ペネトロン（ペネトレーションチューブの略）は、一部の軍事用途で使用されている限定色テレビの一種です。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。ペネトロンをはじめとする軍事専用のブラウン管（CRT）は、現代の設計では液晶ディスプレイに置き換えられています。
歴史
基本的なテレビ
従来の白黒テレビ（B&W）は、内面に蛍光体が均一に塗布された管を使用しています。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から高速電子ビームが発射され、電子銃付近に配置された一連の電磁石によって、ビームはディスプレイ上で移動します。テレビ信号は一連の縞模様として送信され、各縞模様はディスプレイ上に別々の線として表示されます。信号の強度によってビーム電流が増減し、ビームが管内を横切るにつれて、ディスプレイ上に明るい点や暗い点が現れます。
カラーディスプレイでは、均一な白色蛍光体のコーティングが、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）の光を生成します。これらの原色は人間の目に混ざり合い、単一の色として認識されます。これは従来の電子銃にとって問題であり、これらのはるかに小さな個々のパターンを正確に捉えるには焦点を合わせたり、位置を調整したりすることができません。1940年代後半には、多くの企業がこの問題の解決策として、3つの独立した管を使用するか、単一の白色出力の前に色フィルターを配置するなど、様々な研究を行っていました。しかし、どれも実用化には至らず、この分野は大きな開発関心を集めていました。
ペネトロン
ペネトロンは、ゼネラル・エレクトリック（GE）在籍時に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実現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採用している。しかし、蛍光体コーティングは3つの異なる色で3層に塗布されており、電子銃に最も近い内側は赤、次に緑、そして管の前面に最も近い外側は青となっている。色は電子ビームのパワーを増大させることで選択され、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ために使用されるが、色は制御されない。新しい設計では、この点も実現する必要があった。ペネトロンでは、電圧は色の選択にも使用される。これらの相反するニーズに対処するため、色の選択は外部機構によって提供される。電子銃は白黒セットと同様に電圧によって変調され、電力が増加するとスクリーン上の点が明るくなる。スクリーンの背後に配置された一連の細いワイヤが、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する。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という非常に高い加速電圧が必要であった。そこで、透明な蛍光体層とその間の薄い絶縁層を使用する改良版が導入され、必要な電圧が低減された。[2]この誘電体によって、電子銃からのオフ電圧または蛍光体自体からの二次放出による迷走電子がスクリーンに到達する前に阻止される。
ペネトロンは、色情報を3つの独立した連続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持つ機械式フィルターを使用していました。ペネトロンでも同じタイミング信号が、同じ目的で色選択グリッドの電圧を変化させるために使用されました。1秒間に144回という低いスイッチングレートのため、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。機械式の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可能（ディスクでは困難でした）で、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における大きな進歩でした。
NTSC
CBS方式の導入から間もなく、RCAが新しい方式を導入し、これが最終的に採用されました。CBSのフィールドシーケンシャル方式とは異なり、RCAは画面上のあらゆる点の色を直接エンコードする「ドットシーケンシャル方式」を採用しました。RCA方式の利点は、信号の主要な構成要素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、数百万台もの白黒テレビが新しい信号を受信できる一方で、新しいカラーテレビでは、この追加信号があれば白黒とカラーの両方で視聴することができました。これはCBS方式に対する大きな利点であり、1953年には改良版がNTSCによって新しいカラー規格として採用されました。
主な欠点は、ビームを正しい色に正しく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、小さな穴がフォトエッチングで加工された薄い金属箔で、穴が 3 つの色付き蛍光体ドットの 1 つの真上にく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、通常どおりスクリーンを掃引します。ビームが穴の 1 つを通過すると、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だけ離れているため、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。穴がドットに確実に揃うように、感光性材料を使用してマスクでドットを作成します。
この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画される際に高速で色を選択する必要がありました。これは、高電圧の色選択グリッドを高速で切り替え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、管内を満たし、受信機の電子回路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、3つの独立した電子銃を導入しました。各電子銃には、各層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は家庭用テレビ向けに、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。他の開発者たちは、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続けましたが、いずれも商業生産には至りませんでした。
航空電子機器での使用
ペネトロンには限界があったものの、特殊な用途においては一定の利点を維持していた。カラー放送のドットシーケンシャル方式には適していなかったものの、この欠点は地上波テレビ受信にのみ関係していた。コンピュータディスプレイなど、信号を必要な形式で生成できる状況では、ペネトロンは依然として有用であった。フルカラーガモットの再現が不要な場合、技術の比較的単純さがさらにその魅力を高めた。これらの特性により、ペネトロンは、入力信号の形式が重要ではなく設計者が任意の信号方式を自由に採用できる 軍用航空電子機器などのカスタマイズされた用途に特に適したものとなった。
[3]
航空電子機器用途では、ペネトロンには他にも利点があった。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倍であった。これは、画像にテキストキューを重ねて表示することが多く、読みやすくするためには高解像度が必要となるレーダーディスプレイやIFFシステムに非常に有効であった。さらに、シャドウマスク管では信号の15%しか画面に届かないのに対し、ペネトロンでは信号のすべてが画面に届くため、同じ電力でペネトロンははるかに明るくなった。これは、電力予算がかなり限られていることが多い一方で、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がある航空電子機器用途では大きな利点であった。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なかった。[3]
ペネトロンは1960年代後半から1980年代半ばにかけて、主に2色表示（緑/赤/黄）が一般的に使用されていたレーダーやIFFシステムに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、この時期にペネトロンの利点のほとんどが失われました。焦点合わせの精度が向上したため、シャドウマスクの穴の大きさが不透明領域に比例して大きくなり、表示輝度が向上しました。さらに、新しい蛍光体の導入により輝度はさらに向上しました。ドーム状の歪みの問題は、機械的に堅牢で、強固な金属フレームで管に固定さ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]
その他の用途
ペネトロンディスプレイは、高速カラースイッチングが不要で、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シリーズ端末において、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。
説明
ほとんどのペネトロン管では、内側に赤色の層、外側に緑色の層があり、薄い誘電体層で隔てられています。完全な画像は2回のスキャンによって生成されます。1回目は低出力に設定し、赤色層で停止させます。2回目は高出力に設定し、赤色層を通過して緑色層に到達させます。黄色は、両方のスキャンで同じ場所に照射することで生成できます。
色がオンかオフかのどちらかで、様々な輝度レベルを作り出す必要がないディスプレイでは、色選択グリッドを取り除き、電子銃自体の電圧を変調することでシステムをさらに簡素化できます。しかし、この方法でも問題が発生します。高い電圧で加速すると電子がスクリーンに到達する速度が速くなるためです。つまり、走査によって2回の走査で同じスクリーンサイズと線幅が得ら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、ペネトロンのいくつかの代替配置が実験された。一般的な試みの一つは、選択グリッドの代わりに管の表面に電子増倍管を配置することだった。このシステムでは、低エネルギーの走査ビームを使用し、磁石によって電子が増倍管の側面に衝突するように設定した。すると、高エネルギーの電子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向かう。後に、増倍管から放出されたビームがリング状に着地することが発見され、これにより蛍光体を層状ではなく同心円状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スクリーンに到達します。任意の電力量では、ペネトロンは非常に明るく、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一方で、太陽光が直接当たっても容易に読み取れる明るさでディスプレイを表示する必要がある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関係なく正しい色を生成することが保証されており、これは航空環境では非常に重要な品質です。ペネトロンでは、シャドウマスク システムの小さな点とは異なり、蛍光体が連続しているため、より高い解像度も提供されました。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非常に堅牢です。
シンクレアは初期のポケットテレビ画面でこの技術の派生版を試作しましたが、RGBバージョンは実現できませんでした。このタイプの蛍光管はプロトタイプとして現存しています。
参考文献
引用
- ^ 2,590,018
- ^ 2,958,002
- ^ コックピット、pp. 165-166
- ^ ライフストーリー、87ページ
- ^ Machover, Carl (1972). 「コンピュータグラフィックス端末 - 過去を振り返る」Spring Joint Computer Conference : 443–444 .
- ^ 4,612,483
参考文献
- DN Jarrett、「Cockpit Engineering」、Ashgate Publishing、2005年ISBN 0-7546-1751-3
- デイヴィッド・モートン『エレクトロニクス：テクノロジーの生涯』 p.87、Google Books、ジョンズ・ホプキンス大学出版、2007年、ISBN 0-8018-8773-9
- G. Panigrahi: PENETRON LAND COLOR DISPLAY SYSTEM、イリノイ大学コンピュータサイエンス学部、イリノイ州アーバナ・シャンペーン、米国 (1973年10月、pdf、12MB)
- Thomson-CSF、「イメージ管と表示管 1977 パート 2」(pdf、193MB) データシート:
- OME1199E2 - p.216以降
- OME1269E21 - p.220以降
- TH8102E20 - p.159以降
- TH8104E21 - p.165以降
特許
- 米国特許第2,590,018号、「カラー画像の生成」、ルイス・コラーとフレッド・ウィリアムズ/ゼネラル・エレクトリック、1950年10月24日出願、1952年3月18日発行
- 米国特許第2,958,002号、「カラー画像の生成」、ドミニク・クサノとフランク・ステューダー/ゼネラル・エレクトリック、1954年10月29日出願、1960年10月25日発行
- 米国特許第2,827,593号、「高純度カラー情報スクリーン」、ルイス・コラー/ゼネラル・エレクトリック、1955年4月29日出願、1958年3月18日発行
- 米国特許第2,992,349号、「電界増強発光システム」、ドミニク・クサノ/ゼネラル・エレクトリック、1957年10月24日出願、1961年7月11日発行
- 米国特許第4,612,483号、「チャンネルプレート電子増倍管を備えたペネトロンカラー表示管」、デレク・ワシントン/フィリップス・エレクトロニクス、1983年9月22日出願、1986年9月16日発行
参照
