С.В. КУКЛИН

СВЕТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2012

Министерство культуры Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

кино и телевидения»

С.В. КУКЛИН

СВЕТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Рекомендовано Учебно – методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200100 – Приборостроение и специальности 200101 - Приборостроение

Санкт-Петербург

2012

УДК 778.27, 628.947

Куклин С.В. Светооптические проекционные системы. Учебное пособие.- СПб.: изд. СПБГУКиТ, 2012.

В учебном пособии «Светооптические проекционные системы» рассмотрены современные технологии и устройства видеопроекции. Определены основные требования и параметры к проекционным светооптическим системам различного назначения. Изложены вопросы выбора, расчета и проектирования светооптических систем для кино- и видеопроекции, рассмотрены пути повышения их световой эффективности.

Учебное пособие предназначено для студентов очной, заочной и вечерней форм обучения, обучающихся по напрвлению подготовки 200100 «Приборостроение» и специальности 200101 «Приборостроение».

Учебное пособие может быть рекомендовано также студентам, обучающимся по специальностям 210312 «Аудиовизуальная техника» и 210102 «Светотехника и источники света»; бакалаврам и магистрам по направлениям подготовки 200100 «Приборостроение», 210400 «Радиотехника» и 210100 «Электроника и наноэлектроника». Кроме того, оно может быть использовано специалистами в области кино- и видеотехники.

Редактор Л.Н. Горбачева

Корректор О.А. Оськова

Подписано в печать 27.09.2012. Формат 60х84 1/16

Бумага офсетная. Объем 13,25.печ.л. Уч.-изд. л. 13,1.

Тираж 100 экз. Заказ

Редакционно-издательский отдел СПбГУКиТ

192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская,22

Подразделение оперативной полиграфии СПбГУКиТ

192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская

ISBN 978-5-94760-124-4

© С.В. Куклин, 2012

Введение

В настоящее время в мире существуют сотни тысяч кинотеатров, в которых используются 35мм кинопроекторы, и такая ситуация сохранится, видимо, еще долгие годы.

Современные пленочные кинопроекторы создают изображения высокого качества по таким параметрам, как яркость, разрешающая способность, воспроизведение цветов, диапазон контраста. В то же время получаемое качество изображения при использовании кинопленки снижается из-за наличия целого ряда отрицательных факторов, включая процесс тиражирования фильмокопий, динамическую неустойчивость изображения, коробление и вибрацию пленки, выцветание красок и физический износ фильмокопий, а также такие дефекты, как царапины и грязь. Кроме того современные кинопроекторы претерпели лишь незначительные изменения по сравнению с образцами, разработанными в первой половине XX века, что объясняется их сравнительной простотой и надежностью.

В последние годы уделяется все больше внимания разработке и популяризации форматов кинопленок для больших экранов и соответствующего проекционного оборудования (например, IMAX, Megasystems и др.), что позволяет существенно улучшить качество экранного изображения.

Применение цифровых технологий позволяет получить и спроецировать на большой экран изображение, не уступающее по качеству обычным пленочным системам кинопоказа и устранить проблемы, связанные с кинопленкой.

Для получения высококачественного изображения на экране в том и другом случае необходимо иметь соответствующую яркость экрана, которая обеспечивается светооптической системой кино- или видеопроектора.

Развитие цифровых систем видеопоказа потребовало новых подходов к разработке светооптических систем. В таких системах спектральные параметры источников света должны быть адаптированы к спектральным характеристикам цветоделительного устройства видеопроектора. В видеопроекторах с тремя модулирующими матрицами в цветоделительном устройстве необходимо обеспечить параллельный пучок световых лучей, который после разделения на составляющие R,G,B должен быть спроецирован на соответствующие матрицы с достаточной величиной и равномерностью яркости. Вследствие того, что для сложения цветоделенных световых потоков используется специальная призма-куб, расположенная между матрицами проектора и задней линзой объектива, характерной чертой проекционных объективов, используемых в таких видеопроекторах, является увеличенный задний рабочий отрезок, который должен быть согласован с фокусным расстоянием объектива.

В видеопроекторах размеры кадра на модулирующей матрице, как правило, меньше размеров кадра на кинопленке. При этом меньший размер кадра требует минимального размера межэлектродного расстояния дуги газоразрядной лампы. В этом случае плотность светового потока в кадре существенно возрастает, обеспечивая высокую яркость. Однако при уменьшении длины дуги для сохранения большого светового потока необходимо увеличить давление газа в колбе лампы, или ток дуги, или то и другое вместе. Увеличение давления в колбе требует наличия высокопрочного кварцевого стекла для колбы лампы, соответствующей технологии изоляции и герметизации при высокой точности изготовления.

Разработка новых типов ламп с меньшими размерами дуги и колбы позволяет увеличить эффективность светооптической системы и уменьшить ее массогабаритные размеры. Увеличение световой эффективности объясняется тем, что меньший диаметр стеклянной колбы лампы не экранирует световые лучи от зеркального отражателя вблизи оси лампы.

В системах видеопоказа с большой загруженностью оборудования возникает необходимость повторного зажигания лампы из горячего состояния, что может привести к снижению срока службы или выходу ее из строя. Поэтому технологические требования к конструкции таких ламп являются гораздо более высокими.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И УСТРОЙСТВА ВИДЕОПРОЕКЦИИ.

Проблема получения высококачественного цветного цифрового изображения на внешнем большом экране, имеющем размеры более 1 метра по диагонали, давно стоит перед конструкторами и учеными всего мира. Особенно остро она проявилась с появлением электронно-цифрового кинематографа. В настоящее время наиболее известны и распространены большеэкранные проекционные видеосистемы (видеопроекторы), которые обеспечивают проекцию телевизионного изображения на отражательные или просветные экраны сравнительно большого размера.

Для электронно-цифрового кинематографа специально разработаны видеопроекторы, которые обеспечивают воспроизведение фильмов на больших экранах. Такие фильмы создаются, обрабатываются и проецируются в цифровом формате.

Проекторы, используемые в цифровых кинотеатрах, имеют большую мощность и могут показывать подвижное изображение с большой яркостью и высоким разрешением, большим числом градаций яркости, высокой контрастностью и точной цветопередачей. Кроме того, в этих проекторах имеется возможность регулировки параметров видеоизображения и обеспечиваются уникальные для цифрового кино защитные функции контента. Такие проекторы получили название цифровых кинопроекторов.

Наряду с видеопроекционными системами существуют разнообразные матричные панели с большими излучающими, отражающими или просветными экранами. В настоящее время именно они считаются наиболее перспективными средствами для отображения визуальной информации на больших экранах (диагональ экрана от метра до десятков метров).

К числу устройств такого типа можно отнести плоские жидкокристаллические, плазменные, светодиодные и автоэмиссионные экраны, а также видеопанели (видеостены), состоящие из набора обычных (не проекционных) кинескопов.

В соответствии со спецификацией цифрового кинематографа (DCSS – Digital Cinema System Spec v1), утвержденной ассоциацией ведущих киностудий Голливуда Digital Cinema Initiatives (DCI) в 2005 году, системы воспроизведения и проецирования в цифровом кинематографе должны обеспечивать [1, 2]:

• преобразование цветового пространства X’ Y' Z’ дистрибутивного контента формата DCDM в цветовую палитру, натурально отображаемую проектором;

• отображение с собственной разрешающей способностью 4096х2160 или 2048х1080. Если разрешающая способность проектора составляет 4096х2160, а контента 2048х1080, система проецирования должна обеспечить конверсионный переход от 2048х1080 к 4096х2160. Изображение не должно конвертироваться к разрешению меньшему, чем у контента;

• поддержку частоты следования кадров и больше одного формата проецирования. Если формат кадра отображаемого контента не совпадает с номинальным для проектора, соответствующее преобразование должно обеспечить проецирование в формате контента;

• полные функциональные возможности воспроизведения с любого места расписания;

• сообщение перед рестартом после прерывания энергоснабжения о том, что воспроизведение аварийно прерывалось с предложением перезапустить его с места, предшествующего аварии, а также регистрировать такие события.

• непрерывное воспроизведение, без прерываний и сбоев;

• коррекцию задержки звука на  5 кадров изображения с дискретностью 10мс.

Экран должен быть не зеркальным, одинаково отражающим по всему видимому спектру и иметь маскирующую черную окантовку, приспосабливаемую к рамке проецируемого изображения как минимум форматов 1,85:1 или 2,39:1. Рекомендуется, чтобы яркость экрана, вызванная отражением его посторонней (паразитной) засветки в кинотеатральных залах, была меньше 0,03 кд/м². Правила техники безопасности и дежурное освещение дверей в зале могут вызвать более высокую засветку экрана, что уменьшает контрастность экранного изображения.

В табл. 1.1 приведены в качестве справочных основные параметры и их допустимые отклонения для экранных изображений, используемых при создании цифровых кинофильмов (DCDM).

Таблица 1.1

Основные параметры экранных изображений цифровых кинофильмов

Параметры изображения	Номинальные значения	Допустимые отклонения
		в комнате просмотра	в зале
Разрешение	2048х1080 или 4096х2160	-
Яркость в центре экрана, кд/м2	48	 2,4	 10,2
Спад яркости изображения на периферии экрана, %	85 относительно центра экрана	80…90	70…90
Координаты цветности белого в центре экрана	х = 0,3140, у = 0,3510	 0,002 для х, у	 0,006 для х, у
Равномерность цветности белого по углам экрана	Соответствует центру	 0,008 для х, у относительно центра	 0,010 для х, у относительно центра
Контрастность (Full)	Не менее 2000:1	Не менее 1500:1	Не менее 1200:1
Контрастность (Checkerboard)	Не менее 150:1	Не менее 100:1	Не менее 100:1
Шкала серого (Grayscale)	Отсутствие видимых переходов цветовых оттенков
Передаточная g-функция	2,6	 2% на компонент	 5% на компонент
Гамма цветов	Как минимум содержащая белый, черный, красный (0,680x; 0.320y; 10.1Y), зеленый (0,265х; 0,690у; 34,6Y) и синий (0,150х; 0,060у; 3,31Y) цвета
Цветная точность	Соответствует колориметрии	+/- 4Е	+/- 4Е

При измерении светотехнических параметров используется тестовый сигнал белого поля, измеритель яркости и спектрорадиометр. Контрастность изображения определяется по двум методикам: как отношение яркостей экрана при проекции белого и черного поля (Sequential Full On / Full Off, Full) в полностью затемненном помещении и при проецировании шахматного поля (Intra-frame Checkerboard) как отношение суммарных яркостей белых и черных прямоугольников на экране.

Следует отметить что показатель контрастности Full On / Off малоинформативен, так как в основном определяется яркостью экрана при проецировании черного поля и освещенностью экрана окружающей средой. Очевидно, эти составляющие могут быть значительно уменьшены, например путем автоматического диафрагмирования (уменьшения светосилы) объектива при проецировании черного поля. Адаптивное управление диафрагмой всегда применяется производителями, декларирующими многотысячную контрастность своих проекторов.

Среди разработанных на сегодняшний день технологий проецирования цветного видеоизображения на внешний экран можно выделить четыре основные, получившие наиболее широкое применение в коммерческих продуктах ведущих производителей и различающиеся в первую очередь типом элемента, используемого для формирования изображения:

• на базе электронно-лучевых трубок (CRT – Cathode Ray Tube);

• на базе жидкокристаллических матриц LCD (Liquid Cryctal Display), работающих на просвет;

• на базе микрозеркальных матриц DMD (DigitalMicromirror Device) с цифровой обработкой света DLP (Digital Light Processing);

• на базе жидкокристаллических матриц, работающих на отражение ILA (Image Light Amplifier) и D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier).

В каждом случае свойства формирователя изображения определяют основные достоинства и недостатки технологии, а следовательно, и области применения созданных на ее основе проекционных аппаратов.

Кроме указанных технологий проекции цветного изображения, в последние годы интенсивно развивается технология LDT (Laser Display Technology), основанная на использовании в видеопроекторах лазеров. Лазерный видеопроектор позволяет получить очень высокие показатели яркости, контрастности, разрешения и цветопередачи. По качеству цветопередачи лазерный проектор значительно превосходит LCD, DLP, и D-ILA видеопроекторы, так как оно определяется не спектральным составом излучения лампы и светофильтрами, а характеристиками монохроматических лазерных излучателей. Такие излучатели могут иметь высокую мощность, поэтому теоретически лазерная технология позволяет создать очень яркие изображения больших размеров, масштаб которых может легко регулироваться. Все это говорит о том, что данная техника может быть стандартизована для электронно-цифрового кинематографа.

1.1. CRT-видеопроекторы

Видеопроекторы на базе электронно-лучевых трубок (CRT) выпускаются в течение уже нескольких десятилетий. Но, несмотря на появление более современных технологий, по качеству воспроизведения изображения (разрешение, четкость, точность цветопередачи), уровню акустического шума (менее 20 дБ) и длительности непрерывной работы (10000 ч и более) они до сих пор не имеют себе равных. Ни одна другая технология пока не обеспечивает столь же глубокий уровень черного и столь же широкий динамический диапазон яркости изображения, благодаря которым CRT-проекторы позволяют различать детали даже при демонстрации затемненных сцен. Физические характеристики флуоресцирующего покрытия экрана трубки исключают потерю информации при воспроизведении видеосигналов разных стандартов (NTSC, PAL, HDTV, SVGA, XGA и т.д.), а сходство технологий производства используемых в проекторах трубок с телевизионными обеспечивает точность передачи цветов без применения алгоритмов гамма-коррекции.

Обладая несомненными достоинствами, особенно при демонстрации видео, CRT-проекторы имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих сферу их применения. При характерном для таких проекторов световом потоке в пределах от 100 до 600 ANSI – лм просмотр программ возможет лишь в отсутствие внешнего освещения [3]. Увеличение светового потока в современных CRT-проекторах до 2000 ANSI – лм позволяет на экране с диагональю до 6 м получить яркость приблизительно 100кд/м², достаточную для затемненного зала. Однако высокая яркость изображения обычно связана с пропорциональным снижением разрешающей способности. При этом для работы в освещенных помещениях с паразитной засветкой экрана порядка десятков люкс по-прежнему приходится использовать остронаправленные экраны с коэффициентом усиления от 5 до 10.

Планарное (в одной плоскости) расположение трех (R, G, и B) электронно-лучевых трубок и проекционных объективов в таких проекторах приводит к неприятному окрашиванию изображения, заметному зрителям на краях сектора наблюдения. Со стороны красного канала изображение окрашивается синим и наоборот, со стороны синего канала в изображении преобладает красный оттенок.

Если для увеличения яркости в CRT-проекторе используется совместная работа нескольких (до четырех) триад кинескопов (12 кинескопов) на один экран то этот недостаток частично компенсируется путем переворота порядка чередования каналов. Например, в первом и третьем ярусе устанавливаются R, G, B кинескопы, а во втором и четвертом – B, G, R. При этом, естественно, возрастают габариты и стоимость устройства. Кроме того, обеспечить совмещение большого числа (до двенадцати) наложенных растров можно только используя сложные и дорогие цифровые системы автоматического управления. Вместе с тем следует отметить, что используя двухтриадный (шестикинескопный) видеопроектор со светофильтрами различной поляризации на каждой из двух триад, можно получить стереоскопическое изображение, но зрители должны пользоваться поляризационными очками. Шеститриадный (18 кинескопов) стереовидеопроектор в сочетании с линзово-растровым экраном обеспечивает наблюдение пятиракурсного объемного изображения. В этом варианте возможно прямое безочковое наблюдение, но зона расположения зрителей ограничена [3].

Для достижения наилучшего качества изображения в CRT-проекторах нужно выполнять множество тонких настроек (сведение лучей, баланс белого, фокусировка проекционных объективов и т.д.), что требует привлечения квалифицированного персонала. После перемещения аппарата на новое место, замены вышедшего из строя компонента или естественного ухудшения параметров с течением времени все процедуры необходимо повторить заново. Таким образом, к достаточно высокой цене самого устройства могут добавляться значительные эксплуатационные расходы.

В настоящее время наибольшее распространение получили CRT-проекторы на трех R, G, B электронно-лучевых трубках с размерами экрана кинескопа от 7 до 9 дюймов по диагонали при линейном горизонтальном расположение каналов. Общий вид и упрощенная схема такого видеопроектора показаны на рис. 1.1.

Каждая трубка воспроизводит один из базовых цветов пространства R, G, B – красный, зеленый и синий.

Выделенные из входного видеосигнала цветовые составляющие управляют работой модуляторов соответствующих трубок, меняя интенсивность электронного луча, который под воздействием магнитного поля отклоняющей системы (генератора развертки) сканирует внутреннюю поверхность экрана трубки с фосфорным покрытием. Таким образом на экране трубки формируется изображение одного цвета.

а) б)

Рис. 1.1 CRT-видеопроектор: а – общий вид; б – упрощенная схема видеопроектора; 1 – видеоусилители; 2 – проекционные кинескопы; 3 – проекционные объективы; 4 – генератор развертки; 5 – отражательный экран

С помощью проекционного объектива изображение проецируется на внешний экран, где смешивается с проекциями от двух других трубок для получения результирующего цветного изображения.

Разработкой и выпуском кинескопных CRT-видеопроекторов занимаются такие фирмы, как Sony, Panasonic, Barco, Gretag, Iregami, Mitsubishi, NEC, RCF, Vidikron. Параметры некоторых кинескопных видеопроекторов ведущих фирм приведены в табл. 1.2 – 1.5.

Таблица 1.2

Параметры кинескопных видеопроекторов фирмы Sony

Проектор Характеристика	VPH-600QM	VPH-1031QM	VPH-1041QM
Световой поток, лм	300	300	600
Диагональ экрана, м	1,4 – 1,5	1,8 – 5	1,8 – 5
Разрешающая способность, твл	900 RGB 520 НТСЦ / ПАЛ	1100 RGB 650 НТСЦ / ПАЛ	1000 RGB 650 НТСЦ / ПАЛ
Проекционное расстояние, м	1,7 (1,4) 2,1 (1,5)	2,5 (1,8) 6,4 (5)	2,5 (1,8) 6,4 (5)
Потребляемая мощность, Вт	155	195	210
Размеры, мм
ширина	508	532	532
высота	258	280	288
глубина	592	597	597
Масса, кг	27	38	30
Строчная частота, кГц	15 – 36	15 – 36	15 – 36
Полевая частота, Гц	40 – 150	40 – 150	40 – 150
Рекомендуемые экраны
тип масса, кг	VPS-600F 5,4	VPS-700R 17	VPS-700R 17
	VPS-550C 5,7	VPS-72HGI 14	VPS-72HGI 14
		VPS-100FI 8	VPS-100FI 8
		VPS-100HGI 30	VPS-100HGI 30

Примечание. В скобках указан размер диагонали экрана.

Таблица 1.3

Параметры кинескопных видеопроекторов фирмы Panasonic

Проектор Характеристика	PT-102Y (GY)	PT-302Y	PT-B1010E/EF
Световой поток, лм	650	650	700
Диагональ экрана, м	1,3 – 3,0	3,8 – 7,6	2,0 – 3,0
Разрешающая способность, твл	1000 (R, G, B) 650 (НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ)	1000 (R, G, B) 650 (НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ)	1100 (R, G, B) 800 (НТСЦ, ПАЛ, СЕКАМ)
Проекционное расстояние, м	1,6 (1,3)	4,5 (3,8)	2,5 (2,0)
Потребляемая мощность, Вт	180	180	365
Размеры, мм
Ширина	576	576	606
Высота	290	290	305
Глубина	606	606	765
Масса, кг	35	35	49
Рекомендуемые экраны
диагональ, м	1,3 1,8 2,5 3,0	3,8 5,1 7,6	2,0 2,2 2,5 2,8 3,0

Примечание. В скобках указан размер диагонали экрана.

Таблица 1.4

Параметры кинескопных видеопроекторов фирмы Barco

Проектор Характеристика	Barco vision, Retro vision 600	Barco vision 1500S	Barcodata Retro data 600	Barcodata 1001	Barco graphic 400	Retro graphic 400
Световой поток, лм
При площади белого поля 10%	750	1620	600	1230	400	400
При площади белого поля 20 %	520	980	470	850	300	300
Ширина экрана, м	1,0 – 6,0	2,0 – 6,6	1,0 – 6,0	2,0 – 8,8	2,0 – 2,4	1,36
Разрешающая способность, твл	800 RGB	1000 RGB	1600 RGB	2200 RGB	2000 RGB	2000 RGB
Диагональ кинескопов, см	18	23	18	23	18	18
Масса, кг	37	72	48	72	49	187
Полоса видеочастот, МГц	15	15	30	30	100	100

Таблица 1.5

Параметры кинескопных видеопроекторов Esprit фирмы Gretag

Проектор Характеристика	300S	535S	700S	1000S
Световой поток, лм
при пиковой яркости	600	600	600	600
при нормальной работе	500	450	450	450
Ширина экрана, м	1,2 – 6,1	1,2 – 6,1	1,2 – 6,1	1,2 – 6,1
Разрешающая способность, твл	800 RGB 550 НТСЦ/ПАЛ	1024 RGB 550 НТСЦ/ПАЛ	1280 RGB 550 НТСЦ/ПАЛ	1280 RGB 550 НТСЦ/ПАЛ
Размеры, мм
ширина	533	533	533	533
Высота	197	197	197	197
глубина	740	740	740	740
Масса, кг	34	46	46	52
Полоса видеочастот, МГц	20	30	70	70

Следует отметить, что в настоящее время объем выпуска CRT-видеопроекторов составляет менее 1% от видеопроекторов, работающих по новым технологиям LCD, DLP, ILA и D-ILA. При этом CRT-проекторы выпускаются в основном для особых приложений, требующих сверхвысокого разрешения [3, 4, 5].

1.2. LCD-видеопроекторы

В видеопроекторах, выполненных по технологии LCD (Liquid Crystal Display), функции формирователя изображения выполняет жидкокристаллическая LCD-панель (матрица) просветного типа. 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 слайд, а через жидкокристаллическую панель, состоящую из множества электрически управляемых элементов – пикселов. В зависимости от величины приложенного к каждому такому элементу переменного напряжения меняется его прозрачность, а следовательно, и уровень освещенности участка экрана, на который проецируется данный пиксел.

Жидкокристаллические (ЖК) матрицы, работающие на просвет, можно разделить на два типа: с пассивными и активными элементами. Матрицы с активными элементами формируют изображение более высокого качества, поэтому они нашли широкое применение в устройствах воспроизведения изображений.

В ЖК-матрицах с активной адресацией каждый элемент работает под управлением отдельного тонкопленочного транзистора (TFT – Thin Film Transistor). Сам транзистор и соединительные проводники, занимая значительную часть поверхности матрицы, снижают ее световую эффективность и препятствуют увеличению разрешающей способности.

Принцип работы ЖК-матриц, используемых в LCD-проекторах, основывается на свойстве молекул жидкокристаллического вещества менять пространственную ориентацию под воздействием электрического поля и оказывать поляризующий эффект на световые лучи [3, 6, 7, 8]. Это объясняется тем, что молекулы жидкого кристалла (нематика) представляют собой электрические диполи. Если поместить нематик в статическое поле, то все его молекулы примут определенную ориентацию. Свет, прошедший через такой слой нематика, окажется линейно поляризованным. Изменение направления электрического поля приводит к изменению ориентации его молекул. При этом плоскость поляризации света, проходящего через него, будет поворачиваться. Таким образом, появляется возможность управлять плоскостью поляризации света при изменении приложенного электрического поля. Это поле изменяется под действием информационных импульсов видеосигнала. В общем случае принцип работы ЖК-ячейки в открытом и закрытом состоянии показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Принцип работы ЖК-ячейки в открытом

и закрытом состоянии

Устройство ЖК-матрицы представлено на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Устройство ЖК-матрицы, работающей на просвет

В состав матрицы входят две стеклянные подложки толщиной около 1 мм. Зазор между подложками составляет единицы микрометров (не более 10 мкм) и строго соблюдается по всей площади матрицы. Для этого в конструкции матрицы предусмотрены специальные зазорозадающие элементы: шарики или цилиндры из твердого материала (спейсеры). Этот зазор заполняется молекулами жидкого кристалла. На внутренние поверхности стеклянных подложек наносится система продольных Х и поперечных (строчных) Y проводников-электродов, а также управляющие TFT-транзисторы. На внешние поверхности подложек наклеиваются линейные поляризационные фильтры с определенной ориентацией плоскости поляризации (обычно с взаимно перпендикулярными осями поляризации).

Для получения цветных изображений в настоящее время используется как минимум три способа:

• с разделением цветов в пространстве;

• с разделением цветов во времени;

• с совмещением цветов во времени и пространстве.

Разделение цветов в пространстве – наиболее распространенный способ получения цветного изображения. В этом случае элемент изображения (пиксел) состоит из нескольких элементов различных цветов (как правило, красный R, зеленый G, синий B). При наблюдении с определенной дистанции эти элементы сливаются, и мы наблюдаем их как единый пиксел произвольного цвета. Однако при пространственном разделение цветов эффективная яркость составляет всего 20 – 30% от максимальной. На рис. 1.4 показана структура ЖК-матрицы с пространственным разделением цветов.

В случае разделения цветов во времени ЖК-матрица поочередно освещается источником света красного, зеленого и синего цветов. Для получения различных цветов чаще всего используется вращающийся диск с секторами разного цвета. При таком способе от модулятора требуется повышенное (в три раза) быстродействие, что затруднительно в ЖК-матрицах. Кроме того, временное разделение цветов снижает максимальную яркость в три раза.

Совмещение цветов во времени и пространстве является наиболее эффективным, однако необходимо использовать три модулятора. Этот принцип совмещения цветов позволяет получить наиболее высокую яркость изображения, но требует качественного (точного) совмещения выходных пучков света от каждого из трех модуляторов.

Рис. 1.4. ЖК-матрица с пространственным разделением цветов

Соответственно системы с использованием этого принципа являются наиболее дорогими.

Современные высокоразрешающие LCD-проекторы выпускаются в основном на базе трех ЖК-матриц размером от 0,7 до 0,8 дюймов по диагонали. Оптическая схема такого видеопроектора показана на рис. 1.5.

Световой поток от источника света 1 собирается отражателем и проходит через оптические фильтры 2, не пропускающие ИК- и УФ-излучения; конвертор поляризации 3, преобразующий теряемую в ЖК-матрицах составляющую S светового потока в полезную Р; дихроические зеркала 4 и 5, разделяющие световой поток на составляющие первичных цветов R, G, B, и зеркала 6 с внешними покрытиями, отражающие почти 100% попадающего на них света.

Рис. 1.5. Оптическая схема LCD-проектора

Корректирующие светофильтры 7 (Trim Filtres) обеспечивают точность разделения цветов. Пройдя фильтр 7, составляющие R, G, B попадают на соответствующие ЖК-матрицы 8, которые изменяют их плоскость поляризации в соответствии с отображаемыми видеосигналами и пропускают на смесительную призму 9. Здесь они собираются вместе и далее проецируются объективом 10 на внешний экран.

Следует отметить, что в данном случае рассмотрен один из вариантов построения оптической системы. Например, в LCD-проекторах Sony, в оптической системе после источника света устанавливается оптический компенсатор естественного спада освещенности от центра кадра к его периферии. В качестве компенсатора используется фасеточная (линзовая) система. Кроме того, для того, чтобы собрать как можно больший световой поток, создаваемый источником света, в оптической системе видеопроектора применяются конденсорные линзы, а перед каждым пикселом устанавливается микролинза [7].

Тем не менее, чтобы здесь нового ни придумывали, все равно это не устраняет некоторых принципиальных недостатков LCD-проекторов с просвечиваемыми ЖК-матрицами. Наличие в матрице непрозрачных элементов электроники, например токопроводящих проводников и TFT-транзисторов, существенно уменьшает эффективную площадь пиксела. Практически она сокращается на 30 – 50% в зависимости от размеров пиксела и эффективности микролинзовых растров. За счет этого уменьшается и световая эффективность такой матрицы, а также ее разрешение.

Использование различных способов повышения светового потока приводит к проблемам охлаждения и создания термостойких ЖК-матриц, особенно при их малых размерах. Кроме того, основным недостатком LCD-проекторов с модуляцией пропускаемого светового потока считается невозможность получения глубины черного, то есть высокой контрастности изображения.

В настоящее время выпускается сравнительно небольшое количество моделей LCD-проекторов с разрешением 1920 х 1080 и модуляцией пропускаемого светового потока в основном до 6000 ANSI-лм, которые могут использоваться в цифровом кинематографе в соответствии со спецификацией DCSS (хотя формально спецификация DCSS предполагает минимальное разрешение 2К (2048 х 1080), что близко к разрешению 1920 х 1080).

Основные параметры некоторых моделей таких видеопроекторов приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Основные параметры LCD-проекторов

Производитель	Eiki	Fujitsu	Sanyo	Sony
Модель	LC-HDT10	LDF-0711	PLV-HD10	VPL-CW125
Число, тип и размер матрицы	3 x ЖК (1,65'')	3 х ЖК (1,3'')	3 х ЖК (1,65'')	3 х ЖК (0,74'')
Световой поток ANSI-лм	5500	1200	6000	3000
Разрешающая способность	1920 х 1080	1920 х 1080	1920 х 1080	1366 х 800
Контрастность (Fullon/Fulloff)	1000:1	3300:1	1000:1	500:1
Лампа: количество – тип – мощность, Вт/ресурс работы, ч	4 – UHP – 250/2000	UHP – 250/2000	4 – UHP – 250/1500	UHP – 250/2000
Размеры (Ш х В х Д), мм	580 х 250 х 780	500 х 160 х 420	580 х 250 х 780	372 х 90 х 298
Масса, кг	38	12	38	4,1

К числу последних достижений здесь следует отнести видеопроектор Sanyo PLV-HD2000 (7000 ANSI-лм, 2048 х 1080), который может составить конкуренцию новым технологиям проекторов средней яркости с разрешением 2К [9].

1.3. Ila и d-ila – видеопроекторы

В видеопроекторах ILA (Image Light Amplifier – усилитель яркости изображения) относительно слабый световой поток от управляющих кинескопов усиливается мощным излучением проекционной лампы, а отношение мощностей излучений можно трактовать как коэффициент усиления. Применение кинескопов в качестве управляющих элементов позволяет оперативно менять частоты разверток и форматы получаемого изображения, то есть перестраивать видеопроектор с одного формата изображения на другой достаточно просто. На рис. 1.6 показана оптическая схема ILA-видеопроектора [7].

Рис. 1.6. Оптическая схема ILA-видеопроектора

Одним из основных его компонентов является зеркало-поляризатор, разработанное в корпорации Hughes Aircraft. Это зеркало при попадание света под углом 45° полностью пропускает световую составляющую с поляризацией вдоль поверхности зеркала, а полезную с ортогональной поляризацией, - полностью отражает и направляет на ЖК-матрицу перпендикулярно ее поверхности. Последняя отражает ее назад в сторону зеркала с внесением дополнительных сдвигов поляризации в соответствии с потенциальным рельефом на ней. Теперь то же зеркало пропускает полезную составляющую светового потока в направление проекционного объектива, а отсекаемую из-за дополнительных сдвигов поляризации ее часть – в сторону источника света. Таким образом, в ILA-проекторах одно зеркало выполняет функции поляризатора и анализатора одновременно.

ЖК-матрица в этом случае работает на отражение и представляет собой довольно сложное оптоэлектронное устройство. На рис. 1.7 представлена структура такой ЖК-матрицы.

Рис. 1.7. Структура ЖК-матрицы типа ILA

Под действием входного управляющего светового потока 1, поступающего от кинескопа, на поверхности фоторезистивного слоя 4 возникает потенциальный рельеф. Разность потенциалов на поверхностях ЖК-слоя 10, создаваемая прозрачными токопроводящими слоями 2 влияет на изменение поляризации дважды проходящего через ЖК-слой мощного светового потока 8 от источника света. Светоблокирующий слой 5 и диэлектрическое зеркало 9 необходимы для того, чтобы не пропустить этот мощный световой поток к фоторезистивному слою, где он мог бы существенно исказить картинку, создаваемую сравнительно слабым световым потоком от кинескопа. Кроме того, в структуру ЖК-матрицы входят: стекловолоконная планшайба 3; изоляционные слои 6; стеклянная пластина 7 и противоотражательное покрытие 11.

Если поляризация светового потока 8 при отражении от матрицы не меняется, отраженный поток полностью блокируется зеркалом-поляризатором (рис. 1.6) и экран остается темным. Поворот плоскости поляризации отраженного от ЖК-матрицы света приводит к пропусканию определенной его части. При 90°-градусном повороте плоскости поляризации эта часть достигает максимума, что соответствует воспроизведению светлых деталей изображения.

Особенностью таких оптоэлектронных ЖК-матриц является их пространственная непрерывность, то есть отсутствие пикселной структуры. Четкость экранного изображения в данном случае определяется частотными параметрами развертки проекционного кинескопа и может быть очень высокой.

Все ILA-проекторы содержат три рассмотренных светомодулирующих блока (по одному в каналах R, G, B) и выпускаются как с одним, общим для трех каналов проекционным объективом, так и с тремя в конструкциях, внешне похожих на CRT-проекторы (рис. 1.1, а), но с на порядок большими световыми потоками.

Номенклатура проекторов ILA в 1997 году, по данным компании International Communications Industics Assotation (ICIA), которая занимается выставками престижных моделей видеоаппаратуры, составила порядка 15 моделей ILA-проекторов со световыми потоками от 1300 до 12000 ANSI-лм, с ксеноновыми лампами мощностью до 7 кВт, при массе от 120 до 500 кг и ценах от $45000 до $250000. Разработкой и выпуском ILA-проекторов практически эксклюзивно занималась компания Hughes JVC Technology (HJT). Самый современный проектор ILA 12K компании HJT для экранов шириной до 36 м характеризуется разрешением 2000 х 1280, отношением контраста 1000:1 и световым потоком 12000 ANSI-лм.

Помимо HJT подобную технику для промышленного электронного кино выпускала компания BARCO. Проектор BARCO 9000, предназначенный для экранов шириной до 15 м, обеспечивает световой поток 5000 ANSI-лм.

В настоящее время ILA-проекторы широкого распространения не получили, и в данном случае они интересуют производителей в основном как технологические прототипы проекторов технологии D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier – электрически управляемый усилитель яркости изображения), разработанный компанией JVC.

Основное отличие технологии D-ILA от ILA заключается в отсутствии проекционных кинескопов, а следовательно, связанной с ними фокусирующей оптики и заменой некоторых компонентов отражающей ЖК-матрицы. Ее устройство показано на рис. 1.8. Здесь управляющие TFT-транзисторы (на рис. 1.8 указаны как исток – затвор – сток) и проводники не занимают светового пространства в ЖК-слое, так как расположены в подложке из кремния за ЖК-слоем и отражающими (зеркальными) электродами. Алюминиевые отражающие электроды, соответствующие каждому пикселу, размещены в виде матрицы X-Y с адресацией каждого пиксела. Поэтому вся поверхность кроме изоляции между электродами пикселов, используется как отражающая поверхность, создавая очень высокое отношение апертуры. За счет этого можно увеличить разрешение и световую отдачу ЖК-матрицы, доведя общий коэффициент отражения матрицы на уровне белого до 95%. Кроме того, можно использовать свет большой интенсивности для преобразования его в высокий световой поток. Поскольку практически вся матрица (до 95%) отражает свет, любое повышение температуры устройства при фототепловом и фотоэлектирическом преобразованиях минимальны. Вертикальная ориентация молекул ЖК-слоя (молекулы расположены перпендикулярно к поверхности скрещенных поляризаторов) обеспечивает высокую контрастность изображения – теоретически до 2000:1.

Рис. 1.8. Устройство D-ILA-матрицы

Технология D-ILA позволяет разместить 1,4 миллиона пикселов (1365 х 1024) на поверхности размером 0,9 дюйма по диагонали, обеспечивая возможность полного отражения кадра формата SXGA (1280 x 1024) без сжатия или масштабирования, которые бы привели к потере информации на экране.

Благодаря наличию в каждом элементе матрицы емкости памяти (см. рис. 1.8) имеется возможность управлять длительностью «свечения» каждого элемента изображения. Это позволяет существенно изменить временную структуру смены кадров. Для формирования полутонового изображения может использоваться управление длительностью свечения элементов, т.е. широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или более сложные технологии.

Первые отражающие ЖК-матрицы технологии D-ILA были выполнены с применением подложек из аморфного кремния. Переход на полисиликоновую основу (P-Si) позволил перенести элементы электронной схемы управления в слой поликристаллического кремния и существенно уменьшить размеры проводников и управляющих транзисторов, а следовательно, повысить разрешение матриц.

Такая технология получила название LCOS (Liquid Crystal on Silicon). Дальнейшее развитие отражающие ЖК-матрицы получили в разработках корпорации Sony, которая представила матрицу SXRD (Silicon X-tal Reflective Display – отражающий микродисплей на кремниевых кристаллах). Матрица SXRD позволяет получить высокое качество (разрешение) изображения благодаря большому количеству пикселов в пределах площади изображения. Сочетание новой технологии Silicon Driving Circuit и нового технологического процесса Silicon Wafer Process Technology (технологический процесс на кремниевой решетке), а также новая технология Liquid Crystal Device позволили довести число элементов изображения до 2 миллионов пикселов, размещенных с шагом 9 мкм и зазором между ними всего 0,35 мкм, как показано на рис. 1.9. По сравнению с предыдущими ЖК-матрицами LCOS, плотность элементов увеличена в 2,4 раза, а межэлементный зазор уменьшен в 10 раз. Новые технологические решения позволяют поддерживать формат полного HDTV 1920 х 1080, 16:9 (широкоэкранный формат) в пределах площади изображения, по диагонали составляющего не более 0,78 дюймов.

Рис. 1.9. Структура ЖК-матрицы SXRD

При увеличение размеров матрицы по диагонали до 1,55 дюймов разрешение может быть повышено до 4096 х 2160 пикселов. Высокий контраст изображения (до 3000:1) и малое время отклика, составляющее всего 5 мс, достигнуты за счет уменьшения расстояния между слоями матрицы. Толщина ЖК-слоя составляет менее 2 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы LCOS.

В матрицах SXRD решена сложная проблема внедрения в кремниевую решетку неорганического слоя, обеспечивающего вертикальное выравнивание жидких кристаллов, что до сих пор создавало проблему. Этот неорганический материал успешно заменил органический полиамидный слой, ранее используемый для выравнивания жидких кристаллов. Это существенно улучшило прочность выравнивающего слоя, обеспечивая долговечность качественных свойств матриц SXRD.

Кроме того, следует отметить, что в традиционных ЖК-матрицах, чтобы обеспечить равномерность зазоров решетки, слои постепенно объединяются один за другим. В то же время зазорозадающие прокладки (columns) также должны быть включены в площадь отображения кремниевой решетки, что снижает разрешение и световую отдачу матрицы.

В матрицах SXRD, благодаря технологии Planarization Technology of Silicon Backplane и процессу фабрикации выравнивающего слоя, объединение всех слоев в один производится без использования прокладок. Таким образом, одновременно создается множество панелей. Этот процесс значительно снизил возможность попадания пыли и одновременно улучшил качество изображения и производительность изготовления матриц.

Одним из вариантов оптической схемы видеопроектора типа D-ILA с тремя отражающими ЖК-матрицами (LCOS или SXRD) показан на рис. 1.10.

Световой поток от источника света с отражателем 1, пройдя защитный оптический фильтр ИК- и УФ-излучения 2 и конвертор поляризации 3, сначала разделяется цветоделительным узлом 4 на R + G (желтую) и B (синюю) составляющие. Далее эти составляющие, отражаясь от соответствующих зеркал 5 и пройдя корректирующие светофильтры 7, попадают на поляризационные расщепители PBS (Polarized Beam Splitter) 8.

Рис. 1.10. Оптическая схема видеопроектора D-ILA

При этом составляющая R + G предварительно разделяется дихроичным зеркалом 6 на красную R и зеленую G компоненты. Далее компоненты R, G, B поступают на соответствующие ЖК-матрицы 9 и отражаясь от них, снова попадают в PBS-расщепители 8, а затем в смесителльную призму 10. Здесь они суммируются и, отражаясь от зеркала полного отражения 5, попадают в объектив 11 и проецируются на экран.

Функцию анализатора отражаемого от ЖК-матриц света выполняет соответствующий PBS 8, содержащий диагональное зеркало-поляризатор. Это зеркало при падение на него света под углом 45° пропускает его составляющую с поляризацией вдоль поверхности зеркала и отражает перпендикулярно поляризованную составляющую света, формируемую на входах PBS источником света 1 и конвертером поляризации 3. Отраженная составляющая направляется на ЖК-матрицу 9 перпендикулярно ее поверхности. Зеркальный отражающий слой ЖК-матрицы направляет эту составляющую обратно на PBS с внесением дополнительных сдвигов поляризации в соответствие с управляющими видеосигналами. Если этих сигналов нет, то зеркало PBS отражает весь попавший на него свет назад к источнику света 1, ничего не пропуская в смесительную призму 10. Таким образом, в объектив попадает только полезная часть светового потока, несущая информацию в соответствии с управляющими сигналами.

В табл. 1.7 представлены основные характеристики некоторых моделей высокоразрешающих видеопроекторов с отражающими (D-ILA, CLOS, и SXRD) матрицами, позволяющие получить высококачественное цветное изображение большой яркости. На рис. 1.11 показан общий вид видеопроекторов DLA-QX1G фирмы JVC и SRX-R110 компании Sony.

а) б)

Рис. 1.11 Общий вид видеопроекторов: а – DLA-QX1G; б – SRX-R110

Таблица 1.7

Основные параметры современных видеопроекторов с отражающими (D-ILA, CLOS и SXRD) матрицами.

Произво-дитель	JVC		Sony			Vidicon
Модель	DLA-HD100	DLA-QX1G	SRX-R210	SRX-R110	Qualia 004	VPL-VW100	Vision Model 80
Число тип и размер матриц	3 x D-ILA (0,82'')	3 x D-ILA (1,3'')	3 x SXRD (1,55'')	3 x SXRD (1,55'')	3 x SXRD (0,78'')	3 x SXRD (0,61'')	3 x D-ILA (0.8'')
Световой поток ANSI, лм	800	7000	30000	10000	1500	800	1050
Разрешаю-щая способ- ность	1920x 1080	2048x 1536	4096х 2160	1920х 1080	1920х 1080	1920х 1080	1920х1080
Контраст- ность (Full On/Full Off)	3000:1	1000:1	2000:1	2000:1	3000:1	1500:1	2000:1
Лампа: количество – тип – мощность, Вт/ресур, ч	UHP–200/2000	–	X – 4200/–	2–X–2000/–	X–700/–	LMP–H400/–	UHP–250/2000
Размеры (Ш х В х Д), мм	455x 172,5 x418,5	743x 368x 943	740x 154x 140	740x 430x 900	600x200x 750	500x180x 570	460x150x 510
Масса, кг	11,6	85	300	85	39,9	19	18,1

В заключение обзора ЖК-проекторов, следует отметить, что основным достоинством таких проектов является непрерывная реальность цветной палитры и максимальная совместимость проецируемых ими изображений не только со зрением человека, но и с любыми системами производства, применяемыми в кинематографе и телевидении. Например, экранные изображения здесь не мелькают, так как в оптической системе таких проекторов нет обтюраторов, перекрывающих световой поток при кадросменах. Не формируется строчная развертка и кадровые гасящие импульсы проецируемых изображений, а проецируются электронные слайды, замещающие предшествующие кадры без гашения экрана, одновременно по всей площади кадра. Источником отображаемых сигналов является кадровая память, информация в которой предварительно обновляется интерфейсным видеопроцессором с частотой полей.

1.4. DLP-видеопроекторы

DLP-видеопроекторы (Digital Light Processing) разработаны фирмой Texas Instruments (TI) и основаны на технологии цифровой обработки света. Их первые промышленные модели появились порядка 12 лет назад. Основу такого проектора составляет цифровая микрозеркальная матрица DMD (Digital Micro mirror Device).

DMD-матрица представляет собой MEMS (Micro Electromechanical System) устройство, т.е. микроэлектромеханическую систему, в которой реализованы достижения миниатюризации как интегральных схем, так и механических систем. Такая матрица выполняет роль отражающего светового модулятора (светового клапана) и состоит из огромного количества поворотных алюминиевых зеркал (более двух миллионов), объединенных в общую матрицу. Количество зеркал соответствует оптическому разрешению проектора.

На рис. 1.12 показана конструкция DMD-элемента из двух зеркал и электрическая схема его подключения. Зеркала крепятся на кремниевой КМОП-подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих зеркалам поворачиваться в пределах ±10° (рис. 1.12, а).

а)

б)

Рис. 1.12. Конструкция DMD-элемента из двух зеркал (а) и электрическая схема его подключения (б)

Размер каждого зеркала составляет 14 х 14 мкм, а расстояние между ними не более 1 мкм, т.е. отражающая поверхность всей DMD-матрицы может быть увеличена до 95% и более. Это позволяет повысить световую отдачу матрицы и ее разрешающую способность.

На каждый микрозеркальный элемент (пиксел) подведены управляющие и пара адресных электродов, соединенных с противоположными строками ячейки памяти SRAM на КМОП (CMOS)-подложке (рис. 1.12, б). В зависимости от управляющих видеосигналов, подаваемых на адресные электроды, каждое зеркало может занимать крайние положения «включено» или «выключено», поворачиваясь в ту или иную сторону. В первом случае отраженный микрозеркалом свет попадает в систему проекционного объектива, а во втором рассеивается и поглощается. Время переключения состояний микрозеркал не превышает 2 мкс. Управление положением зеркал осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой полей 50 Гц. Уровень цветовых составляющих светового потока по каждому пикселу определяется относительным временем нахождения его микрозеркала во включенном положение на временном интервале каждого телевизионного поля. Продолжительность последнего составляет 20 мс для телевизионных систем 625 строк, 50 полей/с (около 17 мс для видимой на экране части растра). За это время при цифровом 10-разрядном преобразовании сигнала обеспечивается 1024 уровня светового потока каждому пикселу в каналах первичных цветов R, G, B. Воспринимаемая зрительным анализатором цветность проецируемых изображений определяется способностью зрения усреднять мгновенные значения яркости и цветовые оттенки от всех пикселов экранного изображения. Для улучшения восприятия цветных изображений применяется способ увеличения частоты коммутации (переключения) пикселов путем преобразования длинных управляющих импульсов включения DMD-элементов в совокупность более коротких с той же суммарной продолжительностью в пределах каждого поля.

Современные DLP-проекторы строятся по схеме с одной, двумя и тремя матрицами DMD. Если в проекторе используется только одна DMD-матрица, то изображение первичных цветов (R, G, B) формируется на экране последовательно. Благодаря инерционности нашего зрения мы видим изображение полноцветным. Оптическая схема DLP-видеопроектора с одной DMD-матрицей показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Оптическая схема DLP-видеопроектора с одной DMD-матрицей

Световой поток от источника света 1 через ИК- и УФ- фильтр 2, вращающийся светофильтр Color Whell 4, формирующие линзы-конденсоры 3 и зеркало 6 попадает на DMD-матрицу 7. Отразившись от матрицы, промодулированный видеосигналом световой поток, пройдя через проекционный объектив 8, попадает на экран, формируя изображение.

Особенностью схемы является применение узла светопровода Oerlikon Light Tunnel 5, обеспечивающего при малых габаритах высокую пылезащищенность и минимальные потери света за счет применения высокоэффективных отражающих внутренних покрытий Silflex и Deflex.

В первых моделях DLP-проекторов светофильтр Color Whell содержал три цветных (R, G, B) сектора и вращался с частотой 60 Гц, т.е. 3600 об/мин. Модели проекторов с такими светофильтрами называются DLP-проекторами с однократной скоростью фильтра или DLP x 1. При этом частота мелькания цветов составляет 60 х 3 = 180 Гц, что оказалось недостаточным для исключения зрительных артефактов и усталости зрения, возникающей при длительных просмотрах мелькающих изображений.

Хорошо известный зрительный артефакт одноматричных DLP-проекторов получил название «эффект радуги». Этот эффект проявляется в том, что зритель с хорошей быстротой зрения иногда видит вместо однотонно окрашенных фрагментов изображения чередующиеся вспышки основных цветов на них. Обычно такие вспышки становятся заметными в процессе перевода зрения на фрагменты изображения, расположенные на большом расстоянии друг от друга.

Работы по совершенствованию DLP-проекторов с одной матрицей DMD путем изменения количества и цветности секторов светофильтра Color Wheel, а также увеличения скорости его вращения ведутся различными фирмами уже более 10 лет. Сначала появились светофильтры с четвертым, прозрачным (W) сектором, вводимым в Color Wheel для увеличения светового потока проектора и контрастности изображения. Однако это достигается за счет уменьшения цветовой насыщенности изображения.

Действительно, добавление четвертого прозрачного сектора позволяет, остановив вращение фильтра на нем, почти втрое увеличить световой поток проектора при просмотре черно-белых изображений, что весьма полезно для специальных применений. При этом для сохранения нормальной насыщенности цветных изображений необходимо увеличить оптическую плотность цветных секторов, например втрое при четырех одинаковых секторах по 90°. Другими словами, если каждый из трех цветных секторов обычного вращающегося светофильтра имеет коэффициент пропускания светового потока 1/3, то при четырех одинаковых секторах с одним прозрачным он должен быть уменьшен до 1/9. Соответственно уменьшается яркость цветного изображения. Если, например, в четырехсекторном светофильтре оптическую плотность цветных фильтров оставить такой же, как в трехсекторном, то относительный световой поток при показе белого поля с вращающимся фильтром увеличится в 1,5 раза при уменьшение насыщенности цветного изображения на 25% [7].

Увеличение частоты вращения трехсекторного светофильтра Color Wheel, обычно устанавливаемого на валу электродвигателя, может быть только кратно частоте электрической сети (50 Гц у нас в стране и 60 Гц в США). При частоте сети 60 Гц минимально можно добавить 3600 об/мин. Таким образом, получаем технологию DLP x 2, в которой светофильтр Color Wheel вращается с частотой 7200 об/мин. В этом случае, если на экране должно быть красное изображение, то возникает двойная пауза, пока пропускаются синий и зеленый сектора. Поэтому необходимо добавить еще 3600 об/мин. Таким образом, при технологии DLP x 3 цветовой фильтр вращается с частотой 10800 об/мин.

При движущемся изображении не только возникают паузы (мерцание) при пропускании «ненужных» секторов, но и картинка в следующем кадре меняет свое положение. При этом, если приходится пропускать один сектор, то глаз успевает заметить, что каемка движущегося объекта окрашена только одним цветом (красным, синим или зеленым). Это явление называется эффектом радуги. Данная проблема может быть решена увеличением скорости трехсекторного цветового фильтра до 14400 об/мин. В результате получаем технологию DLP x 4.

Еще раз приходится увеличить скорость цветового фильтра на 3600 об/мин, когда возникает необходимость пропустить два сектора. При движении объекта только красного цвета (или только синего, или только зеленого) никаких цветовых каемок на изображении не появится (эффект радуги отсутствует), но двойная пауза при пропускании двух цветных секторов подряд сделает движение этого объекта прерывистым. Чтобы этого не происходило необходимо раскручивать цветовой фильтр до скорости 18000 об/мин. Такая скорость называется «х 5», а технология DLP x 5. Однако при таких скоростях вращения обычные подшипники качения, в которых установлен вал электродвигателя, не выдерживают возникающих в них нагрузок. Поэтому требуется применение специальных сложных и дорогих газодинамических или газостатических подшипников.

Для уменьшения частоты вращения цветовой фильтр стали делать не трехсекторным, а шестисекторным (красный – синий – зеленый – красный – синий – зеленый). В этом случае цветовой фильтр можно вращать вдвое медленнее, так как за один оборот каждый из трех основных цветов дважды успевает пройти перед лампой. То есть для получения скорости «х 4» достаточно вращать шестисекторный фильтр с частотой 14400/2 = 7200 об/мин, а для скорости «х 5»  соответственно 18000/2 = 9000 об/мин.

Появление светофильтров Color Wheel, содержащих шесть цветных и один нейтральный (прозрачный) сектор, а также фильтров с шестью секторами, чередующимися в основных и дополнительных цветах, позволило несколько увеличить световой поток DLP-проектора с одной матрицей DMD и свести к минимуму заметность мельканий изображения и эффекта радуги.

Вместе с тем цветовые сектора таких фильтров поглощают почти две трети излучения лампы. Для решения этой проблемы фирма Texas Instruments разработала новейшую, запатентованную технологию SCR (Sequential Color Recapture), в которой используется цветовой фильтр с последовательным вторичным использованием цвета. При этом в оптической схеме одноматричного DLP-проектора (рис. 1.13) устанавливается дополнительный элемент – резонатор (в некоторых источниках его называют интегратором или световым туннелем). Цветовые сектора светофильтра имеют спиралевидную форму (рис. 1.14) и выполнены из материалов, не поглощающих, а отражающих несовпадающее по цвету излучение. Таким образом, две трети падающего на светофильтр света возвращается в резонатор, пройдя через который, свет частично попадает на лампу, а частично отражается от входного его конца и снова направляется на светофильтр. В какой-то момент фотоны света, многократно отразившись от внутренних стенок резонатора, попадают на «свой» сектор, а затем и на матрицу DMD. Фактически этот узел выполняет ту же работу, что и поляризационный расщепитель в LCD-проекторах, заменяя процедуру поглощения света его преобразованием.

Известны также разработки DLP-проекторов с двумя матрицами DMD, у которых вращающийся светофильтр попеременно пропускает компоненты желтого (смесь красного и зеленого) и пурпурного (красный и синий) цветов. Далее световой поток разделяется дихроичной призмой таким образом, что его красная составляющая поступает на одну матрицу DMD, а зеленая и синяя попеременно на другую [7].

Рис. 1.14. Фильтр со спиралевидными цветовыми секторами

Впрочем, какие бы фильтры Color Wheel и технологии при этом не создавались, очевидно, что изображения, воспроизводимые одно- и двухматричными DLP-проекторами, – это виртуальная реальность, возникающая только в подсознании зрителей, с возможными артефактами и некой «психотропной» составляющей.

Поэтому более высокое качество изображения и наибольший световой поток можно получить только в DLP-проекторах с тремя матрицами DMD. На рис 1.15 показана оптическая схема такого проектора.

Рис. 1.15. Оптическая схема DLP-проектора с тремя матрицами DMD

Существенными преимуществами DLP-проекторов являются:

• высокое быстродействие (менее 2 мкс) при переключении зеркал позволяет избавиться от контурных шлейфов за быстродвигающимися изображениями на экране;

• отсутствие эффекта засветки «белыми» пикселами соседних «черных» обеспечивает лучшую передачу контрастных переходов и тонких линий;

• использование зеркал обеспечивает высокое отражение света матрицами DMD на экран и, следовательно, получение большой яркости изображения.

В настоящее время DLP-проекторы категории D-Cinema (цифровое кино) с разрешением 2К (2048 х 1080), форматом кадра 16:9 и световым потоком более 10000 ANSI-лм, предназначенные для высококачественной кинотеатральной демонстрации цифровых фильмов, выпускаются в основном шестью производителями. Параметры некоторых моделей самых мощных проекторов этих фирм приведены в табл.1.8 [1, 6]. На рис. 1.16 показан общий вид некоторых проекторов. Указанные в табл. 1.8 проекторы, занимают верхние позиции по цене и массогабаритным показателям, выполнены по технологии DLP с тремя матрицами DMD и оснащены мощными ксеноновыми (Х) лампами.

а) б) в)

Рис. 1.16. DLP-проекторы категории D-Cinema: а – CP2000S; б – DCP70; в – NC2500S

Таблица 1.8

Параметры DLP-проекторов категории D-Cinema

Фирма	Barco	Christie	Digital Projection	Kinoton	NEC	Runco
Модель	DP-3000	CP2000S	40HD-T	DCP70	NC2500S	SC-1
Технология	DLP(3DMD)	DLP(3DMD)	DLP(3DMD)	DLP(3DMD)	DLP(3DMD)	DLP(3DMD)
Световой поток, ANSI-лм	>30000	30000	21000	30000	23000	25000
Разрешение	2048x 1080	2048x 1080	2048x 1080	2048x 1080	2048x 1080	2048x 1080
Контрастность Full/Chekerboard	2000:1/ –	2000:1/500:1	1600:1/ –	2000:1/ –	1700:1/ –	1500:1/240:1
Лампа: тип – мощность, Вт	X-7000	X-6000	X-3600	X-7000	NECX-6000	X-7000
Ресурс работы лампы, ч	–	–	750	–	–	1000
Сменная оптика	2 объектива	7 объективов	6 объективов	заказная	5 объективов	7 объективов
Габариты (Ш х В х Д), см	73х67x 117	63x142x 160	72x47,5x110	75x149x105	70x50,3x110	65x43x 145
Масса, кг	125	229	113	225	120	155
Максимальная ширина экрана, м/яркость, кд/м2	30/41	25/41	–	25/ –	23/41	–

Для обеспечения высокого качества изображения, соответствующего стандарту цифрового кино DCI Digital Cinema и защиты фильма от пиратского копирования Texas Instruments разработала несколько технологий:

• Cine Black™ - система управления контрастом цифрового киноизображения;

• Cine Canvs™ - система управления цифровым киноизображением, включающая коррекцию искажений по всей площади изображения, в том числе возникающих при проекции на цилиндрические и сферические поверхности;

• Cine Palette™ - система управления цветом цифрового киноизображения;

• Cine Link™ - система защиты и шифрования цифрового киноизображения.

В заключение следует отметить, что комплект оборудования цифровой кинопроекции американской фирмы Christie Digital Systems установлен в большом зале кинотеатра «Заневский каскад» (г. Санкт-Петербург), который является одним из первых в России постоянно действующих цифровых кинотеатров [6]. В данный комплект оборудования входят цифровой проектор Christie CP2000S (параметры преведены в таблице 1.7), коммутатор контента Christie Cine-IPM2K, плеер Doremi Cinema Player DCP-2000 и коммутатор звуковых сигналов DMAB.