 |
|
Принципы действия и технологии получения изображений
Любая проекционная система состоит из трех элементов: источника света, оптической системы и экрана с прецируемым изображением. Далее рассмотрим основные технологии получения изображения в проекторах.
Все мультимедийные проекторы, всегда имеют (в том или ином исполнении): управляемый источник света, элемент на котором формируется изображение и оптическую систему линз, фильтров и зеркал (при этом, зеркал может не быть, но линзы есть всегда). При этом, принципы получения изображения (развертка, регенерация и т.д.), как в случае использования ЭЛТ трубок, так и в случае использования жидких кристаллов абсолютно аналогичны принципам, рассмотренным в предыдущей лекции для дисплеев.
Трёхлучевые (ЭЛТ) проекторы
Как отмечалось ранее, история современных проекторов ведет свое начало с 1970 года, когда Генри Клосс создал первый трехлучевой аппарат.
Принцип действия ЭЛТ – проектора (английское название – CRT) таков. Три монохромных кинескопа диаметром 7 - 12 дюймов, каждый из которых закрыт красным, синим или зеленым светофильтром, создают световые потоки, поступающие в оптический объектив. Там они фокусируются и проецируются на экран, где, смешиваясь, создают полно-цветное изображение. Специфика в том, что в самих проекторах этого типа "готовая" картинка отсутствует, она формируется только на экране (рис. 4). Внешний вид проектора показаннарис. 5.
Рис. 4. Принцип действия ЭЛТ проектора
Рис. 5. ЭЛТ проектор
Практическое использование ЭЛТ - проекторов долгое время сдерживалось особенностью формирования телевизионного изображения: на большом экране его растр становился очень заметным, а между строками оставались темные полосы. Из-за этого картинка "разваливалась", как плохая газетная фотография. Проблему удалось решить путем применения удвоителей, а затем и учетверителей строк (т.н. апскейлеров). Естественно, сложность и цена проекторов от этого возросла.
Проекторы такого типа встречаются на рынке реже всего. По принципу действия они несколько напоминают проекционные телевизоры, но в телевизоре электронно-лучевая трубка и экран объединены в одном корпусе, а в проекторе три трубки - по одной на каждый цвет - освещают экран, находящийся на расстоянии.
У современных ЭЛТ - проекторов есть три существенных преимущества:
1. Во-первых, они единственные, способные показывать настоящий черный цвет, ведь в "черных" фрагментах электронные пушки запираются и вообще не излучают. Они прекрасно передают все цветовые оттенки, градации серого цвета; черный цвет получается именно черным, а не темно-серым. В более поздних технологиях, о которых речь пойдет ниже, это нереализуемо в принципе.
2. Во-вторых, можно сделать развертку с огромным количеством строк и получить картинку с чрезвычайно высоким разрешением. В отличие от проекторов всех других типов, разрешение у ЭЛТ - проекторов может регулироваться в широких пределах без ухудшения качества изображения. Обычно значение разрешения для них приводится не в точках, а в телевизионных линиях (ТВЛ), при этом указывается максимально допустимое значение разрешения.
3. Электронно-лучевые трубки служат значительно дольше, чем обычные проекторные лампы.
Однако у ЭЛТ - проекторов есть серьезные недостатки:
1. Прежде всего, они сложны в эксплуатации. Даже обычные аналоговые телевизоры со временем «плывут» (по мере старения трубки), но если в них плохое сведение лучей грозит первоначально лишь легкой размытостью, то в ЭЛТ - прокторах оно фактически приводит к полному отказу. Поскольку расстояние от линз до экрана велико, несведенные световые потоки, пройдя его, дадут вместо изображения бесформенные цветные пятна.
2. Кроме того, ЭЛТ - проекторы при отличной контрастности имеют неважную яркость - электронные пушки просто не в состоянии испускать потоки света, сравнимые с современными лампами, поэтому использование таких проекторов оправдано только в затемненных помещениях.
3. Эти проекторы весьма громоздки. Вес проекторов составляет от десятков до ста килограмм, так что их можно использовать только в качестве стационарных.
4. Цена этих проекторов очень высока. Например, бельгийский проектор фирмы Barco - Cine 9 (размеры 1131 х 390 х 649 мм, вес 85 кг) стоит 3 168 000 руб., а американский проектор фирмы Crystal View – CV2 (размеры 736 х 533 х 965 мм, вес 66 кг) – 1 288 630 руб. (рис. 6).
Рис. 6. ЭЛТ проекторы фирм Barco и Crystal View
У нас на рынке представлены, в основном, ЭЛТ - проекторы этих фирм, проекторы других фирм встречаются крайне редко, да и выпускают их немногие. Здесь можно привести аналогию с ламповой hi-fi аппаратурой, дорогой и предназначенной для узкой прослойки пользователей.
Таким образом, проекторы этого типа предназначены для высококачественного показа видеоматериалов, в затемненных помещениях.
Лазерные проекторы
В некоторой степени наследниками электронно-лучевых трубок являются лазерные проекторы, в которых изображение формируется за счет излучения трех (иногда больше) лазеров. Наследниками — потому, что матрица лазеров формирует три луча тех же цветов, которые потом смешиваются. Изображение создается очень сложной системой фокусировки и развертки, в которой находится специальная система зеркал (рис. 7). По своей сути формирование изображения таким проектором подобно картинке на экране ЭЛТ телевизора — лазерный луч «обегает» проекционный экран сверху вниз до 50 раз в секунду, и глаз человека воспринимает получившуюся картину как единое целое. Реалистичное изображение формируется при этом практически на любой, в том числе и неровной, поверхности, а его характеристики достаточно высоки. С 2000 года, когда началось серийное производство таких проекторов, они стали выдавать более качественную картинку, но все еще остаются проблемы с цветопередачей, хотя изображение и обладает впечатляющими показателями контраста и яркости.
Рис. 7. Излучающая головка лазерного проектора в разобранном виде
Такие проекторы пока остаются в большей степени дорогими профессиональными инструментами — они излишне велики и потребляют много энергии. Однако их конструкция позволяет разделить излучающую батарею лазеров с большим тепловыделением и проецирующую часть. Кроме того, время жизни лазера заметно превосходит срок службы лампы традиционных проекторов, а энергии при сопоставимых параметрах яркости расходуется меньше. Ну, и самым главным достоинством лазерных проекторов является их способность создавать изображения на огромных экранах - диагональ может быть до нескольких десятков метров.
Существуют еще и такие малоизвестные устройства как лазерные ЭЛТ, в которых лазерный луч выбивает световой поток из люминофора, но они мало распространены и находятся на стадии разработки коммерческих прототипов (такие разработки ведутся и в России).
Основные технологии получения изображения в матричных проекторах
В самом общем виде, устройство большинства современных матричных проекторов одинаково. Мощный источник освещает матрицу, на которой формируется изображение, и через блок линз оно передается на экран.
Специфична сама матрица (рис. 8). Именно ее принцип действия определяет тип проектора и его основные технические характеристики. Различают два вида матриц: отражающие и просветные. В первом случае свет от источника отражается и с помощью оптической системы поступает на блок линз, а во втором - проходит сквозь матрицу. Кроме того матрицы бывают квадратные и широкоэкранные.
Рис. 8. Квадратная и широкоэкранная матрицы
Все мультимедиа-проекторы делятся на три группы, отличающиеся друг от друга технологией и способом передачи изображения на экран.
Существуют TFT ЖК - технология (Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор), полисиликоновая ЖК - технология и DMD/DLP-технология (Digital Micromirror Device/Digital Ligt Processing - цифровое микрозеркальное устройство/цифровая обработка света).
Недостатком этих технологий является то, что в процессе работы ЖК матрица задерживая часть светового потока, нагревается. Это тепло нужно отводить, а охлаждать ЖК-панель не очень просто.
Вспомним, что изображение, которое мы видим на экранах цветным, на самом деле складывается из трех монохромных картинок: красной, зеленой и голубой (RGB). Проекторы устроены следующим образом. Лампа дает мощный пучок света, который либо пропускается через миниатюрные ЖК матрицы (в случае применения TFT или полисиликоновой ЖК технологии), либо отражается от специального экрана, состоящего из миллионов крошечных электронноуправляемых зеркал (DMD/DLP технология). После этого (во всех трех случаях) попадает в объектив, а потом на экран.
Технология DLP
Все DLP-проекторы производятся на основе специальных DMD-матриц (Digital Micromirror Device - цифровое микрозеркальное устройство), созданных компанией Texas Instruments. Схема устройства DLP-проектора приведена на рис. 9.
Рис. 9. Устройство DLP-проектора
DMD-матрица представляет собой кремниевую пластину площадью около квадратного сантиметра с отражающими элементами на поверхности. На каждом из них расположено крохотное зеркало, способное под управлением электронной схемы занимать одно из двух возможных положений. В первом положении свет отражается и участвует в создании изображения, а во втором - направляется на светопоглотитель. Таким образом, получается нечто вроде светящегося и "погашенного" пикселя.
Градации серого цвета получаются за счет изменения частоты колебания зеркал (больше "погашенных" пикселей - темнее серый, меньше - светлее). Для создания цветного изображения в одноматричных DLP-проекторах применяют специальные цветовые фильтры-колёса, вращающиеся с огромной скоростью. Так, в каждый момент на экране присутствует картинка только одного из цветов, а в полноцветное изображение она интегрируется за счет особенностей зрения человека.
DMD/DLP технология выглядит следующим образом. На экран из микрозеркал красный, зеленый и синий сигналы передаются поочередно, проходя через вращающийся фильтр. Микрозеркальный экран, являющийся DMD-чипом, направляет луч прямо в объектив. Микрозеркала на чипе могут занимать лишь два положения. В одном из них они направляют луч прямо в объектив, в другом - на светопоглощающую площадку. В зависимости от того, какую долю времени свет направляется в объектив, зависит яркость изображения.
Свойства матриц, характеристики оптической системы и мощность лампы задают качество изображения, которое будет получено на экране. Потери энергии светового потока меньше на 60% по сравнению с ЖК - технологией, поскольку система работает не "на просвет", а "на отражение" и не требуется поляризация светового потока. Еще одна особенность DLP - способность достаточно легко реализовывать изображение высокого разрешения. Микрозеркала размером 16 х 16 мкм разделены зазором в один микрон, поэтому 90% площади зеркальной панели способно отражать свет, в то время как лишь 70% площади ЖК - матриц пропускает свет. Основные узлы DLP-проектора показаны на рис. 10.
Рис. 10. Основные узлы DLP-проектора
Для одноматричных DLP-проекторов характерен т.н. эффект радуги - при быстром повороте головы зрителя или частом моргании контуры объектов "рассыпаются" на первичные цвета. Для борьбы с этим эффектом разработчики стараются увеличивать скорость вращения цветового колеса.
Гораздо лучшими характеристиками обладают трехматричные DLP-проекторы.
Свет, проходя через призму, разделяется на три составляющие, каждой из которых соответствует одна DMD-матрица. Цветовые фильтры-колёса в таких проекторах уже не требуются, и эффект радуги отсутствует в принципе. Особенностью этой схемы является то, что световые потоки проходят через призму в двух направлениях: от источника света к матрицам и от матриц к объективу.
У DMD-матриц нет инерционности изображения, равным качеством обладают как статичные, так и подвижные картинки.
Из возможных проблем технологии стоит упомянуть об эффекте залипания зеркал. Поскольку они меняют свое положение с очень высокой частотой и имеют крайне малые размеры, реакция некоторые из них может запаздывать, из-за чего они выпадают из общей картины. При просмотре видеофильмов это почти не заметно, но при работе, скажем, в AutoCAD разрывы линий и лишние точки будут сильно раздражать.
DLP-проекторы самые легкие и компактные по сравнению с остальными.
Технология LCD
Главное достоинство LCD-проекторов (LCD - Liquid Crystal Display) - относительно невысокая цена. Это сейчас одна из самых распространенных технологий. Схема устройства LCD -проектора приведена на рис. 11.
Рис. 11. Схема устройства LCD -проектора
Поток света, создаваемый мощной лампой, проходит сквозь LCD-матрицу, как через кинопленку, затем через объектив, и готовое изображение проецируется на экран. В настоящее время используют трехматричные тракты, где каждая из матриц отвечает за одну из составляющих цвета. В самых дешевых проекторах или экземплярах, подвергавшихся ударным нагрузкам, возможно смещение картинки одной из матриц, из-за чего у общего изображения появляются цветные контуры, как у ненастроенного ЭЛТ - аппарата или монитора с плохим сведением. Но разница заключается в том, что CRT еще можно настроить, а LCD - нет.
Для LCD-проекторов характерно очень красочное и яркое изображение, которое хорошо для мультфильмов, компьютерных игр или презентаций, а вот при просмотре обычного кино картинка подчас кажется не очень естественной, как бы неумело раскрашенной.
Существенным минусом LCD является невозможность получения полноценного черного цвета, он больше похож на серый. Это понятно - матрица работает на просвет, а жидкие кристаллы физически не способны создать абсолютно непрозрачный участок изображения. По этой же причине нельзя реализовать достаточное количество градаций серого цвета. Это важно при просмотре видеофильмов, где наличие полутонов во многом определяет естественность картинки, а для анимации или компьютерной графики несущественно.
Зато LCD-аппараты отличаются наибольшей яркостью, причем качественное изображение получается в помещении при искусственном или естественном освещении. Кроме того, они очень просты в эксплуатации и требуют минимальных настроек, компактны и легки, поэтому часто применяются для выездных презентаций или учебных занятий, а более дорогие модели - как основа недорогого домашнего кинотеатра.
Разновидностью LCD-проекторов являются HTPS (High Temperature PolySilicon - высокотемпературный поликристаллический кремний). Первоначально технология HTPS была рассчитана на изготовление видоискателей камер, но довольно быстро распространилась на производство настольных, портативных и стационарных ЖК - проекторов. Полисиликоновые панели выпускаются с разным разрешением - до 1920 х 1080 с соотношением сторон 16:9, а самые маленькие, с диагональю 0,55 дюйма, позволяют создавать миниатюрные переносные аппараты.
Если у TFT-дисплея основным элементом является аморфный кремний, который при поляризации света забирает значительную часть светового потока, то поликремневая панель выгодно выделяется тем, что задерживает значительно меньше света. Второе обстоятельство, позволяющее экономить энергию светового потока, заключается в том, что в полисиликоновых проекторах оптическая система разделяет белый луч на три составляющих, и, например, красный луч нагревает только свою матрицу. Полисиликоновая технология позволяет более эффективно использовать энергию ламп - при одинаковой мощности лампы полисиликоновые проекторы по сравнению с TFT дают изображение на 30% более яркое.
К тому же в полисиликоновых проекторах, можно применять лампы большой мощности, не галогенные, а металлогалогенные (три меньших матрицы охлаждать гораздо легче, чем одну большую).
Кроме яркости, качество изображения характеризуется также и контрастностью. И здесь полисиликоновые проекторы позволяют получить более контрастное изображение по сравнению с TFT-проекторами. Схема устройства HTPS– проектора показана на рис. 12.
Рис. 12. Схема устройства HTPS – проектора
Свет ртутной лампы сверхвысокого давления, пройдя через поляризатор и линзу-конденсор, с помощью зеркал разлагается на красный, зеленый и синий лучи, каждый из которых освещает свою матрицу. Светофильтры при такой схеме уже не нужны. Составляющие изображение световые лучи основных цветов прецизионно совмещаются на призме и направляются на проекционный объектив. Поскольку матрицы работают на просвет, этим проекторам трудно правильно воспроизвести фрагменты с малым уровнем яркости и полноценный черный цвет. Иногда возникают проблемы с обеспечением чистоты цвета по всему экрану. На рис. 13 можем видеть проектор в разрезе.
Рис. 13.HTPS- проектор в разрезе
Технология LCOS
LCOS (Liquid Crystal On Silicon - жидкие кристаллы на кремнии) - одна из самых молодых. Первой эту технологию начала использовать JVC, причем для обозначения собственных разработок она применяет аббревиатуру D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier). Принцип действия D-ILA-проекторов напоминает HTPS, но ЖК - матрицы, формирующие изображение, работают не на просвет, а на отражение (рис. 14).
Рис. 14. Устройство D-ILA-проектора
Проекторы D-ILA уверенно справляются с компьютерными статичными картинками и естественно воспроизводят видео, с полноценным черным цветом. Важной особенностью LCOS-матриц можно считать получение высоких разрешений малыми средствами. Аппараты, основанные на этой технологии, могут успешно применяться в цифровых кинотеатрах с относительно большими экранами и реально обеспечивать прекрасное качество картинки. Минимальный вес таких моделей примерно 6 - 7 кг, но мощные аппараты для больших кинозалов могут весить и 100 кг.
Итак, из всех перечисленных типов проекторов наиболее распространены жидкокристаллические, самое высокое качество изображения дают электронно-лучевые, самые большие экраны – лазерные проекторы, а самыми перспективными считаются микрозеркальные проекторы. Получается, что явного лидера здесь нет. Тем не менее, из множества имеющихся проекторов разных типов можно выбрать модель, оптимально подходящую для конкретной цели.
В последние годы ведутся разработки лазерных кинескопов и проекторов - с самосветящимися матрицами. Такие аппараты не нуждаются в отдельном источнике света, но пока это только опытные разработки.