Теневая маска в кинескопах: принцип работы и устройство.

Введение

Металлическая пластина с сотнями тысяч отверстий, используемая в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) для точного выравнивания цветов.

Теневая маска – одна из двух технологий, применяемых при производстве телевизоров и компьютерных мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), обеспечивающих четкое, сфокусированное цветное изображение. Другой подход – апертурная решетка, более известная под торговой маркой "Тринитрон". Все ранние цветные телевизоры и большинство ЭЛТ-мониторов 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, перфорированную крошечными отверстиями, которые разделяют цветные люминофоры в слое за передним стеклом экрана. Теневые маски изготавливаются методом фотохимической травки, позволяющим сверлить небольшие отверстия в металлических листах. Три электронные пушки, расположенные в задней части экрана, сканируют маску, при этом лучи достигают экрана только при прохождении через отверстия. Поскольку пушки физически разделены в задней части трубки, их лучи подходят к маске под немного разными углами, поэтому, проходя через отверстия, они попадают в слегка отличающиеся точки на экране. Экран имеет структуру из точек цветного люминофора, расположенных таким образом, чтобы каждая точка могла быть поражена только одним из лучей, исходящих от трех электронных пушек. Например, синие точки люминофора поражаются лучом от "синей пушки" после прохождения через определенное отверстие в маске. Другие две пушки выполняют то же самое для красных и зеленых точек. Такая конструкция позволяет трем пушкам адресовать отдельные цвета точек на экране, хотя их лучи слишком велики и недостаточно точно направлены для этого без маски. Красный, зеленый и синий люминофоры обычно располагаются в треугольной форме (иногда называемой "триадой"). Для телевизионных дисплеев современные модели (начиная с конца 1960-х годов) используют прямоугольные щели вместо круглых отверстий, что повышает яркость. Эта модификация иногда называется щелевой маской.

Цветные телевизоры

Цветное телевидение изучалось еще до того, как коммерческое вещание стало обычным явлением, но серьезно рассматриваться эта проблема стала лишь к концу 1940-х годов. В то время предлагалось несколько систем, использующих отдельные красный, зеленый и синий сигналы (RGB), передаваемые последовательно. Большинство экспериментальных систем транслировали целые кадры поочередно, используя вращающийся цветной фильтр (или "гель") перед обычной черно-белой телевизионной трубкой. Каждый кадр кодировал один цвет изображения, а колесо вращалось синхронно с сигналом, чтобы нужный гель находился перед экраном при отображении цветного кадра. Поскольку эти системы передавали отдельные сигналы для разных цветов, они были несовместимы с существующими черно-белыми телевизорами. Другой проблемой было то, что механический фильтр вызывал мерцание, если не использовалась очень высокая частота обновления. (Это концептуально похоже на проекционный дисплей на основе DLP, где для всех трех цветовых каналов используется одно DLP-устройство.) Компания RCA пошла совершенно другим путем, используя систему яркости-цветности, впервые предложенную Жоржем Валенси в 1938 году. Эта система не кодировала и не передавала непосредственно сигналы RGB; вместо этого она объединяла эти цвета в общую величину яркости, называемую "светимостью". Это было близко к черно-белому сигналу существующих трансляций, что позволяло отображать изображение на черно-белых телевизорах. Остальная цветовая информация кодировалась в сигнал отдельно в виде высокочастотной модуляции для получения композитного видеосигнала. На черно-белом телевизоре эта дополнительная информация воспринималась бы как небольшая случайность интенсивности изображения, но ограниченное разрешение существующих телевизоров делало это невидимым на практике. На цветных телевизорах эта дополнительная информация обнаруживалась, фильтровалась и добавлялась к светимости для воссоздания исходного RGB для отображения. Хотя система RCA имела огромные преимущества, ее не удалось успешно разработать из-за трудностей в производстве дисплейных трубок. Черно-белые телевизоры использовали непрерывный сигнал, и трубку можно было покрыть равномерным слоем люминофора. В системе RCA цвет постоянно менялся вдоль строки, что было слишком быстро для любого механического фильтра. Вместо этого люминофор необходимо было разбить на отдельные цветные точки. Фокусировка правильного сигнала на каждой из этих крошечных точек была невозможна для электронных пушек того времени. Схожим проектом была трубка Гира, которая использовала аналогичное расположение пушек, направленных на заднюю часть одной пластины, покрытой небольшими трехгранными пирамидами с люминофором. Однако все эти проекты сталкивались с проблемой перетекания цветов с одного люминофора на другой. Несмотря на все усилия, широкие электронные лучи просто не могли сфокусироваться достаточно точно, чтобы попадать в отдельные точки, по крайней мере, на всей площади экрана. Кроме того, большинство этих устройств были громоздкими; расположение электронных пушек вокруг внешней стороны экрана приводило к очень большому дисплею со значительным "мертвым пространством".

Color television had been studied even before commercial broadcasting became common, but it was not until the late 1940s that the problem was seriously considered. At the time, a number of systems were being proposed that used separate red, green and blue signals (RGB), broadcast in succession. Most experimental systems broadcast entire frames in sequence, with a colored filter (or "gel") that rotated in front of an otherwise conventional black and white television tube. Each frame encoded one color of the picture, and the wheel spun in sync with the signal so the correct gel was in front of the screen when that colored frame was being displayed. Because they broadcast separate signals for the different colors, all of these systems were incompatible with existing black and white sets. Another problem was that the mechanical filter made them flicker unless very high refresh rates were used. (This is conceptually similar to a DLP based projection display where a single DLP device is used for all three color channels.) RCA worked along different lines entirely, using the luminance chrominance system first introduced by Georges Valensi in 1938. This system did not directly encode or transmit the RGB signals; instead it combined these colors into one overall brightness figure, called the "luminance". This closely matched the black and white signal of existing broadcasts, allowing the picture to be displayed on black and white televisions. The remaining color information was separately encoded into the signal as a high frequency modulation to produce a composite video signal. On a black and white television this extra information would be seen as a slight randomization of the image intensity, but the limited resolution of existing sets made this invisible in practice. On color sets the extra information would be detected, filtered out and added to the luminance to re create the original RGB for display. Although RCA's system had enormous benefits, it had not been successfully developed because it was difficult to produce the display tubes. Black and white TVs used a continuous signal and the tube could be coated with an even painting of phosphor. With RCA's system, the color was changing continually along the line, which was far too fast for any sort of mechanical filter to follow. Instead, the phosphor had to be broken down into a discrete pattern of colored spots. Focusing the right signal on each of these tiny spots was beyond the capability of electron guns of the era. A similar project was the Geer tube, which used a similar arrangement of guns aimed at the back of a single plate covered with small three sided phosphor covered pyramids. However, all of these projects had problems with colors bleeding from one phosphor to another. In spite of their best efforts, the wide electron beams simply could not focus tightly enough to hit the individual dots, at least over the entirety of the screen. Moreover, most of these devices were unwieldy; the arrangement of the electron guns around the outside of the screen resulted in a very large display with considerable "dead space".

Задние стрельбы

Более практичная система использовала бы один электронный луч сзади трубки, направленный на один многоцветный экран спереди. В начале 1950-х годов несколько крупных электронных компаний приступили к разработке подобных систем. Одним из претендентов был Penetron от General Electric, который использовал три слоя люминофора, нанесенных друг на друга на задней стороне экрана. Цвет выбирался путем изменения энергии электронов в луче, чтобы они проникали на разную глубину в слои люминофора. Однако попасть точно в нужный слой оказалось практически невозможно, и GE в конечном итоге отказалась от этой технологии для телевидения, хотя она нашла применение в авиационной электронике, где цветовая гамма могла быть ограничена, часто до трех цветов, что система могла обеспечить. Более распространены были попытки использовать дополнительную фокусирующую систему непосредственно за экраном для достижения необходимой точности. Paramount Pictures долго и упорно работала над Chromatron, который использовал набор проводов за экраном в качестве вторичного "электронного луча", дополнительно фокусируя луч и направляя его на нужный цвет. В трубке "Яблоко" от Philco использовались дополнительные полосы люминофора, которые генерировали импульс электронов при прохождении через них электронным лучом; синхронизируя эти импульсы, можно было регулировать траекторию луча и попадать в нужные цвета. Прошли годы, прежде чем какая-либо из этих систем была запущена в производство. GE отказалась от Penetron к началу 1960-х годов. Sony испытала Chromatron в 1960-х годах, но отказалась от него в пользу разработки Trinitron. Трубка Apple вновь появилась в 1970-х годах и добилась некоторого успеха у различных производителей. Однако успех RCA с использованием теневой маски затормозил большинство этих разработок. До 1968 года все цветные телевизоры использовали концепцию теневой маски, разработанную RCA.

Маска тени

В 1938 году немецкий изобретатель Вернер Флечсиг впервые запатентовал (получен в 1941 году, Франция) кажущуюся простой концепцию размещения металлического листа непосредственно позади лицевой части кинескопа и пробивания в нем небольших отверстий. Эти отверстия предназначались для фокусировки луча непосредственно перед попаданием на экран. Независимо от него, Эл Шрёдер в RCA работал над аналогичной конструкцией, но с использованием трех электронных пушек. Когда руководитель лаборатории объяснил начальству возможности этой разработки, ему пообещали неограниченные ресурсы и персонал для ее реализации. В течение нескольких месяцев было создано несколько прототипов цветных телевизоров, использующих эту систему. Пушки, расположенные в дельта-образной конфигурации на задней части кинескопа, были нацелены на фокусировку на металлической пластине и сканировали ее обычным образом. Большая часть времени во время развертки лучи попадали на заднюю поверхность пластины и останавливались. Однако, когда луч проходил через отверстие, он продолжал движение к люминофору, расположенному перед пластиной. Таким образом, пластина обеспечивала точное выравнивание лучей с цветными точками люминофора. Это все еще оставляло проблему фокусировки на нужной цветной точке. Обычно лучи от трех пушек были достаточно широкими, чтобы освещать все три цветные точки на экране. Маска помогала механически сужать луч до небольшого размера непосредственно перед попаданием на экран. Но истинный гений идеи заключался в том, что лучи подходили к металлической пластине под разными углами. После того, как луч проходил через маску, он продолжал движение вперед под немного отличающимися углами, попадая на экран в немного разных местах. Разброс зависел от расстояния между пушками на задней части кинескопа и расстояния между маской и экраном. Правильно расположив цветные точки на экране и оставив между ними достаточно места, чтобы избежать взаимодействия, можно было гарантировать попадание луча в нужную цветную точку. Для этого требовалось еще больше энергии для создания изображения. Поскольку мощность распределялась между тремя более мощными пушками, стоимость реализации была значительно выше, чем у аналогичного черно-белого телевизора. Количество энергии, передаваемой на цветной экран, было настолько велико, что тепловая нагрузка представляла серьезную проблему. Энергия, поглощаемая маской от электронных пушек во время нормальной работы, вызывала ее нагрев и расширение, что приводило к размытию или искажению изображения (см. эффект выпуклости). Сигналы, чередующиеся между светлыми и темными участками, вызывали циклические изменения, что еще больше усложняло задачу предотвращения деформации маски. Кроме того, для поддержания правильной геометрии требовались сложные системы, обеспечивающие точное позиционирование трех лучей на экране. Если рассматривать луч, проходящий через центральную область экрана, лучи от каждой пушки проходят одинаковое расстояние и встречаются с отверстиями в маске под одинаковыми углами. В углах экрана некоторые лучи должны проходить большее расстояние, и все они встречаются с отверстием под другим углом, чем в центре экрана. Эти проблемы требовали дополнительной электроники и регулировок для поддержания правильного позиционирования луча.

In 1938 German inventor Werner Flechsig first patented (received 1941, France) the seemingly simple concept of placing a sheet of metal just behind the front of the tube, and punching small holes in it. The holes would be used to focus the beam just before it hit the screen. Independently, Al Schroeder at RCA worked on a similar arrangement, but using three electron guns as well. When the lab leader explained the possibilities of the design to his superiors, he was promised unlimited manpower and funds to get it working. Over a period of only a few months, several prototype color televisions using the system were produced. The guns, arranged in a delta pattern at the back of the tube, were aimed to focus on the metal plate and scanned it as normal. For much of the time during the scan, the beams would hit the back of the plate and be stopped. However, when the beams passed a hole they would continue to the phosphor in front of the plate. In this way, the plate ensured that the beams were perfectly aligned with the colored phosphor dots. This still left the problem of focusing on the correct colored dot. Normally the beams from the three guns would each be large enough to light up all three colored dots on the screen. The mask helped by mechanically attenuating the beam to a small size just before it hit the screen. But the real genius of the idea is that the beams approached the metal plate from different angles. After being cut off by the mask, the beams would continue forward at slightly different angles, hitting the screens at slightly different locations. The spread was a function of the distance between the guns at the back of the tube, and the distance between the mask plate and the screen. By painting the colored dots at the correct locations on the screen, and leaving some room between them to avoid interactions, the guns would be guaranteed to hit the right colored spot. This required even more power in order to light up the resulting image. And as the power was divided up among three of these much more powerful guns, the cost of implementation was much higher than for a similar B&W set. The amount of power deposited on the color screen was so great that thermal loading was a serious problem. The energy the shadow mask absorbs from the electron gun in normal operation causes it to heat up and expand, which leads to blurred or discolored images (see doming). Signals that alternated between light and dark caused cycling that further increased the difficulty of keeping the mask from warping. Furthermore, the geometry required complex systems to keep the three beams properly positioned across the screen. If you consider the beam when it is sweeping across the middle area of the screen, the beams from the individual guns are each traveling the same distance and meet the holes in the mask at equal angles. In the corners of the screen some beams have to travel farther and all of them meet the hole at a different angle than at the middle of the screen. These issues required additional electronics and adjustments to maintain correct beam positioning.

Внедрение на рынок

Во время разработки RCA не была уверена, что сможет заставить систему с теневой маской работать. Хотя сама концепция была простой, реализовать её на практике оказалось сложно, особенно по приемлемой цене. Компания приобрела лицензии на несколько других технологий, включая трубку Гира, на случай, если эта система окажется неработоспособной. Когда в 1950 году были произведены первые трубки, разработка этих альтернативных технологий была прекращена. Достижения военного времени в области электроники открыли широкие возможности для практического использования высокочастотной передачи, и в 1948 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) начала серию совещаний по вопросу использования будущих УВЧ-каналов. В то время в Соединенных Штатах было очень мало телевизоров, поэтому заинтересованные стороны быстро пришли к соглашению об использовании УВЧ для нового, несовместимого цветного формата. В результате этих совещаний была выбрана конкурирующая полумеханическая последовательная цветовая система, продвигаемая CBS. Однако, в разгар совещаний, RCA объявила о своих разработках в области совместимой цветной системы, но уже не успела повлиять на ход обсуждения. Цветное телевидение CBS было представлено в 1950 году. Однако потенциал системы RCA был настолько велик, что Национальный комитет телевизионных систем (NTSC) взялся за её продвижение. В период с 1950 по 1953 год они провели масштабное исследование восприятия цвета человеком и использовали полученные данные для улучшения базовой концепции RCA. К этому времени RCA уже создала экспериментальные телевизоры с теневой маской, которые значительно превосходили по качеству любые конкурирующие модели. Система была тусклой, сложной, громоздкой, энергоёмкой и дорогой по всем этим параметрам, но обеспечивала приемлемое цветное изображение и, что самое важное, была совместима с существующими черно-белыми сигналами. Это не было проблемой в 1948 году, когда проходили первые заседания FCC, но к 1953 году количество черно-белых телевизоров резко возросло, и от них было уже невозможно просто отказаться. Когда NTSC предложила ратифицировать её новый стандарт FCC, CBS потеряла интерес к собственной системе.

Производство

Теневые маски изготавливаются с использованием фотохимического процесса обработки. Процесс начинается с листа стали или сплава инвара, который покрывается фоторезистом, затем выпекается для его затвердевания, экспонируется под воздействием ультрафиолетового света через фотошаблоны, проявляется для удаления неэкспонированного фоторезиста, металл травляется с помощью жидкой кислоты, и, наконец, фоторезист удаляется. Один фотошаблон имеет более крупные непрозрачные области, чем другой, что создает конические отверстия. Теневая маска крепится к экрану с помощью металлических деталей или направляющей, либо рамы, приваренных соответственно к воронке или к стеклу экрана, удерживая теневую маску в натяжении для минимизации деформации (если маска плоская, используется в плоских ЭЛТ-мониторах) и обеспечивая более высокую яркость и контрастность изображения. В ЭЛТ, используемых в телевизорах, могут применяться биметаллические пружины для компенсации деформации, возникающей при нагреве теневой маски электронным лучом, что вызывает тепловое расширение.

Улучшения, принятие рынком

К 1960-м годам срок действия первых патентов RCA истекал, одновременно с этим внедрялись многочисленные технические усовершенствования. Многие из них были применены в телевизоре GE Porta Color 1966 года, который имел огромный успех. К 1968 году почти у каждой компании появилась конкурирующая разработка, и цветное телевидение перестало быть дорогостоящей роскошью, став массовым устройством. Проблемы с "домингом", вызванные тепловым расширением теневой маски, были решены несколькими способами. Некоторые компании использовали термостат для измерения температуры и корректировки развертки в соответствии с расширением. Эти материалы были склонны к намагничиванию, что могло влиять на цветопередачу, но эту проблему обычно решали путем добавления функции автоматической размагничивания. Улучшение яркости было еще одним важным направлением работы в 1960-х годах. Использование люминофоров на основе редкоземельных элементов позволило получить более яркие цвета и незначительно снизить мощность электронных лучей. Улучшенные системы фокусировки, особенно автоматические, обеспечивали более длительное поддержание почти идеальной фокусировки, что позволяло увеличить размер точек на экране. Porta Color использовал оба этих достижения и изменил расположение электронных пушек, расположив их рядом друг с другом вместо треугольника, что позволило увеличить точки по вертикали, превратив их в щели, покрывающие большую часть поверхности экрана. Эта конструкция, иногда называемая "щелевой маской", стала распространенной в 1970-х годах. Еще одним изменением, широко внедренным в начале 1970-х годов, было использование черного материала в промежутках вокруг внутренней стороны люминофорного слоя. Эта краска поглощала рассеянный свет из комнаты, уменьшая количество света, отражаемого обратно зрителю. Для эффективной работы необходимо было уменьшить размер люминофорных точек, что снижало их яркость. Однако улучшенный контраст в условиях внешней освещенности позволил сделать экран более прозрачным, увеличив количество света от люминофора, достигающего зрителя, и, следовательно, общую яркость. Серые светофильтры затемняли изображение, но обеспечивали лучший контраст, поскольку рассеянный свет ослаблялся как до попадания на люминофор, так и при отражении обратно зрителю. Свет от люминофора ослаблялся только один раз. Со временем этот метод изменился, и телевизионные трубки становились все более черными. При производстве цветных ЭЛТ теневые маски или диафрагменные решетки также использовались для экспонирования фоторезиста на лицевой панели ультрафиолетовым светом, точно позиционированным для имитации прибывающих электронов для каждого цвета по очереди. После проявления фоторезист позволял наносить люминофор только нужного цвета в необходимых местах. Этот процесс повторялся трижды, по одному разу для каждого цвета. (Для успешного выполнения этого процесса теневая маска или диафрагменная решетка должны были быть съемными и точно позиционируемыми).

By the 1960s the first RCA patents were ending, while at the same time a number of technical improvements were being introduced. A number of these were worked into the GE Porta Color set of 1966, which was an enormous success. By 1968 almost every company had a competing design, and color television moved from an expensive option to mainstream devices. Doming problems due to thermal expansion of the shadow mask were solved in several ways. Some companies used a thermostat to measure the temperature and adjust the scanning to match the expansion. These materials suffered from easy magnetization that can affect the colors, but this could be generally solved by including an automatic demagnetizing feature. Improving brightness was another major line of work in the 1960s. The use of rare earth phosphors produced brighter colors and allowed the strength of the electron beams to be reduced slightly. Better focusing systems, especially automatic systems that meant the set spent more time closer to perfect focus, allowed the dots to grow larger on the screen. The Porta Color used both of these advances and re arranged the guns to lie beside each other instead of in a triangle, allowing the dots to be extended vertically into slots that covered much more of the screen surface. This design, sometimes known as a "slot mask", became common in the 1970s. Another change that was widely introduced in the early 1970s was the use of a black material in the spaces around the inside of the phosphor pattern. This paint absorbed ambient light coming from the room, lowering the amount that was reflected back to the viewer. In order to make this work effectively, the phosphor dots were reduced in size, lowering their brightness. However, the improved contrast compared to ambient conditions allowed the faceplate to be made much more clear, allowing more light from the phosphor to reach the viewer and the actual brightness to increase. Grey tinted faceplates dimmed the image, but provided better contrast, because ambient light was attenuated before it reached the phosphors, and a second time as it returned to the viewer. Light from the phosphors was attenuated only once. This method changed over time, with TV tubes growing progressively more black over time. In manufacturing color CRTs, the shadow masks or aperture grilles were also used to expose photoresist on the faceplate to ultraviolet light sources, accurately positioned to simulate arriving electrons for one color at a time. This photoresist, when developed, permitted phosphor for only one color to be applied where required. The process was used a total of three times, once for each color. (The shadow mask or aperture grille had to be removable and accurately re positionable for this process to succeed.)