专利名称：回旋加速器显示器的制作方法
技术领域：
本发明是用于在屏幕上显示图象的装置。回旋加速器显示器包括一个或更多个用于产生和加速电子束的回旋加速器。然后偏转机构使电子射向涂敷有荧光质的屏幕，该屏幕被以图象的形式点亮。本发明意欲作为阴极射线管(CRT)的替代物，并可用于与使用CRT的机构的相同的阵列中，包括例如示波器、计算机监视器和电视屏幕。
常规CRT是在各种仪器中被用于显示图象的常见器件。CRT包括用作电子源的阴极。将阴极加热，使之发射低能电子云。聚焦电极使该云收缩成一束，控制电极保证该束以适当的速度流过器件，而加速电极将电子加速到需要的能级(对于低压荧光屏为约500eV到1500eV)。阴极和上述附带的各电极一起被通称为“电子枪”。然后，电子束轰击涂敷有荧光质的屏幕，使荧光质发光。因为在轰击屏幕之前电子被偏转电极适当偏转，所以该光产生出相干图象。
电子束的偏转受两组正交偏转器的影响，一组使电子束水平偏转，一组使电子束垂直偏转。可实现的偏转角度与加在偏转电极上的电压成正比，而与束能量成反比。更详尽的CRT技术讨论例如见Robert A.Meyers编辑的Encyclopediaof Physical Science and Technology,Second Edition,Vol.5,pp.695-701,AcademicPress(San Diego,CA,1992)和Jerry C.Whitaker编辑的The ElectronicsHandbook,pp.67-386,CRC Press,Inc.(Beaverton,OR,1996)。
尽管作为显示器件有其成功之处，但CRT在功耗、成本和尺寸方面有明显的局限。产生电子的阴极为高压、高功率器件，但它以分散的云的方式发射低能量电子。必须将电子云聚焦并加速成快速、紧凑的束以便使用。这要求使用聚焦电极以及加速电极，这两种电极，特别是后者导致CRT的高能耗。此外，为利用由偏转电极提供的偏转角需要长的CRT管(更长的管意味着电子将被偏转的绝对距离更大)。这一问题可以通过增大偏转电极的电压来补偿，但这当然不是一个理想的替代方案。
因为这些和其它局限，在本技术领域中有替换常规CRT显示器的需求。
本发明通过用一个或更多个回旋加速器代替CRT的电子枪组件来克服常规CRT技术的上述和其它局限，所述回旋加速器可以用比电子枪的阴极更低的电压和更小的能量来产生电子。此外，因为电子最初以足够的速度从回旋加速器射出，所以不需要用加速电极对它们进一步加速。并且，由于它们以电子束形式出射，因而需要很小甚至不需要偏转电极的聚焦。而且，可以用回旋加速器阵列而不是只有单个回旋加速器来为屏幕提供所需的电子束。由于借助这种阵列每个单独的回旋加速器将被映射成屏幕的一个子部分，因而所需的偏转距离将减小，这进而又减小了器件的长度。值得说明的是电子束源的阵列也可用于常规的CRT中，以便减小该器件的长度。因此本发明提供有大屏幕尺寸的经济、低能量的平板显示器。
图1示出由两个金属D形盘、两个磁铁和一电子源构成的回旋加速器。还示出存在于回旋加速器终点半径处的回旋加速器孔。
图2示出带有多个电子源的圆柱形回旋加速器。
图3示出垂直静电偏转器和有关变量图4以表的形式示出实例的计算。
图5示出带有单个回旋加速器或三回旋加速器组和单个静电偏转机构的回旋加速器显示器的原理图、布线结构图和局部图。
图6示出带有单个回旋加速器或三回旋加速器组和单个静电偏转机构的回旋加速器显示器的顶视图和侧视图。
图7示出彩色回旋加速器显示器。
图8示出回旋加速器显示器中使用的回旋加速器阵列的原理图、布线结构图。
图9示出在回旋加速器显示器中使用的回旋加速器阵列的顶视图和侧视图。
图10示出带有圆柱形回旋加速器的回旋加速器显示器(单色或彩色)。
图11示出带有圆柱形回旋加速器阵列的回旋加速器显示器(单色或彩色)。
与常规CRT一样，回旋加速器显示器被抽真空，以便于以极小的破坏性和能量损耗提供电子束。
回旋加速器每个回旋加速器显示器的实施例包括至少一个回旋加速器。回旋加速器是用来加速亚原子微粒和原子微粒的常用器件。回旋加速器1类似一个平的金属盘(见图1)。金属盘包括两个被称为D形盘2的金属半部分，因为它们与字母D的形状相似。D形盘2被一小的空开的空间或间隙分开。电场在该空开的空间附近产生，导致在该间隙上有电压降。通过放置在D形盘两侧的一对磁铁3(永久磁铁或亥姆霍兹线圈)产生与回旋加速器和其D形盘2的平面垂直的均匀磁场(见图1)。
包括热离子金属-氧化物覆盖的阴极或尖端放电阴极的小电子源4放置在回旋加速器的中心。从电子源射出的电子沿D形盘的圆周方向环行，因为垂直磁场使它们沿该方向流动。当电子射进D形盘之间的间隙时，它们将经受跨接在间隙上的电压降，并从而加速进入另一个D形盘中，由此增加速度和能量。然后利用D形盘的金属壁使电子与电场屏蔽开，直到它们再次进入到间隙中。此时，D形盘之间的电位差被有意反转，从而使电子加速进入另一个D形盘。重复这一过程直到电子运动得足够快，以至当它到达“终点半径”时从回旋加速器孔5射出为止(见图1)电子在回旋加速器中完成一个轨道的时间是τ=2·π·mq·B]]>其中m是电子质量，q是电荷，B是磁场强度。注意τ与电子的速度无关，这意味着轨道的频率保持恒定，因此D形盘之间电子电位反转的频率保持恒定。
在任何时候电子的轨道半径为τ=m·vq·B]]>
与上述τ相反，它依赖于电子的速度v。电子将通过回旋加速器在不断变宽的圆周中持续加速，直到它到达终点半径(rterm)和终点速度(vterm)为止，此时轨道半径与回旋加速器孔的半径相匹配。rterm=m·vtermq·B]]>此时电子能量Treq可由下式确定vterm=2·Treq/m]]>可以在一个回旋加速器内放置多个电子源。电子源可以包括几个热离子或尖端放电阴极，或带有多个尖的突出物的单个长阴极。电子源4沿着与D形盘2的平面垂直的一维方向展开(见图2)。这种类型的回旋加速器1具有圆柱形状并产生多个电子束。这种类型的回旋加速器1可以代替带有单个电子源的多个回旋加速器，从而可代替所有或部分回旋加速器阵列(见下面的例7-10)。
更详尽的回旋加速器技术的讨论例如见Robert A.Meyers编辑的Encyclopedia of Physical Science and Technology,2nd Edition Vol.12,pp.205-21,Academic Press(San Diego,CA1992)，特别是pp.205-06,211-12,219-21。
偏转器在从回旋加速器孔射出后，电子束被磁偏转器或静电偏转器偏转，就象它是从常规电子枪中射出的那样。磁偏转器只是一个磁线圈。静电偏转器6是一对静电板7，它们之间有电压(见图3)。由于在其最简单的实施例中，除了用回旋加速器而不是电子枪产生电子束外，本发明完全与常规CRT类似，因此用来根据输入信号在CRT中产生视频图象的原理也可适用于本发明。这些原理及其应用在现有技术中是众所周知的。对于如何通过在荧光屏上一束电子束或多束电子束的调制和扫描来将信号处理成相干图象的概要描述例如见Jerry C.Whitaker编辑的The Electronics Handbook,pp.1575-98,CRC Press,Inc.(Beaverton,OR,1996)。
对于静电偏转器，板之间的电场E为E=Vdef/d⊥，其中Vdef是电压，而d⊥是板之间的距离。偏转器给予穿过的电子的加速度a为a=qE/m。电子穿过偏转器所花费的时间为偏转器长度除以电子的速度，t=d1/v1(注意v1与vterm相同)。
假设其长度为d1的所述偏转器作用于垂直轴。则电子的垂直速度为由偏转器施加的加速度乘以该电子穿过偏转器所用的时间。
如果除以V1，则得到
所获得的总垂直偏转S⊥为12·a·t2:]]>
如果将
代入S⊥，则得到
图3示出了带有相关变量的静电偏转器的原理图。
实例计算假设荧光屏所必须的能量为500eV。电子射出回旋加速器的终点速度必定为vterm=2×500eV/9.11×10-31kg=1.3×10m/s]]>假设回旋加速器的磁场是10-2特斯拉。则回旋加速器的半径(它等于孔的半径和终点半径)为rterm=mq×1.3×10′m/sB=7.5×10-3m]]>回旋加速器的每个轨道需要时间τ=3.58×10-9秒。
如果在D形盘之间使用10V的加速电压，则需要25个循环来达到500eV(500eV=25×2×10V)，或8.94×10-11秒。因此可以容易地每隔10-5秒就产生电子脉冲。显然，同一回旋加速器/电子源还可以容易地在10-3秒内产生三个电子脉冲，并因此单个回旋加速器/电子源可以“模拟”三个或更多个电子源(诸如产生彩色屏幕上每个彩色像素所需的三束)。对彩色屏幕技术的进一步讨论见下面的例2和3。
如果对于我们的屏幕假设刷新速率为0.1秒，则可利用该回旋加速器寻址104个像素。如果每个像素为200μm×200μm，则我们可以对2cm×2cm的屏幕面积进行寻址。如果以更高的速率产生电子脉冲，则与可寻址的屏幕面积一样，可被寻址的像素数将增大。
回旋加速器显示器的长度取决于电子需要被偏转的距离。在本例中，电子需要被偏转1.0cm(2.0cm/2)或保守地说需1.2cm以便覆盖屏幕。如果我们在板之间的间隔为0.1cm且板长度为1cm的情况下使用10V的静电偏转器，则偏转速度为
为达到这一速度，偏转器和屏幕之间的距离d只需12cm。可以在15cm以内制造整个回旋加速器显示单元。20V的偏转器会将距离减小到6cm，这意味着显示单元的长度可以减小到10cm。这些实例计算使平面屏幕回旋加速器显示器件的潜力变得更明显。这些和其它实例计算在图4中列表表示。
例1包括单个回旋加速器并产生单束电子束的单色显示单元发明的本实施例包括单个回旋加速器(见图5和6)。回旋加速器1产生被偏转单元8适当偏转的单个电子束。正如在常规CRT中那样，电子束扫描在本例中为单色屏幕的荧光屏9，并轰击该屏上的适当像素以产生图象。控制电子束的偏转以便在单色显示屏上产生图象的方法与常规CRT显示器中所用的方法相同，并且在本领域中是公知的。例如在Robert A.Meyers编辑的Encyclopedia ofPhysical Science and Technology,Second Edition,Vol.5,pp.695-701,AcademicPress(San Diego,1992)和Jerry C.Whitaker编辑的The Electronics Handbook,pp.367-386,CRC Press,Inc.(Beaverton,1996)中包含有该技术的概要描述。
例2包括单个回旋加速器并产生三束电子束的彩色显示单元发明的本实施例包括单个回旋加速器(见图7)。回旋加速器1产生一个三电子束群(利用一个电子源4，它产生在时间上非常接近的三个脉冲，或利用三个独立的电源4)，该三电子束群被单个偏转单元8偏转并在随后轰击本例中为彩色屏幕的荧光屏9。荧光屏9与在常规CRT中所使用的类型相同。荧光屏9上的各像素10包含按三角形排列或平行排列的红、绿和蓝荧光点(如SonyTrinitronTM显示器那样的排列)。控制电子束的偏转以便在彩色显示屏上产生图象的方法与常规CRT显示器中所用的方法相同，并且在本领域中是公知的。例如在Robert A.Meyers编辑的Encyclopedia of Physical Science and Technology,Second Edition,Vol.5,pp.695-701,Academic Press(San Diego,1992)和Jerry C.Whitaker编辑的The Electronics Handbook,pp367-386,CRC Press,Inc.(Beaverton,1996)中包含有该技术的概要描述。
例3包括一个三回旋加速器组的彩色显示单元发明的本实施例包括一个三回旋加速器组11(见图5和6)。该三回旋加速器组11一起产生一个三电子束群(每个回旋加速器产生一束)，该三电子束群被单个偏转单元8或三个独立的偏转单元(未示出)偏转，然后轰击彩色荧光屏9。与在例2中所述相同，控制电子束的偏转以便在彩色显示屏上产生图象的方法与常规CRT显示器中所用的方法相同，并且在本领域中是公知的。
例4包括各产生单束电子束的回旋加速器的阵列的单色显示单元发明的本实施例包括回旋加速器阵列(见图8和9)。每个回旋加速器1产生单束电子束，该电子束被单独的偏转单元8偏转，然后轰击单色荧光屏9。每个回旋加速器1和每个束映射成屏幕的一个子部分12。与例1中一样，控制电子束的偏转以便在单色显示屏上产生图象的方法与常规CRT显示器中所用的方法相同，并且在本领域中是公知的。
必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在阵列中的回旋加速器之间对其进行适当分配。可以与暂时存储信号(如果为模拟信号，则是在数字化之后)的存储芯片相结合地进行这种实质上为一种信号分离形式的处理。在本领域中信号分离是公知的。例如在Paul Horowitz和Winfred Hill编辑的The Art ofElectronics,Second Edition,pp.490-504,Cambridge University Press(Cambridge,England,1989)，特别是pp.496-97中，和Jacob Millman和Christos Halkias编辑的Intergrated Eletronics:Analog and Digital Circuits and Systems,pp.609-613,McGraw Hill(New York,NY,1972)中包含有信号分离的概要描述。在所公开的例子中对输入信号的处理还与视频墙显示器所进行的处理类似。视频墙显示器包含处理器，该处理器将预计给堆放在一起成一阵列或墙的几个监视器之中的单个监视器的图象进行划分。这种类型的信号处理在本领域中是公知的，象例如在U.S.专利5,130,794,U.S.专利4,635,105和US.专利4,563,703中所指教的那样。
例5包括各产生一个三电子束群的回旋加速器阵列的彩色显示单元发明的本实施例包括一回旋加速器阵列(见图8和9)。除了象在例4中那样每个回旋加速器1和每群映射成屏幕的一个子部分12以外，每个回旋加速器1产生一个三电子束群(利用一个电子源4，它产生在时间上非常接近的三个脉冲，或利用三个独立的电子源4)，该三电子束群被单个偏转单元8偏转并在随后轰击彩色荧光屏9，就象在例2中那样。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在阵列中的回旋加速器之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
例6包括三回旋加速器组的阵列的彩色显示单元发明的本实施例包括一三回旋加速器组11的阵列(见图8和9)。象在例5中那样，每个回旋加速器组11产生一个轰击彩色屏幕9的三电子束群，其中每个三回旋加速器组11和每群映射成屏幕的一个子部分12。每群被单个偏转单元8或三个独立的偏转单元(未示出)偏转。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在阵列中的回旋加速器之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
例7包括各包括多个电子源的单个圆柱形回旋加速器的单色显示单元发明的本实施例包括一个回旋加速器，该回旋加速器包括沿着一维方向的多个电子源(见图10)。回旋加速器1通过回旋加速器孔5发射多束电子束。象在例4中那样，电子束然后轰击单色屏幕9，并且每个电子源4和每束电子束映射成屏幕的一个子部分12。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在回旋加速器中的电子源之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
例8包括各包括多个电子源的单个圆柱形回旋加速器的彩色显示单元发明的本实施例包括一个回旋加速器，该回旋加速器包括沿着一维方向的多个电子源(见图10)。回旋加速器1通过回旋加速器孔5发射多个电子束群，每群由单个电子源或由三个电子源产生。象在例5中那样，电子束群然后轰击彩色屏幕9，并且每个电子束群映射成屏幕的一个子部分12。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在回旋加速器中的电子源之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
例9包括圆柱形回旋加速器阵列的单色显示单元发明的本实施例包括一个回旋加速器的阵列，该回旋加速器包括沿着一维方向的多个电子源(见图11)。该实施例包括沿着该一维方向的一个或更多个回旋加速器和沿着另一维方向的多个回旋加速器。各回旋加速器1通过它们的回旋加速器孔5发射多个电子束。就象在例4中那样，电子束然后轰击单色屏幕9，并且每个电子源和每个电子束映射成屏幕的一个子部分12。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在所有回旋加速器中的所有电子源之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
例10包括圆柱形回旋加速器阵列的彩色显示单元发明的本实施例包括一个回旋加速器的阵列，该回旋加速器包括沿着一维方向的多个电子源(见图11)。该实施例包括沿着一维方向的一个或更多个回旋加速器和沿着另一维方向的多个回旋加速器。各回旋加速器1通过它们的回旋加速器孔5发射多个三电子束群，每群由单个电子源或三个电子源产生。就象在例5中那样，电子束然后轰击彩色屏幕9，并且每个电子束群映射成屏幕的一个子部分12。必须在某点对输入的视频信号进行处理，以便可以在所有回旋加速器中的所有电子源之间对其进行适当分配。这种处理在例4中进行了描述。
提供上述例子是对发明进行说明而非限制其范围。发明的其它变型对本领域技术人员来说是显而易见的，并由所附的权利要求包含。在此引证的所有刊物、专利和专利申请被作为参考文献编入。
权利要求
1．用于在屏幕上显示图象的装置，包括产生一个或更多个电子束的一个或更多个回旋加速器；用于导引从回旋加速器射出的电子束的一个或更多个偏转单元；以及电子束轰击其上并由此产生图象的屏幕。
2．如权利要求1的装置，其中，每个回旋加速器包括两个D形盘和一个或更多个电子源。
3．如权利要求2的装置，其中，每个偏转单元包括能够导引电子束的至少两个偏转器。
4．如权利要求3的装置，其中，一个偏转器沿着水平轴偏转电子束，而另一个偏转器沿着垂直轴偏转电子束。
5．如权利要求4的装置，其中，屏幕是单色屏幕。
6．如权利要求5的装置，其中，有一个回旋加速器，该回旋加速器产生一束电子束。
7．如权利要求5的装置，其中，有多个回旋加速器，每个回旋加速器分别产生射向屏幕的唯一的一个子部分的一束电子束。
8．如权利要求4的装置，其中，屏幕是彩色屏幕。
9．如权利要求8的装置，其中，有产生一个三电子束群的一个回旋加速器。
10．如权利要求8的装置，其中，还包括一个三回旋加速器组。
11．如权利要求10的装置，其中，该回旋加速器组中的每个回旋加速器产生单束电子束，该回旋加速器组产生一个三电子束群。
12．如权利要求8的装置，其中，有多个回旋加速器。
13．如权利要求12的装置，其中，每个回旋加速器产生一个三电子束群，每群分别射向该屏幕的唯一的一个子部分。
14．如权利要求12的装置，其中，还包括多个三回旋加速器组。
15．如权利要求14的装置，其中，每个回旋加速器产生一束电子束，每组分别产生射向该屏幕的唯一的一个子部分的一个三电子束群。
16．如权利要求5的装置，其中，有一个包括多个电子源的回旋加速器，每个电子源分别产生射向该屏幕唯一的一个子部分的一束电子束。
17．如权利要求8的装置，其中，有一个包括多个电子源的回旋加速器，其中回旋加速器产生三电子束群，每群分别射向该屏幕唯一的一个子部分。
18．如权利要求5的装置，其中，有多个回旋加速器，每个回旋加速器包括多个电子源，而每个电子源分别产生射向该屏幕唯一的一个子部分的一个电子束。
19．如权利要求8的装置，其中，有多个回旋加速器，每个回旋加速器包括多个电子源，其中每个回旋加速器产生三电子束群，每群分别射向该屏幕唯一的一个子部分。
20．用于在屏幕上显示图象的装置，包括多个被聚焦、加速的电子束的源；一个或更多个用于导引从电子枪射出的一个或更多个电子束的偏转单元；以及电子束轰击其上并由此产生图象的屏幕。
全文摘要
本发明包括与阴极射线管(CRT)类似的回旋加速器显示器件，在其中用一个或更多个使用比CRT电子枪低的电压和能耗的产生电子的回旋加速器代替CRT电子枪。这可以用于单色和彩色显示器，如所公开的那样。此外，电子以足够的速度从回旋加速器射出，从而消除了对加速电极的需要。由于电子以束而不是分散的云的形式从回旋加速器射出，因此对电子进行聚焦的需要也大大减小或消除。回旋加速器显示组件可以被做得明显短于常规电子枪CRT。此外，可以使用回旋加速器阵列而不是单个回旋加速器，从而使每个回旋加速器映射成图象屏幕的一个子部分。这进一步减小了回旋加速器显示器的长度。
文档编号H01J29/04GK1237872SQ99103040
公开日1999年12月8日 申请日期1999年2月3日 优先权日1998年2月3日
发明者杨维邦, 杨凯, 洪姮娥 申请人:杨维邦, 杨凯, 洪姮娥