Penetron , сокращение от penetration tube , представляет собой тип ограниченного цветного телевидения, используемого в некоторых военных приложениях. В отличие от обычного цветного телевидения , penetron производит ограниченную цветовую гамму , как правило , два цвета и их комбинацию. Penetron и другие военные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) были заменены ЖК-дисплеями в современных конструкциях.
Обычный черно-белый телевизор (B&W) использует трубку, равномерно покрытую люминофором с внутренней стороны. При возбуждении высокоскоростными электронами люминофор испускает свет, как правило, белый, но в определенных обстоятельствах используются и другие цвета. Электронная пушка в задней части трубки обеспечивает пучок высокоскоростных электронов, а набор электромагнитов, расположенных рядом с пушкой, позволяет перемещать пучок по дисплею. Телевизионный сигнал передается в виде серии полос, каждая из которых отображается как отдельная строка на дисплее. Сила сигнала увеличивает или уменьшает ток в луче, создавая яркие или темные точки на дисплее по мере того, как луч проходит по трубке.
В цветном дисплее равномерное покрытие белого фосфора заменяется точками или линиями трех цветных фосфоров, которые при возбуждении дают красный, зеленый или синий свет (RGB). Эти основные цвета смешиваются в человеческом глазу, создавая один видимый цвет. Это представляет проблему для обычных электронных пушек, которые невозможно сфокусировать или расположить достаточно точно, чтобы поразить эти гораздо более мелкие отдельные узоры. Ряд компаний работали над различными решениями этой проблемы в конце 1940-х годов, используя три отдельные трубки или один белый выход с цветными фильтрами, размещенными перед ним. Ни один из них не оказался практичным, и это было областью значительного интереса к разработке.
Penetron был изначально разработан Коллером и Уильямсом во время работы в General Electric (GE). [1] Первоначально он был разработан как новый способ создания цветного телевизора с одной пушкой с простотой обычного черно-белого телевизора. Как и черно-белая трубка, он использовал равномерное покрытие люминофором на дисплее с одной электронной пушкой сзади. Однако люминофорное покрытие наносилось тремя слоями разных цветов: красный на внутреннюю часть, ближайшую к пушке, затем зеленый и синий на внешнюю часть, ближайшую к передней поверхности трубки. Цвета выбирались путем увеличения мощности электронного луча, что позволяло электронам проходить через любые нижние слои, чтобы достичь нужного цвета.
В обычном наборе напряжение используется для управления яркостью изображения, а не его цветом, чего также должна была достичь новая конструкция. В пенетроне напряжение также используется для выбора цвета. Чтобы удовлетворить эти конкурирующие потребности, выбор цвета обеспечивался внешним механизмом. Пушка модулировалась напряжением, как это было бы в черно-белом наборе, с увеличением мощности, производя более яркое пятно на экране. Затем набор тонких проводов, размещенных за экраном, обеспечивал дополнительную энергию, необходимую для выбора определенного цветового слоя. Поскольку люминофоры были относительно непрозрачными, система требовала очень высоких ускоряющих напряжений, от 25 до 40 кВ. Была представлена улучшенная версия, в которой использовались прозрачные слои люминофора и тонкие изолирующие слои между ними, что снижало требуемые напряжения. [2] Диэлектрик гарантировал, что блуждающие электроны, либо вне напряжения от пушек, либо вторичной эмиссии от самих люминофоров, останавливались до того, как они достигали экрана.
Пенетрон идеально подходил для использования с ранней системой вещания CBS, которая отправляла цветовую информацию в виде трех отдельных последовательных кадров. Экспериментальные телевизоры CBS использовали механический фильтр с тремя цветовыми секциями, которые вращались перед черно-белой трубкой. Тот же самый сигнал синхронизации использовался в пенетроне для изменения напряжения сетки выбора цвета, с той же целью. Низкая скорость переключения, 144 раза в секунду, означала, что изменяющееся высокое напряжение не было основным источником высокочастотного шума. В отличие от механической системы CBS, пенетрон не имел движущихся частей, мог быть построен любого размера (что было трудно сделать с диском) и не имел проблем с мерцанием. Он представлял собой значительный прогресс в технологии отображения.
Вскоре после внедрения системы CBS компания RCA представила новую систему, которая в конечном итоге победила. В отличие от системы CBS с последовательными полями, RCA напрямую кодировала цвет для каждой точки на экране, система, известная как «последовательная точка». Преимущество системы RCA состояло в том, что первичный компонент сигнала был очень похож на сигнал B&W, используемый в существующих телевизорах, что означало, что миллионы телевизоров B&W могли принимать новый сигнал, в то время как более новые цветные телевизоры могли видеть их либо в B&W, либо в цвете, если был предоставлен этот дополнительный сигнал. Это было огромным преимуществом перед системой CBS, и модифицированная версия была выбрана NTSC в качестве нового цветового стандарта в 1953 году.
Главным недостатком была сложность правильной фокусировки луча на правильном цвете, проблема, которую RCA решила с помощью своей системы теневой маски . Теневая маска представляет собой тонкую металлическую фольгу с небольшими отверстиями, фототравленными в ней, расположенными так, чтобы отверстия находились прямо над одним триплетом цветных фосфорных точек. Три отдельные электронные пушки индивидуально фокусируются на маске, прочесывая экран как обычно. Когда лучи проходят над одним из отверстий, они проходят через него, и поскольку пушки разделены небольшим расстоянием друг от друга в задней части трубки, каждый луч имеет небольшой угол, когда он проходит через отверстие. Фосфорные точки расположены на экране таким образом, что лучи попадают только на свой правильный фосфор. Чтобы гарантировать, что отверстия выровнены с точками, маска используется для создания точек с использованием светочувствительного материала.
Новая система вещания представляла серьезную проблему для пенетрона. Сигнал требовал, чтобы цвет выбирался на высоких скоростях «на лету», пока луч протягивался по экрану. Это означало, что сетка выбора цвета высокого напряжения должна была быстро циклироваться, что создавало многочисленные проблемы, в частности, высокочастотный шум, который заполнял внутреннюю часть трубки и мешал работе электроники приемника. Для решения этой проблемы была введена еще одна модификация, использующая три отдельных пушки, каждая из которых питалась разным базовым напряжением, настроенным на попадание в один из слоев. В этой версии переключение не требовалось, что устраняло высокочастотный шум.
Производство такой системы оказалось сложным на практике, и для домашнего использования телевидения GE вместо этого представила свою систему " Porta-Color ", радикальное улучшение системы теневой маски RCA. Другие разработчики продолжали работать с базовой системой, пытаясь найти способы решения проблем переключения высоких частот, но ни один из них не вошел в коммерческое производство.
Однако для других целей преимущества пенетрона сохранились. Хотя он не очень хорошо подходил для метода последовательной передачи цветов, это было важно только в случае приема эфирных передач. Для целей, где сигнал мог быть предоставлен в любом необходимом формате, например, в компьютерных дисплеях, пенетрон оставался полезным. Когда полная цветовая гамма не требовалась, сложность пенетрона была еще больше снижена, и он стал очень привлекательным. Это позволило использовать его в пользовательских приложениях, таких как военная авионика, где характер входного сигнала не был важен, и разработчик мог свободно использовать любой стиль сигнализации по своему желанию. [3]
В роли авионики пенетрон имел и другие преимущества. Использование фосфора в слоях вместо полос означало, что он имел более высокое разрешение, в три раза большее, чем у системы RCA. Это было очень полезно для дисплеев радаров и систем опознавания «свой-чужой» , где изображения часто накладывались на текстовые подсказки, которые требовали высокого разрешения для легкого чтения. Кроме того, поскольку весь сигнал достигал экрана в пенетроне, а не 15% от него в трубке теневой маски, для любого заданного количества мощности пенетрон был намного ярче. Это было главным преимуществом в роли авионики, где бюджеты мощности часто были довольно ограничены, но дисплеи часто подвергались воздействию прямого солнечного света и должны были быть очень яркими. Отсутствие теневой маски также означало, что пенетрон был намного более прочным механически и не страдал от смещения цвета под действием перегрузок . [3]
Пенетроны использовались с конца 1960-х до середины 1980-х годов, в основном для радаров или систем опознавания «свой-чужой», где обычно использовались двухцветные дисплеи (зеленый/красный/желтый). Улучшения в обычных теневых масках устранили большую часть их преимуществ в этот период. Лучшая фокусировка позволила увеличить размер отверстий в теневой маске пропорционально непрозрачной области, что улучшило яркость дисплея. Яркость была дополнительно улучшена с введением новых люминофоров. Проблемы с куполообразным эффектом были решены с помощью инварных теневых масок, которые были механически прочными и крепились к трубке с помощью прочной металлической рамы. [4]
Дисплеи Penetron также предлагались в качестве опции на некоторых графических терминалах , где не требовалось высокоскоростное переключение цветов, а ограниченная гамма Penetron не была проблемой. IDI предлагала такие дисплеи в качестве опции за 8000 долларов на своих терминалах серий IDIgraph и IDIIOM. [5]
Компания Tektronix, крупный производитель осциллографов, предлагала ограниченную цветовую гамму в некоторых своих осциллографах с ЭЛТ, используя технологию типа Penetron.
В большинстве версий пенетрона трубка имеет внутренний слой красного цвета и внешний слой зеленого цвета, разделенные тонким слоем диэлектрика. Полное изображение создается путем сканирования дважды, один раз с пушкой, установленной на более низкую мощность, которая останавливается в красном слое, а затем снова с более высокой мощностью, которая проходит через красный слой и попадает в зеленый. Желтый цвет может быть получен путем удара по одному и тому же месту при обоих проходах.
В дисплее, где цвета либо включены, либо выключены, и не нужно создавать различные уровни яркости, систему можно еще больше упростить, удалив сетку выбора цвета и модулируя напряжение самой электронной пушки. Однако это также вызывает проблемы, поскольку электроны будут достигать экрана быстрее, если их ускорять более высокими напряжениями, что означает, что мощность отклоняющей системы также должна быть увеличена, чтобы гарантировать, что сканирование создает одинаковый размер экрана и ширину линий на обоих проходах.
Для решения этой проблемы были проведены эксперименты с несколькими альтернативными расположениями пенетрона. Одна из распространенных попыток заключалась в использовании электронного умножителя на лицевой стороне трубки вместо сетки отбора. В этой системе использовался низкоэнергетический сканирующий луч, а магниты устанавливались так, чтобы заставлять электроны ударять по бокам умножителей. Затем высвобождался поток электронов с более высокой энергией, который направлялся к слоистым люминофорам обычного расположения пенетрона. Позднее было замечено, что лучи, исходящие от умножителей, попадали в кольца, что позволяло расположить люминофоры в концентрических кольцах вместо слоев. [6]
Главное преимущество пенетрона заключается в том, что у него отсутствует механическая система фокусировки теневого телевидения, что означает, что вся энергия луча достигает экрана. При любом заданном количестве мощности пенетрон будет намного ярче, как правило, на 85% ярче. Это важное преимущество в условиях самолета, где электропитание ограничено, но дисплеи должны быть достаточно яркими, чтобы их можно было легко читать даже при прямом освещении солнечным светом. Система гарантированно воспроизводит правильные цвета, несмотря на внешние помехи или перегрузки при маневрировании — очень важное качество в условиях авиации. Пенетрон также предлагал более высокое разрешение, поскольку фосфор был непрерывным, в отличие от небольших пятен в системе теневой маски. Кроме того, отсутствие теневой маски делает пенетрон гораздо более прочным механически.
Синклер экспериментировал с вариантом этой технологии на своих ранних экранах карманных телевизоров, но не смог создать версию RGB. Примеры этих трубок существуют в качестве прототипов.