Источники света
В современных проекторах для получения интенсивного потока света используют эффективные галогенные, металло-галидные или ксеноновые дуговые лампы. Галогенные лампы используются в проекторах небольшой мощности и имеют срок службы 50 – 100 часов (по спаду яркости на 50% за счет запыления внутренней поверхности стекла лампы). Металло-галидные лампы используются в проекторах средней и высокой мощности. Внешний вид такой лампы показан на рисунке. Характерный срок службы ламп составляет 1000 - 2000 часов. За 200 часов яркость падает на 5%, за 1000 – на 20%. Стоимость таких ламп от $300 до $600. В наиболее мощных проекторах используются ксеноновые дуговые лампы, имеющие ресурс более 1000 часов и дающие наиболее естественный цвет.
Для формирования светового потока используются параболический рефлектор и коллиматор (конденсор). В итоге на модулятор направляется параллельный пучок света (см. рисунок).
Основные типы модуляторов
Модулятор определяет важнейшие параметры проектора, такие, как разрешающая способность, число градаций яркости, быстродействие и пр.
Наиболее распространенным модулятором для проекторов является жидкокристаллическая матрица. Принцип действия ЖК заключается в модуляции проходящего через ЖК света за счет изменения ориентации или других свойств ЖК. На рисунке схематично показан принцип действия ЖК-ячейки и структура ЖК матрицы.
Характерные размеры ЖК матрицы для проекционных систем составляют от 20 до 150 мм по диагонали. Информационная емкость лежит в пределах от 640х480 до 1280х1024 и более элементов изображения. Существуют две разновидности ЖК матриц: на базе аморфного и на базе поликристаллического кремния. Для повышения быстродействия и улучшения электрических характеристик для управления ЖК матрицами используют тонкопленочные транзисторы (TFT – Thin Film Transistor).
В последнее время появилось несколько новых типов модуляторов. Так, на смену ILA (Image Light Amplifier – усилитель яркости изображения) ЖК-матрицам с фотоэлектронным слоем появились разработанные фирмами JVC и Hughes D-ILA матрицы (Direct Drive Image Light Amplifier - электрически управляемый усилитель яркости изображения). D-ILA матрица работает на отражение, для чего в ней используются зеркальные катоды.
Также появился целый ряд т.н. MEMS (micro electromechanical system – микроэлектромеханические системы) матриц, основанных на электрически управляемом изменении угла наклона или формы микрозеркал. Такие системы имеют очень высокое быстродействие (время переключения микрозеркала около 20 наносекунд).
Наибольшее распространение получили DMD (Digital Mirror Device – микрозеркальное устройство) матрицы, разработанные фирмой Texas Instrument. Размер каждого зеркала 16х16 микрон, зазор 1 микрон (см. рисунок).
DMD матрицы имеют очень большой срок службы,не менее 30 лет непрерывной работы. Проекторы на базе DMD матриц называются DLP (Digital Light Processing - цифровая обработка света) проекторами.
Еще одной разновидностью MEMS являются TMA (Thin film Micromirror Array – массив тонкопленочных микрозеркал) матрицы,разработанные фирмой Daewoo. TMA отличаются от DMD тем, что в них отклонение зеркал производится не электростатическим, а пьезоэлектрическим способом. Характерный размер микрозеркала – 97х97 микрон, зазор 3 микрона. Достоинством TMA матриц является возможность получения полутонов в пределах одного обращения к ячейке.
К другому типу MEMS устройств относятся GLV матрицы (Grating Light Valve – микромеханическая фазовая решетка). На рисунке показан внешний вид и принцип действия такой матрицы.
Проблемы тепла
Практически вся лучистая энергия проекционной лампы фокусируется на модуляторе. Наиболее остро проблема тепла стоит для ЖК матриц, так как вся световая энергия, не прошедшая через матрицу, поглощается ЖК. При повышенных температурах увеличивается деградация ЖК, вследствие чего теряется контраст изображения. Для отвода тепла используется воздушное принудительное охлаждение. В матрицах с использованием микрозеркал тепловой режим не такой жесткий, так как та часть светового потока, которая не проецируется на экран, не рассеивается в матрице, а поступает на абсорбер, поглощающий до 98% падающего на него света.
Цветообразование
Для получения цветных изображений используются, как минимум, 3 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 цветов. В этом случае элемент изображения (пиксель)состоит из нескольких элементов различных цветов (как правило, красный, зеленый,синий). При наблюдении с определенной дистанции эти элементы сливаются, и мы наблюдаем их как единый пиксель произвольного цвета. При пространственном разделении цветов эффективная яркость составляет от 20 до 30% максимальной. На рисунке показаны типовые структуры пикселей.
На следующем рисунке показана структура ЖК матрицы с пространственным разделением цветов.
Разделение цветов во времени используется в проекционных системах. При этом матрица- модулятор поочередно освещается источником света красного, зеленого и синего цветов. Для получения различных цветов чаще всего используется вращающийся диск с секторами различного цвета. При таком способе от модулятора требуется повышенное (в три раза) быстродействие, что достаточно просто реализуется в MEMS матрицах и затруднено в ЖК матрицах. Временное разделение цветов снижает максимальную яркость в три раза. Схема DMD проектора с временным разделением цветов приведена на рисунке.
Совмещение цветов во времени и пространстве является наиболее эффективным, но требует использования трех модуляторов. Применяется в проекционных системах на базе ЭЛТ и в качественных матричных проекционных системах. Этот принцип совмещения позволяет получить наиболее высокую эффективность, но требует качественного совмещения выходных пучков света от каждого из трех модуляторов. Соответственно, системы с использованием этого принципа является наиболее дорогими. На рисунке показана схема формирования совмещенных цветов для трех ЖК и для трех DMD матриц.
Оптика
В проекционных системах И-М-Э класса (см. статью " Новая классификация устройств отображения информации") широко используются различные оптические системы. Между источником света и модулятором производится формирование светового потока заданной геометрии и (для ряда проекторов) цветоразделение. Между модулятором и экраном также используются достаточно сложные оптические системы. Так как эти системы манипулируют уже с модулированным световым потоком, несущим информацию, то именно они в существенной степени определяют качество изображения. Для того, чтобы понять, какое воздействие оказывает выходная оптическая система на качество изображения, рассмотрим погрешности оптических систем.
Погрешности оптических систем
Астигматизм. Проявляется в искривлении плоскости изображения. При проекции на плоский экран изображение от центра к периферии становится все более и более размытым. Это связано с тем, что проектируемое изображение представляет собой не плоскость, перпендикулярную к оптической оси, а некоторую изогнутую поверхность. Астигматизм оптической системы исправляется подбором конструктивных элементов системы, радиусов поверхностей, показателей преломления и расстояний между элементами оптической системы.
Дисторсия. Проявление дисторсии заключается в подушкообразных или бочкообразных искажениях изображения и связано с тем, что увеличение оптической системы зависит от угла между падающим светом и оптической осью системы. Явление дисторсии также может быть минимизировано применением специальных оптических мер.
Хроматическая аберрация. Этот вид искажений связан с тем, что показатель преломления стекол оптической системы зависит от длины световой волны (явление дисперсии), следовательно, световые лучи с разной длиной волн будут фокусироваться не в одной плоскости, что приведет к появлению на изображении цветных колец. Для выравнивания фокусных расстояний используются специальные ахроматические линзы, состоящие из комбинации двояковыпуклых и рассеивающих линз, изготовленных из различных оптических материалов.
Коэффициенты пропускания. Даже при прохождении света через абсолютно прозрачное стекло на двух оптических переходах теряется около 8% светового потока. Это не очень много, но для сложных оптических систем, где число оптических переходов может достигать нескольких десятков, суммарные потери могут быть достаточно велики. Для снижения потерь в оптических системах используются специальные тонкопленочные покрытия (просветление оптических поверхностей). Трехслойное просветление может уменьшить потери с 4 до 0,5% на каждый оптический переход.
Неравномерность яркости. В реальных оптических системах яркость на краях изображения существенно (в 2 – 3 раза) ниже, чем в центре изображения. Этот спад яркости тем больше, чем короче фокусное расстояние оптической системы. Частично спад яркости может быть скорректирован в самой оптической системе. Однако более радикальными способами выравнивания яркости являются электронная коррекция яркости в модуляторе и использование экранов с особыми оптическими свойствами.
Механические и тепловые погрешности. Погрешности в юстировке элементов оптической системы могут приводить к появлению вышерассмотренных оптических искажений, а для проекторов с совмещением цветов – к нарушению сведения цветов. Оптическая система проектора пропускает через себя достаточно мощный световой поток и поэтому является термонагруженной системой. Вследствие различных коэффициентов теплового расширения также возможно появление различного вида оптических искажений.
Из вышерассмотренного ясно, что проектирование оптической системы, устраняющей оптические искажения различного вида, является достаточно сложной и даже противоречивой задачей. Как правило, приходится идти на определенные компромиссы, в итоге жертвуя качеством изображения. Отсюда же следует, что современные оптические системы весьма сложны и, следовательно, дороги.
Источник света, светомодулирующие матрицы, проецирующая оптика и сопутствующие детали и узлы образуют функционально законченное устройство – проектор. Изображение, формируемое проектором может проектироваться на экран определенных размеров и с определенными оптическими свойствами.
Яркость и контраст проектора
Говоря о "яркости" проектора обычно подразумевают световой поток. Световой поток не зависит ни от размера экрана, ни от расстояния от экрана до проектора и измеряется в люменах. Существует методика измерения, утвержденная ANSI (Американским национальным институтом стандартов), когда измерения производятся в 9 точках экрана при специально установленных яркости и контрастности и затем усредняются. В этом случае говорят об "ANSI люменах". Введение ANSI люменов связано с присущим проекционным системам спадом яркости на краях. В лучших проекторах отношение светового потока в ANSI люменах к максимальному световому потоку в центре достигает 80%.
Под контрастом понимается отношение максимального светового потока (белый участок изображения с максимальной интенсивностью) к минимальному световому потоку (черный участок изображения с нулевой интенсивностью). Это так называемый собственный контраст. Минимальный световой поток определяется физическими особенностями модулятора и конструкцией оптической системы проектора. В общем случае его величина определяется величиной паразитной засветки черных участков изображения. Нужно отметить, что этот контраст имеет мало общего с контрастом изображения, которое можно наблюдать на экране в естественных условиях (при наличии внешней освещенности).
Экран
В системах отображения И-М-Э класса мы наблюдаем изображение, которое проецируется на экране. Следовательно, целый ряд важных параметров изображения, таких, как яркость, контраст, диаграмма направленности и пр. либо определяются, либо существенно зависят от оптических свойств экрана.
Информационная емкость и размер элемента изображения (пикселя). В проекционных системах информационная емкость изображения целиком определяется модуляторной матрицей. Чаще всего используется ряд стандартных значений информационной емкости (640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024 и т.д.). В то же время размер пикселя целиком зависит от размера экрана. Например, для экрана размером 6,4х4,8 метра и информационной емкости изображения 640х480 пикселей, размер пикселя составит 10х10 мм, а для экрана 3,2х2,4 м – 5х5 мм. Важно отметить, что для проекционных систем информационная емкость является константой, а размер пикселя варьируется от размеров экрана и, соответственно, расстояния проекции.
Особенности восприятия пикселей на проекционных экранах. В матрице, модулирующей световой поток между элементарными модуляторами всегда имеется технологический зазор. Поэтому обычно оперируют двумя размерами: размером пикселя и шагом пикселей. Для большинства матриц эти размеры соотносятся, как (0,8 – 0,9):1. Так как размер пикселя меньше шага, то при идеальной проекции можно наблюдать на экране темную сетку, разделяющую отдельные пиксели. Это явление носит название пикселизации. На практике, из-за диффузной поверхности экрана и из-за погрешностей оптической системы границы пикселя оказываются размытыми и сетка малозаметна.
Фронтальная проекция и рир-проекция. Основной функцией экрана является рассеивание поступающего светового потока. Это рассеивание может осуществляться при отражении или при пропускании света. Соответственно, существуют два типа экранов: для фронтальной проекции, работающие на отражение и для рир-проекции (тыльной проекции), работающие на пропускание. Схема работы этих двух типов экранов показана на рисунке.
Выбор того или иного типа экрана определяется двумя основными соображениями:
- Рир-проекционные экраны требуют дополнительного пространства проекции
- Экраны фронтальной проекции требуют пониженной внешней освещенности.
Расположение проекторов и трапецеидальные искажения. Оптическая схема проекторов выполнена таким образом, что при горизонтальном положении проектора объектив находится примерно на уровне нижнего края изображения, то есть проектор светит немного вверх. Многие проекторы допускают крепление к потолку в перевернутом положении, проектор при этом светит немного вниз. Чтобы зритель видел нормальную картинку, в проекторе включается функция переворота (инвертирования) изображения. В любом случае ось проектора должна быть перпендикулярна плоскости экрана, в противном случае возникают трапецеидальные искажения, т.е. проецируемое на экран изображение имеет форму трапеции, а не прямоугольника. Если экран расположен слишком высоко, избежать трапецеидальных искажений можно тремя способами:
- Установить проектор на высокой подставке или прикрепить к потолку. Это пригодно почти для любого проектора, но требует значительных работ по оборудованию зала.
- Использовать проектор с функцией смещения объектива, что позволяет смещать изображение по вертикали относительно проектора в достаточно широких пределах, сохраняя перпендикулярность оси проектора плоскости экрана.
- Использовать проектор с цифровой коррекцией трапецеидальных искажений. Цифровая коррекция вносит предыскажения в исходную картинку, которые компенсируют последующее оптическое искажение и позволяют избежать трапеции при неперпендикулярном положении оси проектора. Однако изображение при этом значительно искажается на уровне мелких деталей, так как теряется взаимооднозначное соответствие точек сигнала и матрицы.
Диаграмма направленности и коэффициент усиления экранов (gain). Эти два параметра связаны друг с другом. Естественно, экран не может физически усиливать поступающий на него свет. Речь идет только о перераспределении мощности в пространстве. Распределение светового потока в пространстве характеризует диаграмма направленности экрана.
В простейшем случае экран имеет равномерное распределение света в пределах 180 градусов (ламбертовское или диффузное рассеяние). При этом коэффициент усиления экрана, определяемый как отношение светового потока на нормали экрана к среднему световому потоку, равен единице. Поверхность таких экранов покрывается специальными веществами с большой диффузией (например, углекислый магний MgCO3). Используя комбинированные покрытия из высокодиффузных и отражающих веществ (например, диоксид титана TiO2), можно в определенной мере формировать диаграмму направленности и коэффициент усиления. Например, комбинированное покрытие фирмы Da-Lite Pearlescent имеет коэффициент усиления 1,5.
Для рир-проекционных экранов используются полупрозрачные пленки, стекла с нанесенными пленочными покрытиями (например, из двуокиси кремния SiO2) и т.д. Формирование диаграммы направленности в итоге служит для повышения яркости изображения на экране. Например, если наблюдение экрана производится не во всем 180 градусном секторе, а только в 90 градусном секторе по горизонтали и 45 градусном секторе по вертикали, то, используя экран с горизонтальным усилением 2 и вертикальным усилением 4, можно поднять яркость на нормали экрана в 8 раз.
Простейшим способом формирования заданной диаграммы направленности является использование вогнутых экранов с заданной геометрией поверхности. Но, по целому ряду причин это не всегда приемлемо. Для формирования диаграммы направленности с различными коэффициентами усиления в вертикальном и горизонтальном направлениях используются экраны с профилированной поверхностью (например, экраны Super Wonder-Lite с горизонтальными алюминизированными канавками), экраны, покрытые микроскопическими стеклянными шариками диаметром в несколько десятков микрон (например, экраны High Power), экраны с лентикулярными (цилиндрическими) линзами (например, экраны Polylens) и т.д. На рисунке показана поверхность экранов со сферическими и цилиндрическими линзами.
При использовании в экранах методов оптического формирования диаграммы направленности, могут быть получены достаточно узкие диаграммы с большим коэффициентом усиления (20 и более). В самых совершенных экранах дополнительно к лентикулярным линзам применяются линзы Френеля, позволяющие не только формировать заданные диаграммы направленности, но и частично корректировать неравномерность яркости на краях экрана.
Еще раз о яркости и контрасте
Эти две характеристики в первую очередь определяют качество восприятия изображения и сильно связаны между собой. Обычно для проекторов указывается только световой поток (люмены). В лучшем случае указывается освещенность (люксы) экрана заданной площади. Вместе с тем, зрительное ощущение непосредственно связано с яркостью (кандел/м2). Нужно помнить, что здесь речь идет о вторичной яркости - яркости, отраженного или пропущенного экраном света.
Говоря о контрасте, следует различать собственный (ночной) контраст и внешний (дневной контраст). Так как контраст измеряется в относительных единицах, то можно рассчитывать контраст по световым потокам, силе света,освещенности или яркости. Для проекционных систем наиболее естественно измерять контраст по освещенности.
Собственный контраст в первом приближении соответствует контрасту, указываемому производителями проекторов (реально он немного меньше).
Приемлемым значением для внешнего контраста является 5. При меньших значения изображение будет выглядеть малоконтрастным, выбеленным, мелкие детали будут плохо различимы. Уровень внешней освещенности в помещениях лежит в пределах от 200 лк (общее освещение) до 2000 лк (освещение рабочих мест).
Для экранов фронтальной проекции существуют серьезные проблемы с внешним контрастом, так как и свет от проектора и посторонние засветки идут с одного и того же направления и нет возможности отличить первое от второго. Для того, чтобы яркость изображения была как можно выше, экран должен диффузно отражать как можно больше света. Но при этом с таким же успехом будет отражаться и посторонний свет. Для повышения контраста необходимо повышать полезную освещенность экрана и снижать посторонние засветки (затемнение помещения в целом или зоны расположения экрана).
Значительно лучшая ситуация с контрастом у экранов рир-проекции, так как в этом случае свет от проектора и внешняя засветка поступают на экран с разных сторон. Упрощенно можно рассматривать экран, работающий на просвет, состоящим из диффузного слоя, пропускающего полезное изображение и нейтрально серого фильтра. Тогда свет от проектора, проходя через этот фильтр, будет затухать в k раз, а внешний свет, пройдет через фильтр, ослабнув в k раз и, отразившись от диффузного слоя, обратно пройдет через фильтр и ослабнет еще в k раз, всего в k2 раз. Нужно отметить, что за повышение контраста приходится платить яркостью. Кроме того, из-за более высокой сложности экраны для рир-проекции, как правило, существенно меньше по площади, чем экраны для фронтальной проекции.
Кардинально повысить контраст можно путем использования поляризованных источников освещения. Для этого нужно использовать поляризационные фильтры, как на экране, так и на источниках света, что достаточно дорого.
