Высокий уровень контрастности является важным аспектом для наблюдения за детализированными изображениями в затемненных условиях. Это особенно важно, когда изображения содержат темные участки, так как они требуют четкой разборчивости для полноценного восприятия.
Технология DLP
Цифровая обработка света (DLP) представляет собой новейшую технологию, разработанную компанией Texas Instruments. Она позволяет производить компактные, легкие (вес около 3 кг) и мощные мультимедийные проекторы с яркостью свыше 1000 ansi-люмен. Важно отметить, что таких размеров и яркости проектор достигает благодаря инновационным технологиям.
В 1987 году доктор Ларри Дж. Хорнбек ввел в эксплуатацию цифровое микрозеркальное устройство (DMD). Это изобретение стало кульминацией десятилетнего исследования Texas Instruments в области микромеханики и деформируемых зеркал. Суть технологии заключалась в отказе от гибких зеркал в пользу фиксированной матрицы, состоящей из жестких зеркал, которые могут принимать лишь два определенных положения.
В 1989 году Texas Instruments была выбрана среди четырех компаний для участия в «Проекционной» части американской программы, поддерживаемой Управлением планирования перспективных исследований (ARPA), которая нацеливалась на высококачественное отображение изображения.
В мае 1992 года компания продемонстрировала первую DMD-систему, совместимую с текущими стандартами ARPA.
Февраль 1994 года ознаменовался показом демонстрационного устройства телевидения высокой четкости (HDTV), использующего три DMD-матрицы высокого разрешения.
Массовые продажи DMD-чипов стартовали в 1995 году.
Технология DLP
Ключевым элементом мультимедийных DLP-проекторов является матрица крошечных зеркал (DMD-элементов), изготовленных из алюминиевого сплава с высоким отражателем. Каждое зеркало крепится на жесткой основе и соединено с матрицей через подвижные пластины. В углах зеркал расположены электроды, прикрепленные к ячейкам памяти CMOS SRAM. Зеркала могут занимать одно из двух фиксированных положений, находясь под углом 20° друг к другу под воздействием электрического поля, создаваемого ограничителями в основании матрицы.
Эти два положения зеркал обеспечивают отражение падающего света на объектив или его эффективное поглощение, что позволяет безопасно отводить тепло и минимизировать нежелательное отражение света.
Шина данных и датчик способны передавать до 60 кадров в секунду с разрешением, достигающим 16 миллионов цветов, что является впечатляющим показателем для современных технологий.
Комбинация зеркал и памяти CMOS SRAM формирует DMD-чип — основу технологии DLP.
Размеры кристаллов удивляют своей миниатюрностью. Площадь каждого зеркала составляет всего 16 микрон или меньше, в то время как расстояние между зеркалами составляет примерно 1 микрон. Таким образом, один или несколько кристаллов могут свободно поместиться на ладони.
Если верить Texas Instruments, существует всего три типа DMD-чипов с различным разрешением:
- SVGA: 848×600 пикселей; 508,800 зеркал
- XGA: 1024×768 пикселей с черной апертурой (межщелевым пространством); 786,432 зеркал
- SXGA: 1280×1024 пикселей; 1,310,720 зеркал
 |
На печатной плате можно произвести различные манипуляции. Например, существует возможность подать более мощный световой поток и установить оптическую систему на одном из путей, чтобы сфокусировать изображение на экране. На другом направлении можно разместить поглотитель света, чтобы предотвратить его избыток. Таким образом, мы можем проецировать монохромные изображения, но где же цвет? Как достичь яркости?
На этом этапе мы сталкиваемся с изобретением Ларри, уже упомянутом выше. Если вам этого не очевидно, то вскоре вы будете поражены, поскольку данное решение является одной из самых сложных и современных технологий проекции изображений на сегодня. Представьте детский трюк с вращающейся линзой, где свет образует круг. Этот визуальный эффект позволяет нам отказаться от аналоговых систем и предоставляет полную цифровую систему проекции. Однако что если мы заставим зеркало переключаться между двумя позициями с высокой частотой? Если проигнорировать время переключения зеркала (что минимально из-за его маленького размера), то видимая яркость упадет всего наполовину. Изменяя время, которое зеркало проводит в одной позиции и в другой, мы можем легко варьировать видимую яркость изображения. Поскольку частота переключения чрезвычайно высока, видимого мерцания можно не наблюдать вообще. Это революционное открытие значительно улучшает восприятие изображения. Однако настало время добавить завершающий элемент. Если скорость переключения достаточно велика, мы можем наложить фильтры на путь светового потока для получения цветного изображения. В итоге формируется целая технология, развитие которой можно проследить на примере мультимедийных проекторов.
Устройство DLP-проекторов
Важно отметить, что Texas Instruments сама не производит DLP-проекторы, однако множество других компаний, таких как 3M, ACER, PROXIMA, PLUS, ASK PROXIMA, OPTOMA CORP, DAVIS, LIESEGANG, INFOCUS, VIEWSONIC, SHARP, COMPAQ, NEC, KODAK, TOSHIBA и LIESEGANG, активно занимаются их разработкой и производством. Большинство проекторов имеют портативный характер, их вес колеблется от 1.3 до 8 кг, а световой поток может достигать 2000 ANSI люмен. Проекторы можно классифицировать на три типа:
Одноматричный проектор
Наиболее простой вариант — это одноматричный проектор. В этом устройстве между источником света и матрицей установлен вращающийся диск, разделенный на сектора с красным, зеленым и синим фильтрами. Скорость вращения диска определяет частоту отображаемых кадров.
Цветное изображение создается за счет последовательного модулирования каждого из трех основных цветов. Практически все компактные проекторы разработаны как одноматричные устройства. Дальнейшим улучшением данного типа стало использование четвертого прозрачного светофильтра, который увеличивает яркость изображения.
Трехматричный проектор
Сложнейший тип проекторов — трехматричный проектор, который разделяет свет на три цветовых потока, отражая их на три отдельные матрицы. Такой проектор позволяет получать максимально точные цвета и не подвержен ограничению частоты кадров, как в одночиповых устройствах.
Точное соответствие светового потока, отраженного от каждой матрицы (конвергенция), достигается с помощью призм, как показано на иллюстрации.
Двухматричный проектор
Промежуточный вариант — двухматричный проектор. Здесь свет разделен на два потока: красный свет отражается от одной DMD-матрицы, в то время как синий и зеленый направляются на другую. Затем фильтр постепенно удаляет синюю или зеленую часть спектра.
Данный тип проекторов обеспечивает качество изображения, находящееся между одно- и трехматричными проектами.
Как это работает?
DLP-проектор функционирует на основе матрицы DMD-чипов.
Давайте разберем конструкцию этой технологии более подробно.
На изображении 1 показан DMD-чип.
DMD-чип — это кремниевый компонент CMOS, на котором расположена матрица квадратных алюминиевых микрозеркал (как показано на рисунке 1). Эти зеркала могут вращаться в определенном направлении на заданный угол. Это позволяет микрозеркалам либо отражать падающий свет, либо направлять его на специализированный поглотитель. В результате на экране появляются светлые или темные точки.
Угол отклонения зеркала задается геометрией конструкции и формируется с помощью прецизионной фотолитографии. Все элементы DMD панели выглядят практически идентично. Первоначально размеры зеркал составляли 16×16 мкм со смещением примерно 10 градусов. В современных матрицах размер зеркал зависит от их разрешения, угол отклонения может достигать 12 градусов. В последних моделях микрозеркала не имеют центрального квадрата в своей основе.
Каждое микрозеркало фиксируется на специальном торсионном стержне, который дает DLP-датчикам возможность надежно функционировать на протяжении многих лет. Торсионное крепление создается из полосок специальной формы и из прочных материалов (подвижные пластины, отображенные на рисунке). По оценкам компании Texas Instruments, чип DMD в трехматричном проекторе способен функционировать до 76 000 часов. Поворот микрозеркал между управляющим электродом и зеркалом регистрируется при помощи электростатического притяжения.
Все необходимые данные о пикселях изображения хранятся в соответственной ячейке памяти — триггере. Его противофазные выходы связаны с управляющими электродами микроструктуры, так что информация из ячейки памяти определяет состояние зеркала.
Работа DMD-матрицы состоит из шести различных фаз. В состоянии ожидания памяти все триггеры матрицы загружаются с нужной информацией (загрузка выполняется последовательно, ряд за рядом). Состояние сброса достигается, когда все микрозеркала фиксируются к управляющим электродам с помощью импульса перенапряжения, поданного на шину смещения, т.е. на сами зеркала. Состояние освобождения наблюдается, когда все зеркала возвращаются в нейтральное положение — в одной плоскости, где они располагаются. В состоянии модуляции на шину смещения подается промежуточное напряжение (между логическими 0 и 1), в результате чего электрические поля между управляющими электродами и зеркалом подталкивают освободившееся зеркало в нужном направлении, заданном содержимым ячейки памяти. В состоянии посадки электрическое напряжение питается на шину смещения, зеркала притягиваются к управляющим электродам с большой скоростью и поворачиваются под максимальным углом. Когда память загружена, зеркала остаются в одном из двух наклонных положений, а данные в ячейках памяти обновляются построчно.
Цикл работы DMD-матрицы проходит через шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, посадка, загрузка памяти и состояние готовности. Первая фаза сброса необходима для устранения связующих сил. Интересно, что эти силы, учитывая немалые размеры механического устройства, могут проявляться так сильно, что одной только эластичности ленточного подвеса недостаточно для полного освобождения зеркала.
Управление зеркалами выполняется за счет изменения электрического напряжения на шине смещения, которую осуществляют специальные электронные схемы вне чипа DMD. Все зеркала в конструкции вращаются синхронно, что положительно сказывается на динамических свойствах матрицы, т.е. она эффективно передает информацию о движении.
Как устроен DLP проектор
Устройства для проекции изображений существуют давно и хорошо известны — это слайд-проекторы, эпидиаскопы и аналогичные системы. Их главное отличие заключается в необходимости физического объекта для проекции: слайдов, прозрачных изображений, пленки и прочее.
Рис. 3. Принцип действия мультимедийного проектора.
Современные мультимедийные проекторы могут работать без физического объекта для проекции, так как используют для этого электрические сигналы. Это значительно упростило процесс создания высококачественных статических и динамических изображений. Теперь практически каждый пользователь компьютера способен создавать сложные и эффектные изображения и анимации.
Как устроен современный DLP-проектор?
Устройство состоит из ряда основных и дополнительных компонентов (систем).
Источник света. В мощных проекторах обычно используется одна или несколько специализированных ртутных или ксеноновых ламп (лампы сверхвысокого давления или металлогалогенные источники).
Металлогалогенные лампы получили свое название благодаря содержанию йодидов и бромидов. Полезный световой поток этих ламп примерно в два раза выше по сравнению с обычными источниками, достигая 3 ANSI люмен/Вт. Цветопередача этих ламп значительно лучше, чем у галогенных, благодаря непрерывному и нелинейному спектру излучения. Они обеспечивают близкий к дневному свету белый цвет, в то время как галогенные обычно имеют желтоватый оттенок.
Срок службы лампы определяется временем, по истечении которого световой поток уменьшается вдвое. В среднем срок службы лампы составляет от 1000 до 2000 часов.
Лампы сверхвысокого давления представляют собой дальнейшее развитие концепции металлогалогенных источников, разработанной компанией PHILIPS. Эти лампы более дорогие; давление в них превышает 100 атмосфер. Световой поток составляет 5 ANSI люмен/Вт, а срок службы лампы достигает 4000 часов. В проекторе можно встретить и лампы данного типа от производителей SONY, SANYO и других.
К сожалению, ртутные и ксеноновые лампы не отличаются высокой эффективностью и выделяют много тепла, которое необходимо отводить. Ранее единственным методом охлаждения было воздушное, но в последнее время многие компании начали переходить на жидкостные системы. Это связано с тем, что жидкостное охлаждение намного более эффективно из-за высокой теплопроводности, и что проектор работает тише. Уровень шума 30 дБ, характерный для воздушного охлаждения, может быть заметен в тихом помещении.
Световой поток обычно является точкой источника света. Чтобы сфокусировать его и направить на матрицу, используется система линз — конденсор. Конструкция конденсора усложняется с увеличением апертуры. Однолинзовые системы подходят для числовых апертур до 0,1, дву линзовые используются для 0,2-0,3, а трехлинзовые — для больше 0,3. Наиболее популярные конденсоры состоят из двух выпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями. Такое расположение помогает минимизировать сферическое искажение.
Основные характеристики DLP проекторов
Наиболее важными характеристиками мультимедийных проекторов, особенно DLP-проекторов, являются:
- разрешающая способность (разрешение),
- световой поток (яркость),
- вес.
Кроме того, также стоит учесть такие характеристики, как:
- контрастность,
- равномерность освещения,
- наличие ZOOM-объектива,
- количество и типы входных и выходных разъемов.
Важно не забывать о возможности технического обслуживания для приобретенного устройства.
DLP проекторы с одной матрицей
В основе одноматричного DLP-проектора лежит вращающийся диск, который выполняет функцию светофильтра. Этот диск располагается между лампой и матрицей и разделен на три равные области — красную, синюю и зеленую. Когда свет проходит через цветовой сектор, он попадает на матрицу и отражается от микрозеркал, затем проходит через объектив и вызывает на экране цветное изображение. Поэтому завершив проход по всем секторам фильтра, изображение формируется. Благодаря зрительной инерции красный, зеленый и синий цвет воспринимаются как единое цветное изображение.
Основным преимуществом DLP-проекторов считается высокая контрастность и глубокий черный цвет.
DLP проекторы с тремя матрицами
В данной конструкции используются три DLP-массива, каждый из которых выводит один цвет. Окончательное изображение формируется одновременно. Узкая точность выравнивания световых потоков, отраженных от каждой матрицы, контролируется системой призм, которая направляет изображение на объектив, минимизируя возможные искажения. Поскольку цвета накладываются друг на друга без задержек, получаемое изображение совершенно свободно от мерцаний и изменений.
В характеристиках проекторов следует учитывать, что качество изображения определяется не только матрицей. Другие компоненты, такие как линзы, система охлаждения, источники света и системы управления, также играют роль.
Разрешение
Этот параметр часто измеряется в люменах (лм) по стандарту ANSI (Американский национальный институт стандартов). При одинаковых условиях (одинаковые источники света в устройстве, уровень освещения в помещении, качество экрана и т.п.) ЖК-проекторы, как правило, превосходят DLP-проекторы по световому потоку. Для компенсации недостатков, связанные с яркостью, к фильтрам DLP-проекторов часто добавляют дополнительную прозрачную поверхность. Это повышает яркость белого на 50%, однако другие цвета становятся менее заметными. Данный аспект может быть не критичен для презентаций или учебных материалов, но может стать серьезной проблемой при просмотре фильмов. Поэтому в домашних кинотеатрах с DLP-проектором цветной экран обычно не содержит прозрачной области.
Фокус и размер изображения зависят от конструкции. В экономичных моделях используются встроенные несъемные линзы с минимальной регулировкой. Это ограничивает возможность регулирования размера изображения без изменения расстояния до экрана. Более дорогие модели предлагают возможность использовать сменные длиннофокусные объективы.
В настройках каждой модели проектора могут присутствовать несколько стандартных режимов яркости.
Однако удовлетворительного ответа на вопрос о том, какой проектор лучше, не существует. Все зависит от индивидуальных потребностей и предпочтений, наличия финансирования, доступности необходимых моделей и сервиса по близости. Можно выделить несколько общих критериев выбора при покупке.
Как работают LCD-проекторы?
Технология работы LCD-проекторов аналогична принципу функционирования жидкристаллических дисплеев, используемых, например, в электронных часах.
Данная технология широко применяется в современных проекторах и была впервые разработана в 1980-х годах японской компанией Epson.
LCD-проекторы работают по многоступенчатому процессу. Они создают изображение с помощью ЖК-панелей, цветных фильтров и призм. Белый свет от источника света проходит через поляризационный фильтр, после чего попадает на дихроичные зеркала. Эти зеркала разделяют свет на три цвета — красный, синий и зеленый, которые затем отражаются на ЖК-экраны.
Цветные лучи фильтруются через ЖК-экран и дихроичную призму, где они собираются в одно целое изображение и проецируются на экран через объектив проектора.
Проекторы 3LCD
Эти проекторы отличаются от обычных ЖК-проекторов наличием трех экранов, контролирующих цвета. Каждая панель отвечает только за один из основных цветов.
В результате изображение может отображаться в различных оттенках, исключая зеленый. Это значит, что зеленая панель не позволяет этому цвету попасть на дихроичную призму и выйти из объектива.
Разрешение и четкость ЖК-монитора зависят от количества дихроичных зеркал (или пикселей), на которых он основан. Чем больше пикселей, тем яснее изображение. Каждая панель управляет цветами своих пикселей.
Проекторы 3LCD более энергосберегающие и имеют более высокую яркость по сравнению с традиционными ЖК-проектами. Они также обладают функцией сдвига объектива и зум-объективами.
LCD-проекторы подходит для образовательных аудиторий, а также домашнего кинотеатра и официальных учреждений.
Что такое LED проекторы?
В отличие от DLP и LCD проекторов, LED (светоизлучающие диоды) проекторы не являются проекционной технологией. Они представляют собой выгодный источник света для проекции.
Эти проекторы отличаются от других типов проекторов лишь конструкцией используемых ламп. Светодиодные лампы имеют низкое тепловыделение и получают энергию из полупроводников.
Яркость светодиодных ламп не превышает 3500 люмен. В них комбинируются красные, синие и зеленые светодиоды.
Светодиодные лампы имеют значительно больший срок службы по сравнению с обычными источниками света. Их эксплуатационный срок может превышать 10 раз больше, чем у традиционных ламп с работой от 1000 до 5000 часов. По этой причине многие лампы могут даже превышать 20 000 часов.
Контрастность и точность цветопередачи светодиодного проектора зависят от используемой проекционной технологии, будь то DLP или LCD.
Сравнение DLP и LCD/3LCD проекторов
Проекторы различаются по яркости, контрастности и другим характеристикам в зависимости от используемой проекционной технологии.
Мы сравним DLP и ЖК-проекторы по следующим параметрам. В конце этого раздела у вас будет возможность определиться, какая из технологий projector лучше подойдет вам.
1. Световой поток
В идеале проекторы следует использовать в темных помещениях или с низким уровнем внешнего освещения. Однако не всегда это возможно.
Для предотвращения размытия изображения нужно использовать проекторы с высокой яркостью. Яркость проекторов обычно измеряется в люменах.
Достигнутый уровень яркости для получения четкого изображения в помещениях с рассеянным светом достаточно сложен. Проекторы в темной комнате нуждаются как минимум в 1500 люменах.
Для частично контролируемого освещения идеальным значением будет яркость не менее 3000 люмен, а для более крупных помещений с менее контролируемым внешним освещением (например, в лекционных аудиториях или церквях) потребуется 4500 люмен и выше.
ЖК- и 3LCD-проекторы характеризуются высокой световой отдачей, а яркость 3LCD проекторов обычно превышает показатели DLP-проекторов.
2. Яркая цветопередача
Точность цветопередачи определяет, насколько точно проектор может воспроизводить цвета, передаваемые в сигнале. Это выражается в способности проектора точно передавать оттенки и тона.
Некоторые проекторы могут демонстрировать неточную цветопередачу. Временами можно заметить синие или желтые оттенки в цвете изображения, которые могут отвлекать зрителя. Зачастую калибровка может улучшить точность цветопередачи.
DLP-проекторы имеют больше микрозеркал в своей системе по сравнению с LCD-проектами, а проекторы 3LCD уступают им лишь немного.
Большое количество зеркал позволяет учитывать различные оттенки цвета и обеспечивать более точное и равномерное качество изображения с высоким разрешением. Небольшое расстояние между пикселями дополнительно улучшает четкость картинки.
3. Эффект радуги
Иногда при просмотре изображений через проектор у некоторых зрителей возникают заметные цветовые вспышки. Это явление называется эффектом радуги.
Обычно он возникает при ярких объектах на темном фоне, порой этот эффект оказывается довольно раздражающим.
Эффект радуги может проявляться в многих DLP-проекторах с одночиповой системой. Это связано с тем, что они используют чипы, которые обрабатывают цветные сигналы по одному компоненту за раз.
Цвет, производимый в таких системах, регулируется цветовым колесом, которое вращается с очень высокой скоростью, чтобы этот механизм оставался незаметным.
Эффект радуги может возникать в DLP-проекторах с медленным цветовым колесом. При этом старые модели более подвержены этому эффекту.
ЖК-проекторы не подвержены этому недостатку, поскольку они не используют вращающиеся цветовые колеса для формирования цветных изображений. Светодиодные источники света также значительно снижают вероятность возникновения таких искажений.
4. Размытие при движении
Размытие движения — это оптическая аномалия, которая появляется при движении изображения. Это явление часто наблюдается как на телевидениях высокой четкости, так и на ЖК-проекторах.
Цвет в проекторах DLP
Существует два главных способа создания цветного изображения. Один из них основан на одночиповых проекторах, другой — на трехчиповых моделях.
В одночиповых DMD-проекторах цвета создаются с помощью вращающегося цветного диска, установленного между лампой и DMD, что аналогично методам, использованным американской телевизионной сетью Columbia Broadcasting System в 1950-х годах. Обычно цветные диски разделены на четыре сектора: три для основных цветов (красный, зеленый и синий), а четвертый прозрачный сектор для увеличения яркости. Поскольку прозрачный сектор может снизить насыщенность цветовой гаммы, в некоторых моделях он может отсутствовать, а в других вместо него могут использоваться дополнительные оттенки. Чип DMD синхронизирован с вращающимся диском таким образом, что зеленая часть изображения появляется в DMD, когда зеленый сектор диска находится на пути к лампе. Аналогично это происходит для красного и синего цветовых компонентов.
Каждый цветовое восприятие появляется последовательно, но с высокой частотой. Это создает у зрителя иллюзию цветного изображения. Сначала вращающий диск делал один оборот для каждого отдельного изображения. Со временем появились модели, у которых диск вращался два или три раза для каждого изображения, а у некоторых проектов диск делился на несколько секций, что позволяло использовать палитру дважды. В итоге в одно изображение на экране может попадать до шестидесяти элементов благодаря быстрой смене.
В более современных Elite моделях цветной диск заменяется массивом очень ярких светодиодов. Возможность встраивания светодиодов делает процесс их включения и выключения еще более быстрым, что приводит к более высокой частоте кадров.
Эффект радуги является уникальным для одночиповых DLP-проекторов.
Как упоминалось выше, в каждый момент времени на изображении виден только один цвет. Когда зритель движется по проекции, разные цвета становятся заметными, и создается эффект «радуги».
Производители одночиповых DLP-проекторов смогли уменьшить проблему, увеличив скорость вращения сегментированного цветного диска и увеличив количество сегментов для снижения этого артефакта. Применение светодиодов еще больше уменьшило этот эффект благодаря высокой скорости смены цветов.
Кроме того, светодиоды способны излучать любые цвета с любой интенсивностью, что увеличивает полосу пропускания и контрастность изображения.
Трехчиповые проекторы
В трехчиповых DLP-проекторах используется призма для разделения светового потока, генерируемого лампой. Каждый основной цвет передается на отдельный DMD-чип. Эти потоки затем объединяются, и изображение выводится на экран.
Трехчиповые проекторы могут воспроизводить больше оттенков и градаций цвета по сравнению с одночиповыми. Каждый цвет доступен в течение более продолжительных интервалов времени, что позволяет модулировать цвета с каждым видеокадром. Такое изображение менее подвержено мерцанию и эффектам радуги.
Dolby Digital Cinema 3D
Компания Infitec разработала специальные спектральные фильтры для проигрывателей и 3D-очков, позволяющие разным глазам видеть изображение в различных частях спектра. В результате каждый глаз видит свой собственный почти белый экран, что отличается от поляризованных проекционных систем (таких как IMAX), имеющих специальные «серебряные» экраны для сохранения поляризации и отражения.
Материал взят из Википедии, свободной энциклопедии.
