröhre gezeigt, die z.B. einen Vakuumkolben 10 aus Glas aufweist. Auf diesem Gebiet der Technik werden auch Metallkolben verwendet. Ein an der Eingangsseite angeordnetes konvexes "Fenster" 12 ist für die aufprallenden Strahlen des Röntgenbildes durchlässig. Auf der Innenseite des Fensters 12 ist eine Phosphorschicht 14 niedergeschlagen, die sichtbares Licht ab-

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gibt, wenn sie von den Röntgenstrahlen erregt wird. Auf der Phosphorschicht I^ ist eine dünne Photokathodenschicht 16 niedergeschlagen, die bei Erregung durch das sichtbare Licht Elektronen aussendet. Die Photokathodenschicht 16 erhält Nachschtü elektronen durch eine hermetisch abgedichtete Zuleitung 17. Häufig ist zwischen der Phosphorschicht 14 und der Photokathodenschicht 16 eine hier nicht gezeigte_/ sehr dünne leitfähige Schicht vorgesehen, um allen Teilen der Photokathodenschicht 16 die Elektronen besser zuzuführen.

Die Elektronen werden aus der Photokathodenschicht 16 durch Pokussierelektroden 18, 22 herausgelöst, die jeweils zunehmend positives Potential über Zuleitungen 20 bzw. Zk erhalten. Die Elektronen werden veranlaßt, insgesamt geradlinigen radialen Bewegungsbahnen 25 zu folgen, wobei sie zu einer halbkugelförmigen Anode 26 beschleunigt werden, die von einer Zuleitung 28 das höchste positive Potential erhält. Die Elektronen werden durch eine in der Mitte der Anode 26 vorgesehene Öffnung 30 fokussiert und divergieren dann, um auf einen ausgangsseitig vorgesehenen Fluoreszenzschirm 32 aufzutreffen. Das vom Fluoreszenzschirm 32 erzeugte sichtbare fluoreszierende Licht ist eine geometrische Abbildung des Röntgenstrahlenmusters auf der eingangsseitigen Phosphorschicht Ik. Das sichtbare Licht tritt durch ein transparentes ausgangsseitiges Fenster 3k aus optisch flachem Glas und wird von einem Empfangssystem 36 betrachtet, bei dem es sich um einen optischen Vergrößerer, eine Kamera oder ein Fernsehaufnahmegerät handeln kann. Das Bild wird im allgemeinen nicht wie in der Zeichnung dargestellt ,direkt betrachtet, da der an der Ausgangsseite vorgesehene Fluoreszenzschirm 32 absichtlich viel kleiner ist als die Phosphorschicht lk_t um seine Helligkeit zu verstärken.

In Fig. 2 sind in vergrößertem Maßstab einige interne Reflexionen und Streuungen gezeigt, die die Qualität des Kontrastes des optischen Bildes verschlechtern. Ein Elektronenstrahl ^O wird in einem an der Ausgangsseite angeordneten Phosphorschirm 32' absorbiert, welcher hier in stark vergrößerter Dicke gezeigt ist. Das erzeugte sichtbare Licht wird in alle Richtungen abge-

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geben. Üblicherweise ist der Phosphorschirm 32' von einer dünnen, für Elektronen durchlässigen Schicht 41 z.B. aus Aluminium bedeckt, die zur Photokathode zurückwanderndes Licht reflektiert. Es sind die Wege von zwei als Beispiel gewählten optischen Strahlen 42, 58 gezeigt.

Der Strahl 42, der unter großem Winkel zur Oberfläche 44 eines Fensters 34' ausgesendet wird, wird an der Oberfläche 44 gebrochen und gelangt zu einem optischen Bildpunkt 36*. An der Oberfläche 44 verursacht die Diskontinuität des Brechungsindex einen teilweise reflektierten Strahl 48, der an einem vom Elektronenstrahl 40 entfernten Punkt 50 zum Phosphorschirm 32' zurückkehrt. Hier wird er gestreut, wobei ein Strahl 54 zurückgeleitet, an der Oberfläche 44 gebrochen und zum betrachteten Strahl 56 wird, der als Stör- bzw. Fremdlicht einer Stelle erscheint, die dunkel sein sollte.

Dieser teilweise im Innern reflektierte Lichtstrahl 48 kann durch eine bekannte reflexmindernde Beschichtung der ausgangssei tigen Oberfläche 44 verringert werden. Allerdings kann diese Reduktion nicht für alle Einfallswinkel vollständig sein.

Ein zweiter Strahl 58 des Lichtflecks trifft auf die ausgangsseitige Oberfläche 44 unter einem so kleinen Winkel auf, daß ein Strahl 60 nach innen totalreflektiert wird, zu einem Punkt 62 auf der Innenfläche. Einige Teilchen des Phosphorschirms 32' stehen mit dem Glas des Fensters 34·' in optischer Berührung und streuen einen Τβά,Ι des reflektierten Strahls 60, so daß willkürlich divergierende Strahlen 64 entstehen. Ein Strahl 66 dieser Strahlen 64 wird an der aus Glas bestehenden Oberfläche 44 gebrochen und zum Strahl 68, der in den Empfänger 36' gelangt. Ein Teil des reflektierten Strahls 60 wird nicht am Punkt 62 gestreut, sondern wiederum als Strahl 70 zum Innern totalreflektiert. Durch aufeinanderfolgende Reflexionen wird jedoch ein großer Teil des insgesamt zum Innern reflektierten Lichts schließlich gestreut und erscheint als diffuse Hintergrundsbeleuchtung,

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die den Kontrast mindert. Ein Ring aus dunklem Glas, der den Bildbereich umgibt, absorbiert das restliche reflektierte Licht. Reflexmindernde BeSchichtungen beeinflussen die Totalreflexion im Inneren des Fensters nicht.

In der vorstehenden Beschreibung sind bestimmte Lichtstrahlen als Beispiele für die Erscheinung der Kontrastminderung erwähnt worden. Aber natürlich wird vom Phosphor ausgesendetes und gestreutes Licht in alle Richtungen abgegeben. Polglich erscheint das Streulicht als diffuser Hintergrund um einen hellen Fleck herum.

In Fig. 3 ist in einer Kurve 72 die Schirmhelligkeit in der Nähe eines kleinen beleuchteten Flecks 74 aufgezeichnet. Die Helligkeit fällt am Rand des Flecks 7**· rapide ab, erreicht jedoch mit zunehmender Entfernung eine sekundäre breite Spitze 76 (Lichthof). Dies steht in Zusammenhang mit der Entfernung, mit der die erste interne Totalreflexion auf den Schirm auftrifft. Bei größeren Entfernungen nimmt sie beständig bis zu einem begrenzenden Gesamthintergrund 78 ab. In der Bildröhrenindustrie ist es üblich, das Kontrastverhältnis zwischen einem großen hellen Fleck und einem großen Dunkelbereich in großer Entfernung von demselben zu spezifizieren. Die in Fig. 3 dargestellten Wirkungen zeigen, daß der Verlust an Kontrast zwischen dicht beieinander liegenden Bereichen viel größer sein kann, deren Auflösung für die Bildqualität noch viel wichtiger ist. Der in der Spezifikation angegebene Kontrast ist also kein gutes Maß für die Bildqualität.

In Fig. k ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines an der Ausgangsseite angeordneten Schirms und Fensters im Schnitt gezeigt. An der Außenseite (Luftseite) eines Fensters 34" ist eine Schicht 80 aus teilweise absorbierendem Material, z.B. dunklem Glas vorgesehen. Die Schicht 80 steht mit dem Vakuumfenster 3*f" z.B. durch eine Verbindung 82 in Form von Optikkitt in optischer Berührung. Ein direkter Lichtstrahl 42' wird an der Verbindung 82 nicht gebrochen oder reflektiert, da die beiden Gläser etwa den gleichen Brechungsindex haben. Der di-

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rekte Lichtstrahl 42' wird an einer Außenfläche kk· der Filter schicht 80 gebeugt und als Bildstrahl 46' empfangen. Ein Teil des Lichts geht in der Filterschicht 80 verloren. Die Intensität ist durch den gestrichelten Abschnitt des Bildstrahls 46« angedeutet. Fremdlicht 68' eines im Innern totalreflektierten Strahls 58· muß die Filterschicht 80 dreimal passieren, ehe es einen Empfänger J6^W erreicht. Das Verhältnis zwischen dem direkten Bildstrahl *f6' und dem Streulichtstrahl 68' wird also um Tr verbessert, wobei T die Durchlässigkeit der Filterschicht 80 ist. Wie schon erwähnt, kann diese Verbesserung dadurch erzielt werden, daß das Fenster Jk aus teilweise absorbierendem Glas gewählt wird. Dabei ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß es nicht möglich ist, vor dem Herstellen der Bildröhre exakt den Wert der Verstärkung zu kennen, d.h. die gesamte Quantenverstärkung der einfallenden Röntgenstrahlungsquanten in austretende sichtbare Lichtquanten« Man weiß also nicht, auf wieviel Licht man zur Absorption im Fenster verzichten kann. Gemäß der Erfindung wird der Filter 80 als getrenntes Element hergestellt und nach der Fertigstellung und Prüfung der Bildröhre am transparenten Fenster 3^" befestigt. Die Prüfungen zeigen nämlich, auf wieviel Verstärkung man verzichten kann, und dann wird der Filter 80 entsprechend einem Absorptionskoeffizienten gewählt, der die Gesamt verstärkung nur bis auf ein noch annehmbares Niveau verringert. Das gibt dem Hersteller die Möglichkeit, je nach den Anforderungen des Kunden, einen Kompromiß zwischen Verstärkung und Kontrast zu finden.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch im Schnitt gezeigt. Statt einer absorbierenden Glasplatte als Filterschicht 80 ist das absorbierende Element eine Graufilterschicht 84- aus einem organischen Polymer. Solche Filter, z.B. die Reihe Wratten (Wz) stehen für einen großen Bereich an Durchlässigkeiten zur Verfügung und sind ziemlich preisgünstig. Zum mechanischen Schutz kann die organische Filterschicht 8*4-mit einer Abdeckplatte 86 aus transparentem Glas bedeckt sein.

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Ein Fenster 3^¹¹¹, die Pilterschicht 8*l· und die Abdeckplatte 86 stehen alle z.B. durch Optikkitt miteinander in optischer Berührung, um interne Reflexionen zu verhüten. Ein Vorteil organischer Filter 8^· besteht darin, daß die ganze Reihe der Durchlässigkeiten die gleiche Dicke haben kann, so daß die Lage des optischen Bildes bei allen Röhren gleich ist. Auch die Glasfilter gemäß Fig. 4 können in konstanter Dicke hergestellt seini das würde aber die Lagerhaltung vieler verschiedener Arten von Glas erfordern, was ziemlich teuer wäre.

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Claims

Patentansprüche

1/ Bildwandlerröhre mit einem ausgangsseitigen Phosphorschirm, gekennze ichne t durch ein im wesentlichen transparentes Vakuumfenster zum Betrachten des ausgangsseitigen Schirms, eine Filtereinrichtung, die eine erheblich geringere optische Durchlässigkeit als das Fenster hat, und die mit der vom Schirm abgewandten Oberfläche des Fensters in optischer Berührung steht.
2. Bildwandlerröhre naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Filtereinrichtung eine Schicht aus teilweise absorbierendem Glas ist,
3. Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Filtereinrichtung eine Schicht aus teilweise absorbierendem, organischem Kunststoff ist.
b. Bildwandlerröhre nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht aus Kunststoff mit einer Schicht aus im wesentlichem transparentem Glas bedeckt ist.
5- Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Phosphorschirm auf der Vakuumseite des Fensters niedergeschlagen ist.
6. Bildwandlerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchlässigkeit so gewählt ist, daß sie mit der Quantenverstärkung der Röhre kompatibel ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Bildwandlerröhre mit einem ausgangsseitigen Phosphorschirm und einem im wesentlichen transparenten Vakuumfenster zum Betrachten des Schirms, dadurch

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gekennzeichnet , daß die Röhre zusammengesetzt wird, daß die Röhre evakuiert und weiterverarbeitet wird, daß die Verstärkung der Röhre gemessen wird, daß ein ausgangsseitiges Filterelement gewählt wird, dessen optische Durchlässigkeit ausreichend ist, so daß die Verstärkung einschließlich des Filters oberhalb der benötigten liegt, und daß der Filter in optischer Berührung mit dem Fenster befestigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der ausgangsseitige Phosphor auf der Vakuumseite des Fensters niedergeschlagen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7_t dadurch gekennzeichnet , daß der Brechungsindex des Filters so gewählt wird, daß er etwa dem des Ausgangsfensters entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Filter eine Schicht aus teilweise absorbierendem Glas angebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Filter eine Schicht aus teilweise absorbierendem organischem Kunststoff angebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet , daß der organische Kunststoff mit einer
Schicht aus im wesentlichem transparentem Glas bedeckt wird.

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