Máscara de sombra

La televisión en color se había estudiado incluso antes de que la radiodifusión comercial se generalizara, pero no fue hasta finales de la década de 1940 que el problema se consideró seriamente. En aquel entonces, se proponían varios sistemas que utilizaban señales separadas de rojo, verde y azul ( RGB ), transmitidas sucesivamente. La mayoría de los sistemas experimentales transmitían fotogramas completos en secuencia, con un filtro de color (o " gel ") que giraba delante de un tubo de televisión convencional en blanco y negro. Cada fotograma codificaba un color de la imagen, y la rueda giraba sincronizada con la señal para que el gel correcto estuviera delante de 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 provocaba parpadeo 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 único dispositivo DLP para los tres canales de color).

RCA trabajó con un enfoque completamente distinto, 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, combinaba estos colores en una cifra de brillo general, denominada " luminancia ". Esto se ajustaba con precisión a la señal en blanco y negro de las emisiones existentes, lo que permitía visualizar la imagen 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 percibiría como una ligera aleatorización de la intensidad de la imagen, pero la limitada resolución de los televisores existentes la hacía prácticamente imperceptible. En los televisores a color, la información adicional se detectaba, se filtraba y se añadía a la luminancia para recrear el RGB original para su visualización. ^{[ 2 ]}

Aunque el sistema de RCA ofrecía enormes ventajas, no se desarrolló con éxito debido a la dificultad de fabricar 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 cual era demasiado rápido para que cualquier filtro mecánico pudiera seguirlo. En su lugar, el fósforo debía descomponerse en un patrón discreto de puntos de color. Enfocar la señal correcta en cada uno de estos diminutos puntos estaba más allá de las capacidades de los cañones de electrones de la época. ^{[ 2 ]}

Durante la década de 1940 y principios de la de 1950 se realizaron numerosos esfuerzos para abordar el problema del color. Varias compañías importantes continuaron trabajando con "canales" de color separados, empleando diversos métodos para recombinar la imagen. RCA formó parte de 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 , quien realizó la primera transmisión pública de televisión en color utilizando un sistema semimecánico el 4 de febrero de 1938, ya estaba progresando en una versión totalmente electrónica. Su diseño, el Telechrome , utilizaba dos cañones de electrones dirigidos a ambos lados de una placa cubierta de fósforo en el centro del tubo. El desarrollo no había avanzado mucho cuando Baird falleció en 1946. ^{[ 3 ]} Un proyecto similar fue el tubo Geer , que utilizaba una disposición similar de cañones dirigidos a la parte posterior de una sola placa cubierta con pequeñas pirámides triangulares recubiertas de fósforo. ^{[ 4 ]}

Sin embargo, todos estos proyectos presentaban problemas de difusión de colores entre los fósforos. A pesar de sus esfuerzos, los amplios haces de electrones simplemente no lograban enfocar con la suficiente precisión como para alcanzar los puntos individuales, al menos en toda la pantalla. Además, la mayoría de estos dispositivos eran poco prácticos; la disposición de los cañones de electrones alrededor de la pantalla daba como resultado una pantalla muy grande con un considerable espacio muerto.

Un sistema más práctico utilizaría un único cañón en la parte posterior del tubo, disparando contra una única pantalla multicolor en la parte frontal. A principios de la década de 1950, varias importantes empresas de electrónica comenzaron a desarrollar sistemas de este tipo.

Uno de los contendientes fue el Penetron de General Electric , que utilizaba tres capas de fósforo pintadas una encima de la otra en la parte posterior de la pantalla. El color se seleccionaba cambiando la energía de los electrones en el haz para que penetraran a diferentes profundidades dentro de las capas de fósforo. Lograr acertar con la capa correcta resultó casi imposible, y GE finalmente abandonó la tecnología para su uso en televisión, aunque posteriormente se utilizó en el mundo de la aviónica, donde la gama de colores podía reducirse, a menudo a tres colores, algo que el sistema era capaz de lograr. ^{[ 5 ]}

Más comunes fueron los intentos de usar un sistema de enfoque secundario justo detrás de la pantalla para producir la precisión requerida. Paramount Pictures trabajó arduamente en el Chromatron , que usaba 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 usaba franjas adicionales de fósforo que liberaban una ráfaga de electrones cuando el haz de electrones las recorría; al sincronizar las ráfagas, podía ajustar el paso del haz y alcanzar los colores correctos. ^{[ 7 ]}

Pasarían años antes de que cualquiera de estos sistemas llegara a la producción. GE había abandonado el Penetron a principios de la década de 1960. Sony probó el Chromatron en la década de 1960, pero lo abandonó y desarrolló el Trinitron en su lugar. El tubo Apple resurgió en la década de 1970 y tuvo cierto éxito con varios 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 a color vendidos utilizaban el concepto de máscara de sombra de RCA, ^{[ 8 ]} en la primavera de ese año Sony presentó sus primeros televisores Trinitron. ^{[ 9 ]}

En 1938, el inventor alemán Werner Flechsig patentó por primera vez (en 1941, en Francia) el concepto aparentemente simple de colocar una lámina de metal justo detrás de la parte frontal del tubo y perforarla con pequeños agujeros. Estos agujeros se usarían para enfocar el haz justo antes de que impactara en la pantalla. De forma independiente, Al Schroeder, de RCA, trabajó en un sistema similar, pero utilizando también tres cañones de electrones. Cuando el jefe del laboratorio explicó las posibilidades del diseño a sus superiores, le prometieron recursos humanos y financieros ilimitados para ponerlo en marcha. ^{[ 10 ]} En tan solo unos meses, se produjeron varios prototipos de televisores a color que utilizaban este sistema. ^{[ 11 ]}

Los cañones, dispuestos en forma de delta en la parte posterior del tubo, apuntaban para enfocar la placa metálica y la escaneaban de forma habitual. Durante gran parte del escaneo, los haces impactaban en la parte posterior de la placa y se detenían. Sin embargo, al pasar por un orificio, continuaban hacia el fósforo situado frente a la placa. De esta manera, la placa garantizaba que los haces estuvieran perfectamente alineados con los puntos de fósforo de color. Esto aún dejaba pendiente el problema de enfocar el punto de color correcto. Normalmente, los haces de los tres cañones eran lo suficientemente grandes como para iluminar los tres puntos de color en la pantalla. La máscara ayudaba atenuando mecánicamente el haz a un tamaño pequeño justo antes de que impactara en la pantalla. ^{[ 12 ]}

Pero la verdadera genialidad de la idea reside en que los haces se aproximaban a la placa metálica desde diferentes ángulos. Tras ser bloqueados por la máscara, los haces continuaban su trayectoria en ángulos ligeramente distintos, impactando en las pantallas en ubicaciones ligeramente diferentes. La dispersión dependía de la distancia entre los cañones situados en la parte posterior del tubo y de la distancia entre la placa de la máscara y la pantalla. Al pintar los puntos de color en las ubicaciones correctas de la pantalla y dejar cierto espacio entre ellos para evitar interacciones, se garantizaba que los cañones impactaran en el punto de color correcto. ^{[ 12 ]}

Aunque el sistema era sencillo, presentaba varios problemas prácticos graves.

A medida que el haz recorría la máscara, la mayor parte de su energía se depositaba en ella, no en la pantalla. Una máscara típica de la época podía tener solo un 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 de la pantalla estaban separados deliberadamente para evitar ser alcanzados por el cañón equivocado, por lo que gran parte de la pantalla permanecía negra. ^{[ 13 ]} Esto requería aún más potencia para iluminar la imagen resultante. Y como la potencia se dividía entre tres de estos cañones mucho más potentes, el coste de implementación era mucho mayor que el de un televisor similar en blanco y negro. ^{[ 14 ]}

La cantidad de energía depositada en la pantalla a color era tan grande que la carga térmica representaba un grave problema. La energía que la máscara de sombra absorbe del cañón de electrones durante su funcionamiento normal provoca su calentamiento y expansión, lo que da lugar a imágenes borrosas o descoloridas (véase el efecto doming ). Las señales que alternaban entre luz y oscuridad generaban ciclos que dificultaban aún más evitar la deformación de la máscara.

Además, la geometría requería sistemas complejos para mantener los tres haces correctamente posicionados en la pantalla. Si consideramos el haz al barrer la zona central de la pantalla, los haces de cada cañón recorren la misma distancia e inciden en los orificios de la máscara con ángulos iguales. En las esquinas de la pantalla, algunos haces deben recorrer mayor distancia e inciden en los orificios con un ángulo distinto al del centro. Estos problemas requirieron electrónica adicional y ajustes para mantener el posicionamiento correcto del haz.

Durante el desarrollo, RCA no estaba segura de poder implementar el sistema de máscara de sombra. Si bien el concepto era sencillo, su construcción en la práctica resultaba compleja, sobre todo a un precio razonable. La compañía adquirió varias otras tecnologías, incluyendo el tubo Geer , en caso de que el sistema no funcionara. Cuando se fabricaron los primeros tubos en 1950, se descartaron estas otras opciones.

Los avances en electrónica durante la guerra habían abierto amplias zonas de transmisión de alta frecuencia a un uso práctico, y en 1948 la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU . (FCC) inició una serie de reuniones sobre el uso de lo que se convertiría en los canales UHF . En aquel entonces, había muy pocos televisores en uso en Estados Unidos, por lo que los grupos de interés rápidamente se decantaron por la idea de utilizar UHF para un nuevo formato de color 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 en materia de color compatible, pero demasiado tarde para influir en el proceso. 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 sumó a su causa. Entre 1950 y 1953, llevaron a cabo un extenso estudio sobre la percepción humana del color y utilizaron esa información para mejorar el concepto básico de RCA. ^{[ 16 ]} Para entonces, RCA había producido televisores experimentales con máscara de sombra que representaban un enorme salto en calidad con respecto a 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 celebraron las primeras reuniones de la FCC, pero para 1953 el número de televisores en blanco y negro se había disparado; ya no había forma de abandonarlos sin más.

Cuando la NTSC propuso que su nuevo estándar fuera ratificado por la FCC, CBS perdió interés en su propio sistema. ^{[ 1 ]} Todos los que en la industria querían producir un televisor entonces licenciaron las patentes de RCA, y a mediados de la década de 1950 había varios televisores disponibles comercialmente. Sin embargo, los televisores a 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 la década de 1960 todavía representaban un pequeño porcentaje del mercado de la televisión en Norteamérica. Las cifras se dispararon a principios de la década de 1960, 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 ]} recubierta con fotorresina, que se hornea para solidificarla, se expone a luz UV a través de fotomáscaras, se revela para eliminar la fotorresina no expuesta, el metal se graba con ácido líquido y luego se elimina la fotorresina. Una fotomáscara tiene puntos oscuros más grandes que la otra, lo que crea aperturas cónicas. ^{[ 19 ]} La máscara de sombra se instala en la pantalla mediante piezas metálicas ^{[ 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, utilizada en monitores de computadora CRT de pantalla plana) y permitiendo un mayor brillo y contraste de la imagen. Los resortes bimetálicos pueden utilizarse en los tubos de rayos catódicos (CRT) utilizados en los televisores para compensar la deformación que se produce cuando el haz de electrones calienta la máscara de sombra, lo que provoca una expansión térmica . ^{[ 25 ]}

En la década de 1960, las primeras patentes de RCA comenzaron a expirar, al tiempo que se introducían diversas mejoras técnicas. Varias de estas se incorporaron al televisor GE Porta-Color de 1966, que fue un éxito rotundo. Para 1968, casi todas las compañías contaban con un diseño similar, y la televisión en color pasó de ser una opción costosa a 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 utilizaron 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 hicieron comunes a finales de la década de 1960. El invar y aleaciones similares de baja expansión se introdujeron en la década de 1980. ^{[ 27 ]} Estos materiales sufrían de una fácil magnetización que podía afectar los colores, pero esto generalmente se podía resolver incluyendo 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. El marco se soldaba luego al interior del tubo. Cuando el conjunto se enfriaba, la máscara estaba bajo una gran tensión, que ninguna cantidad de calentamiento de las pistolas podría eliminar. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Mejorar el brillo fue otra línea de trabajo importante en 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. Mejores sistemas de enfoque, especialmente los automáticos que permitían que el televisor pasara más tiempo cerca del enfoque perfecto, hicieron posible que los puntos se agrandaran en la pantalla. El Porta-Color utilizó ambos avances y reorganizó los cañones para que se colocaran uno al lado del otro en lugar de en triángulo, lo que permitió extender los puntos verticalmente en ranuras que cubrían mucha más superficie de la pantalla. Este diseño, a veces conocido como "máscara de ranura", se popularizó 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, reduciendo la cantidad que se reflejaba hacia el espectador. Para que esto funcionara eficazmente, los puntos de fósforo se redujeron de tamaño, disminuyendo su brillo. Sin embargo, el contraste mejorado en comparación con las condiciones ambientales permitió que la placa frontal fuera mucho más clara, permitiendo que más luz del fósforo llegara al espectador y que el brillo real aumentara. ^{[ 26 ]} Las placas frontales de color gris atenuaban la imagen, pero proporcionaban un mejor contraste, porque la luz ambiental se atenuaba antes de llegar a los fósforos y una segunda vez al regresar al espectador. La luz de los fósforos se atenuaba solo una vez. Este método cambió con el tiempo, y los tubos de TV se volvieron progresivamente más negros con el paso del tiempo.

En la fabricación de tubos de rayos catódicos a color, las máscaras de sombra o rejillas de apertura también se utilizaban para exponer la fotorresina del panel frontal a fuentes de luz ultravioleta, posicionadas con precisión para simular la llegada de electrones para un color a la vez. Esta fotorresina, una vez revelada, permitía aplicar fósforo para un solo color donde fuera necesario. El proceso se repetía tres veces, una para cada color. (Para que este proceso tuviera éxito, la máscara de sombra o rejilla de apertura debía ser extraíble y poder reposicionarse con precisión).