Главную роль в проекционной аппаратуре всегда играет источник света, независимо от усовершенствования технологий модуляции светового потока. Возможности повышения качества дуговых ламп сегодня уже почти исчерпаны, и все больше внимания уделяется альтернативным источникам света. Например, к ним относятся как мощные светодиоды (Light Emitting Diode, LED), так и лазеры, которые значительно превосходят дуговые лампы и по ресурсу и по спектральной стабильности потока света.

Светодиодная проекция

Особо интересными светодиоды могут быть для разработчиков DLP-проекторов. Они позволяют конструировать модели с одним DMD без применения светофильтра ColorWheel. Первый светодиодный DLP-проектор появился в 2005 году.

Эта модель фирмы Mitsubishi называлась РК10 и она открыла категорию Pocket – проекторов минимального размера, способных обслуживать экран диагональю только до 60". В качестве источников света в этой модели использовались три мощных светодиода специальной серии LumiLEDS® с ресурсом работы 10 000 часов и функцией последовательного чередования цветов. Уже позже появились аналогичные модели и других производителей проекторов. Например, Box-light, Samsung и Toshiba. А фирма Mitsubishi на выставке CES'2007 продемонстрировала усовершенствованный PocketProjector РК20 (рис. 11), обладающий такими техническими характеристиками: световой поток 25 лм, максимальное разрешение 800x600, габариты 123x97x48 мм, масса 0,5 кг. Восемь светодиодов служили ему в качестве источников света. Панель разъемов проектора предусматривает возможность подключения практически любых источников информации, даже карты памяти типа SD. Также проектор может комплектоваться внешним аккумулятором, который будет способен поддерживать его работу в течение 2 часов. Мощность светодиодов составляет 23 Вт, а всего проектора в целом - 37 Вт.

Принципиальная оптическая схема DLP-проектора на основе светодиодов приведена на рис. 12. В этом случае в качестве источников света выступают светодиоды 1 с рефлекторами 2, которые последовательно излучают световые потоки трех первичных цветов (R, G и В). Совмещение излучений светодиодов по их оптическим осям выполняется с помощью юстировки двух дихроичных зеркал 3. Затем, отражаясь от зеркала 4,  световые потоки, проходя через оптический конденсор 5, попадают на DMD-модулятор 6, а после этого проецируются на экран объективом 7. Эта схема принципиально является более эффективной, чем у DLP-проекторов (рис. 9). И действительно, здесь отсутствует фильтр ColorWheel и уменьшено количество других оптических компонентов, которые ведут к неизбежным световым потерям. Более того, фильтр ColorWheel в светодиодных проекторах несложно реализовать путем введения программного чередования цветов, причем независимо от его секторного деления. Можно даже реализовать возможность выбора таких программ пользователем для минимизации утомляемости при просмотре.

Год назад компания Sony продемонстрировала самый крохотный на то время светодиодный ЖК-проектор (рис. 13). Световой поток проектора в 50 лм создается при помощи блока излучателей. В одном таком блоке находится 14 светодиодов (4 синих, 4 красных и 6 зеленых) мощностью всего 20 Вт при общем энергопотреблении проектора 30 Вт. В итоге получается, что реальная световая отдача такого светодиодного проектора равняется примерно 2,5 лм/Вт, и эта цифра где-то на порядок меньше световой отдачи проекторов на светодиодах и гораздо меньше, чем у самых лучших проекторов на основе дуговых ламп. Впрочем, сегодня Pocket-проекторы только начинают появляться и можно ожидать, что они скоро будет улучшены путем совершенствования оптики блока излучателей.

Лазерная проекция

В настоящее время для проекции изображений одними из самых перспективных считаются полупроводниковые лазеры. В их пользу, в первую очередь, говорит расширенная гамма отображаемых цветов, а также длительный (несколько десятков тысяч часов) срок службы с константной световой отдачей. Кроме прочего, изучаемый полупроводниковыми лазерами свет имеет круговую поляризацию, а она просто и с хорошим КПД легко может быть преобразована в линейную. Это свойство позволяет исключить из жидкокристаллических проекторов конвертеры поляризации, а также упростить их конструкцию в целом.

Схема лазерного проектора типа DLP-RPTV приведена на рис. 14. Источниками света 1 тут являются лазеры Oerlikon OLM™ 3000 всех трех цветов с излучаемой мощностью по 3 Вт. Излучения поступают на дифракционные формирователи 2 (Diffractive Beam Shapers, DBS), которые обеспечивают полную равномерность излучений по их сечениям. После этого они отражаются и собираются вместе дихроичными зеркалами 3. Затем, отражаясь от зеркала 4, их преобразует оптический компонент 5 в широкий пучок лучей, который полностью соответствует апертуре DMD-модулятора 6, при этом модулированный свет проецируется объективом 7 прямо на просветный экран дисплея.

Широко известно, что глаз человека обладает наибольшей спектральной чувствительностью именно для зеленого света. Это значит, что, в частности, 1 Вт. мощности энергетического потока зеленого излучения с длиной волны 555 нм в Международной системе единиц является эквивалентным световому потоку 683 лм. Судя по проведенным расчетам видно, что равно-энергетическое белое излучение света мощностью 1 Вт соответствует световому потоку 250 лм. Расчеты проводились с учетом принятой Международной комиссией по освещению величины спектральной чувствительности зрения к трем основным цветам.

Из этого следует, что излучаемый диодами 1 световой поток (рис. 14) мощностью по 3 Вт, приблизительно соответствует 750 лм, а этого достаточно для яркости 250 кд/м2 на 40-дюймовом просветном экране. Правда, это без учета энергетических потерь на оптических компонентах (данные по их КПД не публикуются).

Компания Novalux из США недавно разработала новую технологию производства очень мощных лазерных источников для света оптического диапазона NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser), которые базируются на принципе увеличения вдвое частоты излучения мощного инфракрасного лазера на нелинейных кристаллах. Компания утверждает, что ресурс работы разработанных ею излучателей достигает 50 тыс. часов совершенно без снижения мощности на выходе и без изменения длины волны излучения видимого диапазона. Характерно при этом, что при производстве 1 млн штук в год прогнозируемая цена трехцветного лазерного излучателя составит менее 100 долларов. Все три цвета могут быть представлены в едином блоке излучателей (рис. 16).

Занимающаяся оптоэлектроникой австралийская фирма Arasor изготовила первый образец лазерного телевизора. Модель была сконструирована путем доработки RPTV Mitsubishi с диагональю 52", со встроенным одночиповым DLP-проектором. Фактически доработка свелась к внедрению лазерного источника света Novalux и замене базовых оптических компонентов телевизора на компоненты фирмы Arasor. Телевизор такой модификации был продемонстрирован в октябре прошлого года и показал явные преимущества перед конкурентами в яркости изображения и чистоте цветов. Затем компания Mitsubishi Electric на выставке CES'2007 продемонстрировала первый лазерный DLP-телевизор на излучателях NECSEL, без применения фильтра СоlorWheel. Как утверждает  Mitsubishi Electric, такой 52-дюймовый RPTV может обеспечить яркость до 500 кд/м2, максимальную контрастность 4000:1 и, по сравнению с плазменными дисплеями, имеет лучший показатель цена/качество. Компания Sony на той же самой выставке продемонстрировала, в свою очередь, прототип лазерного HD-телевизора с диагональю 55 дюймов, разрешением 1920x1080 и толщиной всего 27 см. Немного позже, на выставке lnfoComm'2007 компания Mitsubishi анонсировала HD-телевизор с диагональю 62 дюйма и с толщиной как у плазменных дисплеев. Его прогнозируемая цена составила $3000. Одним словом, процесс был запущен...
Следует также отметить, что производители аппаратуры PDA и сотовых телефонов уже поддержали идею применения микропроекторов на лазерах. Более того, уже появились лазерные пикопроекционные DLP-модули с возможностью встраивания в продукцию фирм Texas Instruments, Motorola и др.

Эта революция началась на выставке CES'2007 с момента появления интересной разработки под названием Nano-Projector фирмы ExPlay (Израиль). Его главная особенность – это одновременное лазера и светодиодов с помощью применения гибридного источника света. Далее световой поток, чтобы получить равномерное излучение, проходит через дифракционные формирователи DBS. После этого он корректируется, поступая на оптический компонент Despeckling Devise, который делает незаметными так называемые "спеклы", представляющие собой гранулированную структуру изображения, от когерентных источников лазерных излучений.

После такой обработки, белый световой поток проходит цветной, предварительно просветный жидкокристаллический модулятор ASML (Advanced Spatial Light Modulator), имеющий максимальное светопропускание 60% и проецируется через объектив (Lens). Гиперфокальное расстояние объектива определяет дистанцию наводки на резкость. Это обеспечивает резкость проецируемого изображения без дополнительной фокусировки. Совместимость представленного нанопроектора с различными системами вывода информации обеспечивается специализированным процессором Mixed Signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit), имеющим 40-контактный интерфейс. Применение жидкокристаллического модулятора, который при модуляции солнечного спектра (или близкого к нему) может формировать безвредное для глаз изображение – это еще одно достоинство разработки ExPlay.

Отличие светодиода от полупроводникового лазера

Главное и принципиальное отличие лазера от светодиода – это наличие оптического резонатора в p-n-структуре лазера, при этом зазор между его образующими зеркалами соответствует длине волны излучения X. При этом зеркало резонатора на выходе является полупрозрачным. В светодиодах же носители электрического заряда p и n рекомбинируют спонтанно, и излучение, возникающее при этом, занимает достаточно широкую полосу частот. Для возникновения вынужденного лазерного излучения требуется ток накачки очень высокой плотности, который мог бы полностью исключить спонтанную рекомбинацию носителей. Квант света при этом, пролетая между зеркалами в обоих направлениях, усиливает свет, принуждая такие же вторичные кванты поддерживать излучение. Особенность состоит в том, что кванты при спонтанном излучении могут испускаться в любых, абсолютно случайных направлениях, в то время, как квант вынужденного излучения принимает направление кванта, вызвавшего это излучение. Оба этих кванта оказываются тождественными друг другу. В идеале вообще лазер должен создавать излучение монохроматического типа, однако на практике довольно трудно этого добиться.

Проблемы и перспективы

Практически по всем показателям лазерные дисплеи превосходят аналогичную продукцию с использованием источников света другого типа. Такой вывод можно сделать, глядя на уже достигнутые результаты. Особо привлекательно при этом выглядит максимальная контрастность, высокая стабильность светотехнических характеристик на протяжении срока эксплуатации и, конечно, минимальное энергопотребление.

Основная характеристика, которая определяет точность цветопередачи – это чистота трех первичных цветов, которые в целом и формируют цветовую палитру изображения с помощью метода матрицирования. Чистота первичных цветов прямопропорционально зависит от стабильности длины волн излучателей R, G и В, а также узости полосы пропускания цветоделительных фильтров.

Диапазон цветов, который воспринимает человеческий глаз (локус), не охватывается полностью при передаче изображения с помощью видеопроекторов на основе типовых источников света, типа металлогалогенных ламп (МГЛ). Особенно хорошо это заметно при передаче зелено-голубых тонов. Проблема возникает из-за широкой полосы пропускания цветоделительных фильтров: они не могут обеспечить чистоту основных цветов. Если же в проекторе применить интерференционные фильтры, то КПД использования потенциала мощности источника света будет низким из-за потерь при выделении спектрально чистых цветов из непрерывного спектра источника. Поэтому разработчики проекционной видеотехники постоянно оказываются перед развилкой: выбрать им высокую яркость вместе с умеренным энергопотреблением, но при удовлетворительной цветности, либо получить отличную цветопередачу, но вместе с ней низкую яркость и высокое энергопотребление. На рис. 17 изображен локус и два треугольника. Черный треугольник очерчивает палитру цветов МГЛ, белый же – лазерных источников света. Широта охвата локуса, по оценкам из разных источников, может достигать 40-45% у жидкокристаллических, PDP и проекционных дисплеев на базе типовых источников света, а также до 60% и 90% у светодиодных и лазерных дисплеев соответственно.

Проведенные эксперименты показали, что в случае использования водяного охлаждения лазеров Necsel, расположенных на площадке шириной 5x5 мм, 225 лазерных диодов растрового излучателя в режиме непрерывной работы всех излучателей выдает более 80 Вт мощности, что эквивалентно световому потоку в 16000 лм. Изменения температуры излучателя при этом поддерживались в пределах 3° С от нормальной. Ясно, что использование таких излучателей может быть перспективно в проекторах для использования в профессиональных кинотеатрах с диффузно рассеивающими экранами. Планировка зала такого кинотеатра должна исключать даже малейшую вероятность прямого попадания излучения на зрителей.

Вполне вероятно, что распространение получат и лазерные пикопроекционные модули невысокой мощности, встраиваемые внутрь аппаратуры PDA, но только в том случае, если производителям удастся доказать их полную безопасность для здоровья глаз. Но не следует думать, что проекторы других категорий и лазерные дисплеи найдут применение и будут распространяться столь быстро. Ведь даже обычная лазерная указка мощностью 1 мВт уже считается опасной для зрения. Согласно американским стандартам, лазеры классифицируются на шесть категорий, из которых только две считаются относительно безопасными для человека.