mmt-virtreal_red

У отражающих модуляторов, кроме меньших тепловых потерь, есть и другие преимущества. Здесь матрица управляющих полевых транзисторов не занимает пространства в жидкокристаллическом слое, а расположена за ним на подложке с электроникой. За счет этого достигается увеличение разрешающей способности и поверхности зеркальных электродов с доведением общего коэффициента отражения ЖК-модуляторов до 95%. В результате удается одновременно увеличить и разрешающую способность, и яркость экранного изображения. Вместе с тем, нелинейность их управляющей характеристики должна компенсироваться коррекцией амплитудной характеристики канала изображения проектора.

2.2.2. Видеопроекторы технологий LCOS и SXRD.

Аналогичные D-ILA ЖК-проекторы выпускаются также под брендом LCOS (Liquid Crystal on Silicon) и компанией Sony c модуляторами технологии SXRD (Silicon X-tal Reflective Displae).

Оптическая схема таких проекторов приведена на рис. 2.13. Здесь световой поток источника света 1, пройдя защитный ИК-фильтр 2 и конвертер поляризации 3, сначала разделяется цветоделительным узлом 4 на R+G (желтую) и B (синюю) составляющие. Эти составляющие, отражаясь от зеркал 5 и пройдя корректирующие светофильтры 7, попадают на PBS-блоки 8. При этом составляющая R+G предварительно разделяется на красную (R) и зеленую (G)

компоненты дихроичным зеркалом 6. Эти компоненты поступают на соответствующие модуляторы 9 и, отражаясь от них, снова в блоки 8 и затем в смесительную призму 10. Здесь они суммируются и, отражаясь от зеркала 5, попадают в объектив 10.

Серьезной проблемой, которая возникла при создании и совершенствовании ЖК-проекторов, является инерционность

жидкокристаллических пикселей, оцениваемая постоянной времени или временем отклика, складывающимся из времени нарастания и времени спада. В ЖК-модуляторах большинства видео проекторов до сих пор используются холестерические жидкие кристаллы типа ТN (Twisted Nematic), характеризующиеся постоянной времени порядка 20 мс. Так как длительность активной части строки гораздо меньше (52 мкс для систем PAL и SECAM), управлять прозрачностью пикселей в реальном времени вдоль строк растровых изображений невозможно. Поэтому уже в первых ЖКпроекторах при переходе к очередному кадру применялось и одновременное изменение прозрачности пикселей целой группы строк в количестве, зависящем от емкости и цены существовавших в то время микросхем буферной памяти. Сегодня – это память на целый кадр, и так как формирование очередных управляющие напряжений на все пиксели ЖК-панелей занимает время, равной

длительности одного кадра, они проецируются с задержкой на 1 кадр относительно поступающих в отображаемых видеосигналах. При этом нет необходимости в электронном или обтюраторном гашении экрана, и последующие кадры изображений на экране возникают не через черное поле, как в кино и телевидении, а появляются (как бы вырастают) из предыдущих с быстродействием жидких кристаллов.

Устройство ЖК-модудятора технологии SXRD иллюстрируется на рис. 2.14. Именно такими модуляторами с временем отклика (Time Response) менее 5 мс, размерами пикселей и расстояниями между ними 8,5 мкм и 0,35 мкм соот-

Рис. 2.14. ЖК-модулятор технологии SXRD ветственно оснащены проекторы Sony с разрешением 4К, что является высшим достижением по разрешающей способности среди серийно выпускаемых видеопроекторов.

Тем не менее, часто, сравнивая LCD с кинескопными телевизорами, говорят о низком быстродействии LCD как об основном их недостатке. При этом забывают о том, что быстродействие телевизоров не лучше, а хуже чем у современных LCD. Хорошо известно, что яркость изображения и отсутствие заметного мерцания на экране CRT-телевизоров обеспечивается благодаря послесвечению люминофоров его покрытия, которое принципиально должно быть около 20 мс.

Таким образом, ЖК-проекторы создают не мелькающие (безвредные для зрения) изо-

бражения, визуализируемые в виде последовательности слайдов со сдвигом по времени на 1кадр относительно исходных.

2.2.3. Микрозеркальные (DLP) проекторы [8]

На появление первого видеопроектора Sharp XV100 сразу же обратили внимание в США, где безраздельно господствовала киноиндустрия Голливуда и пленочных проекторов. Почувствовав, что за беспленочной проекцией маячит необъятный в перспективе рынок продукции, там решили свою технологию проекции, альтернативную ЖК, выделив солидные правительственные гранты на проведение необходимых исследований.

Эта грандиозная и наукоемкая работа была выполнена группой инженеров и изобретателей во главе с Ларри Хорнбеком компании Texas Instruments (TI). Потребовалось более семи лет напряженной работы, прежде чем появились первые промышленные модели цифровых проекторов технологии Digital Light Processing (DLP), базирующейся на светоотражающих микрозеркальных модуляторах света Digital Micromirror Device (DMD).

Весной 1996 года фирма Texas Instruments представила первый цифровой проекционный блок, готовый к продаже и запатентованный под торговой маркой DLP. Оптическая схема DLP-

ра. Зеркала крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться в пределах ±10 градусов (±12° у современных моделей), как показано на рис. 2.16 и 2.17.

Каждый DMD-пиксель содержит управляющий и пару адресных входов, соединенных с ячейкой SRAM на КМОП подложке. Комбинация управляющего и адресного напряжений электростатически отклоняет зеркало к одному из крайних положений, соответствующих состояниям «включено» и «выключено». В первом случае отраженный микрозеркалом свет попадает в оптическую систему проекционного объектива, а во втором рассеивается и поглощается. Время оптического переключения состояний микрозеркал не превышает 2 мкс (10 мкс с учетом затухания переходных процессов), управление их положением осуществляется широтно-импульсной модуляцией с частотой полей, а уровень цветовых составляющёих светового потока по каждому пикселю определяется относительным временем нахождения зеркала во включенном положении на

временном интервале каждого телевизионного поля. Его длительность (около 17 мс для видимой на экране части растра систем 625 строк, 50 полей/с) подвергается 10-разрядной дискретизации, обеспечивающей 1024 уровня светового потока по каждому пикселю в каналах первичных цветов. Остальное базируется на способности зрения усреднять мгновенные яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения. Для того, чтобы это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем пре-

совокупность более коротких той же общей продолжительности в пределах каждого поля. Микрозеркальные проекторы с одним DMD. Нагрузка на зрение возрастает при просмотре изображений от DLP проекторов с одной матрицей DMD, устройство которых иллюстрируется на рис. 2.18. Здесь глазам приходится делать, кроме высокочастотного усреднения яркости с пониженной до 8 бит дискретизацией, низкочастотное усреднение цветности, так как изображение на

лей) в секунду. Проекторы с такими фильтрами ColorWheel называют проекторами с однократной скоростью (1×).

Разновидностями DLP-проекторов с одним DMD являются модели с вращающимся светофильтром из четырех и более секторов (рис. 2.19). Например, добавление четвертого прозрачного сектора позволяет, остановив вращение фильтра на нем, почти втрое увеличить световой поток проектора при просмотре черно-белых изображений. Однако при этом уменьшается насыщенность проецируемых цветных изображений.

Рис. 2.19. Разновидности цветных светофильтров для одночиповых DLP-проекторов

Большинство современных DLP-проекторов имеют колесо с удвоенной частотой вращения

(2×), т. е. 7200 оборотов в минуту. Выпускаются проекторы со скоростью 4×, имеющие колесо с удвоенной частотой вращения, но с шестью цветными секторами. Появились проекторы с утроенной частотой вращения (10800 об/мин) и 6- или 7-секторным колесом. Все это делается для уменьшения времени формирования цветной точки, которое у проекторов 1× и 2× происходит за один оборот колеса (17 и 8 мс), а для проекторов 4× - за пол-оборота (4 мс).

Существенным преимуществом у видеопроекторов микрозеркальной технологии является пренебрежимо малое (измеряемое микросекундами) время отклика, что гарантирует отсутствие на экране контурных шлейфов за быстро двигающимися фрагментами изображений, иногда наблюдаемых при ЖК-проекции.

2.2.3.1. Экологическая совместимость микрозеркальных изображений [2]

Принципиальным недостатком DLP-проекторов с одним DMD является большая нагрузка на зрение. Действительно, мгновенная цветность экранного изображения, создаваемая одночиповыми проекторами, никогда не совпадает с реальной, а возникает только в подсознании зрителей в результате усреднения вспышек цветов, создаваемых вращающимся светофильтром.

Зрение человека – совместная работа глаз и головного мозга – инерционно и обладает способностью суммирования по цветам и времени, т. е. интегральными свойствами. Интегрирование по цвету заключается в том, что три разных цвета RGB (красный, зеленый и синий), показанных одновременно, человек воспринимает как один смешанный белый. Любой оттенок можно воспроизвести, комбинируя эти три основных цвета. Интегрирование по времени заключается в том, что одна и та же точка на экране, светящаяся в течение 1 мс, будет казаться ярче в 10 раз, чем точка, светящаяся в течение 0,1 мс. В DLP-проекторах используются обе интегральные способности зрения человека: на экран последовательно выводятся основные RGB-цвета в течение разного времени, передавая изображение желаемого цвета и яркости.

Конструкторы стремятся сократить время формирования цветной точки, так как это ослабляет присущий одночиповым DLP-проекторам «эффект радуги». Этот паразитный эффект проявляется в том, что человек видит вместо однотонного цвета различные цветные вспышки. В первую очередь это относится к людям молодым, у которых хорошее быстродействие зрения. Часто такие

вспышки можно заметить, если быстро переводить взгляд с одного участка изображения на другое, например, по диагонали, или просто быстро махать перед глазами ладонью с раздвинутыми пальцами. Причина эффекта - в последовательном формировании цвета. Предположим, что проецируется изображение с белым фоном, например электронная таблица или текстовый файл, а секторы колеса изменяются в порядке красный - зеленый - синий. Если при этом посмотреть на левый нижний угол и в момент прохождения зеленого сектора перевести взгляд на правый верхний угол и обратно, то может показаться, что первый угол не белый, а цветной с нехваткой синего, а второй угол – тоже цветной, но с нехваткой зеленого. Если же махать ладонью перед глазами, то в момент прохождения одного из цветных секторов пальцы закрывают на короткое время фрагмент изображения, вырезая одну из цветовых составляющих.

Чем дольше микрозеркало находится в положении «включено», тем ярче кажется этот пиксель. При этом понятно, что реальная яркость точки на экране неизменна, меняется только продолжительность ее свечения. Живое существо, с другой физиологией зрения, увидит просто набор коротких вспышек чистых цветов (красный, зеленый и синий), причем вспышки одного цвета будут иметь одинаковую яркость.

Но эффект «радуги» – это только одно из проявлений последовательного формирования цветной точки, у многих людей болит голова, возникают другие неприятные ощущения[3]. Еще не известно, что происходит с человеком, который ничего не чувствует. Не исключено, что в результате увлечения просмотров фильмов на DLP-проекторе может ускориться развитие катаракты или других недугов. Четких данных о том, насколько вредно воздействие DLP-технологии на человека, до сих пор нет, хотя в мире уже проданы многие миллионы DLP-проекторов.

В чем может быть вредное воздействие этой технологии? Во-первых, сам последовательный принцип формирования цветной точки противоестественен и отсутствует в природе. Последствия здесь неопределенны. Во-вторых, время вспышки одного пикселя современных DLP-проекторов находится в диапазоне 4-1000 мкс и имеет тенденцию к уменьшению. Где тот безопасный предел минимального времени вспышки для зрения? Могут ли люди, склонные к эпилепсии, смотреть такое изображение? Насколько адекватно преобразовывает человеческий мозг набор коротких вспышек в цветную точку? Воздействие изображения на мозг человека – вопрос сложный, но актуальный для современного человека.

Попытка научного исследования влияния присмотра DLP-изображений на зрение была осуществлена в специализированной лаборатории ОАО ВНИИТР. Исследование позволило сделать вывод о том, что длительный просмотр изображений на DLP-проекторах вызывает большую утомляемость у зрителей, чем аналогичный на LCD-проекторах [2].

2.3. Видеопроекторы и дисплеи с твердотельными источниками света

Какие бы технологии модуляции светового потока ни изобретались, очевидно, главную роль в проекционной аппаратуре играет источник света. Так как сегодня почти исчерпаны ресурсы повышения эффективности дуговых ламп, все больше внимания уделяется альтернативным источникам света. К ним относятся мощные светодиоды (Light Emitting Diode, LED) и лазеры которые, превосходят дуговые лампы по ресурсу и спектральной стабильности светового потока.

2.3.1. Лазерная проекция 2.3.1.1. Сканирующие лазерные видеопроекторы

Создание лазеров – мощных источников узких нерасходящихся пучков света – привело к желанию использовать их для проекции. Первоначально идея лазерного видеопроектора была основана на синтезе видимого телевизионного изображения путем модуляции интенсивности и механической развертки лазерных лучей трех основных цветов – красного, синего и зеленого. Простейший монохромный лазерный видеопроектор содержит три основные части: лазер, модулятор и дефлектор (сканер), как показано на рис. 2.20..

Рис. 2.20. Функциональная схема лазерного видеопроектора с бегущим лучом

Модулятор такого проектора управляет мощностью выходного лазерного пучка в соответствии с входным видеосигналом, а дефлектор осуществляет его отклонение по вертикали и горизонтали. Для развертки лучей по вертикали применяются зеркальные гальванометры, а по вертикали

– зеркальные многогранные барабаны. Малый диаметр (апертура) лазерного пучка позволяет создавать изображение весьма высокой четкости, особенно при большом размере экрана. Монохроматичность (спектральная чистота) излучаемого света обеспечивает при этом отличное качество цветопередачи и очень хорошую однородность цвета по полю изображения. Поэтому сканирующие лазерные видеопроекторы часто используются для создания крупномасштабных световых

эффектов в шоу-бизнесе, на открытых пространствах и в помещениях специального назначения, например, планетариях.

Очевидно, при этом должны обеспечиваться меры предосторожности, предотвращающие прямое попадание лазерного излучения в глаза зрителей. Как известно, даже лазерная указка мощностью 1 мВт считается опасной для пользователя и окружающих.

Другой серьезный недостаток сканирующих лазерных видеопроекторов – отсутствие инерционности (послесвечения элементов воспроизводимого изображения), что приводит к заметной утомляемости зрителей при длительных просмотрах проецируемого изображения.

2.3.1.2. Дисплеи и видеопроекторы с источниками света NECSEL [3]

Применение полупроводниковых лазеров для проецирования изображений в настоящее время считается весьма перспективным. В их пользу говорит не только более широкая гамма отображаемых цветов, но и длительный (десятки тысяч часов) срок службы с неизменной световой отдачей. Кроме того, излучаемый лазерами свет имеет круговую поляризацию, которая просто и с высоким КПД может быть преобразована в линейную, что позволяет исключить из ЖК-проекторов конверторы поляризации и упростить конструкцию в целом.

Оптическая схема проекционного лазерного DLP-дисплея приведена на рис. 2.21. Здесь в качестве источников света 1 используются полупроводниковые лазеры (615,25 нм), зеленого (532,5 нм) и синего (465 нм) цветов. Их изучения поступают на дифракционные формирователи 2, обеспечивающие равномерность излучений по их сечениям. Далее они отражаются и сводятся дихроичными зеркалами 3 и, отразившись от зеркала 4, преобразуются оптическим компонентом 5 в широкий пучок лучей, со-

ответствующий апертуре модулятора 6, а модулированный им свет отражается и проецируется объективом 7 на просветный экран дисплея.

Американская компания Novalux разработала технологию производства мощных лазерных источников света оптического диапазона NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser), построенных на принципе удвоения на нелинейных кристаллах частоты излучения мощного инфракрасного лазера. Утверждается, что ресурс работы излучателей превышает 50000 часов без снижения выходной мощности и изменения длины волны излучения в видимом диапазоне. Причем, красный, зеленый и синий цвета могут быть реализованы в едином блоке излучателей,

мощность которого достаточна для кинотеатральной проекции (см. Приложение П4).

Применение лазерных микропроекторов поддержано производителями техники PDA (Personal Digital Assistant) и сотовых телефонов. У

фирм TI и Motorola уже появились лазерные пи- ко-проекционные DLP-модули для встраивания в такую продукцию. Началом этому послужило появление на выставке CES'2007 разработки израильской фирмы ExPlay под названием NanoProjector, фотография и функциональная схема которого показаны на рис. 2.22. Его особенностью является использование гибридного источника света, содержащего лазеры и светодиоды. Их световой поток через дифракционные формировате-

ли DRBS (Diffractive Refractive Beam Shaping),

обеспечивающие равномерность излучений, поступает на корректирующий оптический компонент Despeckling Devise, устраняющий заметность

так называемых “спеклов” – гранулированной структуры изображения, создаваемого интерферирующими когерентными пучками лазерных излучений. Сформированный таким образом равномерный световой поток белого света проходит цветной, просветный ЖК-модулятор ASML (Advanced Spatial Light Modulator) с максимальным светопропусканием 60% и проецируется на экран объективом Lens. Дистанция наводки на резкость фиксирована и равна гиперфокальному расстоянию этого объектива, что без дополнительной фокусировки обеспечивает резкость проецируемого изображения, размеры которого по диагонали могут быть от 7 до 30 дюймов (зависит от проекционного расстояния). Совместимость нано-проектора с различными системами представления отображаемо информации обеспечивается специализированным микропроцессором Mixed Signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit) с 40-контактным интерфейсом. Достоинством

ExPlay является также применение ЖК-модулятора.

Лазерная проекция получит широкое распространение, если удастся доказать ее безо-

пасность для зрения. Не следует ожидать, что это произойдет скоро. Американским стандартом лазеры классифицируются по шести категориям (индустриальные, хирургические, лазерные указки, записывающие информацию на дисковые носители и др.), из которых только две, относятся к самым маломощным лазерам, считающимся относительно безвредными для человека. На выставке Infocomm'2007 был проведен семинар на тему «LEDs/Laser Displays», на котором обсуждалась

проблема лазерной безопасности, установлена необходимость корректировки стандартов на лазерную продукцию и названы сроки 5-7 лет, в течение которых это может произойти.

2.3.1.3. Лазерные телевизоры и дисплеи

Первый образец лазерного телевизора был изготовлен австралийской фирмой Arasor, занимающейся оптоэлектроникой, путем доработки 52″ проекционного телевизора Mitsubishi WD52627, содержащего одночиповый DLP-проектор. Доработка ограничилась введением в проектор лазерного источника света Novalux (см. Приложение П4) и использованию в телевизоре оптических компонентов Arasor. В октябре 2006 года этот модифицированный телевизор был продемонстрирован вместе с плазменным аналогом фирмы Samsung, показав явные преимущества по яркости изображения и чистоте цветов.

DLP-телевизора, оптическая система которого показана на рис. 2.23. В отличие от австралийской модели, в нем нет вращающегося светофильтра, и чередование цветов засветки микрозеркального чипа производится переключением компонентов лазерного источника света. По утверждению Mitsubishi, этот телевизор уже тогда имел лучший показатель цена/ каче-

ство, чем плазменные дисплеи. На этой же выставке компания Sony продемонстрировала прототип лазерного HD-телевизора (диагональ экрана 55″, разрешение 1920×1080, толщина 27 см). Через год, на выставке CES’2008, компания Mitsubishi представила первый в мире промышленный образец лазерного HD-телевизора L65-А90 (65″, 1920×1080, толщина экранной секции 25,7 см, масса 62 кг, потребляемая мощность 135 Вт).

В 2009 г. появились сообщения о разработке американской компанией Prizm

технологии LPD (Laser Phosphor Display)

применения полупроводникового лазера в больших дисплеях. Экран такого дисплея имеет люминофорное покрытие в виде вертикальных цветных полосок, а откло-

нение лазерного луча производится оптико-механическим сканером, аналогичным показанному на рис. 2.20.. Интенсивность луча модулируется отображаемым видеосигналом с учетом цветности полосок и световой отдачи соответствующих люминофоров покрытия экрана.