mmt-virtreal_red

Обе проблемы (мельканий и сокращения полосы частот) решены в телевидении путем применения чересстрочной развертки. Ее сущность заключается в том, что полный кадр (Frame) изображения развертывается, т.е. передается и отображается в виде двух полей (Field) с перемежением четных и нечетных строк кадра. Каждое из полей содержит вдвое меньшее число строк, чем полный кадр, т.е. половину зрительной информации, как показано на рис. 1.7. При этом фазы движения в двух полях оказываются различными, что заметно снижает качество передачи движения по сравнению с построчным разложением. Этот дефект хорошо виден

при панорамировании сцен с мелкими деталями. В то же время частота считывания фаз исходного движения в телевидении вдвое выше, чем в кино, и в телевидении не так заметны стробоскопические искажения быстро движущихся предметов, например эффект вращения колес транспортных средств на экране в обратную сторону по сравнению с истинным направлением вращения.

Отличительной особенностью любого цветного кинескопа является наличие у него теневой (заграждающей) маски. Она необходима для того, чтобы поток электронов, например, от “синего” прожектора попадал исключительно на точки синего люминофора. Самым распространенным типом маски кинескопных телевизоров является щелевая маска.

Это перфорированный лист инвара, отверстия в котором имеют форму овалов или прямоугольников, а люминофоры нанесены полосами (рис. 1.8). Эти полосы с затемнениями, соответствующими щелевой маске, можно хорошо разглядеть с помощью лупы, приблизившись вплотную к экрану телевизора. При этом можно оценить разрешение экрана по горизонтали в цвете, измерив шаг А следования цветов и разделив на него ширину экрана, и по вертикали, умножив полученную величину на форматный коэффициент 3:4 (или 9:16). Полученные в результате этих измерений и вычислений величины для обычных кине-

скопных телевизоров не превосходят 640х480 (640х360), т. е. уровня VGA в терминологии компьютерной графики, что недостаточно для телевидения высокой четкости.

Требования высокой яркости экрана кинескопа, четкости цветного изображения на нем и экологической безопасности длительного просмотра кинескопных изображений противоречивы. Для увеличения четкости ширину полос люминофоров (шаг А) необходимо уменьшать, что приводит к уменьшению яркости экрана. В какой-то степени это можно компенсировать увеличением ускоряющего напряжения, которое без достаточной экранировки кинескопа создает сразу несколько опасных для здоровья человека факторов. Основными из них являются:

1.Электростатическое поле, возникающее из-за того, что электроны, ударившись об экран, оседают на нем и сообщают ему свой заряд. Электростатическое поле притягивает к экрану пыль и может вызывать заболевания глаз и кожи.

2.Электромагнитное излучение, возникает при формированиях высоковольтных импульсов обратного хода строчной развертки, поступающих на отклоняющую систему кинескопа. При длительном проникновении в тело человека эти импульсы могут нарушить нормальное взаимодействие различных органов.

3.Рентгеновское излучение, возникающее при торможении ударяющихся о теневую маску электронов. Оно "мягкое" и сквозь экран почти не проходит.

4.Ультрафиолетовое излучение. Некоторые виды люминофоров при бомбардировке электронами излучают свет и в ультрафиолетовом диапазоне. Кинескопное стекло почти не пропускает ультрафиолет, но его часть, достигающая зрителей, может вызвать усталость, покраснение кожи и глаз, а со временем – кожные заболевания, в том числе раковые.

Обычно измеренное вплотную у кинескопа излучение превышает фоновой уровень в 2-3 раза

иубывает до допустимых значений, если смотреть телевизоры на не менее, чем на 5-кратном расстоянии по отношению к высоте кинескопного изображения.

Для защиты пользователя от вредных излучений, сопровождающих работу мониторов на базе ЭЛТ, выпускаются специальные защитные фильтры. В основном, это сеточные, пленочные или стеклянные фильтры, устанавливаемые пользователем перед экраном кинескопа. Все такие фильтры затемняют экран, но стеклянные и пленочные фильтры повышают контрастность изображения. Сеточные и пленочные фильтры снижают электростатический заряд и предохраняют поверхность экрана от оседания заряженной пыли, но не защищают от низкочастотного электромагнитного излучения. Большинство фильтров класса «Полная защита» изготавливаются из специального многослойного стекла с дополнительными добавками и покрытиями. Подобные устройства встраиваются в конструкцию компьютерных мониторов категории LR (Low Radiation) и должны иметь соответствующий сертификат.

Современными стандартами безопасности и здоровья считаются TCO-95/99, разработанные Шведской конфедерацией профессиональных служащих и Национальным советом индустриального и технического развития Швеции (NUTEK). В этих стандартах сосредоточены самые жесткие требования в первую очередь в отношении потребления энергии, теплового и электромагнитного

излучения, а также нижней границы частот кадровой развертки для каждого разрешения экрана. При этом спецификация MPR1 мониторов категории LR касается в основном магнитных полей и определяет уровень излучения для частот в полосе 1…400 кГц. Спецификация MPR2 распространяется и на электрические поля. Оба поля измеряются в двух полосах частот: 5…2000 Гц и 2…400 кГц. Напряженность электрического поля в нижней полосе не должна превышать 25 В/м, в верхней – 2,5 В/м, а напряженность магнитного поля 250 и 2,5 нТл соответственно.

Телевизионные поля передаются с частотой сети электропитания. Это удобно для стран с сетью 50 Гц, так как эта частота попадает в диапазон допустимых частот мельканий, а ее половина близка к кинематографической частоте 24 к/с. В странах с частотой сети 60 Гц транслируемый по телевидению кинофильм приходится приспосабливать для показа с кадровой частотой 30 Гц. Для этого каждые четыре кинокадра (их суммарная продолжительность 4/24 ≈ 16,7 мс) преобразуют в пять телевизионных кадров, т. е. 10 полей такой же продолжительности (10/60 ≈ 16,7 мс, так называемая растяжка 2:3). Заметим также, что число кадровых строк у систем PAL/SECAM и NTSC равно 625 и 525 соответственно, из которых 576 и 480 видимы на экране, а остальные приходятся на обратный ход развертки, т.е. на интервалы гашения экрана.

С увеличением размеров экрана кинескопных телевизоров и увеличением их яркости заметнее проявляются недостатки чересстрочной развертки в виде мелькания изображения с частотой полей, отдельных строк четного или нечетного поля с частотой 25 Гц и иные. Мелькания с частотой полей особенно заметно на кинескопах с повышенной яркостью при просмотре изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. в повышенном поле зрения, когда в процесс восприятия вовлекаются периферийные участки сетчатки глаз, обладающие меньшей инерционностью к световому возбуждению. Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизонтальных границах и наклонных структурах изображения. Поэтому широкой популярностью пользуются телевизоры с цифровой видеопамятью, удваивающие частоту следования телевизионных полей (показывающие каждое из них дважды, т. е. с частотой 100 Гц для телевизоров PAL/SECAM).

Таким образом, на экране телевизора показываются экологически небезвредные изображения в виде последовательности послесвечений люминофоров экрана, мелькающих у обычных телевизоров с частотой полей 50 Гц, т. е. близкой к критической.

Контрольные вопросы

1.Какую функцию выполняет мальтийский механизм в кинопроекторах?

2.Что такое критическая частота затемнений при проекции кинофильмов?

3.Перечислите основные методы сепарации изображений, применяемые в стереоскопическом кинотеатре.

4.Что такое голограмма?

5.Как снимаются и демонстрируются голографические кинофильмы?

6.Какая развертка изображения применятся в телевидении?

7.Какие наиболее вредные излучения создают кинескопные телевизоры?

8.Как можно измерить разрешающую способность экрана кинескопа?

Глава 2. Проекционные технологии отображения видеосигналов [8]

2.1.Видеопроекторы с модуляцией пропускаемого светового потока.

В1990 г. японская фирма Sharp продемонстриро-

вала первый в мире беспленочный проектор Sharpvision XV100-ZM, отображающий компьютерные и телевизионные сигналы на экране шириной до 2,5 м. Этот был жидкокристаллический (ЖК) проектор, открывший новый этап в развитии видеотехники. Он содержал одну просветную ЖК-панель с нормально прозрачным кадровым окном размерами 60×45 мм, в котором создавалась цветная картинка – электронный слайд, соответствующий входному видеосигналу.

В современных видеопроекторах [11] применяются оптические системы с ЖК-панелями в каналах первичных цветов RGB с минимальными зазорами между ними и смесительной призмой, как показано на рис. 2.1. Здесь

световой поток источника света, пройдя конденсор с оптическим компенсатором естественного спада потока от центра к периферии кадра, с помощью дихроичных зеркал (пропускающих только одну и отражающих остальные цветовые компоненты) разделяется на со-

ставляющие красного (R), зеленого (G) синего (В) цветов. Далее эти составляющие проходят через ЖК-панели, модулирующие их по интенсивности, и поступают на смесительную призму, где собираются вместе и направляются в проекционный объектив.

ЖК-панель (рис. 2.2) представляет собой “сэндвич” из двух оптических пластинполяризаторов, каждая из которых пропускает без ослабления свет только с определенной, линейной поляризацией. Первый из них пропускает 50% света (Р- составляющую светового потока со случайной поляризацией). Выходной поляризатор “сэндвича” развернут относительно входного на

90° и пропускает составляющую с ортогональной S-поляризацией. Свет через такой “сэндвич” может проходить только в том случае, если между скрещенными поляризаторами находится оптически активная среда, создающая дополнительный сдвиг плоскости поляризации проходящего света. В качестве такой среды использован тонкий слой жидких кристаллов TN (Twisted Nematic) с

прямыми, нитевидными молекулами. Особенностью молекул TN является их стремление в спокойном состоянии (при отсутствии внешнего поля) ориентироваться вдоль профилирующих канавок на контактирующей с ними поверхности и в закрученном относительно друг друга положении в тонком слое. Так как при этом возникает сдвиг поляризации на 90°, составляющая входного светового потока, пропускаемая входным поляризатором, через скрещенные поляризаторы, разделенные слоем жидких кристаллов TN, проходит (рис. 2.2).

Под воздействием электрического поля молекулы TN начинают «выстраиваться» вдоль него, постепенно переставая «скручиваться», а при возрастании напряженности поля выше определенной величины перестают влиять на поляризацию света, и его прохождение через ЖКпанель прекращается (рис. 2.3).

ЖК панели оснащены матричной системой электродов (рис. 2.4) с прозрачными площадками, разделяющими ЖК-панель на элементы изображения (пиксели) с конденсаторами, в которых ЖК-слой выполняет функцию диэлектрика. Каждый пиксель ЖК-панели содержит тонкопленочный полевой транзистор TFT (Thin Film Transistor), управляющий напряжением на конденсаторе, т.е. электрическим полем, действующим на жидкие кристаллы, находящиеся между его прозрачными обкладками. При этом, вносимая поляризация и степень прозрачности каждого пикселя для проходящего света определяется напряжением на конденсаторе.

Особенностью ЖК проекторов является инерционность TN молекул, т.е. их неспособность изменять прозрачность пикселей в реальном времени развертки вдоль строк. Поэтому все ЖКпроекторы и дисплеи оснащены кадровой памятью, и проецируемое изображение изменяется у них от кадра к кадру без гашения экрана, как в кинопроекторах и телевизорах, а плавно отрабатывая запомненные в течение кадрового гасящего импульса новые значения прозрачности одновременно всеми пикселями. Поэтому какие-либо мелькания и иные нестабильности экранного изображения здесь отсутствуют.

Основная задача конденсорной оптики проекторов - собрать по возможности больший световой поток, создаваемый лампой, и с высокой равномерностью и минимальными потерями напра-

вить его на ЖК панели. Чем меньше их размеры, тем успешнее она решается, но тем термоустойчивее должны быть сами панели и производительнее система вентиляции проектора. В оптических системах с конструктивами типа “панели на призме” задача теплоотвода решается эффективнее. Но все равно удручающими выглядят 50 % потери на входных поляризаторах, пропускающих только полезную составляющую линейно поляризуемого светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) его ортогональную составляющую.

точенном состоянии), характеризуются нелинейностью и неодинаковостью характеристик управления прозрачностью пикселей, особенно по достижению их полного запирания. Из-за невозможности полностью перекрыть пропускание света всеми пикселями при подаче одинаковых и небольших управляющих напряжений, черное поле, проецируемое ЖК-проекторами с такими модуляторами, в затемненном помещении часто воспринимается как серое.

В борьбе за повышение контрастности были разработаны ЖК-модуляторы других технологий, например, In-Plane-Switch (IPS),

сущность которой поясняется на рис. 2.7. Здесь ориентация молекул TN всегда находится в плоскости, параллельной поляризаторам, и при отсутствии управляющего напря-

жения IPS-пиксель не пропускает свет, т. е. является нормально черным. Для этого профилирующие канавки, контактирующие с молекулами TN, и сборка ЖК-модулятора IPS выполняются так, чтобы его поляризаторы оказались скрещенными с учетом дополнительного сдвига плоскости поляризации, создаваемого из-за естественного закручивания молекул TN. Под действием управляющего напряжения молекулы начинают ориентироваться вдоль электрического поля, поворачиваясь в той же плоскости, и при их повороте на 90º светопропускание достигает максимума. В результате удалось существенно увеличить глубину черного и контрастность изображения.

2.1.1. Жидкокристаллические (LCD, Liquid Crystal Display) цветные дисплеи и панели.

Устройство цветного ЖК-дисплея [7] поясняется на рис. 2.8. Он представляет собой “сэндвич” из скрещенных поляризаторов 1 и 7, расположенных на внешних сторонах стеклянных подложек 2 и 11, и слоя 8 жидких кристаллов между ними. На внутренней стороне подложки 2 расположен

светофильтр 4, разбивающий экран на мат-

Рис. 2.8. Устройство жидкокристаллического экрана рицу цветных пикселей, содержащих кон-

денсаторы с прозрачными обкладками, заполненные жидким кристаллом, и полевые транзисторы, а также проводящий прозрачный слой 3 – общую обкладку конденсаторов всех пикселей дисплея. Прозрачность пикселей для источника обратной подсветки дисплея зависит от управляющих напряжений, задаваемых полевыми транзисторами на соответствующих конденсаторах. Аналогично устроена цветная модулирующая ЖК-панель.

Цветные ЖК-панели получили широкое распространение как экологичные и компактные визуализирующие устройства в мониторах, компьютерных дисплеях и телевизорах.

Появились 3D-телевизоры с ЖК-экранами, оснащенными дополнительными оптическими пленками, реализующими поляризационный метод сепарации изображений для левых и правых глаз зрителей, о котором говорилось выше. К их числу относится 46-дюймовый телевизор Hyundai с разрешением 1920×1080 пикселей, поставляемый в комплекте с двумя парами поляризационных очков.

2.2.Видеопроекторы с модуляцией отражаемого светового потока

2.2.1.Жидкокристаллические проекторы технологии D-ILA

Первые сообщения о видеопроекторах с отражающими ЖК-модуляторами появились в 1995 году, а на профильной выставке Infocomm'1998 они демонстрировались японской компанией JVC Professional Products под брендом D-ILA и другими фирмами.

Схема проектора с отражающими ЖК-модуляторами технологии D-ILA (Digital-Image Light Amplifier) показана на рис. 2.9. Проектор содержит источник света, световой поток которого цветоделительным дихроичным узлом разделяется на желтую (R+G) и синюю (В) составляющие.

Эти составляющие, отражаясь от зеркал с наружным покрытием и разделяясь дихроичным зеркалом, отражающим зеленый свет, поступают через оптические блоки поляризаторов-анализаторов на соответствующие ЖК-панели, затем в смесительную призму и объектив проектора.

Оптическая схема одного канала проектора D-ILA показана на Рис. 2.10. Одним из его компонентов является специальное

зеркало, расположенное по диагонали поляризатора-анализатора. Это зеркало является поляризационным фильтром PBS (Polarized Beam Splitter), выполняющим функции входного и выходного поляризаторов просветных ЖК-модуляторов. При падении света под углом 45° его составляющая с поляризацией вдоль поверхности зеркала пропускается, а составляющая с ортогональной поляризацией отражается и направляется на модулирующую ЖК-панель перпендикулярно ее поверхности. Модулятор возвращает свет с внесением сдвигов поляризации в соответствии с управляющими напряжениями на пикселях.

Теперь зеркало PBS выполняет функцию анализатора и пропускает модулированную составляющую светового потока в объектив, а исходную в источник света.

Так как при отсутствии управляющих напряжений световой поток на выходе указанного оптического канала отсутствует, он является нормально закрытым. Это определило особую структуру (Vertical Alignment) таких модуляторов, условно показанную на рис. 2.11. вместе с управляющей характеристикой. На нем видно, что в обесточенном состоянии молекулы ЖК расположены перпендикулярно плоскости модулятора и не влияют на поляризацию отражаемого светового потока. При увеличении управляющего напряжения выше порогового значения молекулы ЖК начинают поворачивать плоскость поляризации падающего на модулятор светового

потока, и в отраженном световом потоке (Light Output) появляется модулированная ортогональная составляющая Р, пропускаемая зеркалом-поляризатором проектора на экран. При дальнейшем увеличении управляющего напряжения эта составляющая светового потока достигает максимума.

водкой управляющих сигналов и металлическими площадками, экранирующими пиксели от влияния друг на друга.