ЭКРАННЫЙ УЗЕЛ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ УСТРОЙСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ МНОГОЦВЕТНОЙ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК H01J29/18 

Изобретение относится к катодолюминесцентным средствам отображения информации и может быть использовано при создании и разработке много- и полноцветных устройств индикации цифровой, символьной и графической информации, в телевизионной и дисплейной технике, широкоформатных полноцветных видеотерминальных табло, а также в средне- и низковольтных устройствах диодного или триодного типов, где базис элементарной полноцветной светоизлучающей ячейки (пикселя) основан на люминофорах с широкополосными спектрами излучения, в частности на сульфидных люминофорах.

Широко известно применение сульфидных люминофоров в экранных узлах телевизионных кинескопов, а также то, что сульфидные люминофоры обладают высокими энергетическими эффективностями в средневольтовых и низковольтных устройствах, однако их применение как в высоковольтных, так и в низковольтных полноцветных устройствах сдерживается по меньшей мере тремя факторами.

1) "Зеленая" ZnS : Cu, Al (или (Zn, Cd)S : Ag, In 67-70 мас.% CdS) компонента имеет координаты цветности в желтовато-зеленой области цветового графика (что, однако, предусматривается одним из стандартов) и невысокую чистоту р≈0,71.

2) "Красная" сульфидная компонента при цветностях, близких к стандартно красным, имеет крайне низкую визуальную яркость.

3) Общеизвестным является тот факт, что при высоких плотностях возбуждения свечение "красной" сульфидной компоненты становится оранжевым. При этом цветность ярких участков изображения искажается. Поэтому из составов полноценных триад стараются исключить "красную" сульфидную компоненту и заменить ее на другие люминофоры.

В высоковольтных устройствах (электронно-лучевых трубках) для модуляции полноцветного изображения используется неравноточный режим возбуждения компонент полноцветной триады (см. Неорганические люминофоры прикладного назначения. Выпуск I. Катодолюминофоры. Под ред. Л.Я. Марковского, Ленинград, 1972), что усложняет устройство и приводит к ускорению старения "красного" люминофора, а в ярких областях изображения происходит искажение цветности "красной" компоненты.

Известно две группы способов изменения цветности свечения компонент светоизлучающей ячейки: первая - это химическое модифицирование люминофоров, использование их смесей или принципиально иных химических составляющих триады; вторая - это фильтрация излучений компонент триады светофильтрами.

Известны конструкции, использующие принцип фильтрации для получения или выделения излучений необходимой цветности.

Так, в патенте РФ 1579333, МПК H 01 J 29/20 описан экранный узел цветного однолучевого кинескопа, содержащий расположенный на экранном стекле светофильтр, выполненный из чередующихся стеклянных нитей основных цветов, на котором расположен катодолюминесцентный слой белого цвета свечения, выполненный из смеси люминофоров трех основных цветов свечения. Устройство позволяет моделировать полноцветное изображение путем фильтрации белого излучения и модуляции его яркости.

Недостатком данной конструкции и иных, с локально введенными светофильтрами, является сложная технология введения светофильтров.

В патенте США RЕ30015 (основной патент 3886394, опубл. 27 мая 1975 г.), МПК H 01 J 29/18, опубл. 29.05.1979г. описан светоизлучающий элемент дисплейной конструкции: частицы люминофора с нанесенным на них светофильтрующим слоем.

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность люминесценции люминофоров, что является существенным для средневольтовых и, особенно, низковольтных устройств.

Наиболее близким по технической сущности аналогом настоящего изобретения (прототипом) является вакуумное индикаторное люминесцентное устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР 1187624, МКИ6 H 01 J 31/12, опубл. 14.05.84, содержащий по крайней мере два типа люминофоров с различными цветами свечения, нанесенных на анодные электроды, расположенные внутри оболочки, лицевая сторона которой выполнена из цветного стекла, которое выполняет роль светофильтра, максимумы пропускания спектральной характеристики которого находятся в диапазоне излучения синего и красного люминофоров, а минимум пропускания - в диапазоне излучения зеленого люминофора. В другом варианте исполнения этого индикатора цветокоррекция осуществляется путем введения в конструкцию индикатора дополнительного элемента: цветной пластмассы, выполняющей роль светофильтра. По приведенному графику спектров можно предположить, что синий люминофор является цинксульфидным.

Недостатком этой конструкции является малый цветовой охват (невозможность отображения полноцветной видеоинформации).

Технической задачей настоящего изобретения является расширение цветового охвата при использовании высокоэффективной триады широкополосных люминофоров на основе сульфидов цинка и цинка-кадмия, повышение яркости "красной" компоненты, снижение избыточной яркости "зеленой" компоненты до необходимого уровня, смещение ее координат цветности в сторону стандартно-зеленых, а также устранение искажения цветности "красной" компоненты при высокой плотности возбуждения и высоких фонах внешнего освещения.

Поставленная задача решается за счет того, что экранный узел люминесцентного устройства отображения многоцветной информации, включающий три типа широкополосных люминофоров с различными цветами свечения, первый из которых выполнен на основе сульфида цинка и имеет стандартный синий цвет свечения, сплошной по экрану светофильтр, расположенный на пути передачи оптического излучения люминофоров наблюдателю, или цветное фронтальное стекло, выполняющее роль светофильтра, согласно изобретению второй люминофор имеет желтовато-зеленое, свечение в области 480-610 нм, а третий - оранжевое или красно-оранжевое свечение в области 530-650 нм; светофильтр имеет полосу поглощения в области 530-590 нм.

В качестве второго люминофора может быть использован люминофор ZnS : Cu, Al (например, марки КН-525-1) или (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 67-70 мас.%.

В качестве третьего люминофора может быть использован люминофор (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 72-74 мас.% (например, марки КН-650-3).

Поскольку проведенные теоретические исследования касались исключительно спектров свечения люминофоров и не затрагивали их химического состава, заявленный результат будет достигнут при использовании любых люминофоров с заявленными спектрами люминесценции.

Сущность технического решения (изобретения) поясняется графическими материалами, где на фиг.1, 2, 3 условно изображены устройства индикации, работающие на отражение; на фиг.4, 5, 6 - устройства индикации, работающие на просвет. По чертежам видно, что экранный узел в устройствах на отражение выполнен на 2-х пространственно разделенных платах, но элементы этих плат связаны процессами генерации оптического излучения (собственно свечением люминофоров) и передачи оптического излучения наблюдателю и поэтому являются целостной частью конструкции экрана (экранного узла).

На фиг. 7, 8 условно изображены диодная и триодная дисплейные конструкции.

На фиг.9, 10 условно изображен экранный узел электронно-лучевого прибора, 9 - вид сбоку, 10 - вид сзади.

На фиг.11 изображены рассчитанные относительные спектральные характеристики пропускания предлагаемых нами фильтров, условно обозначенных Ф1 и Ф2, и близкого аналога L52-539 MAGENTA (см. Edmund Industrial Optics. 2001 Optics and Optical Instruments Catalog. Edmund Optics, Inc. 2000. P.78.)
На фиг.12 представлены спектры визуальной яркости пары люминофоров КН-650-3 - КН-525-1.

На фиг.13 приведен цветовой график, утвержденный постановлением Международной Комиссии по Освещению в 1931 году, где точками и выносками показаны точки цветности пары люминофоров марок КН-650-3 и КН-525-1 до и после фильтрации их излучений светофильтрами Ф1 и Ф2, а стрелками - направление изменения цветности при их введении.

Цифрами отмечены основные элементы экранных узлов и конструкций:
1 - подложка;
2 - анод;
3 - люминесцирующий слой на основе предложенных люминофоров;
4 - прозрачное (нейтральное) фронтальное стекло;
5 - пурпурно-фиолетовый светофильтр;
6 - защитное прозрачное (нейтральное) стекло;
7 - прозрачный анод;
8 - фронтальное цветное (пурпурно-фиолетовое) стекло;
9 - планарный катод;
10 - игольчатый катод;
11 - управляющий электрод;
12 - изолирующий слой;
13 - теневая анодная маска.

В таблице даны основные параметры цветности люминофоров до и после фильтрации, указаны визуальные яркости.

Цветное фронтальное стекло или светофильтр должен иметь резкие края поглощения в области 530-590 нм (в зависимости от требований к цветности и яркости "красной" компоненты в конкретном устройстве).

Из таблицы и на фиг.11 видно, что смещение правого (длинноволнового) края поглощения фильтра в красную область приводит к снижению визуальной яркости и улучшению координат цветности.

Левый край фильтра Ф1 и фильтра Ф2 совпадают; расчеты показывают, что смещение левого края в длинноволновую область приводит к росту яркости "красной" компоненты, но ухудшению ее цветности, поэтому смещать левый край поглощения фильтра при использовании оранжевых люминофоров типа КН-650-3 нецелесообразно.

Экранный узел индикаторных устройств, работающих на отражение (см. фиг. 1-3), содержит подложку 1 с размещенными на ней системой анодов 2 с разводкой и нанесенными на них люминесцирующими слоями 3 на основе предложенных люминофоров. Фронтальное стекло оболочки индикаторного или дисплейного устройства может быть выполнено нейтральным 4 или цветным 8. При выполнении стекла нейтральным экранный узел должен содержать сплошной по экрану (по стеклу 4), расположенный на пути передачи оптического излучения люминофоров наблюдателю, светофильтр 5. Такой экранный узел может содержать защитное стекло 6.

Экранный узел индикаторных устройств, работающих на просвет (см. фиг. 4-6), содержит фронтальное стекло 4 с размещенными на нем прозрачными анодами 7, их разводкой и люминесцирующими слоями 3. Фронтальное стекло может быть выполнено нейтральным, тогда экранный узел должен содержать сплошной по экрану (по стеклу 4), расположенный на пути передачи оптического излучения люминофоров наблюдателю, светофильтр 5. Такой экранный узел может содержать защитное стекло 6.

Светофильтр может быть выполнен отдельным элементом конструкции и размещаться на пути передачи оптического излучения к наблюдателю, см. фиг.1, 2, фиг. 4, 5, или может быть выполнен в виде цветного фронтального стекла 8, которое будет выполнять роль светофильтра, см. фиг.3, 6.

Экранный узел может быть выполнен с использованием планарных технологий.

Базис элементарной светоизлучающей ячейки должен быть основан на триаде люминофоров и включать люминофоры: стандартно-синего свечения (например, ZnS : Ag, Cl); желтовато-зеленого свечения в области 480-610 нм (например, ZnS : Cu, Al или (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 67-70 мас.%); оранжевого или красно-оранжевого свечения в области 530-650 нм (например, (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 72-74 мас.%).

Многоцветный, в частности полноцветный режим работы (все зависит от частных спектральных характеристик светофильтрующего элемента индикаторного или дисплейного устройства в конкретном исполнении заявленного изобретения), осуществляется следующим образом.

Излучения люминофоров слоя 3, имеющих нестандартные характеристики цветности, проходят через светофильтр 5 или 8, при этом происходит ослабление излучений в желтой области спектра, а цветности прошедших излучений изменяются на стандартные, при этом отношение яркостей "красной" и "зеленой" компоненты приближается к необходимому для получения белого свечения пикселя (оценка дана по уровню яркости красного излучения на выходе из светофильтра).

Описание технического результата.

Как известно, люминофор состава (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием 72 мас. % CdS не удовлетворяет телевизионному стандарту для красных люминофоров, так как имеет оранжевый цвет свечения. Одним из способов улучшения его координат цветности является повышение содержания CdS вплоть до 80 мас.%. Но при этом происходит резкое уменьшение визуальной яркости свечения. Это отчасти связано со снижением энергетической эффективности катодолюминесценции.

Другой существенной причиной уменьшения визуальной яркости является смещение спектра люминесценции в область низкой видности. При этом фрагмент максимальной спектральной плотности спектра люминесценции оказывается в зоне крайне низкой видности, а коротковолновая (желто-оранжевая) остается в области высокой видности. В результате увеличение содержания CdS не сопровождается существенным улучшением координат цветности.

Однако улучшение координат цветности стандартного люминофора может быть достигнуто путем фильтрации коротковолновой части спектра его люминесценции. При этом область максимальной спектральной плотности (~625 нм), лежащая в области относительно высокой видности, не отфильтровывается и уменьшение визуальной яркости при такой фильтрации по сравнению с падением яркости при увеличении доли сульфида кадмия незначительно. Для использования в полноцветных конструкциях фильтр должен пропускать излучение с λ≤535 нм. При этом, отфильтровывая длинноволновую часть спектра излучения зеленой компоненты, можно достичь улучшения ее цветовых характеристик с одновременным понижением избыточной яркости до необходимого уровня. Осуществление фильтрации излучения люминофоров в желтой области спектра позволит заменить в низковольтных конструкциях недостаточно эффективные красно-оранжевый (Zn, Cd)S : Ag, In (78 мас. % CdS) или красные Y₂O₂S : Eu, Y₂O₃ : Eu люминофоры на высокоэффективный оранжевый КН-650-3. При этом достигаются лучшие по сравнению с люминофором (Zn, Cd)S : Ag, In (78 мас.% CdS) координаты цветности (с использованием фильтров Ф1 и Ф2, см. фиг.11), а в случае Ф1 и более высокая яркость красного.

При этом изменяется цветность желтовато-зеленой компоненты ZnS:Cu,Al на стандартно зеленую, что, как показывают расчеты, сопровождается незначительным падением чистоты.

Фильтрация позволяет снизить яркость зеленой компоненты до требуемого соотношения L_R/L_G≈1/3 (для цветностей, полученных после фильтрации). Отпадает необходимость в применении различных режимов возбуждения красной и зеленой компонент.

Фильтрация излучения люминофоров в желтой области спектра позволит устранить нежелательный эффект ухудшения цветности красной компоненты в ярких областях изображения.

На спектрах визуальной яркости (см. фиг.12) видно, что модифицированный люминофор с 78 мас.% уступает стандартному КН-650-3 как без фильтрации (что очевидно), так и с фильтрацией фильтром Ф1. Результаты расчета координат цветности и интегральной визуальной яркости В_в люминесценции для люминофора КН-650-3 с фильтрацией и без фильтрации, а также для модифицированного люминофора с 78 мас.% и 80 мас.% CdS приведены в таблице.

Видно, что излучение люминофора КН-650-3 при фильтрации фильтром Ф1 имеет лучшие координаты цветности и более высокую визуальную яркость, чем модифицированный люминофор с 78 мас.% CdS.

Как видно из фиг.12 и таблицы, фильтром будет отфильтровываться длинноволновая часть излучения "зеленой" компоненты, а ее яркость при такой фильтрации падает в два раза.

Хвосты спектров сульфидных люминофоров сильно перекрываются, из фиг.12 видно, что желтовато-зеленый люминофор после фильтрации имеет пик в красной области. При этом координаты цветности ZnS : Сu, Аl люминофора изменяются с желтовато-зеленых х=0,24-0,29, у=0,61 на зеленые: х=0,15-0,20, у=0,57-0,58, что специально предусматривается некоторыми стандартами. При этом падение средней чистоты при фильтрации фильтрами Ф1 и Ф2 незначительно.

Сравнение яркостных коэффициентов красной и зеленой компонент при фильтрации тем или иным светофильтром позволяет подобрать пару RG для полноцветного устройства. Условию L_R/L_G≈1/3 отвечает пара: 72% CdS с Ф2 (В_в= 0,44) - ZnS : Cu, Al с Ф2 (В_в=1,95).

У этой пары координаты цветности будут лучше, чем у пары 78% CdS (В_в= 0,57) - ZnS : Cu, Al (В_в=4,08), последняя не отвечает условию соотношения яркостей L_R/L_G≈1/3, отношение яркостей равно ~1/6 при значительно более плохих ее координатах цветности и меньшим уровнем яркости по лимитирующему красному (~14%) по сравнению с парой 72% СdS Ф1(0,66) - ZnS : Сu, Аl Ф1(2,23).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения будет достигаться безотносительно к тому, в устройстве какого типа реализуется настоящее техническое решение (изобретение).

Это могут быть и экраны цветных кинескопов (см. фиг.9, 10), и экраны средневольтовых и низковольтных конструкций диодного или триодного типов (см. фиг.7, 8), работающие как на просвет, так и на отражение, экранные узлы катодолюминесцентных полноцветных панелей и иных дисплейных устройств и устройств индикации.

За счет фокусировки электронного облака в триодных конструкциях, аналогичных описанным в пат. РФ 2152662, МКИ Н 01 J 1/62, 29/18, опубл. 10.07.2000, см. фиг.8, может реализовываться очень плотное возбуждение люминофоров, при этом, как уже отмечалось, происходит изменение спектра свечения "красного" сульфидного люминофора, но дополнительный (новый), заявленный элемент - светофильтр или цветное фронтальное стекло - позволяет устранить проявление этого эффекта.

Изобретение относится к катодолюминесцентным средствам отображения информации и может быть использовано при создании и разработке много- и полноцветных устройств индикации цифровой, символьной и графической информации, в телевизионной и дисплейной технике, широкоформатных полноцветных видеотерминальных табло, а также в средне- и низковольтных устройствах диодного или триодного типов, где базис элементарной полноцветной светоизлучающей ячейки (пикселя) основан на люминофорах с широкополосными спектрами излучения, в частности на сульфидных люминофорах. Техническим результатом является расширение цветового охвата при использовании высокоэффективной триады широкополосных люминофоров на основе сульфидов цинка и цинка-кадмия, повышение яркости "красной" компоненты, снижение избыточной яркости "зеленой" компоненты до необходимого уровня, смещение ее координат цветности в сторону стандартно-зеленых, а также устранение искажения цветности "красной" компоненты при высокой плотности возбуждения и высоких фонах внешнего освещения. Экранный узел люминесцентного устройства отображения многоцветной информации включает три типа широкополосных люминофоров с различными цветами свечения, первый из которых выполнен на основе сульфида цинка и имеет стандартный синий цвет свечения. Узел содержит сплошной по экрану светофильтр, расположенный на пути передачи оптического излучения люмонофоров наблюдателю, или цветное фронтальное стекло, выполняющее роль светофильтра, согласно изобретению второй люминофор имеет желто-зеленое свечение в области 480-610 нм, а третий - оранжевое или красно-оранжевое свечение в области 530-650 нм; светофильтр имеет полосу поглощения в области 530-590 нм. 3 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

1. Экранный узел люминесцентных устройств отображения многоцветной видеоинформации, включающий три типа широкополосных люминофоров с различными цветами свечения, первый из которых имеет стандартный синий цвет свечения, а также сплошной по экрану светофильтр, расположенный на пути передачи оптического излучения люминофоров наблюдателю, или цветное фронтальное стекло, выполняющее роль светофильтра, отличающийся тем, что второй люминофор имеет желтовато-зеленое свечение в области 480-610 нм, а третий - оранжевое или красно-оранжевое свечение в области 530-650 нм; светофильтр имеет полосу поглощения в области 530-590 нм. 2. Экранный узел по п.1, отличающийся тем, что в качестве третьего люминофора выбран люминофор (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 72-74 мас.%. 3. Экранный узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве второго люминофора выбран люминофор ZnS : Cu, Al. 4. Экранный узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве второго люминофора выбран люминофор (Zn, Cd)S : Ag, In с содержанием CdS 67-70 мас. %.