ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 1995 года по МПК F21S5/00 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в приборах, в которых используется высокоэффективный источник света с поляризованным, направленным и относительно узким спектром излучения, в частности в светоклапанных проекционных приборах для получения телевизионного или графического изображения на большом проекционном экране.

Известна высокояркостная электронно-лучевая трубка в качестве источника ультрафиолетового излучения для проекционной фотолитографии, содержащая в вакуумируемом объеме электронный прожектор, систему управления электронным пучком и лазерный экран (Каменский М.А. и др. Лазерная ЭЛТ с экраном из ZnO в качестве УФ-источника в устройстве проекционного экспонирования. Письма в ЖТФ. 1990, т. 16, N 3, с. 39-42).

Эта электронно-лучевая трубка дает мощность в несколько ватт, имеет узкую диаграмму направленности с линейным половинным углом расходимости излучения 10-15^о и малую ширину спектра, 1,5-3 нм. Аналогичное излучение может быть получено и в видимой области спектра путем замены в лазерном экране пластины ZnO на пластину полупроводникового соединения А₂В₆ с более узкой шириной запрещенной зоны. Лазерный экран возбуждается сканирующим сфокусированным электронным пучком.

Данная электронно-лучевая трубка громоздка, работает при слишком высоких ускоряющих напряжениях 75 кВ, и лазерный экран охлаждается жидким азотом.

Известен катодолюминесцентный источник света, содержащий в вакуумном стеклянном баллоне люминофорный слой, автоэмиссионный катод, набранный из игл, и управляющий электрод (авт. св. СССР N 1504690, кл. Н 01 J 63/06, 1987). Для повышения однородности облучения люминофора электронным пучком и тем самым для повышения яркости излучения и КПД источника управляющий электрод выполнен в виде кольца, а иглы расположены на одинаковом расстоянии от этого кольца.

Недостатком устройства является то, что излучение источника не направлено и не поляризовано.

Известна электронно-лучевая трубка в качестве источника света крупных дисплейных устройств, содержащая в вакуумном баллоне электронный прожектор, генерирующий несходящийся электронный пучок, слой люминофора, покрывающий внутреннюю поверхность лицевой части баллона, и набор сеток, обеспечивающий однородное облучение слоя люминофора электронным пучком (акцентованная заявка Японии N 60-14746, Н 01 J 63/06, 1985). Для повышения яркости за счет увеличения площади слоя люминофора, облучаемого электронным пучком, лицевая часть баллона выполнена в виде конуса.

Недостатком данной электронно-лучевой трубки является то, что ее излучение также не направлено и не поляризовано.

Цель изобретения увеличение направленности излучения электронно-лучевой трубки, используемой в качестве источника света, и ее яркости. Дополнительной целью является увеличение мощности излучения электронно-лучевой трубки. Еще одной целью изобретения является преобразование большой части излучения электронно-лучевой трубки в линейно поляризованное излучение.

Цели достигаются тем, что в электронно-лучевой трубке, используемой в качестве источника света и выполненной в виде вакуумного баллона с размещенным в одном его конце электронным прожектором, генерируемым по меньшей мере один несходящийся электронный пучок, и размещенным в противоположном конце катодолюминесцентным слоем, облучаемым электронами, и окном для вывода излучения, согласно изобретению окно выполнено в виде светоделительного фильтра, имеющего обращенную внутрь вакуумного баллона поверхность, между окном и электронным прожектором размещен отражатель, прозрачный для электронного пучка, отражающая поверхность которого вместе с поверхностью фильтра ограничивает квазизамкнутую полость, внутри которой размещены катодолюминесцирующий слой и рассеивающие элементы.

В одном из вариантов электронно-лучевой трубки светоделительный фильтр содержит нанесенное на прозрачную подложку многослойное покрытие из чередующихся слоев с большим и меньшим показателями преломления, образующее обращенную внутрь вакуумного баллона поверхность фильтра, причем это покрытие пропускает излучение с длиной волны основной линии излучения катодолюминесцирующего слоя и отражает излучение в области длин волн от 1,05 до 1,4 длины волны основной линии излучения катодолюминесцирующего слоя при нормальном падении излучения на прозрачную подложку.

В другом варианте электронно-лучевой трубки светоделительный фильтр содержит дополнительно по меньшей мере один светоделительный куб, в одном из диагональных сечений которого расположено покрытие, пропускающее световое излучение с p-поляризацией и отражающее световое излучение с s-поляризацией, а на грань этого куба, на которую отражается световое излучение с s-поляризацией, нанесено зеркальное покрытие.

Для уменьшения габаритов светоделительного фильтра и электронно-лучевой трубки в целом часть светоделительного фильтра, разделяющую излучение по поляризации, целесообразно выполнять в виде слоя плотноупакованного набора светоделительных кубов, у которых грани с зеркальным покрытием перпендикулярны плоскости прозрачной подложки. Кроме того, этот слой и прозрачную подложку целесообразно объединить в одном элементе. В этом случае подложку выполняют в виде однослойного набора упомянутых выше светоделительных кубов.

Еще в одном варианте для улучшения теплоотвода от прозрачной подложки между ней и слоем плотноупакованного набора светоделительных кубов имеется зазор, заполненный охлаждающей жидкостью.

В наиболее простом варианте электронно-лучевой трубки катодолюминесцентный слой и рассеивающие элементы выполнены в виде слоя люминофора, размещенного на многослойном покрытии прозрачной подложки окна, а отражатель выполнен в виде отражающего покрытия, нанесенного непосредственно на слой люминофора.

В другом варианте отражатель образован перегородкой с отверстиями для прохождения электронного пучка, размещенной в средней части баллона, и боковыми стенками баллона между окном и перегородкой, у которых на поверхности, обращенные внутрь вакуумного объема, нанесены отражающие покрытия.

В этом варианте катодолюминесцентный слой и рассеивающие элементы также предпочтительно выполнять в виде люминофора, но наносить его целесообразно не только на многослойное покрытие окна, но и по меньшей мере на часть отражающего покрытия стенок баллона. При этом для увеличения яркости электронно-лучевой трубки баллон изготавливают так, чтобы площадь люминофора, нанесенного на стенки баллона с отражающим покрытием, была больше площади люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность окна, предпочтительно много больше. Кроме того, стенки баллона между окном и перегородкой выполнены из теплопроводящего материала, а наружная поверхность имеет ребра радиатора.

Во всех вариантах для повышения эффективности электронно-лучевой трубки кроссоверы несходящихся электронных пучков целесообразно совмещать с отверстиями в перегородке, диаметры которых незначительно превышают диаметры кроссоверов.

На фиг. 1 схематично представлена электронно-лучевая трубка согласно изобретению; на фиг. 2 изображен один из вариантов электронно-лучевой трубки, продольный разрез; на фиг. 3 представлены спектр излучения зеленого люминофора и спектр пропускания многослойного покрытия на прозрачной подложке окна электронно-лучевой трубки с зеленым люминофором; на фиг. 4 представлена зависимость коэффициента пропускания многослойного покрытия от угла падения светового излучения на длине волны, соответствующей максимуму излучения люминофора; на фиг. 5-8 представлены другие варианты исполнения электронно-лучевой трубки.

Согласно фиг. 1 электронно-лучевая трубка в качестве источника света выполнена в виде вакуумного баллона 1 с размещенными в одном его конце электронным прожектором 2 и в противоположном конце окном 3 для выхода излучения, выполненным в виде светоделительного фильтра, имеющего обращенную внутрь вакуумного баллона поверхность 4 (конструкции фильтра на фиг. 1 не показана). Между окном 3 и электронным прожектором 2 размещен отражатель 5, прозрачный для расходящегося электронного пучка 6, генерируемого электронным прожектором 2. На поверхность отражателя 5, обращенную к окну, нанесено отражающее покрытие 7. Отражающее покрытие 7 и поверхность 4 окна-фильтра 3 образуют квазизамкнутую полость 8 с отверстием 9 для прохождения электронного пучка 6. Если отражатель 5 имеет достаточно малую толщину и выполнен из материалов, слабо поглощающих электронный пучок, то наличие отверстия 9 не обязательно. В полость 8 помещены катодолюминесцентный слой 10 и рассеивающие элементы 11.

Устройство работает следующим образом.

Электронный прожектор 2 генерирует несходящийся пучок 6, который падает на катодолюминесцентный слой 10. В этом слое энергия электронов преобразуется частично в энергию светового излучения. Свет в результате нескольких актов рассеяния на рассеивающих элементах 11 и отражения от отражающего покрытия 7 отражателя 5 в квазизамкнутой полости 8 попадает на поверхность 4 окна-фильтра 3. Окно-фильтр пропускает лишь часть падающего излучения, удовлетворяющую определенным условиям, а остальное излучение возвращает в квазизамкнутую полость 8. После повторного рассеяния и отражения в квазизамкнутой полости оставшееся излучение вновь попадает на поверхность 4 и снова часть этого излучения проходит через окно-фильтр 3, а остальное излучение вновь возвращается в квазизамкнутую полость 8. Если поглощение света внутри квазизамкнутой полости 8 мало, то все излучение в конце концов выходит через окно-фильтр 3 в виде излучения, удовлетворяющего определенным условиям.

Конструкция окна-фильтра 3 может быть различна и зависит от того, каким требованиям должно удовлетворять излучение электронно-лучевой трубки. Ниже рассмотрены два основных варианта окна-фильтра, которые позволяют получить направленное неполяризованное и направленное линейно поляризованное излучения.

Существенным отличительным свойством предлагаемого технического решения является то, что направленность и линейная поляризация излучения электронно-лучевой трубки, используемой в качестве источника света, достигается практически без потери эффективности преобразования энергии электронного пучка в свете, а следовательно, и яркости излучения.

Электронно-лучевая трубка на фиг. 2 содержит в вакуумном баллоне 1 размещенный в одном его конце электронный прожектор 2 и размещенное в другом его конце окно 3. Окно 3 для выхода излучения представляет собой светоделительный фильтр, содержащий прозрачную подложку 12, на внутреннюю поверхность которого нанесено многослойное покрытие 13. Прозрачная подложка может быть выполнена в виде плоскопараллельной пластины, собирающей линзы или, как показано ниже, в виде поляризационного расщепителя. Между прозрачной подложкой 12 и электронным прожектором 2 размещена перегородка 14 с отверстием 15 для прохождения электронного пучка 6, у которой на поверхность, обращенную к окну, нанесено проводящее покрытие 16, а затем отражающее покрытие 17. Эти два покрытия могут быть объединены в едином электропроводящем и отражающем покрытии. В качестве такого покрытия может быть использовано серебряное или алюминиевое покрытие на гладкой поверхности перегородки 14. Кроме того, покрытие 16 не требуется, если перегородка 14 выполнена из металла. Если перегородка выполнена из диэлектрика, то покрытие 16 следует нанести и на боковую поверхность отверстия 15 и по меньшей мере на часть поверхности, обращенной к электронному прожектору 2, вблизи отверстия 15, чтобы избежать заряда поверхности диэлектрической перегородки 14 вторичными электронами. Такой заряд может вызвать искажения в форме электронного пучка 6 и его стабильности во времени, что ухудшает излучательные характеристики электронно-лучевой трубки как источника света.

Перегородка 14 может иметь более одного отверстия 15. Для увеличения однородности облучения катодолюминесцирующего слоя 10 предпочтительно, чтобы электронный прожектор генерировал более одного несходящего электронного пучка 6. В этом случае число отверстий 15 в перегородке 14 предпочительно делать равным числу электронных пучков.

Покрытие 17 перегородки 14 и многослойное покрытие 13 прозрачной подложки 12 окна 3 ограничивают квазизамкнутую полость 8, внутри которой размещены катодолюминесцирующий слой 10 и рассеивающие элементы 11. Квазизамкнутая полость 8 ограничена также отражающим покрытием 18, нанесенным на внутреннюю поверхность боковых стенок 19 баллона 1 между прозрачной подложкой 12 и перегородкой 14, на которые предварительно нанесено проводящее покрытие 20, имеющее электрический контакт с покрытием 16 перегородки 14 и высоковольтным выводом 21. Покрытие 18 и покрытие 20 могут быть выполнены также в виде единого электропроводящего и отражающего покрытия. В качестве такого покрытия может быть использовано серебряное или алюминиевое покрытие на гладкой внутренней поверхности боковых стенок баллона 1. Отражатель в данном варианте исполнения электронно-лучевой трубки образован перегородкой 14 и боковыми стенками 13 баллона 1 между окном 3 и перегородкой 14, на внутренние поверхности которых нанесены отражающие покрытия 17 и 18.

Катодолюминесцентный слой 10 может быть выполнен в виде порошкового слоя, т.е. обычного слоя люминофора, или в виде кристаллического, в том числе и монокристаллического, слоя. Рассеивающие элементы 11 могут быть выполнены в виде оптически прозрачных шариков, кусочков волокон или пластин с матированными поверхностями. Если в качестве катодолюминесцентного слоя 10 используется слой люминофора, зерно которого является одновременно и излучателем, и рассеивающим элементом, то дополнительные рассеивающие элементы не требуются. В случае использования в качестве катодолюминесцентного слоя 10 монокристаллического слоя, для эффективного рассеяния излучения внутри квазизамкнутой полости 8 по меньшей мере одна поверхность монокристаллического слоя матируется. Тогда и в этом случае не требуется введение в квазизамкнутую полость 8 дополнительных рассеивающих элементов 11. Для увеличения выхода излучения из квазизамкнутого объема 8 через выходное окно 3 предпочтительно многослойное покрытие 13 прозрачной подложки 12 покрывать рассеивающими элементами 11. Важно, чтобы коэффициенты отражения отражающих покрытий 17 и 18 для всех углов падения и коэффициент отражения многослойного покрытия 13 для углов падания, превышающих некоторый угол, определяемый требуемым углом расходимости излучения, были близки к единице.

Электронный прожектор 2 содержит нагревательную спираль 22, катод 23 и прикатодный электрод 24, имеющий обычно отрицательный потенциал относительно катода 23. Для простоты высокое ускоряющее напряжение подается через высоковольтный ввод 21 на проводящее покрытие 20, нанесенное по меньшей мере на часть внутренней поверхности боковых стенок баллона 1 вблизи выходного окна 3. Форма катода 23 и прикатодного электрода 24, а также их взаимное расположение выбираются таким образом, чтобы генерируемый электронным прожектором 2 электронный пучок 6 был расходящимся в области размещения катодолюминесцирующего слоя 10 и однородно облучал этот слой. В частности, прикатодный электрод может быть выполнен в виде сетки.

Прикатодным электродом может быть покрытие 16 перегородки 14. Но в этом случае оно не имеет электрического контакта с покрытием 20 боковых стенок 19, а имеет свой электрический вывод из баллона 1. Не является обязательным и подача высокого напряжения на покрытия 20 и 16. Высокое напряжение можно подавать и на электроды электронного прожектора 2, а покрытия 20 и 16 заземлять через вывод 21, который в этом случае будет высоковольтным. В этом случае боковые стенки 19 баллона 1 и перегородка 14 могут быть выполнены из металла, и не требуется проводящих покрытий 20 и 16. Однако стенки баллона 25 вокруг электронного прожектора 2 должны быть тогда диэлектрическими, чтобы развязать высокое напряжение, приложенное к электродам электронного прожектора 2, от анода, которым будет в этом случае перегородка 14.

Чтобы рассеивающееся излучение катодолюминесцирующего слоя 10 выходило из квазизамкнутой полости 8 предпочтительно через выходное окно 3, отверстие 15 должно быть по возможности малым. Предпочтительно, чтобы кроссовер 26 электронного пучка 6 был расположен в центре отверстия 15. В этом случае диаметр отверстия 15 должен быть больше диаметра кроссовера 26, чтобы не ограничивать ток электронного пучка и тем самым не уменьшать мощность электронно-лучевой трубки, но не на много больше, чтобы потери излучения, выходящего из квазизамкнутой полости 8 через это отверстие, существенно не уменьшали полезный выход излучения через выходное окно 3 и не снижали мощность электронно-лучевой трубки.

Многослойное покрытие 13 выполнено в виде интерференционного узкополосного или краевого фильтра верхних частей известной конструкции (Справочник по лазерам. / Под редакцией А.М. Прохорова. М. Советское радио. 1978, т. 2, с. 46-57). Этот фильтр конструируется таким образом, чтобы он имел высокое пропускание (Т > 0,9) излучения, нормально падающего на прозрачную подложку 12 с многослойным покрытием 13, с длиной волны, соответствующей спектральному максимуму λ_люм основной линии излучения катодолюминесцентного слоя 10, и имел высокое отражение (R > 0,95) для нормально падающего излучения с длиной волны в диапазоне от 1,05 λ_люм до 1,4 λ_люм Спектр излучения известного люминофора Р-43, широко используемого в электронной промышленности, и спектр пропускания одного из краевых фильтров верхних частот, настроенного на основную линию излучения люминофора Р-43, представлены на фиг. 3. Фильтр содержит 20 чередующихся слоев TiO₂ и SiO₂, имеющих толщину, близкую к четверти длины волны, λ/4N_h и λ/4N_l, где N_h и N_l показатели преломления слоев с большим (TiO₂) и малым (SiO₂) показателями преломления, кроме последнего SiO₂-слоя, ближайшего к слою люминофора. Этот слой имеет толщину λ/8N_l. Фильтр нанесен на стеклянную пластину.

Такое взаимное расположение спектров излучения люминофора и пропускания фильтра позволяет получить угловую зависимость пропускания фильтра, представленную на фиг. 4 для длины волны λ_люм, соответствующий спектральному максимуму излучения люминофора. Здесь проявляется свойство многослойных покрытий, заключающееся в том, что с увеличением угла наклона α падающего луча света спектр пропускания этого покрытия смещается в коротковолновую сторону. Если плато высокого отражения фильтра верхних частот начинается при больших значениях чем 1,05 λ_люм, то направленность излучения электронно-лучевой трубки ухудшается и ее преимущества в осевой яркости перед известными решениями исчезает. Если плато высокого отражения фильтра верхних частот заканчивается при меньших значениях, чем 1,4 λ_люм, то часть излучения, падающего на фильтр под большими углами, близкими к 90^о, проходит через фильтр и ухудшает направленность излучения. Кроме того, в этом случае уменьшается интенсивность приосевого излучения, поскольку боковое излучение уже не возвращается полностью в квазизамкнутую полость и не перерассеивается в осевое излучение. Требование высокого отражения в спектральной области от 1,05 λ_люм до 1,4 λ_люм также важно и для узкополосного фильтра.

Чем уже основная линия люминофора и чем круче коротковолновый край фильтра (в области λ< 1,5 λ_люм), тем более очерченную диаграмму направленности можно получить, т.е. более резкий спад кривой пропускания на фиг. 4. Кроме того, чем ближе располагается линия излучения λ_люм к коротковолновому краю фильтра, тем уже диаграмма направленности. При этом чем уже диаграмма направленности, тем большая часть излучения преобразуется в приосевое излучение за большее число актов рассеяния и отражения в квазизамкнутой полости. В этом случае потери при отражении на отражающих покрытиях 17 и 18 (фиг. 3) должны быть минимальными, чтобы выход приосевого излучения был достаточно велик.

Узкополосные люминофоры обычно имеют несколько узких линий излучения, что ухудшает цветовые характеристики источников света, в которых они используются. В предлагаемом техническом решении цветовые характеристики существенно улучшены. Действительно, как видно из фиг. 3, длиноволновые компоненты люминофора относительно основной линии могут быть полностью исключены из приосевого излучения, а коротковолновые выходят в большом телесном угле, поэтому их доля в приосевом излучении также уменьшается. При использовании узкополосного фильтра коротковолновые компоненты могут быть исключены из приосевого излучения полностью, они выходят в виде узкого конуса, линейный угол которого тем больше, чем дальше коротковолновая компонента отстоит от основной линии в спектре излучения.

На фиг. 5 представлен вариант электронно-лучевой трубки в качестве источника света, который отличается от представленного на фиг. 2 тем, что окно 3, выполненное в виде светоделительного фильтра, содержит дополнительно светоделительный куб 27, в диагональном сечении которого расположено многослойное покрытие 28 из чередующихся прозрачных слоев с большим и меньшим показателем преломления типа покрытий в поляризующих светоделителях Мак-Нейла. Покрытие 28 пропускает излучение hν_p c p-поляризацией и отражает излучение hν_s c s-поляризацией. Боковая грань 29, на которую отражается излучение, имеет зеркальное покрытие 30. Светоделительный куб своей гранью 31 пристыкован к прозрачной подложке 12.

Устройство на фиг. 5 в целом работает аналогично устройству, представленному на фиг. 1. Здесь опишем более детально работу светоделительного фильтра-окна 3. Многослойное покрытие 13 пропускает направленное, но неполяризованное излучение hν, распространяющееся вблизи нормали к прозрачной подложке 12. Это излучение hν входит в светоделительный куб 27 через грань 31 и падает на покрытие 28 под углом, близком к 45^о. На покрытии 28 излучение hν разделяется на две составляющие компоненты. Компонента hν_p с p-поляризацией проходит через покрытие 28, не искажаясь, и далее через грань 32, противоположную грани 31, выходит наружу. Компонента hν_s c s-поляризацией зеркально отражается на грань 29 с зеркальным покрытием 30 и, отражаясь от покрытия 30, возвращается обратно на покрытие 28. Снова отражаясь от покрытия 28, излучение h ν_s возвращается в квазизамкнутую полость 8 чрез грань 31, прозрачную подложку 12 и многослойное покрытие 13. В квазизамкнутой полости 8 в результате многократного рассеяния и отражения поляризованного изначально излучения hν_s оно преобразуется в неполяризованное излучение hν, часть которого, падающая на многослойное покрытие 13 под углом, близким к нормали, проходит в светоделительный куб 27. Далее процесс разделения излучения по поляризации повторяется. В результате при минимальных потерях излучения в квазизамкнутой полости 8 большая часть излучения преобразуется в линейно поляризованное излучение.

Конструкция покрытия 28 широко используется в светоделителях Мак-Нейла (описана, например, в справочнике по лазерам. / Под ред. А.М. Прохорова, М. Сов. радио, 1978, т. 2, с. 46-57). Это покрытие состоит из чередующихся слоев с большим и меньшим показателями преломления, которые подобраны таким образом, что для основной линии излучения катодолюминесцирующего слоя и угла падения 45^о из среды светоделительного куба 27 эффективные показатели преломления этих слоев равны между собой для p-поляризации. В этом случае излучение с p-поляризацией проходит это покрытие с высоким коэффициентом пропускания. Для излучения с s-поляризацией оптическая длина слоев выбирается в четверть длины волны, что обеспечиваето высокий коэффициент отражения для этого излучения.

Светоделители Мак-Нейла эффективно работают лишь для направленного излучения. Поэтому использование светоделительного куба 27 без многослойного фильтрующего покрытия 13, формирующего направленное излучение, практически не дает никакого эффекта в электронно-лучевых трубках.

Конструкция светоделительного поляризующего элемента может отличаться от описанного выше светоделительного куба 27. В частности, для деления света на две линейно поляризованные компоненты может быть использован принцип фильтра с нарушенным полным отражением (описан в книге Борна М. и Вольфа Э. Основы оптики. М. Наука, 1973, с. 321). Кроме того, для возвращения s-компоненты назад в квазизамкнутую полость 8 могут быть использованы не два разных покрытия 28 и 30, а одно 28, которое однако образует уголковый отражатель.

На фиг. 6 представлен другой вариант исполнения светоделительного фильтра-окна 3. Здесь роль прозрачной подложки 12 на фиг. 2 и 5 играет слой 33, состоящий из плотноупакованного набора светоделительных кубов 34, аналогичных кубу 27 на фиг. 5. Эти кубы 34 имеют в своем диагональном сечении многослойное покрытие 35 типа покрытий в светоделителях Мак-Нейла и зеркальное покрытие 36 на гранях, зеркально сопряженных с гранями 37 относительно многослойного покрытия 35. Грани 37 составляют поверхность 38 слоя 33, обращенную внутрь баллона 1, на которую непосредственно нанесено многослойное покрытие 13. Грани с зеркальным покрытием 36 кубов 34, таким образом, перпендикулярны плоской поверхности 38 слоя 33. Такое конструктивное решение светоделительного фильтра-окна 3 позволяет уменьшить габариты электронно-лучевой трубки в целом.

Если кубы 34 одинаково ориентированы вдоль одного из направлений, например вдоль нормали к фиг. 6, то слой 33 можно представить как набор прямоугольных полосок. Если, кроме того, соседние полоски ориентированы так, что покрытия 35 у них взаимно перпендикулярны, то покрытия 36 не требуются, а слой 33 представляет собой набор уголковых отражателей для излучения с s-поляризацией, образованных покрытиями 35.

Для уменьшения стоимости электронно-лучевой трубки прозрачную подложку 12 на фиг. 2 и 5 и светоделительный куб 27 на фиг. 5 или слой 33 плотноупакованного набора светоделительных кубов 34 целесообразно изготавливать из стекла. Однако для улучшения теплоотвода от катодолюминесцирующего слоя 10 с целью увеличения общей мощности излучения электронно-лучевой трубки в качестве источника света выше указанные элементы могут быть изготовлены из более теплопроводящих материалов, например сапфира, граната. Кроме того, может быть внесен в конструкцию излучателя ряд изменений, позволяющих увеличить его мощность. Один из таких вариантов мощной электронно-лучевой трубки представлен на фиг. 7.

Вариант на фиг. 7 содержит в вакуумном баллоне 1 электронный прожектор 2, генерирующий несколько несходящихся электронных пучков 39. Это достигается использованием нескольких катодов 40, нагреваемых спиралью 41, прикатодного электрода 42 с несколькими отверстиями, расположенными напротив эмиттирующих участков катодов 40, и перегородки 43 с несколькими отверстиями 44 для прохождения электронных пучков 39. Использование нескольких несходящихся электронных пучков для увеличения однородности возбуждения катодолюминесцирующего слоя 10 особенно целесообразно в мощных электронно-лучевых трубках. Это связано с тем, что катодолюминесцентный слой, особенно если в качестве него используется люминофор, обладает насыщением излучения по плотности тока электронного пучка. Эффективность преобразования энергии электронного пучка в свет начинает уменьшаться, когда плотность тока электронного пучка становится выше некоторого значения j_нас. Поэтому при средней плотности электронного пучка, примерно равной j_нас, мощность электронно-лучевой трубки тем выше, чем более однородное возбуждение катодолюминесцентного слоя достигнуто.

Другим отличием варианта на фиг. 7 является наличие промежутка 45 между слоем 46 плотноупакованных светоделительных кубов 34 и прозрачной подложкой 12 с многослойным покрытием 13, заполненного охлаждающей жидкостью 47, свободно поступающей из резервуара 48. Резервуар закреплен на баллоне 1 вблизи перегородки 43. Кроме того, стенки 49 баллона 1 между прозрачной подложкой 12 и перегородкой 43 выполнены из теплопроводящего материала и имеют ребра 50 радиатора, омываемые охлаждающей жидкостью 47. Наличие ребер 50 радиатора особенно целесообразно, если с целью увеличения яркости электронно-лучевой трубки площадь катодолюминесцентного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность стенок 49 баллона 1, значительно превышает площадь катодолюминесцентного слоя, нанесенного на прозрачную подложку 12. Резервуар 48 может иметь теплопроводящие стенки с развитой поверхностью, в том числе и в виде радиатора, для охлаждения охлаждающей жидкости окружающим воздухом, в том числе и принудительно с помощью вентилятора. В другом варианте резервуар 48 может иметь один вход и один выход для охлаждающей жидкости 47, поступающей в резервуар 48 из дополнительного холодильного устройства.

При работе варианта, представленного на фиг. 7, тепло, выделяемое в катодолюминесцентном слое 10, передается через прозрачную подложку 12 и через ребра 50 стенок 49 баллона 1 охлаждающей жидкости 47, которая естественно или принудительно циркулирует в промежутке 45 и вблизи ребер 50. Охлаждающая жидкость охлаждается либо непосредственно в резервуаре 48 через его внешние стенки, либо в специальном холодильнике, соединенном с резервуаром 48.

На фиг. 8 представлен наиболее простой вариант выполнения электронно-лучевой трубки в качестве источника излучения. В этом варианте отражатель выполнен в виде отражающего покрытия 51, нанесенного непосредственно на катодолюминесцентный слой 52, имеющий рассеивающие элементы 53. Отражающее покрытие 51 выполняется тонким (менее 1 мкм) для прохождения электронного пучка. Оно также должно быть электропроводящим под облучением электронным пучком. Квазизамкнутая полость в этом варианте является тонкой, заполненной катодолюминесцентным слоем 52 и рассеивающими элементами 53, и образуется многослойным покрытием 13 и отражающим покрытием 51. Светоделительный фильтр имеет конструкцию, аналогичную представленной на фиг. 6.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Электронно-лучевая трубка в качестве источника зеленого излучения содержит в стеклянном вакуумном баллоне диаметром 50 мм в одном его конце электронный прожектор известного типа, генерирующий электронный пучок с энергией 30 кэВ и током 1,3 мА, однородно возбуждающий слой люминофора Р-43, нанесенный на внутреннюю поверхность прозрачной сапфировой подложки толщиной 3 мм, диаметром 50 мм, размещенной в протиповоложном конце баллона. На эту подложку предварительно нанесено 20-слойное покрытие фильтр верхних частот известной конструкции. На слой люминофора нанесено алюминиевое отражающее покрытие. С внешней стороны прозрачной сапфировой подложки на торце баллона закреплена прозрачная пластина водяного резервуара с зазором толщиной в 5 мм, заполненным циркулирующей охлажденной водой. На данной электронно-лучевой трубке получена мощность излучения 2,2 Вт с КПД преобразования энергии электронного пучка в свет примерно 6 с полным углом расходимости на уровне половинной интенсивности 40^о.

По сравнению с характеристиками электронно-лучевой трубки, выполненной аналогично описанной, но без светоделительного фильтра (соответствует известной конструкции), получено увеличение полной мощности в конусе с углом при вершине 40^о более чем в 2,2 раза и существенно улучшены цветовые характеристики излучения (подавлены красная и оранжевая компоненты, уменьшены синие и фиолетовые компоненты).

П р и м е р 2. Электронно-лучевая трубка по примеру 1, отличающаяся тем, что содержит перегородку с отверстием 1 мм для прохождения расходящегося электронного пучка. На внутренние поверхности перегородки и боковых стенок между перегородкой и прозрачной сапфировой подложкой нанесено сначала алюминиевое зеркальное покрытие, а затем интерференционное отражающее пятислойное покрытие из окислов ZrO₂ и SiO₂на длину волны λ_люм= 550 нм. Фильтрующее 20-слойное покрытие имеет высокое отражение в области от 1,05 λ_люм до 1,4 λ_люм. Отражающее покрытие непосредственно на слой люминофора не нанесено. Электронно-лучевая трубка имеет мощность не менее 1 Вт с расходимостью 25^о.

П р и м е р 3. Электронно-лучевая трубка по примеру 2, отличающаяся тем, что люминофор нанесен также на стенки баллона между прозрачной подложкой и перегородкой, имеющие длину примерно 100 мм. Электронный прожектор генерирует девять расходящихся электронных пучков, однородно облучающих люминофор. Перегородка имеет девять отверстий диаметром 0,5 мм для прохождения электронных пучков. Стенки баллона, на которые нанесен люминофор, выполнены из металла и имеют ребра радиатора, омываемые охлажденной водой. При ускоряющем напряжении 30 кВ и полном токе электронного пучка 5 мА электронно-лучевая трубка излучает мощность не менее 5 Вт с расходимостью 25^о.

П р и м е р 4. Электронно-лучевая трубка по примеру 3, отличающаяся тем, что прозрачная пластина резервуара толщиной 10 мм и площадью 60 х 60 мм² выполнена в виде склеенных между собой одинаково ориентированных стеклянных прямоугольников с основанием 10 х 10 мм и высотой 60 мм. В диагональных сечениях этих прямоугольников, расположенных под углом 45^о к распространению светового пучка, расположено многослойное покрытие поляризованный расщепитель типа Мак-Нейла известной конструкции. На грани этих прямоугольников, сопряженные с плоскостью прозрачной пластины относительно поляризационного расщепляющего покрытия, напылены отражающие интерференционные покрытия на λ_люм= 550 нм известной конструкции. Электронно-лучевая трубка излучает мощность не менее 4 Вт с расходимостью 25^о и степенью линейной поляризации не хуже 90%
Электронно-лучевая трубка согласно изобретению является уникальным источником света для светоклапанных проекционных устройств, особенно тех, которые основаны на жидкокристаллических управляемых транспорантах. В настоящее время в этих устройствах используются дуговые источники света (ксеноновые лампы) со сплошным спектром излучения и ненаправленным и неполяризованным излучением. Используемое излучение составляет менее 1% от всей мощности лампы. Использование электронно-лучевой трубки согласно изобретению позволяет увеличить эффективность источника света в несколько раз, улучшить его цветовые характеристики, упростить конструкцию излучателя и увеличить его срок службы за счет исключения сложной системы фильтрации и поляризации излучения.

Использование: в электротехнике, в частности в приборах, в которых используется высокоэффективный источник света с поляризованным и направленным излучением. Сущность изобретения: электронно-лучевая трубка содержит в вакуумном баллоне в одном его конце электронный прожектор, генерирующий по меньшей мере один электронный пучок, в противоположном его конце окно для вывода излучения, выполненное в виде светоделительного фильтра, и размещенный между окном и электронным прожектором отражатель, прозрачный для электронного пучка, причем поверхности отражателя и фильтра образует квазизамкнутую полость, внутри которой размещены катодолюминесцирующий слой и рассеиващие элементы. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ИСТОЧНИК СВЕТА, в качестве которого использована электронно-лучевая трубка, выполненный в виде вакуумного баллона с размещенным в одном его конце электронным прожектором, генерирующим по меньшей мере один несходящийся электронный пучок, и размещенными в противоположном конце катодолюминесцирующим слоем, облучаемым по меньшей мере одним электронным пучком, и окном для вывода излучения, отличающийся тем, что окно выполнено в виде светоделительного фильтра, имеющего обращенную внутрь вакуумного баллона поверхность, между окном и электронным прожектором размещен отражатель, выполненный прозрачным для электронного пучка, отражающая поверхность отражателя вместе с поверхностью фильтра ограничивают квазизамкнутую полость, внутри которой размещен катодолюминесцирующий слой и введены рассеивающие элементы. 2. Источник света по п.1, отличающийся тем, что светоделительный фильтр выполнен состоящим из прозрачной подложки и многослойного покрытия из чередующихся слоев с большим и меньшим показателями преломления, причем многослойное покрытие нанесено на подложку и образует обращенную внутрь вакуумного баллона поверхность фильтра, при этом покрытие пропускает излучение с длиной волны основной линии излучения катодолюминесцирующего слоя и отражает излучение в области длин волн от 1,05 до 1,4 длины волны основной линии излучения катодолюминесцирующего слоя при нормальном падении излучения на позрачную подложку. 3. Источник света по п.2, отличающийся тем, что светоделительный фильтр снабжен дополнительно по меньшей мере одним светоделительным кубом, в одном из диагональных сечений которого расположено покрытие, пропускающее световое излучение с p-поляризацией и отражающее световое излучение с S-поляризацией, а на грань этого куба, на которую отражается световое излучение с S-поляризацией, нанесено зеркальное покрытие. 4. Источник света по п.3, отличающийся тем, что светоделительный фильтр снабжен одним слоем плотноупакованного набора светоделительных кубов, у которых грани с зеркальным покрытием перпендикулярны плоскости прозрачной подложки. 5. Источник света по п.4, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде однослойного набора светоделительных кубов. 6. Источник света по п.4, отличающийся тем, что между подложкой и слоем плотноупакованного набора светоделительных кубов выполнен зазор, заполненный охлаждающей жидкостью. 7. Источник света по пп.1 6, отличающийся тем, что катодолюминесцирующий слой и рассеивающие элементы выполнены в виде слоя люминофора, размещенного на многослойном покрытии подложки окна, а отражатель выполнен в виде отражающего покрытия, нанесенного непосредственно на слой люминофора. 8. Источник света по пп.1 6, отличающийся тем, что отражатель образован перегородкой с отверстиями для прохождения электронного пучка, размещенной в средней части баллона, и боковыми стенками баллона между окном и перегородкой, у которых на поверхности, обращенные внутрь вакуумного объема, нанесены отражающие покрытия. 9. Источник света по п.1, отличающийся тем, что катодолюминесцирующий слой и рассеивающие элементы выполнены в виде слоя люминофора, нанесенного на многослойное покрытие окна и по меньшей мере на часть отражающего покрытия стенок баллона. 10. Источник света по п.9, отличающийся тем, что площадь люминофора, нанесенного на стенки баллона с отражающим покрытием, больше площади люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность окна. 11. Источник света по пп.1 и 8, отличающийся тем, что стенки баллона между окном и перегородкой выполнены из теплопроводящего материала, а наружная поверхность стенок баллона снабжена ребрами радиатора. 12. Источник света по п.8, отличающийся тем, что отверстия в перегородке выполнены с диаметрами, незначительно превышающими диаметры кроссоверов несходящихся электронных пучков, при этом кроссоверы несходящихся электронных пучков совмещены с отверстиями в перегородке.