CN1042373C - 改进的彩色显示系统及阴极射线管 - Google Patents

Abstract

一彩色显示系统包括一阴极射线管及一自会聚轭，该轭在管内产生象散偏转磁场。管内有一电子枪用以产生三电子束并沿路径导向一荧光屏。电子枪含电子束形成区电极，主聚焦透镜电极及二个在每一电子束路径中的在电子束形成区域与主聚焦透镜之间形成一多极透镜之电极。每一多极透镜经定向以对相关电子束提供校正，使至少部分补偿象散偏转磁场对该电子束的效应。第一多极透镜电极位于电子束形成区域电极与主聚焦透镜电极之间。第二多极电极与主聚焦透镜电极相连接并位于第一多极透镜电极及主聚焦透镜之间，而与第一多极透镜电极相邻。并有将一固定聚焦电压加在第二多极透镜电极上，及将一与电子束偏转有关之动态电压信号加在第一多极透镜电极上的装置。每一多极透镜均与主聚焦透镜近至足以使主聚焦透镜之强度随动态电压信号之电压变化而改变。

Description

改进的彩色显示系统及阴极射线管

本发明涉及包括具有三束电子枪的阴极射线管的彩色显示系统，具体地说涉及这样的电子枪，该电子枪具有可补偿该系统中阴极射线管所用的自会聚偏转轭之象散作用的装置。

虽然现今的偏转轭在阴极射线管中产生三个电子束的自会聚现象，但如此自会聚所付出之代价是各个电子束光点形状的变坏。轭磁场有象散情况，它对垂直平面电子束射线造成过度聚焦，导致已偏转光点带有相当大的垂直展开，而对水平电子束射线则聚焦不足，导致稍许放大的光点宽度。为了补偿，一向的作法是将一象散引进电子枪的电子束形成区域，以产生垂直方向电子束的散焦，及水平方向电子束的加强聚焦。此种象散电子束形成区域由具有槽形隙孔的G1控制栅或G2帘栅极所构成。这些槽形隙孔产生带有四极成分的非轴向对称场，这些场对垂直及水平平面中的电子束起不同的作用。此种槽形隙孔见于美国专利第4234814号，该专利已于1980年11月18日颁给陈氏等人。这类结构是属静态的；四极电场即使在电子束未偏转及未受到轭象散作用时亦产生补偿性的象散。

为提供改进的动态校正，美国专利第4319163号(于1982,3.19颁给陈先生)介绍一外加的上游帘栅极G2a，该栅极具有水平槽形孔隙，其上加有可变的或经调制的电压。下游帘栅极G2b有一圆形孔隙，其电压是固定的。在G2a上的可变电压改变四极电场的强度，故产生的象散现象与扫描之偏转位置成比例。

使用象散电子束形成区域虽然有效，但也有几个缺点，第一，电子束形成区域对制作公差特别敏感，因为其空间太小。其次，G2栅极的有效长度或厚度必须由无槽形孔隙存在时之最佳值予以改变。第三，当一可变电压加在电子束形成区栅极时，电子束电流会有变化。第四，四极电场的效应随电子束交迭点的位置而变化，因而随电子束电流变化。因此，需要在电子枪中开拓一种没有这些缺点的象散校正。

根据本发明一彩色显示系统含有一阴极射线管和偏转轭。该轭为在管内产生象散磁偏转场的自敛式。阴极射线管有一电子枪用来产生三电子束并将治其通道导向管子之荧光屏上。电子枪包括含电子束形成区域的电极及形成主聚焦透镜的电极，并包括每一个电子束通道中在电子束形成区域及主聚焦透镜之间形成一多极透镜之电极。每一多极透镜经定向对一相关的电子束提供校正，以至少部分补偿象散磁偏转场对相关电子束之影响。存在二个多极透镜电极。第一个多极透镜电极位于电子束形成区域电极与主聚焦透镜电极之间。第二个多极电极与主聚焦透镜电极连接，并位于第一多极透镜电极与该主聚焦透镜之间并邻近第一多极透镜电极。并有用来将一固定聚焦电压加在第二多极透镜电极上的装置，以及有用来将一动态电压信号加在第一多极透镜电极上的装置。该动态电压信号与电子束之偏转有关。每一多极透镜均与主聚焦透镜近至足以使主聚焦透镜之强度随动态电压信号之电压变化而改变。

图1为采用本发明的彩色显示系统之部分轴向剖视平面图。

图2为图1用虚线表示的电子枪的部分轴向剖视侧面图。

图3为在图2的线3-3所取的电子枪轴向剖视图。

图4为在图3的线4-4所取的电子枪平面图。

图5为在图3的线5-5所取的电子枪平面图。

图6及图7分别为图2中电子枪的一组四极透镜扇形部分的正面及侧面图。

图8为图6及7示有静电位线的四极透镜扇形部分的右上象限图。

图9为相对于聚焦电压对偏压的关系曲线图放置的三个独立聚焦曲线之三维透视图。

图10为显示荧光屏中心及角落上的零象散点的聚焦电压对偏压的关系曲线图。

图11为与图10相似的显示操作一实际电子束所收集之数据的关系曲线图。

图1显示一彩色显示系统9，该系统包括一长方形彩色显象管10，该管具有内含一长方形面板12及一与长方形漏斗15连接之管颈14的一玻璃外壳11。漏斗15有一内部导电涂层(未示出)从一阳极钮扣状物16延伸至颈部14。面板12含有观察面板18及周边凸缘即侧壁20，该面板由玻璃熔接物17与漏斗15相密封。三色磷荧光屏22由面板18之内表面所支承。荧光屏22最好是具有三个一组的磷线的条形屏，每一三线组都含有三色的每一种颜色的磷线。另一方面，该荧光屏也可为点荧光屏，一多孔隙彩色选择电极或阴罩24用传统方式可拆卸地安装，而与荧光屏22保持预定间距。在图1中用虚线所示的改进后的电子枪26装在颈部14之中央以产生三个电子束28并将其沿会聚路径经过阴罩24至荧光屏22。

图1之阴极射线管设计来和一外部磁偏转轭一起使用，如示于漏斗与颈部连接处附近的轭30。当受到激励时，轭30使三电子束28受到磁场之影响，而在荧光屏22上水平及垂直扫描成一长方形光栅。起始偏转平面(零偏转时)约在轭30的中央。由于边缘磁场的影响，阴极射线管的偏转区由轭30在轴向延伸至电子枪26的区域。为简单起见，图1中并未将偏转区中的偏转电子束路径之实际曲度示出。在优选实施例中，轭30在该管阴罩处产生一三电子束的质心自敛现象。此种轭产生一象散磁场而将垂直平面电子束射线过聚焦，而使水平平面电子束射线聚焦不足。在改进的电子枪26中备有对此象散现象的抵补作用。

图1也显示出部分用以激励射线管10及轭30的电子设备。这些电子设备在说明电子枪26之后将予以说明。

电子枪26的细节显示于图2,3中。电子枪26含三个隔开的、在一直线上的阴极34(每一电子束有一个阴极，图中仅示出其中之一)，一控制栅极36(Gl)，一帘栅极38(G2)，一加速电极40(G3)，第一四极电极42(G4)，组合第二四极电极及第一主聚焦透镜的电极44(G5)，及第二主聚焦透镜电极46(G6)，各按上述命名顺序间隔。由G1至G6每一电极均有三个位于其中排成一直线的孔隙以使三电子束通过。电子枪26中的静电主聚焦透镜由G5电极44及G6电极46之相对部分所形成。G3电极40由三个杯形元件48,50及52所构成。元件48及50两个开口端相互连接在一起，而第三元件52之有孔隙的闭合端与第二元件50之有孔隙闭合端接合。虽然G3电极40示为三片式结构，但可由任何数目之元件构成而获得相同或任何其他所需之长度。

第一四极电极42含有一屏极54，该屏极含有三个成一直线的孔隙56及由此挤出与孔隙56对准之突出物。每一突出物含二个扇形部分62。如图4所示，两个扇形部分62彼此相对配置，每一扇形部份62约包围85度之圆柱形圆周。

G5电极44及G6电极46结构相似，各有相对端部，分别包括有边缘86及88，而从此二边缘有孔隙部分分别反折入大凹口78和80中。边缘86及88是电极44及46相互最靠近部分并对形成主聚焦透镜有决定性作用。

G5电极44含三个成列孔隙82，每一孔隙有一凸出部伸向G4电极42。孔隙82之每一凸出部都以两个扇形部分72的形式形成。如图5所示，两扇形部分72彼此相对配置，每一扇形部分72约包围85度的圆柱形圆周。扇形部份72之位置从G4电极42之扇形部分62之位置旋转90度，此四个扇形部分以一种不接触及叉指式装配。虽然扇形部分62及72示为方形角，但亦可打圆。

电子枪26所有电极或直接或间接与两个绝缘支撑棒90连接。支撑棒90可延伸至G1电极36及G2电极38，并将之加以支撑，或将此二电极以一些其他绝缘方式与G3电极40连接。在一优选实施例中，支撑棒为玻璃制成，该玻璃加热后压到从电极伸出的爪上从而使爪嵌在支撑棒中。

图6及7显示相同大小的扇形部分62及72，以同一半径“a”弯曲并具有交错部分的长度“t”。电压V₄=V_o4+V_m4加在扇形部份62上，另一电压V₅=V_o5加在扇形部份72上。下标“o”代表直流电压，而“m”代表调制电压。这种结构可在x,y位置产生一四极电位，

φ=(V₄+V₅)/2+(V₄-Ｖ₅)(x²-y²)/2a²+……

及一横向场，

E_z ^m-(△V/a²)x=(-x/y)E_y

式中 △V=V₄-V₅

此电场将入射电子束偏转一角度

θ≌LE_z/2V_o，

其中相互作用区域之有效长度为

L≌0.4a+t，

其平均电位为

V_o=(V₄+V₅)/2

因此，此四极透镜之旁轴聚焦长度为

f_z=x/θ≌[2a²/(0.4a+t)](V_o/△V)=-f_y

通过对两个外围电子束四周的四极使用与中央电子束四周四极不同的透镜半径a，和/或长度t，则可得到更佳的控制。

图8中示出由相等扇形部分62及72在一象限中所建立的静电位线。标称电压1.0及-1.0分别加在扇形部分62及72上。静电场形成一四极透镜，其对一电子束的纯影响是在一个方向压抑，而在正交方向扩大。

电子枪26包含一动态四极透镜，其位置及制造均与过去电子枪所用之四极透镜不同。新四极透镜含有弯曲的屏极，其表面与电子束路径平行，并形成与电子束路径正交的静电场线。该四极透镜位于电子束形成区域及主聚焦透镜之间，但较接近主聚焦透镜。此种定位之优点如下：1)对制作公差的灵敏度较低，2)G2的有效长度不需由最佳值加以改变，3)四极与主聚焦透镜接近可产生这样的电子束，它在主透镜中接近圆形且不大会被主聚焦透镜所栏截，4)束电流不被可变四极电压所调制，5)有效四极透镜强度在四极透镜距主透镜越近时则越强，6)四极透镜由于与主聚焦透镜分开，所以不致对主透镜有不良影响。这种新结构的优点如下：1)直接产生四极横向场并比间接产生的横向场强度更强，该间接横向场在上述美国第4319163号专利中的先有技术管子中，仅伴随进入G2a槽孔的G2b电压之微分渗透而产生的，2)槽孔式栅极透镜所产生的额外多电极造成无球面象差现象，3)各自独立使结构不受相邻电极之影响。

再参考图1，其中所示之电子设备100可操作此系统作为一电视接收机或作为一计算机监测器。该设备100可对经天线102接收的广播信号发生响应，并对经输入端104进来的红、绿及蓝色视频信号响应。将广播信号加在一调谐器及中频(IF)电路106上，其输出则供至视频检波器108。检波器108之输出为复合视频信号，被加在同步信号分离器110及色度和亮度信号处理器112上。同步分离器110产生水平及垂直同步脉冲，这些脉冲分别加至水平及垂直偏转电路114及116上。水平偏转电路114在轭30的水平偏转绕组中产生一水平偏转电流，而垂直偏转电路116则在轭30的垂直偏转绕组中产生垂直偏转电流。

色度及亮度信号处理电路112除接收来自视频检波器108的复合视频信号外，并可经输入端104接收单色红，绿及蓝色视频信号。同步脉冲可经由分离导线或如图1所示，由一导体从绿色视频信号输入加至同步分离器110上。色度及亮度处理电路112的输出包含绿、红及蓝色驱动信号，它们经由导线RD,GD及BD加至阴极射线管10的电子枪26上。

本系统的电源由电压源118提供，此电源系与一交流电源相连接。电压源118产生一调节过的直流电平+V₁，可用作水平偏转电路114之电源。电压源118也产生直流电压+V₂，它可用来供给各种电子电路的电源，如垂直偏转电路116。此电压源还产生一高压V_u，它被加在超高压接头即阳极钮扣状物16上。

调谐器106，视频检波器108，同步分离器110，处理器112，水平偏转电路114，垂直偏转电路116及电压源118的电路及组件等均为本技术领域中所熟知，故不再此赘述。

除以上所提之各元件外，电子设备100包括一动态波形发生器120。该波形发生器120对电子枪26的扇形部份62提供变化电压V_m4。

发生器120分别接收来自水平偏转电路114及垂直偏转电路116的水平及垂直扫描信号。波形发生器120的电路可以是从，例如，美国在1980年7月22日颁发给Bafaro等人的4214188号专利；美国在1981年3月24日颁发给Hilburn等人之4258298号专利及美国于1982年2月16日颁发给Shiratsuchi之第4316128号专利中所公布的发生器电路，这些专利的动态电路将以参考资料列入本专利申请案。

所需动态电压信号在电子束被偏转至荧光屏角落上时为最大，而当电子束在荧光屏中央时为零。当电子束沿每一光栅线扫描时，动态电压信号变化为由高至低再至高之抛物线形式。处于行频(line rate)的抛物线信号可以由另一处于帧频的抛物线信号所调制。所用的特定信号视所用轭的设计而定。

操作原理

假如在荧光屏上的已知位置，光点高度(y)和宽度(x)被测定为该聚焦电压V₅的函数，V₅与四极电压V₄间之偏压△V(△V=V₄-V₅)保持为常数时，则Y对V₅及X对V₅焦点曲线均现出最小值，如图9所示。X最小时的V₅及Y最小时的V₅间之差为在该偏压值之象散电压。

象散现象亦可从如图9所示那种“交叉标绘”中测得，当聚焦电压V₅定为某一值，而偏压△V通过改变四极电压V₄而改变时测得这种关系曲线。V₄之二值是在光点高度及宽度均最小时记下的。该程序在V₅值范围内反复进行。

当对荧光屏中央及角落之光点测量关系曲线时，所得结果如图10所示，图中采用近似法，两条X线(虚线)及两条Y线(实线)均有相同之斜率。零象散(虽不一定为一圆光点)在X线及Y线相交的P及P＇点可获得。在零偏压时，荧光屏中心光点高度一般在较光点宽度聚焦电压更低的G5电压下聚焦；V₅值的所述差别A是与未修正之电子枪有关的电子枪象散现象。零偏压时，荧光屏角落上的光点高度在高得多的V₅值聚焦，这是由于主透镜聚焦必须减弱以补偿自聚轭之水平偏转枕形场所感应的垂直电子束的聚焦。对由枕形场所感应的弱水平散焦效应由将G5电压微量降低来进行补偿，G5电压通常在50伏至100伏。以下各式忽略这个微量降低，而认为中心及角落的两条虚线X线重合。角落光点的水平及垂直聚焦电压之差A＇即为轭象散，可从该十字曲线的△V_ctr处读得，此时偏压补偿电子枪象散。

当把偏压定义为△V≡V₄-V₅并且把G₄及G₅电压在其荧光屏角落及荧光屏中心间的改变值定义为δ(V₄)≡V_4cnr-V_4ctr和δ(V₅)=V_5cnr-V_5ctr时，则X线之斜率S_Z，如在图10中，可表示为： $S_X=\frac{V_{5\mathrm{cnr}}-V_{5\mathrm{ctr}}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cnr}}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ctr}}}=\frac{\mathrm{\δ}\left(V_5\right)}{\mathrm{\δ}\left(V_4\right)-\mathrm{\δ}\left(V_5\right)}$ 从而： $\frac{\mathrm{\δ}\left(V_5\right)}{\mathrm{\δ}\left(V_4\right)}=\frac{S_X}{1+S_X}---\left(1\right)$

此外，当Y线的斜率以S_Y表示时，图10也导致轭象散现象有以下的表示：

    A＇=(S_X-S_Y)〔δ(V₄)-δ(V₅)〕。于是，由方程式(1)， $\mathrm{\δ}\left(V_4\right)=\left(\frac{1-S_X}{S_X-S_Y}\right)A^{\′}$ $\mathrm{\δ}\left(V_5\right)=\left(\frac{S_X}{S_X-S_Y}\right)A^{\′}---\left(2\right)$

交叉指式的四极可设计来使X线以正斜率工作(因此Y线以负斜率工作)。正S_X时，北-南(即垂直方向)各指在G4上，而东-西(即水平方向)各指在G5上。升高△V≡V₄-V₅可使北-南指的电压较东-西指电压更正，因而在水平平面使电子束过聚焦。于是恢复水平聚焦必须将主透镜减弱，并因此提升G5电压。

除了能通过四极指的定向来控制斜率S_X及S_Y的符号外，亦可通过选择结构尺寸而控制斜率之大小。如果暂时忽略G4电极及主透镜间的任何静电耦合，则关系曲线中S_X及S_Y之大小相等，并可由下列等式给出： $\left|S_X\left(0\right)\right|=\left|S_Y\left(0\right)\right|\≅(f-g)\left(\frac{41\mathrm{n\σ}}{8+1\mathrm{n\σ}}\right)\left(\frac{0.6}{a}(0.36+\frac{t}{a})\right)---\left(3\right)$ 式中t/a＞0.30。t/a＜0.30时，式(3)中之最后因数由于边缘场改变，故以

所替代。其中σ=V₆/V₅为最高聚焦电压比值，f为主透镜焦距，g为四极透镜的中心与主透镜之间的间隔，t为各四极指交错部分的长度，a为四极孔隙半径。

但是，事实上，在两透镜之间，永远存在着静电耦合。因此，例如，升高北-南G4电压即可升高在主透镜的有效G5电压。这会减弱主透镜的聚焦能力故加强四极之垂直散焦，而抵销四极的水平聚焦。结果为这样关系曲线，此时Y线较无耦合时更陡一确定的值，而X线以同样的量更平坦。这可用一经验耦合因数α表之：并由下式定义：

           V₅(有效)=V₅+α(V₄-V₅)

                   =V₅＋α△V             (4)

其中0＜α＜1，式(2)之斜率可再写成：

           S_X=S_X(0)-α

           S_Y=S_Y(0)-α                     (5)

           S_Y(0)=-S_X(0)。

其中S_X(0)是在无耦合时X线斜率，并由式(3)给定。式(2),(3)及(5)用于下列单一波形工作电子枪的设计。

如果S_X=S_X(0)-α=0，则可获得静电聚焦电压，δ(V₅)=0，如式(2)所示。四极电压之摆动为δ(V₄)=A＇/2α，并且耦合因数越大则此摆动越小。由于透镜分隔小可获得大的耦合因数；当北-南各指在G4电极上时，X线斜率为正；而斜率大小S_X(0)是利用选择尺寸来调整到等于α。

一叉指式的四极装入一26V 110°之管，其电子枪如图2所示。四极透镜的中间平面与主透镜之间的间隔g为4.09mm(0.161″)。G4及G5扇形部分62及72分别使得其交错长度t为0.178mm(0.007″)。

图11显示了在荧光屏中心及荧光屏角落所测得的关系曲线。那个表显示出在中央及角落零象散工作点的G5电压为大于其值的百分之一点五的常数。G4电压之伴随摆动为δ(V₄)≌1880V。

耦合因数及零耦合的X线斜率可由在荧光屏中心所测得的X线及Y线之斜率而估计，如图11所示。因此，将S≌0.18及S≌0.97代入式(5)结果得到α≌0.40及S_X(0)≌0.58。α之值可被如下推出：G4电压之所测得的摆动δ(V₄)≌1880V应等于A′/2α。因此，如测得之A＇≌8230-6580=1650(偏压为△V=-600时将主透镜象散现象去除)可由图11读出，于是，α≌1650/2×1800≌0.44。此结果与前述预估相符。

由图11所推出的零耦合时X线斜率之值，S_X(0)为0.58。S_X(0)之值亦可被如下推出：将f=19.05mm(0.750″),g=4.09mm(0.161″)，σ=25,000/6600=3.79,a=2.03mm(0.080″)及t=0.178mm(0.007″)代入式(3)可得一计算值S_X(0)≌0.52。

Claims (6)

1．具有电子枪的阴极射线管，该电子枪能产生三电子束并将其沿路径导向该管的荧光屏，该电子枪有构成电子束形成区的电极及构成一主聚焦透镜的电极，其特征在于：

在该电子枪中用以在每一电子束路径中，在所述电子束形成区域和所述主聚焦透镜间形成一多极透镜的多个电极，其中每个多极透镜都是四极透镜，并且所述形成多极透镜的电极含有第一四极透镜电极和第二四极透镜电极，所述第二四极透镜电极为所述形成主聚焦透镜电极之一的一部分，所述第一四极透镜电极位于第二四极透镜电极与电子束形成区域之间，并与第二四极透镜电极靠近和相邻。

2．根据权利要求1所述的阴极射线管，其特征在于，所述多极透镜是由所述第一和第二四极透镜电极的叉指部分相面对配置而形成的。

3．根据权利要求2所述的阴极射线管，其特征在于，所述电子枪包括三个成一直线排列的阴极和六个电极，它们分别命名为G1、G2、G3、G4、G5和G6并依所述顺序与所述阴极间隔开，所述阴极、G1、G2和G3的面向(G2)的部分构成所述电子束形成区，所述G5和G6形成所述主聚焦透镜，而所述G4和G5分别构成所述第一和第二四极透镜电极。

4．根据权利要求3所述的阴极射线管，其特征在于，所述第一和第二四极透镜电极的每一个中都有三个成一直线排列的孔隙，而其叉指部分是由所述孔隙延伸的挤出部分。

5．使用如权利要求1-4中任一项所述阴极射线管的彩色显示系统，该系统还包括一自会聚轭，此轭产生一象散磁偏转场，其特征在于：

每一所述四极透镜均经定向，以对相关电子束提供校正，以便至少部分补偿象散磁偏转场对所述相关电子束的作用。

6．根据权利要求5所述的彩色显示系统，其特征在于还包括：

将一固定聚焦电压加在所说第二四极透镜电极的装置；和

将一动态电压信号加在所说第一四极透镜电极上的装置，该动态电压信号与所述各电子束的偏转有关。

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