專利名稱:靶以鐵電方式運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明敘述的是一個包括電絕緣材料靶子的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)，而透射光取決于和光的傳播方向平行的電場。這里指的是用電子束掃描所述靶子的第一個面，一個用來收集被電子束打出的二次電子的陽極，一個裝在靶第二個面的透明而導(dǎo)電的平板，該平板接收視頻信息電信號，從而形成一個控制電極，該靶由一種在低于某一溫度時就變成鐵電體的材料組成，這個溫度稱為居里溫度，在這個溫度附近光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
用在電視放映機(jī)中的這種光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)已在書FR1，473，212和FR1，479，284中說明。為了更好地了解這個發(fā)明，下面對上述光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行敘述。至于更廣泛的信息可以從引用的資料中查到。
本發(fā)明敘述的是把一個隨時間變化、并代表視頻信息的電信號轉(zhuǎn)換成可見的圖象。眾所周知，這是電視接收機(jī)的功能之一。
在這樣一個接收機(jī)的顯象管中，電子束通常有三個基本的轉(zhuǎn)換功能功能f1-電子束將提供的能量轉(zhuǎn)變成光，因而管子的光輸出功率總是低于由電子束轉(zhuǎn)換過來的功率;
功能f2-電子束對圖象表面掃描;
功能f3-電子束用于視頻信息。
由于功能f2和f3，尤其是由于電子束的功率，使圖象的亮度不可能被提高到所希望的某種程度，例如投射到大屏幕上去所要求的程度。
為此建議將上述功能分開，例如用一個弧光燈來完成功能f1，而功能f2和f3則用一個所謂的“光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)”來完成。在這種情況下使用一塊晶體，該晶體可產(chǎn)生電光效應(yīng)，即所謂的“泡克耳斯效應(yīng)”(“Pockels effect”)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)雙酸晶體磷酸二氫鉀KH2PO4(此后叫KDP)是適合的。
這個效應(yīng)可以部分地和簡要地描述如下當(dāng)電絕緣晶體沿晶軸方向C受到電場作用時(三個晶軸a、b和c構(gòu)成一個三維直角框架，在這時候，c軸是光軸)，對于在ab面內(nèi)的線偏振光沿c方向傳播的光線來說，晶體的折射率n取決于所述的偏振方向。更確切地說，如果用X和Y標(biāo)志a軸和b軸的二等分線，并且如果相對于這些不同方向的晶體參數(shù)也以用于這些方向的字母來描述，那么在ab面內(nèi)的折射率圖就形成一個以X和Y為軸的橢圓，而不是圓，并且折射率差nx-ny與所加電場成正比。如果入射光線是偏振的(其偏振方向平行于a軸)，例如，當(dāng)出射偏振器的偏振方向與b軸平行時，則通過出射偏振器的光的強(qiáng)度I＝I0Sin2KV，而當(dāng)該偏振器的偏振方向與a軸平行時，則有I＝I0Cos2KV，如果沒有寄生吸收發(fā)生的話，這里的I0就等于入射光的強(qiáng)度，而V就是晶體兩個面之間的電位差，K是取決于所用晶體材料的系數(shù)。
如上所述，為了用上述裝置通過一個燈得到投影圖象，有效的方法是在平行c軸方向加電場，使靶上任一點(diǎn)產(chǎn)生電場值，而且各點(diǎn)的電場值與所得到的圖象在各個點(diǎn)的亮度一一對應(yīng)。為了這個目的，由電子槍發(fā)射的電子束穿過常規(guī)的偏轉(zhuǎn)元件在靶上掃描;因此電子束完成功能f2。功能f3中電場的控制也由電子束以下述方式完成。
當(dāng)電子束打擊靶的表面時，如果電子束的能量保持在適合的范圍內(nèi)，而且就陽極的電位來說是足夠地高，這樣就引起二次電子的發(fā)射，它們在數(shù)量上遠(yuǎn)比入射電子多得多。這就導(dǎo)致被擊點(diǎn)的電位增加，因此陽極與上述該點(diǎn)之間的電位差就減少。如果由電子束到達(dá)該點(diǎn)的電子數(shù)量足夠多，則電位差變成負(fù)的，而且可以達(dá)到這樣一個數(shù)值(例如，-3伏)，即每一個入射電子只發(fā)射一個二次電子。于是，該點(diǎn)的電位相對于陽極電位就被固定在一個極限值上。因此，考慮到掃描速度，如果電子束強(qiáng)度是足夠地高，則此要求就能滿足。當(dāng)陽極電位恒定時，如上所述，電子束的每個通道則將被擊表面上任一點(diǎn)A的電位固定在數(shù)值V0上，它與該點(diǎn)及通過的瞬時無關(guān)。但是在靶的另一面，在該點(diǎn)產(chǎn)生的對應(yīng)的電荷卻取決于它附近的控制電極的電位。
如果在通過瞬間，該電極的電位稱為VA，則上述電荷與V0-VA成正比，VA代表在它通過瞬間視頻信息信號的值。
靶由KDP單晶制成，其中95%的氫是重氫(氘)，靶的雙折射取決于電場。
晶體的厚度一定時，泡克耳斯效應(yīng)與晶體表面上產(chǎn)生的電荷成正比，因此當(dāng)控制電壓給定時，它也與晶體的介電常數(shù)成正比。為此，使用一種低于某個溫度(稱為居里溫度)時可以變成鐵電體的晶體做靶，同時，利用這個所謂居里溫度，因?yàn)槟菚r介電常數(shù)可以達(dá)到很高的數(shù)值，并且通過容易獲得的控制電壓使光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)工作(泡克耳斯效應(yīng)與乘積εV成正比)。
具備這種現(xiàn)象的最常用的晶體是酸性鹽，特別是這類平方晶體中的KDP，它的光軸與晶軸c平行。它的居里溫度大約為-53℃。在高于居里溫度時，KDP是平方晶體，屬42m對稱群，并呈現(xiàn)順電特性。在低于居里溫度時，KDP變成正交晶體，屬2mm對稱群，并呈現(xiàn)鐵電特性局部自發(fā)極化和呈現(xiàn)鐵電疇。
在環(huán)境溫度下，晶體是各向異性的，但在居里點(diǎn)附近各向異性變得很顯著。狀態(tài)的改變伴隨著沿晶軸方向的物理性質(zhì)的突變-壓電系數(shù)-電光系數(shù)-介電常數(shù)εX和εZ。
這樣，介電常數(shù)εZ的值可從環(huán)境溫度下的60左右變到居里溫度下的30.000。
眾所周知，從電學(xué)-光學(xué)的觀點(diǎn)來看，KDP晶體的表觀厚度e為e = l (εXε ′Z)0. 5]]>當(dāng)εX/ε′Z較小時，靶好像變得很薄了，其中ε′Z是當(dāng)晶體用機(jī)械方法加工后的εZ值。實(shí)際上，在光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)中，厚度l接近250微米的KDP單晶片被堅(jiān)固地粘合在一個堅(jiān)硬的支架上一個厚度為5毫米的螢石板。
因此，光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)的靶通常要被冷卻到約為-51℃的溫度，也就是說該溫度稍微高于居里點(diǎn)。在此條件下εX/ε′Z≈1/9，晶體的表觀厚度約為80微米，這時它使光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)具有很好的圖象分辨率。低于居里溫度下，εX/ε′Z比值還會更小，能顯著地改善圖象分辨率。
至此，通過被冷卻到低于居里溫度時的靶，還不能放映電視圖象。實(shí)際上，由于狀態(tài)的改變，鐵電疇系統(tǒng)地呈現(xiàn)出來，在放映屏上產(chǎn)生大量的垂直和水平的亮線，它們不規(guī)則地排列在圖象上。這些鐵電疇相當(dāng)于具有不同原子排列的區(qū)域。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)，它僅僅在低于靶的居里溫度時才運(yùn)轉(zhuǎn)，以便使最后的圖象質(zhì)量不會由于出現(xiàn)不規(guī)則排列的亮線而變壞。
正如開始幾段內(nèi)容所明確的那樣，本發(fā)明的特點(diǎn)在于，為了保持靶處于運(yùn)轉(zhuǎn)時所要求的溫度，光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)具有一個熱交換器，它的作用是使靶在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時具有-一個有效的中心區(qū)，在該區(qū)，靶呈現(xiàn)單疇鐵電相，并且-有一個高于居里溫度的中性的外圍區(qū)，在該區(qū)，靶呈現(xiàn)順電相。
當(dāng)我們比較在順電相和鐵電相的比值εX/ε′Z時，不難發(fā)現(xiàn)讓靶在鐵電態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)可以改善它固有的分辨率。
應(yīng)用中已經(jīng)顯示了在低于居里點(diǎn)溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，比值εX/ε′Z變得很小，從而顯著改善了光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)的圖象分辨率。一般來說，當(dāng)空間頻率為每線1000個點(diǎn)，而額定束流為60微安時，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度(-51℃)下其對比度為11%，而當(dāng)靶的溫度比居里點(diǎn)低時，在約為10度的變化范圍內(nèi)(從-63℃到-53℃)，對比度可達(dá)到24%。
按照通常的設(shè)計(jì)方法，矩形KDP靶被粘合在螢石片上，螢石片是一個合適的熱導(dǎo)體。該螢石片安裝在一個環(huán)形銅架上，銅架起冷交換作用，而且銅架被安裝在珀耳貼效應(yīng)(Peltier-effect)致冷元件上。
采用這種方法，靶是用向心方式冷卻即KDP靶的拐角首先達(dá)到居里溫度，然后是各個棱邊;形成一個“冷圈”，它標(biāo)明兩個階段的邊界，中心是順電體而周圍則是鐵電體。同時，在已變成鐵電體的周圍區(qū)域出現(xiàn)的許多鐵電疇之間，已經(jīng)觀察到明亮的分界線。這些分界線起源于存在KDP靶的邊緣的微小的、但卻是不可避免的缺陷。
因此，本發(fā)明的目標(biāo)之一是使冷卻從靶的中心伸展開，阻止冷圈到達(dá)靶的邊緣，以便得到一個在中心是鐵電體而周圍是順電體的晶體。從而，對于圖象投射最有用的中心區(qū)域就是單疇鐵電體。只要中心鐵電體區(qū)域仍然是被周圍順電體區(qū)域所包圍，這個狀態(tài)就可以保持穩(wěn)定。
按照第一個實(shí)施方案，為了投影圖象要保護(hù)中心區(qū)的光學(xué)性質(zhì)，靶通過中心的冷卻是按以下方式獲得的，即在螢石片周圍開一個深槽，從而實(shí)質(zhì)上拉長了銅支架和KDP靶周圍之間的熱傳導(dǎo)路程。
按照第二個實(shí)施方案，螢石支架由兩塊通過切割并拋光的螢石組成，其中一塊有一個呈斜面的邊緣，并且，一塊放在另一塊中心部位的頂部。
按照第三個實(shí)施方案，為了形成一個比KDP靶尺寸稍小的平的表面，螢石支架要經(jīng)過切割、拋光并且有一個呈斜面的邊緣，這樣在粘合以后靶可以由接觸區(qū)發(fā)射。
現(xiàn)在我們用下面的圖對本發(fā)明作更詳述地解釋，這些圖是作為非受限的例子而給出的，它們分別是圖1按照先有技術(shù)給出的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)最重要部分的剖視圖;
圖2介電常數(shù)εX、εZ、ε′Z隨溫度變化的函數(shù)曲線;
圖3把靶安裝在冷卻元件上的截面圖;
圖4按照本發(fā)明的第一個實(shí)施方案，把靶安裝在熱交換器上的截面圖;
圖5按照本發(fā)明的第二個實(shí)施方案，把靶安裝在熱交換器上的截面圖;
圖6按照本發(fā)明的第三個實(shí)施方案，把靶安裝在熱交換器上的截面圖。
圖1是用圖解方式表示按本發(fā)明給出的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)所必需的元件，以及為了通過放映透鏡4在屏幕2上再現(xiàn)一個可見圖象所需要的配合部件。光由燈6提供，雖然也可以使用其它類型的燈，但圖上給出的是一個白熾燈。光通過準(zhǔn)直透鏡8，然后通過一個用來抑制紅外熱輻射的間隔10。光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)必不可少地由靶12構(gòu)成，靶12由一塊平行管狀KDP單晶構(gòu)成，單晶的光軸C與主面成直角;這塊晶體放在兩塊正交的偏振器14和16之間，它們的偏振面與單晶的另外兩個晶軸(a和b)平行。熱交換器18與靶12連接，它使靶保持在居里溫度附近。電子束射向靶的左側(cè)的面，電子束用虛線表示，它是從電子槍20發(fā)射出來的。電子束通過偏轉(zhuǎn)裝置22在靶12的整個有用表面上周期地掃描，偏轉(zhuǎn)裝置22由接收器24的掃描信號控制。接收器24通過同步信號和實(shí)際的視頻信號轉(zhuǎn)換成掃描信號，而接收器由輸入端26接收視頻信號。裝置28為上述某些器件和陽極30提供所需要的直流電壓。為了便于說明，陽極用一塊平行于光束的平板來表示，當(dāng)然，這種裝置允許光自由通過，但是它對于收集二次電子并不是十分有效，這些二次電子是通過用電子束打擊靶，而由靶12表面上所有各點(diǎn)發(fā)射出來的。所以，在實(shí)踐中把陽極安裝得和靶12的表面平行，并且緊挨著它。因?yàn)槿肷潆娮邮凸獗仨毚┻^陽極，陽極應(yīng)有合適的結(jié)構(gòu)，例如用一個格柵構(gòu)成。板38是一塊導(dǎo)電而透明的平板，例如用一塊金制的薄膜構(gòu)成，它裝在靶12的后面。接收器24把視頻信息信號加到這塊平板上。
圖2表示的是εX、εZ、ε′Z的變化與溫度的函數(shù)關(guān)系。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由鐵電相變到順電相會使靶的性質(zhì)產(chǎn)生突然變化，熱交換器必須提供很精確的熱穩(wěn)定性。
圖3示出的是按照先有技術(shù)，把靶31安裝在冷卻元件35上的截面圖。
大小為30×40毫米2的KDP靶31被粘合在一塊螢石板32上，螢石板的厚度為5毫米，直徑為50毫米。螢石板是合適的熱導(dǎo)體(360·10-4卡/厘米/秒/度)，用一個金屬接頭34(例如銦制的有螺紋的接頭)把螢石板安裝在銅架33上。因此，通過冷卻元件35而使靶31的冷卻，是以向心方式實(shí)現(xiàn)的。鐵電疇的形成是從周圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的，在周圍區(qū)域，許多鐵電疇構(gòu)成晶體的微觀缺陷。這些疇向中心推進(jìn)，在中心區(qū)域它們合并成較大的疇，但是它們數(shù)量仍然比較多。因此疇的邊界變成有著混亂結(jié)構(gòu)的亮線。
圖3所描述的熱交換器與本發(fā)明一致。它設(shè)計(jì)成使冷卻從靶中心向外推進(jìn)。當(dāng)溫度下降到居里溫度以下時，就會在靶中心附近出現(xiàn)一個鐵電疇。因?yàn)槔鋮s從中心向外部推進(jìn)，這個單一的疇就向靶的周圍擴(kuò)展。如果這個唯一的疇向周圍方向的推進(jìn)不停止的話，就會在它到達(dá)邊緣的時候碎裂成大量的小疇。為了避免發(fā)生這種情況，考慮到熱交換器接收冷流，熱交換器37的結(jié)構(gòu)必須能使在靶的周圍維持一個順電區(qū)域。這個順電區(qū)域可阻止中心單疇的分割。為此，裝有靶31的熱交換器37最好由圓形螢石板做成，在它的周圍有深度為P的環(huán)形溝槽40。這個槽與支撐靶31的熱交換器的距離為h，在做好溝槽之后，螢石板在溝槽平面內(nèi)的直徑應(yīng)為d?？紤]到溝槽完全位于靶之下，上述直徑d必須比靶尺寸(L，l)的最小值l還要小些，靶通常是矩形的。這樣從側(cè)面看，靶從直徑d突出了P′，P′＝ (l-d)/2 。距離P和P′必須比距離h大。
一個滿意的典型實(shí)施方案具有下列特征-螢石平板直徑為50毫米-螢石平板厚度為5毫米-溝槽深度為10毫米-溝槽長度為1毫米-d＝30毫米-h＝1毫米-靶是一個直徑為45毫米的圓盤，其中P′＝7.5毫米，P＝10毫米，或P/h＝10，P′/h＝7.5。
按照第二個實(shí)施方案，螢石支架由兩塊平板57和58構(gòu)成，它們用粘合劑41粘合。第一塊平板57是具有兩個平行平面的圓板。第二個圓形板有兩個平行面，并且在與平板57相接觸的那面上還有一個呈斜面的邊緣51。斜面51的作用與第一個實(shí)施方案中的環(huán)行溝槽的作用是一樣的。因此，它延伸到KDP靶的下面。
按照第三個實(shí)施方案，如上所述，螢石支架僅由一個平板58構(gòu)成。
在上述三種實(shí)施方案中，用光學(xué)粘合劑41把靶與支架或平板57與58相互連接在一起，它可以通過紫外曝光聚合而成。
按照本發(fā)明研制的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)特別適用于把電視圖象投射到大屏幕上。
權(quán)利要求
1.一個包括電絕緣材料靶子的光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)，而透射光取決于和光的傳播方向平行的電場，包括用電子束掃描靶的第一個面，一個用來收集被電子束打出的二次電子的陽極，一個裝在靶第二個面的透明而導(dǎo)電的平板，該平板接收視頻信息信號，從而構(gòu)成一個控制電極，該靶由一種在低于某一溫度時就變成鐵電體的材料組成，這個溫度稱為居里溫度，光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)就是在該溫度附近運(yùn)轉(zhuǎn)，其特征是，為了保持靶處于它運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的溫度，該光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)有一個熱交換器，它的作用是使靶在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時形成-一個有效的中心區(qū)，在該區(qū)，靶呈現(xiàn)單疇鐵電相，以及-一個溫度高于居里溫度的中性的外圍區(qū)，在該區(qū)靶呈現(xiàn)順電相。
2.如權(quán)利要求
1中所述，一個光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)其特征在于，熱交換器由一塊螢石板構(gòu)成，它的第一個面支撐著靶，在螢石板的外圍區(qū)域離第一個面為h的位置，有一外圍溝槽，溝槽沿靶下面延伸的距離為P′，螢石板沿第二個面的外圍及外圍區(qū)域的相鄰部分與冷交換裝置接觸。
3.如權(quán)利要求
2中所述，光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)的特征在于P′比h大。
4.如權(quán)利要求
1所述，一個光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)其特征在于，熱交換器由第一塊螢石板組成，該板的一個面支撐著靶，另一個面與第二塊螢石板的一個有著外圍斜面的表面粘合，螢石板沿著一個外圍表面(該表面不作支撐靶之用)及外圍區(qū)的鄰近部分與冷交換裝置接觸。
5.如權(quán)利要求
1所述，一個光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)其特征在于，熱交換器由一塊螢石板構(gòu)成，在該板的一個面上有一個外圍斜面，在該面劃分出一個中心區(qū)，靶就粘合在這個中心區(qū)上，靶從整個中心區(qū)伸出，螢石板沿著不作支撐靶之用的外圍面及外圍區(qū)的鄰近部分與冷交換裝置接觸。
專利摘要
本發(fā)明敘述的是一個光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)，它包括一個電絕緣材料靶子，其透射光取決于和光的傳播方向平行的電場；用電子束掃描靶的第一個面的裝置，一個陽極用來收集二次電子；一個透明而導(dǎo)電的平板安放在靶的第二個面。靶的特征在于，光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)有一個熱交換器，它對靶起作用，使靶在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時形成一個有用的中心區(qū)，在該區(qū)靶呈現(xiàn)單疇鐵電相，以及一個中性外圍區(qū)，溫度高于居里溫度，在該區(qū)靶呈現(xiàn)順電相。光學(xué)轉(zhuǎn)象系統(tǒng)用于在大屏幕上形成電視圖象。
文檔編號G09G3/16GK86106333SQ86106333
公開日1987年5月13日 申請日期1986年9月17日
發(fā)明者雷米·波萊爾 申請人:菲利浦光燈制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan