книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

ния. После усиления усилителями 4 красный, синий и зеленый ви­ деосигналы поступают в телевизионный передатчик 5 и передаются в антенну. Для передачи всей цветной информации может быть использован один телевизионный канал с достаточно широкой по­ лосой частот.

Принятый антенной 6 телевизионного приемника 7 цветной сиг­ нал разделяется на три видеосигнала и после усиления подводит­ ся к трем кинескопам 9, экраны которых имеют соответственно красный, синий и зеленый цвета свечения. При помощи линз или зеркал три одноцветных (красное, синее и зеленое) изображения совмещаются вместе, образуя одно цветное изображение 8.

Рассмотренная упрощенная схема показывает, что разделение цветов на передающей стороне не представляет существенных за­ труднений. Точно так же передающие трубки не отличаются от обычных, применяемых для черно-белого телевидения, при условии достаточно высокой чувствительности фотокатода каждой из трех трубок соответственно и красному, синему и зеленому цветам. Наоборот, на приемной стороне совмещение трех изображений намного сложнее. Поэтому системы с тремя отдельными кинеско­ пами не получили широкого распространения.

Более перспективными оказались кинескопы, на экранах кото­ рых может непосредственно создаваться цветное изображение. Было предложено большое число принципиально или конструктив­ но различных цветных кинескопов, позволяющих получить цветное изображение на одном экране. Некоторые типы цветных кинеско­ пов сразу же оказались неприемлемыми либо по качеству изобра­ жения, либо по сложности изготовления или эксплуатации. Удов­ летворительные результаты были получены лишь с кинескопами, имеющими трехцветный экран. У этих кинескопов экран содержит три люминофора, каждый из которых имеет соответственно синий, красный и зеленый цвета свечения. Для возбуждения свечения эк­ рана может использоваться либо один электронный луч, последо­ вательно возбуждающий каждый цвет свечения, либо три электрон­ ных луча, каждый из которых возбуждает только один люминофор.

Простейшей цветной трубкой является кинескоп с одним про­ жектором и магнитной отклоняющей системой, при помощи кото­ рой на экране образуется обычный телевизионный растр. Особен­ ностью трубки является специальный линейчатый экран и дополни­ тельная электростатическая отклоняющая система. Линейчатый экран представляет собой ряд полос люминофоров, причем каждая полоса при возбуждении электронным лучом светится красным, си­ ним или зеленым цветом. Для направления луча на необходимую в данный момент полоску люминофора служит дополнительная электростатическая система, несколько смещающая в вертикаль­ ном направлении луч, развертываемый по экрану основной маг­ нитной отклоняющей системой. Такая трубка может быть исполь­ зована в системах последовательной передачи изображения по кад­ рам или строкам. Несмотря на простоту изготовления, она не дает удовлетворительных результатов. Во-первых, чтобы луч воз­

буждал только определенный цвет свечения, диаметр пятна Дол­ жен быть меньше ширины полосы люминофора определенного Цве­ та, что требует очень хорошей фокусировки по всему экрануВо- вторых, необходима высокая точность отклонения, так как Даже ничтожное смещение луча в вертикальном направлении приводит к искажению цвета.

Усовершенствованием описанной трубки является трехлучевой кинескоп с линейчатым экраном. В этом кинескопе имеются три

в настоящее время получил кине­ скоп с теневой маской, в значительной мере свободный от недостат­ ков, присущих другим цветным трубкам. В этом кинескопе луч ог­ раничивается по сечению в непосредственной близости к экрану, и попадание луча на несоответствующий люминофор практически не­ возможно.

Принцип действия кинескопа с теневой маской заключается в следующем (рис. 9.18).

Электронные лучи от трех независимых прожекторов 1, 2, 3 при любом угле отклонения сводятся в одно из многих отверстий ме­ таллической пластины— так называемой теневой маски, располо­ женной перед экраном.

Пройдя через отверстие в маске, электронные лучи попадают в три точки экрана, расположенные на некотором расстоянии друг от друга в вершинах треугольника. Очевидно, расположение сле­ дов каждого луча на экране определяется углом падения луча на маску и расстоянием от маски до экрана. На экран нанесены от­ дельные точки красного, синего и зеленого люминофоров, образу­ ющие треугольные группы. Расположение точек люминофоров подобрано таким образом, что луч из каждого прожектора, пройдя сквозь отверстие теневой маски, может попасть на точку люмино­ фора, светящуюся только «своим» цветом. При любых углах от­ клонения луч синего прожектора возбудит только синий люмино­

фор, луч красного прожектора — только красный люминофор, лу«т зеленого прожектора — только зеленый люминофор.

Все три луча отклоняются общей отклоняющей системой. По­ этому, если лучи сведены в одно отверстие маски в какой-либо точ­ ке экрана, то при правильно выбранных геометрических соотно­ шениях сведение лучей в любом другом отверстии маски при лю­ бых углах отклонения может быть выполнено достаточно точно. Расположение точек люминофора на экране принципиально ис­ ключает возможность возбуждения лучом каждого прожектора цвета свечения, не соот­ ветствующего данному прожектору.

Три видеосигнала, уп­ равляющие яркостью каждого цвета, подаются на модуляторы трех про­ жекторов. При достаточ­ но большом числе отвер­ стий в маске и соответст­ вующем (утроенном по сравнению с числом от­ верстий в маске) числе точек цветного люмино­ фора строчная или точеч­ ная структура растра со­ вершенно не заметна. Та­

кой кинескоп позволяет получать высококачественные изображе­ ния как при последовательной, так и при одновременной передаче цветов.

Кинескопу с теневой маской присущи некоторые недостатки. Во-первых, следует отметить сложность изготовления маски и эк­ рана, так как для получения хорошего изображения требуется не менее 500— 600 строк, в соответствии с чем число отверстий в ма­ ске составляет 300—400 тысяч, а число точек люминофора оказы­ вается больше 106. Электронно-оптическая система также доста­ точно сложна и требует дополнительных «сводящих» элементов-. Принципиальным недостатком кинескопа с теневой маской являет­ ся поглощение маской значительной доли электронов.

Были предложены некоторые способы уменьшения потери элек­ тронов в маске, в частности создание дополнительных фокусиру­ ющих решеток, однако практического применения эти способы не нашли.

Схема кинескопа с теневой маской показана на рис. 9.19. Колба кинескопа, как обычно, состоит из трех частей: цилинд­

рической (горловины), конической и дна (экрана). Так как в гор­ ловине помещаются три прожектора, диаметр ее делается боль­ шим, чем в обычных однопрожекторных кинескопах. С цилиндри­ ческой частью соединяется расширяющаяся до размера экрана часть колбы, имеющая форму конуса (в круглых кинескопах) или

усеченной четырехгранной пирамиды с выпуклыми гранями и за­ кругленными ребрами (в кинескопах с прямоугольными экранами).

Экран колбы имеет вид неглубокой чаши и изготовляется от­ дельно. На слегка выпуклое дно чаши наносятся люминофоры, а на специальные упоры в боковых стенках устанавливается теневая маска. Маска изготовляется из тонкого (0,2—0,25 мм) металличе­ ского листа и имеет также слегка выпуклую форму. В ранее из­ готовлявшихся круглых кинескопах маска делалась плоской, лю­ минофоры наносились на отдельную плоскую стеклянную пластин­ ку и весь экранный узел, состоящий из плоского экрана и маски, монтировался в колбе.

В кинескопе с теневой маской имеются три одинаковых про­ жектора, создающие три электронных луча с током в несколько десятков микроампер при ускоряющем напряжении до 25 кв. Так как оси прожекторов не совпадают с осью трубки, магнитная фо­ кусировка при помощи катушки, надеваемой на горловину трубки, не может быть применена. Поэтому в кинескопах с тремя про­ жекторами используется электростатическая фокусировка.

Для нормальной работы цветного кинескопа важно, чтобы все три прожектора имели достаточно близкие модуляционные харак­ теристики, так как только в этом случае возможно правильное воспроизведение цветов при различной общей яркости изображе­ ния. Это требует точного изготовления деталей и сборки прожек­ торов. Оси прожекторов располагаются наклонно к оси трубки так, что оси прожекторов пересекаются в центре маски. Но даже при наличии наклонов осей прожекторов для точного сведения всех трех лучей в одну точку необходимы «сводящие» электростатиче­ ские или магнитные поля. Поэтому наклонное положение осей про­ жекторов не обязательно.

При использовании цветного кинескопа с тремя электронными прожекторами необходимо, чтобы все три луча отклонялись оди­ наково. Для этого целесообразно использовать общую для всех лучей отклоняющую систему. Наиболее простой отклоняющей си­ стемой является магнитная катушка, создающая поперечное поле, достаточно однородное в области отклонения всех трех лучей. Большая область однородного поля может быть обеспечена при помощи больших катушек без сердечников с отогнутыми краями, размещаемых на горловине трубки.

Для сведения всех трех лучей в одно отверстие маски исполь­ зуют либо электростатическую линзу, образующую между послед­ ним ускоряющим электродом и проводящим покрытием, либо (ча­ ще) три отклоняющих магнитных поля, создаваемых тремя катуш­ ками на горловине трубки. Катушки имеют ферромагнитные сердечники, а внутри трубки располагаются внутренние магнитопроводы, между которыми создается однородное магнитное поле, смещающее луч в радиальном направлении (рис. 9.20).

Сводящая электростатическая линза или сводящие магнитные поля обеспечивают прохождение всех трех лучей через одно отвер­ стие маски в центре экрана. Однако, даже в случае идеальной

отклоняющей системы, при значительных углах отклонения про­ хождение трех лучей через одно отверстие в любом месте маски нарушается вследствие разного расстояния от центра отклонения до поверхности маски при разных углах. Поэтому в цветных трех­ лучевых кинескопах приходится принимать дополнительные меры для обеспечения так называемой динамической сходимости, т. е. сходимости трех лучей в одном отверстии маскй при любых углах отклонения лучей в пределах рабочей части экрана. При исполь­ зовании электростатической сводящей линзы динамическая сходи­ мость достигается за счет питания сводящего электрода напряже­ нием, модулированным напряжениями строчной и кадровой раз­ верток. Изменение оптической силы сводящей линзы приводит к

ды прожекторов

изменению углов между осями лучей и при правильном выборе амплитуд модулирующих напряжений обеспечивает сведение всех трех лучей в одно отверстие маски. При использовании для сведе­ ния лучей магнитного поля динамическая сходимость достигается изменением тока в сводящих катушках синхронно со строчной и кадровыми развертками. Однако смещение лучей в радиальном направлении недостаточно для обеспечения сходимости всех трех лучей в одном отверстии маски. Необходимо смещение хотя бы одного луча в азимутальном (перпендикулярном к радиальному) направлении. Это смещение осуществляется дополнительной катуш­ кой с наружным и внутренними магнитопроводами, создающей ра­ диальное магнитное поле (рис. 9.21). В азимутальном направлении обычно смещается луч синего прожектора.

Теневую маску изготовляют с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, полностью исключить попадание электронного луча каж­ дого из прожекторов на точки люминофора «чужого» цвета и, с другой стороны, пропустить возможно больше электронов. Послед­

нее объясняется необходимостью иметь достаточную яркость све­ чения экрана, которая в общем случае пропорциональна мощности, приносимой электронами на экран, т. е. числу электронов, прошед­ ших сквозь маску. В то же время значительное поглощение элек­ тронов маской нежелательно из-за большой нагрузки маски, при­ водящей к ее разогреву и деформации за счет теплового расши­ рения.

Для оценки доли электронов, пропущенных маской, вводится понятие эффективности маски, определяемое отношением тока эк­ рана / э к току луча / л:

Очевидно, эффективность тем выше, чем большая часть поверх­ ности маски занята отверстиями. Однако диаметр отверстия не

где а— расстояние между центрами отверстий; dn— диаметр луча в плоскости отклонения; е — эксцентриситет, т. е. расстояние от луча в плоскости отклонения до оси трубки.

Если диаметр отверстия больше величины tfmax, то возможно перекрытие пятен на экране.

Число отверстий в маске определяется числом элементов раз­ ложения (телевизионным стандартом). Таким образом, по диамет­ ру экрана и числу элементов разложения можно найти расстояние между центрами отверстий. Тогда максимально возможный диа­ метр отверстий маски будет зависеть только от отношения dn/e. В этом случае эффективность маски

(95£

Зависимость эффективности маски от отношения эксцентриси­

Эффективность маски будет тем больше, чем больше эксцент­ риситет и чем меньше диаметр луча в плоскости отклонения. Од­ нако увеличение отношения е/ал встречает затруднения. Чем даль­ ше отстоят оси прожекторов от оси трубки, т. е. чем больше экс­ центриситет, тем труднее, при прочих равных условиях, обеспечить динамическую сходимость. Кроме того, при большом расстоянии между лучами область однородного магнитного поля, создаваемого отклоняющей системой, должна быть очень большой, что техни­ чески трудно выполнимо.

Уменьшение диаметра луча в плоскости отклонения усложняет электронный прожектор. При электростатической фокусировке обычно не удается непосредственно у выхода из прожектора полу­ чить пучок диаметром меньше 1 мм при не очень малых токах. Наоборот, для получения возможно меньшего сечения луча в пло­ скости маски целесообразно иметь не очень малый угол схождения

Экран цветного кинескопа с теневой маской состоит из отдель­ ных точек люминофоров, светящихся соответственно тремя основ­ ными цветами — красным, си­ ним и зеленым. Число точек люминофоров в три раза боль­ ше числа отверстий в маске.

Диаметр точек люминофора в общем случае должен быть больше диаметра отверстий ма­ ски. Увеличение диаметра це­ лесообразно по двум причи­ нам. Электронный пучок при правильно сфокусированном прожекторе имеет наименьший диаметр в плоскости маски и по обе стороны маски несколь­ ко расширяется. Хотя расстоя­ ние между маской и экраном невелико, за счет расширения

пучка пятно имеет несколько больший диаметр, чем отверстие в маске. Для возможно более полного использования энергии пучка необходимо, чтобы точка люминофора была не меньше следа элек­ тронного пучка — пятна. Так как экраны цветных кинескопов алю­ минируются, имеет место небольшое рассеяние электронов в пленке алюминия, что также приводит к увеличению диаметра пятна.

Однако чрезмерное увеличение диаметра точек люминофора также нежелательно: если точки люминофоров нанесены без про­ межутков, то малейшая неточность сборки прожекторов и системы маска — экран может привести к попаданию луча на «чужой» лю­ минофор, что приведет к искажению цвета.

В качестве красного люминофора в цветных кинескопах исполь­ зуется либо фосфат цинка, активированный марганцем, либо селенид цинка, активированный медью. Зеленым люминофором служит виллемит или сульфид-селенид цинка, активированный серебром, синим люминофором — сульфид цинка, активированный серебром. Нанесение отдельных точек люминофоров производится фотогра­ фическим способом. На экран осаждается сплошной слой люми­ нофора одного цвета свечения. Затем на люминофор наносится слой фоточувствительной эмульсии. Можно также предварительно сме­ шать люминофор со светочувствительным материалом, а затем эту смесь нанести на экран. Такой светочувствительный экран через

установленную в рабочее положение маску освещается точечным источником света, помещенным в центре отклонения электронного луча соответствующего прожектора. После экспозиции фотослой проявляется и фиксируется, в результате чего в засвеченных ме­ стах люминофор оказывается закрепленным в фотоэмульсии. Места же фотоэмульсии, на которые не попал свет, легко удаляются Про­ мывкой, причем с этих мест смывается и люминофор. Затем снова наносится сплошной светочувствительный слой с люминофором Дру­ гого цвета и осуществляется экспозиция сквозь маску, но точечный источник света помещается в центре отклонения другого луча, сно­ ва производятся проявление и промывка. Так же наносится третий люминофор.

Фотографический способ изготовления экрана обеспечивает Про­ хождение электронных лучей сквозь отверстия маски только к Точ­ кам «своего» люминофора при условии точного совмещения Цент­ ров отклонения лучей с местоположением точечного источника света во время изготовления экрана. Однако даже малейшая неточность в сборке прожекторов и всего кинескопа может привести к попа­ данию электронных лучей на «чужой» люминофор, что вызовет ис­ кажение цветопередачи и нарушение чистоты цвета. Для приве­ дения электронных пучков в положение, исключающее засветку «чужого» люминофора, служит так называемый магнит чистоты цвета, создающий поперечное к оси трубки однородное магнитное поле. Этот магнит представляет собой катушку с магнитопроводом, охватывающим горловину трубки в пространстве между про­ жекторами и отклоняющей системой. Поворотом магнита чистоты цвета удается сместить электронные лучи так, что каждый луч будет попадать только на «свой» люминофор.

Цветные кинескопы с теневой маской являются достаточно сложными трубками как в изготовлении, так и в эксплуатации. По­ этому, несмотря на широкое распространение этих кинескопов, про­ должаются разработки более простых и надежных цветных трубок. В частности, более простой и, по-видимому, перспективной являет­ ся однопрожекторная трубка с линейчатым экраном и фокусиру­ ющей сеткой, получившая название хроматрон. Экран этой трубки представляет собой ряд вертикальных полосок люминофоров, на­ несенных в последовательности: красный, зеленый, синий, зеленый, красный и т. д. Перед экраном расположена сетка из вертикаль­ ных проволок, причем проволоки сетки натянуты параллельно по­ верхности экрана строго против полосок красного и синего люми­ нофоров. Проволоки сетки соединены между собой через одну, т. е. сетка имеет два вывода — от всех проволок, расположенных против полосок красного люминофора, и от всех проволок, совпадающих с синим люминофором (рис. 9.23).

Проволоки сетки имеют постоянный положительный относитель­ но анода прожектора потенциал в несколько киловольт. Экран име­ ет алюминиевое покрытие с потенциалом на 10— 12 кв выше потен­ циала сетки. За счет разности потенциалов сетки и экрана между проволоками сетки создаются собирающие цилиндрические линзы,

Дополнительно фокусирующие электронный луч. Геометрические Соотношения и разность потенциалов подбираются так, что наи­ меньшее сечение луча, фокусируемого цилиндрическими линзами, совмещается с поверхностью экрана. За счет этой дополнительной фокусировки электроны луча сходятся на полосах зеленого люми­ нофора, вызывая его свечение.

Если между соседними проволоками сетки создать разность по­ тенциалов ± Д U порядка нескольких сот вольт, то электроны луча будут испытывать поперечное ускорение, и в зависимости от по­ лярности отклоняющего напряжения At/ луч будет попадать либо

зеленое и синее изображение, сливающиеся ввиду инерционности зрения при достаточно большой частоте коммутации в одно цвет­ ное изображение.

Хроматрон является кинескопом с последовательной передачей цветов, поэтому для получения необходимой яркости приходится использовать довольно большой (более 100 мка) ток луча и уско­ ряющие напряжения порядка 20 кв. Однако благодаря простоте устройства (наличие одного прожектора, простая магнитная откло­ няющая система, отсутствие дополнительных магнитов сведения и чистоты цвета) разработки трубок типа хроматрон ведутся во мно­ гих лабораториях как в СССР, так и за рубежом.

На основе хроматрона разрабатываются трехпрожекторные трубки для цветного телевидения. В этих кинескопах, так же как и в хроматроне, используются линейчатый экран и сетка, играющая роль теневой маски, обеспечивающая попадание лучей от каждого из трех прожекторов только на полоску «своего» люминофора.

Интересной разновидностью цветного кинескопа с линейчатым экраном является трубка, получившая в иностранной литературе название «тринитрон».

Прожектор этого кинескопа (рис. 9.24) имеет три катода Ки /С2, Кг, расположенные рядом в горизонтальной плоскости, и один общий модулятор М с тремя отверстиями. За модулятором распо­ ложен широкий короткий цилиндр — первый ускоряющий электрод УЭ1 с положительным потенциалом в несколько сот вольт. Три электронных пучка, сформированные иммерсионным объективом, фокусируются линзой предварительной фокусировки (иммерсион­ ной), образующейся между первым УЭХ и вторым УЭ2 ускоряю­ щими электродами. Оптическая сила этой линзы подобрана так,

что крайние пучки отклоняются к оси и пересекают средний пучок примерно в средней плоскости главной проекционной линзы (оди­ ночной), образованной вторым ускоряющим электродом, первым Ai и вторым А2анодами.

За вторым анодом расположена электростатическая сводящая система СС, состоящая из четырех параллельных пластин. Сред­ ние пластины, между которыми проходит средний луч, электриче­ ски соединены вместе и имеют потенциал второго анода прожек­ тора. Крайние пластины также соединены вместе и имеют отри­ цательный относительно второго анода потенциал. Образующееся поперечное поле отклоняет крайние лучи к оси, и они пересекаются

со средним лучом в плоскости апертурной сетки (маски)’ АС, вы­ полненной в виде металлической пластины с вертикальными щеля­ ми. За апертурной сеткой установлен экран Э, покрытый верти­ кальными полосками люминофоров, светящихся зеленым, красным и синим цветами. Все три луча отклоняются (развертываются по экрану) одной магнитной отклоняющей системой, расположенной на горловине трубки. Видеосигналы подводятся к катодам про­ жектора (катодная модуляция), модулятор заземлен.

В отличие от однопрожекторного хроматрона тринитрон являет­ ся цветным кинескопом с одновременной передачей цветов, что позволяет получить большую яркость изображения при сравни­ тельно небольших токах лучей. По сравнению с трехпрожекторным кинескопом с теневой маской тринитрон имеет некоторые преиму­ щества. Апертурная сетка значительно прозрачнее маски, что по­ зволяет лучше использовать токи лучей. Расположение трех лучей в одной плоскости упрощает динамическое сведение и регулировку чистоты цветов. Наличие только одного прожектора позволяет уменьшить диаметр горловины трубки и, следовательно, повысить эффективность магнитной отклоняющей системы. У тринитрона есть и другие достоинства. Однако эта трубка достаточно сложна по устройству и технологии изготовления и пока имеет меньшее распространение, чем трехпрожекторный цветной кинескоп с ма­ ской.

Получение цветного изображения на большом экране возможно при помощи трех проекционных кинескопов, имеющих экраны со­