«Пузатый ТВ»: почему инженеры и производители телевизоров прошлого придерживались такой неоптимальной геометрии?

Сегодня, в эпоху ультратонких и идеально плоских дисплеев, выпуклые экраны старых телевизоров воспринимаются многими как курьезный архаизм, символ ушедшей технологической эры. Но почему на протяжении десятилетий инженеры и производители придерживались именно такой, на первый взгляд, неоптимальной геометрии? Ответ кроется в фундаментальных законах физики и технологических ограничениях, которые определяли облик телевизионной техники прошлого.

Об этом стало известно интернет-порталу «ИКС ТВ».

Неизбежность сферической формы

Главным «виновником» выпуклости экранов старых телевизоров была электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), или кинескоп. Это сложное вакуумное устройство, где изображение формируется путем бомбардировки люминофорного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность стеклянного экрана, сфокусированным пучком электронов, испускаемых электронной пушкой. Для того чтобы получить четкое и равномерное изображение по всей площади экрана, необходимо было обеспечить максимально точное попадание электронов на люминофор под прямым углом.

В условиях существовавших тогда технологий управление электронным лучом таким образом, чтобы он корректно и без искажений «рисовал» картинку на большой плоской поверхности, представляло собой чрезвычайно сложную инженерную задачу. Гораздо проще и технологичнее было заставить электронный луч сканировать слегка изогнутую, сферическую или близкую к ней поверхность. Выпуклая форма экрана позволяла обеспечить примерно одинаковое расстояние от источника электронов (катода электронной пушки) до любой точки на поверхности экрана. Это существенно упрощало систему фокусировки электронного луча и минимизировало геометрические искажения изображения, особенно заметные по краям экрана на плоских поверхностях. Попытки создать идеально плоский экран ЭЛТ наталкивались на необходимость разработки гораздо более сложных и дорогих систем отклонения и динамической фокусировки электронов, а также на проблемы с прочностью самого стеклянного экрана.

Атмосферное давление и прочность конструкции

Электронно-лучевая трубка (кинескоп) работает за счет эмиссии электронов из катода (электронной пушки), их ускорения и направления на люминофорный экран. Чтобы электроны могли беспрепятственно двигаться от катода к экрану, не сталкиваясь с молекулами воздуха (что привело бы к их рассеянию и потере энергии), внутри колбы кинескопа создается глубокий вакуум. Давление внутри кинескопа составляет порядка 10⁻⁵ — 10⁻⁸ Па (паскалей), что ничтожно мало по сравнению с атмосферным давлением.

На уровне моря стандартное атмосферное давление составляет примерно 101,325 Па. Это эквивалентно давлению столба воды высотой около 10 метров или давлению, создаваемому массой примерно 1,033 килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности (часто для простоты округляют до 1 кг/см²).

Сила (F), с которой атмосфера давит на поверхность, рассчитывается по формуле:

• F = P * S, где:

• P — давление (в паскалях или кг/см²);

• S — площадь поверхности (в м² или см²).

Давайте представим экран телевизора с диагональю, скажем, 21 дюйм (около 53 см). Площадь такого экрана (очень грубо, для примера, считая его прямоугольным с соотношением сторон 4:3) может составлять примерно 43 см * 32 см = 1376 см².

Если на каждый квадратный сантиметр давит сила около 1 кг, то суммарная сила давления на такой экран будет: F ≈ 1 кг/см² * 1376 см² = 1376 кг.

1376 килограммов — это почти 1,4 тонны! Для телевизоров с еще большими диагоналями (например, 29 или 32 дюйма, которые тоже были популярны на ЭЛТ) эта сила была бы еще больше, легко достигая нескольких тонн.

С точки зрения сопротивления материалов, сферическая или арочная форма является одной из наиболее прочных и эффективных конструкций для противостояния равномерно распределенному внешнему давлению. Такая форма позволяет равномерно распределять возникающие напряжения по всему объему материала, переводя их преимущественно в сжимающие напряжения, которые стекло переносит значительно лучше, чем изгибающие. Использование выпуклой формы для экрана кинескопа позволяло изготавливать его из относительно более тонкого и легкого стекла по сравнению с тем, какое потребовалось бы для создания плоского экрана той же площади, способного выдержать аналогичную нагрузку. Это не только снижало вес и стоимость кинескопа, но и повышало безопасность. В случае случайного повреждения такой экран не разлетался бы на множество острых осколков под действием внутреннего вакуума, а, как правило, имплодировал (схлопывался) внутрь, что было значительно менее травмоопасно для окружающих.

От сферы к «псевдоплоскости» и истинной плоскости

Несмотря на все технологические преимущества выпуклой формы с точки зрения физики работы ЭЛТ и ее конструктивной прочности, производители и потребители всегда стремились к более плоским экранам. Выпуклые поверхности искажали геометрию прямых линий на изображении и были более склонны к улавливанию бликов от внешних источников света, что снижало комфорт просмотра. Это стимулировало инженеров к поиску решений, позволяющих максимально «распрямить» экран, не жертвуя при этом качеством изображения и безопасностью.

Так началась постепенная эволюция формы кинескопов. На смену сильно выпуклым, практически сферическим экранам ранних телевизоров пришли сначала цилиндрические экраны (выпуклые только в горизонтальной плоскости), а затем и так называемые «суперплоские» или «абсолютно плоские» кинескопы (с коммерческими названиями типа Flatron, Wega и т. д.). В этих более совершенных конструкциях использовались более сложные системы электронных пушек, прецизионные отклоняющие катушки с динамической коррекцией геометрии и фокусировки, а также особая форма внутренней поверхности экрана и применение специальных сортов стекла. Однако даже самые «плоские» из этих ЭЛТ все равно сохраняли некоторую, пусть и едва заметную, кривизну, особенно на больших диагоналях. Это был компромисс, вершина развития технологии электронно-лучевых трубок.

Настоящий же переход к идеально плоским экранам, лишенным каких-либо геометрических искажений, стал возможен только с появлением и массовым внедрением принципиально иных технологий отображения информации — жидкокристаллических (ЖК) и плазменных панелей, а позднее и OLED-дисплеев. Такие технологии не используют вакуумные трубки и электронно-лучевую эмиссию, что полностью снимает ограничения, связанные с необходимостью противостоять атмосферному давлению и сложностью прецизионного управления электронным лучом на больших плоских поверхностях. Это позволило создавать тонкие, легкие и идеально плоские экраны практически любых размеров, которые сегодня стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Не просто архаизм

Эволюция от выпуклых кинескопов к современным плоским и даже гибким дисплеям отражает колоссальный прогресс в материаловедении, электронике, оптике и производственных технологиях. И хотя выпуклые экраны навсегда остались в прошлом, они служат важным напоминанием о том, что даже самые привычные и обыденные для нас сегодня вещи когда-то были вершиной инженерного искусства и результатом долгого пути проб, ошибок и преодоления серьезнейших технических вызовов. Кто знает, какие еще технологические трансформации ждут нас в будущем в мире отображения информации? Возможно, однажды и наши ультратонкие плоские экраны будут казаться кому-то таким же архаизмом, каким нам сегодня кажутся «пузатые» телевизоры из прошлого.

Изображение в превью: Автор: preview.reve.art
Источник: preview.reve.art

Напомним, что вы также можете прочесть материал «Компания Samsung Display продемонстрировала концепцию модульного OLED-дисплея».