Двухматричный DLP-проектор

Оптическая схема двухматричного DLP-проектора приведена на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Оптическая схема двухматричного DLP-проектора:
1 – источник света; 2 – цветовой фильтр (Y, M); 3 – световод; 4 – DMD (R); 5 – DMD (G, B); 6 – призма полного внутреннего отражения; 7 – объектив

Появление двухматричных проекторов связано со спецификой источников света, использовавшихся на определенном этапе развития технологии. В таких проекторах фильтр содержит секторы только двух цветов: желтого (смесь красного и зеленого:Y=R+G) и фиолетового (красный с синим: M=R+B). После разделения с помощью дихроичных призм прошедшего через фильтр света на составляющие поток красного цвета постоянно направляется на одну из двух DMD-матриц, а на вторую в зависимости от положения фильтра поступает то зеленый, то голубой. Такая схема с избытком красного цвета позволяет применять в качестве источника наиболее долгоживущие лампы с характерным для их спектра излучения недостатком красной составляющей. В DMD/DLP-проекторах потери энергии светового потока значительно сократились, т. к. система работает на «отражение», не требуется поляризация светового потока. Световая эффективность DMD на 60 % выше по сравнению с LС. Микрозеркала (16х16 мкм²) разделены зазором всего в один микрон, поэтому 90 % площади зеркальной панели способно отражать свет, в то время как только 70 % площади LС-матриц пропускает свет.

Однако DMD/DLP-проекторы имеют недостатки, ограничивающие их применение. DMD-матрица содержит механические элементы (упругие пластины, подвижные подложки, микрозеркала), что существенно усложняет (а, следовательно, и удорожает) их производство. Увеличение разрешения DMD-матрицы требует увеличения ее размера.

Исследователи искали для проецирования технологию, которая бы использовала отраженный свет, но, в то же время, производство светомодулирующей матрицы легко вписывалась в типовой процесс изготовления CMOS-структур и, следовательно, светомодулирующая матрица потенциально могла стать относительно недорогой. Такой технологией стала LCOS (Liquid Crystal on Silicon – жидкие кристаллы на кремниевой подложке).

LCOS-проекторы (D-ILA-проекторы)

Первой в мире разработала LCOS-технологию и внедрила ее в свои мультимедийные проекторы корпорация JVS. Чтобы отделить свою разработку от других, она использует для выпускаемых ею LCОS-матриц специальное название: D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier). Компания Sony для такой же технологии использует название SXRD (Silicon X – tal Reflektive Display). Технология D-ILA явилась развитием технологии ILA-проекторов.

Проекторы ILA

Проекторы ILA используют технологию Image Light Amplifier (усилитель света от изображения), разработанную совместно корпорациями Hughes Aircraft и JVS. В настоящее время выпуск проекторов DLA полностью контролируется корпорацией JVS.

Проектор ILA, как и полисиликоновый, имеет три модулятора для монохромных изображений основных цветов, которые затем смешиваются для получения цветного изображения. Схема такого светомодулирующего блока для одного цвета такого проектора приведена на рис. 2.32.

Рис. 2.32. Модулятор отражательного проектора типа ILA:
1– ЭЛТ; 2 – оптическая система; 3 – фоторезистивный слой; 4 – диэлектрическое зеркало; 5 – слой жидкокристаллического вещества; 6 – прозрачный электрод;
7 – зеркало-поляризатор

Модулятор выполнен на основе ЖК-панели особой конструкции. Данная ЖК-панель является сплошной. В качестве элементов, управляющих степенью прохождения света, используют не тонкопленочные транзисторы как в TFT-матрице, а фоторезистивный слой, на котором с помощью ЭЛТ и оптической системы создается потенциальный рельеф, повторяющий спроецированное с экрана ЭЛТ изображение. (Из-за использования ЭЛТ в некоторых публикациях проекторы ILA называют CRT-проекторами). Между фоторезистивным и ЖК-слоем размещается диэлектрическое зеркало, которое отражает попавший на него световой поток от проекционной лампы.

Свет от проекционной лампы поступает на зеркало-поляризатор, одновременно выполняющее функции зеркала, поляризатора и анализатора. Световая волна, падающая на него под углом 45°, разделяется на две составляющие: одна с поляризацией, параллельно поверхности зеркала, и другая – с поперечной поляризацией, перпендикулярно поверхности зеркала. Первая составляющая свободно проходит через зеркало, а вторая – отражается в направлении модулятора. Прошедший свет отражается от диэлектрического зеркала. Величина светового потока, отраженного от зеркала, определяется потенциальным рельефом в фоторезистивном слое, на который спроецировано видеоизображение.

Благодаря отсутствию зернистой структуры (вся поверхность отражает свет) удается получать значительный световой поток (~12000 ANSI-лм). Достижимое разрешение такого проектора определяется разрешающей способностью монохромной ЭЛТ (в ней экран не имеет шага зерен, характерных для большинства цветных ЭЛТ) и непрерывного фоторезистивного слоя. Поэтому ILA-проекторы формируют исключительно четкое и качественное изображение (точность цветопередачи, широкий динамический диапазон яркости изображения). Однако значительные габариты и масса (120–500 кг), огромная стоимость (150–250 тыс. $) резко ограничивают их применение. При этом ILA-проекторы могут работать только с аналоговым видеосигналом, что делает их видеопроекторами. ILA-проекторы применяются там, где предъявляются повышенные требования к качеству изображения.

Проекторы D-ILA

Основу LCОS (D-ILA)-проекторов составляет LCОS-панель (в некоторых публикациях ее называют отражающей ЖК-панелью – Reflective LCD). Упрощенная структура LCОS-панели приведена на
рис. 2.33.

Рис. 2.33. Упрощенная структура LCОS-панели:
а – вид в разрезе; б – вид части панели спереди;
1 – кремниевая подложка со CMOS-транзисторами; 2 – планарный слой; 3 – отражающая поверхность электрода управления пикселем; 4 – жидкие кристаллы; 5 – общий прозрачный электрод; 6 – стеклянная пластина

В LCOS-матрице, электроды, управляющие жидкими кристаллами, со стороны попадания света имеют отражающие поверхности (исполняют роль микрозеркал). Так как они не подвижны, их можно разместить с меньшим зазором, чем в DMD-матрице. За счет этого коэффициент отражения LCOS-панели для белого цвета достигает 93–95 %.

Конструкция и принцип работы D-ILA-проектора напоминают конструкцию полисиликонового проектора с той разницей, что вместо просветных TFT-матриц в нем используются отражательные LCOS-панели совместно с блоками поляризатора-анализатора. Оптическая схема D-ILA-проектора приведена на рис. 2.34.

 

Рис. 2.34. Оптическая схема D-ILA-проектора:
1 – источник света; 2 – нормальное отражательное зеркало; 3 – цветоделительный дихроичный узел; 4 – дихроичное зеркало (отражает зеленый цвет); 5 – блок поляризатора-анализатора; 6 – LCOS-панель; 7 – смесительная призма; 8 – проекционный объектив

LCOS-проекторы обеспечивают высокую яркость и контрастность изображения, позволяют наращивать разрешающую способность формирователя изображения без значительного увеличения его размеров.

Stanford Resourses, ведущая исследовательская фирма в сфере маркетинга дисплейных технологий, прогнозирует на ближайшие пять лет средний ежегодный рост выпуска LCOS-проекторов на уровне 55 % при общих темпах развития в 31 %.

LDT-проекторы

Технология LDT, или лазерная технология, возникла позднее других, а серийное производство проекционных модулей на ее основе было освоено лишь в 2002 году. Производством таких проекторов занимается немецкая компания Laser Technologies AG.

Для создания изображения здесь используется лазер: три луча (зеленого, синего и красного цвета) модулируются по амплитуде в соответствии с подаваемым видеосигналом. Затем, с помощью специальной системы полупрозрачных зеркал, лучи смешиваются в один поток. Этот световой поток подается по оптоволоконному кабелю на проекционное устройство, которое включает в себя систему фокусировки и оптико-механическую систему развертки. На экране изображение создается построчно, по вертикали лучом управляет качающееся зеркало, а по горизонтали – колесо с 25 зеркалами. Луч, двигаясь сверху вниз, успевает прорисовывать строки слева направо. Так как луч успевает за секунду полностью перерисовать экран 50 раз, глаз воспринимает изображение как единое целое и не замечает мерцания. С помощью лазерного проектора можно проецировать изображение на поверхность площадью несколько сотен квадратных метров, причем это могут быть стены зданий или какие-то другие неровные поверхности. Лазерный луч в любой точке создает яркое и насыщенное изображение.

Светодиодные проекторы

При всех своих достоинствах современные проекторы обладают рядом недостатков, обусловленных применением в качестве источника света металлогалогенных ламп, а именно:

1. проекционные лампы имеют малый ресурс (типичное значение срока службы стандартной металлогалогенной лампы равно 2000 часов при полной мощности и 3000 часов для экономичного режима, лучшие образцы проекционных ламп служат не более 6000 часов);

2. высокое энергопотребление – не менее 100 – 150 Вт;

3. большое тепловыделение;

4. большая масса проектора;

5. большие габариты.

В 2004 г. компания Texas Instruments разработала прототип проектора, где вместо ламп использовались светоизлучающие диоды (LED).

На рис. 1 приведена оптическая схема трехдиодного LED-проектора с последовательным смешением цветов.

Рис. 1 Оптическая схема трехдиодного LED – проектора:

1 – объектив; 2 – световод; 3 – собирающая линза; 4 – дихроичные зеркала; 5 – отражательное зеркало; 6 – светодиод, излучающий свет красного цвета, с каллиматором; 7 – светодиод, излучающий свет зеленого цвета, с каллиматором; 8 – светодиод, излучающий свет синего цвета, с каллиматором; 9 – DMD-чип; 10 – контроллер, управляющий работой проектора.

Как известно, в одноматричных DLP-проекторах количество и цвет попадающего на экран света модулируется вращающимся цветовым колесом-фильтром, работающим синхронно с ним DMD-чипом. В LED – проекторах фильтра не нужно, используется контроллер светодиодов, который управляет периодичностью и длительностью их включения, а также интенсивностью их свечения.

Используется последовательное смешение цветов: в изображении последовательно выводятся на экран: красная, зеленая и синяя составляющие, превращаясь в полноцветную картинку для смотрящего на экран.

Здесь используется способность человека усреднять быстро меняющиеся цвета, которые он видит.

Достоинства данных проекторов следующие:

1. LED – проекторы потребляют существенно меньше энергии (10 Вт, тогда как ламповые аппараты не менее 100 Вт);

2. большой срок службы – десятки тысяч часов;

3. очень малые габариты (127*93*50) и масса (500г);

4. приличная контрастность (1000:1);

5. как правило, более широкая чем у обычных проекторов гамма воспроизводимых оттенков цветов (более широкий цветовой охват).

Недостатки:

1. недостаточная яркость (лучшие имеют 25ANSI – люменов), поэтому нужно затемненное помещение или специальный экран;

2. высокая цена (850 ÷1000 USA)

Ведущие производители LED-проекторов: Toshiba, Sony, Ben Q, Samsung.

Ряд фирм предлагает к 3-м цветам СИД добавить еще 2: голубой и желтый. Пятидиодная схема должна примерно в 1,5 раза повысить световой поток по сравнению с трехцветной. Компания Sony разработала LED-проектор, содержащий 14 светодиодов (по четыре красных и синих, шесть зеленых), яркость которого достигает 50 люмен. Однако энергопотребление такого проектора составляет 30 Вт, из которых 20 Вт потребляют светодиоды.

LED- проекторы позиционируются как проекторы для мобильных презентаций, где очень важными показателями являются масса, размеры, возможность работы без компьютера или ноутбука, без стационарного электропитания.

У LED- проекторов могут появиться новые варианты применения – например, проецирование фотографий с мобильных телефонов.