mmt-virtreal_red

П4. Твердотельные источники света [3]

Лазерные источники света давно считаются перспективными для улучшения цветопередачи, увеличения срока службы и снижения энергопотребления проекционной аппаратуры. Действительно, качество цветопередачи, например, проекционных телевизоров с типовыми источниками света хотя и высокое, но полностью не охватывает цветового локуса человеческого зрения, особенно в зелено-голубых тонах. Дело в том, что разделяющие цвета фильтры не обеспечивают высокую чистоту основных цветов из-за довольно широкой полосы пропускания. А при применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики оказываются перед выбором: либо высокая яркость, умеренное энергопотребление и цветовая насыщенность, либо высокое качество цветопередачи, но низкая яркость и большое энергопотребление.

На рис. П4.1 показан локус и два треугольника с зонами цветового охвата. Черный треугольник построен в соответствии со стандартом RGB Международной комиссии по освещению (МКО), а белый – для лазерных источников света, соответствующих новому стандарту xvYCC.

Следует отметить, что принятая зона охвата для системы NTSC по стандарту BT709-5 еще меньше, чем МКО RGB. Поэтому цветовой охват лазерных дисплеев на 80% больше, чем у системы NTSC.

Установлено, что среднестатистический глаз обладает максимальной чувствительностью в области зеленого света. В системе СИ принято, что 1 Вт мощности энергетического потока с длиной волны зеленого излучения 555 нм эквивалентен световому потоку 683 лм. Расчеты показывают, что равноэнергетическое излучение белого света на основных цветах RGB по МКО соответствует световому потоку 200 лм. Так как световой поток Ф (лм), необходимый

для создания яркости Е (кд/м2) экрана площадью

S (м2) определяется выражением Ф=πSE, получается, Рис. П4.1. Локус и цветовые треугольники что для яркости 500 кд/м2 экрана площадью 1 м2 необходим световой поток πE≈ 1570 лм, то есть лишь около 8 Вт лазерного излучения. Таким образом, применение лазерных источников света выглядит весьма заманчивым и с точки зрения качества цветного изображения, и энергетически. Для этого уже разработаны мощные растровые структуры излучателей, позволяющие заменить проекционные лампы широкими пучками лазерных лучей красного, зеленого и синего цветов.

Любой лазер работает по принципу квантовых переходов электронов из одного энергетического состояния в другое. В равновесном состоянии электроны распределены так, что электронов с низкой энергией в веществе больше, чем с высокой. Каждый атом обладает набором энергетических уровней. Электроны атома, находящегося в основном состоянии (с минимальной энергией), при поглощении квантов света переходят на более высокий энергетический уровень (рис. П4.2а), а при излучении кванта света – наоборот.

Излучение света при переходе на более низкий энергетический уровень (рис. П4.2б) может быть самопроизвольным (спонтанным) или под действием внешнего излучения (вынужденным,

рис. П4.2в). Кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, а квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант, вызвавший это излучение, то есть оба кванта тождественны. Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии, необходимо создать повышенную концентрацию возбужденных атомов (так называемую инверсную населенность). Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность уровней, называется активным, а среда, состоящая из такого вещества – активной средой. Процесс создания инверсной населенности (электрический, оптический, тепловой, химический и др.) называется накачкой.

получается очень узким. Для большего усиления света необходимо, чтобы один квант света вызывал как можно больше вынужденных переходов. Это достигается с помощью оптического резонатора, например двух параллельных зеркал. Квант света, пролетая от одного зеркала к другому и обратно, вынуждает большое количество электронов излучать свет. Если оба зеркала отражают 100%, то на выходе света не окажется. Поэтому выходное зеркало резонатора делают полупрозрачным.

Часть электронов в полупроводниках находится в валентной зоне (связана с атомами), а часть — в зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены, и при добавке энергии электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, а в валентной зоне появляется дырка, то есть отсутствие электрона. При возврате электрона в валентную зону происходит рекомбинация электрона и дырки и может появиться квант света. Длина волны излучения зависит от состава полупроводника и легирующих его примесей. Например, светодиоды, изготовленные из фосфида галлия (GaP), при легировании кислородом излучают красный цвет, а при легировании азотом – зеленый. Так как в светодиодах электроны и дырки рекомбинируют спонтанно, возникающее при этом излучение занимает довольно широкую полосу частот. Для получения лазерного излучения необходимо увеличить скорость перехода электронов в зону проводимости так, чтобы они не успевали спонтанно рекомбинировать. Поэтому перевод излучающего диода в лазерный режим достигается при очень большой плотности тока.

Полупроводниковые лазеры с различными вариантами оптических резонаторов, геометрией активной среды и конструкцией корпуса классифицируются по выводу света на лазеры с поперечной накачкой и торцевым излучением EEL (Edge Emitting Laser, рис. П4.3) и лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting

Laser). Диоды EEL формируются на общей подложке десятками тысяч штук, после чего их раскалывают на отдельные кристаллы, заклю лазера получается при раскалывании, и, так как расстояние между сколами выдержать точно невозможно, такие лазеры излучают несколько частот. Поэтому они выдают выходной луч несимметричной формы с широкой спектральной характеристикой. Эти недостатки особенно проявляются у лазеров с высокой выходной мощностью. Лазеры EEL могут обеспечивать любой цвет излу-

с высоким коэффициентом отражения. Они излучают симметричные лучи высокого качества и спектральной чистоты. Технология изготовления хорошо контролируется и позволяет тестировать кристаллы в процессе производства. Однако из-за малой мощности излучения (около 1 мВт) лазеры VCSEL применяются для оптических соединений ближнего действия.

Калифорнийская компания Novalux разработала недорогие источники света для проекцион-

ных дисплеев по технологии NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser – лазер

Novalux повышенной мощности с поверхностной эмиссией), являющейся развитием VCSEL. В нее заложен принцип получения мощного инфракрасного излучения на полупроводниках типа InGaAs (многослойные структуры из арсенида галлия с напряженными квантовыми ямами) и удвоения его часто-

Lithium Niobate – периодический ниобат лития).

На рис. П4.4 показана структура излучателя NECSEL серии Protera. Этот лазер состоит из p-n перехода, промежуточного слоя, в котором происходит электроннодырочная рекомбинация, и резонатора ИК-излучения, выполненного на двух Брегговских зеркалах DBR (Distributed Bragg Reflector). Зеркало p-DBR со 100 %-м отражением имеет тепловой контакт с основой из окиси бериллия (BeO), обладающей высокой теплопроводностью. Расположенное над ним полупрозрачное зеркало n-DBR отделено

от зеркала р-DBR областью усиления, содержащей квантовые колодцы, обеспечивающие эффективную излучательную рекомбинацию носителей. Базовый кристалл GaAs, на котором сформирована структура ИК-лазера, является одновременно тепловой линзой, фокусирующей ИК-излучение в область нелинейного кристалла и повышающей эффективность преобразования ИК-излучения в видимый свет. Внешний резонатор, настроенный на вторую гармонику ИК-излучения, то есть на длину волны выходного излучения, состоит из зеркала VBG (Volume Bragg Grating) и поверхности базового кристалла из арсенида галлия. Это позволяет использовать плоскую оптику и существенно упрощает производство. Нелинейный материал – периодический ниобат лития –

используется для всех трех длин волны с небольшим изменением периода решетки. Никакие волноводы или сферические элементы не используются, что удешевляет производство и увеличивает выход годных изделий.

фективность нелинейного преобразования, обеспечить его работу в широком температурном диапазоне и уменьшить эффективную длину нелинейного кристалла PPLN. Прогнозируемый ресурс растровых излучателей при условии неизменности выходной мощности и длины волны в видимом диапазоне излучения – более 50 тыс. часов. На рис. П4.8 показана зависимость средней выходной мощности второй гармоники излучателя длины волны 465 нм от амплитуды тока управления. Этот излучатель характеризуется довольно широкой, близкой к линейной, зоной управления.

службы. Экспериментально при использовании водяного охлаждения с матрицы 15×15 из 225 излучателей расположенных на площадке 5х5мм в режиме непрерывной мощности удалось получить около 80 Ватт, что для зеленого цвета составляет более 54000 люмен. Такие матричные источники света вполне подходят для больших экранов кинозалов или коммерческой рекламы.

Растровые массивы лазерных диодов NECSEL излучают пучки света с круговой поляризацией и слабо расходящимися, почти параллельными лучами. Такой свет может быть с помощью 1/4- волновой пластинки практически без потерь преобразован в свет с заданной линейной поляризацией и эффективно использоваться для подсветки ЖК-телевизоров и дисплеев, причем с упрощением их оптических систем. Действительно, в этом случае отпадает необходимость применения в качестве входной оптики ЖК-панелей линейных поляризаторов, на которых теряется половина света, или дорогостоящих конвертеров поляризации, восполняющих эти потери.

Нелинейные кристаллы Кристаллы, электронная поляризуемость которых зависит от напряженности электриче-

ского поля, например, создаваемого в веществе интенсивным лазерным излучением, называются нелинейными. Распространяющееся в среде достаточно сильное световое поле изменяет ее оптические характеристики (показатель преломления и др.), что приводит не только к существенному изменению характера уже известных оптических явлений, но и к возникновению в ней новых, не проявляющихся в оптике при слабых световых потоках. Нелинейные оптические эффекты генерации высших гармоник лазерного излучения, суммарных и разностных частот, лазерного излучения с непрерывной перестройкой частоты и др. применяются на практике с 90-х годов прошлого века. Уже тогда были реализованы генераторы 2-й гармоники лазерного излучения с эффективностью преобразования 80% и выше.

П5. Жидкие кристаллы [12]

Агрегатные состояния веществ определяются соотношением между средней кинетической энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией отрыва. Средняя кинетическая энергия молекул жидкости больше энергии молекулярного взаимодействия, но ниже энергии отрыва от поверхности. Такие молекулы ведут себя достаточно независимо от соседей, но не могут покинуть среду в целом.

Тепловые движения молекул твердых тел находятся в пределах радиуса взаимодействия, что делает их связанными членами сообщества. Некоторые жидкости, особенно высокомолекулярные органические соединения, постепенно отвердевая при охлаждении, переходят в аморфное (стеклообразное) состояние. При этом сохраняется присущая жидкостям беспорядочность размещения молекул, но проявляется связанность, характерная для молекул твердых тел. Но настоящие твердые тела – это кристаллы, место положения любой молекулы в которых по отношению к остальным определено кристаллической системой среды. Здесь все определено по всему объему кристалла: и место для каждой молекулы, и форма элементарной (кристаллической) ячейки, и форма самого монокристалла. Чаще всего встречаются поликристаллические вещества, составленные из множества спаянных мелких кристаллов. Металлы и камни, т. е. большая часть неорганических веществ,

смектических. Первым дозволено смещаться только относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится "односторонней", реакция на воздействие относительно быстрой, а память - короткой. Разновидностью нематиков являются холестерические ЖК, направление преимущественной ориентации у которых закручено по спирали (рис. П5.1в).

Вдостаточно больших объемах ЖК образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом ЖК проявляют свойства, подобные обычным жидкостям. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает управляемый прибор, который легко встраивается в электронную технику.

Жидкокристаллическое состояние неустойчиво и по этой причине весьма подвержено внешнему влиянию. Наиболее известно и достаточно давно используется термооптическое явление – зависимость цвета жидкого кристалла от температуры. Термооптические жидкокристаллические пленки способны регистрировать температуру с точностью до долей градуса и используются для контроля тепловых полей. Например, в медицине с их помощью можно определить разницу температур различных участков тела и, тем самым, выявить воспаленные области. В промышленности можно вести поиск перегретых участков аппаратуры. ЖК чувствительны и к давлению.

Жидкие кристаллы обладают резко выраженной анизотропией, обусловливавшей разнообразие физических эффектов в них: электро-, термо-, акусто-, магнитооптичеких и др. Это относится

квязкости, упругости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и к другим параметрам среды. Управлять этими параметрами можно, например, с помощью электрических и магнитных полей. С их помощью можно воспроизвести самые разные оптические эффекты.

Электроннооптические эффекты. Электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток способны переориентировать молекулы ЖК. Если воздействие переменно, и достаточной величины, то оно способно закрутить молекулы. В итоге в среде возникнут кавитационные микровихри. Каждый из них является по отношению к свету рассеивающим элементом. Подобное воздействие приводит к помутнению и окрашиванию среды. Именно этот эффект и используется в двоичных индикаторах. Там, где важно воспроизведение градаций, используются электрооптические эффекты двойного лучепреломления и оптической активности.

Оптика кристаллов существенно отличается от привычной по опыту общения со стеклянными приборами, так как важную роль в кристаллах играет поляризация света. Каждый фотон определенным образом поляризован в плоскости, ортогональной направлению распространения света. В целом же функции состояния поляризации отдельных фотонов случайны, и световой поток неполяризован или, как часто говорят, естественно поляризован.

Ванизотропной и оптически активной средах могут распространяться световые волны строго определенной поляризации - линейной, круговой или эллиптической (рис. П5.2). Эти волны строго поперечны, причем векторы электрической E, магнитной H напряженности и волновой K образуют тройку взаимно ортогональных векторов. По давней традиции за направление (вектор) поляризации электромагнитной волны принимают направление вектора H напряженности магнитного поля световой волны.

При линейной поляризации направление этого вектора сохраняется в пространстве (рис. П5.2а). Другая функция поляризации - круговая. В этом случае вектор поляризации вращается, за один период волны описывая полный круг (рис. 5.2б). Представим, что вращающийся вектор поляризации - штопор. Если такой штопор ввинчивается в направлении волнового вектора, то волну называют правой (правоциркулярной), если, напротив, вывинчивается, то левой (левоциркулярной). Волны с правой и левой круговой поляризацией ортогональны. В некоторых случаях возникают волны с эллиптической поляризацией (рис. 5.2в).

В анизотропных средах могут распространяться только волны, поляризованные линейно. При заданном направлении света разрешены только два взаимно ортогональных направления поля-

ризации, определяемые параметрами анизотропии среды, и именно с этим обстоятельством связана электрооптическая модуляция света. В оптически активных средах разрешенными являются две круговые поляризации - правая и левая. Эллиптическая поляризация характерна для анизотропных сред с заметным поглощением излучения или вблизи оптической оси одноосных анизотропных сред, обладающих также и оптической активностью. Скорости ортогонально поляризованных волн во всех рассмотренных случаях различны.

Низкочастотное электромагнитное поле способно в достаточно широких пределах менять скорости световых волн. Зависимость фазовой скорости света от напряженности электрического поля и называют электрооптическим эффектом, который используется для модуляции света в ЖК-

дисплеях и телевизорах.

Электрооптическая модуляция. Устройство элек-

трооптического модулятора поясняется на рис. П5.3. Здесь электрооптическая ячейка (например, с нематическим жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор – это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент с потерей (чаще всего с поглощением) половины светового потока.

За поляризатором световой поток линейно поляризован вдоль вектора Pп. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кри-

сталлом - пусть это будут векторы P1 и P2. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными среды. Если эти углы равны 45°, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляри-

зации анализатора и поляризатора, обычно скрещены (ортогональны, позитивная модуляция) или параллельны (негативная модуляция).

Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями P1 и P2 различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют), и изза приобретенного сдвига фаз функция поляризации меняется и становится эллиптической.

Функцию преобразованию фазового сдвига в изменение интенсивности выходного светового потока выполняет анализатор. Он просто вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана анализатором. Интенсивность этой компоненты пропорциональна косинусу удвоенного фазового сдвига. График соответствующей зависимости при скрещенных поляризаторе и анализаторе показан на рис. П5.4.

Диэлектрическая проницаемость, а с ней и коэффициенты преломления компонент в ячейке, зависят от приложенного к электродам электрического напряжения. Поэтому от напряже-

ния будет зависеть и фазовый сдвиг. Если фазовый сдвиг линейно зависит от напряжения, то функцию, представленную на рис. 4 можно рассматривать, как модуляционную характеристику. В действительности она сложнее. В основе управления ЖК-средой лежит переориентация молекул – процесс, зависящий от вязкости среды, характера сил взаимодействия с границами ячейки и многих других факторов.

П6. Цифровой кинотеатр [7]

D-Cinema и E-Cinema. Из-за отсутствия эффективных решений по защите цифрового контента от пиратского копирования, возникло разделение цифрового кинематографа на категории D-Cinema, где такая защита обязательна, и E-Cinema, где она не регламентирована.

Под D-Cinema подразумевается изображение с разложением 2К и лучше (не менее чем на 1000 строк по 2000 пикселей в каждой из них) с шести- и более канальным звуком, которые в долгосрочной перспективе заменит кинопленку цифровой продукцией. Проекторы D-Cinema должны обеспечивать наилучшую презентацию этой продукции. Сначала всеми киностудиями Голливуда такими считались только микрозеркальные проекторы категории DLP Cinema американской корпорации Texas Instruments. В спецификации DCI, и в этом ее достоинство, технология проецирования не оговаривается, а приведены общие требования к проецированию голливудских цифровых кинофильмов. Европейский форум цифрового кино (European Digital Cinema Forum – EDCF) поддерживает платформу D-Cinema по интеграционным и культурным соображениям (укрепление европейского кинематографа и его оживление в малых городах).

Платформа E-Cinema (разрешение менее 2К) учитывает интересы широких слоев населения в хорошем качестве не только электронного кино, но и трансляций альтернативного содержания, например, театральных постановок, спортивных соревнований и образовательных программ. Допускается применение проекторов альтернативных технологий. Все европейские и американские сети кинотеатров активно используют E-Cinema для показа рекламы, альтернативных программ и бизнес-приложений как дополнительные к существующей проекции с кинопленок, хотя E-Cinema не гарантирует защиты от пиратства и не отвечает требованиям создателей кинофильмов.

В спецификации DCI Digital Cinema System Spec – пространном документе, создание первой версии которого потребовало года кропотливой работы и продолжается до сих пор, – приведены подробные требования к различным этапам цифрового кино, причем менее четверти его относится к созданию цифрового контента (мастеринг, компрессирование, пакетирование) и его транспортировке. Основное внимание уделено кинотеатральным системам и безопасности (защите от пиратского копирования), приведены общие требования к показу цифровых кинофильмов. Такими считаются фильмы с разрешением 4096×2160 (4К) или 2048×1080 (2К), а также снятые цифровыми видеокамерами с прогрессивной разверткой, частотой 24 кадра/с и разрешением не хуже

1920×1080 (1080/24р).

Действие спецификации DCI распространяется на однозальные и многозальные цифровые кинотеатры (мультиплексы) [10].

Однозальный кинотеатр. Функциональная схема системного обеспечения цифрового кинотеатра с одним экраном по спецификации DCI показана на рис. П6.1.

Здесь интерфейсы Ingest/Remote кинотеатра обеспечивают прием шифрованного цифрового контента, кода доступа Key Delivery Message (KDM) и информации для его дешифровки. Для получения контента могут использоваться проводные и оптоволоконные линии связи Gigabit Ethernet (по IEEE802.3ab и IEEE802.3z соответственно) или антенна и приемник спутникового телевидения (Satellite dish и Receiver). Предусмотрено также считывание контента стационарным проигрывателем Fixed Media Player с физических носителей (Physical Media). Получаемые при этом сигналы изображения и звука в темпе их передачи поступают в локальную память (Local Storage) хранения больших массивов информации (Disc array).