Введение
Пенетрон, сокращение от проникновения трубки, является типом ограниченного цветного телевидения используется в некоторых военных приложениях. В отличие от обычного цветного телевизора, пенетрон производит ограниченную цветовую гамму, обычно два цвета и их комбинацию. Пенетроны и другие военные только катодные лучи (CRT), были заменены LCD в современных конструкциях.
Основные телевизионные программы
Обычный черно-белый телевизор (B&W) использует трубку, которая однородно покрыта фосфором на внутренней стороне. Когда фосфор возбуждается высокоскоростными электронами, он излучает свет, обычно белый, но при определенных обстоятельствах также используются другие цвета. Электронный пистолет в задней части трубки обеспечивает луч высокоскоростных электронов, а набор электромагнитов, расположенных рядом с пистолетом, позволяет переносить луч вокруг дисплея. Телевизионный сигнал передается в виде ряда полос, каждая из которых отображается отдельной линией на дисплее. Сила сигнала увеличивает или уменьшает ток в луче, создавая яркие или темные точки на дисплее, когда луч проходит через трубку. На цветном дисплее однородное покрытие белого фосфора заменяется точками или линиями из трех цветных фосфоров, которые при возбуждении производят красный, зеленый или синий свет (RGB). Эти основные цвета смешиваются в человеческом глазу, чтобы получить один видимый цвет. Это представляет проблему для обычных электронных пушек, которые не могут быть сфокусированы или расположены достаточно точно, чтобы поразить эти гораздо меньшие индивидуальные модели. В конце 1940-х годов ряд компаний работал над различными решениями этой проблемы, используя три отдельных трубки или один белый выход с цветными фильтрами, расположенными перед ним. Ничто из этого не оказалось практичным, и это была область значительного интереса к развитию.
Пенетроны
Первоначально пенетрон был разработан Коллером и Уильямсом, когда они работали в General Electric (GE). Первоначально он был разработан как новый способ создания однопушечного цветного телевизора с простотой обычного набора B&W. Как и трубка B&W, она использовала однородное покрытие из фосфора на дисплее с одиночным электронным пистолетом сзади. Однако фосфорное покрытие наносится в трех слоях разных цветов: красный на внутренней стороне, ближайшей к пушке, затем зеленый, и синий на внешней стороне, ближайшей к передней поверхности трубки. Цвета выбирались за счет увеличения мощности электронного луча, что позволяло электронам проходить через любые нижние слои, чтобы достичь правильного цвета. В обычном наборе напряжение используется для управления яркостью изображения, а не его цветом, чего также должен был достичь новый дизайн. В пенетроне также используется напряжение для выбора цвета. Для удовлетворения этих конкурирующих потребностей выбор цвета обеспечивался внешним механизмом. Пистолет модулировался напряжением, как в наборе B&W, с увеличением мощности, создавая более яркое пятно на экране. Набор тонких проводов, помещенных за экраном, обеспечивал дополнительную энергию, необходимую для выбора определенного цветового слоя. Поскольку фосфоры были относительно непрозрачными, для системы требовалось очень высокое ускоряющее напряжение от 25 до 40 кВ. Был введен улучшенный вариант, который использовал прозрачные слои фосфора и тонкие изоляционные слои между ними, которые снижали требуемое напряжение. Диэлектрик гарантировал, что блуждающие электроны, либо отключенные от пушек, либо вторичные излучения от самих фосфоров, были остановлены до того, как они достигли экрана. Пенетрон идеально подходил для использования с ранней системой вещания CBS, которая отправляла цветовую информацию в виде трех отдельных последовательных кадров. Экспериментальные телевизоры CBS использовали механический фильтр с тремя цветными секциями, которые вращались перед трубкой B&W. Тот же сигнал синхронизации использовался в пенетроне для изменения напряжения сетки выбора цвета, на тот же конец. Низкая частота переключения, 144 раза в секунду, означала, что изменение высокого напряжения не было основным источником высокочастотного шума. В отличие от механической системы CBS, пенетрон не имел движущихся частей, его можно было построить в любом размере (что было трудно сделать с диском) и не было проблем с мерцанием. Это было большим достижением в технологии отображения.
NTSC
Вскоре после введения системы CBS была введена новая система RCA, которая в конечном итоге выиграла. В отличие от последовательной системы поля CBS, RCA напрямую кодировала цвет для каждого места на экране, система, известная как "последовательная точка". Преимущество системы RCA заключалось в том, что основной компонент сигнала был очень похож на сигнал B & W, используемый на существующих приборах, что означало, что миллионы телевизоров B & W смогут принимать новый сигнал, в то время как новые цветовые приборы могут видеть их в B & W или цвете, если будет предоставлен дополнительный сигнал. Это было огромным преимуществом перед системой CBS, и модифицированная версия была выбрана NTSC в качестве нового цветового стандарта в 1953 году. Основным недостатком была сложность в правильном фокусировании луча на правильном цвете, проблема, которую RCA решила с помощью своей системы маскирования теней. Теневая маска представляет собой тонкую металлическую фольгу с небольшими отверстиями, вписанными в нее, расположенными так, чтобы отверстия лежали прямо над одним тройником цветных точек фосфора. Три отдельных электронных пушки сфокусированы на маске, протирая экран как обычно. Когда лучи проходят через одно из отверстий, они проходят через него, и поскольку пушки отделены друг от друга небольшим расстоянием в задней части трубки, каждый луч имеет небольшой угол, когда он проходит через отверстие. Фосфорные точки расположены на экране таким образом, чтобы лучи попадали только в правильный фосфор. Чтобы отверстия были выровнены с точками, маска используется для создания точек с использованием светочувствительного материала. Новая система вещания представляла серьезную проблему для пенетрона. Сигнал требовал, чтобы цвет выбирался на высоких скоростях "на лету", когда луч был нанесен по экрану. Это означало, что выбор высоковольтных цветов должен был быстро циклизироваться, что создало многочисленные проблемы, в частности, высокочастотный шум, который заполнял внутреннюю часть трубки и мешал электронике приемника. Для решения этой проблемы была введена другая модификация, использующая три отдельных пушки, каждая из которых питалась разным базовым напряжением, настроенным так, чтобы поражать один из слоев. В этой версии не требовалось переключения, устраняя высокочастотный шум. Производство такой системы оказалось сложным на практике, и для домашнего использования телевидения GE вместо этого представила свою систему "Porta Color", значительное улучшение по сравнению с системой теневой маски RCA. Другие разработчики продолжали работать с базовой системой, пытаясь найти способы решения проблем с высокочастотным коммутацией, но ни один из них не поступил в коммерческое производство.
Использование в авиации
Однако в других случаях использования преимущества пенетрона сохранялись. Хотя он не был хорошо приспособлен к последовательному методу цветной передачи, это было важно только в том случае, если кто-то принимал передачи по воздуху. Для использования, когда сигнал может быть предоставлен в любом необходимом формате, как в компьютерных дисплеях, пенетрон оставался полезным. Когда полная цветовая гамма не была необходима, сложность пенетрона была еще больше уменьшена, и он стал очень привлекательным. Это позволило использовать его в таких приложениях, как военная авиация, где характер входного сигнала не имел значения, и разработчик мог использовать любой стиль сигнализации, который он хотел. В роли авионики пенетрон имел и другие преимущества. Использование фосфоров в слоях вместо полос означало, что у него было более высокое разрешение, в три раза больше, чем у системы RCA. Это было очень полезно для систем радиолокационного отображения и IFF, где изображения часто перекрывались текстовыми подсказками, которые требовали высокого разрешения, чтобы быть легко читаемыми. Кроме того, поскольку весь сигнал достигал экрана в пенетроне, в отличие от 15% в теневой маске, для любого количества мощности пенетрон был намного ярче. Это было большим преимуществом в роли авиатехники, где энергетические бюджеты часто были довольно ограничены, но дисплеи часто попадали под прямые солнечные лучи и должны были быть очень яркими. Отсутствие теневой маски также означало, что пенетрон был гораздо более надежным механически и не страдал от изменения цвета при нагрузках g.
Другие применения
Дисплеи Penetron также предлагались в качестве опции на некоторых графических терминалах, где высокоскоростная переключение цветов не требовалось, и ограниченная гамма Penetron не была проблемой. IDI предлагала такие дисплеи в качестве опции в размере $8 000 на своих терминалах серии IDIgraph и IDIIOM. Tektronix, крупный производитель осциллоскопов, предлагал ограниченную гамму цветов в некоторых своих CRT-осциллоскопах, используя технологию типа Penetron.
Описание
В большинстве версий пенетрона трубка имеет внутренний слой красного и внешний слой зеленого цвета, разделенный тонким диэлектрическим слоем. Полный образ получается при двухсканировании, сначала при установке пушки на более низкую мощность, которая останавливается в красном слое, а затем снова при более высокой мощности, которая проходит через красный слой и в зеленый. Желтый цвет может быть получен, если ударить по одному и тому же месту в обоих случаях. В дисплее, где цвета включены или выключены, и не нужно создавать различные уровни яркости, система может быть еще более упрощена путем удаления сетки выбора цветов и модуляции напряжения самого электронного пистолета. Однако это также вызывает проблемы, потому что электроны будут достигать экрана быстрее, когда ускоряются с более высокими напряжениями, что означает, что система отклонения должна быть увеличена в мощности, а также для обеспечения сканирования создает тот же размер экрана и ширины линии на обоих проходах. Для решения этой проблемы было проведено несколько экспериментов с использованием альтернативных устройств пенетрона. Одна распространенная попытка использовала электронный мультипликатор на лице трубки вместо сетки отбора. В этой системе использовался низкоэнергетический сканирующий луч, а магниты были настроены так, чтобы электроны ударились о стороны мультипликаторов. Затем поток электронов с более высокой энергией будет выпущен и переместится к слойным фосфорам нормального расположения пенетрона. Позже было замечено, что лучи, исходящие от мультипликаторов, приземлялись в кольцах, что позволяло новое расположение фосфоров в концентрических кольцах вместо слоев. Основное преимущество пенетрона в том, что он не имеет механической системы фокусировки, как у теневой маски, что означает, что вся энергия луча достигает экрана. При любом количестве энергии, пенетрон будет намного ярче, обычно на 85% ярче. Это является основным преимуществом в воздушном пространстве, где источник питания ограничен, но дисплеи должны быть достаточно яркими, чтобы их можно было легко прочитать даже при прямом солнечном свете. Система гарантированно производит правильные цвета, несмотря на внешние помехи или силы g маневрирования - очень важное качество в авиационных условиях. Пенетрон также предлагал более высокое разрешение, потому что фосфор был непрерывным, в отличие от небольших пятен в системе теневой маски. Кроме того, отсутствие теневой маски делает пенетрон гораздо более надежным механически. Синклер экспериментировал с вариантом этой технологии на своих ранних карманных телевизорах, но не смог создать версию RGB. Примеры этих труб существуют в виде прототипов.
Патенты
Патент США 2590 018 "Производство цветных изображений", Луи Коллер и Фред Уильямс / General Electric, поданный 24 октября 1950 года, выданный 18 марта 1952 года Патент США 2958 002 "Производство цветных изображений", Доминик Кусано и Фрэнк Студер / General Electric, поданный 29 октября 1954 года, выданный 25 октября 1960 года Патент США 2827 593 "Красота цветного информационного экрана", Луи Коллер / General Electric, поданный 29 апреля 1955 года, выданный 18 марта 1958 года Патент США 2992349 "Полевая улучшенная люминесцентная система", Доминик Кусано / General Electric, выданный 24 октября 1957 года, 11 июля 1961 года Патент США 4612 483 "Пенетрон цветный дисплей с электронным каналом", Вашингтон / Филиппины Дерек Электроника, поданный 22 сентября 1983 года, выданный 16 сентября 1986 года
U. S. Patent 2,958,002, "Production of Colored Images", Dominic Cusano and Frank Studer/General Electric, filed 29 October 1954, issued 25 October 1960
U. S. Patent 2,827,593, "High Purity Color Information Screen", Louis Koller/General Electric, filed 29 April 1955, issued 18 March 1958
U. S. Patent 2,992,349, "Field Enhanced Luminescent System", Dominic Cusano/General Electric, filed 24 October 1957, issued 11 July 1961
U. S. Patent 4,612,483, "Penetron color display tube with channel plate electron multiplier", Derek Washington/Philips Electronics, filed 22 September 1983, issued 16 September 1986