NL8403569A - Kathodestraalbuis. - Google Patents

Description

VO 6581

Kathodestraalbuis.

De uitvinding heeft betrekking op een kathodestraalbuis.

Bij de meeste gebruikelijke kathodestraalbuizen wordt als een luminiscentiescherm een poedervormige fosfor op een drager gebruikt. Deze schermen hebben een betrekkelijk gering thermisch belas-tingsvermogen aangezien de warmte op een onvoldoende wijze uit. de fos-5 forkorrels wordt gedissipieerd. Dientengevolge heeft de fosfor tijdens een werking met grote helderheid een gering quantumrendement en kan de fosfor zelfs worden beschadigd. Bovendien vertonen poedervormige fosfo-ren een kolomdegradatie d.w.z., dat het quantumrendement afheemt tengevolge van het electronenbombardement. Dit probleem is bijzonder ernstig 10 bij toepassingen met grote helderheid wanneer een grote electronenbundel-stroom wordt toegepast (bijvoorbeeld bij proj ectie-CRT-rtoepassingen).

De gedeeltelijke oplossing voor dit probleem is beschreven in de Britse octrooiaanvrage 2.000.137A, waarin is voorgesteld, dat het luminescentiescherm wordt vervaardigd uit een zelfdragend mono- .

15 kristallijn lichaam, voorzien van een luminescentielaag met tenminste ' één activator. Dit scherm beoogt diffuse reflecties te reduceren en de warmtedissipatie te vergroten, waardoor de resolutie en de thermische belastbaarheid worden verbeterd. Er wordt gezegd, dat de voorkeur wordt gegeven aan granaatkristalstructuren met Tb, Tm, Eu, Ce of Nd— 20 activators. .

De monokristallijne aard van het scherm leidt evenwel tot een invangen van licht in de monokristallijne laag, welke ten opzichte van de omgeving daarvan een betrekkelijk grote brekingsindex, bezit. Door dit invangverschijnsel wordt de helderheid gereduceerd, welke 25 anders bij het scherm zou worden verkregen. De helderheid, die bij een luminescentiescherm kan worden verkregen, onafhankelijk van het feit of een monokristal of poedervormig materiaal wordt gebruikt, wordt evenwel begrensd door de energieverzadiging van de fosfor d.w.z. voorbij het verzadigingspunt leiden verdere toenamen in de electronenbundelenergie-30 dichtheid niet tot een significant grotere helderheid. Bovendien wordt ' 8403589 V' $ 2 in bepaalde gevallen de praktische grens van de te verkrijgen helderheid veroorzaakt door de fosfor te verhitten of door het onvermogen om een electronenbundel met grote stroom tot de gewenste vlekafmeting te fo-cusseren. Bij vele toepassingen (bijvoorbeeld projectie-CRT) is dit 5 in de praktijk te bereiken helderheidsniveau onvoldoende.

Volgens· een aspect van de uitvinding wordt van het invangen van licht in een fosforlaag bij een luminescentiescherm op een gunstige wijze gebruik gemaakt bij. vergrote helderheid. Een kathode-straalbuis omvat organen voor het opwekken van een aftastende electronen-10 bundel en een luminescentiescherm , voorzien van een monokristallijne of amorfe fosforlaag waarop de elektronenbundel invalt om een af te tasten lichtvlek te vormen met het kenmerk, dat de fosforlaag een stelsel van langwerpige staafvormige elementen omvat, die elk aan één uiteinde zijn voorzien van een uitgangsvlak vanwaaruit licht ontsnapt, een reflec-15 terende bekleding, die andere oppervlakken van het element bedekt, en waarbij de opwekorganen voorzien in een electronenbundel met een langwerpige dwarsdoorsnede, welke langs de lange afmeting van gekozen elementen van de· elementen invalt. De elementen kunnen bestaan uit rechthoekige parallellepipeda, cirkelcilinders of langwerpige trapezoldale 20 lichamen, doch in elk geval, zijn de optische assen van de elementen in wezen evenwijdig aan elkaar.

Bij deze constructie wordt de resolutie bepaald door de dwarsdoorsnede-afmetingen van elk staafvormig element en wordt deze. niet beperkt door de energie van de electronenbundel of door fotonen-25 verstrooiingseffecten. Het is van belang, dat voor een bepaald pixel (d.w.z. uitgangsvlak van een element) een veel groter electronenbundel-vermogen aan een element kan worden toegevoerd zonder dat zich daarbij de schadelijke invloed van vermogensverzadiging, thermische belasting en hundelfocussering voordoen. Derhalve kan voor een bepaalde resolutie 30 een veel grotere helderheid worden verkregen.

Bij een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding zijn tegenover elkaar gelegen uiteinden van de elementen voorzien van spiegels en werkt elk element als een laser, waarbij de fosfor als het laser-actieve medium· dient. Bij deze configuratie kan gebruik worden 35 gemaakt van een directe electxonenbundelpompwerking of een optische pompwerking van het actieve medium. In het laatste geval bevindt zich tussen * ------------ 8403569 Φ * 3 (te electronenbundel en het actieve medium een conversielaag. De conver-sielaag absorbeert de electronenbundel en emitteert dientengevolge licht, dat geschikt is om het actieve medium te pompen.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht 5 onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een schematisch isometrisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een kathodes traanbuis volgens de uitvinding; fig. 2 een schematisch isometrisch aanzicht van het luminescentiescherm van de kathodestraalbuis volgens £ig. 1; 10 fig. 3a en 3b respectievelijk eind- en bovenaanzichten van twee van de staven volgens fig. 2; fig. 4 een isometrisch aanzicht van een -andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding, waarbij staafvormige emitters worden gevormd door een monokristallijne fosforlaag te etsen; 15 fig. 5 een isometrisch aanzicht van een laserelement overeenkomstig weer een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; fig. 6 een isometrisch aanzicht van een inrichting voor het verkrijgen van een tweedimensionale aftasting bij weer een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; 20 fig. 7 een isometrisch aanzicht van een drukinrichting overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; en fig. 8 een bovenaanzicht van afgeschuinde of trapezoi-•dale elementen bij weer een andere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

Onder verwijzing naar fig. 1, is in deze figuur schema-s- -25 tisch een kathodestraalbuis 10 weergegeven, welke is voorzien van een omhulsel 12 voor het onderhouden van een vacuum, een luminescentiescherm 14, dat aan één uiteinde van het omhulsel 12 is gemonteerd, en een electro-nenkanon 16,.dat aan het tegenovergelegen eind van het omhulsel 12 is gemonteerd. Set electronenkanon 16 levert een electronenbundel 18, die 30 een in wezen langwerpige dwarsdoorsnede bezit. De bundel 18 wordt onder bestuur van afbuigorganen 20 zodanig afgebogen, dat het luminescentiescherm 14 in de richting van de pijl 15 wordt afgetast. Bij de aftast-beweging van de electronenbundel wordt deze in het scherm 14 geabsorbeerd, waardoor de emissie van een aftastvlek van licht \ wordt ver-35 oorzaakt, welk licht uit het omhulsel 12 uittreedt, bijvoorbeeld via een transparant venster 22. De aftastlichtvlek kan door geschikte optische 8403569 4

V

% middelen (niet weergegeven doch wel bekend) worden overgedragen naar bijvoorbeeld een waarneempost of weergeefscherm. De richtingen van de electronenbundel en de lichtemissie staan in het algemeen dwars op elkaar omdat het luminescentiescherm 14 is voorzien van een stelsel van 5 in wezen evenwijdige, langwerpige staafvormige lichtemissie-r-elementen (bijvoorbeeld parallellopipeda), die zich dwars op de electronenbundel-richting uitstrekken.

Deze staafvormige elementen 28 zijn meer gedetailleerd weergegeven in fig. 2 en 3. Elk element omvat een kern 30 van monokristal-10 lijn of amorf ^fosformateriaal, omgeven door een reflecterende bekleding, bijvoorbeeld een samenstel van een diëlectrische laag 32 en een metallische· laag 34. Het fosformateriaal is in het algemeen transparant d.w.z., dat het een geringe lichtverstrooiing en een geringe absorptie. bij de golflengte van het geëmitteerde licht vertoont. Elk ele-15 ment 28 is gemonteerd op een drager bijvoorbeeld op een metalen laag 26, die op een hoofdvlak van een substraat 24 is gevormd. Eén eind 31 van elk staafvormig element 28 vormt een uitgangsvlak via welk vlak het licht X uittreedt, terwijl· het tegenovergelegen eind 33 en de andere vier vlakken van het element met de bovenbeschreven respectieve bekle— 20 ding zijn. bedekt.

Zoals aangegeven in fig. 3b, staat de electronenbundel 18 in het algemeen dwars (niet noodzakelijkerwijs onder 90q) op het x-y-vlak. De dwarsdoorsnede van de bundel is in het algemeen langwerpig met een grote as x^ en een kleine as y^, waarbij de grote as zich in 25 de langsriehting (x-as) van het staafvormige element 28 uitstrekt.

Volgens de uitvinding wordt van het verschijnsel van het invangen van licht op een gunstige wijze gebruik gemaakt om de helderheid van het luminescentiescherm 14 te verbeteren. De grondgedachte is, dat de geïsoleerde staafvormige elementen 28 licht via een kleine 30 dwarsdoorsnede in het z-y-vlak (fig. 3A) verschaffen doch een relatief .... grote x-afmeting hebben (bijvoorbeeld de lengte L van de kern 30, als . aangegeven in fig. 3B). Omdat het oppervlak van de kern in het x-y-vlak betrekkelijk groot is, kan de electronenbundel 18 een betrekkelijk groot totaal ingangsvermogen leveren zonder dat ongerechtvaardigd hoge energie-35 dichtheden optreden en zonder dat het nodig is, dat de breedte van de kern dc groot is. De resolutie van het stelsel wórdt bepaald door de 8403569 » «a .........

i 5 breedte d en de hoogte h van het element 28. Er wordt op gewezen, dat de dikten van de lagen 32 en 34 meer in het bijzonder zo klein zijn, dat d 2$ (waarbij de laagdikten niet op schaal zijn aangegeven).

Mits de brekingsindex van de kern 30 groter is dan die S van de diSlectrische laag 32, zal het licht, dat in de kern door de elec-tronenbundel wordt opgewekt^ in het element 28 worden ingevangen. Een lichtstraal, welke het scheidingsvlak tussen de kern en de diSlectrische laag bereikt onder een hoek, welke groter is dan de kritische hoek, zal een totale inwendige reflectie ondergaan, anderzijds zullen lichtstralen, 10 welke dit scheidingsvlak onder kleinere hoeken bereiken, gedeeltelijk via de diSlectrische laag worden overgedragen en derhalve bij de metalen laag 34 worden gereflecteerd. Ofschoon het ingevangen licht zich in de kern opbouwt, kan het licht via het uitgangsvlak 31 ontsnappen, welk uitgangsvlak afhankelijk van de toepassing ruw gemaakt kan zijn of kan 15 zijn gepolijst. Bovendien kan het uitgangsvlak zodanig zijn gevormd, dat een lichtuitgangskoppeling wordt verbeterd. De staven kunnen ook zijn af geschuind, als aangegeven in fig. 8, waardoor zij .-een trapezoi-dale dwarsdoorsnede hebben, welke naar de bundel is gekeerd. De optische assen 39 van de elementen zijn evenwel nog steeds in wezen even-20 wijdig aan elkaar.

In het algemeen gelijkt de dwarsdoorsnede van de elec-tronenbundel op de vorm van het element 28 in het x-y-vlak. Men kan aan een dergelijk element veel grotere totale energieën toevoeren dan aan de pixel vein een conventionele CRT zonder dat de resolutie op een 25 significante wijze wordt gedegradeerd. Aangezien men vrij is in het kiezen van de afmeting x^ van de grote as van de electronenbundel, kan de lengte L van de kern 30 zeer groot worden gemaakt om een werking met groot vermogen en grote helderheid mogelijk te maken. De verhouding van L : d kan bijvoorbeeld 100 : 1 en D : d bijvoorbeeld 2 : S bedragen, 30 Overeenkomstige afmetingen zijn illustratief D = 50 ^um, D = 20 ^um en L = 5 mm, zodat op een tref electrode van 70 mm bij 5 mm 1000 elementen kunnen worden gevormd.

Ter illustratie omvat de kern een of meer monokristallij-ne fosforlagen afhankelijk van het feit of een werking met een enkele 35 kleur of een aantal kleuren gewenst is. De keuze van het materiaal is afhankelijk van de stelselparameters, zoals de aftastsnelheid in relatie 8403569 * c i 6 tot activatorparameters, zoals de stralingslevensduur. Het kernmateriaal bestaat bijvoorbeeld uit monokristallijn yttrium-aluminiumgranaat (YAG), dat gedoteerd is met geschikte activators, zoals Ce, Tm of Eu voor lichtemissie bij respectievelijk groene, blauwe of rode golflengten.

5 In verband met de voordelen, welke men met de uitvin ding verkrijgt, kan de kern ook. voor vele toepassingen bestaan uit een amorf (bijvoorbeeld glasachtig) materiaal met lager rendement, zoals de aardalkali-aluminosilicaten, welke zijn beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.962.117. Zo bevat bijvoorbeeld monster 18 van dit oc-10 trooischrift bij benadering 54,5% SIC^/ 30,8% Al^, 12,1% MgO, 2,2%

ZrC2 en 0,4% MnO, waarbij de percentages gewichtspercentages op de oxyde-basis zijn. Dit glas heeft een piekgolflengte bij 6050 Angstrom.

Welke materialen worden gebruikt voor het vervaardigen van de reflecterende bekleding is afhankelijk van het materiaal van de 15 kern 30. Voor een YAG-kern omvat geschikt diëlectricum 32 of

MgF2 en omvat een geschikte metaallaag 34 Al of Ag. De samengestelde reflecterende bekleding kan ook worden vervangen door een enkele laag van bijvoorbeeld indium-tinoxyde (ITO) bij toepassingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van geleiding door totale intervalreflectie (bijvoor-20 beeld fig. 4) . Voor de aardalkali-aluminosilicaten daarentegen omvat een geschikte diëlectrische laag 32 SiO^ en omvat een geschikte metaallaag 34 Al.

Om een werking met een aantal kleuren te verkrijgen, kan de kern 3 zijn voorzien van drie lagen of gebieden van fosformate-25 riaal met verschillende activators, elk voor het verschaffen van de primaire kleuren, rood, blauw en groen. De drie lagen kunnen bijvoorbeeld worden geëtst of op een andere wijze in een trap-configuratie worden vervaardigd. De drie lagen kunnen zodanig optisch met elkaar worden gekoppeld, dat onafhankelijk van het feit welke laag wordt geëxciteerd het 30 licht steeds uit hetzelfde uitgangsvlak uittreedt, of de drie lagen kun-nen zodanig optisch zijn geïsoleerd, dat licht slechts uit het uitgangsvlak aan het eind van de geëxciteerde laag uittreedt. Men kan één elec-tronenkanon voor alle kleuren of één electronenkanon, voor elke kleur toe- . passen.

35 Bij een andere uitvoeringsvorm, als weergegeven in fig.

4, wordt elk van de staafvormige elementen 28 vervaardigd door langs 8403569 a

f V

7 epitaxiale weg een laag van monokristallijn kernmateriaal 42 op een monokristallijne substraat 40 te laten groeien. De materialen zijn bijvoorbeeld granaten doch de laag 42 heeft een grotere brekingsindex en zal derhalve de neiging hebben om daarin licht in te vangen wanneer 5 de laag met een geschikte reflecterende bekleding 44 is bedekt. De laag 42 wordt op een bekende wijze geëtst voor het vormen van parallelle groeven 43, waartussen de staafvormige elementen worden bepaald.

Bij een andere configuratie kunnen de elementen 28 optische vezelsegmenten omvatten, die op de gewenste lengte zijn gesne-10 den en van een geschikte reflecterende bekleding zijn voorzien, zoals boven is beschreven. Monokristallijne vezels van XAG en ' weJJce zijn gedoteerd met zeldzame aardelementeh, zijn bekend en zijn bijvoorbeeld beschreven in artikelen van <J. Stone en andere, Journal of Applied Physics, vol. 49, nr. 4, p. 2287 (1978) of C.A. Burrus en anderen, 15 Applied Physics Letters, vol. 26, nr. 6, p. 318 (1975).

Zoals reeds is vermeld kan de uitvinding worden toegepast als een lijnaftastinrichting of worden gebruikt voor het tot stand brengen van een tweedimensionale aftasting door een roteerbare spiegel aan te brengen om de bundel in een orthogonale richting af te buigen.

20 Een dergelijke constructie is schematisch weergegeven in fig. 6. Een kathodestraalbuis 60 volgens de uitvinding levert een lichtbundel 62, welke in horizontale richting een aftastbeweging kan uitvoeren onder bestuur van de keten 64. Een roteerbare veelhoek 66 buigt de bundel 62 zodanig af, dat ook een verticale aftasting van de lichtbundel 62 wordt 25 verkregen. De motor 68 roteert de veelhoek 66 en kan ook door de keten 64 worden bestuurd. Dientengevolge kan de lichtbundel een scherm, een bladzijde-of een ander oppervlak rastersgewijs aftasten d.w.z. eerst langs de lijn LI en, bij afbuiging door de spiegel 66, langs de lijn L2, enz. Op deze wijze kan informatie op het scherm worden weergegeven 30 of op het oppervlak, dat wordt afgetast, worden geregistreerd. Men kan in plaats van de veelhoek 66 ook andere afbuigorganen (bijvoorbeeld een akoesto-optische afbuiginrichting, een spiegel of een prisma) gebruiken.

Wanneer het oppervlak, dat wordt afgetast, zelfbeweeg-baar is, zijn de afbuigorganen voor het tot stand brengen van de verti-35 cale aftasting, niet nodig. Zoals bijvoorbeeld is aangegeven in fig. 7, wordt de horizontale aftasting verkregen door de kathodestraalbuis 60, . ^ — ------ 8403569 « 8 zoals boven, doch geschiedt, de verticale aftasting door de rotatie van de trommel 70. De rotatie van de trommel en de aftasting van de bundel worden door de besturingsketen 64 gesynchroniseerd. Een dergelijke inrichting kan worden gebruikt voor het aftasten van een band, welke 5 in verticale richting een translatiebeweging uitvoert. Bij deze laatstgenoemde' constructies is de spiegel 62 natuurlijk slechts voor het gemak, gekozen d.w.z., dat de kathodestraalbuis zodanig kan ‘worden georiënteerd, dat de bundel 62 de trommel of band direct treft. Bovendien kan in. het omhulsel van de kathodestraalbuis een spiegel of een ande-10 re optische- inrichting worden opgenomen een en ander zodanig, dat de lichtbundel in. wezen loodrecht staat op het voorvlak van de kathode-straalbundel. In beide gevallen kan het cilindervlak van de trommel worden bekleed met een fotogevoelig materiaal, zodat de aftastende lichtbun-r del 62 een drukfunctie vervult.

15 Meer in het bijzonderrkan elk van de. staaf vormige ele menten een laser-actief medium 50 omvatten, als aangegeven in fig. 5. Tegenover elkaar gelegen eindvlakken van het element zijn voorzien, van spiegels 52 en 54 voor het vormen van een-optische trilholteresonator.

Hét actieve medium 50 bestaat bijvoorbeeld uit een mono-20 kristallijn fosformateriaal, dat. direct door de electronehbundel 18 kan. worden geëxciteerd of indirect via een conversielaag 56, welke optisch met het actieve medium 50 is gekoppeld; de laag is bijvoorbeeld op tenminste één oppervlak van het actieve medium 50 gevormd. In het indirecte pompgeval absorbeert de conversielaag 56 de electronenbundel en wekt 25 en optische straling, die op zijn beurt in het actieve medium 50 wordt geabsorbeerd, waardoor wordt veroorzaakt, dat dit op een bekende wijze een gestimuleerde emissie uitzendt. Beide typen laserelementen kunnen afzonderlijk, .of in een stelsel worden toegepast. Het indirecte pompgeval kan met succes worden gebruikt voor het verkrijgen van een groter laser-30 uitgangsvermogen dan het vermogen, dat kan worden verkregen onder gebruik van een directe electronenbundelexcitatie in verband met het grotere volume, dat kan worden geëxciteerd. Dit geldt meer in het bijzonder wanneer het laserspecies van. het medium 50 een langere levensduur heeft dan het pompspecies van de laag 56. In het geval van een mono-35 kristallijn YAG : Cr en Nd actief medium 50 bestaat de conversielaag 56 bijvoorbeeld uit YAG ; Ce.

8403569

Claims (8)

1. 5r v β * * CONCLUSIES
2. 1, Optische inrichting· voorzien van organen voor het opwekken van een aftastende electronenbundel, en een luminescentie-scherm voorzien van een transparante fosforlaag, welke door de electro-nenbnndel kan worden getroffen voor het vormen van een aftastende licht- 5 vlek, met het kenmerk, dat de fosforlaag is opgebouwd uit een stelsel van langwerpige, staafvormige elementen (28), die elk aan één uiteinde zijn voorzien van een uitgangsvlak (31) uit welk vlak het licht ontsnapt, een reflecterende bekleding (32, 34), welke andere oppervlakken van elk van de elementen bedekt, en de opwekorganen de- electronenbundel met een £0 langwerpige dwarsdoorsnede leveren, welke bundel langs de langsafmeting van gekozen elementen van de genoemde elementen invalt.
3. 2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elementen uit in wezen rechthoekige paralléllopipeda bestaan, die in wezen evenwijdig aan elkaar zijn opgesteld.
4. 3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de elementen uit langwerpige trapezoidale lichamen bestaan, die met hun optische assen in wezen evenwijdig aan elkaar zijn opgesteld.
5. 4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bekleding een diélectrische laag op de elementen en een metaallaag op 20 de diélectrische laag omvat.
6. 5. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bekleding alle andere oppervlakken van de elementen bedekt*
7. 6. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de fosforlaag eerste en tweede transparante lagen omvat, waarbij de 25 tweede laag een grotere brekingsindex dan de eerste laag heeft en voorzien is van een aantal in wezen evenwijdige groeven (43), waartussen de elementen worden bepaald, en waarbij de bekleding de groeven en de bovenzijde van de elementen bedekt. 7. inrichting volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 of 6, met 30 het kenmerk, dat de fosforlaag uit een monokristallijne granaat, die met een activator is gedoteerd, bestaat.
8. 8. Inrichting volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat de fosforlaag uit een amorf materiaal bestaat. 8403569