Теневая маска — одна из двух технологий, используемых при производстве телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и компьютерных мониторов , которые создают четкие, сфокусированные цветные изображения. Другой подход — апертурная решетка , более известная под торговым названием Trinitron . Все ранние цветные телевизоры и большинство компьютерных мониторов с ЭЛТ использовали технологию теневой маски. Обе эти технологии в значительной степени устарели, и с 1990-х годов их все чаще заменяют жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи).
Теневая маска представляет собой металлическую пластину с крошечными отверстиями, которые разделяют цветные люминофоры в слое за передним стеклом экрана. Теневые маски изготавливаются методом фотохимической обработки — метода, позволяющего сверлить небольшие отверстия в металлических листах. Три электронные пушки в задней части экрана скользят по маске, причем лучи достигают экрана только в том случае, если они проходят через отверстия. Поскольку пушки физически разделены в задней части трубки, их лучи подходят к маске под тремя немного разными углами, поэтому, пройдя через отверстия, они попадают в несколько разные места на экране.
Экран украшен точками цветного люминофора, расположенными так, что на каждую из них может попасть только один из лучей, исходящих из трех электронных пушек. Например, точки синего люминофора попадают под луч «синего пистолета» после прохождения определенного отверстия в маске. Два других пистолета делают то же самое с красными и зелеными точками. Такое расположение позволяет трем пушкам воздействовать на отдельные цвета точек на экране, даже несмотря на то, что их лучи слишком велики и слишком плохо направлены, чтобы делать это без установленной маски.
Красный , зеленый и синий люминофоры обычно располагаются в треугольной форме (иногда называемой « триадой ») . Для телевидения в современных дисплеях (начиная с конца 1960-х годов) вместо круглых отверстий используются прямоугольные прорези, что повышает яркость. Этот вариант иногда называют маской слота .
Цветное телевидение изучалось еще до того, как коммерческое вещание стало обычным явлением, но только в конце 1940-х годов эта проблема стала серьезно рассматриваться. В то время предлагалось несколько систем, которые использовали отдельные красные, зеленые и синие сигналы ( RGB ), транслируемые последовательно. Большинство экспериментальных систем транслируют целые кадры последовательно с цветным фильтром (или « гелем »), который вращается перед обычным черно-белым телевизионным кинескопом. Каждый кадр кодировал один цвет изображения, а колесо вращалось синхронно с сигналом, поэтому правильный гель находился перед экраном, когда отображался этот цветной кадр. Поскольку они передавали отдельные сигналы для разных цветов, все эти системы были несовместимы с существующими черно-белыми телевизорами. Другая проблема заключалась в том, что механический фильтр заставлял их мерцать, если не использовалась очень высокая частота обновления. [1] (Концептуально это похоже на проекционный дисплей на основе DLP , где одно устройство DLP используется для всех трех цветовых каналов.)
RCA работала совершенно по другому принципу, используя систему яркости-цветности, впервые представленную Жоржем Валенси в 1938 году. Эта система не кодировала и не передавала сигналы RGB напрямую; вместо этого он объединил эти цвета в один общий показатель яркости, называемый « яркостью ». Это близко соответствовало черно-белому сигналу существующих передач, позволяя отображать изображение на черно-белых телевизорах. Оставшаяся цветовая информация отдельно кодировалась в сигнал в виде высокочастотной модуляции для создания композитного видеосигнала . На черно-белом телевидении эта дополнительная информация будет восприниматься как небольшая рандомизация интенсивности изображения, но ограниченное разрешение существующих телевизоров сделало это невидимым на практике. В наборах цветов дополнительная информация будет обнаружена, отфильтрована и добавлена к яркости, чтобы воссоздать исходный RGB для отображения. [2]
Хотя система RCA имела огромные преимущества, она не получила успешного развития из-за сложности производства дисплейных трубок. Черно-белые телевизоры использовали непрерывный сигнал, а трубку можно было покрыть ровным слоем люминофора. В системе RCA цвет постоянно менялся вдоль линии, что было слишком быстро, чтобы за ним мог уследить какой-либо механический фильтр. Вместо этого люминофор пришлось разбить на отдельные узоры цветных пятен. Сфокусировать правильный сигнал на каждом из этих крошечных пятен было за пределами возможностей электронных пушек того времени. [2]
В 1940-х и начале 1950-х годов предпринимались самые разнообразные усилия для решения проблемы цвета. Ряд крупных компаний продолжал работать с отдельными цветовыми «каналами» с различными способами повторного объединения изображения. RCA был включен в эту группу; 5 февраля 1940 года они продемонстрировали систему, в которой использовались три обычные трубки, объединенные для формирования единого изображения на стеклянной пластине, но изображение было слишком тусклым, чтобы его можно было использовать. [2]
Джон Логи Бэрд , который 4 февраля 1938 года провел первую общественную цветную телепередачу с использованием полумеханической системы, уже добился прогресса в разработке полностью электронной версии. В его конструкции, Telechrome , использовались две электронные пушки, направленные по обе стороны от покрытой люминофором пластины в центре трубки. Разработка не продвинулась далеко, когда Бэрд умер в 1946 году. [3] Аналогичным проектом была трубка Гира , в которой использовалось аналогичное расположение пушек, направленных на заднюю часть единственной пластины, покрытой небольшими трехсторонними пирамидами, покрытыми люминофором. [4]
Однако во всех этих проектах были проблемы с переходом цветов из одного люминофора в другой. Несмотря на все усилия, широкие электронные лучи просто не могли сфокусироваться достаточно плотно, чтобы поразить отдельные точки, по крайней мере, по всему экрану. Более того, большинство этих устройств были громоздкими; расположение электронных пушек вокруг экрана привело к получению очень большого дисплея со значительным «мертвым пространством».
Более практичная система будет использовать один пистолет в задней части трубки, стреляющий по одному многоцветному экрану спереди. В начале 1950-х годов несколько крупных компаний по производству электроники начали разработку таких систем.
Одним из претендентов был Penetron от General Electric , в котором использовались три слоя люминофора, нанесенные друг на друга на задней стороне экрана. Цвет подбирался путем изменения энергии электронов в луче так, чтобы они проникали на разную глубину внутри слоев люминофора. На самом деле попадание в правильный слой оказалось практически невозможным, и GE в конечном итоге отказалась от этой технологии для использования на телевидении, хотя в дальнейшем она нашла некоторое применение в мире авионики , где цветовую гамму можно было уменьшить, часто до трех цветов, что и требовалось системой. способен достичь. [5]
Более распространенными были попытки использовать вторичное устройство фокусировки сразу за экраном для обеспечения необходимой точности. Компания Paramount Pictures долго и упорно работала над хроматроном , который использовал набор проводов за экраном в качестве вторичной «пушки», дополнительно фокусируя луч и направляя его к правильному цвету. [6] В лампе Philco «Apple» использовались дополнительные полосы люминофора, которые высвобождали всплеск электронов, когда электронный луч проходил через них. За счет синхронизации всплесков можно было регулировать прохождение луча и получать правильные цвета. [7]
Пройдут годы, прежде чем какая-либо из этих систем будет запущена в производство. К началу 1960-х годов GE отказалась от Пенетрона. Sony попробовала Chromatron в 1960-х годах, но отказалась и вместо этого разработала Trinitron . Трубки Apple вновь появились в 1970-х годах и имели некоторый успех у различных поставщиков. Но именно успех RCA с теневой маской свел на нет большую часть этих усилий. До 1968 года в каждом проданном цветном телевизоре использовалась концепция теневой маски RCA, [8] весной того же года Sony представила свои первые телевизоры Trinitron. [9]
В 1938 году немецкий изобретатель Вернер Флехсиг впервые запатентовал (получил в 1941 году во Франции) кажущуюся простой концепцию размещения листа металла сразу за передней частью трубки и пробивания в нем небольших отверстий. Отверстия будут использоваться для фокусировки луча непосредственно перед тем, как он попадет на экран. Независимо Эл Шредер из RCA работал над аналогичной установкой, но также с использованием трех электронных пушек. Когда руководитель лаборатории объяснил начальству возможности конструкции, ему пообещали неограниченную рабочую силу и средства, чтобы заставить ее работать. [10] Всего за несколько месяцев было произведено несколько прототипов цветных телевизоров, использующих эту систему. [11]
Пушки, расположенные дельтаобразным расположением в задней части трубки, были нацелены на металлическую пластину и сканировали ее как обычно. Большую часть времени во время сканирования лучи попадали на заднюю часть пластины и останавливались. Однако, когда лучи прошли через отверстие, они продолжили путь к люминофору перед пластиной. Таким образом, пластина обеспечивала идеальное совмещение лучей с цветными точками люминофора. При этом оставалась проблема фокусировки на точке правильного цвета. Обычно лучи трех пушек были достаточно большими, чтобы осветить все три цветные точки на экране. Маска помогла, механически ослабив луч до небольшого размера непосредственно перед тем, как он попадет на экран. [12]
Но настоящая гениальность идеи в том, что лучи подходили к металлической пластине под разными углами. После того, как их отрезала маска, лучи продолжали двигаться вперед под немного разными углами, попадая на экраны в несколько разных местах. Разброс зависел от расстояния между пушками в задней части трубки и расстояния между пластиной маски и экраном. Нарисовав цветные точки в правильных местах на экране и оставив между ними некоторое пространство, чтобы избежать взаимодействия, оружие гарантированно попадет в нужное цветное пятно. [12]
Хотя система была простой, она имела ряд серьезных практических проблем.
Когда луч прошел по маске, большая часть его энергии сосредоточилась на маске, а не на экране перед ней. Типичная маска той эпохи могла иметь открытое только 15% поверхности. Чтобы создать изображение столь же яркое, как на традиционном черно-белом телевизоре, электронные пушки в этой гипотетической системе теневых масок должны быть в пять раз мощнее. Кроме того, точки на экране были намеренно разделены, чтобы избежать попадания не того оружия, поэтому большая часть экрана была черной. [13] Для того, чтобы осветить полученное изображение, потребовалось еще больше энергии. А поскольку мощность была разделена между тремя из этих гораздо более мощных орудий, стоимость внедрения была намного выше, чем для аналогичного черно-белого набора. [14]
Количество энергии, подаваемой на цветной экран, было настолько велико, что термическая нагрузка представляла собой серьезную проблему. Энергия, которую теневая маска поглощает от электронной пушки при нормальной работе, заставляет ее нагреваться и расширяться, что приводит к размытию или обесцвечиванию изображения (см. куполообразование ). Сигналы, которые чередовались между светом и тьмой, вызывали цикличность, что еще больше затрудняло предотвращение деформации маски.
Кроме того, геометрия требовала сложных систем для правильного расположения трех лучей по экрану. Если вы рассмотрите луч, когда он проходит через среднюю часть экрана, лучи от отдельных пушек проходят одинаковое расстояние и встречаются с отверстиями в маске под одинаковыми углами. В углах экрана некоторым лучам приходится идти дальше, и все они встречаются с отверстием под другим углом, чем в середине экрана. Эти проблемы требовали дополнительной электроники и регулировок для поддержания правильного позиционирования луча.
Во время разработки RCA не была уверена, что сможет заставить работать систему теневых масок. Хотя концепция была простой, на практике ее было сложно реализовать, особенно по разумной цене. Компания выбрала несколько других технологий, включая трубку Гира , на случай, если система не сработает. Когда в 1950 году были произведены первые лампы, от остальных линий отказались. [ нужна цитата ]
Достижения военного времени в электронике открыли широкие возможности для практического использования высокочастотной передачи, и в 1948 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) начала серию совещаний по использованию того, что впоследствии стало каналами УВЧ . В то время в Соединенных Штатах использовалось очень мало телевизоров, поэтому группы заинтересованных сторон быстро пришли к идее использования УВЧ для нового, несовместимого цветового формата. На этих встречах в конечном итоге была выбрана конкурирующая полумеханическая система цветопередачи с последовательным полем , продвигаемая CBS. Однако в разгар встреч RCA объявила о своих усилиях по совместимости цветов, но слишком поздно, чтобы повлиять на ход событий. Цвет CBS был представлен в 1950 году. [1] [15]
Однако перспектива системы RCA была настолько велика, что ее делом занялся Комитет национальной телевизионной системы (NTSC). Между 1950 и 1953 годами они провели масштабное исследование восприятия цвета человеком и использовали эту информацию для улучшения базовой концепции RCA. [16] К этому времени RCA уже выпустила экспериментальные наборы теневых масок, которые стали огромным скачком в качестве по сравнению с конкурентами. По всем этим причинам система была тусклой, сложной, большой, энергоемкой и дорогой, но обеспечивала приемлемое цветное изображение и, что наиболее важно, была совместима с существующими черно-белыми сигналами. Это не было проблемой в 1948 году, когда были проведены первые собрания FCC, но к 1953 году количество черно-белых комплектов резко возросло; их больше нельзя было просто бросить. [ нужна цитата ]
Когда NTSC предложила ратифицировать новый стандарт FCC, CBS потеряла интерес к собственной системе. [1] Каждый в отрасли, желающий производить набор, затем лицензировал патенты RCA, и к середине 1950-х годов несколько наборов были коммерчески доступны. Однако цветные наборы были намного дороже, чем черно-белые наборы того же размера, и требовали постоянной корректировки со стороны полевого персонала. К началу 1960-х годов они все еще представляли небольшой процент телевизионного рынка Северной Америки. В начале 1960-х годов эти цифры резко возросли: в 1963 году в неделю производилось 5000 комплектов.
Теневые маски изготавливаются с использованием процесса фотохимической обработки . Все начинается с листа стали [17] или инварного сплава [18] , покрытого фоторезистом, который запекается для его затвердевания, подвергается воздействию ультрафиолетового света через фотомаски, разработанные для удаления неэкспонированного резиста, металл травится с использованием жидкой кислоты. , а затем фоторезист удаляется. Одна фотомаска имеет более крупные темные пятна, чем другая, что создает сужающиеся апертуры. [19] Теневая маска крепится к экрану с помощью металлических деталей [20] или направляющей или рамы [21] [22] [23] , которая приваривается к воронке или стеклу экрана соответственно, [24] удерживает теневую маску. в натяжении, чтобы минимизировать деформацию (если маска плоская, используется в компьютерных ЭЛТ-мониторах с плоским экраном) и обеспечить более высокую яркость и контрастность изображения. Биметаллические пружины могут использоваться в ЭЛТ, используемых в телевизорах, для компенсации деформации, которая возникает, когда электронный луч нагревает теневую маску, вызывая тепловое расширение. [25]
К 1960-м годам действие первых патентов RCA закончилось, и в то же время был введен ряд технических усовершенствований. Некоторые из них были включены в набор GE Porta-Color 1966 года, который имел огромный успех. К 1968 году почти каждая компания имела конкурирующий дизайн, а цветное телевидение превратилось из дорогостоящего варианта в массовое устройство.
Проблемы куполообразования из-за теплового расширения теневой маски решались несколькими способами. Некоторые компании использовали термостат для измерения температуры и настройки сканирования в соответствии с расширением. [26] Биметаллические теневые маски, в которых разница в скорости расширения компенсирует проблему, стали обычным явлением в конце 1960-х годов. Инвар и подобные сплавы с низким расширением были представлены в 1980-х годах [27]. Эти материалы страдают от легкого намагничивания, которое может повлиять на цвет, но в целом эту проблему можно решить, включив функцию автоматического размагничивания. [26] Последним предложенным решением была «растянутая маска», при которой маска приваривалась к раме, обычно стеклянной, при высоких температурах. Затем рама была приварена к внутренней части трубы. Когда сборка остыла, маска оказалась под сильным натяжением, которое невозможно было снять никаким нагревом от пушек. [28] [29]
Повышение яркости было еще одним важным направлением работы в 1960-х годах. Использование редкоземельных люминофоров давало более яркие цвета и позволило немного уменьшить силу электронных лучей. Улучшенные системы фокусировки, особенно автоматические, которые означали, что установка тратила больше времени на достижение идеальной фокусировки, позволяли точкам на экране увеличиваться. Porta-Color использовала оба этих достижения и изменила расположение пистолетов так, чтобы они лежали рядом друг с другом, а не в треугольнике, что позволило точкам расширяться вертикально в прорези, которые покрывали большую часть поверхности экрана. Этот дизайн, иногда известный как «щелевая маска», стал обычным явлением в 1970-х годах. [26] [30]
Еще одним изменением, которое было широко распространено в начале 1970-х годов, было использование черного материала в пространствах внутри люминофорного рисунка. Эта краска поглощала окружающий свет, исходящий из комнаты, уменьшая количество отраженного обратно к зрителю. Чтобы эта работа работала эффективно, точки люминофора были уменьшены в размере, что снизило их яркость. Однако улучшенная контрастность по сравнению с условиями окружающей среды позволила сделать лицевую панель намного более четкой, позволяя большему количеству света от люминофора достигать зрителя и увеличивая фактическую яркость. [26] Лицевые панели с серым оттенком затемняли изображение, но обеспечивали лучшую контрастность, поскольку окружающий свет ослаблялся до того, как достигал люминофоров, и во второй раз, когда он возвращался к зрителю. Свет люминофоров был ослаблен только один раз. Со временем этот метод изменился: телевизионные трубки со временем становились все более черными. [ нужна цитата ]
При производстве цветных ЭЛТ теневые маски или апертурные решетки также использовались для воздействия источников ультрафиолетового света на фоторезист на лицевой панели, точно расположенных для имитации прибывающих электронов для одного цвета за раз. Проявленный фоторезист позволял наносить там, где это необходимо, люминофор только одного цвета. Этот процесс использовался в общей сложности три раза, по одному разу для каждого цвета. (Чтобы этот процесс увенчался успехом, теневая маска или апертурная решетка должны были быть съемными и точно перемещаемыми.)