专利名称:施利尔雷恩暗场型光阀投影器的偏转系统的制作方法
本发明主要与施利尔雷恩(schlieren)暗场型光阀投影系统的改进有关;更具体地说，与偏转系统的改进有关;这种改进使上述光阀的结构简化，性能提高。
Schlieren暗场型光阀投影系统已进入市场多年，性能优良。关于这种彩色投影系统的已有技术的典型描述，可参阅美国专利第3，290，436号，第3，352，592号和第3，437，746号，这些专利都是属于W.E.Good等人的。在下文中，将结合图1、图2和图3，对这种类型的投影系统工作原理作简要描述。
图1所示为一个单枪电视光阀组件，包括灯10，密封光阀12和Schlieren投影透镜14。密封光阀12有一玻璃罩，该罩内有电子枪16，入射狭缝18、聚焦一偏转系统20、旋转圆盘22上的控制层32和液体槽24。
由电子枪16发出的一束电子束，穿过阴极孔阑11，电子束将电荷图形“写”在控制层32上。这些电荷图形使控制层产生表面形变;形成衍射光栅。在已有技术装置中，通过电极23，25，27和21将电子束聚焦、偏转和调制。控制层上的表面形变使通过控制层32和转盘22的光线受到衍射和调制。
聚焦一偏转系统20中包括三个电极组，每组有四个正交设置的电极;从而形成三个电极“箱”，分别称作C箱23，D箱25和F箱27;20中还包括筒状电极21。第一个电极箱，即C箱23，装在入射窗口的孔阑附近，用来将电子束对准中心和预偏转。在后面的两个电极箱，即D箱25和F箱27上，加有直流和交流电压，使均匀聚焦的电子束在控制层32上形成孔阑11的像，这个像扫过整个光栅屏面。这就使控制层液体受到电荷控制的均匀调制，从而产生均匀的彩色投影像。在聚焦偏转箱，D箱25和F箱27，之后，装有漂移环21，它与转盘22上的透明电极一起作用，组成聚焦偏转系统20中最后一组电子透镜元件。
光调制液体的具体例子在下列美国专利中有所描述W.Plump的第3，288，927号，Edward F.Perlowski，Jr的第3，317，664号和第3，317，665号，Carlyle S.Herrick等的第3，541，992号，C.E.Timber-lake的第3，761，616号，还可在这种液体中加入添加剂，如David A.Orser的美国专利第3，764，549号中所描述的那样。总之，控制层或光调制液体是一种很特殊的化学化合物，这种液体可通过特殊的添加剂加以改变，这种液体的电-机械特性和粘滞-弹性特性正是电子束控制光阀的有效的控制层所应有的特性。
在基本集光系统中，有一个弧光灯10，它可以是氙灯;灯的弧光位于反射器系统的焦点上，该反射器系统可以是如图中所示的简单椭园反射器，或如在美国专利第4，305，099中所描述的复合反射器，该专利申请人是Thomas T.True等。由反射器反射出的弧光经过一对透镜片射出，这对透镜片上有沿水平方向排成行、和沿竖直方向排成列的多个矩形凹凸。如图1所示，第一个镜片在28处，第二个镜片在光阀12的玻璃罩的光入射表面。由灯10发出的光在通过彩色滤波片26和凹凸透镜28后，才进入光阀12。
光阀12玻璃罩的内部表面上附有一层光入射模片18，模片形成狭缝，可以采用、例如气相沉积法形成。入射狭缝18的一般图形如图1所示，由一系列透明的狭缝和不透明相间的窄条构成。由灯10发出的经滤波的光线，经过这些透明狭缝后才进入光阀12。凹凸透镜28的镜面和在光阀12玻璃罩光入射表面上形成的对应镜面组成聚焦透镜对，该透镜对首先将经过滤波的光点聚焦在光模片的狭缝上，然后将光线在控制层屏面32上再次成像，使用这种装置，可以使弧光灯发出的光得到有效利用，并使光以矩型图型均匀地分布在光调制介质或控制层32上。
Schlieren投影透镜14包括Schlieren透镜元件29，出射色彩选择条30和投影透镜系统31。输出选择条30的图形与狭缝18互补。也就是说，在出射条板上，窄条的排列与入射狭缝18上狭缝的排列在光学上相互对应，使得当没有衍射光通过控制层32时，光线被聚焦并被阻挡在出射条板的窄条上。这样就产生了“暗场”条件，即如果偏转系统20的水平和垂直偏转片上没有加上光栅扫描信号，则不会有光透过。但是需要指出，扫描光栅和向控制层提供电荷的电子束是稳恒电流电子束，电子枪16并不对电子束进行强度调制(仅在水平和垂直回扫周期内电子束被关断)。
图1的下半部分是发光体和光阀的截面图。图1底部的光谱图说明了光在进入光阀前是如何被预滤波的。
图2是光阀的简图，说明三个基本光栅的色彩选择机制，由转盘22(见图1)支持的控制层32上有三个不同的衍射光栅，分别用于红光、绿光和蓝光，如图2所示。这些光栅可以单独地或同时地写出，实际上在一般情况下这些光栅是彼此叠加在一起的，仅为了说明方便起见，图2中控制层32上的三个光栅被画成是分离的。
图1和图2所示的光阀投影系统中，绿光通过入射条板18的水平狭缝，并受到衍射光栅的控制;衍射光栅是通过调节在控制层32上扫描的光栅线的高度形成的。如图3所示，这是通过用绿色图象信号号调制加在垂直偏转板上的高频载波的幅值而完成的。品红(红色加兰色)光通过入射条板18的竖直狭缝，并受到由电荷产生的衍射光栅的控制;当电子束点沿水平方向扫描时受到速度调制，从而产生出与光栅线走向垂直的衍光栅。如图3的例子所示，将一个16MHZ(如蓝色则为12MHZ)信号加在水平偏转板上，并用红色图象信号对它进行调制，如图3所示。在控制层32上生成的沟槽之间有适当的间隔，从而使光谱中的红色部分衍射通过板30的竖直出射狭缝，同时使兰色部分被挡住。(当使用12MHZ载波时，兰光从板30的竖直狭缝通过，红光被挡住)。
由此，可以用同一电子束写出三个同时存在并彼此交叠的基色图象，并作为一个完全重合的全彩色图像投射在屏幕33上。通过控制单一扫描电子束，在液体表面的每个图像单元的范围内写上微型衍射光栅，即可产生彩色。这些光栅使入射光发生衍射，偏离光线在出射条上原来的位置;光线经过出射条的空间滤波后，只有所需要颜色的光才能到达屏幕。衍射光的通量取决于控制层上形成光栅的厚度。这种技术可以将全彩色电视图像写在单一的控制层上，而不需进一步对准。
图3是组成基本光阀投影电路的方框图。在编码器34的输入端输入一个复合图像信号，得到红、蓝、绿图像信号的输出。这些信号分别被加在调制器36，38和40上。光栅发生器42提供载波信号，在本例中频率分别为16MHZ和12MHZ，分别被送入调制器36和38;还向调制器40提供频率为48MHZ的信号。由红色调制器36和蓝色调制器38输出的信号经过合路后，与水平偏转信号发生器44的输出信号叠加。由绿色调制器40输出的信号与垂直偏转信号发生器的输出信号叠加。
图1，图2和图3所示的基本Schlieren暗场光阀投影器已经过多年发展，成为一种高效率投影器，所产生的图像色彩平衡，分辨率高、质量优越。尽管如此，人们一直在探索，希望能在不降低性能的前提下，简化光阀结构，从而降低生产成本。
本发明目的在于使Schlieren暗场式光阀投影系统的设计和制造获得改进。
本发明的另一个更具体的目的是为光阀系统提供一种简化的偏转系统。
本发明的进一步目的是为Schlieren暗场式光阀投影系统提供一种偏转系统，使球面像差和偏转聚焦像差能显著减小。
本发明还有一个目的，为上述类型的光阀提供一种偏转系统，它的生产成本较低，但投影像的质量仍然很好。
按照本发明，对基本光阀系统进行改进，使目前使用的三组电极箱减少一组。通过改变加在剩下的两组偏转电极箱上的直流和交流电压，即可实现上述改进。在入射窗口的中间电极上叠加了一个静态推一推四极直流电压。两个竖直极板上加有相等的负电压，两个水平极板上加有相等的正电压。下一组偏转极板上加有极性相反的直流推一推四极电压，以使像点在水平和竖直两个方向上聚焦在公共平面上。这些透镜补偿了球面像差和偏转聚焦像差的复合效应，并与静态四极透镜相互作用;这种透镜是通过方型偏转箱电极和圆漂移环作用而产生的。
通过取消一组偏转极板，使所需极板数目减少，并消除了电压连接，从而简化了制造过程。更进一步，这还使调试过程大为简化，使生产成本降低。
上述和其它的有关本发明的目的、特征和优点可以通过以下的详细描述、并参照以下附图得到更好的了解。这些插图中，图1是简化截面图，表示采用已有技术的光阀投影系统的结构。
图2是简化示意图，表示采用已有技术的光阀投影系统的原理。
图3是方框图，表示采用已有技术的光阀投影系统的调制偏转系统的基本电路。
图4是采用本发明的新型光阀的主要部件分解示意图。
图5A和图5B分别是老式的12极板偏转系统和采用本发明的新式8极板偏转系统。
图6是图4所示光阀的截面图，画出了采用本发明的8极板偏转系统的细节。
在各附图中，采用相同的编号表示同一或对应的部件。参照附图，特别是图4，它是新式Schlieren暗场光阀内部真空部件的分解图。真空罩包括入射窗口51，聚焦偏转筒52，后座53，后座上铸模凹槽55用于放置泵组件70和面板58。电子枪组件16装在入射窗口51的中心孔阑处;在入射窗口51的内表面上形成入射狭缝或条板18，其作用和已有的这类光阀上的作用相似。
聚焦和偏转组件包括两组电极，而已有技术都需要三组电极(见图5A)。总之，D箱四电极组已被取消，只保留C箱和F箱电极组。C箱四电极组由一对水平极板61和一对竖直极板62组成，装在入射窗口51的中心孔阑附近。按照本发明的一个方面，在上述第一组电极上加有静态推一推四极直流电压。在两个竖直极板62上加有相同的增量电压-60伏;在两个水平极板61上加有相同的增量电压+60伏。这些电压值仅是说明性的，正如熟悉这种技术的人所了解的，四极电压的精确值是随其后的偏转箱、漂移环和圆盘电压的直流分布的不同而变化的。第二组偏转极板由一对竖直偏转极板63和一对水平偏转极板65组成，位于圆筒52中。这就是F箱电极组。与电极61和62的情况相同，偏转极板63和65上加有相反的直流推一推四极电压，以便将水平和竖直的电子束在公共焦平面上成像。熟悉这种技术的人可以看出，加在电极61和62以及偏转电极63和65上的四极电压的作用是产生两个正交柱透镜。这两个透镜的作用是使曲率相反电场的水平和竖直像斑的尺寸减小。
如图4所示，位于圆筒52中的F箱偏转极板63和65是由支架66支持的，这个支架还为偏转极板提供电气连接。在偏转极板63和65之后，但在后座53之内，有一个柱型漂移环组件68，它与圆盘83上的透明电极一起，构成聚焦偏转系统。在图4中，仅画出了漂移环组件中的一个漂移环，但分离型漂移环组件也使用了。关于这种漂移环组件细节的描述，请参阅转让给本申请的共同受让人的于1986年提交的专利申请S.N.06/-.(文档38-AE-9790)，题目为“光阀中聚焦偏转用的分离型漂移环”。筒型电极在图4中没有画出，它是采用真空蒸镀方法在圆筒52内表面上形成的金属膜。这个筒状电极，在下文中称作环A，是本发明的一个重要部分，还要结合图5B和图6进行更详细的描述。
齿轮泵的总成记作70，位于后座53的凹槽55中。齿轮泵包括位于机座72内的齿轮71，齿轮由磁铁73驱动。磁铁73与一个由电机驱动的旋转磁铁耦合，电机(图中未画出)的轴与泵70的轴平行，泵70装在用于支承泵体的凹槽55的后外表面上。磁铁73上装有轴向屏蔽74，以消除磁场对电子束的影响。另一个磁屏蔽装在光阀投影系统中，以防止投影器内的磁场或地磁场对电子束的影响。
后座53，包括支持泵组件70的凹槽55，和面板58，基本上构成了液体槽24(在图1中画出)。齿轮泵70位于液体槽中，泵工作时可将液体抽过滤波器76。滤波器76夹在滤波器座77和穿孔板78之间，这一组合固定在挡板81上。挡板81大体上是一个圆盘，盘上有前凸翻边，恰好将转盘83围住。圆盘83由轴承84支撑，并可绕其旋转;装在挡板81中心的销子穿过轴承。环形齿轮85装在圆盘83的周边上，由齿轮泵70上的凸齿轮75驱动。
在圆筒52侧面，装有真空保持装置89，这个装置是用来收集玻璃罩密封后的剩余气体物质、或光阀工作时产生的气体物质的。
图5A和图5B比较了旧式聚焦偏转系统和采用本发明的新式聚焦偏转系统之间的差别。图5A中所示的光阀聚焦偏转系统由三个箱组成(分别记作C箱、D箱和F箱)，每箱由四千极板组成，系统的终端部分包括两个电气分离的轴向漂移环和靶盘电极;图5B所示为经过简化的上述光阀聚焦偏转系统，包括顺序排列的两个箱C和F，和由两个漂移环和靶盘电极构成的终端部分。因此，在图5B中，用记作环A的单一圆筒代替了具有四个彼此电气分离的电极的D箱、四条贵线和其它外部连线。
在本发明的一个实施例中，环A由圆筒52内表面上的导体镀膜形成，如图6所示。实际上，D箱四电极组已被取消，而代之以光阀真空壁上的导体镀膜，和一根由玻璃罩内引出的电路连线。通过向改进的电极组件上加新的直流电压值，和向保留下来的C箱和F箱电极组上加新的偏转波形的幅值，就可以在扫描区内完全达到光栅偏转的电光性能和均匀的射束聚焦。
在旧式的12极板系统中(见图5A)，阳极上孔阑11的工作电压是直流7200伏。阴极电流IR入射在孔阑11上。当阴极上的入射电流约为1.2安/厘米2时，小孔阑11的透过电流约为5微安。孔阑形成电光物，并被聚焦在光栅平面上，在光栅区中形成均匀聚焦的无放大像，成像需要将适当的竖直和水平偏转波形加在C箱、D箱和F箱电极上，并同时把适当的聚焦直流电压加在电子枪的锥状电极、入射条电极、C箱电极、F箱电极、环B、环C和圆盘电极上。对12极板系统的主要要求是离轴电子束轨迹在有径向位移处，并与系统轴成某一角度进入F箱，使轨迹先通过第一偏转畸变场区，再通过补偿电子束畸变场区，这两个区的作用互相抵消。第一区是由离轴偏转场产生的，补偿区是由加在环B上的电压和正方F箱电压的相互作用静场而产生的。电子束射入F箱区的轨迹是由加在C和D箱电极上的预偏转扫描电压决定的。这个预偏转入射轨迹对于确定电子路径，使它在通过F箱和RB和RC漂移环时得到补偿畸变是非常重要的。
在取消D箱后，仅靠C箱不能提供所需的入射路径，使进入F箱和漂移环区时获得补偿畸变。本发明采用的8极板结构上所加的电压有所改变，以便改变由RB漂移环和F箱确定的静场透镜的补偿场，和由C箱扫描电压和新A环确定的、射向F箱入口静透镜场的入射轨迹;这样，可以产生一组新的入射轨迹，与穿过F箱和RB、RC环空间的出射轨迹相匹配。由经验已确定，可以通过改变加在作为环A的3.5英寸导体镀膜上的直流电压，在这一空间产生透镜，它与C箱上的预偏转扫描电压的新值一起，可以有选择地改变射入F箱的轨迹的入射位置和角度，以便与必须遵守的、穿过F箱和RB、RC空间的补偿路径相匹配。
所需的像差补偿出射路径可由RB漂移环上的直流电压值来控制，用这个电压值可以改变由RB漂移环和F箱电极形成的静场四极透镜。因此，由实际经验得知，通过改变A环电压、B环电压和加在C箱电极上的预偏转扫描电压，可以实现最佳均匀聚焦。除了通过重新设定上述电压和扫描电压值、以实现扫描光栅区的最佳像斑均匀度外，还可通过下述方法得到进一步的改善电子枪锥状电极的电压通常是7.2千伏，在旧式的12极板系统中，它与相邻的电压也为7.2千伏的阴极电极一起，在从孔阑11到进入A环空间很多的轴上一点之间形成无场(即无聚焦)路径;将7.2千伏电极电压改为7.2千伏以下，如5.0千伏，即可在锥状电极区形成正球透镜。这样得到的锥状电极透镜减少了电子束的发散性，使到达F箱空间的电子束直径减小。在这个F箱区中，上述像差随电子束直径的三次方而增加。因此，电子束直径的微小减小，就会使像差大幅度减小，从而减小了对匹配补偿像差的严格依赖。利用这个效应，减小了对进入F箱区的轨迹路径的严格依赖。
对工作电压的另一修改是在C箱电极61和62上加静态四极电压从而改进了聚焦偏转系统。竖直偏转电极对62的电极工作电压为直流+7140伏;水平偏转电极对61的电极工作电压为直流+7260伏。由此得到的差分电场沿C箱轴向空间形成四极透镜。按照这种所加电压的极性，当在F箱电极63和65上加有对称的聚焦直流电压时，像斑尺寸在竖直方向比在水平方向上聚焦快。从而，通过在竖直F箱电极63上加适当的正增量直流电压、和在水平F箱电极65上加大小相等的负增量直流电压，在F箱中形成了补偿四极透镜(到C箱的正交柱透镜)。C箱和F箱四极透镜的级联排列所产生的复合效应，使所需要的在扫描区实现均匀像斑的性能得到进一步提高。
总之，在推荐的本发明实施例中，由实际经验确定出以下电压值和尺寸电子枪锥状电极电压 +5000伏A环电极电压 +7000到9000伏A环直径 3.5英吋C箱电极标称电压 +7000伏水平极板增量电压 +60伏竖直极板增量电压 -60伏轴长 0.6英吋电极间距 0.4英吋F箱电极标称电压 +30伏水平极板增量电压 0伏竖直极板增量电压 +60伏轴长 2.6英吋电极间距 2.4英吋第一漂移环电压 +4000到5000伏第一漂移环直径 2.9英吋第二漂移环电压 +5000到7000伏第二漂移环直径 2.9英吋电子束靶电极电压 +4000到6000伏电子束整形孔阑到C箱电极入口距离 1.5英吋C箱电极出口到F箱电极入口距离 1.9英吋F箱电极、第一和第2漂移环和靶电极之间的距离各为 100密耳更一般地说，第一组电极的长度是第一组电极间距的1.2至1.8倍，第二组电极的长度是第二组电极间距的1.0至1.6倍，电子束整形孔阑到第一组电极入口处的间距为0.5至2.5英吋，第一组电极出口到第二组电极入口的间距为第一组电极间间距的3至6倍，筒状电极的直径是第一组电极间间距的6至10倍，漂移环直径是第二组电极间间距的1.1至1.25倍。
因此，通过采取以下措施，成功地取消了D组电极a)用一个大体为球状的透镜筒状电极，即环A，代替D组电极;筒状电极与F箱入射平面相互作用，调整它的电压可以得到最佳入射轨迹。
b)变化加在C箱电极上的预偏转扫描电压值，使它与由环A到F箱透镜的部分配合工作。
c)将锥状电极的电压减小到一个适当值，使电子枪内形成正透镜，从而使电子束在向聚焦偏转空间行进过程中直径得到减小。
d)将RB环上电压调整到一个由经验确定的数值，使该区内的轨迹得到最佳补偿。
e)最后，按照所示极性，在C箱区和F箱区增设级联四极透镜，使电子束的水平和竖直直径和轨迹按相反方向变化，以使由偏转波形引起的曲率相反的场得到进一步补偿。
按照本发明，对改进的8极板组件的有相互影响的电调整，都是为了能充分减小和/或补偿离轴电子束的像差，使在光栅区的垂直和水平方向上都能得到大小均匀的像斑;光栅区的大小应能达到均匀的调制效率。
仅管本文只用一个特殊的实施例描述了发明，了解这种技术的人可以看出，本发明可在权利要求
范围以内以其它修改的形式实现。
权利要求
1.一种改进的静电电光系统，用于使在电子束整型孔阑形成的电子束物成像并在扫描光栅区内使所述电子束扫过光栅区，同时在整个扫描区上使电子束保持放大和聚焦，所述系统由下述各部分组成偏转电极组件，包括第一组四个控制电极，筒状电极和第二组四个控制电极，上述筒状电极沿上述偏转电极组件的轴向，位于上述第一与第二组四电极之间，每个四电极组中有一对竖直偏转极板和一对水平偏转极板；用于向第一组竖直偏转极板上加增量直流电压，和向第一组水平偏转极板上加大小相等、极性与竖直极板上相反的增量直流电压的装置；用于向第二组竖直偏转极板上加与第一组极性相反的增量直流电压，和向第二组水平偏转极板上加大小相等，极性与竖直极板上相反的直流电压的装置；多元漂移环组件，它的轴与偏转电极组件的轴同行。电子束靶电极，其轴与电极组件的轴分离。
2.权利要求
1中所述的改进型静电电光系统，其中所述电子束整形孔阑有一个矩型截面。
3.在权利要求
1中所说的改进型静电电光系统中，第一组电极的长度是第一组电极间间距的1.2至1.8倍，第二组电极的长度是第二组电极间间距的1.0至1.6倍，由电子束整形孔阑到第一组电极入口的间距是0.5至2.5英吋，由第一组电极出口到第二组电极入口的间距是第一组电极间间距的3至6倍，筒状电极的直径是第一组电极间间距的6至10倍，第一和第二漂移环的直径是第二组电极间间距的1.1至1.25倍。
4.权利要求
1中所说的改进型静电电光系统，其中多元漂移环组件包括第一和第二漂移环以及电子枪;电子枪的轴与上述偏转电极组件的轴平行，用来产生射向上述电子束靶电极的电子束;上述电子枪的锥电极上的直流电压约为5000伏;上述第一组电极的标称工作电压为直流+7000伏，其中水平偏转极板的增量电压为+60伏，竖直偏转极板的增量电压为-60伏;上述第二组电极的标称工作电压为直流+30伏，其中水平偏转极板的电压为0伏，竖直偏转极板的电压为+60伏;上述筒状电极的工作电压在直流7000至9000伏之间;第一漂移环的工作电压在直流+4000至5000伏之间;第二漂移环的工作电压在直流+5000至7000伏之间;电子束靶电极的工作电压在直流+4000至6000伏之间。
5.在权利要求
4中所说的改进型静电电光系统中，第一组电极的长度是0.6英吋，第一组电极间间距是0.4英吋;第二组电极的长度是2.6英吋，第二组电极间间距是2.4英吋;由电子束整型孔阑至第一组电极入口的间距是1.5英吋，由第一组电极出口至第二组电极入口的间距是1.9英吋;筒状电极的直径是3.5英吋，第一和第二漂移环的直径是2.9英吋;第二组电极与第一漂移环的间距、第一和第二漂移环间的间距、第二漂移环与电子束靶电极的正常间距都是100密耳。
专利摘要
一种经改进的用于Schlieren暗场投影器光阀的电子偏转系统。该偏转系统取消了原来投影器所用的三组偏转电极中的一组(D箱25)。这是通过改变加在偏转电极上的直流电压和交流电压实现的。在第一控制箱电极组上加有四极直流电压；在第二控制箱电极组上加有第二个四极直流电压，与第一组的极性相反。这样使电子束的竖直角和水平角受到不同改变，使电子束竖直和水平方向的轨迹受到不同改变，从而补偿了由球面象差，偏转聚焦象差，静场四极透镜产生的复合影响。
文档编号H01J31/10GK87105269SQ87105269
公开日1988年3月16日 申请日期1987年8月1日
发明者阿尔弗莱德·G·卢新 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan