§ 9.2. Люминесцентные экраны

Многие вещества светятся при облучении их пучком электронов. Наиболее яркое свечение дают химические соединения, называемые люминофорами. Яркость свечения люминофора, непрерывно облучаемого пучком электронов, зависит от светоотдачи А, средней плотности электронов в пучке с током и площадью сечения потенциала экрана начального потенциала при котором начинается свечение, и показателя степени Поскольку соотношение может быть упрощено: , следовательно, повышение потенциала экрана выгодно энергетически. Кроме того, с ростом улучшается фокусировка пучка. Следует заметить, что увеличение тока приводит к падению разрешающей способности кинескопа.

Достижимый потенциал люминофора, облучаемого пучком электронов, ограничивается значением второго критического потенциала (см. рис. 4.6), при котором коэффициент эффективной вторичной эмиссии становится равным единице. Для дальнейшего повышения потенциала экрана поверхность люминофора со стороны падения него электронного пучка покрывается тонкой пленкой алюминия, гальванически соединяемой со вторым анодом. Металлизация позволяет повысить яркость свечения экрана в результате существенного превышения второго критического потенциала и увеличения сиетоотдачи, поскольку алюминиевая пленка играет роль зеркала, отражающего весь световой поток в сторону наблюдателя. Отсутствие света внутри колбы исключает подсветку и способствует повышению контраста изображения. Металлизация защищает люминофор от разрушения тяжелыми отрицательно заряженными ионами, вылетающими из катода.

При частоте кадров выше критической частоты мельканий кажущаяся яркость свечения телевизионного экрана определяется по закону Тальбота как средняя яркость за период ее изменения

В случае безынерционного экрана, каждая точка которого воспроизводится с мгновенной яркостью в течение времени с периодом повторения кажущаяся яркость

оказывается меньше мгновенной яркости в раз, где — число элементов изображения.

Яркость инерционного экрана за время возбуждения электронным пучком нарастает приблизительно по экспоненциальному закону

до значения и в дальнейшем спадает по закону

Обычно Для приближенной оценки примем Тогда кажущаяся яркость свечения экрана

оказывается в по раз меньше яркости соответствующей непрерывному облучению люминофора неотклоняемым электронным пучком. Кажущаяся яркость не зависит от инерционности возбуждения и послесвечения люминофора а, поскольку более инерционные люминофоры медленнее возгораются и их послесвечение длительнее, а менее инерционные возгораются быстрее и до больших мгновенных значений яркости, но имеют меньшее время послесвечения [10]

Рис. 9.1. Образование ореола (а) и его влияние на апертурно-частотную характеристику кинескопа (б)

Увеличение инерционности люминофора позволяет снизить критическую частоту мельканий, а следовательно, и частоту кадров. При этом допустимая инерционность ограничивается условием отсутствия смазывания движущихся изображений, выполнимым, если остаточное послесвечение за время передачи кадра не превышает 5% начального.

Глубина модуляции яркости и контраст мелких деталей изображения ограничиваются в кинескопе конечными размерами сечения электронного пучка и ореолом вокруг любой светящейся точки экрана. Ореол обусловлен тем, что свет от участка люминофора А (рис. 9.1, а), возбуждаемого электронным пучком, распространяясь в переднем стекле кинескопа во все стороны в пределах полусферы, выходит из стекла лишь при углах падения, меньших критического угла полного внутреннего отражения. Отраженные световые пучки освещают люминофор в точках В, расположенных по окружности вокруг светящейся точки А. Апертурно-частотная характеристика кинескопа с ореольным пятном (кривая 2 на рис. 9.1, б) в отличие

от апертурно-частотной характеристики без ореольного пятна (кривая I) имеет меньшую глубину модуляции М, начиная со средних частот.

Телевизионное изображение рассматривается обычно в незатемненном помещении. Внешние (фоновые) засветки повышают среднюю яркость экрана и снижают контраст изображения до значения

зависящего от яркости фона . При контраст изображения снижается примерно вдвое, а при приближается к единице.

Влияние фоновой засветки и ореола ослабляется при рассматривании изображения через противоореольное дымчатое стекло с прозрачностью Свет от изображения, проходя через дымчатое стекло однократно, ослабляется пропорционально первой степени х, что приводит к необходимости повышения яркости свечения экрана в раз В то же время составляющая яркости, обусловленная засветкой, отраженной от экрана и прошедшей через стекло дважды, ослабляется пропорционально а контраст изображения повышается до значения

соответствующего относительному ослаблению яркости фока пропорционально первой степени Относительное ослабление яркости первого кольца ореола достигает поскольку свет проходит через стекло трижды, второго — и т. д. Таким образом, противоореольное стекло является эффективным средством повышения контраста телевизионных изображений

В настоящее время не известны люминофоры, цветом свечения которых можно было бы управлять, изменяя плотность тока электронного пучка, напряженности электрических или магнитных полей Цвет свечения современных люминофоров зависит главным образом от химического состава и способа обработки. Поэтому воспроизведение цветных изображений основано на использовании трех различных люминофоров красного, зеленого и синего.

По способу нанесения люминофоров различаются многослойные безрастровые и однослойные растровые экраны. Многослойные люминофоры наносятся на стекло экрана слоями, один поверх другого Управление цветом свечения многослойного экрана достигается регулировкой глубнны проникновения электронов путем изменения их скорости. При малых скоростях энергия электронов передается в основном первому слою, при больших — второму, при еще больших — третьему

Разработка многослойных экранов не вышла за стены лабораторий, поскольку не удается устранить одновременное возбуждение

слоев соседних люминофоров. Вследствие этого цвета оказываются мало насыщенными. Кроме того, при различных ускоряющих напряжениях трудно сохранить одинаковые размеры растра во всех трех слоях.

В современных кинескопах цветного телевидения используются однослойные растровые экраны, у которых все три люминофора располагаются в одном слое Однослойные экраны могут быть мозаичными из зерен трех люминофоров, сгруппированных в триады (рис. 9 2, а), и штриховыми с горизонтальным, наклонным и вертикальным расположением полосок люминофора (рис. 9.2, (5); полоски могут иметь различную ширину. Для обеспечения пространственного смешения цветов структура экрана должна быть незаметной с обычных расстояний наблюдения. Поэтому шаг мозаичных или штриховых одноцветных элементов экрана должен быть одного порядка с шагом разложения

Рис. 9 2. Мозаичные (а) и штриховые (б) экраны

При вертикальной ориентации полосок люминофора ослабляется влияние магнитного поля Земли, под действием которого электронные пучки смещаются по вертикали, т. е. исключаются искажения чистоты цвета. Это особенно важно в переносных приемниках. Кроме того, отпадает необходимость взаимного совмещения строк и полосок люминофора.

При одновременном возбуждении тремя пучками зерен (полосок) красного, зеленого и синего люминофоров одной триады и при достаточном удалении экрана от наблюдателя наступает пространственное смешение цветов. Цвет смеси изменяется в зависимости от плотности тока в каждом пучке. Например, в случае, когда действует лишь один электронный прожектор, цвет свечения совпадает с одним из основных цветов кинескопа (красным, зеленым или синим). При токах всех трех пучков, соответствующих равным значениям входных сигналов, цвет смеси становится белым

Если к соответствующим прожекторам подвести сигналы пропорциональные яркостям основных цветов, то на экране кинескопа независимо друг от друга образуются три одноцветных изображения, при совмещении которых создается впечатление, что изображение цветное

Спектральные характеристики красного зеленого и синего люминофоров, выпускаемых нашей промышленностью, приведены на рис. 9 3, a [1]. Они соответствуют европейскому стандарту на цветовое вещание. Излучения люминофоров отличаются от чистых спектральных, и, следовательно, на цветовом графике (рис 9 3, б) вершины треугольника определяемые цветовыми координатами основных цветов приемника

не лежат на кривой спектральных цветов.

Диапазон воспроизводимых в приемнике цветов зависит от выбора основных цветов. При сложении двух основных цветов точка цветности располагается на соответствующей стороне цветового треугольника, а при сложении трех цветов — внутри цветового треугольника. И, следовательно, чем ближе вершины треугольника к кривой спектральных цветов, тем больше насыщенность воспроизводимых цветов. Однако при этом падает яркость свечения экрана. Выбор основных цветов приемника основан на компромиссе между насыщенностью воспроизводимых цветов и яркостью свечения экрана.

Спектральные характеристики люминофоров, стандартизованных в американской системе цветного телевидения отличаются от кривых на рис. 9.3, а, соответственно отличается и положение цветового треугольника 2 на рис. 9.3, б.

Рис. 9.3. Спектральные характеристики люминофоров (а) и треугольник их цветов на графике МКО (б)

В кинескопах черно-белого телевидения используется смесь двух люминофоров, совместная спектральная характеристика излучения которых имеет два максимума. Один из них находится в области синего цвета, и это придает экрану голубоватое свечение. Максимум второго совпадает с максимум кривой относительной видности глаза, что повышает светоотдачу экрана.