El tubo de índice de haz es un diseño de tubo de rayos catódicos de televisión en color (CRT), que utiliza rayas de fósforo y sincronización de retroalimentación activa, en lugar de puntos de fósforo y una máscara de sombreado de haz desarrollada por RCA . La indexación de haces ofrecía imágenes mucho más brillantes que los CRT de máscara de sombra, lo que reducía el consumo de energía y, como usaban un solo cañón de electrones en lugar de tres, eran más fáciles de construir y no requerían ajustes de alineación.
Philco lideró el desarrollo del concepto de indexación de haces en una serie de dispositivos experimentales que llamaron tubo de Apple . A pesar del largo desarrollo, nunca pudieron fabricar un tubo indexador de costo competitivo y finalmente abandonaron el concepto. El mayor problema fue el costo de la electrónica de indexación, que en modelos posteriores requirió un costoso tubo fotomultiplicador .
Los nuevos detectores y la electrónica basada en transistores llevaron a que el sistema se reintrodujera como Uniray en la década de 1970. Era muy competitivo en términos de precio, pero competía contra los diseños de máscaras de sombras muy mejorados y el nuevo Trinitron . Varias empresas japonesas utilizaron Uniray para diversos fines especializados, siendo la más conocida la serie Sony Indextron . El sistema también tuvo cierto uso militar, debido a su baja sensibilidad a la interferencia magnética, y en tal uso en el Reino Unido se lo conocía como el tubo Zebra .
Historia
CRT de colores tempranos
En los televisores convencionales en blanco y negro (B / N), la pantalla CRT tiene una capa uniforme de fósforo que emite luz blanca cuando es golpeada por electrones . El haz de un cañón de electrones en la parte posterior del tubo es desviado (más comúnmente) por los campos variables de las bobinas magnéticas, por lo que puede dirigirse a cualquier punto de la pantalla. Los circuitos electrónicos conocidos como generadores de base de tiempo tiran del haz a través del tubo y hacia abajo, creando el patrón de exploración utilizado en las señales de televisión. Se utiliza una señal de amplitud modulada para controlar la aceleración del rayo, controlando el brillo a medida que pasa por la pantalla.
Los televisores en color se basan en el uso de fósforos de los tres colores primarios aditivos (rojo, verde y azul, RGB). Para producir una resolución razonable similar a la de un conjunto en blanco y negro, los fósforos deben depositarse en puntos o rayas muy pequeños. Un cañón de electrones en la parte posterior del tubo no puede enfocarse lo suficientemente fuerte como para alcanzar un solo color de fósforo si ese fósforo es tan pequeño como se desea. Es necesario utilizar algún sistema secundario para reenfocar el haz.
RCA finalmente resolvió este problema con una máscara de sombra . En este sistema, tres cañones de electrones separados apuntan cada uno desde diferentes direcciones a un punto justo detrás de la pantalla. Allí, se utiliza una placa de metal con agujeros muy pequeños para reenfocar el haz. Debido a que los rayos golpean la placa en diferentes ángulos de entrada, se separan nuevamente en el lado más alejado de la placa, golpeando los puntos individuales de fósforo de color. La desventaja de este enfoque es que la placa también corta la mayor parte del haz, hasta en un 85%, lo que genera un brillo de imagen bajo. También requería tres cañones de electrones, lo que hacía subir el precio del tubo y mantener las pistolas en la alineación adecuada con la máscara era un problema constante.
Se intentó una serie de soluciones que utilizaban un solo cañón de electrones y algún tipo de campo eléctrico o magnético muy cerca de la pantalla para proporcionar el mismo resultado que la máscara de sombra. RCA trabajó en un sistema con cables cargados que tiraban de los rayos ligeramente hacia ellos, con franjas de fósforos de colores sobre ellos. El problema era que los cables tenían que colocarse muy cerca uno del otro para proporcionar la resolución requerida, al mismo tiempo que se alimentaban con altos voltajes para proporcionar suficiente deflexión. Esto hizo que fuera muy difícil evitar que las señales se filtraran de un cable a otro. El desarrollo se abandonó cuando la máscara de sombra tuvo éxito.
Ernest Lawrence desarrolló un sistema similar conocido como Chromatron que usaba una rejilla de cables finos detrás de la pantalla para desviar eléctricamente el rayo, pero sufría el mismo problema básico que el enfoque de RCA. A pesar de años de desarrollo, nadie pudo producir una versión comercialmente viable. El intento de Sony de producir un Chromatron práctico inspiró el desarrollo de su sistema Trinitron .
Tubo de manzana
Los sistemas de pistola única como Chromatron crean color variando rápidamente la intensidad del rayo para ajustar el brillo de cada componente de color y luego usando un segundo sistema para asegurar que la señal instantánea termine en el fósforo correcto. El tubo de índice de haz utiliza una solución alternativa que permite que el haz escanee normalmente como en un televisor en blanco y negro sin un sistema de enfoque secundario y, en cambio, varía rápidamente la intensidad del haz cuando sabe que está sobre el color correcto. Para hacer esto, el tubo requiere alguna forma de cronometrar con precisión el paso del rayo a lo largo del tubo, con suficiente precisión para garantizar que se obtenga el color adecuado.
El enfoque de Philco al problema de indexar correctamente el haz en relación con los fósforos se basó en el proceso de emisión secundaria , donde los electrones de alta velocidad arrastrarán los electrones del material circundante, creando un pulso de corriente adicional. A diferencia de la máscara de sombra, donde se usan pequeños puntos de fósforo, el tubo de manzana usa rayas verticales de color estampadas a lo largo del tubo. El concepto de indexación más básico utiliza una cuarta franja de fósforo entre las franjas RGB adyacentes que emite una luz que no se puede ver a simple vista, pero que se puede ver con la electrónica del televisor. [1]
Se utilizaron varios arreglos diferentes de componentes, materiales y electrónica mientras se investigaba este enfoque durante un período de desarrollo de diez años, durante la mayor parte del tiempo que se mantuvo en secreto. El sistema más común, demostrado públicamente por primera vez en 1956, utilizó franjas de óxido de magnesio depositadas en la parte posterior del aluminio como sistema de indexación. Para garantizar que la electrónica tuviera tiempo suficiente para responder a la señal de indexación y ajustar el color, se generó un "rayo piloto" separado desde la pistola y se colocó para guiar el "rayo de escritura" principal por una pequeña distancia dentro del tubo. Cuando el rayo de indexación golpeó el óxido de magnesio, se desprendió una lluvia de electrones, que fueron recogidos por una capa conductora de carbono depositado en el interior del tubo. El rayo piloto de baja potencia tenía la potencia suficiente para iluminar tenuemente el tubo a una intensidad de fondo uniforme apenas visible. [1]
Dado que tanto el haz piloto como el de escritura golpean las franjas de índice, se generarían dos señales cuando los haces se desplazaran por el tubo. Para distinguir entre ellos, el haz piloto se moduló con una señal variable temporizada de modo que estuviera a la máxima potencia solo cuando estaría en la ubicación aproximada de las franjas de índice. La frecuencia de la señal moduladora era función de la geometría del tubo; en un tubo de 21 "pulgadas, las franjas de índice se colocaron a 0,51 pulgadas de distancia, un solo barrido horizontal tarda unos 53 microsegundos, por lo que la señal tuvo que modularse a 7,4 MHz. [2]
La señal de modulación original se comparó luego con la señal de retorno amplificada del proceso de emisión secundaria, produciendo una salida neta que variaba en fase por la diferencia de posición entre la posición estimada y real del haz. Esta señal de fase se envió luego al decodificador de color convencional, ajustando el croma sobre la marcha. El rayo de escritura, posicionado para barrer los espacios entre los índices mientras el rayo piloto estaba sobre ellos, recibió la señal de croma de modo que su potencia se moduló para producir las cantidades correctas de color cuando estaba encima de esas franjas. Para cuando alcanzara la franja de índice, la señal de modulación del piloto estaría en su mínimo, y la señal fuerte emitida por el haz de escritura simplemente sería ignorada. [2]
Para garantizar que el posicionamiento de los haces piloto y de escritura se mantuviera lo más constante posible, el tubo Apple utilizó una disposición única de cañón de electrones. Los haces se produjeron a partir de un solo ánodo y dos cátodos estrechamente espaciados, lo que provocó que los haces se desplazaran en direcciones ligeramente diferentes. Luego se enfocaron magnéticamente para que cruzaran en un punto justo en frente de los cañones de electrones, donde se usó una abertura de una sola rendija para aclarar la señal y producir un patrón de haz elíptico de bordes afilados. Las bobinas de deflexión se colocaron alrededor de la abertura, por lo que al hacer que ambos haces pasen por las bobinas de deflexión mientras están superpuestos, la deflexión de ambos fue igual. Luego, los rayos se extendieron nuevamente en el lado más alejado de la abertura, donde una segunda disposición de enfoque aseguró que ambos viajaran paralelos entre sí. [2]
Los electrones emitidos por las franjas de índice eran de baja potencia y, por lo tanto, viajaban a baja velocidad hasta el punto de recogida en un "botón" en la parte posterior del tubo. Dado que el tiempo de viaje fue un factor significativo, la sincronización de la comparación de fase tuvo que ajustarse a medida que el rayo barría la cara del tubo; en los lados del tubo, los electrones estaban cerca del captador del tubo, pero cuando los rayos estaban en en la mitad del tubo tenían que recorrer una distancia más larga. Se necesitaban circuitos de temporización adicionales para tener en cuenta esto. [1]
En realidad, la construcción de la electrónica del tubo de Apple resultó ser difícil. La respuesta rápida necesaria para ajustar la señal de color en función del índice fue difícil de construir utilizando la electrónica basada en tubos de la época, y la electrónica del sistema era mucho más cara que los conjuntos de máscaras de sombra convencionales. Su unidad de demostración tenía ocho tubos más que un sistema de máscara de sombra similar, lo que en ese momento representaba un costo significativo. [2] Además, la emisión secundaria no proporcionó una señal nítida y la diafonía entre los haces piloto y de escritura siempre fue un problema.
Apple avanzado
David Goodman, de la Universidad de Nueva York, presentó otra solución al problema de la indexación . Reemplazó el emisor de electrones del diseño de Philco con un nuevo material que emitía rayos X. Estos fueron recibidos por centelleadores en la parte posterior del tubo, al lado de las armas. [3] Como la velocidad de la luz era independiente de la potencia y esencialmente instantánea en comparación con la sincronización necesaria para la indexación, el nuevo diseño permitió la eliminación de los complejos circuitos de sincronización del diseño original.
Dados todos los problemas que estaba teniendo el tubo de manzana, los ingenieros de Philco adoptaron el diseño como el tubo de "manzana avanzada". Su versión utilizó un nuevo material que emitía luz ultravioleta en lugar de los rayos X y reemplazó los centelleadores con un solo tubo fotomultiplicador . Los destellos de luz emitidos por las franjas de índice fueron amplificados por el fotomultiplicador y luego enviados al decodificador de color como de costumbre. [4] Los retrasos en el circuito de sincronización en sí se solucionaron ajustando ligeramente la posición de las franjas de índice en el tubo. Esto eliminó gran parte de los circuitos asociados con la sincronización del índice y condujo a un chasis de menor costo. [ cita requerida ]
Sin embargo, también introdujo el fotomultiplicador, un tubo complejo propio que en ese momento todavía estaba en su etapa inicial de desarrollo y era relativamente caro. Después de cierto desarrollo, la compañía pudo producir de manera confiable sistemas de manzana avanzados, pero el costo de producción era demasiado alto, alrededor de $ 75 por tubo ($ 598 hoy) y las herramientas a $ 15 millones ($ 127 millones en la actualidad) hicieron que el sistema no fuera atractivo. [5]
El desarrollo del sistema también fue recogido por Sylvania y Thorn Electrical Industries en el Reino Unido, quienes publicaron detalles sobre lo que llamaron el "tubo Zebra" en 1961. [6] Aparentemente tuvieron éxito en su trabajo, pero como ningún estándar de televisión en color. El esfuerzo estaba avanzando en Gran Bretaña en ese momento, tampoco se produjeron versiones comerciales de este desarrollo. [7] [8]
Uniray
Después de que Philco abandonó el sistema de Apple, uno de los ingenieros, David Sunstein, compró los derechos. Después de muchos años, reintrodujo el diseño de manzana avanzado como Uniray. La introducción de fotodiodos de bajo costo cambió drásticamente la complejidad y las ecuaciones de costo del sistema avanzado de indexación de Apple, y la introducción de sistemas de temporización todo en uno implementados como circuitos integrados hizo lo mismo en el lado del chasis del sistema. Lo que alguna vez fue un dispositivo útil pero poco práctico, se volvió rentable a principios de la década de 1970. [9]
Sunstein produjo un prototipo de sistema Uniray usando un tubo Philco original y nuevos componentes electrónicos, y comenzó a comprar el concepto en 1972. Hubo algunos esfuerzos para licenciar el sistema a compañías japonesas, la mayoría de las cuales habían obtenido la licencia de la máscara de sombra de RCA y enfrentaban problemas competencia del nuevo sistema Trinitron de Sony . [9] Varias empresas comenzaron el desarrollo de televisores basados en Uniray a finales de la década de 1970, y en la década de 1980 se introdujeron varios productos diferentes.
Dado que la indexación del haz ajustaba la posición del haz mientras el haz escaneaba a través del tubo, los campos magnéticos externos tenían poco efecto en la imagen. Esto hizo que el sistema fuera particularmente útil para pantallas de aviónica donde los sistemas estaban sujetos a fuertes interferencias de los equipos circundantes. [10] Rockwell International recibió una patente en 1978 sobre este uso. [11] Ferranti en el Reino Unido también ofreció un tubo de índice de haz de 4 por 3 pulgadas como pantalla de mapeo en la actualización de mediana edad del Panavia Tornado . [12]
Hitachi inició el desarrollo del sistema Apple avanzado para uso en televisión, [13] pero en su lugar lo utilizó para aplicaciones mucho más limitadas. El único uso generalizado fue en los visores en color de las grabadoras de cinta de video portátiles , que se introdujeron por primera vez en 1983 en una forma de 1½ pulgada. [14] El rechazo de la interferencia del cabezal de grabación magnético giratorio cercano hizo que un visor a color fuera práctico. La sola pistola y las imágenes más brillantes para cualquier nivel de potencia de pistola dado también significaron que la pantalla indexada era mucho más eficiente en términos de energía que los sistemas convencionales, lo que permite su uso en aplicaciones que funcionan con baterías.
Sony también hizo algunos desarrollos con el concepto Uniray, [15] introduciendo una gama de productos bajo el nombre comercial "Indextron". Su primer producto fue el sistema de televisión de proyección FP-62 "Vidimagic". El tubo Indextron era tan brillante que podía proyectar directamente una imagen ampliada en un televisor de proyección frontal sin la necesidad de tres tubos separados, eliminando los problemas de convergencia. Una segunda versión con Betamax VCR incorporado se vendió como PF-60. [16] Una aplicación más conocida fue el KVX-370, un televisor "junto a la cama" de 4 pulgadas con reloj despertador y radio integrados. [17]
Sanyo usó las imágenes brillantes [ ¿cómo? ] para hacer un nuevo estilo de tubo que llamaron "piruleta". [14] Utilizaba un cañón de electrones dispuesto en ángulo recto con la pantalla, extendiéndose hacia abajo en lugar de hacia atrás. El enfoque magnético en una geometría de este tipo sería difícil de lograr, por lo que el sistema se adaptaba naturalmente al concepto de Uniray. [ ¿por qué? ] El resultado fue una pantalla de 3 pulgadas de sólo 1½ pulgadas de profundidad, aunque tenía varias pulgadas de largo. Demostraron el sistema en un pequeño televisor similar al Sony Indextron.
Descripción
El tubo indexado ópticamente mostraba imágenes iluminando franjas verticales de fósforo de colores dispuestas en un patrón rojo-verde-azul. Se utilizó un solo cañón de electrones para excitar las rayas y la intensidad del haz se modula para producir diferentes colores.
Cada patrón RGB fue seguido por una sola franja de fósforo UV en la cara interior del tubo, donde la luz no era visible para el espectador. La luz emitida por esta franja fue capturada por un tubo fotomultiplicador o un fotodiodo en el exterior del tubo que se colocó sobre una ventana transparente en la superficie del tubo. La señal del fotomultiplicador se amplificó y se envió al circuito decodificador de color.
El decodificador de color restó eléctricamente la señal del fotomultiplicador de la señal de ráfaga de color existente. Esto resultó en una diferencia de fase que avanzó o retrasó la modulación del haz único. De esta manera, incluso si el rayo avanzaba demasiado rápido o demasiado lento, el sistema de índice ajustaba la sincronización sobre la marcha para garantizar que se produjeran los colores adecuados. Para recibir una señal lo suficientemente fuerte como para indexar, el haz tenía que permanecer encendido en todo momento, lo que reducía la relación de contraste en relación con los tubos convencionales, ya que todavía tenía que emitirse algo de luz para que el haz de electrones fuera seguido por el haz de electrones. fotodiodos.
El tubo de índice de haz tiene cierta semejanza con otros dos tipos de tubos de televisión que también usaban franjas verticales de fósforo de colores en lugar de puntos o cuadrículas. El Chromatron usó dos juegos de cables finos suspendidos detrás del área de visualización para enfocar eléctricamente su haz único, un juego de cables tirando del haz hacia el lado rojo y el otro hacia el azul. Las rejillas se alinearon para que el rayo normalmente se enfocara en la franja verde en el medio, pero al variar el voltaje relativo entre los dos, el rayo podría golpear con precisión las franjas de colores. En la práctica, era difícil mantener alineados los cables con los fósforos y emitían ruido eléctrico que interfería con los receptores de radio en una aplicación de televisión. Vio algún uso en entornos militares, incluido algún uso comercial de televisión en Yaou, Sony 19C 70 y Sony KV 7010U.
El otro diseño similar es el Trinitron , que combinó las franjas verticales de los tubos de índice de haz y Chromatron con un nuevo cátodo de tres haces de una sola pistola y una rejilla de apertura en lugar de una máscara de sombra. El resultado fue un diseño con la simplicidad mecánica del diseño de la máscara de sombra y las imágenes brillantes del sistema de índice de haz. Trinitron fue un producto importante para Sony durante varias décadas, representando el punto culminante de las pantallas de televisión en color convencionales [ cita requerida ] hasta la introducción generalizada de pantallas de plasma y televisores LCD en el siglo XXI.
Referencias
Notas
- ^ a b c Clapp_et_all 1956 .
- ↑ a b c d Comeau , 1955 , pág. 6.
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Bibliografía
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Patentes
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Otras lecturas
- Mark Heyer y Al Pinsky, "Entrevista con Harold B. Law" , IEEE History Center, 15 de julio de 1975