跳跃电子阴极射线管中的预聚焦透镜 本发明涉及一种阴极射线管，它包括：具有发射电子的阴极的电子源；具有输入和输出孔、用于集中从阴极发射的电子的电子束引导腔；可连接到第一电源装置的第一电极，在工作时该第一电极用于在阴极和输出孔之间施加具有第一场强E1的电场，以便允许电子通过所述电子束引导腔传输；用于加速离开所述腔的电子的加速栅极单元；和用于将加速电子聚焦在显示屏上的主电子透镜。
从US-A-5270611中可知这种阴极射线管的实施方式。这篇文献介绍了一种设有阴极、电子束引导腔和第一电极的阴极射线管，其中第一电极可连接到第一电压源，用于在阴极和输出孔之间施加具有第一场强E1的电场。腔壁包括具有二次发射系数δ的材料。
当沿着电子束引导腔的纵向施加足够强的电场E1时，电子可以在腔中传输。这个电场的值取决于材料地类型、更具体地说是取决于其二次发射系数δ以及腔壁的几何形状和尺寸。
然后经过二次发射过程产生电子传输，以便对于着落于腔壁上的每个电子，平均发射一个电子。可以选择这样的情况，使得进入电子束引导腔的电子与离开输出孔的电子一样多。
当输出孔远远小于输入孔时，形成电子压缩器，以例如100到1000的倍数集中电子源的发光度(luminosity)。这种阴极射线管有时称为跳跃电子阴极射线管或HE-CRT，并且可以用在电视显示器、计算机监视器和投影电视机中。
腔的输出孔由电子光学系统在显示屏上成像，如从常规CRT中周知的那样。该电子光学系统包括加速栅极单元和主透镜。
在这些类型的阴极射线管中，射出的射线具有能量扩散，以致必须向该系统中引入额外的预聚焦透镜，以便获得最佳主透镜填充(filling)，以用于在显示屏上实现小束点。实现这一点的一种方式是通过使用杯状透镜或通过应用平面型光学装置。这些方案在专利申请WO-01/26131中有介绍。
在这篇专利申请中给出的方案具有的缺点是在腔的荧光屏一侧、在输出孔附近产生减小的电场。这将导致相对强的空间电荷，对从腔射出的电子形成势垒。结果是，射出的电子具有相对低的能量，因而束点尺寸即输出孔在显示屏上的图像尺寸变坏。
因此本发明的目的是提供一种在输出孔附近、在腔的荧光屏一侧具有较大牵引场的跳跃电子阴极射线管。
本发明的第一方案提供一种如权利要求1中限定的阴极射线管。在从属权利要求中限定了有利的实施例。
该阴极射线管的特征在于所述加速栅极单元包括多个栅极，这些栅极一起构成预聚焦透镜。通过在加速栅极单元中形成预聚焦透镜，可从该阴极射线管中排除来自WO-01/26131的方案。因此，在输出孔附近的腔的荧光屏一侧实现了相对高的牵引场。因而，降低了造成使光点尺寸增加的空间电荷效应。
此外，与已知的方案相比，本发明的阴极射线管对对准误差不太敏感。杯状透镜或平面光学装置必须与输出孔很好地对准，而这个要求在本阴极射线管中放松了很多。
而且，通过在加速栅极单元中提供预聚焦透镜，可以获得可调的预聚焦。这允许显示器的随时间变化的或多媒体应用。
在本发明的优选实施例中，所述预聚焦透镜是低-单-双透镜。
优选地，所述低-单-双透镜分别包括第一、第二和第三栅极G3、G4和G5，所述第一栅极G3是加速栅极，其中所述第一和第三栅极G3和G5可连接到提供电压Vg3的第三电源，置于所述第一和第三栅极之间的第二栅极G4可连接到所述第一电极的电位之一或单独的电压Vs。这里，电压Vg3优选地在0.15Va-0.35Va的范围内，Va是所述阴极射线管中的阳极电压。此外，电压Vs可以适当地位于0-Vg3范围内，或者可以在内部被连接到第一电压源，到输出孔。此外，所述第一电极靠近腔的所述输出孔适当地设置。
根据本发明的替换实施例，第一电极包括沿着所述主电子透镜轴线彼此前后设置的第一和第二部分，其中所述第一部分的直径小于所述第二部分的相应直径。由此产生所谓的杯状透镜，导致电子束的附加预聚焦。
如果只存在杯状透镜，输出孔附近的相对低的场将引起彩色透镜误差。通过采用在加速栅极单元中包括杯状透镜和预聚焦透镜的这个实施例，增大了牵引场，并减小了彩色透镜误差。此外，电子束以固定的直径从杯状透镜射出，而这个实施例允许调制电子束的直径，这在某些应用中可能是有价值的。
根据本发明的另一实施例，该阴极射线管还包括与所述第一电极同心的第二电极，所述第二电极可连接到第二电源装置，用于在所述电极之间施加第二场强E2，其中第二电源装置设置成提供低于第一电源装置的电压。因此，产生对于电子束具有预聚焦能力的平面电子透镜，即所谓的平面光学装置。
这种平面光学装置的一个优点是，在阴极已经安装在阴极射线管中之后有些电子束透镜特性是可调的。这种结构在工作时可用于调制电子束的孔角(aperture angle)。
在加速栅极单元中组合平面光学装置和预聚焦透镜具有的优点是，电子束至少部分地被加速栅极单元预聚焦，使得平面光学电极之间的电压差可以减小。这减少了平面光学电极之间的飞弧的风险。
平面光学电极可适当地设置在基本一个平面内。
下面将参照附图详细介绍本发明的这些和其它方案。所有附图中，相应的部件用相应的参考号表示，并且从表示图号的数字开始。因此在有些情况下省略了每附图的每个部件的全面说明。附图中：
图1是根据本发明的具有低-单-双预聚焦透镜的跳跃电子阴极射线管的示意图；
图2是与本发明一起使用的阴极结构的示意剖面图；
图3表示与本发明一起使用的利用了杯状透镜的阴极结构的第二实施例；和
图4是根据本发明的阴极射线管的一部分示意剖面图，表示通过低-单-双预聚焦透镜的电子束路径。
图1是根据本发明的阴极射线管100的示意图。阴极射线管100包括电极结构101，具有用于发射电子的阴极105、106、107和用于将发射的电子引导到电子束引导腔输出孔的电子束引导腔120、121、122，发射的电子通过该输出孔射出。阴极和腔的实施例本身例如从WO00/79558可知，而且包括加热灯丝102、103、104。
在所述输出孔周围的所述电子束引导腔的内部至少部分地被绝缘材料覆盖，该绝缘材料具有二次发射系数δ，此处δ＞1。
阴极105、106、107和电子束引导腔120、121、122优选设置成三个一组的形式，如图1所示，使得阴极射线管100可用于显示彩色图像，但是本发明也可适用于其它结构，如具有单阴极(未示出)的单色一束显示器。
阴极射线管的电极结构200在图2中更详细地示出了。该阴极射线管包括第一电极226、227、228，它们设置在每个电子束引导腔220、221、222的外侧上的每个输出孔223、224、225周围。第一电极226、227、228可由金属板形成，在当前的实施例中，它具有约2.5μm的厚度，并且输出孔223、224、225可具有直径约20μm的圆形。输出孔223-225可具有不同的形状，如椭圆形或矩形，这取决于所希望的电子束特性。
当使用阴极射线管时，第一电极226、227、228连接到第一电源装置V1(未示出)，用于在阴极205-207和输出孔223、224、225之间施加具有场强E1的电场。通常，第一电源装置V1的电压在100-1500V范围内，例如1000V。场强E1和二次发射系数δ具有选定的值，以便允许电子束穿过电子束引导腔220、221、222传输，用于通过输出孔223、224、225发射，目的是为了产生电子束，如图4所示。
根据本发明，该阴极射线管还包括加速栅极单元140、常规主透镜150和常规磁偏转单元160以及显示屏170，例如常规彩色荧光屏，所有这些部件从常规阴极射线管中都可知道，并且上述部件依次设置，加速栅极单元140设置在输出孔附近。上述阴极射线管可以用在例如电视机、投影电视机或计算机监视器中。
加速栅极单元140分别包括作为加速栅极的第一栅极G3和第二和第三栅极G4和G5，所述栅极G3、G4、G5依次排列，且第一栅极G3最靠近输出孔223、224、225。所述第一、第二和第三栅极G3、G4、G5一起构成低-单-双透镜。每个栅极可包括一个或多个板，每个板具有束孔。对于彩色显示器，在每个板上需要三个束孔，每个束孔分别用于彩色电子束红、绿和蓝的每个。束孔可具有多种形状，这取决于阴极射线管的结构。然而，这些束孔通常具有圆形、方形或矩形。
在使用时，栅极G3和G5连接到提供电压Vg3的第三电源，第二栅极G4设置在所述第一和第三栅极，G3和G5，之间，并连接到所述第一电极的电位V1或一个独立的电压Vs。通常，电压Vg3在0.15-0.35Va的范围内，此处，Va是施加于所述阴极射线管中的阳极的电压，并且Vs在0-Vg3范围内。
图1和图2中所示的上述实施例的优点在于，不必在电子束引导腔220、221、222的输出孔223、224、225上设置如现有技术情况所需的附加光电透镜部件，现有技术采用了杯状透镜或平面光学装置。
然而，也可以将本发明的预聚焦加速栅极单元140与如在WO-01/26131中所述的杯状透镜或平面光学装置一起使用。在这些情况下，杯状透镜或平面光学装置可以做得比单独使用的情况的作用更弱，并且可减小空间电荷效应。
用在图1的阴极射线管中的电极结构的第二实施例示于图3中。这个阴极射线管包括第一电极326、327、328，它们设置在每个电子束引导腔320、321、322外侧的每个输出孔323、324、325周围。第一电极326、327、328可通过金属板形成，在当前实施例中，它具有约2.5μm的厚度，并且输出孔可具有直径为约20μm的圆形形状。输出孔323-325可具有不同形状，如椭圆形或矩形，这取决于所希望的电子束特性。
当使用阴极射线管时，第一电极326-328连接到第一电源装置V2，用于在阴极305、306、307和输出孔323、324、325之间施加具有场强E2的电场。通常，第二电源装置V2的电压在100-1500V范围内，通常为1000V。场强E2和二次发射系数δ具有选定的值，以便允许电子束穿过电子束引导腔320、321、322传输，用于通过输出孔323、324、325发射，目的是为了产生电子束。
根据本发明的这个实施例，电子透镜系统形成为包括由加速栅极单元140产生的上述低-单-双透镜以及杯状透镜，该杯状透镜由所述第一电极326-328形成并包括第一和第二部分。第一和第二部分沿着所述主透镜150的对称轴线彼此前后设置。所述第一部分优选具有小于杯状透镜的第二部分的平均直径的平均直径。根据优选实施例，这两个部分都具有圆形对称形状，但是为了获得散光杯状透镜，也可以采用椭圆形或矩形，用于进一步校正荧光屏上的束点形状。
根据本发明的第三实施例(未示出)，形成电子透镜系统，它包括由加速栅极单元140产生的上述低-单-双透镜以及一个包含第一电极和第二电极的平面光学装置电极单元。第二电极与第一电极同心设置，并且所述电极优选地设置在同一平面内。所述第一和第二电极可具有圆形、椭圆形或矩形对称形状中的一种形状。通过采用平面光学装置单元和上述低-单-双透镜之间的组合，直接在锥体前部的牵引场可以形成得较大，因为平面光学装置单元可以做得比只有平面光学装置单元的情况下作用更弱。
本发明的结构具有的另外的优点是，使用低-单-双透镜用于在阴极射线管中预聚焦导致很容易的可调预聚焦，由此允许随时间变化的或多媒体应用。
本发明不应该限于上述实施例，而是包括被所附权利要求书限定的范围所覆盖的所有可能变化。
在这篇文献中，介绍了在阴极射线管中使用低-单-双透镜作为预聚焦元件。低-单-双透镜可单独使用或与杯状透镜或平面光学装置组合使用，如上所述。然而，本发明不限于上述组合，也可以使用低-单-双透镜与光电部件的具有对应效果的其它组合。
还应该指出的是对于更复杂的电子枪，如具有动态散光聚焦或动态束成形的电子枪，施加于上述第一和第三加速栅基G3和G5的电压可以彼此不同。例如，栅极G3和G5可连接到相差约0-1.5kV的静态和动态电压。
而且，还应该指出的是，即使参照低-单-双透镜介绍了本发明的上述实施例，也还可以通过使用其它透镜类型如高-单-双透镜来达到相同的效果。