La máscara de sombra es una de las dos tecnologías que se utilizan en la fabricación de tubos de rayos catódicos (CRT) televisores y monitores de ordenador que producen claro, enfocado en color imágenes. El otro enfoque es la rejilla de apertura , más 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 han sido reemplazadas cada vez más desde la década de 1990 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 vidrio frontal de la pantalla. Las máscaras de sombra se fabrican mediante mecanizado fotoquímico , una técnica que permite la perforación de pequeños orificios en láminas de metal. Tres cañones de electrones en la parte posterior de la pantalla recorren 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 orificios, golpean ubicaciones ligeramente diferentes en la pantalla.
La pantalla tiene un patrón de puntos de fósforo coloreado colocados de modo que cada uno 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 rayo de la "pistola azul" después de pasar a través de un orificio en particular en la máscara. Las otras dos pistolas hacen lo mismo con los puntos rojos y verdes. Esta disposición permite que las tres pistolas aborden los colores de los puntos individuales en la pantalla, a pesar de que sus haces son demasiado grandes y están demasiado mal dirigidos para hacerlo sin la máscara en su lugar.
Un fósforo rojo , verde y azul generalmente están dispuestos en forma triangular (a veces llamada " tríada "). Para el uso de la televisión, las pantallas modernas (que comenzaron a fines de la década de 1960) usan 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 radiodifusión comercial se hiciera común, pero no fue hasta finales de la década de 1940 que se consideró seriamente el problema. En ese momento, se estaban proponiendo varios sistemas que utilizaban señales rojas, verdes y azules ( RGB ) separadas , transmitidas en sucesión. La mayoría de los sistemas experimentales transmiten cuadros completos en secuencia, con un filtro de color (o " gel ") que gira frente a un tubo de televisión en blanco y negro convencional. Cada cuadro codificaba un color de la imagen y la rueda giraba en sincronía con la señal para que el gel correcto estuviera 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 existentes en blanco y negro. Otro problema fue que el filtro mecánico los hacía parpadear a menos que se usaran frecuencias de actualización muy altas. [1] (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 permite que la imagen se muestre 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 lo hizo 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 su visualización. [2]
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 utilizaban una señal continua y el tubo podía recubrirse con una pintura uniforme de fósforo. Con el sistema de 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. [2]
Numerosos intentos
Durante la década de 1940 y principios de la de 1950 se realizaron una amplia 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. [2]
John Logie Baird , que realizó la primera transmisión de televisión pública en color utilizando un sistema semimecánico el 4 de febrero de 1938, ya estaba progresando en una versión totalmente electrónica. Su diseño, el Telechrome , usaba 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. [3] Un proyecto similar fue el tubo Geer , que usaba una disposición similar de armas apuntadas a la parte posterior de una sola placa cubierta con pequeñas pirámides cubiertas de fósforo de tres lados. [4]
Sin embargo, todos estos proyectos tenían problemas con los colores que pasaban de un fósforo a otro. A pesar de sus mejores esfuerzos, los haces de electrones anchos simplemente no podían enfocar con la suficiente fuerza 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 considerable "espacio muerto".
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 la parte delantera. A principios de la década de 1950, varias importantes empresas de electrónica comenzaron a desarrollar estos sistemas.
Otro candidato era General Electric 's Penetron , que utiliza tres capas apiladas de fósforo y trató de cambiar la potencia del haz de electrones a escribir a la correcta. [5] 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 mucho y duro en el Chromatron , que usaba un conjunto de cables detrás de la pantalla como una "pistola" secundaria, enfocando aún más el rayo y dirigiéndolo hacia el color correcto. [6] El tubo "Apple" de Philco usó franjas adicionales de fósforo que liberaron una ráfaga de electrones cuando el haz de electrones los atravesó, al medir el tiempo de las ráfagas podría ajustar el paso del rayo y alcanzar los colores correctos. [7]
Pasarían años antes de que cualquiera de estos sistemas entrara en producción. El Penetron nunca trabajó para la televisión en color, pero encontró roles de nicho en la industria aeroespacial. Sony probó el Chromatron en la década de 1960, pero se rindió y desarrolló el Trinitron en su lugar. El tubo de Apple resurgió en la década de 1970 y tuvo cierto éxito. Pero fue el éxito de RCA con la máscara de sombra lo que amortiguó la mayoría de estos esfuerzos. Hasta 1968, todos los televisores en color vendidos utilizaban el concepto de máscara de sombra RCA, [8] en la primavera de ese año Sony presentó sus primeros aparatos Trinitron. [9]
Máscara de sombra
En 1938, el inventor alemán Werner Flechsig patentó por primera vez (recibió en 1941, Francia) el concepto aparentemente simple de colocar una hoja de metal justo detrás de la parte frontal del tubo y perforar pequeños agujeros en ella. Los agujeros se usarían para enfocar el rayo justo antes de que golpee la pantalla. Independientemente, Al Schroeder de RCA trabajó en un arreglo similar, pero también utilizó 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. [10] Durante un período de solo unos meses, se produjeron varios prototipos de televisores en color que utilizaban el sistema. [11]
Las pistolas, dispuestas en un patrón delta en la parte posterior del tubo, apuntaban a enfocar la placa de metal y la escaneaban con normalidad. Durante gran parte del tiempo durante el escaneo, los rayos golpeaban la parte posterior de la placa y se detenían. Sin embargo, cuando las vigas pasaban por un agujero, continuaban hacia el fósforo frente a la placa. De esta manera, la placa se aseguró de que los rayos estuvieran perfectamente alineados con los puntos de fósforo coloreados. Esto todavía dejaba el problema de enfocarse en el punto de color correcto. Normalmente, los rayos de las tres armas serían lo suficientemente grandes como para iluminar los tres puntos de colores en la pantalla. La máscara ayudó atenuando mecánicamente el rayo a un tamaño pequeño justo antes de que golpeara la pantalla. [12]
Pero la verdadera genialidad de la idea es que las vigas 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 ubicaciones ligeramente diferentes. La extensión fue una función de la distancia entre las armas 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 de la pantalla y dejar algo de espacio entre ellos para evitar interacciones, se garantizaría que las armas darían en el lugar del color correcto. [12]
Aunque el sistema era simple, tenía varios problemas prácticos graves.
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 de 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 en negro. [13] Esto requirió aún más energía para iluminar la imagen resultante. Y como la potencia se dividió entre tres de estas armas mucho más poderosas, el costo de implementación fue mucho más alto que para un conjunto similar en blanco y negro. [14]
La cantidad de energía depositada en la pantalla a color fue tan grande que la carga térmica fue un problema serio. La energía que la máscara de sombra absorbe del cañón de electrones en funcionamiento normal hace que se caliente y se expanda, lo que conduce a imágenes borrosas o descoloridas (ver domo ). Las señales que alternaban entre la luz y la oscuridad provocaban ciclos que aumentaban aún más la dificultad de evitar que la máscara se deforme.
Además, la geometría requería sistemas complejos para mantener las tres vigas colocadas correctamente a lo largo de la pantalla. Si considera el rayo cuando se desplaza por el área media de la pantalla, los rayos de las pistolas individuales viajan cada uno a la misma distancia y se encuentran con los orificios de 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 componentes electrónicos y ajustes adicionales para mantener la posición correcta 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 compañía 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. [ cita requerida ]
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 canales UHF . En ese momento, había muy pocos televisores en uso en los Estados Unidos, por lo que los grupos de partes interesadas se decidieron rápidamente 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 competidor 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. [1] [15]
Sin embargo, la promesa del sistema RCA fue 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. [16] Para entonces, RCA había producido conjuntos de máscaras de sombra experimentales que suponían un enorme salto de calidad sobre cualquier competidor. El sistema era tenue, complejo, grande, consumía mucha energía y era caro por todas estas razones, pero proporcionaba una imagen en color utilizable y, lo 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 el número de aparatos en blanco y negro se había disparado; ya no había forma de que pudieran simplemente ser abandonados. [ cita requerida ]
Cuando la NTSC propuso que su nuevo estándar fuera ratificado por la FCC, CBS abandonó su interés en su propio sistema. [1] Todo el mundo en la industria que deseaba producir un conjunto obtuvo la licencia de las patentes de RCA y, a mediados de la década de 1950, había varios conjuntos disponibles comercialmente. Sin embargo, los conjuntos de colores eran mucho más costosos que los conjuntos en blanco y negro del mismo tamaño y requerían un ajuste constante 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 la producción de 5.000 juegos por semana en 1963. [8]
Fabricar
Las máscaras de sombras se fabrican mediante un proceso de mecanizado fotoquímico . Comienza con una hoja de acero [17] o aleación invar [18] que se recubre con fotorresistente, que se hornea para solidificarlo, se expone a la luz ultravioleta a través de fotomáscaras, desarrollado para eliminar el resist no expuesto, el metal se graba con ácido líquido. , y luego se quita el fotorresistente. Una fotomáscara tiene manchas oscuras más grandes que la otra, esto crea aberturas cónicas. [19] La máscara de sombra se instala en la pantalla usando piezas de metal [20] o un riel o marco [21] [22] [23] que se fusiona con el embudo o el cristal de la pantalla respectivamente, [24] sujetando la máscara de sombra en tensión para minimizar la deformación (si la máscara es plana, se usa en monitores de computadora CRT de pantalla plana) y permite 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. [25]
Mejoras, aceptación del mercado
En la década de 1960, las primeras patentes de RCA estaban terminando, mientras que al mismo tiempo se introducían una serie de mejoras técnicas. Varios de estos se incorporaron al conjunto de GE Porta-Color de 1966, que fue un gran éxito. En 1968, casi todas las empresas tenían un diseño competitivo y la televisión en color pasó de ser una opción cara a los dispositivos convencionales.
Los problemas de domo debido a la expansión térmica de la máscara de sombra se resolvieron de varias formas. Algunas empresas utilizaron un termostato para medir la temperatura y ajustar el escaneo para que coincida con la expansión. [26] Las máscaras de sombra bimetálicas, donde las tasas de expansión diferencial compensaban el problema, se hicieron comunes a fines de la década de 1960. Invar y aleaciones similares de baja expansión se introdujeron en la década de 1980 [27]. Estos materiales sufrían de una magnetización fácil que puede afectar los colores, pero esto podría resolverse en general mediante la inclusión de una característica de desmagnetización automática. [26] 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 armas podría eliminar. [28] [29]
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. Mejores sistemas de enfoque, especialmente los sistemas automáticos que significaban que el conjunto pasaba más tiempo más cerca del enfoque perfecto, permitieron que los puntos crecieran más en la pantalla. El Porta-Color usó estos dos avances y reorganizó las pistolas para que estuvieran una al lado de la otra en lugar de en un triángulo, permitiendo que los puntos se extendieran verticalmente en ranuras que cubrían mucha más superficie de la pantalla. Este diseño, a veces conocido como "máscara de ranura", se hizo común en la década de 1970. [26] [30]
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 de regreso al espectador. Para que esto funcione de manera efectiva, se redujo el tamaño de los puntos de fósforo, disminuyendo 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 llegara más luz del fósforo al espectador y que aumentara el brillo real. [26] Las placas frontales teñidas de gris atenuaron la imagen, pero proporcionaron un mejor contraste, porque la luz ambiental se atenuó antes de que alcanzara 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. [ cita requerida ]
En la fabricación de CRT de color, las máscaras de sombra o rejillas de apertura también se utilizaron para exponer la fotorresistencia 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 fotorresistencia, cuando se reveló, permitió que se aplicara fósforo para un solo color cuando fuera necesario. El proceso se utilizó 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).
Ver también
- Paso de puntos
- Rejilla de apertura
- Cromaclear
- Porta-Color
Referencias
Notas
- ^ a b c Ed Reitan, "CBS Field Sequential Color System" Archivado el 5 de enero de 2010 en Wayback Machine , 24 de agosto de 1997.
- ^ a b c Ed Reitan, "RCA Dot Sequential Color System" Archivado el 7 de enero de 2010 en Wayback Machine , 28 de agosto de 1997.
- ^ "El primer sistema de televisión en color de alta definición del mundo" , Baird Television.
- ^ "Teacher's Tube" , Time , 20 de marzo de 1950.
- ^ David Morton, "Electrónica: la historia de la vida de una tecnología" , Johns Hopkins University Press, 2007, p. 87.
- ^ Patente estadounidense 2.692.532 , "Aparato de enfoque de rayos catódicos", Ernst O. Lawrence, Universidad de California / Laboratorios de televisión cromática (patente original Chromatron).
- ^ Richard Clapp y todos, "Un nuevo sistema de visualización de televisión Coor con indexación de haces", Actas de la IRE , septiembre de 1956, p. 1108-1114.
- ↑ a b Gilmore, pág. 80.
- ^ John Nathan, "Sony: la vida privada", Houghton Mifflin Harcourt, 2001, p. 48.
- ^ Abramson y Sterling, p. 40.
- ^ Abramson y Sterling, p. 41.
- ↑ a b Gilmore, pág. 81.
- ^ Gilmore, pág. 178.
- ^ Gilmore, pág. 83.
- ^ Gilmore, pág. 82.
- ^ "Estándares de colorimetría" , Ingeniería de transmisión .
- ^ "Composición anti-doming para una máscara de sombra y procesos para preparar la misma" .
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- ^ http://www.earlytelevision.org/pdf/manufacture_of_color_pic_tubes.pdf
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- ^ https://pure.tue.nl/ws/files/1904406/200211486.pdf
- ^ Corporation, Bonnier (5 de agosto de 1986). "Ciencia Popular" . Bonnier Corporation, a través de Google Books.
- ^ a b c d Len Buckwalter, "Televisión de 1970: la imagen es más brillante que nunca" , "Ciencia popular", octubre de 1969, p. 142-145, 224.
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Bibliografía
- Albert Abramson y Christopher Sterling, "La historia de la televisión, 1942 a 2000" .
- CP Gilmore, "Televisión en color: ¿finalmente vale la pena el dinero?" , Popular Science , agosto de 1963, págs. 80–83, 178.
enlaces externos
- ¿Qué es una máscara de sombra?