Máscara de sombra
La máscara de sombra es una de las dos tecnologías utilizadas en la fabricación de televisores de tubo de rayos catódicos (CRT) y monitores de computadora que producen imágenes en color claras y enfocadas. El otro enfoque es la rejilla de apertura, mejor conocida por su nombre comercial, Trinitron. Todos los primeros televisores en color y la mayoría de los monitores de computadora CRT usaban tecnología de máscara de sombra. Ambas tecnologías son en gran parte obsoletas, y desde la década de 1990 han sido reemplazadas cada vez más por la pantalla de cristal líquido (LCD).
Una máscara de sombra es una placa de metal perforada con pequeños agujeros que separan los fósforos de colores en la capa detrás del cristal frontal de la pantalla. Las máscaras de sombra se fabrican mediante mecanizado fotoquímico, una técnica que permite perforar pequeños orificios en láminas de metal. Tres cañones de electrones en la parte posterior de la pantalla barren la máscara y los rayos solo llegan a la pantalla si pasan a través de los agujeros. Como las pistolas están físicamente separadas en la parte posterior del tubo, sus rayos se acercan a la máscara desde tres ángulos ligeramente diferentes, por lo que después de pasar por los agujeros golpean lugares ligeramente diferentes en la pantalla.
La pantalla está modelada con puntos de fósforo de color colocados de manera que cada uno de ellos solo pueda ser alcanzado por uno de los rayos provenientes de los tres cañones de electrones. Por ejemplo, los puntos de fósforo azul son alcanzados por el haz del "pistola azul" después de pasar por un orificio particular en la máscara. Las otras dos pistolas hacen lo mismo con los puntos rojo y verde. Esta disposición permite que las tres pistolas se dirijan a los colores de los puntos individuales en la pantalla, aunque sus rayos son demasiado grandes y están demasiado mal apuntados para hacerlo sin la máscara en su lugar.
Un fósforo rojo, uno verde y uno azul generalmente se organizan en forma triangular (a veces llamado "tríada"). Para uso en televisión, las pantallas modernas (a partir de finales de la década de 1960) utilizan ranuras rectangulares en lugar de orificios circulares, lo que mejora el brillo. Esta variación a veces se denomina máscara de ranura.
Desarrollo
Televisión en color
La televisión en color se había estudiado incluso antes de que la transmisión comercial se volviera común, pero no fue hasta finales de la década de 1940 cuando se consideró seriamente el problema. En ese momento, se propusieron varios sistemas que usaban señales separadas de rojo, verde y azul (RGB), transmitidas en sucesión. La mayoría de los sistemas experimentales transmiten fotogramas completos en secuencia, con un filtro de color (o 'gel') que gira frente a un tubo de televisión convencional en blanco y negro. Cada cuadro codificaba un color de la imagen, y la rueda giraba en sincronía con la señal, de modo que el gel correcto estaba frente a la pantalla cuando se mostraba ese cuadro de color. Debido a que transmiten señales separadas para los diferentes colores, todos estos sistemas eran incompatibles con los conjuntos en blanco y negro existentes. Otro problema era que el filtro mecánico los hacía parpadear a menos que se usaran frecuencias de actualización muy altas. (Esto es conceptualmente similar a una pantalla de proyección basada en DLP donde se usa un solo dispositivo DLP para los tres canales de color).
RCA trabajó en líneas completamente diferentes, utilizando el sistema de luminancia-crominancia introducido por primera vez por Georges Valensi en 1938. Este sistema no codificaba ni transmitía directamente las señales RGB; en su lugar, combinó estos colores en una figura de brillo general, llamada "luminancia". Esto coincidía estrechamente con la señal en blanco y negro de las transmisiones existentes, lo que permitía que la imagen se mostrara en televisores en blanco y negro. La información de color restante se codificó por separado en la señal como una modulación de alta frecuencia para producir una señal de video compuesta. En un televisor en blanco y negro, esta información adicional se vería como una ligera aleatorización de la intensidad de la imagen, pero la resolución limitada de los televisores existentes hizo que esto fuera invisible en la práctica. En los conjuntos de colores, la información adicional se detectaría, filtraría y agregaría a la luminancia para recrear el RGB original para la visualización.
Aunque el sistema de RCA tenía enormes beneficios, no se había desarrollado con éxito porque era difícil producir los tubos de visualización. Los televisores en blanco y negro usaban una señal continua y el tubo podía recubrirse con una pintura uniforme de fósforo. Con el sistema RCA, el color cambiaba continuamente a lo largo de la línea, lo que era demasiado rápido para que lo siguiera cualquier tipo de filtro mecánico. En cambio, el fósforo tuvo que descomponerse en un patrón discreto de manchas de colores. Enfocar la señal correcta en cada uno de estos pequeños puntos estaba más allá de la capacidad de los cañones de electrones de la época.
Numerosos intentos
Durante la década de 1940 y principios de la de 1950, se realizaron una gran variedad de esfuerzos para abordar el problema del color. Varias empresas importantes continuaron trabajando con "canales" de color separados; con varias formas de volver a combinar la imagen. RCA se incluyó en este grupo; el 5 de febrero de 1940 demostraron un sistema que usaba tres tubos convencionales combinados para formar una sola imagen en una placa de vidrio, pero la imagen era demasiado tenue para ser útil.
John Logie Baird, quien realizó la primera transmisión pública de televisión en color utilizando un sistema semimecánico el 4 de febrero de 1938, ya estaba avanzando en una versión totalmente electrónica. Su diseño, el Telechrome, utilizó dos cañones de electrones apuntados a cada lado de una placa cubierta de fósforo en el centro del tubo. El desarrollo no había progresado mucho cuando Baird murió en 1946. Un proyecto similar fue el tubo Geer, que usaba una disposición similar de cañones apuntados a la parte posterior de una sola placa cubierta con pequeñas pirámides cubiertas de fósforo de tres lados.
Sin embargo, todos estos proyectos tenían problemas con los colores que pasaban de un fósforo a otro. A pesar de sus mejores esfuerzos, los amplios haces de electrones simplemente no pudieron enfocarse lo suficientemente fuerte como para golpear los puntos individuales, al menos en la totalidad de la pantalla. Además, la mayoría de estos dispositivos eran difíciles de manejar; la disposición de los cañones de electrones alrededor del exterior de la pantalla dio como resultado una pantalla muy grande con un "espacio muerto" considerable.
Esfuerzos de armas traseras
Un sistema más práctico usaría una sola pistola en la parte posterior del tubo, disparando a una sola pantalla multicolor en el frente. A principios de la década de 1950, varias empresas importantes de electrónica comenzaron a desarrollar tales sistemas.
Uno de los competidores fue Penetron de General Electric, que usó tres capas de fósforo pintadas una encima de la otra en la parte posterior de la pantalla. El color se seleccionó cambiando la energía de los electrones en el haz para que penetraran a diferentes profundidades dentro de las capas de fósforo. En realidad, resultó casi imposible dar con la capa correcta, y GE finalmente renunció a la tecnología para el uso de la televisión, aunque siguió viendo algún uso en el mundo de la aviónica, donde la gama de colores podía reducirse, a menudo a tres colores, que era el sistema. capaz de lograr
Más comunes fueron los intentos de utilizar un arreglo de enfoque secundario justo detrás de la pantalla para producir la precisión requerida. Paramount Pictures trabajó largo y tendido en el Chromatron, que usaba un conjunto de cables detrás de la pantalla como un "arma" secundario, enfocando aún más el haz y dirigiéndolo hacia el color correcto. Philco's 'Apple' El tubo usó franjas adicionales de fósforo que liberaron una ráfaga de electrones cuando el haz de electrones los atravesó, al cronometrar las ráfagas se pudo ajustar el paso del haz y alcanzar los colores correctos.
Pasarían años antes de que cualquiera de estos sistemas entrara en producción. GE había renunciado al Penetron a principios de la década de 1960. Sony probó el Chromatron en la década de 1960, pero se dio por vencido y en su lugar desarrolló el Trinitron. El tubo de Apple resurgió en la década de 1970 y tuvo cierto éxito con una variedad de proveedores. Pero fue el éxito de RCA con la máscara de sombra lo que frustró la mayoría de estos esfuerzos. Hasta 1968, todos los televisores en color vendidos usaban el concepto de máscara de sombra RCA; en la primavera de ese año, Sony presentó sus primeros televisores Trinitron.
Máscara de sombra
En 1938, el inventor alemán Werner Flechsig patentó por primera vez (recibido en 1941, Francia) el concepto aparentemente simple de colocar una lámina de metal justo detrás de la parte delantera del tubo y perforar pequeños agujeros en ella. Los agujeros se usarían para enfocar el haz justo antes de que golpee la pantalla. Independientemente, Al Schroeder de RCA trabajó en un arreglo similar, pero también usando tres cañones de electrones. Cuando el líder del laboratorio explicó las posibilidades del diseño a sus superiores, se le prometió mano de obra y fondos ilimitados para que funcionara. En un período de solo unos pocos meses, se produjeron varios prototipos de televisores en color que utilizaban el sistema.
Las pistolas, dispuestas en un patrón delta en la parte posterior del tubo, estaban dirigidas a enfocarse en la placa de metal y escanearla con normalidad. Durante gran parte del tiempo durante el escaneo, los haces golpeaban la parte posterior de la placa y se detenían. Sin embargo, cuando los rayos pasaban por un agujero, continuaban hacia el fósforo frente a la placa. De esta forma, la placa aseguraba que los haces estuvieran perfectamente alineados con los puntos de fósforo de colores. Esto aún dejaba el problema de enfocarse en el punto de color correcto. Normalmente, los haces de los tres cañones serían lo suficientemente grandes como para iluminar los tres puntos de colores en la pantalla. La máscara ayudó a atenuar mecánicamente el haz a un tamaño pequeño justo antes de que golpeara la pantalla.
Pero la verdadera genialidad de la idea es que los rayos se acercaron a la placa de metal desde diferentes ángulos. Después de ser cortados por la máscara, los rayos continuarían hacia adelante en ángulos ligeramente diferentes, golpeando las pantallas en lugares ligeramente diferentes. La extensión era una función de la distancia entre las pistolas en la parte posterior del tubo y la distancia entre la placa de la máscara y la pantalla. Al pintar los puntos de colores en las ubicaciones correctas en la pantalla y dejar un poco de espacio entre ellos para evitar interacciones, se garantizaría que las armas acertaran en el punto de color correcto.
Aunque el sistema era simple, tenía varios problemas prácticos serios.
Cuando el rayo barrió la máscara, la gran mayoría de su energía se depositó en la máscara, no en la pantalla que tenía enfrente. Una máscara típica de la época podría tener solo el 15% de su superficie abierta. Para producir una imagen tan brillante como la de un televisor tradicional en blanco y negro, los cañones de electrones en este hipotético sistema de máscara de sombra tendrían que ser cinco veces más potentes. Además, los puntos en la pantalla se separaron deliberadamente para evitar ser golpeados por el arma equivocada, por lo que gran parte de la pantalla estaba negra. Esto requería aún más potencia para iluminar la imagen resultante. Y como el poder se dividió entre tres de estas armas mucho más poderosas, el costo de implementación fue mucho más alto que para un set similar en blanco y negro.
La cantidad de energía depositada en la pantalla a color era tan grande que la carga térmica era un problema grave. La energía que la máscara de sombra absorbe del cañón de electrones en funcionamiento normal hace que se caliente y se expanda, lo que da lugar a imágenes borrosas o descoloridas (ver cúpula). Las señales que alternaban entre la luz y la oscuridad provocaban ciclos que aumentaban aún más la dificultad de evitar que la máscara se deformara.
Además, la geometría requería sistemas complejos para mantener los tres haces colocados correctamente en la pantalla. Si considera el rayo cuando barre el área central de la pantalla, los rayos de las pistolas individuales viajan la misma distancia y se encuentran con los agujeros en la máscara en ángulos iguales. En las esquinas de la pantalla, algunos rayos tienen que viajar más lejos y todos ellos se encuentran con el agujero en un ángulo diferente al del centro de la pantalla. Estos problemas requirieron electrónica y ajustes adicionales para mantener el posicionamiento correcto del haz.
Introducción al mercado
Durante el desarrollo, RCA no estaba seguro de poder hacer funcionar el sistema de máscara de sombra. Aunque simple en concepto, fue difícil de construir en la práctica, especialmente a un precio razonable. La empresa optó por varias otras tecnologías, incluido el tubo Geer, en caso de que el sistema no funcionara. Cuando se produjeron los primeros tubos en 1950, estas otras líneas se abandonaron.
Los avances en la electrónica durante la guerra habían abierto grandes franjas de transmisión de alta frecuencia al uso práctico, y en 1948 la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. inició una serie de reuniones sobre el uso de lo que se convertiría en los canales UHF. En ese momento, había muy pocos televisores en uso en los Estados Unidos, por lo que los grupos de partes interesadas rápidamente se decidieron por la idea de usar UHF para un formato de color nuevo e incompatible. Estas reuniones finalmente seleccionaron un sistema de color secuencial de campo semimecánico de la competencia promovido por CBS. Sin embargo, en medio de las reuniones, RCA anunció sus esfuerzos sobre el color compatible, pero demasiado tarde para influir en los procedimientos. El color CBS se introdujo en 1950.
Sin embargo, la promesa del sistema RCA era tan grande que el Comité del Sistema Nacional de Televisión (NTSC) asumió su causa. Entre 1950 y 1953 llevaron a cabo un gran estudio sobre la percepción humana del color y utilizaron esa información para mejorar el concepto básico de RCA. RCA, en ese momento, había producido conjuntos de máscaras de sombras experimentales que supusieron un enorme salto en calidad sobre cualquier competidor. El sistema era oscuro, complejo, grande, consumía energía y costoso por todas estas razones, pero proporcionaba una imagen en color utilizable y, lo que es más importante, era compatible con las señales en blanco y negro existentes. Esto no había sido un problema en 1948 cuando se llevaron a cabo las primeras reuniones de la FCC, pero en 1953 la cantidad de juegos en blanco y negro se había disparado; ya no había forma de que simplemente pudieran ser abandonados.
Cuando el NTSC propuso que la FCC ratificara su nuevo estándar, CBS dejó de interesarse en su propio sistema. Todos los que estaban en la industria y deseaban producir un equipo obtuvieron la licencia de las patentes de RCA y, a mediados de la década de 1950, había varios equipos disponibles comercialmente. Sin embargo, los juegos de colores eran mucho más caros que los juegos en blanco y negro del mismo tamaño y requerían ajustes constantes por parte del personal de campo. A principios de la década de 1960, todavía representaban un pequeño porcentaje del mercado de la televisión en América del Norte. Los números se dispararon a principios de la década de 1960, con 5.000 juegos producidos por semana en 1963.
Fabricación
Las máscaras de sombra se fabrican mediante un proceso de mecanizado fotoquímico. Comienza con una lámina de acero o aleación de invar que se recubre con fotorresistencia, que se hornea para solidificarla, se expone a la luz ultravioleta a través de fotomáscaras, se desarrolla para eliminar la resistencia no expuesta, el metal se graba con ácido líquido y luego la fotorresistencia se remoto. Una fotomáscara tiene manchas oscuras más grandes que la otra, esto crea aberturas afiladas. La máscara de sombra se instala en la pantalla usando piezas de metal o un riel o marco que se fusiona con el embudo o el vidrio de la pantalla respectivamente, manteniendo la máscara de sombra en tensión para minimizar la deformación (si la máscara es plana, se usa en una computadora CRT de pantalla plana). monitores) y permitiendo un mayor brillo y contraste de la imagen. Los resortes bimetálicos se pueden usar en los CRT que se usan en los televisores para compensar la deformación que se produce cuando el haz de electrones calienta la máscara de sombra, lo que provoca la expansión térmica.
Mejoras, aceptación en el mercado
En la década de 1960, las primeras patentes de RCA estaban finalizando, mientras que al mismo tiempo se introdujeron una serie de mejoras técnicas. Varios de estos se trabajaron en el conjunto GE Porta-Color de 1966, que fue un gran éxito. En 1968, casi todas las empresas tenían un diseño de la competencia, y la televisión en color pasó de ser una opción costosa a dispositivos convencionales.
Los problemas de cúpula debido a la expansión térmica de la máscara de sombra se resolvieron de varias maneras. Algunas empresas utilizaron un termostato para medir la temperatura y ajustar el escaneo para que coincida con la expansión. Las máscaras de sombra bimetálicas, en las que las tasas de expansión diferencial compensan el problema, se volvieron comunes a fines de la década de 1960. El invar y aleaciones similares de baja expansión se introdujeron en la década de 1980. Estos materiales sufrían una fácil magnetización que podía afectar a los colores, pero esto podía solucionarse generalmente mediante la inclusión de una función de desmagnetización automática. La última solución que se introdujo fue la "máscara estirada", donde la máscara se soldaba a un marco, típicamente de vidrio, a altas temperaturas. Luego, el marco se soldó al interior del tubo. Cuando el conjunto se enfrió, la máscara estaba bajo una gran tensión, que ninguna cantidad de calor de las pistolas podría eliminar.
Mejorar el brillo fue otra línea importante de trabajo en la década de 1960. El uso de fósforos de tierras raras produjo colores más brillantes y permitió que la fuerza de los haces de electrones se redujera ligeramente. Los mejores sistemas de enfoque, especialmente los sistemas automáticos que significaron que el conjunto pasó más tiempo más cerca del enfoque perfecto, permitieron que los puntos se hicieran más grandes en la pantalla. El Porta-Color usó ambos avances y reorganizó las pistolas para colocarlas una al lado de la otra en lugar de en un triángulo, lo que permitió que los puntos se extendieran verticalmente en ranuras que cubrían una mayor parte de la superficie de la pantalla. Este diseño, a veces conocido como "máscara de ranura", se volvió común en la década de 1970.
Otro cambio que se introdujo ampliamente a principios de la década de 1970 fue el uso de un material negro en los espacios alrededor del interior del patrón de fósforo. Esta pintura absorbió la luz ambiental proveniente de la habitación, reduciendo la cantidad que se reflejaba hacia el espectador. Para que esto funcione de manera efectiva, se redujo el tamaño de los puntos de fósforo, lo que redujo su brillo. Sin embargo, el contraste mejorado en comparación con las condiciones ambientales permitió que la placa frontal se hiciera mucho más clara, lo que permitió que más luz del fósforo llegara al espectador y aumentara el brillo real. Las placas frontales teñidas de gris atenuaron la imagen, pero proporcionaron un mejor contraste, porque la luz ambiental se atenuó antes de llegar a los fósforos y una segunda vez cuando regresó al espectador. La luz de los fósforos se atenuó solo una vez. Este método cambió con el tiempo, y los tubos de TV se volvieron progresivamente más negros con el tiempo.
En la fabricación de CRT a color, las máscaras de sombra o rejillas de apertura también se usaron para exponer la fotoprotección en la placa frontal a fuentes de luz ultravioleta, colocadas con precisión para simular la llegada de electrones de un color a la vez. Esta fotoprotección, cuando se desarrolló, permitió que se aplicara fósforo para un solo color donde fuera necesario. El proceso se usó un total de tres veces, una para cada color. (La máscara de sombra o rejilla de apertura tenía que ser removible y reposicionable con precisión para que este proceso tuviera éxito).