ペネトロン

ペネトロンは、貫通管の略で、一部の軍事用途で使用される限定カラーテレビの一種です。従来のカラーテレビとは異なり、ペネトロンは限定された色域、通常は 2 色とその組み合わせを生成します。ペネトロンやその他の軍事専用のブラウン管(CRT) は、現代の設計ではLCDに置き換えられています。

従来の白黒テレビ (B&W) では、内面に蛍光体が均一に塗布された管が使用されています。高速電子によって励起されると、蛍光体は光を発します。通常は白色ですが、状況によっては他の色も使用されます。管の背面にある電子銃は高速電子のビームを供給し、電子銃の近くに配置された一組の電磁石によってビームがディスプレイ上で移動します。テレビ信号は一連のストライプとして送信され、各ストライプはディスプレイ上に個別の線として表示されます。信号の強さによってビームの電流が増減し、ビームが管を横切るときにディスプレイ上に明るい点や暗い点が生成されます。

カラー ディスプレイでは、白色蛍光体の均一なコーティングが 3 色の蛍光体の点または線に置き換えられ、励起されると赤、緑、青 (RGB) の光が生成されます。これらの原色が人間の目に混ざり合って、単一の色として見えます。従来の電子銃では、これらのはるかに小さな個々のパターンに当たるように焦点を合わせたり、正確に配置したりできないため、これが問題となります。1940 年代後半には、3 つの別々のチューブを使用したり、前面に色付きフィルターを配置した単一の白色出力を使用したりして、多くの企業がこの問題のさまざまな解決策に取り組んでいました。これらのいずれも実用的ではなく、この分野は開発上の大きな関心を集めていました。

ペネトロンは、もともとゼネラル・エレクトリック（GE）に勤務していたコラーとウィリアムズによって設計された。^[1]当初は、従来の白黒テレビのシンプルさを備えた単銃カラーテレビを製作する斬新な方法として開発された。白黒管と同様に、背面に単一の電子銃を備え、ディスプレイ上に均一な蛍光体コーティングを使用している。ただし、蛍光体コーティングは3つの異なる色で塗布されており、電子銃に最も近い内側に赤、次に緑、そして管の前面に最も近い外側に青となっている。色は電子ビームのパワーを増大させることによって選択され、これにより電子が下層を通過して適切な色に到達できるようにした。

従来のセットでは、電圧は画像の明るさを制御するのに使用され、色を制御するのではありません。これは、新しい設計でも実現する必要があったことです。ペネトロンでは、電圧は色の選択にも使用されます。これらの競合するニーズに対処するため、色の選択は外部メカニズムによって提供されました。銃は白黒セットと同様に電圧によって変調され、電力が増加すると、画面上の明るい部分が生成されます。次に、画面の後ろに配置した細いワイヤのセットが、特定の色層を選択するために必要な追加のエネルギーを提供します。蛍光体は比較的不透明であったため、システムには 25 ～ 40 kV の非常に高い加速電圧が必要でした。透明な蛍光体層とその間の薄い絶縁層を使用して必要な電圧を下げる改良版が導入されました。^{[2]誘電体により、銃からのオフ電圧または蛍光体自体からの}二次放出のいずれかによる迷走電子が画面に到達する前に停止されました。

ペネトロンは、色情報を 3 つの連続したフレームとして送信する初期の CBS 放送システムでの使用に最適でした。CBS の実験用テレビは、白黒管の前で回転する 3 つの色セクションを備えた機械式フィルターを使用していました。ペネトロンでは、同じタイミング信号を使用して、同じ目的で色選択グリッドの電圧を変更しました。1 秒あたり 144 回という低いスイッチング レートにより、高電圧の変化が高周波ノイズの主な発生源にはなりませんでした。機械式 CBS システムとは異なり、ペネトロンには可動部品がなく、任意のサイズで構築でき (ディスクでは困難でした)、ちらつきの問題もありませんでした。これは、ディスプレイ技術の大きな進歩を表していました。

CBS のシステムが導入されて間もなく、RCA が新しいシステムを導入し、これが最終的に勝利を収めました。CBS のフィールド シーケンシャル システムとは異なり、RCA は画面上のすべてのスポットの色を直接エンコードする、「ドット シーケンシャル」と呼ばれるシステムを採用しました。RCA システムの利点は、信号の主なコンポーネントが既存のテレビで使用されている白黒信号と非常に類似していたことです。つまり、何百万台もの白黒テレビが新しい信号を受信でき、新しいカラー セットでは、その追加信号が提供されれば白黒またはカラーのどちらでも表示できます。これは CBS システムに対する大きな利点であり、 1953 年にNTSCによって修正バージョンが新しいカラー標準として選択されました。

主な欠点は、ビームを正しい色に正確に焦点を合わせるのが難しいことでしたが、RCA はシャドウ マスクシステムでこの問題を解決しました。シャドウ マスクは、フォトエッチングされた小さな穴が開けられた薄い金属箔で、穴が 3 つの色付き蛍光体ドットの 1 つに直接位置するように配置されています。3 つの独立した電子銃が個別にマスクに焦点を合わせられ、通常どおりスクリーンを走査します。ビームが穴の 1 つを通過すると、ビームはその穴を通過します。電子銃は管の後ろで互いにわずかな距離を置いて配置されているため、各ビームは穴を通過するときにわずかな角度を持ちます。蛍光体ドットは、ビームが正しい蛍光体だけに当たるようにスクリーン上に配置されています。穴がドットと一列に並ぶように、感光性材料を使用してマスクでドットを作成します。

新しい放送システムはペネトロンにとって深刻な問題を引き起こしました。信号は、ビームがスクリーンに描かれるときに、高速で「オンザフライ」で色を選択する必要がありました。これは、高電圧色選択グリッドを高速で循環させる必要があることを意味し、多くの問題を引き起こしました。特に、管の内部に充満し、受信機の電子機器に干渉する高周波ノイズが発生しました。この問題に対処するために、別の変更が導入されました。3 つの別々のガンを使用し、各ガンに、レイヤーの 1 つに当たるように調整された異なるベース電圧が供給されました。このバージョンでは、切り替えが不要になり、高周波ノイズが排除されました。

こうしたシステムの製造は実際には困難であることが判明し、GE は家庭用テレビ用に、RCA のシャドウ マスク システムを大幅に改良した「Porta-Color」システムを導入しました。他の開発者は、高周波スイッチングの問題を解決する方法を見つけようと基本システムの開発を継続しましたが、いずれも商業生産には至りませんでした。

しかし、他の用途では、ペネトロンの利点はそのままでした。カラー放送のドットシーケンシャル方式には適していませんでしたが、これは無線放送を受信する場合にのみ重要でした。コンピューターディスプレイのように、信号を必要な形式で提供できる用途では、ペネトロンは依然として有用でした。フルカラーガマットが必要ない場合は、ペネトロンの複雑さがさらに軽減され、非常に魅力的になりました。これにより、入力信号の性質が重要ではなく、開発者が望む信号スタイルを自由に使用できる、軍用航空電子機器などのカスタムアプリケーションにペネトロンが適しました。^[3]

航空電子機器の用途では、ペネトロンには他にも利点がありました。蛍光体をストライプではなく層状に使用しているため、解像度が高く、RCA システムの 3 倍でした。これは、画像にテキスト キューを重ねることが多く、読みやすくするために高解像度が必要なレーダーディスプレイやIFFシステムでは非常に便利でした。さらに、シャドウ マスク チューブでは信号の 15% しか画面に届かないのに対し、ペネトロンではすべての信号が画面に届くため、一定の電力に対してペネトロンははるかに明るくなりました。これは、電力予算がかなり限られていることが多いのに、ディスプレイが直射日光に当たることが多く、非常に明るくする必要のある航空電子機器の用途では大きな利点でした。シャドウ マスクがないため、ペネトロンは機械的にはるかに堅牢で、重力負荷による色の変化も発生しませんでした。^[3]

ペネトロンは 1960 年代後半から 1980 年代半ばまで、主に 2 色ディスプレイ (緑/赤/黄) が一般的に使用されるレーダーや IFF システムで使用されていました。従来のシャドウ マスクの改良により、この期間にその利点のほとんどが失われました。焦点合わせが改善されたため、シャドウ マスクの穴のサイズが不透明領域に比例して大きくなり、ディスプレイの明るさが向上しました。新しい蛍光体の導入により、明るさはさらに向上しました。ドーム状の問題は、機械的に堅牢で、強力な金属フレームを使用してチューブに取り付けられたインバーシャドウ マスクの使用によって解決されました。^[4]

ペネトロンディスプレイは、高速カラー切り替えが不要で、ペネトロンの色域の制限が問題にならない一部のグラフィックス端末のオプションとしても提供されていました。IDIは、IDIgraphおよびIDIIOMシリーズ端末で、このようなディスプレイを8,000ドルのオプションとして提供していました。 ^[5]

オシロスコープの大手メーカーである Tektronix は、Penetron タイプの技術を使用して、一部の CRT オシロスコープで限定された色域を提供していました。

ペネトロンのほとんどのバージョンでは、チューブの内側の層は赤、外側の層は緑で、薄い誘電体層で区切られています。完全な画像は 2 回のスキャンによって生成されます。1 回目はガンを低出力に設定して赤の層で停止させ、2 回目は高出力に設定して赤の層を通過して緑に到達します。黄色は、両方のスキャンで同じ場所に当たることで生成できます。

色がオンかオフかのどちらかで、さまざまな明るさのレベルを作成する必要がないディスプレイでは、色選択グリッドを削除し、電子銃自体の電圧を調整することで、システムをさらに簡素化できます。ただし、高い電圧で加速すると電子が画面に早く到達するため、これも問題を引き起こします。つまり、スキャンによって両方のパスで同じ画面サイズと線幅が作成されるようにするには、偏向システムの電力も増加させる必要があります。

この問題を解決するために、ペネトロンのいくつかの代替配置が実験された。一般的な試みの 1 つは、選択グリッドの代わりにチューブの表面に電子増倍管を使用することだった。このシステムでは、低エネルギーの走査ビームが使用され、磁石が電子が増倍管の側面に当たるように設定された。すると、高エネルギーの電子のシャワーが放出され、通常のペネトロン配置の層状蛍光体へと移動する。後に、増倍管から放射されるビームがリング状に着地することがわかり、これにより、層状ではなく同心円状のリング状に蛍光体を新たに配置することが可能になった。^[6]

ペネトロンの主な利点は、シャドウマスクテレビのような機械的な焦点合わせシステムがないことです。つまり、ビームエネルギーのすべてが画面に届きます。任意の電力量では、ペネトロンははるかに明るくなり、通常は 85% 明るくなります。これは、電力供給が限られているが、ディスプレイは太陽光が直接当たっても簡単に読めるほど明るくなければならない航空機の環境では大きな利点です。このシステムは、外部干渉や操縦時の重力加速度にかかわらず、正しい色を生成することが保証されています。これは、航空環境では非常に重要な品質です。ペネトロンは、シャドウマスクシステムの小さな点とは対照的に、蛍光体が連続しているため、より高い解像度も提供しました。さらに、シャドウマスクがないため、ペネトロンは機械的にはるかに堅牢です。

シンクレアは、初期のポケットテレビ画面でこの技術のバリエーションを試しましたが、RGB バージョンを制作することはできませんでした。これらのチューブの例はプロトタイプとして存在します。

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