Экраны кинескопов

Для преобразования сигнала в световое изображение используется явление люминесценции, заключающееся в способности атомов, молекул и ионов некоторых веществ испускать свет при переходе из состояния с повышенной энергией (возбужденное состояние) в состояние с меньшей энергией. Вещества, обладающие такой способностью, называются люминофорами (lumen — свет (лат.), phonos — несущий (греч.)).

Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано электрическим полем или током, при этом возникает электролюминесцен­ция. Вещества, обладающие свойством электролюминесценции, называются электролюминофорами.

В телевидении используется катодолюминесценция — свечение, вызванное ударами быстролетящих электронов. Бомбардировка люминофора быстрыми электронами приводит его в возбужденное состояние, при котором электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних орбит. Возвращаясь с внешних орбит на прежние уровни, электроны излучают кванты света.

Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, представляют собой кристаллические вещества различного химического состава. Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цинка, кадмия, магния, кальция, активированные различными металлами. Активацией добиваются повышения эффективности и необходимого спектрального состава излучения. Электрооптические характеристики люминофорных экранов зависят от химического состава вещества люминофора, технологии его нанесения и условий возбуждения. Химический состав люминофора обозначается обычными символами. На первом месте — основное вещество, затем (в скобках) — активатор. Например, сульфид цинка, активированный медью, записывается как ZnS (Cu), а активированный серебром — как ZnS (Ag).

Важнейшими характеристиками экрана являются цвет свечения, инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяется типом выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кинескопов используется люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфида цинка (активированного серебром и цинком) и сульфида кадмия (активированного серебром): ZnS (AgZn) 47 %; CDS (Ag) 53 %. Спектральная характеристика излучения данной смеси имеет два максимума (рис. 9.3, сплошная линия). Первый максимум находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй — совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой температуре 9700 К.

Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа является его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора достаточно мала. Основным параметром инерционности люминофора является длительность послесвечения, в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис. 9.4, сплошная кривая). Длительность послесвечения является существенным параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного назначения.

Рисунок 9.3. Спектральные характеристики люминофора черно-белых кинескопов

Рисунок 9.4. Характеристика послесвечения люминофора

Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длительность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изображения. Требование это становится очевидным, если вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Тальбота как

где L(t) — функция изменения яркости элемента изображения во времени, которой в данном случае соответствует кривая, характеризующая возгорание и затухание люминофора; Т — период повторения световых импульсов, равный времени передачи кадра.

Если L(t) аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 9.4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то

т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых — яркостей элемента при возгорании люминофора и при его затухании. Учитывая, что τ_э/ Т _к = 1/ N, где N — число элементов в кадре (для вещательного телевизионного стандарта N = 0,5·10⁶), а T _пс/ Т _к = 1, можем записать: L _max = 0,25·10^-6 L _max + 0,5 L _max.

Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвечения для приемных телевизионных трубок T _пс желательно иметь равной длительности кадра Т _к. Увеличение длительности послесвечения приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене кадров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения нежелательно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображения движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдущего кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если остаточный сигнал не превышает 5 %. Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры их экрана должны иметь малую длительность послесвечения, не превышающую время коммутации одного элемента изображения (около 7,7·10^-8 с). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента изображения. При T _пс > τ _э сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яркостью пятна передаваемого элемента изображения, но и яркостями соседних, уже скоммутированных элементов, что приведет к потере четкости и контрастности мелких деталей изображения. Так как получить необходимую длительность послесвечения для экранов, излучающих в видимом диапазоне, не удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусматривается схема коррекции послесвечения.

Эффективность преобразования энергии электронов луча в световое излучение характеризуется светоотдачей экрана k, определяемой отношением силы света I, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изменяться от десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт.

Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической зависимостью

I = ki _л(u ₂ – u ₀) ⁿ,

где k — светоотдача; I _л— ток луча; и ₂— напряжение второго анода кинескопа; и ₀ — пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение люминофора.

Для современных люминофорных экранов и ₀= 1...2 кВ; п — показатель степени, определяемый физическими свойствами люминофоров и условиями его возбуждения. При токе луча I _л = 100...150 мкА и ускоряющем напряжении 10 кВ п = 1.

Современные кинескопы работают при и ₂ = 12...18 кВ и более, поэтому напряжение и ₀ < и ₂ и им можно пренебречь. Принимая п = 1, с достаточной для практики точностью можно считать, что сила света

I = kI _л u ₂ = kР _а,

где Р _а — мощность электронного луча.

При принятых условиях светоотдача k оказывается постоянной величиной. Поэтому сила света I, а, следовательно, и яркость экрана

I _эк = I/S _эк = kP _a /S _эк

(S _эк — площадь экрана кинескопа, м²) могут быть увеличены повышением мощности электронного луча Р _а. Поскольку увеличение тока луча свыше 100...150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яркость экрана увеличивают повышением ускоряющего напряжения u ₂. Потенциал экрана необходимо принудительно поддерживать равным потенциалу второго анода кинескопа (для черно-белых кинескопов 12...18 кВ, для цветных 25 кВ).

Для выполнения этого условия на слой люминофора наносится проводящее покрытие, электрически соединенное со вторым анодом прожектора. Это позволяет эффективно отводить вторичные электроны с экрана кинескопа, обеспечивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран современного кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрывают пленкой алюминия толщиной 0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люминофором и вторым анодом прожектора. Пленка практически прозрачна для электронов луча, которые при ускоряющих напряжениях свыше 8...10 кВ беспрепятственно проникают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для световых лучей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана более чем в 1,5 раза.

Кроме увеличения эффективности, металлизированный экран позволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при устранении подсветки экрана от внутренних стекол колбы, деталей электронного прожектора и соседних участков, расположенных на сферической поверхности. Он также предохраняет люминофор от бомбардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходимость введения в электронный прожектор ионных ловушек.

Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изображения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис. 9.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, на границе стекло-воздух отражается обратно, освещая соседние с точкой участки (рис. 9.5 точка Г). В результате ярко светящаяся точка экрана оказывается окруженной менее ярким кольцом — ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для увеличения контраста изображения экран колбы современного кинескопа изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным фильтром. Такое стекло называют дымчатым, контрастным, противоореольным.

Рисунок 9.5. Влияние дымчатого стекла на контраст мелких деталей

Ослабление ореола происходит за счет поглощения части света в толще экрана колбы. Прямой световой луч I ₁ от светящейся точки люминофора проходит путь АБ (рис. 9.5), а световой луч вредной подсветки I ₂, вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь АБВГД и поглощается значительно больше. Использование противоореольного стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в 15 раз.

Промышленностью выпускается большая номенклатура кинескопов с диагональю экрана 6...71 см. Тестированное условное обозначение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, например, 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характеризует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана — белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указывает на то, что кинескоп цветной.