ビームインデックスチューブ

ビームインデックス管は、RCAが開発した蛍光体ドットとビームシャドウマスクではなく、蛍光体ストライプとアクティブフィードバックタイミングを使用するカラーテレビの ブラウン管(CRT) 設計です。ビームインデックスはシャドウマスク CRT よりもはるかに明るい画像を提供し、消費電力を削減します。また、3 つの電子銃ではなく 1 つの電子銃を使用するため、構築が容易で、位置合わせの調整も必要ありません。

Philco は、Apple チューブと呼ばれる一連の実験装置でビーム インデックス コンセプトの開発を主導しました。長期にわたる開発にもかかわらず、コスト競争力のあるインデックス チューブを製造することはできず、最終的にこのコンセプトは放棄されました。主な問題はインデックス エレクトロニクスのコストであり、後期モデルでは高価な光電子増倍管が必要になりました。

新しい検出器とトランジスタベースの電子機器により、このシステムは1970 年代にユニレイとして再導入されました。価格面では非常に競争力がありましたが、大幅に改善されたシャドウマスク設計や新しいトリニトロンと競合していました。いくつかの日本企業がさまざまな専門用途にユニレイを使用していましたが、最もよく知られているのはソニーのインデックストロンシリーズです。このシステムは磁気干渉に対する感度が低いため、軍事用途にも使用され、英国ではそのような用途ではゼブラ チューブとして知られていました。

従来の白黒テレビでは、CRT 画面に均一な蛍光体が塗られており、電子が当たると白色光を発します。管の後ろにある電子銃からのビームは、磁気コイルからの変化する磁場によって偏向され (最も一般的には)、画面上の任意の点に向けられます。タイム ベース ジェネレーターと呼ばれる電子回路がビームを管の横に引いて下方に送り、テレビ信号で使用されるスキャン パターンを作成します。振幅変調信号を使用してビーム電流を制御し、画面に流れるビームの明るさを制御します。^{[引用が必要]}

カラーテレビは、加法混色の三原色 (赤、緑、青、RGB) の蛍光体を使用しています。白黒テレビと同等の解像度を実現するには、蛍光体を非常に小さな点または縞状に配置する必要があります。蛍光体が希望どおりに小さい場合、管の後ろにある電子銃を、蛍光体の 1 つの色だけに当てるほどに焦点を絞ることはできません。ビームを再焦点合わせするには、何らかの二次システムを使用する必要があります。

RCA は最終的にシャドウマスクでこの問題を解決しました。このシステムでは、3 つの独立した電子銃がそれぞれ異なる方向からスクリーンのすぐ後ろのスポットに向けられます。そこで、非常に小さな穴のある金属プレートを使用してビームを再フォーカスします。ビームはプレートに異なる入射角度で当たるため、プレートの反対側で再び分離し、カラー蛍光体の個々のドットに当たります。このアプローチの欠点は、プレートがビームの大部分 (最大 85%) も遮断するため、画像の明るさが低下することです。また、3 つの電子銃が必要なため、管の価格が上昇し、電子銃をマスクと適切に位置合わせすることが常に問題でした。

シャドウマスクと同じ結果を得るために、単一の電子銃と、スクリーンに非常に近い何らかの電界または磁界を使用する多くの解決策が試みられました。RCA は、ビームをわずかに引き寄せる帯電ワイヤと、その向こうに色付き蛍光体のストライプを備えたシステムを開発しました。問題は、必要な解像度を提供するためにワイヤを互いに非常に近づける必要があり、また十分な偏向を与えるために高電圧で電力を供給する必要があったことです。これにより、ワイヤからワイヤへの信号の漏れを防ぐのが非常に困難になりました。シャドウマスクが成功したため、開発は中止されました。

アーネスト・ローレンスは、スクリーンの背後に細いワイヤーのグリッドを使用してビームを電気的に偏向させる、クロマトロンと呼ばれる同様のシステムを開発したが、RCA のアプローチと同じ基本的な問題を抱えていた。何年もの開発にもかかわらず、商業的に実現可能なバージョンを製造できた者はいなかった。実用的なクロマトロンを製造しようとするソニーの試みは、トリニトロンシステムの開発に影響を与えた。

クロマトロンのようなシングルガン システムでは、ビームの強度を急速に変化させて各色成分の明るさを調整し、次に 2 番目のシステムを使用して瞬間信号が正しい蛍光体に届くようにすることで色を生成します。ビーム インデックス チューブは、2 番目のフォーカス システムを使用せずに白黒テレビのようにビームを通常どおりスキャンし、代わりに正しい色の上にあることがわかったときにビームの強度を急速に変化させる代替ソリューションを使用します。これを行うには、チューブに、適切な色に当たるように十分な精度でビームがチューブを通過するタイミングを正確に計る方法が必要です。

Philco 社は、蛍光体に対してビームを適切にインデックス化するという問題に対して、二次放出のプロセスに頼ったアプローチをとった。このプロセスでは、高速電子が周囲の物質から電子を巻き込み、追加の電流パルスを生成する。小さな蛍光体の点が使用されるシャドウマスクとは異なり、アップルチューブではチューブ全体に縦縞模様のカラーパターンが使用されていた。最も基本的なインデックス化の概念は、隣接する RGB ストライプの間に 4 番目の蛍光体のストライプを使用し、目には見えないがテレビ内の電子機器には見える光を発するものである。^[1]

このアプローチを研究するにあたっては、10 年の開発期間に渡ってさまざまなコンポーネント、材料、電子機器が使用されましたが、そのほとんどの期間は秘密にされていました。1956 年に初めて公開された最も一般的なシステムは、インデックス システムとしてアルミニウムの背面に蒸着された酸化マグネシウムのストライプを使用しました。電子機器がインデックス信号に反応して色を調整するのに十分な時間を確保するために、別の「パイロット ビーム」がガンから生成され、チューブ内でメインの「書き込みビーム」を少しだけ先導するように配置されました。インデックス ビームが酸化マグネシウムに当たると、電子のシャワーが放出され、チューブの内側に蒸着された導電性カーボン コーティングによって集められました。低出力のパイロット ビームは、チューブをわずかに目に見える程度の均一な背景強度に薄暗く照らすのに十分な出力でした。^[1]

パイロットビームと書き込みビームの両方がインデックスストライプに当たるため、ビームが管を横切るときに 2 つの信号が生成されます。これらを区別するために、パイロットビームは、インデックスストライプのおおよその位置にあるときにのみ最大出力になるようにタイミングを合わせた可変信号で変調されました。変調信号の周波数は管の形状の関数でした。21 インチ (530 mm) の管では、インデックスストライプは 0.51 インチ (13 mm) の間隔で配置され、1 回の水平スイープには約 53 マイクロ秒かかるため、信号は 7.4 MHz で変調する必要がありました。^[2]

次に、元の変調信号は、二次放射プロセスからの増幅された戻り信号と比較され、ビームの推定位置と実際の位置の差によって位相が変化する純出力が生成される。この位相信号は、従来のカラー デコーダーに送られ、クロマがオンザフライで調整される。パイロット ビームがインデックス上にある間にインデックス間のスペースを掃引するように配置された書き込みビームは、クロマ信号を受信し、その出力が変調されて、ストライプの上にあるときに正しい量の色を生成する。インデックス ストライプに到達するまでに、パイロットの変調信号は最小になり、書き込みビームによって発せられる強い信号は単に無視される。^[2]

パイロットビームと書き込みビームの位置を可能な限り一定に保つために、アップル管は独自の電子銃配置を採用した。ビームは単一の陽極と 2 つの近接した陰極から生成され、その結果、ビームはわずかに異なる方向に進む。次に、ビームは磁気的に集束され、電子銃の直前の点で交差し、そこで単一スリット開口部を使用して信号をクリアにして、鋭いエッジの楕円形ビームパターンを生成する。偏向コイルは開口部の周囲に配置されているため、両方のビームが重なりながら偏向コイルを通過することで、両方の偏向が等しくなる。その後、ビームは開口部の反対側で再び広がり、2 番目の集束配置によって、両方が互いに平行に進むようにした。^[2]

インデックス ストライプから放出された電子はエネルギーが低いため、管の背面にある「ボタン」のピックアップ ポイントまで低速で移動します。移動時間は重要な要素であるため、ビームが管の表面を掃引するときに位相比較のタイミングを調整する必要がありました。管の側面では電子は管のピックアップに近くなりますが、ビームが管の中央にある場合は移動距離が長くなります。これを考慮して追加のタイミング回路が必要でした。^[1]

アップル管の電子部品を実際に作るのは難しいことがわかった。インデックスに基づいて色信号を調整するために必要な高速応答は、当時の管ベースの電子部品では作るのが難しいうえ、システムの電子部品は従来のシャドウマスクセットよりもはるかに高価だった。彼らのデモユニットは、同様のシャドウマスクシステムよりも管が8本多く、当時としてはかなりのコストがかかっていた。^[2]さらに、二次放射は鮮明な信号を提供せず、パイロットビームと書き込みビーム間のクロストークが常に問題となっていた。

インデックス付けの問題に対する別の解決策は、ニューヨーク大学のデイビッド・グッドマンによって導入されました。彼は、フィルコの設計の電子エミッターを、X線を発する新しい素材に置き換えました。これらのX線は、銃の横にある管の後ろにあるシンチレーターによって受信されました。 ^[3]光速は電力に依存せず、インデックス付けに必要なタイミングと比較して本質的に瞬時であるため、新しい設計により、元の設計の複雑なタイミング回路を排除することができました。

アップル管が抱えていた問題をすべて考慮して、フィルコ社のエンジニアたちはその設計を「先進的なアップル」管として採用した。彼らのバージョンでは、X線の代わりに紫外線を発する新しい素材を使用し、シンチレータを単一の光電子増倍管に置き換えた。インデックス ストライプから発せられる光のフラッシュは光電子増倍管によって増幅され、その後通常どおりカラー デコーダに送られた。^[4]タイミング回路自体の遅延は、管上のインデックス ストライプの位置をわずかに調整することで対処された。これにより、インデックス タイミングに関連する回路の多くが排除され、シャーシのコストが削減された。^[要出典]

しかし、同社はまた、当時はまだ開発の初期段階にあり、比較的高価だった独自の複雑な管である光電子増倍管も導入しました。いくつかの開発を経て、同社は高度なアップルシステムを確実に生産できるようになりましたが、生産コストが管1本あたり約75ドル（現在の704ドル）と高すぎ、ツールが1500万ドル（現在の1億4900万ドル）だったため、システムは魅力的ではありませんでした。^[5]

このシステムの開発は英国のシルバニア社とソーン・エレクトリカル・インダストリーズ社にも引き継がれ、1961年に「ゼブラ管」と名付けた詳細を発表した。 ^[6]彼らの仕事は成功したようだが、当時英国ではカラーテレビの標準化に向けた取り組みが進んでいなかったため、この開発から商業版が生まれることもなかった。^{[7] [8]}

Philco がアップル システムを諦めた後、その権利はエンジニアの 1 人である David Sunstein によって購入されました。何年も経ってから、彼は高度なアップル デザインを Uniray として再導入しました。低コストのフォトダイオードの導入により、高度なアップル インデックス システムの複雑さとコストの計算式が劇的に変化し、集積回路として実装されたオールインワンのタイミング システムの導入により、システムのシャーシ側でも同じことが起こりました。かつては便利ではあったものの実用的ではなかったデバイスが、1970 年代初頭までにコスト効率の高いものになりました。^[9]

サンスティーンはオリジナルのフィルコ管と新しい電子機器を使用してユニレイシステムのプロトタイプを製作し、1972年にそのコンセプトを売り込み始めた。日本の企業にシステムのライセンスを供与する動きもあったが、そのほとんどはRCAからシャドウマスクのライセンスを取得しており、ソニーが新たに導入したトリニトロンシステムとの厳しい競争に直面していた。^[9] 1970年代後半にはいくつかの企業がユニレイベースのテレビの開発を開始し、1980年代にはいくつかの異なる製品が導入された。

ビームインデックスは、ビームがチューブをスキャンするときにビームの位置を調整するため、外部磁場は画像にほとんど影響を与えません。そのため、このシステムは、周囲の機器からの干渉が激しい航空電子機器のディスプレイに特に役立ちます。^[10] ロックウェルインターナショナルは、1978年にこの用途で特許を取得しました。^{[11]英国の} フェランティも、パナビアトルネードの中間寿命アップグレードのマッピングディスプレイとして、4インチ×3インチ（102×76 mm）のビームインデックスチューブを提供しました。^[12]

日立はテレビ用に先進的なアップルシステムの開発を開始したが^{[13] 、その代わりにはるかに限定された用途に使用された。唯一広く使われたのは、} 1983年に初めて導入されたハンドヘルドビデオテープレコーダーのカラービューファインダーであった。+1 ⁄ 2 インチ（38 mm）の形状でした。 ^[14]近くの回転磁気記録ヘッドからの干渉を排除することで、カラービューファインダーが実用的になりました。単一の銃と、任意の銃のパワーレベルでのより明るい画像により、インデックス付きディスプレイは従来のシステムよりもはるかに電力効率が高く、バッテリー駆動のアプリケーションで使用できるようになりました。

ソニーもユニレイのコンセプトを発展させ、^[15]「インデックストロン」という商標名で一連の製品を発表した。最初の製品はFP-62「ビディマジック」プロジェクションテレビシステムだった。インデックストロンの管は非常に明るく、3本の管を必要とせずに拡大画像をフロントプロジェクションテレビに直接投影することができ、コンバージェンスの問題を解消した。ベータマックスVCRを内蔵した2番目のバージョンはPF-6​​0として販売された。^[16]よりよく知られているアプリケーションは、目覚まし時計を内蔵した4インチ（100 mm）の「ベッドサイド」テレビであるKVX-370だった。^[17]

三洋は1985年のIndex 1 30CTV1 ^[18]で生成された明るい画像を使用して、「ロリポップ」というニックネームが付けられた新しいスタイルのチューブを製造しました。これは、ディスプレイと平行に配置され、背面ではなく下方に伸びる電子銃を使用しました。カラー画像は、3インチ (76 mm) のディスプレイ全体にインデックスされた単一の電子ビームによって作成されました。ディスプレイは最も厚い部分で42 mmで、キャビネットの奥行きはわずか1.75インチ (44 mm)、高さは9インチ (230 mm) でした。彼らは1985年にソニーウォッチマン (1982) に似た小型テレビでこのシステムを実証し、1986年頃に市場に投入しました。

光学的にインデックスされた管は、赤、緑、青のパターンで配置された色付き蛍光体の縦縞を点灯することで画像を表示しました。縞模様を励起するために単一の電子銃が使用され、ビームの強度が調整されてさまざまな色が生成されます。

各 RGB パターンの後に、チューブの内側面に UV 蛍光体の 1 本のストライプが続きます。このストライプから発せられる光は、チューブ表面の透明な窓の上に配置されたチューブの外側の光電子増倍管またはフォトダイオードによって捕捉されます。光電子増倍管からの信号は増幅され、カラー デコーダー回路に送られます。

カラー デコーダは、既存のカラー バースト信号から光電子増倍管からの信号を電気的に減算します。これにより、単一ビームの変調を進めたり遅らせたりする位相差が生じます。この方法では、ビームの進行が速すぎたり遅すぎたりしても、インデックス システムがタイミングをオンザフライで調整し、適切な色が生成されるようにしました。インデックスに十分な強度の信号を受信するには、ビームを常にオンにしておく必要があり、従来の管に比べてコントラスト比が低下しました。これは、電子ビームをフォトダイオードで追跡するために、いくらかの光を放出する必要があったためです。

ビームインデックス管は、ドットやグリッドの代わりに縦縞のカラー蛍光体を使用する他の 2 種類のテレビ管に似ています。クロマトロンは、表示領域の後ろに吊るされた 2 組の細いワイヤを使用して単一のビームを電気的にフォーカスし、1 組のワイヤはビームを赤側に、もう 1 組は青側に引っ張ります。グリッドは、ビームが通常中央の緑のストライプにフォーカスするように配置されていますが、2 つのグリッド間の相対電圧を変えることで、ビームがカラー ストライプに正確に当たるように配置されています。実際には、ワイヤを蛍光体と揃えておくのは難しく、テレビ アプリケーションでラジオ受信機に干渉する電気ノイズを発します。これは、Yaou、Sony 19C 70、Sony KV 7010U などの商用テレビを含む軍事用途で使用されました。

もう一つの類似した設計はトリニトロンで、ビームインデックス管とクロマトロン管の縦縞と、新しいシングルガン3ビームカソード、およびシャドウマスクの代わりにアパーチャグリルを組み合わせたものである。その結果、シャドウマスク設計の機械的な単純さとビームインデックスシステムの明るい画像を備えた設計が生まれた。トリニトロンは数十年にわたってソニーの主力製品であり、 21世紀にプラズマディスプレイと液晶テレビが広く導入されるまで、従来のカラーテレビディスプレイの最高潮を表していた^[要出典]。