Anordnung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem flächenelementweise erregbaren Leuchtphosphorschirm Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anord nung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem elektrolumineszierenden Leuchtphosphor- schirm, der flächenelementweise erregbar ist.
In einem in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments , Vol. 24 (1953, Seite 471), erschiene nen Artikel von Arthur Bramley und Jenny E. Rosen thal wird ein Wiedergabeschirm beschrieben, welcher zwei gitterförmige Sätze von parallelen leitenden Streifen aufweist, zwischen welchen eine Lage aus elektrolumineszierendem Leuchtphosphor angeordnet ist. Die auf beiden Seiten der Lage liegenden Streifen sind senkrecht zueinander angeordnet und die Enden der Streifen jedes Satzes mit einem Verteilschalter verbunden.
Die Verbindungen zwischen den einzel nen Streifen und dem Schalter sind so ausgelegt, dass in irgendeinem Zeitpunkt nur ein Streifen jedes Satzes mit einer Signalspannungsquelle, wie z. B. einem Videoverstärker, verbunden ist. Unter der An nahme, dass der Wiedergabeschirm in eine aufrechte Lage gebracht wird, wobei ein Satz von Streifen vertikal und der andere Satz horizontal verläuft, ar beitet der Verteilschalter in der Weise, dass er die Signalspannung nacheinander mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit an die vertikalen Streifen und mit einer geringeren Geschwindigkeit an die horizon talen Streifen anlegt.
Für Fernsehzwecke entspricht die hohe Geschwindigkeit der horizontalen Zeilen abtastfrequenz, während die geringere Geschwindig keit der Teilbildfrequenz entspricht.
Obwohl diese Methode auf irgendeine Informa- tionswiedergabevorrichtung anwendbar ist, die irgendwelche geeigneten Abtastgeschwindigkeiten für die horizontalen und die vertikalen Streifen verwen det, beziehen sich die vorliegenden Ausführungen vornehmlich auf eine Fernsehbildwiedergabevorrich- tung, welche die üblichen Abtastgeschwindigkeiten in horizontaler und vertikaler Richtung verwendet.
Eine Schwierigkeit, die sich bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ergibt, besteht darin, dass bei der üblichen Fernsehwieder gabe zwischen Pegeln starken Lichtes und schwachen Lichtes nur ein sehr kleiner Kontrast oder gar keiner unterscheidbar ist.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Wiedergabeschirms mit guter Kontrastdefinition zwischen Pegeln hoher Helligkeit und geringer Helligkeit.
Ein weiterer Zweck besteht in der Schaffung eines Leuchtphosphorschirms, welcher in der Art eines gekreuzten Gitters aufgebaut ist und im Be trieb in einem Bild einen ausgesprochenen Kontrast zwischen Pegeln hoher Helligkeit und geringer Hellig keit erzeugen kann.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Anord nung zur optischen Wiedergabe von Information mit einem flächenelementweise erregbaren Leuchtphos- phorschirm mit einer Schicht aus elektrolumineszie rendem Leuchtphosphor, bei welchem Leiter auf der einen Seite der Leuchtphosphorschicht bezüglich Lei tern auf der andern Seite gekreuzt sind, welche Anord nung ferner mit Mitteln versehen ist, um der Reihe nach Signalsteuerungen an die genannten Leiter an zulegen, zwecks Erregung des Leuchtphosphors, und sich dadurch auszeichnend, dass zwischen dem Leuchtphosphor und mindestens einem Teil der Leiter eine Impedanzschicht vorhanden ist,
welche eine nichtlineare Stromspannungskennlinie aufweist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt: Die Fig. 1 in schematischer Darstellung einen gitterförmig aufgebauten Leuchtphosphorschirm zur Erläuterung des Erfindungsprinzips, die Fig. 2 einen Teil des Schirms nach Fig. 1 in Perspektivansicht, die Fig.3 einen Querschnitt durch einen Teil des Schirms nach Fig. 1, die Fig. 4 das elektrische Ersatzschema der Fig. 3,
die Fig.5 den Grundriss eines Ausführungsbei spiels des Erfindungsgegenstandes, die Fig. 6 eine Perspektivansicht der Vorrichtung nach Fig. 5 mit teilweise ausgebrochenen Teilen, die Fig. 7 ein Ersatzschema für den Schirm nach Fig. 5 und die Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Ar beitsweise des erwähnten Ausführungsbeispiels.
In den Fig. 1-3 ist eine Leuchtphosphorschicht 1 zu erkennen, die aus irgendeinem geeigneten elek trolumineszierenden Leuchtphosphor besteht, wie er z. B. in den USA-Patenten Nrn. 2566349 und 2698915 beschrieben ist. Diese Schicht 1 liegt zwi schen zwei Sätzen oder Gittern von senkrecht zu einander verlaufenden Streifen oder Leitern. Der mit 2 bezeichnete Satz (Fig. 1) besteht aus parallelen Streifen oder Leitern, die unter sich einen Abstand aufweisen und vertikal verlaufen. Diese Streifen sind mit v1, v2, v3 usw. bezeichnet.
Das andere Gitter, welches in der Fig. 1 mit 3 bezeichnet ist, besteht aus horizontal verlaufenden Streifen oder Leitern <I>hl,</I> h2, h3 usw. Obwohl die Zeichnung nur einige wenige Streifen zeigt, ist es verständlich, d'ass irgendeine Anzahl Streifen gemäss dem gewünschten Ergebnis vorgesehen werden kann. So muss beispiels weise ein Fernseh-Bildwiedergabeschirm eine grosse Anzahl solcher Streifen, z. B. 500 oder 1000, auf weisen.
In der Fig. 1 ist weiter ein Verteilschaltsystem vorhanden, welches aus zwei mechanischen Schaltern 4 und 5 besteht, von denen der Schalter 4 mit dem horizontalen Gitter 3 und der Schalter 5 mit dem vertikalen Gitter 2 verbunden ist. Mit den Rotoren dieser Schalter ist eine Signalspannungsquelle 6 ge koppelt. Wenn die Schalter sich mit vorgegebenen Geschwindigkeiten drehen, wird die -Signalspannung der Reihe nach an entsprechende Streifen der beiden Gitter 2 und 3 angelegt. Da der Leuchtphosphorstoff in Abhängigkeit eines variablen elektrischen Feldes Licht aussendet, werden an den Kreuzungsstellen der einzelnen Streifen Lichtblitze erzeugt, sobald sie über die Schalter mit der Quelle 6 verbunden werden.
In der Fig. 1 stehen die Schalter 4 und 5 in einer Lage, bei welcher der vertikale Streifen v2 mit der Quelle 6 und der horizontale Streifen h3 mit Erde verbunden ist. Wenn der Momentanwert der Quellen spannung V ist, erzeugen die Schalter bei der dar gestellten Stellung einen Spannungsimpuls mit der Amplitude V an der Kreuzungsstelle der Streifen v2 und h3, welche mit 7 bezeichnet ist. Der an dieser Kreuzungsstelle zwischen den Streifen liegende Leuchtphosphor erzeugt infolge des genannten Im pulses einen Lichtblitz entsprechender Helligkeit.
Falls der Schaltvorgang mit einer Geschwindigkeit vor sich geht, welche der üblichen Fernsehabtastung in vertikaler und horizontaler Richtung entspricht, so war erwünscht, dass die an den Kreuzungsstellen erzeugten Lichtblitze ein Helligkeitsbildmuster er zeugen, welches dem Videosignal entspricht. Diese erwünschte Wirkungsweise ist jedoch mittels dieser zunächst geschilderten, einfachen Konstruktion in Wirklichkeit nicht erreichbar, und zwar vorwiegend aus den beiden folgenden Gründen: 1. Es werden Lichtblitze nicht nur an der Kreu zungsstelle der beiden über den Schalter verbundenen Streifen, sondern auch über die ganze Länge der angeschalteten Streifen erzeugt, wenn auch mit ver minderter Intensität; 2.
Jedes Element, das heisst der an jeder Kreu zungsstelle vorhandene Leuchtphosphor, wird nur während eines ausserordentlich kurzen Bruchteils der Teilbilddauer (das heisst der für eine vollständige Ab tastung aller Streifen des Gitters 3 benötigten Zeit) erregt, so dass die durch das Auge beobachtete Helligkeit, welche eine Durchschnittshelligkeit wäh rend der Teilbilddauer ist, bedeutend unterhalb der Helligkeit liegt, welche der Leuchtphosphor bei dauernder Erregung erzeugen kann.
Bei fernsehmässiger Abtastung der Streifen der beiden Gitter erzeugt also die Anordnung nach Fig. 1 kein Bild, sondern einen über die ganze Leuchtphosphorschicht sich erstreckenden Licht fleck von praktisch gleichförmiger Helligkeit, obwohl die momentanen Spannungen von Streifen zu Streifen verschieden sein können.
Zur Erläuterung dieses unannehmbaren Ergeb nisses wird im nachstehenden auf die Fig. 2, 3 und 4 eingegangen. Wenn die beiden Schalter 4 und 5 der Fig. 1 kurzzeitig mit den beiden Streifen v2 und h3 verbunden sind, wird, wie schon erwähnt, an der Kreuzungsstelle eine Signalspannung vom Wert V auftreten. Alle andern Streifen der beiden Gitter sind jedoch mit dem Streifen v2 und h3 kapazitiv ge koppelt.
Es soll angenommen werden, dass die elementare Kapazität des Leuchtphosphors an jeder Kreuzungs stelle C ist, und dass m horizontale und n vertikale Streifen vorhanden sind. Dabei kann die kapazitive Kopplung zwischen den (angeschalteten und nicht angeschalteten) Streifen durch das äquivalente Schema der Fig. 4 dargestellt werden. In diesem Schema sind alle nicht angeschalteten horizontalen Streifen durch den Punkt hi dargestellt. Da (m - I ) nicht angeschlossen horizontale Streifen den ange schlossenen vertikalen Streifen v2 kreuzen, ist die Kapazität dieses Streifensystems hi bezüglich des Streifens v2 gleich (m- 1) C.
In gleicher Weise ist die Kapazität der nicht an geschlossenen, vertikalen Streifen, die durch das Symbol v; dargestellt sind, bezüglich des angeschlos- senen horizontalen Streifens h#, gleich (fa- 1) C, und die Kapazität zwischen den nicht ange schlossenen Streifen beider Gitter 2 und 3 ist gleich (in <I>- 1)</I> (h <I>- 1) C.</I>
Wenn, wie dies im Fall der Anwendung auf das Fernsehen der Fall ist, die Anzahl der horizontalen und vertikalen Streifen angenähert gleich ist und beispielsweise 500-1000 beträgt, ist der Spannungs abfall an der Kapazität (n - 1) (n - 1) C vernach- lässigbar klein, und die angeschlossenen horizontalen und vertikalen Streifen empfangen auf ihrer ganzen Länge einen Videoimpuls der halben Amplitude des Impulses V, der an der Kreuzungsstelle der Streifen vi> und ho erzeugt wird.
Da zwischen der Phosphor helligkeit und der Erregerspannung angenähert eine kubische Beziehung besteht, leuchten die ganzen Län gen der angeschalteten Streifen v@ und h;; mit einer Helligkeit B/8 auf, wenn das Signal an der Kreu zungsstelle eine Helligkeit B erzeugt.
Wenn ein Streifen 500 Kreuzungsstellen aufweist, wird die Gesamtleuchtemission von den Streifen mehr als 100mal grösser als die Leuchtemission von der durch die Schalter 4 und 5 ausgewählten Kreuzungs stelle. In einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 würde also ein Bild auf einen Hintergrund aufgedrückt werden, dessen Helligkeit ungefähr 100mal grösser als die durchschnittliche Helligkeit des Bildes selbst ist, so dass letzteres vollkommen überstrahlt werden würde.
Diese Schwierigkeit lässt sich mit dem Leucht- phosphorschirm gemäss Fig. 5 und 6 der Zeichnung beheben.
Der Kreuzgitter-Wiedergabeschirm der Fig. 1 weist zwischen den beiden Gittern nur eine elektro lumineszierende Leuchtphosphorschicht auf, und es wurde im vorstehenden gezeigt, dass die Erregung, welche durch einen Spannungsimpuls bewirkt wird, der an zwei sich kreuzenden Streifen zur Wirkung kommt, nicht auf die Kreuzungsstelle beschränkt ist, sondern, wenn auch mit verringerter Intensität, über die ganze Länge der beiden Streifen zur Wirkung kommt. Für eine grosse Anzahl von Streifen ist diese unerwünschte Streifenerregung spannungs mässig gleich der Hälfte der gewünschten Erregung der Kreuzungsstelle der angeschalteten Streifen.
Es ergibt sich somit die unabänderliche Tat sache, dass die Hälfte der an der Kreuzungsstelle der angeschalteten Streifen auftretenden Spannung zwischen den nicht angeschalteten und den ange schalteten Streifen auftritt, und diese halbe Span nung ist von genügender Intensität, um den Leucht- phosphor in einem Ausmass zu erregen, dass der Un terschied zwischen Pegeln grosser und kleiner Hellig keit kaum wahrnehmbar ist. Ausgehend von der Tatsache, dass der erwähnte Zustand mit halber Spannung immer vorhanden ist, wird in der Folge gezeigt, dass es möglich ist, die nachteilige Wirkung dieses Zustandes zu beheben und ein Bild zu er zeugen, welches gute Kontrasteigenschaften aufweist.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 weist wiederum die Kreuzgitterelektroden oder -streifen auf, zwischen denen eine Schicht 8 aus elektrolumi neszierendem Leuchtphosphor liegt, welche sich je doch in diesem Falle in engem Kontakt mit einer Schicht 9 befindet, welche aus einem Stoff besteht, welcher eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Eine nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung ist bekanntlich bei verschiedenen Gruppen von Stoffen vorhanden, beispielsweise bei Halbleitern, Polaristoren und ferroelektrischen Stoffen. Stoffe aller dieser Gruppen sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Polaristoren sind Widerstände, die dadurch ge bildet werden, dass man leitende oder halbleitende Teilchen in eine plastische Schicht einbettet, wobei die Härtung des plastischen Stoffes vorgenommen wird, während die Teilchen einem starken polarisie renden elektrischen Feld unterworfen sind. Die Leitfähigkeit solcher Schichten ändert sich wesent lich bei Änderung der angelegten Spannung. Weitere Einzelheiten betreffend Polaristoren können den bei den folgenden Veröffentlichungen entnommen wer den: 1. H. E. Hollmann, Journal of Applied Phy- sics , Vol. 21, Seiten 402-413, Mai 1950, und 2. H.
E. Hollmann, Proceedings of the I. R. E. , Vol. 40, Seiten 538-545, Mai 1952.
Obwohl Halbleiterschichten und Polaristorschich- ten im vorliegenden Falle anwendbar sind, wird nachstehend angenommen, dass die bereits erwähnte Schicht 9 ferroelektrische Stoffe enthält. Der dar gestellte Schirm besteht aus einem dielektrischen ge schichteten Gebilde (Sandwich), welches zwischen zwei Gittern aus parallelen leitenden Streifen liegt, die senkrecht zueinander verlaufen. Das genannte geschichtete Gebilde besteht aus einer Schicht 8 aus elektrolumineszierendem Stoff, beispielsweise elek trolumineszierendem Pulver, welches in einen durch sichtigen plastischen Stoff eingebettet ist. Die Schicht 8 befindet sich in engem Kontakt mit einer Schicht 9, welche aus einem Stoff variabler Impedanz, z.
B. aus ferroelektrischem Material, besteht. Die das Gitter 10 bildenden Streifen, die an der Leuchtphosphor- schicht 8 anliegen, sind vorzugsweise durchsichtig und können aus dünnen Filmen von aufgedampftem Aluminium oder Silber oder aus durchsichtigen lei tenden Streifen aus Stannochlorid oder -oxyd be stehen, welches unter der Markenbezeichnung Nesa bekannt ist.
Die Streifen der beiden Gitter 10 und 11 sind mit leitenden Vorspannelektroden oder Sam melschienen 12 und 13 über individuelle Isolier- widerstände oder Entkopplungsmittel 14 und 15 verbunden. Der Zweck dieser Widerstände 14 und 15 besteht darin, die leitende Kopplung zwischen den einzelnen Streifen des gleichen Gitters und der Sammelschiene zu verringern, um zu verhindern, dass die Sammelschiene die entsprechenden Streifen kurz schliesst.
Die Sammelschienen 12 und 13 sind mit den Klemmen einer Batterie verbunden, welche an die ferroelektrische Schicht 9 eine Vorspannung anlegt. Es ist von Vorteil, durch die Leuchtphosphor schicht hindurch eine beträchtliche Ableitung zu er zeugen, was sich dadurch verwirklichen lässt, dass man dem Leuchtphosphorstoff halbleitende oder leitende Teilchen in der richtigen Konzentration beigibt.
In der Fig. 5 sind, wie ersichtlich, Verteilschalt- mittel ähnlich denjenigen der Fig. 1 vorgesehen, die aus den Schaltern 17 und 18 bestehen und mit den vertikalen bzw. horizontalen Streifen 10 und 11 ver bunden sind.
Die Arbeitsweise der bis hierher beschriebenen Vorrichtung und der Unterschied gegenüber der Ar beitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 wird unter Bezugnahme auf das Ersatzschema der Fig.7 ver ständlich.
Der Einfachheit halber werden die gleichen mo mentanen Betriebszustände für die Fig. 5 angenom men, wie sie vorher der Betrachtung der Fig. 1 zu grunde lagen. Der Spannungsimpuls oder Video impuls wird daher wie zuvor an den gleichen verti kalen Streifen vz, und den gleichen horizontalen Streifen h3 angelegt. Der volle Videoimpuls mit der Amplitude V wird wiederum an den Kondensator C angelegt, der. an der Kreuzungsstelle der Streifen v. Lind h3 vorhanden ist, und die Hälfte dieses Impulses tritt längs der verbleibenden Streifen v. und h3 auf.
Die an der Kreuzungsstelle zwischen den Streifen v.., und h3 vorhandene Kapazität C wird nun jedoch aus zwei Teilkapazitäten C, und Cn gebildet, wo Cf die Kapazität des ferroelektrischen Elementes und Cl, die Kapazität des Leuchtphosphorelementes ist. Das gleiche gilt für die Kapazitäten zwischen den ausge wählten und nicht ausgewählten Streifen.
Unter der Einwirkung des richtig bemessenen Gleichstromvor- spannfeldes, das durch die Batterie 16 geliefert wird, wird die ferroelektrische Schicht 9 bis zur Sättigung polarisiert und spricht daher auf eine gegebene Feld änderung mit nur einem geringen Verschiebungs strom an. Diese Eigenschaft von ferroelektrischen Streifen ist in der Literatur ausführlich beschrieben worden.
(Siehe beispielsweise das Kapitel Ferro- electric Crystals im Buch Introduction to Solid State Physics von Charles Kittel, John Wiley and Sons, Inc., 1953.) Die Vorspannung wird so gewählt, dass der zwi schen den ausgewählten und nicht ausgewählten Streifen auftretende Spannungsimpuls V/2 das Vor spannfeld nicht genügend vermindert,
um den ferro- elektrischen Stoff aus dem in der Nähe der Sättigung liegenden Bereich heraus zu bringen, wie dies in der Fig. 8 zum Ausdruck kommt.
Die Hysteresisschleife (Verschiebungsstrom D in Funktion der elektrischen Feldstärke E) der Fig. 8 ist typisch für ferroelektrische Stoffe, wie dies beispiels weise auf Seite 17 des eben erwähnten Buches klar zum Ausdruck kommt. Extrem ausgesprochene Hysteresisschleifen, welche zur Verwendung für den erfindungsgemässen Zweck sehr vorteilhaft sind, sind in einem Artikel von A. von Hippel in der Zeitschrift Review of Modern Physics , Vol. 22, Juli 1950, Seiten 221-237, beschrieben.
Die Schleife der Fig. 8 zeigt, dass mit der richti gen Vorspannung <I>VS</I> der schädliche Spannungs impuls V/2, welcher auf der ganzen Länge der aus gewählten vertikalen und horizontalen Streifen auf tritt, einen verhältnismässig kleinen Verschiebungs strom 19 zur Folge hat.
Der an der Kreuzungsstelle der ausgewählten Streifen v.. und h3 auftretende Ver- schiebungsstromimpuls 20, welcher durch die volle Spannung V erzeugt wird, wird nicht nur verdoppelt, wie dies bei einem gewöhnlichen dielektrischen Stoff der Fall ist, gegenüber dem Verschiebungsstrom 19, sondern beträgt das Vielfache des letzteren, wie dies aus der Fig. 8 ersichtlich ist.
Dieser ausgesprochene Unterschied der Verschie bungsströme an der Kreuzungsstelle der ausgewähl ten Streifen v. und h3 und an irgendeiner andern Kreuzungsstelle des Schirmes lässt sich wie folgt er klären: Das ferroelektrische, kapazitive Element Cf, welches an der ausgewählten Kreuzungsstelle der Streifen v. und h3 in Reihe mit dem Leuchtphosphor- element C., liegt,
bildet eine bedeutend höhere Kapa zität als die entsprechenden ferroelektrischen Ele mente auf dem Rest der ausgewählten Streifen. Daher empfängt der elektrolumineszierende Leuchtphosphor an der Kreuzungsstelle von v. und h3 praktisch den ganzen Videoimpuls V, während an den übrigen Stellen nur ein kleiner Bruchteil des unerwünsch ten Impulses V/. zur Wirkung kommt. Es ist ersicht lich, dass das an der Kreuzungsstelle der angeschal teten Streifen v#, und h; erzeugte Licht bedeutend heller wird und sich daher besser von der Hinter grundshelligkeit unterscheidet, als dies beim Schirm der Fig. 1 der Fall war.
Verglichen mit Fig. 1 lässt sich sagen, dass bei der Fig.5 die Helligkeit des Hintergrundes als praktisch nicht vorhanden ange sehen werden kann.
Falls die Erregerimpulse für die entsprechenden Streifen aus amplitudenmodulierter Videoinforma tion bestehen, verlangt die vorstehend beschriebene Arbeitsweise, dass die Amplituden von Impulsen grosser Leuchtstärke auf einem solchen Wert V be schränkt werden, dass V/2 das vorgespannte ferro- elektrische Material nicht aus dem Bereich des prak tisch gesättigten Zustandes hinaus treibt. Auf der an dern Seite sollte die Amplitude eines Impulses nied riger Leuchtstärke gleich oder etwas grösser als der Wert V/2 sein.
Diese Forderung lässt sich durch eine Gammakorrektion im Videoverstärker eines üblichen Fernsehempfängers oder durch Überlagerung von Videoimpulsen auf zusätzlich erzeugte Impulse kon stanter Amplitude V/2 verwirklichen. Anstelle der ferroelektrischen Schicht 9 (Fig. 6) lässt sich, wie schon erwähnt, eine Polaristorschicht verwenden. Dabei ist die Arbeitsweise ähnlich, da eine solche Schicht auch eine Impedanz aufweist, welche für einen Impuls geringer Amplitude hoch und für einen Impuls grosser Amplitude gering ist.
Infolgedessen wird - wie im vorangehenden Beispiel - praktisch die ganze Impulsamplitude an einer Streifenkreu- zungsstelle, welche einen Impuls V entsprechend einer grossen Lichtstärke empfängt, an den Leucht- phosphor angelegt, während der unerwünschte Impuls V/2, welcher zwischen den ausgewählten und nicht ausgewählten Streifen auftritt, nur mit einer stark verminderten Amplitude am Leuchtphosphor zur Wirkung kommt, vorausgesetzt, dass die Impedanzen der Leuchtphosphorschicht und der Polaristorschicht richtig aufeinander abgestimmt sind.
Die Entkopp- lungswiderstände 14 und 15, die Sammelschienen 12 und 13 und die Vorspannquelle 16 der Fig. 5 können bei Verwendung einer Polaristorschicht weggelassen werden.
Arrangement for the optical reproduction of information with a fluorescent phosphor screen which can be excited by surface element. The present invention relates to an arrangement for the optical reproduction of information with an electroluminescent phosphor screen which can be excited in surface element.
In one in the journal Review of Scientific Instruments, Vol. 24 (1953, page 471), NEN article by Arthur Bramley and Jenny E. Rosenthal a display screen is described which has two grid-shaped sets of parallel conductive strips, between which one Layer of electroluminescent phosphor is arranged. The strips on either side of the sheet are perpendicular to each other and the ends of the strips of each set are connected to a distribution switch.
The connections between the individual strips and the switch are designed so that only one strip of each set is connected to a signal voltage source, such as B. a video amplifier connected. Assuming that the display screen is brought into an upright position, with one set of strips running vertically and the other set running horizontally, the distribution switch operates in such a way that it sequentially applies the signal voltage to the vertical strips and at a relatively high speed applies to the horizontal strips at a slower speed.
For television purposes, the high speed corresponds to the horizontal line scanning frequency, while the lower speed corresponds to the field frequency.
Although this method is applicable to any information display device which uses any suitable scanning speeds for the horizontal and vertical strips, the present embodiments relate primarily to a television picture display device which uses the usual scanning speeds in the horizontal and vertical directions.
One difficulty which arises when using the device described above is that in the usual television reproduction between levels of strong light and weak light, only a very small contrast or none at all can be distinguished.
It is therefore an object of the present invention to provide a display screen with good definition of contrast between high brightness and low brightness levels.
Another purpose is to create a phosphor screen which is constructed in the manner of a crossed lattice and can produce a marked contrast between levels of high brightness and low brightness in an image during operation.
The invention now relates to an arrangement for the optical reproduction of information with a surface element-wise excitable phosphor screen with a layer of electroluminescent phosphor, in which conductors on one side of the phosphor layer are crossed with respect to conductors on the other side, which arrangement is further provided with means to apply signal controls to the said conductors in sequence, for the purpose of exciting the luminous phosphor, and is characterized in that an impedance layer is present between the luminous phosphor and at least part of the conductors,
which has a non-linear current-voltage characteristic.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is described in more detail below with reference to the drawings. In the drawing: FIG. 1 shows a schematic representation of a lattice-like phosphor screen to explain the principle of the invention, FIG. 2 shows a part of the screen according to FIG. 1 in perspective view, FIG. 3 shows a cross section through part of the screen according to FIG. 1, FIG. 4 the electrical substitute scheme of FIG. 3,
FIG. 5 shows the plan of an embodiment example of the subject matter of the invention, FIG. 6 shows a perspective view of the device according to FIG. 5 with partially broken away parts, FIG. 7 shows a replacement diagram for the screen according to FIG. 5 and FIG. 8 shows a diagram for Explanation of the work of the mentioned embodiment.
In Figs. 1-3, a phosphor layer 1 can be seen, which consists of any suitable elec troluminescent phosphor, as z. As described in U.S. Patent Nos. 2566349 and 2698915. This layer 1 is between two sets or grids of perpendicular strips or conductors. The set designated 2 (Fig. 1) consists of parallel strips or conductors which are spaced apart and run vertically. These strips are labeled v1, v2, v3, and so on.
The other grid, which is indicated by 3 in FIG. 1, consists of horizontally extending strips or conductors <I> hl, </I> h2, h3 etc. Although the drawing shows only a few strips, it is understandable, i.e. Any number of strips can be provided according to the desired result. For example, a television display screen must have a large number of such strips, e.g. B. 500 or 1000, have.
In FIG. 1 there is also a distribution switching system which consists of two mechanical switches 4 and 5, of which the switch 4 is connected to the horizontal grid 3 and the switch 5 to the vertical grid 2. With the rotors of this switch, a signal voltage source 6 is coupled ge. When the switches rotate at predetermined speeds, the signal voltage is applied to respective strips of the two grids 2 and 3 in turn. Since the phosphor emits light as a function of a variable electric field, flashes of light are generated at the intersection of the individual strips as soon as they are connected to the source 6 via the switches.
In FIG. 1 the switches 4 and 5 are in a position in which the vertical strip v2 is connected to the source 6 and the horizontal strip h3 is connected to earth. If the instantaneous value of the source voltage is V, the switches generate a voltage pulse with the amplitude V at the intersection of the strips v2 and h3, which is denoted by 7, in the position provided. The luminous phosphor located at this intersection between the strips generates a flash of light of corresponding brightness as a result of the said pulse.
If the switching process proceeds at a speed which corresponds to the usual television scanning in the vertical and horizontal direction, it was desirable that the light flashes generated at the intersection points generate a brightness image pattern which corresponds to the video signal. However, this desired mode of operation cannot actually be achieved by means of the simple construction described above, mainly for the following two reasons: 1. There are flashes of light not only at the intersection of the two strips connected by the switch, but also over the whole Length of the strips turned on generated, albeit with reduced intensity; 2.
Each element, i.e. the luminous phosphor present at each intersection, is only excited during an extremely short fraction of the partial image duration (i.e. the time required for a complete scanning of all strips of the grating 3), so that the brightness observed by the eye, which is an average brightness during the partial image duration, is significantly below the brightness which the phosphor can generate when continuously excited.
When scanning the strips of the two grids on television, the arrangement according to FIG. 1 does not produce an image, but a light spot of practically uniform brightness extending over the entire phosphor layer, although the instantaneous voltages can be different from strip to strip.
To explain this unacceptable result, FIGS. 2, 3 and 4 are discussed below. If the two switches 4 and 5 of FIG. 1 are briefly connected to the two strips v2 and h3, a signal voltage of the value V will occur at the intersection, as already mentioned. However, all other strips of the two grids are capacitively coupled to strips v2 and h3.
Assume that the elementary capacity of the luminous phosphor at each intersection is C and that there are m horizontal and n vertical stripes. The capacitive coupling between the strips (switched on and not switched on) can be represented by the equivalent scheme in FIG. In this diagram, all horizontal strips that are not switched on are represented by the point hi. Since (m - I) not connected horizontal stripes cross the connected vertical stripe v2, the capacitance of this stripe system hi with respect to the stripe v2 is equal to (m- 1) C.
In the same way, the capacitance of the vertical stripes that are not closed by the symbol v; are shown, with respect to the connected horizontal strip h #, equal to (fa- 1) C, and the capacitance between the unconnected strips of both grids 2 and 3 is the same (in <I> - 1) </I> ( h <I> - 1) C. </I>
If, as is the case in the case of application to television, the number of horizontal and vertical stripes are approximately the same, for example 500-1000, the voltage drop across the capacitance is (n-1) (n-1) C negligibly small, and the connected horizontal and vertical strips receive a video pulse of half the amplitude of the pulse V, which is generated at the intersection of the strips vi> and ho, along their entire length.
Since there is an approximately cubic relationship between the phosphor brightness and the excitation voltage, the entire lengths of the connected strips v @ and h ;; with a brightness B / 8 when the signal at the crossing point generates a brightness B.
If a strip has 500 crossing points, the total luminous emission from the strips is more than 100 times greater than the luminous emission from the crossing point selected by switches 4 and 5. In a device according to FIG. 1, an image would be pressed onto a background whose brightness is approximately 100 times greater than the average brightness of the image itself, so that the latter would be completely outshone.
This difficulty can be eliminated with the phosphor screen according to FIGS. 5 and 6 of the drawing.
The cross-grating display screen of FIG. 1 has only one electro-luminescent phosphor layer between the two grids, and it was shown above that the excitation which is caused by a voltage pulse which comes into effect at two intersecting strips does not the point of intersection is limited, but takes effect over the entire length of the two strips, albeit with reduced intensity. For a large number of strips, this undesired strip excitation is, in terms of voltage, equal to half the desired excitation of the intersection of the connected strips.
The result is the inevitable fact that half of the voltage occurring at the intersection of the connected strips occurs between the non-connected and the connected strips, and this half voltage is of sufficient intensity to absorb the phosphor to an extent to excite that the difference between high and low brightness levels is barely perceptible. Based on the fact that the mentioned state with half voltage is always present, it will be shown below that it is possible to remedy the adverse effect of this state and to generate an image which has good contrast properties.
The embodiment of FIGS. 5 and 6 again has the cross-grid electrodes or strips, between which a layer 8 of electroluminescent luminous phosphor is located, which in this case is in close contact with a layer 9, which consists of a substance, which has a non-linear current-voltage characteristic. A non-linear relationship between current and voltage is known to exist in various groups of substances, for example in semiconductors, polaristors and ferroelectric substances. Substances from all of these groups are applicable for the purposes of the present invention.
Polaristors are resistors that are formed by embedding conductive or semiconducting particles in a plastic layer, the hardening of the plastic material being carried out while the particles are subjected to a strong polarizing electric field. The conductivity of such layers changes essentially when the applied voltage changes. Further details regarding polaristors can be found in the following publications: 1. H. E. Hollmann, Journal of Applied Physics, Vol. 21, pages 402-413, May 1950, and 2. H.
E. Hollmann, Proceedings of the I. R. E., Vol. 40, pp. 538-545, May 1952.
Although semiconductor layers and polaristor layers can be used in the present case, it is assumed below that the already mentioned layer 9 contains ferroelectric substances. The screen is presented consists of a dielectric layered structure (sandwich), which lies between two grids made of parallel conductive strips that are perpendicular to each other. Said layered structure consists of a layer 8 of electroluminescent material, for example electroluminescent powder, which is embedded in a transparent plastic material. The layer 8 is in close contact with a layer 9, which consists of a substance of variable impedance, e.g.
B. made of ferroelectric material. The strips forming the grid 10, which rest on the phosphor layer 8, are preferably transparent and can be made of thin films of vapor-deposited aluminum or silver or of transparent conductive strips of stannous chloride or oxide, which is known under the brand name Nesa .
The strips of the two grids 10 and 11 are connected to conductive biasing electrodes or busbars 12 and 13 via individual insulating resistors or decoupling means 14 and 15. The purpose of these resistors 14 and 15 is to reduce the conductive coupling between the individual strips of the same grid and the bus bar in order to prevent the bus bar from shorting out the respective strips.
The busbars 12 and 13 are connected to the terminals of a battery which applies a bias voltage to the ferroelectric layer 9. It is advantageous to generate a considerable discharge through the phosphor layer, which can be achieved by adding semiconducting or conductive particles in the correct concentration to the phosphor.
In FIG. 5, as can be seen, distribution switching means are provided similar to those in FIG. 1, which consist of the switches 17 and 18 and are connected to the vertical and horizontal strips 10 and 11, respectively.
The operation of the device described so far and the difference with respect to the Ar process of the device of FIG. 1 is ver understandable with reference to the substitute scheme of FIG.
For the sake of simplicity, the same momentary operating states are assumed for FIG. 5 as were the basis for the consideration of FIG. 1 previously. The voltage pulse or video pulse is therefore applied as before to the same vertical strip vz, and the same horizontal strip h3. The full video pulse with amplitude V is in turn applied to capacitor C, the. at the intersection of the stripes v. And h3 is present, and half of this momentum occurs along the remaining strips v. and h3 on.
The capacitance C present at the point of intersection between the strips v .. and h3 is now formed from two partial capacitances C and Cn, where Cf is the capacitance of the ferroelectric element and Cl is the capacitance of the phosphor element. The same applies to the capacities between the selected and unselected strips.
Under the action of the correctly dimensioned direct current bias field supplied by the battery 16, the ferroelectric layer 9 is polarized to saturation and therefore responds to a given field change with only a small displacement current. This property of ferroelectric strips has been extensively described in the literature.
(See, for example, the Ferroelectric Crystals chapter in Introduction to Solid State Physics by Charles Kittel, John Wiley and Sons, Inc., 1953.) The bias voltage is chosen so that the voltage pulse V occurring between the selected and unselected strips / 2 the apron area is not reduced sufficiently,
in order to bring the ferroelectric substance out of the region lying in the vicinity of saturation, as is expressed in FIG.
The hysteresis loop (displacement current D as a function of the electric field strength E) of FIG. 8 is typical of ferroelectric substances, as is clearly shown, for example, on page 17 of the book just mentioned. Extremely pronounced hysteresis loops, which are very advantageous for use for the purpose according to the invention, are described in an article by A. von Hippel in the Review of Modern Physics, Vol. 22, July 1950, pages 221-237.
The loop in FIG. 8 shows that with the correct bias voltage <I> VS </I> the harmful voltage pulse V / 2, which occurs over the entire length of the vertical and horizontal strips selected, has a relatively small displacement current 19 results.
The displacement current pulse 20 occurring at the intersection of the selected strips v .. and h3, which is generated by the full voltage V, is not only doubled compared to the displacement current 19, as is the case with an ordinary dielectric material, but is the multiple of the latter, as can be seen from FIG.
This pronounced difference in the displacement currents at the intersection of the selected strips v. and h3 and at any other crossing point of the screen can be explained as follows: The ferroelectric, capacitive element Cf, which at the selected crossing point of the strips v. and h3 is in series with the phosphor element C.,
forms a significantly higher capacity than the corresponding ferroelectric elements on the rest of the selected strips. Therefore, the electroluminescent luminous phosphor receives at the intersection of v. and h3 practically the entire video pulse V, while at the other points only a small fraction of the undesired pulse V /. comes into effect. It can be seen that at the intersection of the connected strips v #, and h; The light generated is significantly brighter and therefore differs better from the background brightness than was the case with the screen of FIG.
Compared with FIG. 1 it can be said that in FIG. 5 the brightness of the background can be seen as practically non-existent.
If the excitation pulses for the corresponding strips consist of amplitude-modulated video information, the method of operation described above requires that the amplitudes of pulses of high luminosity be limited to a value V be such that V / 2 does not leave the prestressed ferroelectric material outside the range of the practically saturated state drives out. On the other hand, the amplitude of a pulse of low luminosity should be equal to or slightly greater than the value V / 2.
This requirement can be met by a gamma correction in the video amplifier of a conventional television receiver or by superimposing video pulses on additionally generated pulses of constant amplitude V / 2. As already mentioned, a polaristor layer can be used instead of the ferroelectric layer 9 (FIG. 6). The method of operation is similar, since such a layer also has an impedance which is high for a pulse of low amplitude and low for a pulse of large amplitude.
As a result - as in the previous example - practically the entire pulse amplitude is applied to the fluorescent phosphor at a strip intersection, which receives a pulse V corresponding to a large light intensity, while the undesired pulse V / 2, which is between the selected and unselected Stripes occurs, only comes into effect with a greatly reduced amplitude on the luminous phosphor, provided that the impedances of the luminous phosphor layer and the polaristor layer are correctly matched to one another.
The decoupling resistors 14 and 15, the busbars 12 and 13 and the bias source 16 of FIG. 5 can be omitted when a polaristor layer is used.