Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена дисплеям с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Для маскировки теней в компьютерной 3D-графике см. Сопоставление теней .

Теневая маска
Крупный план
Линейная (слева) и триадная (справа) теневая маска
ЭЛТ на основе теневой маски крупным планом

Теневой маски является одной из двух технологий , используемых в производстве электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) телевизоров и компьютерных мониторов , которые дают четкое сфокусированное цветные изображения. Другой подход - апертурная решетка , более известная под торговой маркой Trinitron . Все первые цветные телевизоры и большинство компьютерных мониторов с ЭЛТ использовали технологию теневой маски. Обе эти технологии в значительной степени устарели и с 1990-х годов все чаще заменяются жидкокристаллическими дисплеями (ЖКД).

Теневая маска представляет собой металлическую пластину с крошечными отверстиями, разделяющими цветные люминофоры в слое за передним стеклом экрана. Теневые маски изготавливаются с помощью фотохимической обработки - техники, которая позволяет просверливать небольшие отверстия в металлических листах. Три электронные пушки в задней части экрана скользят по маске, при этом лучи достигают экрана только в том случае, если проходят через отверстия. Поскольку пистолеты физически разделены на задней части трубки, их лучи приближаются к маске под тремя немного разными углами, поэтому после прохождения через отверстия они попадают в несколько разные места на экране.

Экран украшен точками цветного люминофора, расположенными так, что в каждую может попасть только один из лучей, исходящих от трех электронных пушек. Например, синие точки люминофора попадают под луч «синего пистолета» после прохождения через определенное отверстие 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 если их лучи слишком велики и слишком плохо нацелены, чтобы сделать это без маски.

Красный , A зеленый и синий люминофор , как правило , расположены в виде треугольной формы (иногда называемой « триадой »). Для использования на телевидении современные дисплеи (начиная с конца 1960-х годов) используют прямоугольные щели вместо круглых отверстий, что улучшает яркость. Этот вариант иногда называют маской слота .

Развитие [ править ]

Цветное телевидение [ править ]

Цветное телевидение изучалось еще до того, как коммерческое вещание стало обычным явлением, но серьезное рассмотрение этой проблемы началось только в конце 1940-х годов. В то время предлагался ряд систем, которые использовали отдельные красный, зеленый и синий сигналы ( RGB ), передаваемые последовательно. Большинство экспериментальных систем транслируют целые кадры последовательно с цветным фильтром (или " гелем")."), который вращался перед обычной черно-белой телевизионной трубкой. Каждый кадр кодировал один цвет изображения, а колесо вращалось синхронно с сигналом, так что нужный гель был перед экраном, когда этот цветной кадр был Поскольку они передают отдельные сигналы для разных цветов, все эти системы были несовместимы с существующими черно-белыми наборами. Другая проблема заключалась в том, что механический фильтр заставлял их мерцать, если не использовались очень высокие частоты обновления. [1] (Это концептуально аналогично проекционному дисплею на основе DLP, где для всех трех цветовых каналов используется одно устройство DLP.)

RCA полностью работала по другим направлениям, используя систему яркости-цветности, впервые введенную 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 трансляций, позволяя отображать изображение на черно-белых телевизорах. Оставшаяся информация о цвете была отдельно закодирована в сигнал как высокочастотная модуляция для создания композитного видео.сигнал. На черно-белом телевизоре эта дополнительная информация будет рассматриваться как небольшая рандомизация интенсивности изображения, но ограниченное разрешение существующих наборов 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 была успешно разработана из-за сложности производства индикаторных трубок. Черно-белые телевизоры использовали непрерывный сигнал, и на трубку можно было нанести ровный люминофор. В системе RCA цвет постоянно менялся вдоль линии, что было слишком быстро для любого механического фильтра. Вместо этого люминофор пришлось разбить на дискретный узор из цветных пятен. Сфокусировать правильный сигнал на каждом из этих крошечных пятен было за пределами возможностей электронных пушек той эпохи. [2]

Многочисленные попытки [ править ]

В 1940-х и начале 1950-х годов предпринимались самые разные попытки решить проблему цвета. Ряд крупных компаний продолжили работу с отдельными цветовыми «каналами», используя различные способы повторного комбинирования 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 телевизионную трансляцию с использованием полумеханической системы, уже добивался успехов в полностью электронной версии. В его конструкции, Telechrome , использовались две электронные пушки, нацеленные на обе стороны покрытой люминофором пластины в центре трубки. Развитие не продвинулось далеко, когда Бэрд умер в 1946 году. [3] Похожим проектом была трубка Гира , в которой использовалось аналогичное расположение пушек, нацеленных на заднюю часть единой пластины, покрытой небольшими трехсторонними пирамидами, покрытыми люминофором. [4]

Однако у всех этих проектов были проблемы с переходом цвета от одного люминофора к другому. Несмотря на все их усилия, широкие электронные лучи просто не могли сфокусироваться достаточно сильно, чтобы поразить отдельные точки, по крайней мере, по всему экрану. Более того, большинство этих устройств были громоздкими; расположение электронных пушек вокруг внешней стороны экрана привело к очень большому дисплею со значительным «мертвым пространством».

Артиллерийские усилия [ править ]

Более практичная система будет использовать одно орудие в задней части ствола, стреляющее по одному многоцветному экрану на передней панели. В начале 1950-х годов несколько крупных компаний-производителей электроники приступили к разработке таких систем.

Другой соперник был Дженерал Электрик «с Пенетрон , который использовал три сложенные слои люминофора и попытался изменить мощность электронного пучка , чтобы написать к правильному. [5] Более распространенными были попытки использовать вторичное устройство фокусировки сразу за экраном для обеспечения требуемой точности. Paramount Pictures долго и упорно работали на Хроматрон , в котором используется множество проводов позади экрана в качестве вторичного «пистолет», дополнительно фокусировки луча и рулевого управления в направлении его правильного цвета. [6] Трубка Philco " Apple"использовались дополнительные полосы люминофора, которые выпускали всплеск электронов, когда электронный луч проходил по ним, синхронизируя всплески, он мог регулировать прохождение луча и попадать в нужные цвета. [7]

Пройдут годы, прежде чем любая из этих систем поступит в производство. Penetron никогда не работал для цветного телевидения, но нашел свою нишу в аэрокосмической отрасли. Sony попробовала Chromatron в 1960-х, но отказалась и вместо этого разработала Trinitron . Трубка Apple снова появилась в 1970-х и имела некоторый успех. Но успех RCA с теневой маской свел на нет большинство этих усилий. До 1968 года каждый проданный цветной телевизор использовал концепцию теневой маски RCA [8]. Весной того же года Sony представила свои первые телевизоры Trinitron. [9]

Теневая маска [ править ]

В 1938 году немецкий изобретатель Вернер Флехсиг впервые запатентовал (получен в 1941 году, Франция), казалось бы, простую концепцию размещения листа металла сразу за передней частью трубы и пробивания в нем небольших отверстий. Отверстия будут использоваться для фокусировки луча непосредственно перед его попаданием на экран. Независимо, Эл Шредер из RCA работал над аналогичной схемой, но также с использованием трех электронных пушек. Когда руководитель лаборатории объяснил возможности этой конструкции своему начальству, 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]

Пистолеты, расположенные в форме треугольника в задней части трубы, были нацелены на то, чтобы сфокусироваться на металлической пластине и сканировать ее как обычно. Большую часть времени во время сканирования лучи ударялись о заднюю часть пластины и останавливались. Однако, когда лучи проходили через отверстие, они переходили к люминофору перед пластиной. Таким образом, пластина обеспечивала идеальное совмещение лучей с цветными точками люминофора. Это по-прежнему оставало проблему с фокусировкой на правильной цветной точке. Обычно лучи от трех пушек были бы достаточно большими, чтобы осветить все три цветные точки на экране. Маска помогала, механически ослабляя луч до небольшого размера непосредственно перед тем, как он попадал на экран. [12]

Но настоящая гениальность идеи в том, что балки подходили к металлической пластине под разными углами. После того, как маска была отсечена, лучи продолжали двигаться вперед под немного разными углами, попадая на экраны в немного разных местах. Разброс был функцией расстояния между пистолетами в задней части трубы и расстояния между пластиной маски и экраном. Закрашивая цветные точки в правильных местах на экране и оставляя между ними некоторое пространство, чтобы избежать взаимодействий, оружие гарантированно попадет в нужное цветное пятно. [12]

Хотя система была проста, она имела ряд серьезных практических проблем.

Когда луч проходил через маску, подавляющая часть его энергии передавалась на маску, а не на экран перед ней. Типичная маска той эпохи могла иметь открытыми только 15% поверхности. Чтобы получить такое же яркое изображение, как на традиционном черно-белом телевидении, 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 пистолета, поэтому большая часть экрана была черной. [13] Это потребовало еще большей мощности, чтобы осветить получившееся изображение. И поскольку мощность была разделена между тремя из этих гораздо более мощных пушек, стоимость реализации была намного выше, чем для аналогичного набора B&W. [14]

Количество энергии, передаваемой на цветной экран, было настолько большим, что тепловая нагрузка была серьезной проблемой. Энергия, которую теневая маска поглощает от электронной пушки при нормальной работе, вызывает ее нагрев и расширение, что приводит к размытым или обесцвеченным изображениям (см. Купол ). Сигналы, которые чередовались между светом и темнотой, вызывали цикличность, что еще больше усложняло предотвращение деформации маски.

Кроме того, геометрия требовала сложных систем для правильного позиционирования трех лучей на экране. Если вы рассмотрите луч, когда он проходит через среднюю область экрана, лучи от отдельных пушек проходят одинаковое расстояние и встречаются с отверстиями в маске под равными углами. В углах экрана некоторые лучи должны проходить дальше, и все они встречаются с отверстием под другим углом, чем в середине экрана. Эти проблемы потребовали дополнительной электроники и регулировок для поддержания правильного позиционирования луча.

Введение в рынок [ править ]

Во время разработки RCA не были уверены, что они смогут заставить работать систему теневых масок. Несмотря на простоту концепции, его было сложно построить на практике, особенно по разумной цене. Компания выбрала несколько других технологий, в том числе трубку Гира , на случай, если система не сработает. Когда в 1950 году были произведены первые лампы, от этих линий отказались. [ необходима цитата ]

Достижения в области электроники во время войны открыли широкие возможности высокочастотной передачи для практического использования, и в 1948 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) начала серию встреч по использованию того, что впоследствии станет UHF- каналами. В то время в Соединенных Штатах было очень мало телевизоров, поэтому группы заинтересованных сторон быстро остановились на идее использования УВЧ для нового несовместимого цветового формата. На этих встречах в конечном итоге была выбрана конкурирующая полумеханическая цветовая система с чередованием полей , продвигаемая CBS. Однако в разгар встреч RCA объявили о своих усилиях по совместимости цветов, но уже слишком поздно, чтобы влиять на ход работы. Цвет CBS был представлен в 1950 году. [1] [15]

Однако перспективы системы RCA были настолько велики, что Комитет национальной телевизионной системы (NTSC) занялся ее делом. Между 1950 и 1953 годами они провели огромное исследование человеческого восприятия цвета и использовали эту информацию для улучшения основной концепции RCA. [16] RCA к этому времени произвела экспериментальные наборы теневых масок, которые были огромным скачком по качеству по сравнению с любыми конкурентами. Система была тусклой, сложной, большой, энергоемкой и дорогой по всем этим причинам, но обеспечивала пригодное для использования цветное изображение и, что наиболее важно, была совместима с существующими черно-белыми сигналами. Это не было проблемой в 1948 году, когда проводились первые собрания FCC, но к 1953 году количество черно-белых аппаратов резко возросло; больше не было возможности просто бросить их. [цитата необходима ]

Когда NTSC предложила ратифицировать их новый стандарт FCC, CBS перестала интересоваться собственной системой. [1] Каждый в отрасли, желающий производить набор, затем получил лицензию на патенты RCA, и к середине 1950-х годов ряд наборов был коммерчески доступен. Однако цветные наборы были намного дороже, чем черно-белые наборы того же размера, и требовали постоянной корректировки полевым персоналом. К началу 1960-х они все еще составляли небольшой процент телевизионного рынка в Северной Америке. Цифры резко возросли в начале 1960-х, когда в 1963 году производилось 5000 комплектов в неделю [8].

Производство [ править ]

Теневые маски изготавливаются с использованием процесса фотохимической обработки . Он начинается с листа стали [17] или сплава инвара [18] , покрытого фоторезистом, который запекается для его затвердевания, подвергается воздействию ультрафиолетового света через фотошаблоны, проявляется для удаления неэкспонированного резиста, металл протравливается жидкой кислотой. , а затем фоторезист удаляется. Одна фотомаска имеет более крупные темные пятна, чем другая, что создает конические отверстия. [19] Теневая маска устанавливается на экран с помощью металлических деталей [20], рельса или рамы [21] [22] [23], которые соединяются с воронкой или стеклом экрана соответственно, [24]удерживая теневую маску в натянутом состоянии, чтобы минимизировать деформацию (если маска плоская, используется в компьютерных мониторах с ЭЛТ с плоским экраном) и позволяя повысить 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]

Улучшения, признание рынка [ править ]

К 1960-м годам срок действия первых патентов RCA закончился, 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 у каждой компании был конкурирующий дизайн, и цветные телевизоры перешли от дорогого варианта к массовым устройствам.

Проблемы купола из-за теплового расширения теневой маски решались несколькими способами. Некоторые компании использовали термостат для измерения температуры и корректировки сканирования в соответствии с расширением. [26] Биметаллические теневые маски, где дифференциальная скорость расширения компенсирует проблему, стали обычным явлением в конце 1960-х годов. Инвар и аналогичные сплавы с низким коэффициентом расширения были введены в 1980-х годах [27]. Эти материалы страдали от легкого намагничивания, которое могло повлиять на цвета, но это можно было решить, включив функцию автоматического размагничивания. [26]Последним предложенным решением была «растянутая маска», в которой маска приваривалась к раме, обычно стеклянной, при высоких температурах. Затем рама была приварена к внутренней части трубы. Когда сборка остыла, маска находилась под сильным натяжением, которое никакое количество тепла от пистолетов не могло снять. [28] [29]

Повышение яркости было еще одним важным направлением работы в 1960-х годах. Использование редкоземельных люминофоров позволило получить более яркие цвета и немного снизить силу электронных лучей. Улучшенные системы фокусировки, особенно автоматические системы, которые означали, что набор проводил больше времени ближе к идеальной фокусировке, позволили точкам увеличиваться на экране. Porta-Color использовала оба этих преимущества и переставила орудия так, чтобы они лежали рядом друг с другом, а не в форме треугольника, позволяя точкам вытягиваться вертикально в слоты, которые покрывали гораздо большую часть поверхности экрана. Эта конструкция, иногда известная как «маска слота», стала обычным явлением в 1970-х годах. [26] [30]

Еще одно изменение, которое было широко внедрено в начале 1970-х, заключалось в использовании черного материала в пространствах вокруг внутренней части люминофора. Эта краска поглощала окружающий свет, исходящий из комнаты, уменьшая количество отраженного назад к зрителю. Чтобы сделать эту работу более эффективной, точки люминофора были уменьшены в размере, что снизило их яркость. Однако улучшенная контрастность по сравнению с окружающими условиями позволила сделать лицевую панель более четкой, что позволило большему количеству света от люминофора достичь зрителя и повысить фактическую яркость. [26]Лицевые панели с серым оттенком затемняли изображение, но обеспечивали лучший контраст, поскольку окружающий свет ослаблялся до того, как достигал люминофоров, и во второй раз, когда он возвращался к зрителю. Свет люминофоров ослаблялся только один раз. Этот метод со временем изменился, и телевизионные трубки со временем становились все более черными. [ необходима цитата ]

При производстве цветных ЭЛТ теневые маски или апертурные решетки также использовались для экспонирования фоторезиста на лицевой панели ультрафиолетовым источникам света, точно расположенным для имитации приходящих электронов для одного цвета за раз. Этот фоторезист, когда он проявился, позволял наносить люминофор только одного цвета там, где это необходимо. Всего процесс использовался трижды, по одному для каждого цвета. (Теневая маска или решетка диафрагмы должны были быть съемными и точно перемещаемыми, чтобы этот процесс был успешным.)

См. Также [ править ]

  • Шаг точки
  • Решетка диафрагмы
  • Cromaclear
  • Porta-Color

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

  1. ^ a b c Эд Рейтан, "Система последовательной цветности полей CBS". Архивировано 5 января 2010 г. в Wayback Machine 24 августа 1997 г.
  2. ^ a b c Эд Рейтан, "Система последовательной цветности точек RCA". Архивировано 7 января 2010 года в Wayback Machine 28 августа 1997 года.
  3. ^ "Первая в мире система цветного телевидения высокой четкости" , Baird Television.
  4. ^ "Teacher's Tube" , Time , 20 марта 1950 г.
  5. ↑ Дэвид Мортон, «Электроника: история жизни технологии» , Johns Hopkins University Press, 2007, стр. 87.
  6. ^ Патент США 2692532 , «Электроннолучевая Сосредоточение Аппарат» Эрнст О. Лоуренс, Калифорнийский университет / хроматической Television Laboratories (оригинальный патент Chromatron).
  7. ↑ Ричард Клэпп и др., «Новая система отображения луча Coor Television Display System», Proceedings of the IRE , сентябрь 1956 г., стр. 1108–1114.
  8. ^ a b Гилмор, стр. 80.
  9. ↑ Джон Натан, «Sony: Частная жизнь», Houghton Mifflin Harcourt, 2001, стр. 48.
  10. Перейти ↑ Abramson & Sterling, p. 40.
  11. Перейти ↑ Abramson & Sterling, p. 41.
  12. ^ a b Гилмор, стр. 81.
  13. ^ Гилмор, стр. 178.
  14. ^ Гилмор, стр. 83.
  15. ^ Гилмор, стр. 82.
  16. ^ «Стандарты колориметрии» , Broadcast Engineering .
  17. ^ «Композиция против синевы для теневой маски и способы ее приготовления» .
  18. ^ "Теневая маска" .
  19. ^ http://www.earlytelevision.org/pdf/manufacture_of_color_pic_tubes.pdf
  20. ^ "Схема установки теневой маски для цветной ЭЛТ" .
  21. ^ "Электронно-лучевая трубка с маской плоского натяжения" .
  22. ^ "Электронно-лучевая трубка с кронштейном для установки рамки теневой маски" .
  23. ^ "Цветная электронно-лучевая трубка с улучшенной системой крепления теневой маски" .
  24. ^ https://pure.tue.nl/ws/files/1904406/200211486.pdf
  25. Перейти ↑ Corporation, Bonnier (5 августа 1986 г.). «Популярная наука» . Bonnier Corporation - через Google Книги.
  26. ^ a b c d Лен Баквалтер, "Телевидение 1970 года: картина ярче, чем когда-либо" , "Popular Science", октябрь 1969 г., стр. 142–145, 224.
  27. ^ "Вынимая тепло из телевизора с плоским экраном ..." , New Scientist , 3 октября 1985 г., стр. 35.
  28. ^ Джеймс Фоули, "Компьютерная графика: принципы и практика" , Addison-Wesley, 1996, p. 160.
  29. ^ Корпорация, Боннье (1986). Популярная наука . Bonnier Corporation.
  30. ^ Джерри Уитакер, "Справочник DTV" , McGraw-Hill, 2001, стр. 461–462.

Библиография [ править ]

  • Альберт Абрамсон и Кристофер Стерлинг, «История телевидения, 1942–2000» .
  • С. П. Гилмор, "Цветное телевидение: наконец-то стоит денег?" , Popular Science , август 1963 г., стр. 80–83, 178.

Внешние ссылки [ править ]

  • Что такое теневая маска?