CN1004745B - 具有以铁电方式工作的靶的光学替续系统 - Google Patents

Abstract

本发明叙述的是一个光学替续系统，它包括一个电绝缘材料靶子其透射光取决于和光的传播方向平行的电场，用电子束扫描靶的第一个面的装置，一个阳极用来收集二次电子，一个透明而导电的平板安放在靶的第二个面。靶的特征在于，光学替续系统有一个热交换器，它对靶起作用，使靶在正常运转时形成：一个有用的中心区，在该区靶呈现单畴铁电相，以及一个中性外围区，温度高于居里温度，在该区靶呈现顺电相。光学替续系统用于在大屏幕上形成电视图象。

Description

具有以铁电方式工作的靶的光学替续系统

本发明叙述的是一个包括电绝缘材料靶子的光学转替续统，而透射光取决于和光的传播方向平行的电场。这里指的是用电子束扫描所述靶子的第一个面，一个用来收集被电子束打出的二次电子的阳极，一个装在靶第二个面的透明而导电的平板，该平板接收视频信息电信号，从而形成一个控制电极，该靶由一种在低于某一温度时就变成铁电体的材料组成，这个温度称为居里温度，在这个温度附近光学替续系统运转。

用在电视放映机中的这种光学替续系统已在专利说明书FR1，473，212和FR1，479，284中说明。为了更好地了解这个发明，下面对上述光学替续系统的工作原理进行叙述。至于更广泛的信息可以从引用的资料中查到。

本发明叙述的是把一个随时间变化、并代表视频信息的电信号转换成可见的图象。众所周知，这是电视接收机的功能之一。

在这样一个接收机的显象管中，电子束通常有三个基本的转换功能：

功能f1-电子束将提供的能量转变成光，因而管子的光输出功率总是低于由电子束转换过来的功率;

功能f2-电子束对图象表面扫描;

功能f3-电子束用于视频信息。

由于功能f2和f3，尤其是由于电子束的功率，使图象的亮度不可能被提高到所希望的某种程度，例如投射到大屏幕上去所要求的

为此建议将上述功能分开，例如用一个光源来完成功能f1，而功能f2和f3则用一个所谓的“光学替续系统”来完成。从美国专利3，590，157中，知道了一种显示装置，其中，来自一个光源，例如一个激光的光束，通过表示横跨这光束的调制的传播声波来与情报信息相调制，藉声波的前头以引起光的衍射。这样，被衍射的光在强度上的调制与视频信号在声音能量上的调制相一致。本发明是关于不同类型的显示装置的改进，在这种类型的显示装置中，来自光源例如灯的光线通过一晶体，使该晶体产生电光效应，即所谓的“泡克耳斯效应”（“Pockels effect”）。已经发现双酸晶体磷酸二氢钾KH₂PO₄（此后叫KDP）是适合的。

这个效应可以部分地和简要地描述如下：当电绝缘晶体沿晶轴方向C受到电场作用时（三个晶轴a、b和c构成一个三维直角框架，在这时候，c轴是光轴），对于在ab面内的线偏振光沿c方向传播的光线来说，晶体的折射率n取决于所述的偏振方向。更确切地说，如果用X和Y标志a轴和b轴的二等分线，并且如果相对于这些不同方向的晶体参数也以用于这些方向的字母来描述，那么在ab面内的折射率图就形成一个以X和Y为轴的椭圆，而不是圆，并且折射率差n_x-n_y与所加电场成正比。如果入射光线是偏振的（其偏振方向平行于a轴），例如，当出射偏振器的偏振方向与b轴平行时，则通过出射偏振器的光的强度I＝I ₀ Sin²KV，而当该偏振器的偏振方向与a轴平行时，则有I＝I₀Cos²KV，如果没有寄生吸收发生的话，这里的I₀就等于入射光的强度，而V就是晶体两个面之间的电位差，K是取决于所用晶体材料的系数。

如上所述，为了用上述装置通过一个灯得到投影图象，有效的方法是在平行c轴方向加电场，使靶上任一点产生电场值，而且各点的电场值与所得到的图象在各个点的亮度一一对应。为了这个目的，由电子枪发射的电子束穿过常规的偏转元件在靶上扫描;因此电子束完成功能f2。功能f3中电场的控制也由电子束以下述方式完成。

当电子束打击靶的表面时，如果电子束的能量保持在适合的范围内，而且就阳极的电位来说是足够地高，这样就引起二次电子的发射，它们在数量上远比入射电子多得多。这就导致被击点的电位增加，因此阳极与上述该点之间的电位差就减少。如果由电子束到达该点的电子数量足够多，则电位差变成负的，而且可以达到这样一个数值（例如，-3伏），即每一个入射电子只发射一个二次电子。于是，该点的电位相对于阳极电位就被固定在一个极限值上。因此，考虑到扫描速度，如果电子束强度是足够地高，则此要求就能满足。当阳极电位恒定时，如上所述，电子束的每个通道则将被击表面上任一点A的电位固定在数值V₀上，它与该点及通过的瞬时无关。但是在靶的另一面，在该点产生的对应的电荷却取决于它附近的控制电极的电位。

如果在通过瞬间，该电极的电位称为V_A，则上述电荷与V₀-V_A成正比，V_A代表在它通过瞬间视频信息信号的值。

靶由KDP单晶制成，其中95%的氢是重氢（氘），靶的双折射取决于电场。

晶体的厚度一定时，泡克耳斯效应与晶体表面上产生的电荷成正比，因此当控制电压给定时，它也与晶体的介电常数成正比。为此，使用一种低于某个温度（称为居里温度）时可以变成铁电体的晶体做靶，同时，利用这个所谓居里温度，因为那时介电常数可以达到很高的数值，并且通过容易获得的控制电压使光学转象系统工作（泡克耳斯效应与乘积εV成正比）。

具备这种现象的最常用的晶体是酸性盐，特别是这类平方晶体中的KDP，它的光轴与晶轴c平行。它的居里温度大约为-53℃。在高于居里温度时，KDP是平方晶体，属42m对称群，并呈现顺电特性。在低于居里温度时，KDP变成正交晶体，属2mm对称群，并呈现铁电特性：局部自发极化和呈现铁电畴。

在环境温度下，晶体是各向异性的，但在居里点附近各向异性变得很显著。状态的改变伴随着沿晶轴方向的物理性质的突变：

-压电系数

-电光系数

-介电常数ε_X和ε_Z。

这样，介电常数ε_Z的值可从环境温度下的60左右变到居里温度下的30.000。

众所周知，从电学-光学的观点来看，KDP晶体的表观厚度e为：

当ε_X/ε′_Z较小时，靶好像变得很薄了，其中ε′_Z是当晶体用机械方法加工后的ε_Z值。实际上，在光学替续系统中，厚度l接近250微米的KDP单晶片被坚固地粘合在一个坚硬的支架上：一个厚度为5毫米的萤石板。

因此，光学替续系统的靶通常要被冷却到约为-51℃的温度，也就是说该温度稍微高于居里点。在此条件下ε_X/ε′_Z≈1/9，晶体的表观厚度约为80微米，这时它使光学替续系统具有很好的图象分辨率。低于居里温度下，ε_X/ε′_Z比值还会更小，能显著地改善图象分辨率。

至此，通过被冷却到低于居里温度时的靶，还不能放映电视图象。实际上，由于状态的改变，铁电畴系统地呈现出来，在放映屏上产生大量的垂直和水平的亮线，它们不规则地排列在图象上。这些铁电畴相当于具有不同原子排列的区域。

本发明的目标是提供一种光学替续系统，它仅仅在低于靶的居里温度时才运转，以便使最后的图象质量不会由于出现不规则排列的亮线而变坏。

正如开始几段内容所明确的那样，本发明的特点在于，为了保持靶处于运转时所要求的温度，光学替续系统具有一个热交换器，它的作用是使靶在正常运转时具有：

-一个有效的中心区，在该区，靶呈现单畴铁电相，并且

-有一个高于居里温度的中性的外围区，在该区，靶呈现顺电相。

当我们比较在顺电相和铁电相的比值ε_X/ε′_Z时，不难发现让靶在铁电态运转可以改善它固有的分辨率。

应用中已经显示了在低于居里点温度下运转的优点，比值ε_X/ε′_Z变得很小，从而显著改善了光学替续系统的图象分辨率。一般来说，当空间频率为每线1000个点，而额定束流为60微安时，在正常运转温度（-51℃）下其对比度为11%，而当靶的温度比居里点低时，在约为10度的变化范围内（从-63℃到-53℃），对比度可达到24%。

按照通常的设计方法，矩形KDP靶被粘合在萤石片上，萤石片是一个合适的热导体。该萤石片安装在一个环形铜架上，铜架起冷交换作用，而且铜架被安装在珀耳贴效应（Peltier-effect）致冷元件上。

采用这种方法，靶是用向心方式冷却：即KDP靶的拐角首先达到居里温度，然后是各个棱边;形成一个“冷圈”，它标明两个阶段的边界，中心是顺电体而周围则是铁电体。同时，在已变成铁电体的周围区域出现的许多铁电畴之间，已经观察到明亮的分界线。这些分界线起源于存在KDP靶的边缘的微小的、但却是不可避免的缺陷。

因此，本发明的目标之一是使冷却从靶的中心伸展开，阻止冷圈到达靶的边缘，以便得到一个在中心是铁电体而周围是顺电体的晶体。从而，对于图象投射最有用的中心区域就是单畴铁电体。只要中心铁电体区域仍然是被周围顺电体区域所包围，这个状态就可以保持稳定。

按照第一个实施方案，为了投影图象要保护中心区的光学性质，靶通过中心的冷却是按以下方式获得的，即：在萤石片周围开一个深槽，从而实质上拉长了铜支架和KDP靶周围之间的热传导路程。

按照第二个实施方案，萤石支架由两块通过切割并抛光的萤石组成，其中一块有一个呈斜面的边缘，并且，一块放在另一块中心部位的顶部。

按照第三个实施方案，为了形成一个比KDP靶尺寸稍小的平的表面，萤石支架要经过切割、抛光并且有一个呈斜面的边缘，这样在粘合以后靶可以由接触区发射。

现在我们用下面的图对本发明作更详述地解释，这些图是作为非受限的例子而给出的，它们分别是：

图1：按照先有技术给出的光学替续系统最重要部分的剖视图;

图2：介电常数ε_X、ε_Z、ε′_Z随温度变化的函数曲线;

图3：把靶安装在冷却元件上的截面图;

图4：按照本发明的第一个实施方案，把靶安装在热交换器上的截面图;

图5：按照本发明的第二个实施方案，把靶安装在热交换器上的截面图;

图6：按照本发明的第三个实施方案，把靶安装在热交换器上的截面图。

图1是用图解方式表示按本发明给出的光学替续系统所必需的元件，以及为了通过放映透镜4在屏幕2上再现一个可见图象所需要的配合部件。光电灯6提供，虽然也可以使用其它类型的灯，但图上给出的是一个白炽灯。光通过准直透镜8，然后通过一个用来抑制红外热辐射的间隔10。光学替续系统必不可少地由靶12构成，靶12由一块平行管状KDP单晶构成，单晶的光轴C与主面成直角;这块晶体放在两块正交的偏振器14和16之间，它们的偏振面与单晶的另外两个晶轴（a和b）平行。热交换器18与靶12连接，它使靶保持在居里温度附近。电子束射向靶的左侧的面，电子束用虚线表示，它是从电子枪20发射出来的。电子束通过偏转装置22在靶12的整个有用表面上周期地扫描，偏转装置22由接收器24的扫描信号控制。接收器24通过同步信号和实际的视频信号转换成扫描信号，而接收器由输入端26接收视频信号。装置28为上述某些器件和阳极30提供所需要的直流电压。为了便于说明，阳极用一块平行于光束的平板来表示，当然，这种装置允许光自由通过，但是它对于收集二次电子并不是十分有效，这些二次电子是通过用电子束打击靶，而由靶12表面上所有各点发射出来的。所以，在实践中把阳极安装得和靶12的表面平行，并且紧挨着它。因为入射电子束和光必须穿过阳极，阳极应有合适的结构，例如用一个格栅构成。板38是一块导电而透明的平板，例如用一块金制的薄膜构成，它装在靶12的后面。接收器24把视频信息信号加到这块平板上。

图2表示的是ε_X、ε_Z、ε′_Z的变化与温度的函数关系。已经发现，由铁电相变到顺电相会使靶的性质产生突然变化，热交换器必须提供很精确的热稳定性。

图3示出的是按照先有技术，把靶31安装在冷却元件35上的截面图。

大小为30×40毫米²的KDP靶31被粘合在一块萤石板32上，萤石板的厚度为5毫米，直径为50毫米。萤石板是合适的热导体（360·10^-4卡/厘米/秒/度），用一个金属接头34（例如铟制的有螺纹的接头）把萤石板安装在铜架33上。因此，通过冷却元件35而使靶31的冷却，是以向心方式实现的。铁电畴的形成是从周围区域实现的，在周围区域，许多铁电畴构成晶体的微观缺陷。这些畴向中心推进，在中心区域它们合并成较大的畴，但是它们数量仍然比较多。因此畴的边界变成有着混乱结构的亮线。

图3所描述的热交换器与本发明一致。它设计成使冷却从靶中心向外推进。当温度下降到居里温度以下时，就会在靶中心附近出现一个铁电畴。因为冷却从中心向外部推进，这个单一的畴就向靶的周围扩展。如果这个唯一的畴向周围方向的推进不停止的话，就会在它到达边缘的时候碎裂成大量的小畴。为了避免发生这种情况，考虑到热交换器接收冷流，热交换器37的结构必须能使在靶的周围维持一个顺电区域。这个顺电区域可阻止中心单畴的分割。为此，装有靶31的热交换器37最好由圆形萤石板做成，在它的周围有深度为P的环形沟槽40。这个槽与支撑靶31的热交换器的距离为h，在做好沟槽之后，萤石板在沟槽平面内的直径应为d。考虑到沟槽完全位于靶之下，上述直径d必须比靶尺寸（L，l）的最小值l还要小些，靶通常是矩形的。这样从侧面看，靶从直径d突出了P′，P′＝〈`-;l-d;2`〉。距离P和P′必须比距离h大。

一个满意的典型实施方案具有下列特征：

-萤石平板直径为50毫米

-萤石平板厚度为5毫米

-沟槽深度为10毫米

-沟槽长度为1毫米

-i＝30毫米

-h＝1毫米

-靶是一个直径为45毫米的圆盘，其中P′＝7.5毫米，P＝10毫米，或P/h＝10，P′/h＝7.5。

按照第二个实施方案，萤石支架由两块平板57和58构成，它们用粘合剂41粘合。第一块平板57是具有两个平行平面的圆板。第二个圆形板有两个平行面，并且在与平板57相接触的那面上还有一个呈斜面的边缘51。斜面51的作用与第一个实施方案中的环行沟槽的作用是一样的。因此，它延伸到KDP靶的下面。

按照第三个实施方案，如上所述，萤石支架仅由一个平板58构成。

在上述三种实施方案中，用光学粘合剂41把靶与支架或平板57与58相互连接在一起，它可以通过紫外曝光聚合而成。

按照本发明研制的光学替续系统特别适用于把电视图象投射到大屏幕上。

Claims (7)

1、一个包括电绝缘材料靶子的光学替续系统，而透射光取决于和光的传播方向平行的电场，包括：用电子束扫描靶的第一个面，一个用来收集被电子束打出的二次电子的阳极，一个装在靶第二个面的透明而导电的平板，该平板接收视频信息信号，从而构成一个控制电极，该靶由一种在低于某一温度时就变成铁电体的材料组成，这个温度称为居里温度，光学替续系统就是在该温度附近运转，其特征是，为了保持靶处于它运转所要求的温度，该光学替续系统有一个热交换器，它的作用是使靶在正常运转时形成：

-一个有效的中心区，在该区，靶呈现单畴铁电相，以及

-一个温度高于居里温度的中性的外围区，在该区靶呈现顺电相。

2、如权利要求1中所述，一个光学替续系统其特征在于，热交换器由一块萤石板构成，它的第一个面支撑着靶，在萤石板的外围区域离第一个面为h的位置，有一外围沟槽，沟槽沿靶下面延伸的距离为P′，萤石板沿第二个而的外围及外围区域的相邻部分与冷交换装置接触。

3、如权利要求2中所述，光学替续系统的特征在于P′比h大。

4、如权利要求1所述，一个光学替续系统其特征在于，热交换器由第一块萤石板组成，该板的一个面支撑着靶，另一个面与第二块萤石板的一个有着外围斜面的表面粘合，萤石板沿着一个外围表面（该表面不作支撑靶之用）及外围区的邻近部分与冷交换装置接触。

5、如权利要求1所述，一个光学替续系统其特征在于，热交换器由一块萤石板构成，在该板的一个面上有一个外围斜面，在该面划分出一个中心区，靶就粘合在这个中心区上，靶从整个中心区伸出，萤石板沿着不作支撑靶之用的外围面及外围区的邻近部分与冷交换装置接触。

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