ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР С ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДФОКУСИРОВКОЙ Российский патент 2003 года по МПК H01J29/18 H01J29/46 H01J31/08 

Изобретение относится к электронным и квантовым приборам, а именно к лазерным электронно-лучевым приборам, используемым, например, в проекционных телевизионных устройствах для формирования изображений на экранах большой площади.

Проекционные телевизионные устройства на основе обычных электронно-лучевых приборов (ЭЛП) с люминесцентным экраном широко используются для формирования изображений на проекционных экранах площадью до нескольких квадратных метров. Однако размер изображения на проекционном экране таких телевизионных устройств ограничивается неспособностью люминесцентных экранов проекционных ЭЛП формировать требуемые световые потоки с высокой интенсивностью, что затрудняет получение телевизионных изображений с необходимой яркостью и контрастностью.

Эффективный путь улучшения параметров проекционных телевизионных устройств связан с использованием лазерных ЭЛП (см. , например, патент США N 3558956, H 01 J 29/18, 1971 г.).

В отличие от обычного ЭЛП, источником излучения в лазерном ЭЛП является не слой люминофора, а лазерная мишень, представляющая собой тонкую полупроводниковую монокристаллическую пластину, на обе параллельные поверхности которой нанесены отражающие свет покрытия. Со стороны падения на пластину электронного пучка обычно наносится непрозрачное зеркальное металлическое покрытие, а с противоположной стороны - полупрозрачное зеркальное покрытие. Зеркальные поверхности образуют оптический резонатор, а полупроводниковая пластина между ними выполняет функции активной среды лазера с электронным возбуждением. Лазерная мишень прикрепляется к подложке из прозрачного диэлектрического материала, играющей роль выходного окна лазерного ЭЛП, а также теплоотвода для лазерной мишени. Подложка обычно изготовлена из сапфира, обладающего высокой теплопроводностью. Лазерная мишень вместе с подложкой образуют экран лазерного ЭЛП (лазерный экран).

Пучок электронов, проникая в полупроводниковую пластину через металлическое покрытие, индуцирует спонтанное световое излучение. При поверхностной плотности тока пучка на лазерной мишени, равной пороговому значению, мощность индуцированного светового излучения компенсирует потери в оптическом резонаторе и элемент мишени, на которую падает пучок электронов, становится источником лазерного излучения. В процессе многократного прохождения светом резонатора происходит сужение его частотного спектра, в результате чего излучаемый свет является монохроматическим. Лазерный свет излучается через полупрозрачное зеркальное покрытие практически перпендикулярно поверхности полупроводниковой пластины и выходит из ЭЛП через сапфировое выходное окно.

Известен лазерный электронно-лучевой прибор (Уласюк В.Н. Квантоскопы. -М. : Радио и связь, 1988, с.105, 107, 108), содержащий колбу, по меньшей мере на часть внутренней поверхности которой нанесено низкоомное проводящее покрытие, электронный прожектор для формирования пучка электронов, лазерный экран и магнитную фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка, сформированного электронным прожектором, на лазерном экране.

Проводящее покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, позволяет предотвратить появление на этой поверхности зарядов, наводимых электронным пучком. Известно, что отсутствие наведенных зарядов является необходимым условием формирования остронаправленного осесимметричного пучка, а в связи с пороговым характером излучения в лазерном ЭЛП точная фокусировка для него имеет гораздо большее значение, чем для обычных люминофорных ЭЛП, особенно если необходимо достичь высокой разрешающей способности, которую может обеспечить лазерный ЭЛП.

Применение магнитной фокусирующей системы в лазерных ЭЛП позволяет получить высокую разрешающую способность и часто является предпочтительным. Однако при движении электронного пучка по лазерному экрану в процессе формирования изображения происходит определенная расфокусировка пучка из-за изменения расстояния от магнитной фокусирующей линзы, сформированной магнитной фокусирующей системой, до лазерного экрана. Кроме того, некоторая расфокусировка пучка происходит также при изменении его тока в процессе формирования изображения. Указанные обстоятельства приводят к необходимости использовать в лазерном ЭЛП средства динамической подфокусировки пучка электронов.

В некоторых конструкциях лазерных ЭЛП используется подача сигнала подфокусировки на ускоряющий электрод и лазерный экран ЭЛП. Однако это требует принятия специальных мер по защите цепей формирования сигнала динамической подфокусировки от высокого ускоряющего напряжения, что сильно усложняет и удорожает конструкцию прибора.

В вышеупомянутом известном ЭЛП средства динамической подфокусировки электронного пучка выполнены в виде установленной на колбе дополнительной фокусирующей катушки, в которую подается ток подфокусировки, изменяемый в зависимости от положения электронного пучка. Однако вследствие высоких энергий электронов и высокой плотности тока пучка в лазерном ЭЛП в этом случае необходимо использовать дополнительную катушку с высокой индуктивностью и ток подфокусировки с большим значением амплитуды, что приводит к значительному увеличению габаритов средств динамической подфокусировки. Кроме того, высокая индуктивность дополнительной фокусирующей катушки крайне затрудняет динамическую подфокусировку пучка в зависимости от тока подфокусировки, поскольку частота сигнала подфокусировки в лазерных ЭЛП с высоким разрешением может достигать 100 МГц и более.

Задачей настоящего изобретения является создание лазерного ЭЛП с безындукционным элементом динамической подфокусировки и тем самым уменьшение габаритов средств динамической подфокусировки и обеспечение возможности осуществления динамической подфокусировки с более высокой частотой.

Поставленная задача решается тем, что в лазерном ЭЛП, содержащем колбу, по меньшей мере на часть внутренней поверхности которой нанесено низкоомное покрытие, электронный прожектор для формирования пучка электронов, лазерный экран, магнитную фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка, сформированного электронным прожектором, на лазерном экране и средства динамической подфокусировки указанного электронного пучка, согласно изобретению средства динамической подфокусировки включают электрод, установленный в месте установки магнитной фокусирующей системы, а указанное низкоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, в районе указанного электрода имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено высокоомное покрытие.

Электрод средств динамической подфокусировки предпочтительно выполнен в виде проводящего покрытия, нанесенного на внешнюю поверхность колбы.

Благодаря наличию разрыва в низкоомном покрытии под электродом, электрическое поле этого электрода, создаваемое при подаче на него сигнала динамической подфокусировки, наводит соответствующий динамический сигнал на части высокоомного покрытия под электродом. Электрическое поле этого динамического сигнала воздействует на электронный пучок и изменяет скорости электронов в зависимости от знака и амплитуды подаваемого сигнала динамической подфокусировки. Это, в свою очередь, приводит к изменению времени пребывания электронов в поле магнитной фокусирующей линзы, что обеспечивает необходимую динамическую подфокусировку электронного пучка. Предложенные средства динамической подфокусировки, благодаря их безындукционному характеру, практически не увеличивают габариты ЭЛП и обеспечивают возможность подачи сигнала подфокусировки высокой частоты, необходимого для лазерных ЭЛП. Наличие высокоомного покрытия в области разрыва в низкоомном покрытии обеспечивает эффективное устранение зарядов, наводимых на внутренней стенке колбы ЭЛП электронным пучком. При этом колба ЭЛП надежно изолирует электрод средств динамической подфокусировки от находящегося под высоким потенциалом покрытия на внутренней стороне колбы. Благодаря этому не требуется принимать специальных мер по защите цепей формирования сигнала динамической подфокусировки, что было бы необходимо при подаче напряжения динамической подфокусировки непосредственно на покрытие, нанесенное на внутреннюю сторону колбы ЭЛП.

Поверх проводящего покрытия, образующего электрод средств динамической подфокусировки, может быть нанесена изолирующая пленка.

Сопротивление указанного высокоомного покрытия предпочтительно составляет приблизительно от 30 до 500 МОм. Оно может включать покрытие, нанесенное в виде цилиндрической спирали и/или в виде сплошного слоя и состоящее, например, из окиси хрома или титана.

Низкоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, предпочтительно электрически соединено с мишенью лазерного экрана для подачи через него на мишень соответствующего напряжения.

Расстояние, измеренное вдоль оси прибора, от любого края электрода средств динамической подфокусировки до ближайшего края указанного низкоомного покрытия предпочтительно составляет не менее приблизительно половины внутреннего диаметра колбы прибора в районе размещения электрода.

Высокоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, непосредственно под указанным электродом может иметь разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено проводящее покрытие.

На фиг.1 схематически показан выполненный согласно изобретению лазерный ЭЛП.

На фиг. 2 схематически показана часть лазерного ЭЛП, выполненного согласно варианту осуществления изобретения.

В соответствии с фиг.1, лазерный ЭЛП содержит колбу 1, выполненную, например, из стекла, из которой откачан воздух. На внутреннюю поверхность колбы 1 нанесено низкоомное покрытие 2, выполненное, например, из аквадага. В горловине колбы 1 размещен электронный прожектор 3 для формирования пучка электронов, а напротив него установлен лазерный экран 4. Магнитная фокусирующая система 5 обычной конструкции, образованная электромагнитными катушками (отдельно не показаны), установлена с внешней стороны колбы 1. В соответствии с изобретением лазерный ЭЛП содержит также средства динамической подфокусировки электронного пучка, включающие электрод 6, установленный с внешней стороны колбы 1 в месте установки магнитной фокусирующей системы 5. В районе электрода 6 низкоомное покрытие 2, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы 1, имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы 1 нанесено высокоомное покрытие 7.

Расстояние L, измеренное вдоль оси прибора, от любого края электрода 6 до ближайшего края низкоомного покрытия 2 в предпочтительном варианте выполнения изобретения составляет не менее половины внутреннего диаметра D колбы ЭЛП в районе размещения электрода 6.

Электрод 6 находится непосредственно под магнитной фокусирующей системой 5 и может несколько выступать за ее границы, например приблизительно на 10% ее длины, или, наоборот, быть несколько короче ее. В показанном на фиг.1 варианте выполнения изобретения электрод 6 выполнен в виде проводящего покрытия, например, из аквадага, нанесенного на внешнюю поверхность колбы 1, поверх которого для электроизоляции и защиты от внешних воздействий нанесена изолирующая пленка 8.

Сопротивление высокоомного покрытия 1, измеренное между его краями, примыкающими к низкоомному покрытию 2, предпочтительно составляет приблизительно от 30 до 500 МОм. Высокоомное покрытие 7 может включать покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы 1 по спирали, т.е. имеющее вид цилиндрической спирали, ось которой совпадает с осью колбы 1. Покрытие 7 может быть также нанесено в виде сплошного слоя или наложенных друг на друга сплошного слоя и цилиндрической спирали. В качестве материала для покрытия 7 может быть использована окись хрома или титана или любой другой материал, подходящий для нанесения высокоомных покрытий. Например, высокоомное покрытие 7 может быть образована сплошным слоем окиси титана толщиной около 50-100 мкм и сопротивлением порядка 5000 МОм, поверх которого нанесена цилиндрическая спираль из окиси хрома толщиной около 50-100 мкм и сопротивлением около 30-500 МОм, включающая около 30 витков шириной 0,5 мм с шагом 1 мм.

Электронный прожектор 3 в показанном на фиг.1 лазерном ЭЛП включает катод 9, модулятор 10, ускоряющий электрод 11 и анод 12. Предлагаемый лазерный ЭЛП может содержать и другие известные электроды или элементы электронного прожектора, используемые в таких приборах. Между магнитной фокусирующей системой 5 и лазерным экраном 4 с внешней стороны колбы 1 установлена отклоняющая система 13, например, магнитного типа. Электроды 9-11 электронного прожектора 3 и электрод 6 средств динамической подфокусировки соединены с выводами (не показаны), предназначенными для соединения с внешними цепями ЭЛП (не показаны).

Низкоомное покрытие 2 электрически соединено с мишенью (не показана) лазерного экрана 4, высоковольтным вводом 14 и анодом 12.

В показанной на фиг.2 варианте выполнения изобретения высокоомное покрытие 7, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы 1, непосредственно под электродом 6 имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено проводящее покрытие 15.

Легко видеть, что используемые в предложенном лазерном ЭЛП средства динамической подфокусировки практически не увеличивают габариты прибора.

Лазерный ЭЛП работает следующим образом.

Катод 9 подогревают с помощью внешнего источника тока (не показан), что вызывает эмиссию электронов. На высоковольтный ввод 14 и ускоряющий электрод 11 от внешних источников (не показаны) подают ускоряющие напряжения, положительные относительно катода 9. Ускоряющее напряжение с высоковольтного ввода 14 через низкоомное покрытие 2 прикладывается к мишени лазерного экрана 4, а также - через часть низкоомного покрытия 2, высокоомное покрытие 7, нанесенное в разрыве низкоомного покрытия 2, и другую часть низкоомного покрытия 2 по другую сторону разрыва - к аноду 12. При этом на высокоомном покрытии 7 по существу нет падения напряжения. Электроны пучка 16, сформированного электронным прожектором 3, под действием высокого ускоряющего напряжения, приложенного к электродам 11 и 12, а также к лазерному экрану 4, движутся от катода 9 к экрану 4.

Через электромагнитные катушки магнитной фокусирующей системы 5 пропускают ток, обеспечивающий острую магнитную фокусировку пучка 16 электронов в центральной точке 17 мишени лазерного экрана 6. Как известно, при магнитной фокусировке магнитное поле, создаваемое фокусирующей системой, в данном случае системой 5, образует магнитную линзу, которая собирает расходящийся пучок электронов в узкий сходящийся пучок.

В электромагнитные катушки отклоняющей системы 13 подают сигналы строчной и кадровой развертки пилообразной формы. Магнитные поля электромагнитных катушек отклоняют пучок 16 электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях, обеспечивая формирование телевизионного растра, аналогично тому, как это происходит в известных электронно-лучевых приборах. В то же время на модулятор 10 подают напряжение от внешнего источника видеосигнала (не показан), которое управляет током пучка 16 электронов. Синхронизированная подача сигналов развертки и видеосигнала позволяет сформировать телевизионное изображение, которое проецируется из лазерного ЭЛП на внешний проекционный экран (не показан).

При отклонении под действием отклоняющей системы 13 пучка электронов от центральной точки 17 мишени лазерного экрана происходит расфокусировка этого пучка из-за изменения расстояния от магнитной фокусирующей линзы, сформированной магнитной фокусирующей системой 5, до мишени лазерного экрана 4. Кроме того, изменение тока пучка 16 электронов в соответствии с напряжением видеосигнала, приложенным к модулятору 10, вызывает дополнительную расфокусировку, зависящую от изменения яркости соответствующей точки изображения.

Для устранения указанных расфокусировок на электрод 6 средств динамической подфокусировки от внешнего источника (не показан) подают напряжение подфокусировки. Для устранения расфокусировки, связанной с изменением расстояния до мишени лазерного экрана 4, напряжение подфокусировки включает в себя две составляющие, являющиеся функциями отклонения электронного пучка 16 от центра 17 мишени лазерного экрана 4 соответственно по горизонтали (с частотой строчной развертки) и по вертикали (с частотой кадровой развертки). Для устранения расфокусировки, связанной с изменением тока пучка 16, напряжение подфокусировки включает составляющую, являющуюся функцией видеосигнала. Конкретные амплитудные и временные параметры составляющих напряжения подфокусировки легко могут быть подобраны специалистами для любого конкретного варианта выполнения изобретения на основе измеренных экспериментальных или рассчитанных характеристик конкретного лазерного ЭЛП. Электронные схемы, позволяющие сформировать такое напряжение, также хорошо известны специалистам и здесь не рассматриваются.

Электрическое поле электрода 6, создаваемое при подаче на него сигнала динамической подфокусировки, наводит соответствующий динамический сигнал на части высокоомного покрытия 7 под электродом 6 (в варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.1) или на проводящем покрытии 15 под электродом 6 (в варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.2). Электрическое поле этого динамического сигнала воздействует на пучок 16, изменяя скорость электронов этого пучка в зависимости от знака и амплитуды подаваемого сигнала динамической подфокусировки. Изменение скоростей электронов в области фокусирующей линзы, сформированной магнитной фокусирующей системой 5, приводит к изменению времени их пребывания в фокусирующем магнитном поле линзы, что обеспечивает требуемую динамическую подфокусировку пучка 16 электронов.

В то же время проводимость высокоомного покрытия 7 является достаточной для того, чтобы заряды, наводимые пучком электронов, не накапливались на внутренней поверхности колбы 1 под электродом 6 средств динамической подфокусировки.

Если расстояние L от края электрода 6 до края низкоомного покрытия 2 выбрано равным не менее чем приблизительно половине внутреннего диаметра D колбы ЭЛП, то сопротивление между низкоомным покрытием 2 на внутренней поверхности колбы 1 и участком покрытия, находящимся под электродом 6, будет достаточно высоким для поддержания уровня наведенного динамического сигнала подфокусировки в течение времени воспроизведения элемента телевизионного изображения.

Как указывалось выше, покрытие 7 может быть в виде сплошного слоя или спирали. Покрытие в виде сплошного слоя обеспечивает лучшую защиту от накопления зарядов по сравнению со спиральным покрытием, которое не полностью покрывает находящуюся под ним поверхность (промежутки между витками спирали остаются не покрытыми). С другой стороны, при нанесении сплошного покрытия на внутреннюю поверхность колбы 1 практически невозможно добиться высокой его однородности, поскольку технологически невозможно нанести сплошное покрытие одинаковой толщины. В то же время неоднородность покрытия приводит к неравномерности фокусирующего электрического поля и тем самым к искажению формы пучка 16 электронов, что отрицательно сказывается на его фокусировке. В случае использования спирального покрытия можно добиться высокой его однородности путем нанесения его с помощью вращающегося скользящего ползунка.

Наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании покрытия 7, включающего сплошной слой и нанесенный поверх него дополнительный слой, имеющий форму цилиндрической спирали.

Благодаря безындуктивному характеру средств динамической подфокусировки, выполненных согласно изобретению, обеспечивается возможность подачи высокочастотного сигнала подфокусировки, являющегося функцией напряжения видеосигнала, и, таким образом, устранение расфокусировки, связанной с высокочастотным изменением тока пучка 16. Наличие в области разрыва в низкоомном покрытии 2 высокоомного покрытия 7 обеспечивает эффективное устранение зарядов, наводимых на внутренней стенке колбы 1 электронным пучком 16. Отсутствие наведенных зарядов обеспечивает формирование остронаправленного осесимметричного пучка 16.

Стенка стеклянной колбы 1 надежно изолирует электрод 6 средств динамической подфокусировки от находящегося под высоким потенциалом покрытия 2. Поэтому не требуется принимать специальных мер по электрической защите цепей формирования сигнала динамической подфокусировки, что было бы необходимо при подаче напряжения динамической подфокусировки непосредственно на покрытие 2.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание лазерного ЭЛП с безындукционным малогабаритным элементом динамической подфокусировки, обеспечивающим возможность эффективной высокочастотной подфокусировки электронного пучка.

Рассмотренная выше конструкция лазерного ЭЛП приведена только в качестве примера. В лазерном ЭЛП согласно изобретению могут быть использованы любые известные элементы для формирования, модуляции, ускорения и отклонения электронных пучков, а также любые известные конструкции колб ЭЛП, применяемые в электронно-лучевых приборах и других подобных устройствах.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в проекционных телевизионных установках. Техническим результатом является уменьшение габаритов прибора и возможность осуществления подфокусировки с более высокой частотой. Лазерный электронно-лучевой прибор содержит колбу, по меньшей мере на часть внутренней поверхности которой нанесено низкоомное покрытие, электронный прожектор для формирования пучка электронов, лазерный экран, магнитную фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка, сформированного электронным прожектором, на лазерном экране и средства динамической подфокусировки указанного электронного пучка, которые включают электрод, установленный в месте установки магнитной фокусирующей системы, при этом указанное низкоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, в районе нахождения указанного электрода имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено высокоомное покрытие. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный электронно-лучевой прибор, содержащий колбу, по меньшей мере на часть внутренней поверхности которой нанесено низкоомное покрытие, электронный прожектор для формирования пучка электронов, лазерный экран, магнитную фокусирующую систему для фокусировки электронного пучка, сформированного электронным прожектором, на лазерном экране и средства динамической подфокусировки указанного электронного пучка, отличающийся тем, что средства динамической подфокусировки включают электрод, установленный в месте установки магнитной фокусирующей системы, а указанное низкоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, в районе нахождения указанного электрода имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено высокоомное покрытие. 2. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 1, отличающийся тем, что электрод средств динамической подфокусировки выполнен в виде проводящего покрытия, нанесенного на внешнюю поверхность колбы. 3. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 2, отличающийся тем, что поверх проводящего покрытия, образующего электрод средств динамической подфокусировки, нанесена изолирующая пленка. 4. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что сопротивление указанного высокоомного покрытия составляет приблизительно 30-500 МОм. 5. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанное высокоомное покрытие включает покрытие, нанесенное в виде цилиндрической спирали. 6. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 5, отличающийся тем, что указанное покрытие, нанесенное в виде спирали, состоит из окиси хрома или титана. 7. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что указанное высокоомное покрытие включает покрытие, нанесенное в виде сплошного слоя. 8. Лазерный электронно-лучевой прибор по п. 7, отличающийся тем, что указанное покрытие, нанесенное в виде сплошного слоя, состоит из окиси хрома или титана. 9. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что указанное низкоомное покрытие электрически соединено с мишенью лазерного экрана. 10. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что расстояние, измеренное вдоль продольной оси прибора, от любого края электрода средств динамической подфокусировки до ближайшего края указанного низкоомного покрытия составляет не менее приблизительно половины внутреннего диаметра колбы прибора. 11. Лазерный электронно-лучевой прибор по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что указанное высокоомное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность колбы, непосредственно под указанным электродом имеет разрыв, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесено проводящее покрытие.