シャドウマスク

シャドウマスクは、鮮明で焦点の合ったカラー画像を生成するブラウン管(CRT)テレビやコンピューター モニターの製造に使用されている 2 つの技術のうちの 1 つです。もう 1 つの方法は、商標名トリニトロンでよく知られているアパーチャー グリルです。初期のカラー テレビと CRT コンピューター モニターの大部分は、シャドウマスク技術を使用していました。これらの技術はどちらもほとんど時代遅れで、1990 年代以降、液晶ディスプレイ(LCD)に置き換えられつつあります。

シャドウマスクは、スクリーンの前面ガラスの後ろの層にある有色蛍光体を分離する小さな穴が開けられた金属板です。シャドウマスクは、金属板に小さな穴を開ける技術である光化学加工によって作られています。スクリーンの後ろにある 3 つの電子銃がマスクを横切って走査し、ビームは穴を通過した場合にのみスクリーンに到達します。電子銃はチューブの後ろで物理的に分離されているため、ビームは 3 つのわずかに異なる角度からマスクに近づき、穴を通過した後、スクリーンのわずかに異なる場所に当たります。

スクリーンには、3 つの電子銃から発せられるビームのうち 1 つだけが当たるように配置した色付き蛍光体のドットがパターン化されています。たとえば、青色の蛍光体のドットは、マスクの特定の穴を通過した後、「青色の銃」からのビームに当たります。他の 2 つの銃は、赤色と緑色のドットに対して同じことを行います。この配置により、マスクが取り付けられていない状態ではビームが大きすぎて狙いが定まらなくても、3 つの銃はスクリーン上の個々のドットの色に対処できます。

赤、緑、青の蛍光体は、通常、三角形に配置されます(「トライアド」と呼ばれることもあります)。テレビ用に、最新のディスプレイ (1960 年代後半から) では、円形の穴の代わりに長方形のスロットを使用して、明るさを向上させています。このバリエーションは、スロット マスクと呼ばれることもあります。

カラーテレビは、商業放送が普及する前から研究されていましたが、この問題が真剣に検討されたのは 1940 年代後半になってからでした。当時、赤、緑、青 ( RGB ) の信号を別々に使用し、連続して放送するシステムがいくつか提案されていました。ほとんどの実験システムは、従来の白黒テレビのブラウン管の前で回転するカラーフィルター (または「ゲル」) を使用して、フレーム全体を順番に放送していました。各フレームは画像の 1 つの色をエンコードし、ホイールは信号と同期して回転するため、そのカラーフレームが表示されるときに、正しいゲルが画面の前にあります。これらのシステムは色ごとに別々の信号を放送するため、既存の白黒テレビと互換性がありませんでした。もう 1 つの問題は、非常に高いリフレッシュ レートを使用しないと、機械式フィルターによってちらつくことです。^[1] (これは、概念的には、 3 つのカラー チャネルすべてに単一の DLP デバイスが使用されるDLPベースの投影ディスプレイに似ています。)

RCA は全く異なる方法で動作し、ジョルジュ・ヴァレンシが 1938 年に初めて導入した輝度-色度システムを使用していました。このシステムは RGB 信号を直接エンコードまたは送信するのではなく、これらの色を「輝度」と呼ばれる 1 つの全体的な明るさの数値に組み合わせました。これは既存の放送の白黒信号に非常に一致し、画像を白黒テレビで表示できるようになりました。残りの色情報は、複合ビデオ信号を生成するために高周波変調として信号に別途エンコードされました。白黒テレビでは、この追加情報は画像の強度のわずかなランダム化として表示されますが、既存のセットの解像度が限られているため、実際には見えませんでした。カラー セットでは、追加情報が検出され、フィルター処理されて輝度に追加され、元の RGB が再作成されて表示されます。^[2]

RCA のシステムには大きな利点があったが、表示管の製造が困難であったため、開発は成功しなかった。白黒テレビは連続信号を使用し、管には蛍光体を均一に塗布することができた。RCA のシステムでは、色はラインに沿って絶えず変化しており、これは機械的なフィルターが追従するには速すぎた。代わりに、蛍光体を色のついた点の離散的なパターンに分解する必要があった。これらの小さな点のそれぞれに適切な信号を集中させることは、当時の電子銃の能力を超えていた。 ^[2]

1940 年代から 1950 年代初頭にかけて、色彩の問題に対処するためにさまざまな取り組みが行われました。大手企業の多くは、さまざまな方法で画像を再結合する個別のカラー「チャネル」の開発を続けました。RCA もこのグループに含まれていました。1940 年 2 月 5 日、RCA は 3 本の従来のチューブを組み合わせてガラス板上に 1 つの画像を形成するシステムを実演しましたが、画像は暗すぎて実用的ではありませんでした。^[2]

1938年2月4日に半機械式システムを使用して最初の公共カラーテレビ放送を行ったジョン・ロジー・ベアードは、すでに全電子バージョンの開発を進めていました。彼の設計であるテレクロームは、チューブの中央にある蛍光体で覆われたプレートの両側に2つの電子銃を向けていました。ベアードが1946年に亡くなったとき、開発はあまり進んでいませんでした。^[3]同様のプロジェクトにギアチューブがあり、これは小さな3面の蛍光体で覆われたピラミッドで覆われた単一のプレートの裏側に向けられた同様の電子銃の配置を使用していました。^[4]

しかし、これらのプロジェクトはすべて、蛍光体から蛍光体への色のにじみの問題を抱えていました。最善の努力にもかかわらず、幅の広い電子ビームは、少なくとも画面全体にわたって、個々のドットに当たるほど十分に焦点を合わせることができませんでした。さらに、これらのデバイスのほとんどは扱いにくく、画面の外側に電子銃を配置したため、かなりの「デッドスペース」がある非常に大きなディスプレイになりました。

より実用的なシステムでは、管の背面に 1 つの銃を配置し、前面の 1 つのマルチカラー スクリーンに向けて発砲します。1950 年代初頭にかけて、いくつかの大手電子機器会社がこのようなシステムの開発を開始しました。

候補の1つはゼネラル・エレクトリックのペネトロンで、これは画面の裏側に3層の蛍光体を重ねて塗ったものだった。色はビーム内の電子のエネルギーを変えて蛍光体層の異なる深さまで浸透させることで選択された。実際に正しい層に当たることはほとんど不可能であることが判明し、GEは最終的にテレビでの使用を断念したが、航空電子工学の世界で色域を縮小できる用途が見られ、多くの場合3色まで縮小できた。このシステムはそれを実現できた。^[5]

より一般的だったのは、必要な精度を出すためにスクリーンのすぐ後ろに二次的な焦点調整装置を使用する試みだった。パラマウント・ピクチャーズは、スクリーンの後ろに一組のワイヤーを二次的な「銃」として使用し、ビームをさらに焦点合わせして正しい色に向けるクロマトロンの開発に長く熱心に取り組んだ。 ^[6] フィルコの「アップル」管は、電子ビームが横切ると電子バーストを放出する追加の蛍光体ストライプを使用し、バーストのタイミングを合わせることでビームの通過を調整し、正しい色を照射することができた。^[7]

これらのシステムが実際に生産されるまでには何年もかかりました。GE は 1960 年代初頭までにペネトロンの開発を諦めていました。ソニーは 1960 年代にクロマトロンを試しましたが、諦めて代わりにトリニトロンを開発しました。アップルの真空管は 1970 年代に再登場し、さまざまなベンダーで成功を収めました。しかし、これらの取り組みのほとんどを台無しにしたのは、RCA のシャドウ マスクの成功でした。1968 年まで、販売されたすべてのカラー テレビは RCA のシャドウ マスク コンセプトを採用していました。^[8]その年の春、ソニーは最初のトリニトロン セットを発表しました。^[9]

1938年、ドイツの発明家ヴェルナー・フレクシグは、チューブの前面のすぐ後ろに金属板を置き、そこに小さな穴を開けるという一見単純な概念で初めて特許を取得した（1941年、フランスで取得）。この穴は、ビームがスクリーンに当たる直前にビームを集束させるのに使われる。RCAのアル・シュローダーは独立して、同様の配置に取り組んだが、やはり3つの電子銃を使った。研究室のリーダーが上司に設計の可能性を説明すると、それを機能させるために無制限の人材と資金が約束された。^[10]わずか数か月の間に、このシステムを使用したカラーテレビの試作品がいくつか製作された。^[11]

銃はチューブの背面にデルタパターンで配置され、金属板に焦点を合わせるように向けられ、通常通りスキャンした。スキャン中の大部分の時間、ビームはプレートの背面に当たって止まる。しかし、ビームが穴を通過すると、プレートの前面にある蛍光体まで進む。このようにして、プレートはビームが色付き蛍光体のドットと完全に揃うことを保証した。それでも、正しい色付きドットに焦点を合わせるという問題は残った。通常、3つの銃からのビームはそれぞれ、スクリーン上の3つの色付きドットすべてを照らすのに十分な大きさである。マスクは、ビームがスクリーンに当たる直前に機械的にビームを小さなサイズに減衰させることで役立った。^[12]

しかし、このアイデアの真髄は、ビームが金属板にさまざまな角度から接近するという点です。マスクによって遮断された後、ビームはわずかに異なる角度で前進し続け、わずかに異なる場所でスクリーンに当たります。ビームの広がりは、チューブの後ろにある銃間の距離と、マスクプレートとスクリーン間の距離の関数です。スクリーン上の正しい場所に色のついたドットを塗り、相互作用を避けるためにドット間にいくらかのスペースを残すことで、銃は正しい色のスポットに当たることが保証されます。^[12]

システムは単純でしたが、いくつかの重大な実用上の問題がありました。

ビームがマスクを横切ると、そのエネルギーの大部分はマスクに蓄積され、その前のスクリーンには蓄積されませんでした。当時の典型的なマスクの表面は、わずか 15% しか開いていませんでした。従来の白黒テレビと同じ明るさの画像を生成するには、この仮想シャドウマスク システムの電子銃は 5 倍強力でなければなりません。さらに、スクリーン上のドットは、間違った電子銃に当たらないように意図的に離されているため、スクリーンの大部分は黒でした。^[13]これにより、結果として得られる画像を照らすためにさらに多くの電力が必要になりました。また、電力はこれらのはるかに強力な電子銃 3 つに分割されるため、実装コストは同様の白黒セットよりもはるかに高くなりました。^[14]

カラー スクリーンに蓄積される電力量が非常に大きいため、熱負荷が深刻な問題になりました。通常の動作中にシャドウ マスクが電子銃から吸収するエネルギーによって、シャドウ マスクが加熱されて膨張し、画像がぼやけたり変色したりします (ドーム化を参照)。明暗が交互に繰り返される信号によってサイクルが発生し、マスクの歪みを防ぐことがさらに困難になりました。

さらに、この形状では、3 つのビームをスクリーン全体に正しく配置するために複雑なシステムが必要でした。ビームがスクリーンの中央領域を横切るとき、個々の銃からのビームはそれぞれ同じ距離を移動し、マスクの穴に等しい角度で当たります。スクリーンの角では、一部のビームはより遠くまで移動し、すべてのビームがスクリーンの中央とは異なる角度で穴に当たります。これらの問題により、ビームの正しい位置を維持するために追加の電子機器と調整が必要になりました。

開発中、RCA はシャドウマスク システムを機能させることができるかどうか確信が持てませんでした。概念は単純ですが、実際に構築するのは困難で、特に妥当な価格帯では困難でした。同社は、システムが機能しなかった場合に備えて、 Geer チューブを含むいくつかの他の技術を選択しました。1950 年に最初のチューブが製造されたとき、これらの他のラインは廃止されました。^{[引用が必要]}

戦時中の電子機器の進歩により、高周波伝送の広範な分野が実用化され、1948年に米国連邦通信委員会(FCC) は、後にUHFチャンネルとなるものの使用に関する一連の会議を開始しました。当時、米国で使用されているテレビは非常に少なかったため、利害関係者グループはすぐに、互換性のない新しいカラー形式に UHF を使用するというアイデアに落ち着きました。これらの会議では、最終的に CBS が推進していた競合する半機械式フィールドシーケンシャルカラーシステムが採用されました。しかし、会議の最中に RCA が互換性のあるカラーへの取り組みを発表しましたが、議事進行に影響を与えるには遅すぎました。CBS カラーは 1950 年に導入されました。^{[1] [15]}

しかし、RCA システムの将来性は非常に大きく、全米テレビジョン方式委員会(NTSC) がその問題に取り組みました。1950 年から 1953 年にかけて、NTSC は人間の色覚に関する大規模な研究を実施し、その情報を使用して RCA の基本概念を改善しました。^[16] RCA は、この時までに、競合他社よりもはるかに優れた品質の実験用シャドウ マスク セットを製造していました。このシステムは、薄暗く、複雑で、大きく、電力を大量に消費し、これらすべての理由で高価でしたが、使用可能なカラー画像を提供し、最も重要なことに、既存の白黒信号と互換性がありました。これは、最初の FCC 会議が開催された 1948 年には問題ではありませんでしたが、1953 年までに白黒セットの数が爆発的に増加し、単に放棄することは不可能になりました。^[要出典]

NTSC が新しい標準を FCC に承認するよう提案すると、CBS は自社のシステムへの関心を捨てた。^[1]テレビを製造したい業界関係者は皆、RCA の特許をライセンスし、1950 年代半ばまでに多数のテレビが市販された。しかし、カラーテレビは同じサイズの白黒テレビよりもはるかに高価で、現場スタッフによる調整が絶えず必要だった。1960 年代初頭まで、北米のテレビ市場では依然としてわずかな割合しか占めていなかった。1960 年代初頭には生産数が爆発的に増加し、1963 年には週に 5,000 台が生産された。^[8]

シャドウマスクは、光化学加工プロセスを使用して製造されます。まず、フォトレジストでコーティングされた鋼板^[17]またはインバー合金^[18]から始まり、これを焼いて固め、フォトマスクを通して紫外線にさらし、未露光のレジストを除去するために現像し、液体酸を使用して金属をエッチングし、次にフォトレジストを除去します。一方のフォトマスクにはもう一方のフォトマスクよりも大きな暗いスポットがあり、これによりテーパー状の開口部が形成されます。^{[19]シャドウマスクは、金属片[20]}またはレールまたはフレーム^{[21] [22] [23]}を使用してスクリーンに取り付けられます。これらはそれぞれファンネルまたはスクリーンガラスに融合され、^[24]シャドウマスクを張力で保持して反りを最小限に抑え (マスクが平らで、フラットスクリーンの CRT コンピューターモニターで使用されている場合)、画像の明るさとコントラストを高めます。テレビで使用される CRT では、電子ビームがシャドウマスクを加熱して熱膨張を引き起こすときに発生する反りを補正するためにバイメタルスプリングが使用される場合があります。^[25]

1960 年代までに、最初の RCA 特許は終了し、同時に多くの技術的改良が導入されました。これらの改良の多くは、1966 年の GE Porta-Colorセットに取り入れられ、大成功を収めました。1968 年までに、ほぼすべての企業が競合するデザインを持ち、カラーテレビは高価なオプションから主流のデバイスへと移行しました。

シャドウマスクの熱膨張によるドーム化の問題は、いくつかの方法で解決されました。いくつかの企業は、サーモスタットを使用して温度を測定し、膨張に合わせてスキャンを調整しました。^[26]膨張率の違いによって問題を相殺するバイメタルシャドウマスクは、1960年代後半に一般的になりました。インバーおよび同様の低膨張合金は、1980年代に導入されました。 ^[27]これらの材料は磁化しやすく、色に影響を与える可能性がありますが、これは自動消磁機能を含めることで一般的に解決できます。^[26]最後に導入された解決策は、「ストレッチマスク」でした。これは、マスクを高温でフレーム（通常はガラス）に溶接するものです。次に、フレームをチューブの内側に溶接します。アセンブリが冷却されると、マスクは大きな張力を受け、銃からの熱で取り除くことはできませんでした。^{[28] [29]}

1960年代のもう一つの大きな仕事は、明るさの向上だった。希土類蛍光体の使用により、より明るい色彩が生み出され、電子ビームの強度をわずかに低下させることができた。より優れた焦点合わせシステム、特にセットが完璧な焦点に近づくのにより多くの時間を費やすことになる自動システムにより、スクリーン上のドットはより大きくなった。ポルタカラーはこれらの進歩の両方を利用し、銃を三角形ではなく互いに隣り合うように再配置し、ドットを垂直に拡張して、画面の表面をより広く覆うスロットに収めることができた。この設計は「スロットマスク」とも呼ばれ、1970年代に一般的になった。^{[26] [30]}

1970 年代初頭に広く導入されたもう 1 つの変更は、蛍光体パターンの内側のスペースに黒い材料を使用することです。この塗料は、部屋から入ってくる周囲光を吸収し、視聴者に反射される光の量を減らします。これを効果的に機能させるために、蛍光体のドットのサイズが縮小され、明るさが低下しました。しかし、周囲の条件と比較してコントラストが向上したため、フェースプレートははるかに鮮明になり、より多くの蛍光体からの光が視聴者に届き、実際の明るさが増加しました。^[26]灰色のフェースプレートは画像を暗くしますが、周囲光が蛍光体に到達する前に減衰し、視聴者に戻るときに 2 度目に減衰するため、コントラストが向上します。蛍光体からの光は 1 回だけ減衰します。この方法は時間の経過とともに変化し、テレビのブラウン管は時間の経過とともに次第に黒くなっていきました。^[要出典]

カラー CRT の製造では、シャドウ マスクまたはアパーチャ グリルを使用して、フェースプレートのフォトレジストを紫外線光源にさらし、1 色ごとに到着する電子をシミュレートするように正確に配置しました。このフォトレジストを現像すると、必要な場所に 1 色のみの蛍光体を適用できます。このプロセスは、各色に 1 回ずつ、合計 3 回使用されました (このプロセスが成功するには、シャドウ マスクまたはアパーチャ グリルを取り外して正確に再配置できる必要がありました)。

• ドットピッチ
• 絞りグリル
• クロマクリア
• ポルタカラー

• シャドウマスクとは何ですか？