3.4. Расчет необходимой величины полезного светового потока кино- и видеопроектора
Яркость экрана определяется при проецировании на него белого поля как отношение силы света, излучаемого экраном в визируемом направлении, к его площади, видимой с этого направления. Единицей измерения силы света в системе СИ является кандела (кд), яркости – кд/м2, называемая также нитом (нт), а светового потока – люмен (лм). За единицу освещенности 1лк (люкс) принимается освещенность поверхности площадью 1м2, на которую падает световой поток в 1лк [12].
Многие фирмы до сих пор используют в своих спецификациях традиционные для данной страны единицы яркости, отличающиеся от международной системы СИ. Например, стильб (1сб = 10000 кд/м2), апостильб (1 асб = 0,318 кд/м2), ламберт (1L=3180 кд/м2) и футоламберт (1fL=3,426 кд/м2). Так, для яркости в центре экрана в американских кинотеатрах (затемненных помещениях) действует норматив 16fL~55 кд/м2, являющийся номинальной величиной для кинопроекторов по стандарту SMPTE. Так как яркость киноэкрана измеряется при отсутствии кинопленки в кадровом окне проектора, а на ней из-за поглощения света теряется значительная часть светового потока, SMPTE для экранов, обслуживаемых видеопроекторами в цифровых кинотеатрах, принят норматив 12fL~41 кд/м2.
При требуемой яркости L0 в середине экрана его максимальную освещенность в центре Е0 можно определить по формуле
, (3.13)
где ρ0 – коэффициент отражения экрана. Следует отметить, что формула (3.13) справедлива только для экранов, у которых коэффициент отражения ρ0 приблизительно равен коэффициенту яркости r0.
Для экранов направленного действия величины ρ0 и r0 существенно различаются (см. раздел 3.3.1), поэтому освещенность Е0 этого типа экранов определяется выражением
. (3.14)
Средняя освещенность экрана равна [11]
, (3.15)
где Ек – освещенность крайних точек экрана.
С достаточной точностью можно предполагать, что Ек=Еmin, тогда неравномерность освещенности от центра к краю экрана будет
.
Следовательно, Ек=ηЕ0, тогда
.
(3.17)
Расчетная величина необходимого полезного светового потока видеопроектора определяется по формуле
,
(3.18)
где S – площадь экрана, занимаемая изображением (рабочее поле экрана), м2.
В качестве примера определим величину необходимого светового потока видеопроектора для проекции изображения формата HDTV (9:16) на экран типа ЭБМ-П при допустимой неравномерности освещенности η=0,65. Размеры рабочего поля экрана Шэ х Нэ = 8,2 х 4,6 м (табл. 3.2). Коэффициент отражения ρ0=0,78 (табл. 3.7).
Яркость экрана L0 в центре, согласно нормативам SMPTE, должна быть не менее 41кд/м2, откуда освещенность в центре экрана
.
На краях экрана Ек=0,65·165=107лк.
Расчетная величина полезного светового потока, согласно формулам (3.17) и (3.18), будет равна
3.5. Выбор схемы и габаритный расчет светооптических систем для кино- и видеопроекции
В современных видеопроекторах используются различные светооптические системы, структура которых определяется, в первую очередь, технологией проецирования видеоизображений на внешний экран.
В настоящее время, как показано в разделе 1, можно выделить четыре такие технологии (CRT, LCD, D-ILA и DLP), получившие наибольшее распространение и различающиеся типом модулятора, используемого для формирования изображения.
В каждом случае свойства формирователя изображений определяют основные достоинства и недостатки выбранной светооптической системы, а следовательно, и область применения созданных на ее основе видеопроекторов.
По светотехнической эффективности оптические системы осветителей располагаются в следующем порядке [16]:
катоптрическая система с глубоким отражателем и горизонтально расположенным источником света;
катодиоптрическая система с обычным отражателем и контротражателем или без него при вертикальном расположении источника света;
диоптрическая система с конденсором и дополнительным рефлектором или без него и вертикальным расположением источника света.
В мультимедийных видеопроекторах, имеющих относительно небольшую мощность, могут использоваться диоптрические (конденсорные) оптические осветительные системы с кварцево-галогенными или металлогалогенными лампами мощностью до 1000 Вт.
Для проекции в цифровых кинотеатрах обычно применяются видеопроекторы, у которых в качестве источника света используются дуговые газоразрядные лампы мощностью 7000 Вт и более. В этом случае необходимо применение катоптрической (зеркальной) или катодиоптрической (зеркально-линзовой) оптической системы.
Следовательно, выбор типа схемы оптической системы осветителя в значительной степени определяется выбранным источником света и функциональной ролью видеопроектора.
Размещение источника света относительно оптических элементов осветительной системы определяется величиной необходимого линейного увеличения светящегося тела источника света и согласованием апертур осветительной системы и проекционного объектива.
Для видеопроекторов типа LCD, работающих в проходящем свете наибольшее распространение имеют две принципиальные оптические схемы (см. разд. 2.2).
В первой из них осветительная система образует изображение источника света во входном зрачке проекционного объектива (или в близи его). Данная схема оптической системы, как правило, используется когда яркость тела накала источника света имеет дискретное распределение, характерное для ламп накаливания.
Во второй схеме осветительная система образует изображение источника света на ЖК-матрице (или вблизи ее). Так как во второй схеме на экране получаются одновременно изображения структуры источника света и ЖК-матрицы, то эта схема требует применения источника света со сплошным равномерным распределением яркости излучателя, например дуговых металлогалогенных или ксеноновых ламп.