Проекционные технологии нашего времени

Большинство современных видеопроекторов сегодня выполняются по жидкокристаллической (ЖК) либо микрозеркальной (DLP) технологии. В это же время, два года назад, компания Epson создала жидкокристаллические матрицы, а одновременно с этим компания Texas Instruments разработала новый чип DMD (Digital Micromirror Device) DC3, имеющим разрешение FullHD (1920x1080). В настоящее время ЖК- и DLP-проекторы такого высокого разрешения выпускаются примерно в одинаковом количестве. При этом в рыночной нише проекторов с разрешением выше, чем Full HD, большое численное преимущество имеют DLP-аппараты. При этом все равно нельзя твердо утверждать, что микрозеркальная технология (DLP) станет когда-либо абсолютным лидером. Существенный прогресс уже достигнут и в жидкокристаллической технологии благодаря созданию новых ЖК панелей с модуляцией как пропускаемого (LCD), так и отражаемого (D-ILA, LCOS, SXRD) светового потока, включая и панели с разрешением 4К (4096x2160). В вот таких DMD-чипов пока не существует.

Модуляция пропускаемого светового потока в видеопроекторах

На рис. 1. Изображена оптическая схема LCD-проектора. Проектор содержит источник света 1, включающий ксеноновую или металлогалогенную (МГЛ) дуговую лампу и охлаждаемый отражатель.  Оптические фильтры 2, служащие для задержки инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения, поляризационный конвертер 3, преобразующий поляризованное световое излучение в неполяризованное и наоборот., затем дихроичные зеркала 4 и 5, разделяющие весь световой поток на его составляющие (первичные цвета В, G, R). Зеркала м внешними покрытиями 6 отражают почти весь свет, который на них попадает. Корректирующие светофильтры 7 (Trim Filters) служат для повышения точности разделения цветов. Затем, после прохождения фильтров 7, составляющие цвета R, G и В попадают на ЖК-панели 8, которые, в свою очередь, пропускают их на смесительную призму 9, промоделировав цвета перед этим по интенсивности в полном соответствии с отображаемыми видеосигналами. Тут они собираются в один пучок и далее проецируются через объектив 10.

Главным недостатком ЖК-проекторов с функцией модуляции светового потока является практическая невозможность получения глубокого черного цвета (контрастного изображения). При использовании классических модуляторов технологии TN (Twisted Nematic) этот недостаток, действительно, наблюдается. Он обусловлен следующим: модуляторы нормально открыты в обесточенном состоянии. Это становится возможным благодаря наличию уникальной способности прозрачных, нитевидных молекул этой технологии, которые могут принимать нужное положение в тончайшем слое вдоль профилирующих канавок поверхностей, контактирующих с ними, а также и друг относительно друга в закрученном состоянии, и вдоль вектора воздействующего на них электрического поля.

Взглянув на рис. 2 видно, что молекулы TN располагаются между скрещенными поляризаторами, при этом их начальная ориентация жестко задана при помощи скрещенных поляризаторов: молекулы располагаются на плоскостях поляризации. Затем, при воздействии растущего электрического поля «Е», направление вектора напряженности которого нормально поверхности модулятора. В этом случае молекулы TN начинают переориентироваться вдоль вектора, все менее и менее закручиваясь. При напряженности поля «Е» выше определенной величины молекулы совсем перестают влиять на поляризацию светового потока, и его прохождения через пиксели не происходит. Главная проблема здесь – в нелинейности и неоднородности характеристик управления прозрачностью каждого пикселя, а особенно по достижению предела их запирания. Из-за практической невозможности полностью заблокировать пропускание света всеми пикселями под воздействием подачи одинаковых, но при этом небольших управляющих напряжений, поле черного цвета, которое проецируется ЖК-проекторами с вышеописанными модуляторами, в темном помещении достаточно часто воспринимается как серое.

На начальном этапе развития ЖК-проекторов с вышеуказанным недостатком еще мирились, и основное внимание уделялось вопросу увеличения светового потока. Эта проблема решалась созданием светооптических систем проецирования в целом и источников света повышенной эффективности в частности. Например, высокие потери были из-за пропускания обесточенными TN-модуляторами только лишь 50% света (одну составляющую проходящего светового потока со случайной поляризацией), целиком поглощая (превращая в тепло) ортогональную составляющую. Это стало главной причиной ввода в ЖК-проекторы конвертера поляризации, который преобразует теряемую составляющую светового потока в полезную. Инженерами были разработаны еще и микролинзовые растры (MicroLens Array, MLA), которые необходимо устанавливать непосредственно перед TN-модуляторами. В этом случае каждая ячейка этого растра так фокусирует свет, проходящий через нужный пиксель, чтобы он не закрывался непрозрачной поверхностью подложки. Особое внимание в этом случае уделено защите ЖК-модуляторов от инфракрасного и ультрафиолетового излучений дуговых ламп, которые могли бы повредить пленки и прочие компоненты. В схеме на рис. 1 показано использование двух таких фильтров (2). Первый отражает ИК-излучение, а второй блокирует прохождение ультрафиолетового излучения в канал синего цвета. Защитные фильтры 2 типа Oerlikon UV-Guard™ отличаются высокой стабильностью и, как правило, не затрагивают цвета видимой части всего спектра.

В этой борьбе за повышение контрастности было создано несколько ЖК-модуляторов по иной технологии. Например, фирмы Hitachi и NEC разработали технологию под названием «In-Plane-Switch» (IPS), суть которой целиком поясняется на рис. 3. Как видно, здесь ориентация молекул TN в 100% случаев находится в параллельной поляризаторам плоскости, и даже при полном отсутствии управляющего напряжения IPS-пиксель совсем не пропускает свет, т.е. является нормально закрытым, или черным. Для достижения такого эффекта профилирующие канавки, которые контактируют с молекулами TN, и сборка ЖК-модулятора IPS должны производиться так, чтобы его поляризаторы, с учетом дополнительного сдвига поляризационной плоскости благодаря естественному закручиванию молекул TN, оказались скрещенными. Под воздействием управляющего напряжения TN-молекулы ориентируются вдоль электрического поля, проворачиваясь в той же плоскости. При этом при их повороте на угол 90° светопропускание достигает максимальной величины и молекулы становятся белыми. Благодаря разработке совместного предприятиея LG-Philips, технология IPS и ее модификация S-IPS находит широкое применение в жидкокристаллических дисплеях и телевизорах.

Видеопроекторы с функцией модуляции отражаемого светового потока

Видеопроекторы технологии D-ILA

Оптическая схема канала D-ILA (Digital-Image Light Amplifier)  показана на рис. 4. Один из его компонентов – это специальное зеркало, которое расположено по диагонали узла поляризатора-анализатора. Зеркало выступает в роли поляризационного фильтра PBS (Polarized Beam Splitter), который, в свою очередь, выполняет функции поляризаторов (и входного и выходного) для просветных ЖК-панелей. При угле падения света равням 45° его одна из его составляющих (с поляризацией потока вдоль поверхности зеркала) пропускается. Другая составляющая (с ортогональной поляризацией) отражается и затем направляется на модулятор в виде  ЖК-панели, расположенного перпендикулярно поверхности. Функция модулятора заключается в возврате светового потока с попутным внесением сдвигов поляризации, причем в точном соответствии с управляющими напряжениями на всех пикселях. В этом случае PBS-зеркало выступает как анализатор и пропускает модулированную часть светового потока в объектив, а немодулированную (исходную) – в источник света.

Оптический канал можно считать нормально закрытым, если световой поток, при отсутствии управляющих напряжений, не поступает на его выход. Это и определило особую, нетривиальную структуру (Vertical Alignment) расположения пикселей у модуляторов такого типа. Эта структура условно показана на рис. 5, там же – ее с управляющая характеристика. На рисунке видно, что при отсутствии входного тока молекулы ЖК сориентированы нормально плоскости модулятора и совершенно не влияют на поляризацию светового потока, который они отражают. Если управляющее напряжение (Driving Voltage) увеличить выше порогового значения, то молекулы ЖК поворачивают плоскость поляризации падающего светового потока на модулятор, и в этом отраженном световом потоке (Light Output) начинает проявляться модулированная ортогональная составляющая Р, которую пропускает на экран зеркало-поляризатор проектора. В перспективе, при дальнейшем росте управляющего напряжения ортогональная составляющая замедляет темпы своего роста и, однажды, достигает максимума.

Отражающие жидкокристаллические модуляторы, кроме уменьшения тепловых потерь, имеют и другие преимущества. Их матрица управляющих полевых транзисторов вынесена за пределы жидкокристаллического слоя, а располагается за этим слоем, на подложке с электроникой. За счет этого нововведения удалось достичь увеличения разрешения изображения и поверхности зеркальных электродов. В конечном итоге инженерам удается одновременно увеличить также и яркость получаемого изображения. Вместе с этим, их управляющая характеристика является нелинейной, а это должно компенсироваться некоторой коррекцией амплитудной характеристики канала изображения в проекторе.

Видеопроекторы технологии LCOS

Оптическая схема проекторов, выполненных по технологии LCOS (Liquid Crystal on Silicon), полностью аналогична D-ILA. Схема приведена на рис. 6. В этом случае световой поток от источника света 1, после прохождения защитного инфракрасного фильтра 2 а затем и конвертера поляризации 3, разделяется цветоделительным узлом 4 на желтую (R+G) и синюю (В) составляющие.

После этого эти две составляющие попадают на PBS-блоки 8, предварительно отразившись от зеркал 5 и пройдя через корректирующие светофильтры 7. В этом случае желтая составляющая предварительно разделяется на зеленую (G) и красную (R) компоненты с помощью дихроичного зеркала 6. Затем фильтрованные компоненты цветов R, G и В поступают на модуляторы 9, а после этого, отражаясь от них же, снова в блоки 8 и уже затем в смесительную призму 10. В ней они суммируются в единый световой поток и попадают прямо в объектив 10, предварительно отразившись от зеркала 5.

И еще пару слов о времени отклика (Time Response). Очень часто, сравнивая телевизоры разных типов (LCD с CRT), говорят о низком быстродействии LCD, причем выделяют это как их основной недостаток. Забывая при этом о том факте, что быстродействие CRT-телевизоров не то, что лучше, а даже хуже чем у современных LCD. Широко известно, что хорошая яркость изображения и отсутствие всякого заметного мерцания на экране кинескопных телевизоров обеспечивается благодаря принципу послесвечения люминофоров покрытия, время которого принципиально должно быть не менее 20 мс.

Микрозеркальные проекторы

Технология микрозеркальных проекторов DLP (Digital Light Processing) была разработана фирмой Texas Instruments (TI), и серийные модели таких проекторов появились лет 10 назад. Самые яркие из DLP содержали три DMD-чипа и выполнялись согласно оптической схеме, которая показана на рис. 7.

В этом случае световой поток от источника света, пройдя всю систему с конденсором, затем тепловым фильтром, зеркалами, а также призмой полного внутреннего отражения. После этого поток падает на комбинированную цветоделительную призму, которая выделяет из него составляющие трех первичных цветов и направляет их на поверхности DMD каналов, соответствующих этим цветам. Эти составляющие полностью модулируются чипами, затем отражаются и соединяются комбинированной призмой в единый световой поток, который поступает после этого в проекционный объектив.

Чип DMD – это, по сути, световой модулятор, который состоит из матрицы поворотных алюминиевых зеркал. Каждое зеркало имеет размер 16x16 мкм, а их количество соответствует оптическому разрешению проектора. Крепление зеркал выполняется путем размещения их на подложке при помощи подпружиненных подвесов, которые позволяют им радиально отклоняться от нормального положения в пределах ±10 градусов (около ±12° у последних моделей), как показано на рис. 8. Каждое зеркало может занимать одно из крайних положений: «включено» или «выключено», это целиком зависит от управляющих напряжений. В положении «включено» свет попадает в оптическую систему объектива, в обратном же положении он поглощается. Максимальное время переключения состояний зеркал составляет 2 мкс, а их положение задается с помощью широтно-импульсной модуляцией с определенной частотой полей. Относительное время пребывания зеркал во положении «включено» на интервале каждого телевизионного поля целиком определяется уровнем цветовых составляющих светового потока, длительность которого подвергается 10-разрядной дискретизации. Цветность, воспринимаемая нашим подсознанием, определяется способностью глаза усреднять мгновенные яркости экрана и различия цветовых оттенков всех пикселей экранного изображения. Часто для улучшения эффекта применяется увеличение частоты коммутации всех пикселей с помощью преобразования длинных импульсов в поток более коротких той же совокупной продолжительности.

DLP-проекторы с тремя чипами лидируют на рынке оборудования цифровых кинотеатров. Большинство из них имеет разрешение 2К, при этом световой поток самых ярких проекторов составляет 30000 лм. Сейчас существует и трехчиповые DLP-проекторы, однако заметного распространения на рынке они не получили, т.к. жидкокристаллические и одночиповые DLP-проекторы, имеющие разрешение 1920x1080, стоят гораздо дешевле.

Микрозеркальные проекторы с одним DMD

Известно, что при просмотре изображений от одночиповых DLP-проекторов нагрузка на зрение выше. В этом случае глазам приходится кроме высокочастотного усреднения яркости, делать низкочастотное усреднение цветности, потому что изображение по всему экрану появляется в первичных цветах последовательно. Большинство одночиповых DLP-проекторов имеют вращающийся светофильтр (ColorWheel). В первых моделях он содержал 3 цветных сектора и вращался при этом с частотой 60 Гц. или 3600 об./мин. Модели, имеющие такой светофильтр, обычно называются DLP-проекторами с однократной скоростью фильтра. Частота мелькания цветов у них составляет 180 Гц, что на практике оказалось недостаточным для полного исключения зрительных артефактов и, главное, усталости зрения, которая неизбежно возникает при длительных просмотрах низкочастотно мелькающих изображений.

Хорошо известный всем зрительный артефакт DLP-проекторов с одним DMD-чипом получил название «эффекта радуги». Эффект проявляется в том, что пользователь с хорошей быстротой зрения вместо однотонных  фрагментов изображения иногда может видеть на них чередующиеся вспышки трех основных цветов. Очень часто вспышки такого типа становятся особенно заметными в процессе переключения зрения на отдельные фрагменты изображения, которые расположены на достаточно большом расстоянии друг от друга. В последних моделях DLP-проекторов с одним чипом частота вращения фильтра была увеличена. Кроме того, его стали выполнять с шестицветными секторами, что несколько уменьшило величину мельканий и «эффекта радуги». Фирма «TI» недавно разработала технологию ColorWheel с шестью секторами, которые чередуются как в основных, так и в дополнительных цветах. Также появилась технология BrilliantColor, которая служит для формирования видеосигналов высокого качества для DLP-проекторов со светофильтрами такого типа.

Оптическая схема DLP-проектора, с трехсекторным «ColorWheel», изображена на рис. 9а. Особенностью схемы является светотехнический узел Oerlikon фирмы LightTunnel™, который обеспечивает при своих малых габаритах весьма высокую пылезащищенность, плюс минимальные потери света за счет использования высокоэффективных внутренних покрытий Silflex™ и Deflex™.

В проекционных дисплеях, а также телевизорах с просветными экранами (RPTV) используется иная оптическая схема, которая показана на рис. 9б. Благодаря меньшей цене и простоте обслуживания, эта продукция успешно конкурирует с большеэкранными PDP- и LCD-дисплеями, причем чем меньше толщина конструкции, тем выше конкурентное преимущество. Поэтому у них используются разнообразные ухищрения, которые уменьшают толщину оптической системы. Например, короткофокусные объективы, специальные просветные экраны и т.п. Японская корпорация Mitsibishi несколько лет назад стала первой выпускать 60-дюймовый тонкий DLP-дисплей, имеющий толщину 26 см. и разрешение 1024x768 (модель DDP60). Сразу за ней последовала американская фирма InFocus. Ей удалось еще уменьшить толщину широкоформатных дисплеев RPTV с разрешением 1280x720, у них она составляла до 17,4 см! Фирмы JVC и Sony также недавно начали выпускать жидкокристаллические 70-дюймовые RPTV по технологии D-ILA, имеющих разрешение 1920x1080.

Модели со светофильтром ColorWheel – это разновидности DLP-проекторов с одним DMD-модулятором. Их отличие заключается в наличии дополнительного прозрачного сектора. Очевидно, что применение фильтра ColorWheel с прозрачным сектором несколько увеличивает световой поток проектора, но пир этому уменьшает насыщенность изображения цветом. Следует заметить, что работы по совершенствованию конструкции не прерываются – предлагаются новые разновидности светофильтра ColorWheel, да и в целом все более и более совершенные оптические системы. Норвежская фирма ProjectionDesign, например, в проекторе Action! Model Three 1080 реализовала новинку, схема которой показана на рис. 10. Эта модель имеет две дуговые лампы, светофильтры ColorWheel и оснащена сдвоенным LightTunnel.