Máscara de sombra - Shadow mask
A máscara de sombra é uma das duas tecnologias utilizadas na fabricação de tubos de raios catódicos (CRT) televisores e monitores de computador que produzem clara, focada cor imagens. A outra abordagem é a grade de abertura , mais conhecida por seu nome comercial, Trinitron . Todas as primeiras televisões em cores e a maioria dos monitores de computador CRT usavam a tecnologia de máscara de sombra. Ambas as tecnologias são em grande parte obsoletas, tendo sido cada vez mais substituídas desde a década de 1990 pelo display de cristal líquido (LCD).
Uma máscara de sombra é uma placa de metal perfurada com pequenos orifícios que separam os fósforos coloridos na camada atrás do vidro frontal da tela. As máscaras de sombra são feitas por usinagem fotoquímica , técnica que permite fazer pequenos furos em chapas de metal. Três canhões de elétrons na parte de trás da tela varrem a máscara, com os feixes somente alcançando a tela se passarem pelos orifícios. Como as armas estão fisicamente separadas na parte de trás do tubo, seus feixes se aproximam da máscara a partir de três ângulos ligeiramente diferentes, então, depois de passar pelos orifícios, atingem locais ligeiramente diferentes na tela.
A tela é padronizada com pontos de fósforo colorido posicionados de forma que cada um só possa ser atingido por um dos feixes vindos dos três canhões de elétrons. Por exemplo, os pontos de fósforo azuis são atingidos pelo feixe da "arma azul" depois de passar por um orifício específico na máscara. As outras duas armas fazem o mesmo para os pontos vermelhos e verdes. Esse arranjo permite que as três armas direcionem as cores dos pontos individuais na tela, embora seus feixes sejam muito grandes e mal direcionados para fazê-lo sem a máscara no lugar.
Um fósforo vermelho , um verde e um azul são geralmente dispostos em uma forma triangular (às vezes chamada de " tríade "). Para uso na televisão, as telas modernas (começando no final dos anos 1960) usam fendas retangulares em vez de orifícios circulares, melhorando o brilho. Essa variação é às vezes chamada de máscara de slot .
Desenvolvimento
Televisão a cores
A televisão em cores já havia sido estudada antes mesmo da transmissão comercial se tornar comum, mas foi somente no final da década de 1940 que o problema foi seriamente considerado. Na época, vários sistemas estavam sendo propostos que usavam sinais separados de vermelho, verde e azul ( RGB ), transmitidos em sucessão. A maioria dos sistemas experimentais transmitem quadros inteiros em sequência, com um filtro colorido (ou " gel ") que gira na frente de um tubo de televisão convencional em preto e branco. Cada quadro codificava uma cor da imagem e a roda girava em sincronia com o sinal, de forma que o gel correto estava na frente da tela quando o quadro colorido estava sendo exibido. Como eles transmitem sinais separados para as diferentes cores, todos esses sistemas eram incompatíveis com os conjuntos de preto e branco existentes. Outro problema era que o filtro mecânico os fazia piscar, a menos que taxas de atualização muito altas fossem usadas. (Isso é conceitualmente semelhante a uma tela de projeção baseada em DLP, onde um único dispositivo DLP é usado para todos os três canais de cores.)
O RCA trabalhou em linhas inteiramente diferentes, usando o sistema de luminância-crominância introduzido pela primeira vez por Georges Valensi em 1938. Esse sistema não codificava ou transmitia diretamente os sinais RGB; em vez disso, combinou essas cores em uma figura de brilho geral, chamada de " luminância ". Isso combinava de perto com o sinal preto e branco das transmissões existentes, permitindo que a imagem fosse exibida em televisores preto e branco. A informação de cor restante foi codificada separadamente no sinal como uma modulação de alta frequência para produzir um sinal de vídeo composto . Em uma televisão em preto e branco, essa informação extra seria vista como uma ligeira randomização da intensidade da imagem, mas a resolução limitada dos aparelhos existentes tornava isso invisível na prática. Em conjuntos de cores, as informações extras seriam detectadas, filtradas e adicionadas à luminância para recriar o RGB original para exibição.
Embora o sistema da RCA tivesse enormes benefícios, ele não foi desenvolvido com sucesso porque era difícil produzir os tubos do display. As TVs preto e branco usam um sinal contínuo e o tubo pode ser revestido com uma pintura uniforme de fósforo. Com o sistema da RCA, a cor mudava continuamente ao longo da linha, o que era rápido demais para ser seguido por qualquer tipo de filtro mecânico. Em vez disso, o fósforo teve de ser dividido em um padrão discreto de pontos coloridos. Focar o sinal correto em cada um desses pontos minúsculos estava além da capacidade dos canhões de elétrons da época.
Numerosas tentativas
Durante a década de 1940 e no início da década de 1950, uma grande variedade de esforços foram feitos para resolver o problema da cor. Várias empresas importantes continuaram a trabalhar com "canais" de cores separados, com várias maneiras de recombinar a imagem. RCA foi incluído neste grupo; em 5 de fevereiro de 1940, eles demonstraram um sistema usando três tubos convencionais combinados para formar uma única imagem em uma placa de vidro, mas a imagem era muito fraca para ser útil.
John Logie Baird , que fez a primeira transmissão pública de televisão em cores usando um sistema semimecânico em 4 de fevereiro de 1938, já estava progredindo em uma versão totalmente eletrônica. Seu projeto, o Telechrome , usava dois canhões de elétrons apontados para ambos os lados de uma placa coberta de fósforo no centro do tubo. O desenvolvimento não havia progredido muito quando Baird morreu em 1946. Um projeto semelhante foi o tubo de Geer , que usava um arranjo semelhante de armas apontadas para a parte de trás de uma única placa coberta com pequenas pirâmides de três lados cobertas de fósforo.
No entanto, todos esses projetos tiveram problemas com o sangramento de cores de um fósforo para outro. Apesar de seus melhores esforços, os amplos feixes de elétrons simplesmente não conseguiam focar com força suficiente para atingir os pontos individuais, pelo menos em toda a tela. Além disso, a maioria desses dispositivos era difícil de manejar; o arranjo dos canhões de elétrons ao redor da tela resultou em uma tela muito grande com considerável "espaço morto".
Esforços da arma traseira
Um sistema mais prático seria usar uma única arma na parte de trás do tubo, disparando contra uma única tela multicolorida na frente. No início da década de 1950, várias grandes empresas de eletrônicos começaram a desenvolver tais sistemas.
Um dos concorrentes era o Penetron da General Electric , que usava três camadas de fósforo pintadas uma em cima da outra na parte de trás da tela. A cor foi selecionada mudando a energia dos elétrons no feixe de modo que eles penetrassem em diferentes profundidades dentro das camadas de fósforo. Na verdade, acertar a camada correta revelou-se quase impossível, e a GE acabou desistindo da tecnologia para uso na televisão, embora tenha visto algum uso no mundo da aviônica, onde a gama de cores poderia ser reduzida, muitas vezes para três cores, que o sistema era capaz de alcançar.
Mais comuns foram as tentativas de usar um arranjo de foco secundário logo atrás da tela para produzir a precisão necessária. A Paramount Pictures trabalhou muito no Chromatron , que usava um conjunto de fios atrás da tela como uma "arma" secundária, focalizando ainda mais o feixe e direcionando-o para a cor correta. O tubo "Apple" de Philco usava faixas adicionais de fósforo que liberavam uma explosão de elétrons quando o feixe de elétrons os atingia. Ao cronometrar as explosões, ele poderia ajustar a passagem do feixe e atingir as cores corretas.
Passariam-se anos antes que qualquer um desses sistemas entrasse em produção. A GE desistiu do Penetron no início dos anos 1960. A Sony experimentou o Chromatron na década de 1960, mas desistiu e desenvolveu o Trinitron . O tubo da Apple ressurgiu na década de 1970 e teve algum sucesso com uma variedade de fornecedores. Mas foi o sucesso da RCA com a máscara de sombra que amorteceu a maioria desses esforços. Até 1968, todos os televisores em cores vendidos usavam o conceito de máscara de sombra RCA. Na primavera daquele ano, a Sony lançou seus primeiros aparelhos Trinitron.
Máscara de sombra
Em 1938, o inventor alemão Werner Flechsig patenteou pela primeira vez (recebeu em 1941, na França) o conceito aparentemente simples de colocar uma folha de metal logo atrás da frente do tubo e fazer pequenos orifícios nela. Os orifícios seriam usados para focar o feixe logo antes de atingir a tela. De forma independente, Al Schroeder da RCA trabalhou em um arranjo semelhante, mas usando também três canhões de elétrons. Quando o líder do laboratório explicou as possibilidades do projeto a seus superiores, foi-lhe prometido mão de obra e fundos ilimitados para fazê-lo funcionar. Durante um período de apenas alguns meses, vários protótipos de televisores em cores usando o sistema foram produzidos.
As armas, dispostas em um padrão delta na parte de trás do tubo, foram direcionadas para focalizar a placa de metal e a escanearam normalmente. Na maior parte do tempo durante a varredura, os feixes atingiam a parte de trás da placa e eram interrompidos. No entanto, quando os feixes passassem por um buraco, eles continuariam para o fósforo na frente da placa. Desta forma, a placa garantiu que os feixes estivessem perfeitamente alinhados com os pontos de fósforo coloridos. Isso ainda deixava o problema de focar no ponto colorido correto. Normalmente, os feixes das três armas seriam, cada um, grandes o suficiente para iluminar todos os três pontos coloridos na tela. A máscara ajudou atenuando mecanicamente o feixe para um tamanho pequeno antes de atingir a tela.
Mas a verdadeira genialidade da ideia é que as vigas se aproximaram da placa de metal de diferentes ângulos. Depois de serem cortados pela máscara, os feixes continuariam para a frente em ângulos ligeiramente diferentes, atingindo as telas em locais ligeiramente diferentes. A propagação era função da distância entre as armas na parte de trás do tubo e a distância entre a placa da máscara e a tela. Pintando os pontos coloridos nos locais corretos da tela e deixando algum espaço entre eles para evitar interações, as armas teriam a garantia de atingir o ponto colorido correto.
Embora o sistema fosse simples, ele apresentava vários problemas práticos sérios.
Conforme o feixe varreu a máscara, a grande maioria de sua energia foi depositada na máscara, não na tela à sua frente. Uma máscara típica da época pode ter apenas 15% de sua superfície aberta. Para produzir uma imagem tão brilhante quanto a de uma televisão tradicional P&B, os canhões de elétrons nesse hipotético sistema de máscara de sombra teriam que ser cinco vezes mais poderosos. Além disso, os pontos na tela foram separados deliberadamente para evitar ser atingido pela arma errada, de modo que grande parte da tela estava preta. Isso exigia ainda mais energia para iluminar a imagem resultante. E como o poder foi dividido entre três dessas armas muito mais poderosas, o custo de implementação foi muito mais alto do que para um conjunto P&B semelhante.
A quantidade de energia depositada na tela colorida era tão grande que o carregamento térmico era um problema sério. A energia que a máscara de sombra absorve do canhão de elétrons em operação normal faz com que ela se aqueça e se expanda, o que leva a imagens borradas ou descoloridas (ver doming ). Sinais que alternavam entre claro e escuro causavam ciclos que aumentavam ainda mais a dificuldade de evitar que a máscara se deformasse.
Além disso, a geometria exigia sistemas complexos para manter os três feixes corretamente posicionados na tela. Se você considerar o feixe quando ele está passando pela área central da tela, os feixes das armas individuais estão viajando na mesma distância e encontram os orifícios na máscara em ângulos iguais. Nos cantos da tela, alguns feixes precisam se deslocar mais longe e todos eles encontram o orifício em um ângulo diferente do que no meio da tela. Esses problemas exigiam componentes eletrônicos e ajustes adicionais para manter o posicionamento correto do feixe.
Introdução ao mercado
Durante o desenvolvimento, a RCA não tinha certeza se conseguiria fazer o sistema de máscara de sombra funcionar. Embora simples no conceito, era difícil de construir na prática, especialmente a um preço razoável. A empresa optou por várias outras tecnologias, incluindo o tubo de Geer , caso o sistema não desse certo. Quando os primeiros tubos foram produzidos em 1950, essas outras linhas foram abandonadas.
Os avanços da eletrônica durante a guerra abriram grandes áreas de transmissão de alta frequência para uso prático e, em 1948, a Comissão Federal de Comunicações dos Estados Unidos (FCC) iniciou uma série de reuniões sobre o uso do que viria a ser os canais UHF . Na época, havia muito poucos aparelhos de televisão em uso nos Estados Unidos, então os grupos de partes interessadas rapidamente decidiram usar o UHF para um novo formato de cores incompatível. Essas reuniões eventualmente selecionaram um sistema de cores sequencial de campo semimecânico concorrente promovido pela CBS. No entanto, no meio das reuniões, a RCA anunciou seus esforços em cores compatíveis, mas tarde demais para influenciar os procedimentos. A cor CBS foi lançada em 1950.
No entanto, a promessa do sistema RCA era tão grande que o National Television System Committee (NTSC) assumiu sua causa. Entre 1950 e 1953, eles realizaram um grande estudo sobre a percepção humana das cores e usaram essas informações para melhorar o conceito básico do RCA. A RCA já havia produzido conjuntos experimentais de máscaras de sombra que representavam um enorme salto de qualidade em relação a qualquer concorrente. O sistema era escuro, complexo, grande, exigia muita energia e caro por todos esses motivos, mas fornecia uma imagem colorida utilizável e, o mais importante, era compatível com os sinais P&B existentes. Isso não tinha sido um problema em 1948, quando as primeiras reuniões da FCC foram realizadas, mas em 1953 o número de aparelhos P&B explodiu; não havia mais como eles simplesmente serem abandonados.
Quando o NTSC propôs que seu novo padrão fosse ratificado pela FCC, a CBS abandonou o interesse em seu próprio sistema. Todos no setor que desejavam produzir um conjunto licenciavam as patentes da RCA e, em meados da década de 1950, havia vários conjuntos disponíveis comercialmente. No entanto, os conjuntos de cores eram muito mais caros do que os conjuntos em P&B do mesmo tamanho e exigiam ajustes constantes da equipe de campo. No início da década de 1960, eles ainda representavam uma pequena porcentagem do mercado de televisão na América do Norte. Os números explodiram no início dos anos 1960, com 5.000 conjuntos sendo produzidos por semana em 1963.
Fabricar
As máscaras de sombra são feitas por meio de um processo de usinagem fotoquímica . Começa com uma folha de aço ou liga invar que é revestida com fotorresiste, que é cozida para solidificá-la, exposta à luz ultravioleta por meio de fotomáscaras, desenvolvida para remover o material resistente não exposto, o metal é atacado com ácido líquido e então o fotorresiste é removido. Uma fotomáscara tem pontos escuros maiores do que a outra, o que cria aberturas cônicas. A máscara de sombra é instalada na tela usando peças de metal ou um trilho ou moldura que é fundida ao funil ou ao vidro da tela, respectivamente, mantendo a máscara de sombra em tensão para minimizar empenamento (se a máscara for plana, usado em computador CRT de tela plana monitores) e permitindo maior brilho e contraste da imagem. Molas bimetálicas podem ser usadas em CRTs usados em TVs para compensar o empenamento que ocorre quando o feixe de elétrons aquece a máscara de sombra, causando expansão térmica.
Melhorias, aceitação do mercado
Na década de 1960, as primeiras patentes RCA estavam terminando, enquanto, ao mesmo tempo, uma série de melhorias técnicas estavam sendo introduzidas. Vários deles foram incorporados ao conjunto GE Porta-Color de 1966, que foi um enorme sucesso. Em 1968, quase todas as empresas tinham um design concorrente, e a televisão em cores passou de uma opção cara para dispositivos convencionais.
Os problemas de doming devido à expansão térmica da máscara de sombra foram resolvidos de várias maneiras. Algumas empresas usaram um termostato para medir a temperatura e ajustar a varredura para corresponder à expansão. Máscaras de sombra bimetálicas, nas quais as taxas de expansão diferenciais compensam o problema, tornaram-se comuns no final dos anos 1960. Invar e ligas de baixa expansão semelhantes foram introduzidas na década de 1980. Esses materiais sofriam de magnetização fácil que pode afetar as cores, mas isso geralmente poderia ser resolvido incluindo um recurso de desmagnetização automática. A última solução a ser introduzida foi a "máscara esticada", onde a máscara era soldada a uma moldura, tipicamente de vidro, em altas temperaturas. A estrutura foi então soldada ao interior do tubo. Quando a montagem esfriou, a máscara ficou sob grande tensão, que nenhuma quantidade de aquecimento das armas seria capaz de remover.
Melhorar o brilho foi outra linha importante de trabalho na década de 1960. O uso de fósforos de terras raras produziu cores mais brilhantes e permitiu que a força dos feixes de elétrons fosse ligeiramente reduzida. Melhores sistemas de foco, especialmente sistemas automáticos, que significavam que o conjunto passava mais tempo perto do foco perfeito, permitiam que os pontos ficassem maiores na tela. O Porta-Color usou ambos esses avanços e reorganizou as armas para ficarem lado a lado em vez de em um triângulo, permitindo que os pontos fossem estendidos verticalmente em fendas que cobriam muito mais da superfície da tela. Esse design, às vezes conhecido como "máscara de slot", tornou-se comum na década de 1970.
Outra mudança amplamente introduzida no início dos anos 1970 foi o uso de um material preto nos espaços ao redor do padrão de fósforo. Essa tinta absorveu a luz ambiente proveniente da sala, diminuindo a quantidade que era refletida de volta para o observador. Para que esse trabalho funcionasse de maneira eficaz, os pontos de fósforo foram reduzidos em tamanho, diminuindo seu brilho. No entanto, o contraste melhorado em comparação com as condições ambientais permitiu que o painel frontal ficasse muito mais claro, permitindo que mais luz do fósforo chegasse ao observador e o brilho real aumentasse. As placas frontais cinza escureceram a imagem, mas forneceram melhor contraste, porque a luz ambiente foi atenuada antes de atingir o fósforo, e uma segunda vez quando retornou ao visualizador. A luz do fósforo foi atenuada apenas uma vez. Esse método mudou com o tempo, com os tubos de TV ficando cada vez mais pretos.
Na fabricação de CRTs coloridos, as máscaras de sombra ou grades de abertura também foram usadas para expor fotoresiste no painel frontal a fontes de luz ultravioleta, posicionadas com precisão para simular a chegada de elétrons para uma cor de cada vez. Este fotorresiste, quando desenvolvido, permitiu que o fósforo para apenas uma cor fosse aplicado quando necessário. O processo foi utilizado um total de três vezes, uma para cada cor. (A máscara de sombra ou grade de abertura tinha que ser removível e reposicionável com precisão para que este processo fosse bem-sucedido.)
Veja também
Referências
Notas
Bibliografia
- Albert Abramson e Christopher Sterling, "A História da Televisão, 1942 a 2000" .
- CP Gilmore, "TV em cores: Is It finally Worth the Money?" , Popular Science , agosto de 1963, pp. 80-83, 178.