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 , 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 están en gran parte obsoletas, habiendo 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 agujeros 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 los cañones están separados físicamente en la parte posterior del tubo, sus rayos se acercan a la máscara desde tres ángulos ligeramente diferentes, por lo que después de pasar a través de los agujeros golpean ubicaciones ligeramente diferentes en la pantalla.
La pantalla está diseñada con puntos de fósforo de colores colocados de manera que cada uno de ellos sólo pueda ser alcanzado por uno de los rayos que salen de los tres cañones de electrones. Por ejemplo, los puntos de fósforo azules son alcanzados por el rayo del "cañón azul" después de pasar por un orificio particular en la máscara. Los otros dos cañones hacen lo mismo con los puntos rojo y verde. Esta disposición permite que los tres cañones apunten a los colores de los puntos individuales en la pantalla, aunque sus rayos sean demasiado grandes y estén demasiado mal dirigidos para hacerlo sin la máscara en su lugar.
Un fósforo rojo , uno verde y uno azul se disponen generalmente en forma triangular (a veces llamada " tríada "). Para su uso en televisión, las pantallas modernas (a partir de finales de los años 1960) utilizan ranuras rectangulares en lugar de orificios circulares, lo que mejora el brillo. Esta variación a veces se denomina máscara de ranura .
La televisión en color se había estudiado incluso antes de que la radiodifusión comercial se volviera común, pero no fue hasta finales de la década de 1940 que el problema se consideró seriamente. En ese momento, se propusieron varios sistemas que utilizaban señales separadas de rojo, verde y azul ( RGB ), transmitidas en sucesión. La mayoría de los sistemas experimentales transmitían fotogramas enteros en secuencia, con un filtro de color (o " gel ") que giraba frente a un tubo de televisión en blanco y negro convencional. Cada fotograma 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 fotograma de color. Debido a que transmitían señales separadas para los diferentes colores, todos estos sistemas eran incompatibles con los televisores en blanco y negro existentes. Otro problema era que el filtro mecánico los hacía parpadear a menos que se utilizaran frecuencias de actualización muy altas. [1] (Esto es conceptualmente similar a una pantalla de proyección basada en DLP donde se utiliza un solo dispositivo DLP para los tres canales de color).
La RCA trabajaba de una forma completamente distinta, 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, sino que combinaba estos colores en una cifra de brillo global, llamada " luminancia ". Esta cifra coincidía estrechamente con la señal en blanco y negro de las emisiones existentes, lo que permitía que la imagen se mostrase en televisores en blanco y negro. La información de color restante se codificaba por separado en la señal como una modulación de alta frecuencia para producir una señal de vídeo 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 hacía que esto fuera invisible en la práctica. En los televisores en color, la información adicional se detectaría, se filtraría y se añadiría a la luminancia para recrear el RGB original para su visualización. [2]
Aunque el sistema de RCA tenía enormes ventajas, 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 capa 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 cualquier tipo de filtro mecánico pudiera seguirlo. En cambio, el fósforo tenía que descomponerse en un patrón discreto de puntos de color. 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]
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 diversas formas de recombinar la imagen. RCA se incluyó en este grupo; el 5 de febrero de 1940, demostraron un sistema que utilizaba 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 en color pública utilizando un sistema semimecánico el 4 de febrero de 1938, ya estaba avanzando en una versión completamente electrónica. Su diseño, el Telechrome , utilizaba dos cañones de electrones apuntados a cada lado de una placa cubierta de fósforo en el centro del tubo. El desarrollo no había avanzado mucho cuando Baird murió en 1946. [3] Un proyecto similar fue el tubo Geer , que utilizaba una disposición similar de cañones apuntados a la parte posterior de una sola placa cubierta con pequeñas pirámides de tres lados cubiertas de fósforo. [4]
Sin embargo, todos estos proyectos tenían problemas con la mezcla de colores de un fósforo a otro. A pesar de sus mejores esfuerzos, los amplios haces de electrones simplemente no podían enfocarse con la suficiente precisión para alcanzar los puntos individuales, al menos en toda 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 daba como resultado una pantalla muy grande con un "espacio muerto" considerable.
Un sistema más práctico utilizaría una única pistola en la parte posterior del tubo, que dispararía a una única pantalla multicolor en la parte delantera. A principios de la década de 1950, varias empresas importantes de electrónica comenzaron a desarrollar este tipo de sistemas.
Un competidor fue el Penetron de General Electric , que utilizaba tres capas de fósforo pintadas una sobre otra en la parte posterior de la pantalla. El color se seleccionaba modificando la energía de los electrones del haz para que penetraran a distintas profundidades dentro de las capas de fósforo. Resultó casi imposible alcanzar la capa correcta, y GE finalmente abandonó la tecnología para su uso en televisión, aunque se utilizó en el mundo de la aviónica , donde la gama de colores se podía reducir, a menudo a tres colores, lo que el sistema podía lograr. [5]
Más comunes fueron los intentos de utilizar un sistema de enfoque secundario justo detrás de la pantalla para producir la precisión requerida. Paramount Pictures trabajó mucho y arduamente en el Chromatron , que utilizaba un conjunto de cables detrás de la pantalla como un "cañón" secundario, enfocando aún más el haz y dirigiéndolo hacia el color correcto. [6] El tubo "Apple" de Philco utilizaba franjas adicionales de fósforo que liberaban una ráfaga de electrones cuando el haz de electrones las atravesaba; al cronometrar las ráfagas, podía ajustar el paso del haz y alcanzar los colores correctos. [7]
Pasarían años antes de que alguno de estos sistemas llegara a producirse. GE había abandonado el Penetron a principios de los años 60. Sony probó el Chromatron en los años 60, pero se dio por vencido y desarrolló el Trinitron en su lugar. El tubo de Apple resurgió en los años 70 y tuvo cierto éxito con una variedad de proveedores. Pero fue el éxito de RCA con la máscara de sombra lo que frenó la mayoría de estos esfuerzos. Hasta 1968, todos los televisores en color vendidos utilizaban el concepto de máscara de sombra de RCA [8] , en la primavera de ese año Sony presentó sus primeros equipos Trinitron [9] .
En 1938, el inventor alemán Werner Flechsig patentó por primera vez (recibida 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 utilizarían para enfocar el haz justo antes de que llegara a la pantalla. Independientemente, Al Schroeder, de la RCA, trabajó en un sistema similar, pero también utilizando tres cañones de electrones. Cuando el líder del laboratorio explicó las posibilidades del diseño a sus superiores, le prometieron mano de obra y fondos ilimitados para ponerlo en funcionamiento. [10] En un período de sólo unos meses, se produjeron varios prototipos de televisores en color que utilizaban el sistema. [11]
Los cañones, dispuestos en un patrón delta en la parte posterior del tubo, apuntaban a la placa de metal y la escaneaban de forma normal. Durante gran parte del tiempo del escaneo, los rayos golpeaban la parte posterior de la placa y se detenían. Sin embargo, cuando los rayos pasaban por un orificio, continuaban hacia el fósforo que estaba frente a la placa. De esta manera, la placa garantizaba que los rayos estuvieran perfectamente alineados con los puntos de fósforo de color. Esto aún dejaba el problema de enfocar el punto de color correcto. Normalmente, los rayos de los tres cañones serían cada uno lo suficientemente grandes como para iluminar los tres puntos de color en la pantalla. La máscara ayudaba atenuando mecánicamente el rayo a un tamaño pequeño justo antes de que golpeara la pantalla. [12]
Pero lo realmente genial de la idea es que los rayos se acercaban a la placa de metal desde diferentes ángulos. Después de ser cortados por la máscara, los rayos continuaban hacia adelante en ángulos ligeramente diferentes, golpeando las pantallas en lugares ligeramente diferentes. La propagación era una función de la distancia entre los cañones 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 los lugares correctos en la pantalla y dejar algo de espacio entre ellos para evitar interacciones, se garantizaba que los cañones golpearan el punto de color correcto. [12]
Aunque el sistema era sencillo, presentaba varios problemas prácticos graves.
A medida que el haz barría la máscara, la gran mayoría de su energía se depositaba en la máscara, no en la pantalla que tenía delante. Una máscara típica de la época podía 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 sombras tendrían que ser cinco veces más potentes. Además, los puntos de la pantalla estaban separados deliberadamente para evitar que los alcanzara el cañón equivocado, por lo que gran parte de la pantalla estaba en negro. [13] Esto requería incluso más energía para iluminar la imagen resultante. Y como la energía se dividía entre tres de estos cañones mucho más potentes, el coste de implementación era mucho mayor que el de un televisor en blanco y negro similar. [14]
La cantidad de energía depositada en la pantalla de 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 genera imágenes borrosas o descoloridas (ver efecto domo ). Las señales que alternaban entre luz y oscuridad causaban 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 correctamente posicionados a lo largo de la pantalla. Si consideramos el haz cuando recorre el área central de la pantalla, los haces de cada arma viajan la misma distancia y se encuentran con los agujeros de la máscara en ángulos iguales. En las esquinas de la pantalla, algunos haces tienen que viajar más lejos y todos se encuentran con el agujero en un ángulo diferente al del centro de la pantalla. Estos problemas requerían electrónica adicional y ajustes para mantener la posición correcta del haz.
Durante el desarrollo, RCA no estaba segura de poder hacer funcionar el sistema de máscara de sombras. Aunque el concepto era simple, era difícil de construir en la práctica, especialmente a un precio razonable. La empresa optó por otras tecnologías, incluida la válvula Geer , en caso de que el sistema no funcionara. Cuando se produjeron las primeras válvulas en 1950, se abandonaron estas otras líneas. [ cita requerida ]
Los avances en electrónica durante la guerra habían abierto grandes franjas de transmisión de alta frecuencia al uso práctico, y en 1948 la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (FCC) 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 interesados rápidamente se conformaron con la idea de utilizar UHF para un nuevo formato de color incompatible. Estas reuniones finalmente seleccionaron un sistema de color de secuencia de campo semimecánico que competía y que estaba siendo promovido por CBS. Sin embargo, en medio de las reuniones, RCA anunció sus esfuerzos por lograr un color compatible, pero demasiado tarde para influir en los procedimientos. El color de CBS se introdujo en 1950. [1] [15]
Sin embargo, la promesa del sistema RCA era tan grande que el Comité Nacional del Sistema de Televisión (NTSC) se hizo cargo de su causa. Entre 1950 y 1953, llevaron a cabo un enorme estudio sobre la percepción humana del color y utilizaron esa información para mejorar el concepto básico de la RCA. [16] Para entonces, la RCA había producido equipos experimentales de máscara de sombras que suponían un enorme salto de calidad con respecto a sus competidores. El sistema era oscuro, 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 celebraron las primeras reuniones de la FCC, pero en 1953 el número de equipos en blanco y negro se había disparado; ya no había forma de abandonarlos sin más. [ cita requerida ]
Cuando la NTSC propuso que su nueva norma fuera ratificada por la FCC, la CBS abandonó su interés en su propio sistema. [1] Todos los que en la industria querían producir un televisor adquirieron licencias de las patentes de la RCA y, a mediados de los años 50, ya había varios televisores disponibles comercialmente. Sin embargo, los televisores en color eran mucho más caros que los televisores en blanco y negro del mismo tamaño y requerían ajustes constantes por parte del personal de campo. A principios de los años 60, todavía representaban un pequeño porcentaje del mercado de televisión en América del Norte. Las cifras se dispararon a principios de los años 60, con 5000 televisores producidos por semana en 1963. [8]
Las máscaras de sombra se fabrican mediante un proceso de mecanizado fotoquímico . Comienza con una lámina de acero [17] o aleación de invar [18] que se recubre con fotorresistencia, que se hornea para solidificarla, se expone a la luz ultravioleta a través de fotomáscaras, se revela para eliminar la resistencia no expuesta, el metal se graba con ácido líquido y luego se elimina la fotorresistencia. Una fotomáscara tiene manchas oscuras más grandes que la otra, esto crea aberturas cónicas. [19] La máscara de sombra se instala en la pantalla utilizando piezas de metal [20] o un riel o marco [21] [22] [23] que se fusiona al embudo o al vidrio de la pantalla respectivamente, [24] manteniendo 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 permitiendo un mayor brillo y contraste de la imagen. Se pueden usar resortes bimetálicos en CRT utilizados en televisores para compensar la deformación que se produce cuando el haz de electrones calienta la máscara de sombra, lo que causa expansión térmica. [25]
En la década de 1960, las primeras patentes de RCA estaban llegando a su fin, al mismo tiempo que se introducían una serie de mejoras técnicas. Varias de ellas se incorporaron al televisor GE Porta-Color de 1966, que fue un enorme éxito. En 1968, casi todas las empresas tenían un diseño que competía con él, y la televisión en color pasó de ser una opción costosa a convertirse en un dispositivo de uso generalizado.
Los problemas de abombamiento debido a la expansión térmica de la máscara de sombra se resolvieron de varias maneras. Algunas empresas usaban un termostato para medir la temperatura y ajustar el escaneo para que coincidiera con la expansión. [26] Las máscaras de sombra bimetálicas, donde las tasas de expansión diferencial compensaban el problema, se volvieron comunes a fines de la década de 1960. El invar y otras 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 se podía resolver en general al incluir una función de desmagnetización automática. [26] La última solución que se introdujo fue la "máscara estirada", donde la máscara se soldaba a un marco, generalmente de vidrio, a altas temperaturas. Luego, el marco se soldaba al interior del tubo. Cuando el conjunto se enfriaba, la máscara estaba bajo una gran tensión, que ninguna cantidad de calor de las pistolas podría eliminar. [28] [29]
La mejora del brillo fue otra de las líneas de trabajo más importantes de la década de 1960. El uso de fósforos de tierras raras produjo colores más brillantes y permitió reducir ligeramente la intensidad de los haces de electrones. Los mejores sistemas de enfoque, especialmente los sistemas automáticos que implicaban que el aparato pasaba más tiempo cerca del enfoque perfecto, permitieron que los puntos crecieran más en la pantalla. La Porta-Color utilizó ambos avances y reorganizó los cañones para que estuvieran uno al lado del otro en lugar de en un triángulo, lo que permitió que los puntos se extendieran verticalmente en ranuras que cubrían mucho más de la superficie de la pantalla. Este diseño, a veces conocido como "máscara de ranura", se volvió 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 absorbía la luz ambiental proveniente de la habitación, lo que reducía la cantidad que se reflejaba hacia el espectador. Para que esto funcionara 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 fuera mucho más clara, lo que permitió que más luz del fósforo llegara al espectador y que el brillo real aumentara. [26] Las placas frontales teñidas de gris atenuaban la imagen, pero proporcionaban un mejor contraste, porque la luz ambiental se atenuaba antes de que llegara a los fósforos y una segunda vez cuando regresaba al espectador. La luz de los fósforos se atenuaba solo una vez. Este método cambió con el tiempo, y los tubos de televisión se volvieron progresivamente más negros con el tiempo. [ cita requerida ]
En la fabricación de los CRT en color, las máscaras de sombra o rejillas de apertura también se utilizaban para exponer la fotorresistencia de la placa frontal a fuentes de luz ultravioleta, colocadas con precisión para simular la llegada de electrones para un color a la vez. Esta fotorresistencia, cuando se desarrolló, permitió aplicar fósforo para un solo color donde 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 extraíble y reposicionable con precisión para que este proceso tuviera éxito).