矩阵电子枪超大屏幕显像管或显示管 及扫描控制方法 本发明涉及一种大屏幕显像管和显示管及扫描控制方法，尤其是一种采用矩阵式排列的电子枪群与大型整体荧光屏组成的超大屏幕、超平面直角、超高分辨率的彩色显像管和显示管及扫描控制方法。
彩色显像管和彩色显示管是电视机与计算机系统对用户的窗口。它是系统整体性能的体现。随着信息技术的发展，加大屏幕尺寸、提高分辨率是这一领域专家们不懈的追求。为了这一目的，近年来出现了很多新的显示技术，但它们除了在尺寸上能超过彩色显像管和显示管外，在清晰度、亮度、对比度、色彩鲜艳度和制造成本等诸方面都不如彩色显像管和显示管。但传统的单枪显像管和显示管当要求加大屏幕尺寸提高分辨率时出现很多问题。电子枪放大率过大，使得缩小电子束斑直径，保持在整个屏幕范围内的一致性，并高精度地定位束斑的着屏点变得非常困难；同时还给视放、偏转驱动带来一系列苛刻地要求。特别是在超大屏幕的要求下，电真空的玻壳难以承受空气的巨大压力。近年来在使彩色显像管和显示管走向超大屏幕、超高分辨率的研发过程中，已有技术采用多个独立扫描的电子枪矩阵式排列，对一个整体屏幕分布式扫描来构成一个没有过渡痕迹的大屏幕画面，这里由于每个电子枪扫描范围不大，解决了单枪大屏幕带来地一系列问题，但又提出了两个新问题：一是作为分布扫描的子屏，相互之间的衔接问题；我们称之为“子屏衔接”，“子屏衔接”又可分为“几何衔接”和“亮度衔接”两个问题。“几何衔接”是指画面上的各个方向的线条在子屏之间的对准，即子屏之间电子束斑着屏点的协调控制。若子屏之间的各个方向线条对准而亮度过渡不均匀，也会产生令人不能接受的过渡痕迹。“亮度衔接”正是指子屏之间的电子束斑强度的协调控制。二是如何抵抗空气压力引起的真空玻壳的变形和破坏，在解决这一问题时又不能以牺牲画面质量为代价。已经公开的许多专利都对解决上述的问题提出了一些方法。解决“子屏衔接”问题的代表作是德国汤姆森-勃朗特有限公司的公开号为CN1091858SA的发明专利，它揭示了一种分布式扫描的多枪显像管，它使用了无荫罩的带有专利特点的电子束指引控制方法，如果他能实现这一方法，那么我们有理由相信他解决了子屏之间电子束斑着屏点的协调控制即“几何衔接”问题。然而在专利说明书中对这一方法的实现步骤并未作出实质性安排，从技术发展的历史看来世界上很多公司都提出过不同形式的电子束指引无荫罩彩色显示方法，并作了大量的实验，至今未见相应产品上市，其原因是实现电子束指引无荫罩彩色显示方法的复杂性导致的成本上升，使其无法与荫罩彩色显像管相竞争。该专利案中对矩阵排列的电子枪相邻列之间使用了光隔离壁进行隔离，光隔离壁的起点和终点都予留了一间隙，束指引的光传感器通过这个间隙检测相邻列的亮度信号。与本列的亮度相比较后作出相应的调整，从而达到“亮度衔接”。这里存在两个问题：1、亮度分布的不均匀性特别是在运行中随机因素很多，以从光隔离壁的起点和终点的间隙检测到的局部亮度来代替或推算相邻列的整个亮度并进行实时调整是不可能的。2、因为一个多枪系统具有若干列，一列的调整动作必然引起相邻列的调整，这一系列的调整中的再调整是否可以使系统稳定的工作，该说明书中并未给出令人信服的阐述。至于如何抵抗空气压力引起的真空玻壳的变形和破坏，该专利说明书及其权利要求中未与考虑。
对解决如何抵抗空气压力引起的真空玻壳的变形和破坏的代表作是日本东芝株式会社的CN1076309A发明专利，它评价了在它之前的已有技术美国专利第4,714,856号、日本公开未审专利(PUJPA)第64-10553和国际专利申请PCT/US87/02869在解决如何抵抗空气压力引起的真空玻壳的变形和破坏所采取的技术措施的可行性，并提出了它们存在的问题。为解决这些问题，该专利揭示了一种在显像管内部带有两种支撑装置的多枪显像管，其中一种支撑装置支撑了一个大面积的平板荫罩，多点的支撑使之既能减小荫罩张紧力又不致阻挡电子束扫描而在荧光屏上产生阴影；另一支撑装置是由多个支撑柱构成的，它们支撑在涂有荧光粉的前玻屏和后板之间，在接触前玻屏的支撑柱的一端被加工成楔形，扁楔尖落在荧光粉之间隔离带的黑底上，这群支撑柱既抵抗了空气压力造成的壳体变形，又没有阻挡电子束扫描，同时两个支撑装置保证了荫罩与前玻屏之间距离的精度。下面我们来分析该专利所述技术方案的可行性。为叙述方便在这里引用了该专利实施例的示意图并示于图1。分析中使用的部件号与该专利说明书中一致。首先，我们来分析“承受因大气压力引起的真空外壳14的面板10和后板12上的负荷”的支撑部件23。“它是一个镍合金的柱棒，末端部形成楔形(V形)，并有一个细长平面的接触面23a”，“23a的长度L约为15mm”，“23a的宽度必须为0.01mm或更小”，“本发明人用实际的真空外壳进行了各种计算机模拟和实验。他们发现，具有预定的对因大气压力负荷引起的大气压力阻力的真空外壳的平面板10的变形量在与支撑部件23接触的部分接近于零，在相邻支撑部件之间的中间部分的变形量最大(约0.5mm)”。从该专利说明书如上的陈述中可以发现一个问题，即支撑部件23支撑平面板10，在抽真空时由于大气压力平面板10变形了，且中部与支撑部的变形量不一致，那么就要导致支撑部件23的顶部23a和平面板10与其接触的部分的应力分布发生了变化。那么这种变化对平面板10的损坏和使用的安全性有什么影响，该专利说明书中并未作出陈述。如前所述，该专利发明人的意图是使用支撑部件23顶部23a的“细长平面”作接触面。但实际上从弹性材料力学的角度看，平面板10可看作为均匀薄板，在沿着23a长方形的端面的长边方向被支撑部件23支撑并被弯曲变形时，作为均匀薄板的平面板10产生的挠度，如图2所示。这一变化使支撑部件23的支点发生了变化，不是23a的整个端面支撑平面板10，而是沿23a的长方向的两个端点形成了两个变形后的新支点。支撑面积陡然减小，压应力集中在23a的两个端点和它们接触的平面板10的对应部位，由于镍合金的硬度不如玻璃，因此23a可能变形，一方面它破坏了定位精度，另一方面它也不能根本缓解压应力过于集中的情况。这样，在子区域加大，或运输，或作例行的冲击和震动试验时，损坏的可能性会增加。该发明人的这个实验是在一个特定的实施例下进行的。它的每一个子区域仅有8cm×8cm，每个支撑部件的负荷只有64kg，上述的问题没有充分地暴露，再有该实施例的屏幕面积只有40cm×32cm，而目前单枪平面直角显像管从面积和分辨率已超过该实施例。这一技术路线的方向是为了解决超大屏幕，目标在(40英寸)以上，当子区域为25.6cm×25.6cm时，子区域的大气压力为655.36kg，若仍采用该专利的方案使用支撑部件23，压应力集中点的压应力强度可能接近或超过玻璃材料的最高允许值200kg/mm2。该专利说明书称由于支撑部件23保证了平面板10与后板12之间的距离，支撑部件19保证了荫罩板20与后板12的距离，从而可以高精度地保证荫罩板20与荧光屏17的距离q，并使用Δq＝D×(L-q)/(H/2+D)计算了Δq的公差范围是0.06mm，但在受压变形时假设荫罩20没有变形，而平面板10的最大变形已达到0.5mm，更何况荫罩支撑部件19布置在平面板支撑部件23之间，因此荫罩20也会稍向荧光屏17接近，所以荫罩20对荧光屏17的局部位移远远大于0.06mm，这个前后叙述是矛盾的。对于矩阵多枪显像管和显示管的另两个问题，即“几何衔接”该专利说明书没有论述，只谈到利用荫罩20的可使电子束通过的有效区限制光栅区的大小在荧光屏17上形成单一连续大光栅，光栅连续并不等于实现了“几何衔接”，电子束的行偏转角缩小时光栅断裂可以观察得到，但电子束行偏转角增大时，由于该专利的荫罩的有效区外不能使电子束通过，光栅依旧连续，荧光屏17上看不出来，实际上“几何衔接”已被破坏。如前所述“几何衔接”是要完成子屏间的电子束斑着屏点的协调控制。特别是该发明专利中子屏光栅的衔接是依靠在荫罩板上开设恰好的荫罩板网区，相邻电子枪通过相邻荫罩网区的相邻边缘的电子束斑着屏点恰好在屏幕上邻接，并称可以使图像长期稳定显示。这一结论导致了电子枪群、偏转线圈与荫罩板有效区之间联带的高精度关系。因为待成品完成后才能作光栅扫描试验，一旦发现其中有一处因三者的安装关系没有协调好，造成哪怕是小小的光栅断裂，也是不可免救的，因为后续的调整即使移动了该子光栅的中心，偏转过去的电子束也会被荫罩板的无效区挡住，断裂的光栅仍然得不到恢复。该发明专利中矩形平面玻璃后板12上有矩阵排列的矩形开口15，抽空时，后板12的变形应力会非常集中在矩形开口15的四个角上，由于应力过于集中，所以破损的可能性加大。对于“亮度衔接”该专利说明书未曾论及。
鉴于已有技术中对矩阵电子枪，平面屏幕显像管方案所存在的问题。本发明的目的是着眼于有效地解决矩阵电子枪显像管和显示管区别于传统显像管的两个问题。即超大屏幕、超平面直角玻壳抗压和子屏衔接，解决已有技术的缺陷，提供一种可进行工业化生产的超大屏幕、超平面直角、超高分辨率的高性能彩色显像管和显示管。为实现此目的的我们提供了两种解决方案：一种是为了荫罩彩色显示，一种是为黑白显示或无荫罩彩色显示。
本发明是如此实现的：
一种矩阵布置的带有独立偏转系统的多电子枪显像管或显示管，它包括：一个外壳(100)由前面板(101)、荧光粉条(102r、102g、102b)、黑底(102h)、铝膜(102l)组成的荧光屏(102)；一个用与玻璃有相同热膨涨系数的绝缘材料模压或加工成型的前框和一个用与玻璃有相同热膨涨系数的绝缘材料模压或加工成型的后框(104)和若干个带有电子枪(106)和偏转线圈(107)的后锥体(105)组成的后锥体群；以及夹在前玻屏(102)与后锥体群之间，抵抗空气压力变型的支撑部件(108)组成，其特征在于：有一个格棱横断面为劈型的格状的压力支撑部件(108)，它由中心部的格棱(1081)和四外缘的边棱(1082)组成，劈尖部有一宽度约为0.05mm的平顶，其材料的热膨胀系数与玻壳的热膨胀系数相同，并有相应的强度。根据权利要求1的显像管或显示管其特征在于：其中的格状压力支撑部件(108)的横断面是劈型的格棱(1081)的劈尖与荧光屏的内面接触，较宽的劈背与后锥群的内面即后框的加强筋(1042)接触。管中的格状压力支撑部件(108)的边棱(1082)的横断面是槽状的，槽宽与劈高相等，槽口向外，槽背与劈型的格棱焊接或交接成一体。在使用荫罩(110)进行彩色显示时，以荫罩长条孔方向与荧光粉条纹走向相同的方向将荫罩(110)张紧后焊接到格状支撑物(108)的格棱(1081)劈背的一面，和该面的边框(1082)上。格状压力支撑部件(108)的格棱(1081)的劈尖所围成的矩形尺寸和与对应的电子枪(106)的扫描范围相等且与荧光粉(102r、102g、102b)走向相同的格棱(1081)的劈尖棱以允许的公差落在荧光粉条组之间的黑色隔离带(102h)内。作为相邻子屏电子束隔离墙的格棱(1081)上有横向的小孔(1083)。压压力支撑部件(108)同时完成三个功能，抽空后抵抗空气压力防止玻壳变形损坏；子屏间的电子束隔离墙；荫罩板框架。后锥体群的组装架后框(104)是由陶磁或玻璃模压或加工成型的上有矩阵排列的园角矩形口(1043)，口的大小被设置为不影响电子枪(106)发射出的电子束对子屏幕的扫描；后框(104)的内面(朝向屏幕的一面)有与压力支撑物(108)的劈背和边框接触的加强筋(1042)；后框(104)朝向电子枪的一面有定位后锥体的止口(1044)，带有电子枪(106)的后锥体(105)被粘合在止口(1044)内。其特征在于：为了使被称为子屏的分布扫描区域过渡自然使用了称之为“几何衔接”和“亮度衔接”的方法，“几何衔接”是使用了一种黑白相间的棋盘格图案，每个盘格对应一个子屏。黑区内画白线，白区内画黑线，其中有一组对角线、一组将子屏水平和竖直均分成若干等份的直线对(图10)。通过传感器自动调节或人工手动调节，使这些线按其方向贯通整个屏幕则几何衔接成功；移动黑白图案的位置(图11)，使盘格的中心落在四个相邻子屏的交叉点上通过传感器自动调节或人工手动调节，使子屏间的亮度均衡，则亮度衔接成功，将调整的参数以数字的形式存储在对应电子枪控制电路的不挥发存储器中，以便在运行中这些数字量协调控制完成视频画面的“几何衔接”和“亮度衔接”。以玻璃或其它透明材料允许的抗弯强度确定的子屏幕尺寸为单元进行扩展，在特大屏幕要求下，可以把整体屏幕做成凹球面，后锥体和电子枪可作放射状布置。
图1是东芝公司专利示意图；
图2是分析东芝公司专利的支撑柱压应力分布图；
图3至图11是本发明第一实施例的结构图，其中：
图3是本发明的外观示意图；
图4是沿图1A-A的剖视图，示出了内部结构；
图5是支撑部件的外观示意图；
图6是格棱型材装配时，水平方向和垂直方向的尺寸分配示意图；
图7是格棱交叉装配点的型材加工形状和装配方法示意图；
图8是保证支撑部件装配精度的装配胎具的外观图及剖视图；
图9是压紧装配的压块局部外观图，及剖视图；
图10是“几何衔接”的测试图案，虚线是子屏边界；
图11是“亮度衔接”的测试图案，虚线是子屏边界；
整个超大屏幕、超平面直角、超高分辨率的显像管或显示管如图3所示由以下各部分组成：一个封闭的内部被抽成真空玻璃外壳100；一个矩形平板的透明玻璃的前面板101；以及在它的内面涂敷了荧光粉102r、102g、102b、隔离带黑底102h、保护荧光粉并提高反射率的铝膜102l构成的荧光屏102；一个用与玻璃有相同热膨涨系数的绝缘材料模压或加工成型的前框103，前框的前面有前面板101的装配止口1031、和一个用与玻璃有相同热膨涨系数的绝缘材料模压或加工成型的后框104，其上有呈格形的支撑加强筋1042、有矩形的电了束通孔1043，矩形通孔的四角用园弧过渡，避免受力时尖角处应力集中所造成的破坏，在格形加强筋的每一个格中都有一个这样的电子束通孔1043，通孔的大小应以不影响电子束在对应区域的扫描为前提。在中框104的背面对应每一个电子束通孔1043都有一个后锥体装配止口1044；每一个后锥体装配止口上装有一个锥壳105；电子枪106；和偏转线圈107；在中框加强筋1042与荧光屏103之间有一个格形支撑部件108，它是由中部的横断面为劈型的格棱1081和槽型边框1082组成的，劈尖处有一宽度约为0.05mm的平顶。槽型边框1082的槽宽与劈型格棱(1081)的劈高相等。劈型格棱1081的劈尖接触荧光屏102，与荧光粉条走向相同的格棱1081的劈尖线落在荧光粉组间的黑底隔离带102h上，它在相应的子屏区围成了一个封闭的矩形扫描区，它不阻挡电子束对相应子屏区域的扫描，但却可阻止对相邻区域的越界扫描，由于劈尖很窄，且落在荧光粉彩条组之间隔离带的黑底上，所以从前面看屏幕，并不能感觉到劈尖的存在。两格相邻的劈型格棱1081上有横向的小孔1083，这是为抽空时，封闭的格区间空气流通而设置的。劈型格棱1081的劈底较宽，落在后框104的加强筋屏1042上，这个格型的支撑部件108支撑在加强筋1042与荧光屏102之间，抵抗了由于抽空引起的玻屏变形。在后锥体105的内部于格形支撑部件108之间还有一个具有高导磁率的薄板制成的斗形磁屏蔽罩109，以防止相邻电子枪偏转线圈的杂散磁场的影响。在有荫罩的彩色显示方案中，劈高按荫罩到屏幕的距离确定，这时荫罩110被预应力张紧后，使用激光焊接在支撑部件108的劈背和边框上，张紧和焊接的方向应使荫罩上的长条孔与荧光粉条纹的走向相同。
下面我们就本发明提出的具体技术措施能克服这一专题已有技术存在缺陷的理由进行说明：
由于本发明中采用了格形的支撑部件108，虽然也是劈尖接触屏幕，但总的接触面积增加了很多，有效地减小了劈尖及与其接触的玻屏部分的压应力强度。特别是在抽空的过程中，压应力的分布几乎没有变化，这对提高使用及运输中的安全性起到了一定的作用。本发明的荫罩板110是连续的或可以说每个电子枪106对应的荫罩网区比实际需要的要大一些。因为本发明中防止相邻子屏电子束的干涉(或光栅重叠)是通过横断面为劈型的格型支撑部件的格棱1081来实现的，它在子屏的物理边界上围成一个封闭的电子束隔离墙，它可以相对放松电子枪106的和偏转线圈107的安装精度的要求。即使由于偏差，子屏光栅产生了偏差，也可使用系统的控制电路，通过调整行中心、帧中心、行幅、帧幅等使光栅恰好充满子屏。放松精度要求等于降低工装成本，在这一前提下大幅度提高成品率。本发明的荫罩板110是焊接在格棱横断面为劈型的格形支撑部件108的劈背和边框上，劈背又支撑在中框104的加强筋1042上，所以在抽空时荫罩板110对劈尖没有位移。本发明的压力支撑部件同时起到了三个作用，一支撑空气对玻壳的压力；二子屏之间的电子束隔离墙；三荫罩板框架。由于这个支撑部件的多功能性，因此简化了生产过程中的工艺。为克服抽空后，子屏格中心的变形量大于格棱部的变形量，可能会造成局部选色误差的增加使色纯度降低，克服这一问题的方法有两个途径。一选高强度玻璃；二在荧光粉涂敷时在格形支撑部件的支撑下，在玻屏的正面用1kg/cm2的水压使玻屏变形后曝光。
对于分布式扫描的控制电路基本与已知的电视屏幕墙相同，这里不再叙述。由于电视墙大屏幕中有很宽的黑格子，谈不上“子屏衔接”，本发明对整体屏幕的“子屏衔接”是这样来实现的：
本发明专门设计了如图10所示的黑白相间的棋盘格图案，每个方格与一个子屏对应，黑格里划白线，白格里划黑线。每个格子里有一组对角线，有一组将格子沿水平和竖直方向均分成若干等份的直线组，由于支撑部件已限制了对应电子枪的扫描范围，所以分别调整每个子屏控制电路中的行中心、帧中心、行幅、帧幅、行线性、帧线性，使得这些直线组在全屏范围贯通“几何衔接”就实现了。然后移动黑白图案的位置，如图11所示，使盘格的中心落在四个相邻子屏的交叉点上通过传感器自动调节或人工手动调节，使子屏间的亮度均衡，子屏间没有过渡痕迹，这样就实现了“亮度衔接”。把上述这些调整量数字化后存储到对应子屏电子枪的控制电路的不挥发存储器中。实际使用中，视频信号在这些数字量的控制下实现视频图像的“子屏衔接”。对单枪显像管而言行中心、帧中心、行幅、帧幅、行线性、帧线性的数字化存储已为公知技术，其原理不再阐述；本发明只是将其组合起来，结合本发明特有的测试图案用于矩阵式多枪显像管。
本发明的第一个实施例是一个7(宽)×5(高)矩阵电子枪超大屏幕、超平面直角、超高分辨率彩色显像管，共有35个子屏，每个子屏的面积为256mm×256mm，每个子屏的像素数为65536，全屏的面积为1792mm×1280mm，对角线为87.6英寸。全屏像素为2293760，每个像素尺寸为1mm2。格形支撑部件中部格棱横断面的劈型的高(劈尖至劈背的垂直距离)约10mm，劈背的宽约为6mm，劈尖宽度为0.05mm，边框的槽型型材，槽宽为10mm，槽高为10mm。抽空后子屏的压力为655.36kg，支撑这一压力的劈尖的面积总和为0.05mm×512mm＝25.6mm2，所以支撑部位的压应力强度为25.6kg/mm2。远小于90-200kg/mm2的玻璃许用压应力范围，因此有很高的安全性。
该实施例实现过程如下：
将一块厚度为12mm的玻璃粗定尺后，作提高强度处理，再用磨边机精确定尺，为弥合磨削面上微小的裂痕，再一次对磨削的边缘进行处理。用玻璃在模具里模压成型一个按图4所示的形状的前框103，为保证相应的行位公差和强度进行处理。将前面板放入前框的前面板止口1031中，并用低熔点熔接玻璃，将前框103与前面板101焊接成整体的皿型平面前玻壳。格形的支撑部件是按如下的工艺实现的：
1、首先用模具制作出高精度的劈型和槽型型材，形状精度为10微米；
2、按垂直方向直通，水平方向截短，槽型边框也截成相应的尺寸如图6所示，图7示出了交接处型材的加工形状；
3、使用精密数控铣床制作一个如图8所示的胎具，该胎具的行位精度为5微米；
4、将两种型材按图8所示的方法放入胎具，并使用如图9所示的压块压住胎具中的型材；
5、在格的交叉部位用激光焊接或高强度胶将支撑框形成一体；
6、将荫罩板张紧后，用激光焊接在劈背和边框上，方向如上所述。
荧光粉的涂敷方法与现有工艺相同，但因子屏之间的曝光不能相互干扰，格形荫罩板的后面有一个相应的格形光隔离屏，曝光在格内进行，互不干扰。后框104的制作方法与前框相似，加强筋1042在制作时要保证其平整度在0.02mm以内，将支撑部件108按支撑部件108的劈尖线接触玻屏铝膜1021的方向把支撑部件108放入101、103，组成的玻壳中，支撑部件108与荧光粉条纹走向相同的劈尖线必须落在彩色条纹组间黑底的中心线上，公差为0.04mm；后框104装在前框103上，加强筋1042落在支撑部件108的劈背处的荫罩板上，同时保证后框背面的后锥体止口与对应子屏的位置精度，将前后框用低熔点玻璃热封。将带有电子枪的后锥体按常规工艺进行高压帽、内壁导电层处理、与荫罩的电气联接及消气剂处理，装入磁屏蔽罩后以同前面板相同的方法将后锥体安装在后框的后锥体止口内；抽真空后按常规精度安装偏转线圈。第二个实施例与第一个实施例除不要荫罩外完全相同，当然屏幕可能是彩色的也可能是黑白的。
本发明以玻璃或其它透明材料允许的抗弯强度确定的子屏幕尺寸为单元进行扩展，在特大屏幕要求下，可以把整体屏幕做成凹球面，后锥体和电子枪可作放射状布置。