DE4033665A1 - Projektions-kathodenstrahlroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektions-Kathoden­ strahlröhre, bei der ein Bild auf einer Leuchtstoffschicht und mittels Projektionslinseneinheit, die in vorgegebenem Abstand vor der Leuchtstoffschicht angeordnet ist, vergrö­ ßert und auf einen Schirm projiziert wird.

Die US-PS 46 42 695 beinhaltet ein Beispiel zum Verbessern des Wirkungsgrads, mit dem der Lichtfluß aus jeweiligen monochromatischen Kathodenstrahlröhren in Projektionslin­ seneinheiten gesammelt werden.

In einer üblichen Kathodenstrahlröhre kommt das vom Leuchtstoffschirm ausgestrahlte Licht einem sogenannten vollständig gestreuten Zustand sehr nahe. In Projektions- Fernsehgeräten wird von dem vom Leuchtstoffschirm abgege­ benen Lichtfluß nur der Ausbreitungswinkel von 30° ge­ nutzt, während der Rest unbenutzt bleibt. Gemäß dem vor­ stehend genannten Beispiel wird die Bildhelligkeit auf dem Bildschirm von Projektionsfernsehgeräten dadurch verbes­ sert, daß 30% oder mehr des gesamten von den Teilchen des lichtemittierenden Leuchtstoffes abgestrahlten Lichtflus­ ses auf einer gekörnten Fläche mit einem Ausbreitungswin­ kel von -30° bis 30° zusammengefaßt wird.

In der JA-OS 61-2 73 837, ist eine Projektions-Kathoden­ strahlröhre offenbart, die mit einem mehrschichtigen In­ terferenzfilter ausgestattet ist, das sich aus abwechselnd übereinanderliegenden Stoffschichten mit hohem Bre­ chungsindex und Stoffschichten mit niedrigem Brechungsin­ dex zusammensetzt, und das zwischen der inneren Oberfläche der Bildschirmfrontscheibe der Kathodenstrahlröhre und ei­ nem am weitesten innen angebrachten Leuchtstoffschirm an­ geordnet ist.

Als Beispiele für Strukturkomponenten werden beispiels­ weise Tantalpentoxid (Ta₂O₅) oder Titaniumdioxid (TiO₂) als Stoffe mit hohem Brechungsindex verwendet, wogegen Si­ liziumdioxid (SiO₂) oder Magnesiumfluorid (MgF₂) als Stoffe mit niedrigem Brechungsindex verwendet werden. Im allgemeinen ist der mehrschichtige Interferenzfilm aus den Stoffschichten mit niedrigem Brechungsindex und den Stoff­ schichten mit hohem Brechungsindex mit sechs und mehr ab­ wechselnd übereinanderliegenden Schichten zusammengesetzt.

In einer Projektions-Kathodenstrahlröhre mit einem übli­ chen mehrschichtigen Interferenzfilm, der an der inneren Oberfläche der Bildschirmfrontscheibe angebracht ist, liegt die optische Dicke nd einer jeden Schicht des mehr­ schichtigen Interferenzfilmes zwischen 0.2 und und 0.3 λ_f was zum Beispiel, in der JP-OS 61-2 73 837 offenbart ist.

Gemäß diesem Beispiel besitzt die Projektions-Kathoden­ strahlröhre einen mehrschichtigen Interferenzfilm, der aus sechs oder mehr Lagen zusammengesetzt ist, deren optische Dicke nd, zwischen 0.23 und 0.25λ_f, also ungefähr λ_f/4, beträgt. Hierbei gilt in der folgenden Gleichung

λ_f = p×λ,

wobei λ eine festgelegte mittlere Wellenlänge bezeichnet, die sich aus dem Emissionsspektrum des Leuchtstoffes er­ gibt und p ein Wert ist, der in einem Bereich zwischen 1.18 und 1.32 liegt. Als ein anderes Beispiel offenbart die JP-OS 61-39 349 eine Projektions-Kathodenstrahlröhre mit einem mehrschichtigen Interferenzfilm, aus 14 bis 30 übereinanderliegenden Schichten, deren optische Dicke mit denen bei dem vorstehenden Beispiel nahezu gleich ist.

Die Kathodenstrahlröhre wird üblicherweise in Herstel­ lungsverfahren gemäß Fig. 2 hergestellt. Bei diesen Ver­ fahren durchlaufen die Kathodenstrahlröhren bei der typi­ schen Herstellung die Hochtemperatur-Verfahrensschritte dreimal, wobei die Temperatur bei Schritten wie Einbren­ nen, Schmelzsiegeln und Abpumpen ungefähr 350°C bis 450°C beträgt. In Hinblick auf die der Wärmebehandlung werden die Kathodenstrahlröhren vor dem Durchlaufen dieser Herstellungsschritte durch Erhitzen auf einen Temperatur­ bereich von 450°C bis 500°C vorbehandelt, um den mehr­ schichtigen Interferenzfilm festzulegen, der durch Auf­ dampfen abgelagert wurde.

In diesem mehrschichtigen Interferenzfilm, nimmt die An­ zahl der Schichten jedoch einen großen Wert an, z. B. be­ trägt sie sechs oder mehr Schichten, manchmal sogar 14 bis 30 Schichten. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß wegen des Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Stoff mit hohem Brechungsindex und dem mit niedrigem Brechungsindex in dem mehrschichtigen Interfe­ renzfilm durch die Wärmebehandlung in jeder Schicht des mehrschichtigen Interferenzfilmes eine thermische Verfor­ mung entsteht, die Risse oder Filmablösungen hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Beheben die­ ses Nachteils der üblichen Kathodenstrahlröhre eine Pro­ jektions-Kathodenstrahlröhre mit einem mehrschichtigen In­ terferenzfilm zu schaffen, der keine durch die Wärmebe­ handlung verursachten Risse oder Filmablösungen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Projektions- Kathodenstrahlröhre gelöst, die mit einem an der Innenflä­ che einer Bildschirmfrontscheibe angebrachten Leuchtstoff­ schicht und einem mehrschichtigen Interferenzfilm versehen ist, der sich aus abwechselnd übereinanderliegenden Stoff­ schichten mit hohem Brechungsindex und Stoffschichten mit niedrigem Brechungsindex zusammensetzt und zwischen die Leuchtstoffschicht und die Bildschirmfrontscheibe einge­ setzt ist, wobei der mehrschichtige Interferenzfilm vier oder fünf Schichten enthält.

Zweckmäßigerweise wird die optische Dicke jeder Schicht des mehrschichtigen Interferenzfilmes zu λ_h/4 angesetzt. λ_h/4 errechnet sich aus,

λ_h = λ+λ^p,

wobei λ_p ein Wert zwischen 20 nm und 100 nm ist und λ die mittlere, aus dem Emissionsspektrum des Leuchtstoffes ge­ wählte, Wellenlänge bezeichnet.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen zufriedenstel­ lenden Wirkungsgrad beim Sammeln des von dem Leuchtschirm (der Leuchtstoffschicht) und in die vor der Kathoden­ strahlröhre angebrachten Projektionslinseneinheit ein­ strahlenden Lichtflusses sicherzustellen, der eine gerin­ gere Anzahl von Interferenzschichten durchläuft, wobei durch die Wärmebehandlung verursachte Risse und Filmablö­ sungen verhindert sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht, die eine Bildschirm­ frontscheibe einer Projektions-Kathodenstrahlröhre gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, wobei 1 eine Bildschirmfrontscheibe, 2 ein mehrschichtiges Interferenzfilter, H eine Schicht mit hohem Brechungsin­ dex, N eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex, 3 eine Leuchtstoffschicht und 4 einen aufgedampften Aluminiumfilm bezeichnen, der das Teillicht reflektiert, das von dem vom Leuchtstoffschirm ausgestrahlten Licht entgegengesetzt zur Bildschirmfrontscheibe gestreut wurde.

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm, das den Herstellungsprozeß einer Projektions-Kathodenstrahlröhre, mit einem mehr­ schichtigen Interferenzfilm veranschaulicht.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der spezifischen Durchlässigkeit eines mehrschichtigen Interferenzfilmes, wobei mit λ_h die Wellenlänge bezeichnet ist, bei der die Durchlässigkeit 50% beträgt.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung, der Durchlässig­ keit eines mehrschichtigen Interferenzfilmes bei der Veränderung der Anzahl der Schichten, wobei A einen Durch­ laß-Wellenbereich, B einen Übergangsbereich, vom Durchlaß- Wellenlängenbereich zu einem Sperr-Wellenlängenbereich, C einen Sperr-Wellenlängenbereich ohne oder mit geringer Durchlässigkeit und I eine Kurve der Durchlaßeigenschaften eines mehrschichtigen Interferenzfilmes aus zehn oder mehr Schichten bezeichnen.

Nachfolgenden wird eine Projektions-Kathodenstrahlröhre gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Bildschirm­ frontscheibe der Kathodenstrahlprojektionsröhre, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem mehrschichtigen Interferenzfilm.

In Fig. 1 sind mit 1 die Bildschirmfrontscheibe, mit 2 der mehrschichtige Interferenzfilm, mit 3 eine Leuchtstoff­ schicht, mit 4 ein aufgedampfter Aluminiumfilm bezeich­ net, der von dem von der Leuchtstoffschicht abgestrahlten Licht, Teillicht, das entgegengesetzt zur Bildschirmfront­ scheibe 1 gestreut wurde, nach vorne aus der Kathoden­ strahlröhre herausreflektiert.

Eine erste experimentell als erstes Ausführungsbeispiel hergestellte Kathodenstrahlröhre war mit einem mehrschich­ tigen Interferenzfilm ausgestattet, der sich aus fünf Schichten zusammensetzte, und zwar abwechselnd übereinan­ derliegend aus jeweils einer Schicht mit hohem Brechungs­ index aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅) und einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex, aus Siliziumdioxid (SiO₂), wobei jede Schicht eine optische Dicke von λ_h/4 hatte und eine Wellenlänge λ_h= 615 nm für grün leuchtenden, mit Terbium (Tb) aktivierten, Leuchtstoff angesetzt war, der eine Wel­ lenlänge λ zwischen 544 nm und 545 nm hatte. Es gilt die fol­ gende Gleichung.

λ_h = λ_p + λ,

wobei λ_h die Wellenlänge ist, bei der die Durchlässigkeit 50% der in Fig. 3 gezeigten spektralen optischen Durchläs­ sigkeit eines mehrschichtigen Interferenzfilmes, gezeigt beträgt; λ_h die mittlere Wellenlänge des Leucht-Spektrum des Leucht-Stoffes ist und λ_p ist ein Wert zwischen 20 nm und 100 nm ist. Bei der experimentellen Herstellung der Kathodenstrahlröhre kam es zu keiner, bei üblichen Her­ stellungsverfahren häufig vorkommenden Ablösung des mehr­ schichtigen Interferenzfilmes, auch wenn die Kathoden­ strahlröhre wiederholt der Wärmebehandlung ausgesetzt wurde.

Hinsichtlich der optischen Eigenschaften wurde festge­ stellt, daß die Helligkeit in Richtung der optischen Nor­ malen zur Bildschirmfrontscheibe um etwa 150% bis 170% im Vergleich zur Kathodenstrahlröhre ohne mehrschichtigen In­ terferenzfilm, erhöht war. Durch die Filtereigenschaften des mehrschichtigen Interferenzfilmes waren der Farbton und der Bildkontrast verbessert.

Die Grenzwellenlänge der optischen Durchlässigkeit des mehrschichtigen Interferenzfilmes ist von der optischen Dicke nd einer jeden Schicht bestimmt. Hierbei sind n und d der Brechungsindex und die Dicke. Die Anzahl der über­ einanderliegenden Schichten bestimmt ebenfalls den Wir­ kungsgrad der Filtereigenschaften bezüglich der optischen Durchlässigkeit. Hinsichtlich der Anzahl der Schichten des mehrschichtigen Interferenzfilmes beschreibt die JA-OS 61­ 39 349, daß bei geringerer Anzahl der Schichten der Winkel oder der Einfangwinkel, bei dem die Stärke des reflektier­ ten Lichtflusses extrem verringert ist, nicht klein genug wird, so ist es schwierig genügend Lichtfluß in der Projektionslinseneinheit zu sammeln. Zur Bestimmung der Lage der Flanke des mehrschichtigen Interferenzfilmes, an der sich die Durchlässigkeit ändert, zum genauen Bestimmen von λ_f in der folgenden Gleichung,

λ_f = p×λ,

und zum Verringern des Einfangwinkels ist es notwendig die Kathodenstrahlröhre mit einer großen Anzahl von Schichten auszustatten. Bei dieser Schlußfolgerung ergibt die Disskusion in der JA-OS 61-39 349, daß der mehrschich­ tige Interferenzfilm vorzugsweise 14-30 Schichten beinhal­ ten sollte.

Die JA-OS 61-2 73 837 offenbart ebenfalls die erhaltenen Durchlaßeigenschaften eines mehrschichtigen Interferenz­ filters aus sechs oder mehr Schichten. Als Beispiele sind die erhaltenen Durchlaßeigenschaften des vierzehnlagigen und des dreißiglagigen Filters in der vorstehend beschrie­ benen Anordnung.

Bei der Produktion sind jedoch die durch die Wärmebehand­ lung in jeder Schicht verursachten thermischen Verformun­ gen und der mehrschichtige Interferenzfilm umso anfälliger für Risse und Filmablösungen, je höher die Anzahl der übereinanderliegenden Schichten ist.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, dem der mehrschichtige Interferenzfilm aus bis zu fünf Schichten besteht, bleibt das in der vorstehend genannten JA-OS 61-39 349 offenbarte Problem der Vergrößerung des Einfangwinkels ungelöst. Ist die Grenzwellenlänge jedoch geeignet gewählt, sind die Verluste des Lichtflusses in der Richtung der Normalen zum Interferenzfilm, nämlich mit der Richtung stark verrin­ gert, in der der Lichtfluß parallel zur Normalenlinie ab­ gestrahlt wird. Als Ergebnis wird eine Projektions-Katho­ denstrahlröhre mit einem mehrschichtigen Interferenzfilm geschaffen, die keine Risse oder Filmablösungen aufweist.

Die Wahl einer geeigneten Grenzwellenlänge bedeutet, daß es notwendig ist, λh in den Bereich mit der längeren Wel­ lenlänge zu legen, da gemäß der Durchlässigkeitskurve des Lichtflusses, in Fig. 4, die Neigung der Flanke, an der die Durchläßigkeit scharf abfällt, d. h. im Bereich B nach Fig. 4, umso flacher wird und die Durchlässigkeit im Wel­ lenlängenbereich mit geringer Durchläßigkeit, d. h. im Be­ reich C nach Fig. 4, umso höher wird, je geringer die An­ zahl der Schichten des Interferenzfilmes ist . Insbeson­ dere ist es vorteilhaft, bei dem beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel in der Gleichung,

λ_hh = λ_p + λ,

den Wert λ_p zwischen 20 nm und 100 nm zu wählen.

Eine zweite und dritte experimentelle Herstellung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Als Ergebnis der zweiten experimentellen Herstellung einer Kathodenstrahlröhre, als Ausführungsbeispiel wurde eine Projektions-Kathodenstrahlröhre erhalten, die einen mehr­ schichtigen Interferenzfilm mit vier Schichten hatte, wel­ che abwechselnd übereinanderliegend aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅) und Siliziumdioxid (SiO₂) mit einem λ_hh von 520 nm bestanden, wobei die optische Dicke der Schichten λ_h/4 für blaue Leuchtstoffe betrug, die aus Zinksulfid herge­ stellt und mit Silber aktiviert waren und ein λ von 450 nm hatten.

Bei der zweiten experimentellen Herstellung konnten wie bei der ersten experimentellen Herstellung weder Risse noch Filmablösungen beobachtet werden, wie sie bei übli­ chen Strukturen häufig auftreten, nachdem der Film die Wärmebehandlung bei seiner Herstellung mehrmals duchlaufen hat. Hinsichtlich der optischen Eigenschaften war die Hel­ ligkeit um etwa 140% bis 150% in der Richtung der Normalen zur Bildschirmfrontscheibe im Vergleich zu der Projekti­ ons-Kathodenstrahlröhre ohne mehrschichtigen Interferenz­ film erhöht. Gleichermaßen wie bei der ersten experimen­ tell hegestellten Kathodenstrahlröhre waren der Farbton und der Kontrast der zweiten Kathodenstrahlröhre verbes­ sert.

Die dritte experimentelle Herstellung ergab eine Projekti­ ons-Kathodenstrahlröhre, mit fünf Schichten, die abwech­ selnd übereinderliegend aus Titandioxid (TiO₂) und Silizi­ umdioxid (SiO₂) bestanden und eine mittlere Wellenlänge von 615nm hatten; die optische Schichtdicke betrug λ_h/4 bezüglich des, mit Terbium (Tb) aktivierten grünen Leucht­ stoffes, der einen Wert λ zwischen 544 bis 545 nm hat.

Bei dieser dritten experimentellen Herstellung wurden zur ersten experimentellen Herstellung vergleichbare Ergeb­ nisse in Bezug auf Risse Filmablösungen und optischen Ei­ genschaften erzielt.

Obwohl nur Ausfführungsformen beschrieben wurden, bei denen Tantalpentoxid (Ta₂O₅) oder Titandioxid als Stoff mit hohem Brechungsindex und Siliziumdioxid (SiO₂) als Stoff mit niedrigem Brechungsindex benutzt wurde, wurde durch die Experimente bestätigt, daß mittels einer Gestal­ tung, bei der der Interferenzfilm aus 4 oder 5 Schichten besteht, die Möglichkeit gegeben ist, Projektions-Katho­ denstrahlröhren mit einem mehrschichtigen Interferenzfilm zu erhalten, der, nachdem die vollständige Wärmebehandlung zum Festigen des mehrschichtigen Interferenzfilmes durch­ geführt wurde, oder die Wärmebehandlung mehrmals im Her­ stellungsprozeß der Kathodenstrahlröhre angewendet wurde, frei von Rissen und Filmablösungen ist, auch wenn andere als die oben genannten Stoffe für den Interferenzfilm ver­ wendet wurden; wie Niobiumpentoxid (Nb₂O₅) oder Zinksulfid (ZnS) als Stoff mit hohem Brechungsindex und Magnesium­ fluorid als einen Stoff mit niedrigem Brechungsindex.

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist, obwohl die Erklärung nur für grünen und blauen Leuchtstoff gegeben wurde, die gleiche Gestaltung mit dem roten Leuchtstoffen Yttriumoxid (Y₂O₃), aktiviert mit Europium (Eu), anwendbar.

Es ist ersichtlich, daß eine gewünschte optische Charakte­ ristik mit einem aus drei Schichten bestehenden Interferenzfilm nicht erhalten werden kann und daher eine Kathodenstrahlröhre mit einer solchen Struktur für den praktischen Gebrauch ungeeignet ist.

Da gemäß der vorstehenden Beschreibung der erfindungsgemä­ ßen Projektions-Kathodenstrahlröhre mit einem Leuchtstoff­ schirm aus einer Leuchtstoffschicht, die an der Innenflä­ che einer Bildschirmfrontscheibe angebracht ist, und einem mehrschichtigen Interferenzfilm aus einer Vielzahl von übereinandergeschichteten Schichten, die abwechselnd aus einem Material mit hohem Brechungsindex und einem Material mit niedrigem Brechungsindex bestehen und die zwischen den Leuchtstoffschirm und die Bildschirmfrontscheibe eingefügt sind, wobei die Anzahl der Interferenzschichten auf vier oder fünf begrenzt ist, ist die Helligkeit in Richtung der Normalen zur Bildschirmfrontscheibe stark verbessert, wo­ bei es möglich ist, eine Kathodenstrahlröhre zu erhalten, deren mehrschichtiges Interferenzfilter, bei dem Herstel­ lungsverfahren auch nach dem Durchlaufen mehrerer Wärmebe­ handlungen, keine Risse oder Filmablösungen erhält.

Claims (6)

1. Projektions-Kathodenstrahlröhre mit einer Leuchtstoff­ schicht, die an der Innenfläche einer Bildschirmfront­ scheibe angebracht ist, und aus einem mehrschichtigen In­ terferenzfilm, der aus abwechselnd übereinanderliegenden Stoffschichten mit hohem Brechungsindex und Stoffschichten mit niedrigem Brechungsindex zusammengesetzt ist und zwi­ schen die Leuchtstoffschicht und die Bildschirmfront­ scheibe eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige Interferenzfilm (2) aus vier Schichten (H,N) besteht.

2. Projektions-Kathodenstrahlröhre mit einer Leuchtstoff­ schicht, die an der Innenfläche einer Bildschirmfront­ scheibe angebracht ist, und aus einem mehrschichtigen In­ terferenzfilm, der aus abwechselnd übereinanderliegenden Stoffschichten mit hohem Brechungsindex und Stoffschichten mit niedrigem Brechungsindex zusammengesetzt ist und zwi­ schen die Leuchtstoffschicht und die Bildschirmfront­ scheibe eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige Interferenzfilm (2) aus fünf Schichten (H, N) besteht.

3. Projektions-Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffschicht (3), aus einem mit Terbium (Tb) aktivierten Leuchtstoff, die Stoffschicht (H) mit hohem Brechungsindex aus Tantalpento­ xid (Ta₂O₅) und die Stoffschicht (N) mit niedrigem Bre­ chungsindex aus Siliziumdioxid (SiO2) bestehen.

4. Eine Projektions-Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffschicht (3) mit Silber (Ag) aktiviert ist, der Stoff (H) mit hohem Brechungsindex Tantalpentoxid (Ta₂O₅) ist und der Stoff mit niedrigem Brechungsindex aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist.

5. Eine Projektions-Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke (nd) einer jeden Schicht des mehrschichtigen Interferenz­ filmes (2) λ_h/4 beträgt, wobei λ_h durch, λ_h = λ + λ_p,bestimmt ist, λ_p ein Wert zwischen 20 nm und 100 nm ist und λ eine bestimmte mittlere Wellenlänge des sichtbaren Spek­ trums des Leuchtstoffes ist.

6. Eine Projektions-Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke (nd) jeder Schicht des mehrschichtigen Interferenzfilmes auf 615 nm festgelegt ist.