eng
Выпуск #6/2000
О. Макиенко.
Лазерные кинескопы нового поколения. Они стали совсем простыми...
Лазерные кинескопы нового поколения. Они стали совсем простыми...
Просмотры: 2832
Лазерные ЭЛП (или квантоскопы) – совершенно новая уникальная продукция высшей степени наукоемкости. Эти устройства – отечественное научно-техническое достижение конца ХХ века. Россия была и остается мировым лидером по разработке и монополистом по производству приборов этого нового класса. Продолжающиеся, несмотря на тяжелые условия, благодаря энтузиазму ученых разработки в этой области могут стать одним из ведущих направлений развития электроники России в следующем столетии.
Идея лазерного кинескопа многократно описана в литературе [1] и чрезвычайно проста: при замене люминофорного покрытия экрана ЭЛП монокристаллической полупроводниковой мишенью каждый ее элемент под воздействием электронного пучка генерирует когерентное излучение. Иными словами, каждый элемент мишени является полупроводниковым лазером с накачкой электронным пучком. Длина волны лазерного излучения определяется типом полупроводникового материала, а его интенсивность и пространственное положение задаются электронным пучком, управляемым стандартными и хорошо отработанными для обычных кинескопов методами. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, создание лазерных ЭЛП с параметрами, приемлемыми для практического применения, потребовало более 25 лет сложнейших научно-технических и технологических работ, и устройства на основе квантоскопов первого поколения были реализованы только в середине 90-х годов. Основное внимание в ходе разработок уделялось выходным светотехническим характеристикам приборов: мощности и длине волны лазерного излучения; разрешающей способности; устранению неравномерности поля излучения и т.п. Были получены весьма обнадеживающие результаты: создан параметрический ряд квантоскопов практически с любой длиной волны излучения – от УФ- до ИК-диапазонов – мощностью 2–25 Вт в зависимости от длины волны и с разрешающей способностью до 2500 ТВ-линий.
Функциональные возможности квантоскопов (сканирование и модуляция лазерного излучения, естественное сопряжение с компьютером и другие не менее важные свойства) были продемонстрированы на образцах аппаратуры различного назначения. Наиболее успешными и впечатляющими оказались результаты, полученные при использовании квантоскопов первого поколения для проецирования ТВ-изображения на большие киноэкраны, а также для фотодинамической терапии и диагностики раковых опухолей [2,3]. В этих и других областях применения выходные параметры и функциональные возможности лазерных ЭЛП сразу же дали положительные эффекты, позволяя выйти на новый уровень конечного результата действия аппаратуры – от достаточно успешного и быстрого лечения рака до воспроизведения ТВ-изображения высокого качества. И тем не менее, при всех этих достоинствах ни один макетный образец аппаратуры на базе лазерных ЭЛП не был реализован в промышленности и не смог стать реальным товаром на рынке изделий высокой технологии, хотя задачу освоения промышленного производства такой аппаратуры решали ведущие радиотехнические предприятия Советского Союза.
Причина неудачи практической реализации потенциальных возможностей лазерных ЭЛП первого поколения заключалась в существенных недостатках эксплуатационного характера. В первую очередь – это выполнение условий охлаждения и радиотехнического обеспечения, необходимых для нормального функционирования приборов. Так, для охлаждения лазерной мишени требовались криогенные температуры (80–150К). А для успешной работы квантоскопа следовало подавать на катод ЭЛП высокое отрицательное ускоряющее напряжение (до 65 кВ). Соблюдение этих требований приводило к тому, что любая аппаратура на основе квантоскопов первого поколения создавалась как бы “с нуля”, поскольку стандартные для обычных ЭЛП технические решения и комплектующие устройства оказались не применимыми. Глубокое охлаждение лазерной мишени потребовало создания специальных дорогостоящих криогенных устройств с большими массогабаритными показателями и энергопотреблением порядка 3-4 кВт. Для подачи на катод столь высокого отрицательного напряжения необходимы нестандартные источники высоковольтного напряжения, содержащие помимо собственно источника напряжения блоки питания катода, модулятора, усилителя видеосигнала и др. К тому же, этот высоковольтный комплекс нужно было изолировать от остальной системы, что обычно выполнялось с помощью трансформаторного масла большого объема.
Квантоскопы первого поколения имели также ряд конструктивных недостатков: большую длину (750 мм); встроенные активные средства поддержания вакуума, что сразу же ограничивало срок службы примерно до 1 тыс. ч и усложняло и без того достаточно непростое устройство. Все это делало аппаратуру на основе квантоскопов первого поколения слишком громоздкой (массой до 500 кг), дорогостоящей и ненадежной.
С целью устранения перечисленных недостатков, максимального приближения эксплуатационных характеристик новых приборов к стандартным ЭЛП и обеспечения возможности применения стандартных радиотехнических и холодильных средств в последние четыре года активно велась разработка лазерных кинескопов нового поколения. Ставились задачи:
· снижения ускоряющего напряжения до 40–50 кВ и смены его полярности на положительную, как в обычных ЭЛП;
· доведения температуры охлаждения лазерной мишени до 240–270К;
· уменьшения длины прибора до 350 – 400 мм;
· применения в конструкции, как и в обычных ЭЛП, только пассивных средств поддержания вакуума.
В ходе решения этого комплекса взаимосвязанных задач была создана совершенно новая конструкция лазерного ЭЛП (рис.1), который по внешнему виду аналогичен стандартным устройствам. Его длина – 370 мм; диаметр лазерной мишени – 50 мм; масса без компаунда – 400 г. Таким образом, по сравнению с квантоскопами первого поколения, длина и масса нового ЭЛП уменьшены более чем в два раза. Конструкция выполнена по классической для всех ЭЛП схеме с продольным возбуждением активной среды экрана электронным пучком. Улучшены и потребительские свойства ЭЛП нового поколения: конструкция максимально упрощена, вакуум поддерживается внутренними пассивными средствами; электроизоляция высокого напряжения решена за счет применения системы внутренней вакуумной изоляции и стандартного внешнего компаундирования высоковольтного ввода. Таким образом, с точки зрения радиотехнического и электронного обеспечения новый квантоскоп – обычный ЭЛП типа высокояркостного проекционного кинескопа.
В ходе разработки лазерных кинескопов нового поколения последовательно решались две основные, на первый взгляд взаимоисключающие для полупроводниковых лазеров, задачи: снижение напряжения генерации лазерного излучения и повышение рабочей температуры. Как известно, и то и другое ведет к резкому снижению мощности излучения квантоскопов, особенно в температурном диапазоне 200–300К [1]. Чтобы сохранить основные светотехнические характеристики, в первую очередь достаточно высокую мощность излучения, для новой конструкции квантоскопа была создана и оптимизирована более совершенная оптико-формирующая система, позволившая повысить плотность тока электронного пучка на мишени.
Сама лазерная мишень также была модернизирована и оптимизирована под новые условия возбуждения. В отличие от квантоскопов первого поколения, мишень нового ЭЛП одновременно с генерацией лазерного излучения частично выполняет и функции электроизоляции. Общую для всех ЭЛП проблему резкого увеличения диаметра электронного пучка с ростом тока, имеющую критически важное значение для квантоскопов, удалось решить за счет совершенствования электронно-оптической системы прибора. При создании конструкции лазерного ЭЛП нового поколения было найдено большое число новых технических решений, 12 из которых были запатентованы в России и за рубежом. В основном они касаются решения проблемы подачи высоковольтного напряжения на внутреннюю сторону лазерной мишени с одновременным заземлением ее внешней стороны. В ходе совершенствования технологических процессов изготовления новых приборов появился целый ряд ноу-хау, что совместно с патентованием позволило создать надежную систему защиты лазерных ЭЛП нового поколения и укрепило российскую монополию на данный класс приборов.
Основные характеристики лазерных кинескопов нового поколения
Диапазон длины волны излучения 460 – 700 нм
Мощность излучения 2 – 10 Вт в зависимости
от длины волны
Разрешающая способность не менее 1600 ТВ-линий (против 1200 ТВ-линий у квантоскопов первого поколения)
Долговечность (оцениваемая по экспресс-методике) 3000 ч (у первого поколения – 1 тыс. ч)
Улучшены и эксплуатационные параметры приборов. Главные из них – положительное катодное напряжение 40–45 кВ и температура охлаждения лазерной мишени 250–280К (–20 – 0°С). Это уже температуры, обеспечиваемые современными стандартными холодильными системами, среди которых особый интерес представляют полупроводниковые термохолодильные устройства на эффекте Пельтье.
В ходе разработки лазерных кинескопов нового поколения удалось создать первые образцы приборов, вообще не требующих охлаждения и работающих при комнатной температуре (300К) (рис.2). Отличие характеристик этих лазерных ЭЛП от квантоскопов первого поколения, требующих охлаждения, лишь в том, что приводимые значения мощности излучения для охлаждаемых приборов – это значения средней мощности, а для неохлаждаемых – значения импульсной мощности с коэффициентом заполнения экрана 5–10%. Такие приборы уже сейчас могут использоваться в компактной (масса не более 10–15 кг), надежной и эффективной аппаратуре растровых оптических микроскопов и в системах диагностики раковых опухолей.
Аппаратура на основе мощных охлаждаемых лазерных кинескопов нового поколения также кардинально отличается от первых образцов систем на ЭЛП. Достаточно сравнить массогабаритные показатели этих систем: не более 30–50 кг при использовании новых приборов и порядка 350–500 кг на базе предыдущих устройств. Еще важнее возможность применения стандартных, т. е. надежных и недорогих, средств обеспечения. В качестве примера системы на основе новых охлаждаемых квантоскопов можно привести лазерный телевизионный проектор для стандартных киноэкранов площадью 30–50 м2, состоящий из RGB-триады лазерных ЭЛП и обеспечивающий воспроизведение полноцветного телевизионного изображения высокого качества, практически недостижимого для проекторов, работающих на альтернативных принципах (светоклапанных, люминофорных, чисто лазерных).
В заключение необходимо еще раз отметить, что лазерные квантоскопы нового поколения – чрезвычайно наукоемкие и монопольно российские изделия, не имеющие конкурентов на внутреннем и внешнем рынках. Правда, на мировом рынке наибольшее внимание привлекут законченные системы на основе этих приборов, например тот же лазерный проектор с уникальными характеристиками, низкой себестоимостью и монопольной ценой при продаже. Такие системы представляют безусловный интерес для бизнеса и инвестиций как в России, так и за рубежом. В целом комплекс проведенных научно-технических и технологических работ позволил не только сохранить светотехнические характеристики квантоскопов первого поколения, но и улучшить некоторые из них. Это – малогабаритные, надежные и недорогие приборы, которые могут быть непосредственно использованы в системах различного назначения.
Литература
1. Уласюк В.Н. Квантоскопы. – М.: Радио и Связь, 1988.
2. Садчихин А.В. Проекционные системы отображения информации. – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 1999, № 4, с. 56–62.
3. Doane В. Flat-panel display technology in Russia. – Information Display, 1995, № 4-5, p. 16.
Представляем автора статьи
Макиенко Олег Михайлович. Окончил Московский физико-технический институт по специальности квантовая электроника. Главный конструктор лазерных ЭЛП НИИ “Платан” (г. Фрязино). Автор более 80 публикаций и изобретений. Сфера профессиональных интересов – теория, эксперимент и практическая реализация полупроводниковых лазеров с электронной накачкой. Контактный тел./факс (095) 702–9336.
Функциональные возможности квантоскопов (сканирование и модуляция лазерного излучения, естественное сопряжение с компьютером и другие не менее важные свойства) были продемонстрированы на образцах аппаратуры различного назначения. Наиболее успешными и впечатляющими оказались результаты, полученные при использовании квантоскопов первого поколения для проецирования ТВ-изображения на большие киноэкраны, а также для фотодинамической терапии и диагностики раковых опухолей [2,3]. В этих и других областях применения выходные параметры и функциональные возможности лазерных ЭЛП сразу же дали положительные эффекты, позволяя выйти на новый уровень конечного результата действия аппаратуры – от достаточно успешного и быстрого лечения рака до воспроизведения ТВ-изображения высокого качества. И тем не менее, при всех этих достоинствах ни один макетный образец аппаратуры на базе лазерных ЭЛП не был реализован в промышленности и не смог стать реальным товаром на рынке изделий высокой технологии, хотя задачу освоения промышленного производства такой аппаратуры решали ведущие радиотехнические предприятия Советского Союза.
Причина неудачи практической реализации потенциальных возможностей лазерных ЭЛП первого поколения заключалась в существенных недостатках эксплуатационного характера. В первую очередь – это выполнение условий охлаждения и радиотехнического обеспечения, необходимых для нормального функционирования приборов. Так, для охлаждения лазерной мишени требовались криогенные температуры (80–150К). А для успешной работы квантоскопа следовало подавать на катод ЭЛП высокое отрицательное ускоряющее напряжение (до 65 кВ). Соблюдение этих требований приводило к тому, что любая аппаратура на основе квантоскопов первого поколения создавалась как бы “с нуля”, поскольку стандартные для обычных ЭЛП технические решения и комплектующие устройства оказались не применимыми. Глубокое охлаждение лазерной мишени потребовало создания специальных дорогостоящих криогенных устройств с большими массогабаритными показателями и энергопотреблением порядка 3-4 кВт. Для подачи на катод столь высокого отрицательного напряжения необходимы нестандартные источники высоковольтного напряжения, содержащие помимо собственно источника напряжения блоки питания катода, модулятора, усилителя видеосигнала и др. К тому же, этот высоковольтный комплекс нужно было изолировать от остальной системы, что обычно выполнялось с помощью трансформаторного масла большого объема.
Квантоскопы первого поколения имели также ряд конструктивных недостатков: большую длину (750 мм); встроенные активные средства поддержания вакуума, что сразу же ограничивало срок службы примерно до 1 тыс. ч и усложняло и без того достаточно непростое устройство. Все это делало аппаратуру на основе квантоскопов первого поколения слишком громоздкой (массой до 500 кг), дорогостоящей и ненадежной.
С целью устранения перечисленных недостатков, максимального приближения эксплуатационных характеристик новых приборов к стандартным ЭЛП и обеспечения возможности применения стандартных радиотехнических и холодильных средств в последние четыре года активно велась разработка лазерных кинескопов нового поколения. Ставились задачи:
· снижения ускоряющего напряжения до 40–50 кВ и смены его полярности на положительную, как в обычных ЭЛП;
· доведения температуры охлаждения лазерной мишени до 240–270К;
· уменьшения длины прибора до 350 – 400 мм;
· применения в конструкции, как и в обычных ЭЛП, только пассивных средств поддержания вакуума.
В ходе решения этого комплекса взаимосвязанных задач была создана совершенно новая конструкция лазерного ЭЛП (рис.1), который по внешнему виду аналогичен стандартным устройствам. Его длина – 370 мм; диаметр лазерной мишени – 50 мм; масса без компаунда – 400 г. Таким образом, по сравнению с квантоскопами первого поколения, длина и масса нового ЭЛП уменьшены более чем в два раза. Конструкция выполнена по классической для всех ЭЛП схеме с продольным возбуждением активной среды экрана электронным пучком. Улучшены и потребительские свойства ЭЛП нового поколения: конструкция максимально упрощена, вакуум поддерживается внутренними пассивными средствами; электроизоляция высокого напряжения решена за счет применения системы внутренней вакуумной изоляции и стандартного внешнего компаундирования высоковольтного ввода. Таким образом, с точки зрения радиотехнического и электронного обеспечения новый квантоскоп – обычный ЭЛП типа высокояркостного проекционного кинескопа.
В ходе разработки лазерных кинескопов нового поколения последовательно решались две основные, на первый взгляд взаимоисключающие для полупроводниковых лазеров, задачи: снижение напряжения генерации лазерного излучения и повышение рабочей температуры. Как известно, и то и другое ведет к резкому снижению мощности излучения квантоскопов, особенно в температурном диапазоне 200–300К [1]. Чтобы сохранить основные светотехнические характеристики, в первую очередь достаточно высокую мощность излучения, для новой конструкции квантоскопа была создана и оптимизирована более совершенная оптико-формирующая система, позволившая повысить плотность тока электронного пучка на мишени.
Сама лазерная мишень также была модернизирована и оптимизирована под новые условия возбуждения. В отличие от квантоскопов первого поколения, мишень нового ЭЛП одновременно с генерацией лазерного излучения частично выполняет и функции электроизоляции. Общую для всех ЭЛП проблему резкого увеличения диаметра электронного пучка с ростом тока, имеющую критически важное значение для квантоскопов, удалось решить за счет совершенствования электронно-оптической системы прибора. При создании конструкции лазерного ЭЛП нового поколения было найдено большое число новых технических решений, 12 из которых были запатентованы в России и за рубежом. В основном они касаются решения проблемы подачи высоковольтного напряжения на внутреннюю сторону лазерной мишени с одновременным заземлением ее внешней стороны. В ходе совершенствования технологических процессов изготовления новых приборов появился целый ряд ноу-хау, что совместно с патентованием позволило создать надежную систему защиты лазерных ЭЛП нового поколения и укрепило российскую монополию на данный класс приборов.
Основные характеристики лазерных кинескопов нового поколения
Диапазон длины волны излучения 460 – 700 нм
Мощность излучения 2 – 10 Вт в зависимости
от длины волны
Разрешающая способность не менее 1600 ТВ-линий (против 1200 ТВ-линий у квантоскопов первого поколения)
Долговечность (оцениваемая по экспресс-методике) 3000 ч (у первого поколения – 1 тыс. ч)
Улучшены и эксплуатационные параметры приборов. Главные из них – положительное катодное напряжение 40–45 кВ и температура охлаждения лазерной мишени 250–280К (–20 – 0°С). Это уже температуры, обеспечиваемые современными стандартными холодильными системами, среди которых особый интерес представляют полупроводниковые термохолодильные устройства на эффекте Пельтье.
В ходе разработки лазерных кинескопов нового поколения удалось создать первые образцы приборов, вообще не требующих охлаждения и работающих при комнатной температуре (300К) (рис.2). Отличие характеристик этих лазерных ЭЛП от квантоскопов первого поколения, требующих охлаждения, лишь в том, что приводимые значения мощности излучения для охлаждаемых приборов – это значения средней мощности, а для неохлаждаемых – значения импульсной мощности с коэффициентом заполнения экрана 5–10%. Такие приборы уже сейчас могут использоваться в компактной (масса не более 10–15 кг), надежной и эффективной аппаратуре растровых оптических микроскопов и в системах диагностики раковых опухолей.
Аппаратура на основе мощных охлаждаемых лазерных кинескопов нового поколения также кардинально отличается от первых образцов систем на ЭЛП. Достаточно сравнить массогабаритные показатели этих систем: не более 30–50 кг при использовании новых приборов и порядка 350–500 кг на базе предыдущих устройств. Еще важнее возможность применения стандартных, т. е. надежных и недорогих, средств обеспечения. В качестве примера системы на основе новых охлаждаемых квантоскопов можно привести лазерный телевизионный проектор для стандартных киноэкранов площадью 30–50 м2, состоящий из RGB-триады лазерных ЭЛП и обеспечивающий воспроизведение полноцветного телевизионного изображения высокого качества, практически недостижимого для проекторов, работающих на альтернативных принципах (светоклапанных, люминофорных, чисто лазерных).
В заключение необходимо еще раз отметить, что лазерные квантоскопы нового поколения – чрезвычайно наукоемкие и монопольно российские изделия, не имеющие конкурентов на внутреннем и внешнем рынках. Правда, на мировом рынке наибольшее внимание привлекут законченные системы на основе этих приборов, например тот же лазерный проектор с уникальными характеристиками, низкой себестоимостью и монопольной ценой при продаже. Такие системы представляют безусловный интерес для бизнеса и инвестиций как в России, так и за рубежом. В целом комплекс проведенных научно-технических и технологических работ позволил не только сохранить светотехнические характеристики квантоскопов первого поколения, но и улучшить некоторые из них. Это – малогабаритные, надежные и недорогие приборы, которые могут быть непосредственно использованы в системах различного назначения.
Литература
1. Уласюк В.Н. Квантоскопы. – М.: Радио и Связь, 1988.
2. Садчихин А.В. Проекционные системы отображения информации. – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 1999, № 4, с. 56–62.
3. Doane В. Flat-panel display technology in Russia. – Information Display, 1995, № 4-5, p. 16.
Представляем автора статьи
Макиенко Олег Михайлович. Окончил Московский физико-технический институт по специальности квантовая электроника. Главный конструктор лазерных ЭЛП НИИ “Платан” (г. Фрязино). Автор более 80 публикаций и изобретений. Сфера профессиональных интересов – теория, эксперимент и практическая реализация полупроводниковых лазеров с электронной накачкой. Контактный тел./факс (095) 702–9336.
Отзывы читателей
