Brevet FR2460080A1 — publié le 19810116

Tube de caméra de télévision à focalisation électro- statique. La présente invention conceroeun tube de caméra de télévision à focalisation électrostatique et elle a trait, plus particulièrement, à la structure des électrodes d'une lentille de focalisation électrostatique pour un tel tube de caméra de télévision. On va décrire tout d'abord sommairement la structure et le fonctionnement fondamental d'un tube de caméra de télévision classique à focalisation électrostatique. La figure 1 du dessin annexé montre en coupe longitudinale la structure d'un tube de caméra à focalisation électrostatique et à déviation élec- tromagnétique, comme par exemple un vidicon, qui est un exemple d'un tube de caméra à focalisation électrostatique. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe de verre cylindrique dans laquelle une cible Photoconductrice 2 est disposée à l'extrémité avant et une pluralité de broches conductrices 3 s'étendent à travers la paroi d'extrémité arrière. L'enveloppe en verre contient diverses électrodes disposées coaxialement ou concentriquement et un vide élevé est établi dans cette enveloppe en verre. La référence 5 désigne une cathode et les références 6 et 7 indiquent respec- tivement des première et seconde grilles destinées à commander le courant d'électrons,l'angle de convergence et la superficie de section droite du faisceau d'électron émis par la cathode 5. Une électrode 8 destinée à limiter le faisceau d'électronsat comportant une petite ouverture (diaphragme de limitation de faisceau) 8a est disposée sur le côté de la seconde grille 7 situé vers la cible photoconductrice 2, de manière à fournir un faisceau d'électronstrès fin. La cathode 5, la première grille 6 et la seconde grille 7 constituent une section de triode du canon électronique. Les références 9, 10 et 11 désignent des troisième, quatrième et cinquième électrodes de grille de forme cylindrique. qui constituent une section de lentille électrostatique de focalisation pour focaliser le faisceau électronique divergent sur son parcours depuis l'ouverture 8a de la seconde grille 7 de la section de triode jusqu'à la surface de la cible 2, de manière qu'il forme une petite tache lumineuse ou spot. La référence 12 désigne une sixième électrode de grille ayant une configuration à mailles et interposée entre la cinquième grille 11 et la cible 2. Les cinquième et sixième grilles 12 forment une lentille de colli- mation pour projeter toujours perpendiculairement le faisceau d'électronssur la cible 2. La référence 13 désigne une bobine de déviation électromagnétique montée autour de l'enveloppe 1 en verre pour dévier les faisceaux en vue d'un balayage. Avec ce type de tube de caméra, le faisceau d'électronssortant de la section de triode est focalisé sur la cible 2 au moyen de la section de lentille électrostatiquede focalisation et de la sixième grille ou électrode à mailles 12, tandis que le faisceau d'électronsest dévié par la bobine 13 de déviation électro- magnétique, grâce à quoi la cible 2 est balayée par le faisceau de manière à fournir un signal vidéo. En particulier, quand une image optique est formée sur la cible photoconductrice 2, il se produit sur la surface de la cible 2 une répartition du potentiel correspondant à l'image optique. Lorsque le faisceau d'électron tombe sur la cible, le potentiel au point d'incidence diminue jusqu'à une valeur presque nulle. A ce moment, le courant de décharge traversant la capacité électro- statique de la cible 2 constitue le signal vidéo. On va décrire ci-après en détail la section de lentille électrostatique de focalisation constituée par les troisième, quatrième et cinquième grilles 9, 10 et 11. La figure 2 montre en coupe longitudinale la partie principaled'une section de lentille électrostatique de focalisation du tube de caméra représentée sur la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 2, la troisième grille 9 est une électrode cylindrique à épau- lement qui comporte des parties cylindriques supérieure et inférieure 9b et 9a reliées entre elles et dont les diamètres intérieurs sont différents. Le diamètre intérieur d'3 de la partie inférieure 9a est plus petit que le diamètre intérieur d3 de la partie supérieure 9b. La quatrième grille 10 est une électrode cylindrique dont une des extrémités recouvre l'ex- trémité de la partie supérieure 9b de la troisième grille 9 avec, l entre ses extrémités, un intervalle radial prédéterminé, le diamètre intérieure d4 de la quatrième grille 10 étant plus grand que le diamètre intérieur d3 de la partie supérieure 9b de la troisième grille 9. La cinquième grille 11 est aussi - une électrode cylindrique à épaulement qui comporte des parties cylindriques supérieure et inférieure llb et lla reliées entre elles, le diamètre intérieur d5 de la partie inférieure lla de la cinquième grille 11 étant plus grand que le diamètre intérieur d4 de la quatrième grille 10 et le diamètre intérieur d'5 de la partie supérieure llb de la grille ll étant plus grand que le diamètre intérieur d5 de la partie inférieure lla. L'extrémité de la partie inférieure lla de la cinquième grille 11 recouvre l'autre extrémité de la quatrième grille 10 avec, entre ses extrémités, un intervalle radial prédéterminé. De plus, sur la figure 2, les références 8, 8a et 12 indiquent respectivement l'électrode de limitation de faisceau d'électrons, l'ouverture de limitation de faisceau et la sixième grille qui ont été mentionnées ci-dessus. La ligne 20 en traits mixes sur la figure 2, correspond - à l'axe du tube. Les dimensions typiques pour les troisième, quatrième et cinquième électrodes de grille cylindrique 9, 10 et 11 dans le tube de caméra classique du type de 17 mm sont les suivantes: la longueur 2 de la troisième grille 9 est d'environ 25,4 mm, le diamètre intérieur d'3 de la partie inférieure 9a étant d'environ 7,6 mm et le diamètre intérieur d3 de la partie supérieure 9b d'environ 9,6 mm; la longueur de la quatrième grille 10 est d'environ 12,0 mm, le diamètre intérieur d4 de cette grille étant d'environ 10,4 mm; et la longueur Z5 de la cinquième grille 11 est d'environ 24,4 mm, le diamètre intérieur d5 de la partie inférieure lla étant d'environ 11,6 mm et le diamètre intérieur d'5 de la partie supérieure llb d'environ 12,4 mm. Habituellement, les tensions en courant continu de 500 V, 70-80 V, et 300 V sont appliquées respectivement à ces électrodes de grille 9, 10 et 11. Une tension en courant continu de 500 V est appliquée à la sixième grille 12. Des tensions de O V, -100 à O Vet 300 V sont appli- quées respectivement à la cathode 5, la première grille 6 et la seconde grille 7. Comme on peut le voir sur la figure 2, 3,t4 et.5 représentent les longueurs utiles des grilles 9, 10 et 11. En particulier, 1/3 représente la longueur de la troisième grille 9 le long de l'axe de l'enveloppe en verre d'une extrémité 21 située du côté de l'électrode 8 de limitation de faisceau jusqu'à une extrémité 22 située du côté de la quatrième grille 10; b4 représente la longueur de la quatrième grille 10 mesurée le long de l'axe de l'enveloppe en verre depuis l'extrémité 22 de la troisième grille 9 jusqu'à une extrémité 23 de la quatrième grille 10 située du côté de la cinquième grille 11; etb 5 représente la longueur de la îO cinquième grille 11 mesurée le long de l'axe de l'enveloppe en verre depuis l'extrémité 23 de la quatrième grille 10 jusqu'à une extrémité 24 de la cinquième grille 11 située du côté de la sixième grille 12. La résolution est un facteur important pour évaluer la performance d'un tube de caméra. La résolution d'un tube de caméra est en fonction étroite du diamètre du faisceau d'électron projeté sur la cible photoconductriceet plus le diamètre du faisceau est petit, plus la résolution est élevée. Toutefois, le diamètre minimal du faisceau pouvant être atteint par convergence est limité par la répartition des vitesses initiales des électrons émis par la cathode (c'est-à-dire la distribution des vitesses initiales de l'émission thermo-ionique) l'effet de charge d'espace et les aberrations du système de lentille de focalisation. Dans le cas du tube de caméra à focalisation électrostatique décrit ci-dessus, la densité du courant transporté par le faisceau d'électrons à travers la section de lentille électrostatique est faible de sorte que le degré d'étalement du faisceau d'électrons par suite de l'effet de charge d'espace n'est pas important. Il en résulte que l'étalement du faisceau dû à la fois à la répartition des vitessesde l'émission thermo-ionique et à l'aberration du système de lentille électrostatique prédomine. C'est pourquoi, dans la mesure o le tube de caméra à focalisation électro- statique décrit ci-dessus est concerné, il est nécessaire, pour obtenir une résolution satisfaisante, de concevoir la structure des électrodes constituant la section de lentille de focalisation électrostatique de manière-telle que l'étalement du faisceau d'électrons par suite des deux facteurs mentionnés ci-dessus soit minimisé. Toutefois, il a été pratiquement impossible jusqu'à présent de s'expliquer exactement le comportement d'un faisceau d'électrons dans l-a lentille de focalisation électro- statique et, par conséquent, de comprendre complètement la relation de cause à effet entre la structure d'électrodesde la lentille de focalisation électrostatique et l'étalement du faisceau d'électrons. Pour cette raison, la structure des électrodes constituant la section de lentille électrostatique nia jamais pu être optimisée pour maximiser la résolution. Un objet de la présente invention est de procurer un tube de caméra à focalisation électrostatique présentant une excellente résolution grâce à une optimisation des dimensions des électrodes constituant la lentille de focalisation électro- statique. Dans la présente invention, qui a été conçue pour atteindre l'objectif ci-dessus, le rapport entre la longueur J4 de la quatrième grille et le diamètre intérieur d4 de cette grille dans la lentille de focalisation électrostatique est choisi de manière à satisfaire l'inégalité 1,15 On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un tube de caméra de télévision classique à focalisation électrostatique et à déviation électromagnétique; la figure 2 montre en détail la section de lentille de focalisation électrostatique d'un tube de caméra de télévision représenté sur la figure 1; la figure 3 montre la relation entre le rapport longueur/ diamètre de la quatrième grille et le disque de moindre confu- sion; la figure 4 montre la relation entre le rapport longueur/ diamètre de la quatrième grille et l'amplification angulaire; la figure 5 montre la relation entre le rapport longueur/ diamètre de la quatrième grille,le disque de moindre confusion du système de lentille de focalisation, l'étalement du faisceau d'électronsdû à la répartition desvitesses initiales de l'émission thermo-ionique et le diamètre du faisceau d'électrors; la figure 6 montre la relation entre le rapport longueur/ diamètre de la quatrième grille et la résolution; et les figures 7a à 7d montrent d'autres exemples d'une lentille électrostatique du type à focalisation unipotentielle (UPF). On a conçu la présente invention en se basant sur le fait que la divergence d'étalement d'un faisceau d'électrons pour- rait être déterminée quantitativement par analyse de la relation entre la structure des électrodes constituant la section de lentille électrostatique, l'aberrationet l'amplification à l'aide d'une simulation sur calculateur et sur le fait que la structure optimale des électrodes pour la section de lentille de focalisation électrostatique pourrait être obtenue à partir des résultats de l'analyse. On va décrire de façon détaillée la présente invention en se référant à une section de lentille de focalisation électro- statique ayant une structure telle que celle représentée sur la figure 2. Dans l'explication ci-après, les tensions qu'il faut ap- pliquer aux diverses électrodes sont supposées avoir les valeurs dbnnées à titre d'exemple à propos du tube de caméra classique décrit précédemment. On va décrire tout d'abord l'étalement d'un faisceau d'électrons dû à une aberration sphérique. Dans un tube de caméra à focalisation électrostatique, le diamètre maximal du faisceau d'électrons dans les limites de la longueur axiale de la lentille de focalisation électrostatique est égal à environ 10% du diamètre intérieur de la quatrième grille 10 et il suffit donc de considérer l'aberration de la lentille électro- statique comme une aberration sphérique du troisième degré.Ici, l'étalement du faisceau d'électrons du à l'aberration sphérique, c'est-àdire le diamètre DC du disque de moindre confusion, est fonction du coefficient d'aberration sphérique C selon la relation DC M C.e........... .. (1)..DTD: C 2 L SP Ici, ML est le grossissement de la lentille de focalisation électrostatique et e l'angle de divergence du faisceau d'élec- trons à l'ouverture 8a de limitation de faisceau d'électrons. Comme on peut le voir d'après la relation (1), le-diamètre DC du disque de moindre confusion est proportionnel au coefficient d'aberration sphérique Cp. Pour évaluer la caractéristique d'aberration d'une section de lentille de focalisation électro- statique, la distance focale étant maintenue constante, on peut donc utiliser le diamètre DC du disque de moindre confusion. La figure 3 montre la relation entre le diamètre DC du disque de moindre confusion (unité arbitraire) et le rapport L /d de la longueur utile $# de la quatrième grille 10 4 4 Z4 au diamètre intérieur d4 de cette grille, rapport que l'on obtient par une simulation sur calculateur. Dans ce cas, la longueur totale L du système de lentille électrostatique (c'est- à-dire la distance entre l'ouverture 8a de limitation de faisceau d'électrons et la partie maillée de la sixième grille 12) est maintenue constante. On voit sur la figure 3 que le diamètre DC du disque de moindre confusion diminue à mesure qu'augmente le rapport l,4/d4 et que le diamètre DC du disque de moindre confusion (c'est-à-dire l'étalement du faisceau d'électrons dû à une aberration sphérique) dans le cas du rapport L4/d4 a 1,60 peut être réduit jusqu'à environ la moitié de la valeur de ce diamètre dans le cas du rapport ú4/d4 = 1,15 qui correspond à la lentille de focalisation électrostatique classique mentionnée ci-dessus. On va donner maintenant une description de l'étalement du faisceau d'électrons dû à la distribution de la vitesse initiale de l'émission thermo-ionique. Cet étalement du faisceau peut être calculé à partir de l'équation de Langmuir qui donne la densité de courant transporté par le faisceau d'électrons focalisé en fonction de l'état de la cathode suivant la relation: PSr= PC (l + eV) sin2 (MAe)....... (2) o PS est la densité de courant du faisceau d'électrons focalisé, PC la densité de courant du faisceau d'électrons à la sortie de l'ouverture 8a de limitation de faisceau, V le potentiel élec- trique au point focal (c'est-à-dire la sixième grille 12), MA l'amplification angulaire ou grossissement de la section de lentille électrostatique, T la température de la cathode, e la charge d'un électron, et k la constante de Boltzmann. En outre, en considérant la répartition de la densité de courant S du faisceau au point focal comme ayant à peu près un profil rectangulaire, l'étalement DL du faisceau par suite de la distribution de vitesse initiale de l'émission thermo-ionique est représenté par la relation suivante D =2 (3) o i est le courant de faisceau dans la lentille de focalisation B électrostatique et Wrest la constante 3,14. On voit d'après la relation (3) que l'étalement DL dont il est question varie en proportion inverse du facteur d'amplification angulaire MA de la section de lentille de focalisation électrostatique. La figure 4 montre la relation entre le rapport I/d4 et l'amplification angulaire MA que l'on a obtenue par une simulation sur calculateur. On voit sur la figure 4 que l'am- plification angulaire MA diminue progressivement à mesure que le rapport 4/d4 augmente. Par exemple, MA est d'environ 0,79 quand L4/d4 est 2,10, tandis que MA dans e cas de la lentille de focalisation électrostatique classique présente un rapport /d4 = 1,15 est d'environ 0,88. La figure 5 montre les variations du diamètre DC du disque de moindre confusion et l'étalement DL du faisceau calculé d'après la relation (3) avec le rapport ". entre la longueur et le diamètre de la quatrième grille 10. On peut comprendre, d'après la relation (3), qu'il faut faire en sorte que la densité de courant P. du faisceau d'élec- trons à l'endroit de la cathode soit aussi grand que possible Four diminuer l'étalement DL que présente le faisceau par suite de la dis- tribution des vitesses initialesde l'émission thermo-ionique. Toutefois, l'augmentation de la densité de courant VC entraîne une diminution pour la durée de vie utile de la cathode et, par conséquent, on ne peut pas donner à la densité de courant p une valeur trop importante. Dans le cas d'une cathode à oxydes utilisée habituellement dans un tube ordinaire de caméra, la densité de courant optimal PC est 0, 2-0,5A/cm. En ce qui concerne l'angle de divergence e du faisceau d'électrons, il faut faire en sorte qu'il soit aussi grand que possible, comme cela aPEarait dans la relation (3), pour diminuer l'étalement DL que représente le faisceau par suite de la distribution des vitessesinitialesde l'émission thermo-ionique. Toutefois, comme on peut le voir dans la relation (1), l'augmentation de l'angle de divergence e se traduit par une augmentation considérable du diamètre DL du disque de moindre confusion. C'est pourquoi on détermine l'angle de divergence e en équilibrant DL avec Dci c'est-à-dire qu'on fixe habituellement cet angle à environ 10. L'étalement DL que présente le faisceau par suite des vitesses initialesde l'émission thermo-ionique, étalement qui est re- présenté sur la figure 5, est calculé à partir de la relation (3) en supposant qu'une section de triode classiqoe soit utilisée, la densité de courant ÉC étant de 0,38 A/cm2 et l'angle de 1O divergence e est de 1,370 pour le courant de faisceau i de 2,4aA. B n voit sur la figure 5,,que lorsque e/d augmente, Dc diminue progressivement tandis que DL au4mente légèrement. La figure 5 montre également le diamètre D de spot du faisceau qui est défini par la racine carrée de la somme des carrés de Dc et DL, C'est-à-dire VD + I DL. Comme on peut le voir sur la figure 5, le diamètre D du spot du faisceau prend sa valeur minimale quand h /d4 est environ 1,5 et cette valeur minimale est inférieure de 9% au diamètre du spot du faisceau dans la section de lentille électrostatique ayant les dimensions classiques, c'est-à-dire X4/d4 =1,15. Par conséquent, on obtient la meilleure section de lentille de focalisation électrostatique si la longueur utile t, de la quatrième grille 10 est égale à 1,50 fois le diamètre intérieur d4 de cette grille, c'est-à-dire si L4 = 1,50 d4. Plus concrètement, les dimensions des troisième, quatrième et cinquième grilles d'un tube caméra de 16,9 mm sont f' = 22,8 mm, e4 = 15,6 mm et t5 = 21,8 mm. Les diamètres intérieurs de ces électrodes de grille et les tensions appliquées à ces électrodes sont les mêmes que celles que pour l'exemple classique décrit précédemment. En outre, même si l'éventail du choix de la longueur utile 4 est étendu de telle sorte que 1,15 d4 dans la lentille électrostatique classique, de sorte que l'objec- tif visé par la présente invention est atteint. La figure 6 donne une récapitulation de mesure de réso- lution de divers échantillons de tube de caméra à déviation électromagnétique et à focalisation électrostatique dans lesquels les longueurs 4 de leur quatrième grille sont différentes, L'axe des abscisses représente le rapport J//d entre la 4 4 longueur L et le diamètre intérieur d de la quatrième grille 4 4 etl'axe des ordonnées indique la résolution représentée par le degré de réponse d'amplitude AR (unité arbitraire) par rapport à une mire de lignesverticalesprésentant une fréquence spatiale de 400 lignes.Compte tenu du fait que l'inverse du diamètre D du faisceau correspond à la résolution, on comprendra que la subordination à)2/d4 de la résolution mesurée AR représentée sur la figure 6 concorde avec le diamètre de spot de faisceau calculé D représenté sur la figure 5 et, par conséquent, la justesse du choix ci-dessus des dimensions optimales associées à une section de lentille de focalisation électrostatique est vérifiée. Comme décrit ci-dessus, grâce à la présente invention, on peut disposer d'un tube de caméra à focalisation électrostatique présentant une résolution plus élevée. Dans la description qui précède, on a mentionné que la lentille de focalisation électrostatique avait une structure d'électrodesà épaulement comme représenté sur la figure 2. Toutefois, la-présente invention n'est pas limitée à cette structure d'électrodesmais peut être appliquée à n'importe quelle structure d'électrodestant que celle-ci est du type à focalisation unipotentielle (UPF). D'autres structures d'électrodes classiques d'une lentille électrostatique du type UPF sont représentées sur les figures 7a à 7d. Sur ces figures- et sur la figure 2, les parties équivalentessont désignées par les mêmes références numériques. Dans la structure représentée sur la figure 7a, lEsdiamètresintérieursdes troisième, quatrième et cinquième grilles ont les mêmes valeurs. La longueur utile & de la quatrième grille 10 est la distance mesurée le long de l'axe de l'enveloppe depuis le point milieu entre l'extrémité 22 de la troisième grille 9 et une des extrérités,à savoir l'extrémité 22,de la quatrième grille 10 jusqu'au point milieu entre l'autre extré- mité 23 de la quatrième grille 10 et l'extrémité 23' de la cinquième grille 11. Dans les structures représentées sur les figures 7b et 7c, le diamètre intérieur d4 de la quatrième grille 10 est plus grand que les diamètres intérieurs des troisième et cinquième grilles 9 et 11. Sur la figure 7b, les extrémités opposées de la quatrième grille 10 recouvrent l'extrémité 22 de la troisième grille 9 et l'extrémité 23' de la cinquième grille 11 respectivement. Sur la figure 7c, les grilles 9, 10 et 11 sont séparées l'une de l'autre le long de l'axe de l'enveloppe du tube. Sur la figure 7b, la longueur utile Z4 de la quatrième grille 10 est définie comme étant la distance entre l'extrémité 22 de la troisième grille 9 et l'extrémité 23' de la cinquième grille 11 le long de l'axe de l'enveloppe du tube. Sur la figure 7c, la longueur utile L4 de la quatrième grille 10 est définie, de même que pour le cas de la figure 7a, comme étant la distance mesurée, le long de l'axe de l'enveloppe du tube, depuis le point milieu entre l'extrémité 22 de la troisième grille9 et une des extrémités,à savoir l'extrémité 22',de la quatrième grille 10 jusqu'au point milieu entre l'autre extrémité 23 de la quatrième grille 10 et l'extrémité 23' de la cinquième grille 11. Dans la structure représentée sur la figure 7d, le diamètre intérieur de la quatrième grille est choisi de manière à être plus petit que ceux des troisième et cinquième grilles 9 et 11. La longueur utile 4 de la quatrième grille 10 est définie comme étant la distance entre l'une des extrémités,à savoir l'extrémité 22',de la grille 10 et l'autre extrémité 23' de cette dernière le long de l'axe du tube. Les structures d'électrodes décrites ci-dessus sont connues du point de vue technique dans les procédés de fabrication d'électrodes et les différences dans les structures n'ont aucun effet appréciable sur la caractéristique de résolution. En outre, la présente invention peut aussi être appliquée à la lentille électrostatique décrite ci-dessus combinée avec une lentille de focalisation électromagnétique pour assurer une fonction de focalisation générale. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et -non limitatif, et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Tube de caméra de télévision à focalisation électro- statique comprenant au moins une section de lentilles de focalisation électrostatique dans laquelle trois électrodes cylindriques sont disposées coaxialement, caractérisé par le fait que l'électrode intermédiaire (10) parmi lesdites trois électrodes (9,10,11) satisfait la relation 1,15 intérieur de ladite électrode intermédiaire. 2. Tube de caméra de télévision à focalisation électro- statique comprenant une section de triode comprenant une cathode, une première grille et une seconde grille, une section de lentille de focalisation électrostatique comprenant des troisième, quatrième et cinquième grilles ayant une configu- ration d'électrode cylindrique, et une sixième grille ayant une configuration d'électrode à mailles,ladite cathode et lesdites grilles étant disposées coaxialement dans l'ordre mentionné, caractérisé par le fait que ladite quatrième grille (10) satisfait la relation 1,15( tivement la longueur et le diamètre intérieur de ladite quatrième grille. 3. Tube de caméra de télévision à focalisation électro- statique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que chacune des troisième et cinquième grilles (9,11) comprend deux parties cylindriques qui sont reliées l'une à l'autre et dont les diamètres intérieurs sont différents. 4. Tube de caméra de télévision à focalisation électro- statique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les extrémités opposées de ladite quatrième grille (10) recouvrent respectivement l'une des extrémités de ladite troisième grille (9) et une des extrémités de ladite cinquième grille (11).