Принципы видеопроекции

Принципы видеопроекции

Среди разработанных на сегодняшний день технологий проецирования цветного изображения на большой внешний экран можно выделить четыре основные, различающиеся в первую очередь типом элемента, используемого для формирования изображения:

• CRT – Cathode Ray Tube;

• LCD – Liquid Crystal Display;

• DLP – Digital Light Processing;

• D-ILA – Digital Image Light Amplifier.

CRT-технология (Cathode Ray Tube).

Первые видеопроекторы были изготовлены в 50-е гг. XX столетия, для того чтобы обеспечить коллективный просмотр телевизионных передач. Аналоговые видеопроекторы на базе электронно-лучевых трубок – ЭЛТ (английская аббревиатура – СRТ) выпускаются нескольких десятилетий. По качеству воспроизведения изображения (разрешение, четкость, точность цветопередачи), уровню акустического шума (менее 20 дБ) и длительности непрерывной работы (10 000 часов и более) они до сих пор не имеют себе равных.

Устройство CRT-проектора.

Лучшие CRT-проекторы строятся на основе трех электронно-лучевых трубок (размеры экранов 7-9 дюймов по диагонали). Каждая трубка воспроизводит один из базовых цветов пространства RGB – красный (R), зеленый (G) или синий (B). Сканирование и получение цветного изображения, в сущности, не отличается от телевизионного. Световой пучок, выходящий из ЭЛТ, фокусируется линзами и распространяется прямо, на проекционный экран.

CRT-проекторы имеют ряд существенных недостатков. При значительных габаритах и массе в несколько десятков килограммов они проигрывают современным портативным мультимедиа проекторам в яркости, поэтому требуют достаточного затемнения. Для достижения наилучшего качества изображения при инсталляции CRT-проектора нужно выполнить множество тонких настроек (сведение лучей, баланс белого и др.), что требует привлечения для отладки квалифицированного персонала. Кроме того, СRТ-проекторы значительно дороже видеопроекторов других типов. Наконец, СRТ-технология, будучи полностью аналоговой, не имеет будущего в эпоху цифрового видео. По причине своих недостатков СRТ-проекторы не получили распространения в области образования.

Однако следует отметить, что только СRТ-проекция способна дать насыщенный «черный цвет». И в этом заключается ее достоинство. Хорошая проекция «черного» позволяет добиться превосходной цветопередачи и проработки деталей при воспроизведении слабоосвещенных, сумрачных сцен фильма. Правда, реализовать это преимущество СRТ-технологии можно только при очень грамотной настройке параметров изображения.

LCD-технология (Liquid Crystal Display).

С появлением телевизоров на жидких кристаллах (ЖК) у разработчиков возникла остроумная мысль использовать ЖК-матрицу как основной элемент в видеопроекторе. Теоретически ЖК-проектор (LCD-проектор) можно заставить работать точно так же, как киноаппарат, используя в качестве источника света мощную лампу, а вместо кинопленки – ЖК-матрицу.

В мультимедийных проекторах, выполненных по технологии LCD, функции формирователя изображения выполняет LCD-матрица (ЖК-матрица) просветного типа.

Принцип действия ЖК-проектора следующий: информация от источника видеосигнала подается на встроенный небольшой жидкокристаллический дисплей с высокой разрешающей способностью, выполненный по тонкопленочной технологии, а затем изображение с этого дисплея через оптическую систему проецируется на удаленный экран. По принципу действия такие аппараты напоминают обычные диапроекторы с той разницей, что проецируемое на внешний экран изображение формируется при прохождении излучаемого лампой светового потока не через диапозитив, а через жидкокристаллическую панель, состоящую из множества электрически управляемых элементов – пикселей. В некоторых моделях используются 3 встроенных дисплея с диагональю 3,3 см, каждый из которых обеспечивает базовый цвет (красный, зеленый, синий). Это усложняет оптическую систему, но обеспечивает более высокое качество изображения.

Созданные компактные и легкие видеопроекторы на жидких кристаллах (ЖК) обеспечивают высокую яркость картинки, поэтому они могут проецировать изображение на существенно больший экран или, при равном с СRТ-проектором размере экрана, допускают просмотр с меньшей степенью «затемнения» видеозала. Однако ожидания не оправдались. Воспроизводить статическое изображение с минимумом подробностей (графиков и диаграмм с крупными подписями) одноматричный аппарат еще способен, но для показа видеоряда он оказался неприменим по той простой причине, что число пикселей в стандартной ЖК-матрице в несколько раз меньше, чем на экране телевизора.

И разработчики в очередной раз решили пойти по проторенному пути: воспользоваться отдельным источником изображения (в данном случае – ЖК-матрицей) для получения картинки каждого первичного цвета. Разрешение при этом возросло бы минимум в три раза. Тогда как быть с источником освещения? Задействовать три лампы? Но каждая из них имеет уникальные характеристики, да и «стареет» при эксплуатации по-своему. Мало того, три лампы накаливания выделяли бы очень много тепла, и для его отведения понадобился бы мощный (а значит, и шумный) вентилятор. И хитроумные конструкторы призвали на помощь зеркала, но не простые, а дихроичные (они отражают один основной цвет, а два других пропускают). Лампа в проекторе одна, но ее луч делится при помощи дихроичных зеркал на три составляющие первичного цвета, которые попадают каждая на «свою» ЖК-матрицу. После этого составляющие вновь собираются в общий луч и направляются в один объектив. Таким образом, на выходе проектора получается полноцветное изображение.

Достоинства и недостатки LCD-проекции. LCD-технология позволила существенно удешевить проекционные аппараты, уменьшить их массу и габариты (LCD-проекторы имеют массу 5-10 кг, а портативные проекторы весят 1,5-2,5 кг) и одновременно увеличить излучаемый ими световой поток. Она адаптирована к воспроизведению цифровых видеосигналов от компьютерных источников и видеофайлов. LCD-проекторы просты в обращении и настройке, сохраняют свои параметры после транспортировки. Но наряду с достоинствами LCD-проекторы имеют и недостатки. Из-за ограниченности собственного оптического разрешения, определяемого числом пикселей в жидкокристаллической матрице, LCD-проекторы воспроизводят без искажения сигналы только одного, как правило, компьютерного стандарта. Для воспроизведения сигналов иных стандартов, в том числе телевизионных, применяются специальные алгоритмы преобразования графической информации к естественному для данного проектора цифровому формату. Наличие непрозрачных промежутков между отдельными пикселями в ЖК-матрицах приводит к появлению на экране заметной глазом сетки. Другой недостаток этих проекторов – довольно сильная засветка экрана при передаче «черного» цвета. Поэтому сумрачные, слабоосвещенные сцены фильма выглядят несколько туманными, мутноватыми, с нарушенной цветопередачей.

Устройство LCD-проектора.

Современные LCD-проекторы выполняются на базе трех жидкокристаллических матриц, размером 0.7 – 1.8 дюймов по диагонали. Световое излучение лампы с помощью конденсора преобразуется в равномерный световой поток, из которого дихроичные зеркала-фильтры выделяют три цветовые составляющие (красную, синюю и зеленую) и направляют их на соответствующие LCD-матрицы. Сформированные ими цветные изображения объединяются в цветосмесительном призматическом блоке в одно полноцветное, которое затем через объектив проецируется на внешний экран.

DLP – Digital Light Processing (Digital Light Processing).

Сравнительно недавно создана новая технология видеопроекции, принципиально отличающаяся от ЖК- и СRТ-технологий, которая называется DLP (Digital Light Processing). Разработчики фирмы Texas Instruments (США) создали специальную микросхему, на которой располагаются до 2 млн подвижных микрозеркал, формирующих изображение, отражая свет лампы на экран. Так как микрозеркала установлены практически без зазоров, изображения воспринимаются цельными, мягкими и объемными, они подобны проецируемым с киноленты. В 1996 г. появился видеопроектор, разработанный той же американской фирмой (Texas Instruments) и основанный на совершенно новом принципе DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка светового потока). Сердцем его стала вышеупомянутая микросхема, называемая DMD-матрица (Digital Micromirror Device, т.е. цифровое микрозеркальное устройство). Это микросхема размером с ноготь, она взаимодействует с видеосигналом очень остроумным и оригинальным образом. На ее поверхности расположено множество микроскопических алюминиевых зеркал, поворачивающихся вследствие воздействия видеосигнала под определенным углом, что приводит к изменению интенсивности света, отражающегося от зеркала (они освещаются мощной лампой). Зеркала имеют размер 16x16 мкм, а расстояние между их центрами составляет всего 17 мкм. Таким образом, активная поверхность занимает 90 % всей площади микросхемы, что увеличивает световую отдачу матрицы. Поворачиваются зеркала под управлением устройства статической памяти с произвольным доступом. Разрешение DMD-матрицы составляет 848 х 600 пикселей. Иными словами, на ней расположено 508 000 зеркал. Изображение она дает монохромное. Цвет получается посредством помещения фильтра основных цветов между лампой и матрицей. Если в проекторе используется только одна DMD-матрица, то изображения первичных цветов формируются на экране последовательно, однако это происходит очень быстро, поэтому благодаря инерционности нашего зрения мы видим полноцветную картинку. Тем не менее, для профессиональных целей (а профессиональная аппаратура, как известно, рано или поздно переходит в разряд бытовой) созданы проекторы, основанные на трех DMD-матрицах и проецирующие на экран действительно полноцветное изображение.

Достоинства DLP-технологии. DLP-проекторы наиболее просты в эксплуатации и не требуют никакой подстройки. Они компактны, легки и просты в установке. DLP-технология гарантирует яркое, «бесшовное» изображение.

D-ILA-технология (Digital Image Light Amplifier)

Другое название этой технологии – LCoS (англ. Liquid Crystal on Silicon — жидкие кристаллы на кремнии). В определенном смысле это «гибридная» технология, использующая жидкие кристаллы на просвет (как в LCD) и вместе с тем на отражение, как в DLP. Но все же, по своей сути, она ближе к LCD.

Устройство и принцип работы D-ILA-проектора.

На полупроводниковой подложке LCoS-кристалла расположен отражающий слой, поверх которого находится жидкокристаллическая матрица и поляризатор. Под воздействием электрических сигналов жидкие кристаллы либо закрывают отражающую поверхность, либо открываются, позволяя свету от внешнего направленного источника отражаться от зеркальной подложки кристалла.

Так же, как и в технологии LCD для формирования цветного изображения обычно используются три матрицы LCoS, призма, дихроичные зеркала и светофильтры красного, синего и зеленого цветов. Но свет проходит через слой жидких кристаллов дважды, отражаясь от зеркальной подложки. Соответственно он дважды подвергается модулирующему воздействию светоклапанов, что делает модуляцию светового потока более эффективной.

Достоинства D-ILA-технологии: 1) великолепное изображение, на котором практически незаметна пиксельная структура; 2) LCoS-матрицы более устойчивы к мощному излучению, чем DLP- и LCD-матрицы, что позволяет делать самые мощные проекторы именно на LCoS-технологии; 3) дают более глубокий черный цвет и более высокую контрастность, чем LCD-проекторы; 4) время отклика жидких кристаллов матрицы LCoS меньше, чем кристаллов, используемых в просветных матрицах в LCD-технологии.