668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

жения, благодаря чему эффект движения в проецируемом изображении воспроизводится плавно, без малейшего эффекта стробирования. Вторым положительным эффектом является практически полное устранение размытости границ при отображении быстро движущихся объектов.

Для повышения результирующей яркости воспроизводимых изображений видеопроекторы D-ILA-типа могут оснащаться двухламповой проекционной системой, за счет чего обеспечивается эксплуатационная надежность, универсальность и эффективность использования источника света. Пользователь может включить сразу две лампы, чтобы достичь максимальной яркости, либо использовать одну лампу, когда это возможно.

Двухламповый режим – максимально мощный, но, тем не менее, надежный, поскольку если отказывает одна из ламп, проектор все равно продолжает работать, хоть и с меньшим световым потоком.

В одноламповом режиме можно выбрать любую из двух ламп вручную, либо проектор сделает это автоматически, основываясь на сроке наработки каждой из них. Другой автоматический режим служит для того, чтобы обеспечить поочередное использование ламп с заданными пользователем интервалами

вдиапазоне 4…12 часов с шагом в один час. Данная функция полезна в том случае, когда требуется круглосуточная работа видеопроектора и необходимо обеспечить максимальный срок службы проекционных ламп.

Управлять видеопроекторами D-ILA-типа можно по интерфейсам Ethernet или RS-232C. Причем с одного компьютера можно одновременно контролировать работу нескольких проекторов.

Одним из основных достоинств ЖК-проекторов является естественная реальность воспроизводимой цветовой палитры и максимальная совместимость проецируемых ими изображений со зрительным аппаратом человека и любыми системами видеопроизводства, применяемыми в цифровом кинематографе и телевидении. Действительно, экранные изображения здесь не мелькают, так как

воптических системах таких проекторов нет обтюраторов, перекрывающих световой поток при кадросменах. Формируемые изображения проецируются одновременно по всей площади кадра. Источником отображаемой визуальной информации является кадровая память, данные в которой предварительно обновляются интерфейсным видеопроцессором с частотой полей.

Жидкокристаллические панели SXRD также отличаются малым временем отклика, что идеально подходит для просмотра видеофильмов и компьютерных игр.

Видеопроекторы, изготовленные по технологии SXRD, пока остаются единственными коммерчески доступными моделями с разрешением 4К.

Например, корпорация Sony выпускает жидкокристаллические видеопро-

екторы SRX-R210 с разрешением 4К (4096 2160 пикселей в кадре) при формате кадра 17:9, использующие три матрицы SXRD. При этом контрастность проецируемого изображения достигает величины 2000:1 при световом потоке проектора в 30 000 лм.

Компания JVC (Япония) разработала линейку видеопроекторов серии X (в частности, DLA-X90R) для демонстрации контента в форматах 3D и 4К. Кроме сверхвысокого разрешения (3840 2160 пикселей в кадре) данные видеопроекторы способны воспроизводить объемные изображения по технологии поочередного проецирования кадров стереопары.

Все проекторы этой серии, использующие способ проецирования D-ILA, содержат по три 0,7 жидкокристаллические матрицы формата 16:9 с неорганическим просветляющим покрытием, обеспечивающим контрастность в преде-

лах 120 000:1.

Ввидеопроекторах JVC предусмотрено выполнение следующих функций:

цветовая автокалибровка (семиосевая регулировка цвета);

автоматическая настройка качественных показателей проецируемых изображений;

цифровая коррекция вертикальных и горизонтальных трапецеидальных искажений;

моторизованный объектив;

конвертация 2D-изображения в 3D в реальном времени с помощью профессиональных технологий, завоевавших свою репутацию при производстве 3D-кинофильмов (это означает, что любой видеоконтент, передаваемый по системе телевизионного вещания, может быть мгновенно преобразован в формат 3D для домашнего стереокинотеатра);

функция Lens Memory, позволяющая хранить до трех различных наборов значений масштабирования, смещения изображения и фокуса, для того чтобы иметь возможность быстро восстановить требуемые настройки (Предустановки могут быть записаны для видео с различным соотношением сторон и вызываться с пульта дистанционного управления);

широкие возможности по инсталляции проектора, обеспечиваемые функцией смещения линзы объектива до 80 по вертикали и 30 по горизонтали;

моторизованное управление двукратным масштабированием и фокусом делают настройку проектора легкой и простой при проецировании изображений на экраны с размером по диагонали до 2,5 м (100 ) с расстояния от трех до шести м;

высококачественная видеопроекция, которую обеспечивают проекторы JVC, может быть улучшена с учетом использования специального программного обеспечения и отдельного оптического сенсора, установленного на проекторе. Когда внешние источники света или материал проекционного экрана начинают влиять на качество воспроизводимых изображений, дополнительный сенсор видеопроектора и установленное программное обеспечение формируют дополнительные настройки для того чтобы компенсировать влияние неблагоприятных факторов на качество проецируемых изображений.

9.2. Устройство проектора видеоизображений, использующего электронно-управляемые зеркала

Для формирования видеоизображений по технологии, разработанной фирмой Texas Instruments (TI, США), используются одна, две или три матрицы, состоящие из множества электронно-управляемых микрозеркал. Одно микрозеркало формирует один пиксель изображения. Следовательно, от количества микрозеркал в матрице зависит разрешение проецируемого изображения. Такие матрицы-чипы обозначаются аббревиатурой DMD (Digital Micromirror Device – цифровой микрозеркальный прибор), а технология, реализованная в них, – DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка света, используемая в системе видеопроекции, основанной на отражении света мощного внешнего источника от большого количества подвижных микрозеркал, управляемых видеосигналом).

Зеркала крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться в пределах 12 . Причем время переключения состояний зеркал не превышает 2 мкс. Таким образом, микрозеркала могут быстро поворачиваться, что позволяет им варьировать интенсивность отраженного света, создавая градации серого в дополнение к белому.

Микрозеркала имеют всего два рабочих состояния: включено или выключено, что в цифровой форме соответствует единице или нулю. В одном состоянии поступающий на микрозеркало входной сигнал создает электростатическую силу, поворачивающую его на 10°, и отраженный от него световой поток осветительной лампы направляется в плоскость объектива, а затем попадает на поверхность проекционного экрана. При отсутствии сигнала, то есть при выключении, микрозеркало повернуто на 10° в другую сторону. В таком состоянии микрозеркала направляют отраженные лучи в светопоглотитель (Light absorber). В одной современной DMD-матрице-чипе содержится около 2 219 000 алюминиевых микрозеркал, имеющих, как правило, форму квадратов с исключительно малыми размерами сторон – до 1 мкм, что соответствует разрешению 2К. Устройства DLP-типа часто относят к проекторам с черной матри- цей-чипом, так как для повышения контрастности проецируемого изображения на заднюю поверхность микрозеркал наносится покрытие, имеющее черный цвет (Black metal – черный металл).

Устройство отдельных элементов DMD-микромодулятора показано на рис. 9.4 [31, 50]. Из чего же состоит микрозеркальный модулятор и как он работает? Прежде всего, это механическое шарнирное устройство. На шарнире качается микрозеркало.

Представим себе две опоры, между которыми прокинута ось. На этой оси сформирована плоскость – подвижная обкладка микроконденсатора. Вторая – неподвижная обкладка, расположена на кремниевой подложке. В движение эту микромеханику приводят электростатические силы.

Рис. 9.4. Элементы конструкции микрозеркального модулятора, разработанного фирмой Texas Instruments

Формирование элементов микромеханики, а также шин адресации и электродов управления осуществляется методом многостадийного напыления пленок, фотолитографии и селективного травления.

Вся конструкция единичного зеркального модулятора состоит как бы из трех этажей. На «первом этаже» – поверхности кремниевой подложки – сформированы шины адресации и площадки электродов для разряда емкости коромысла и подачи напряжения смещения.

На «втором этаже» вытравливаются столбики-опоры для электродов адресации и столбики-опоры для крепления шарнирной перемычки. На перемычке формируется плоскость коромысла. Эта плоскость будет являться подвижной пластиной микроконденсатора. И, наконец, на «третьем этапе» вытравливается опорная стойка с поверхностью микрозеркала.

При подаче на электроды адресации управляющих напряжений подвижная обкладка микроконденсатора начинает вращаться под действием электростатических сил.

После поворота на некоторый угол напряжение, образующее электрическое поле, снимается, и далее коромысло движется по инерции. После касания

проводящих электродов кончиками коромысла происходит разряд емкости коромысла. Для поворота в обратную сторону на него подается напряжение смещения обратной полярности. Временные диаграммы управляющих напряжений подобраны таким образом, чтобы обеспечить точное согласование всех фаз движения микрозеркал.

Когда плоскости микрозеркал принимают одно из двух положений – «включено» или «выключено», на них воздействуют не только электрические, но и другие (паразитные) силы. Из-за малой величины зазоров между движущимся элементом и поверхностью в местах «приземления» кончиков коромысла достаточно велики силы взаимного притяжения. Первая из них обусловлена действием микрокапиллярной силы водяных паров в пространстве между якорем (коромыслом) и электродами на подложке. Аналогичный эффект можно наблюдать, если прижать друг к другу два листа стекла с влажными поверхностями и попробовать их отделить. Сделать это будет совсем непросто – проявление капиллярных сил, действующих в зазоре между поверхностями двух стекол, будет весьма ощутимо! Второй тип сил – притяжение Ван-дер-Ваальса, проявляющееся на субмикронных расстояниях.

В итоге может произойти залипание как отдельных элементов, так и целых массивов микрозеркал. Чтобы предотвратить нежелательное влияние подобных эффектов, были предприняты следующие меры:

на стадии изготовления благодаря нанесению на электроды в точках «приземления» кончиков коромысел специальной пленки силы Ван-дер-Ваальса были значительно уменьшены;

для преодоления паразитных сил притяжения на концах плоскостей зеркал стали формироваться маленькие пружинные элементы, которые имеют достаточную энергию деформации, чтобы преодолевать силы притяжения;

чтобы предотвратить действие конденсата водяного пара атмосферы, вся конструкция массива модуляторов была помещена в герметичный прозрачный корпус. Это обеспечило высокую надежность устройства на время его работы.

Попадание частиц пыли в структуру модулятора может привести к поломке отдельных микромодуляторов, поэтому в технологических процессах изготовления и сборки используются высокочистые беспыльные помещения с тем же оборудованием, что и для изготовления высокоскоростных процессоров. Допускается наличие одного дефектного элемента на 100 тысяч микромодуляторов; реальное же число дефектов гораздо меньше.

Казалось бы, подвижные элементы рано или поздно должны изнашиваться и ломаться. Кроме того, механические элементы очень хрупкие. Однако испытания и практика показали, что элементы очень надежны – несмотря на кажущуюся хрупкость конструкции, состоящей из сотен тысяч движущихся крошечных микрозеркал, она достаточно устойчива к действию вибрации.

Почему при быстром и частом движении микрозеркал не наблюдается износа и усталости оси? Ведь за секунду зеркало совершает до нескольких тысяч поворотов! На самом деле, если проследить траекторию движения поверхности зеркала, можно заметить, что край зеркала за 5 мкс поворачивается на 2 мкм, с

линейной скоростью 40 см/с – совсем не так быстро, как могло показаться в начале. Для сравнения: скорость свободно падающего листа дерева – около 1 м/с.

Каждое электронно-управляемое микрозеркало имеет электрическое соединение с соответствующей триггерной ячейкой статической памяти с произвольным доступом SRAM (Static Random Access Memory), в которой хранится информация, необходимая для правильного функционирования матрицы микрозеркал в целом. Среднее время доступа к памяти типа SRAM составляет 15…20 нс.

Для получения цветного изображения используются телевизионные проекторы с одной, двумя или тремя DMD-матрицами.

Оптическая схема трехматричного видеопроекгора представлена на рис. 9.5. [31]. Источником света в подобном проекторе является проекционная лампа мощностью 250…300 Вт. Излучаемый ею свет после прохождения через видеопроектор попадает на экран проекционного типа. Расщепление светового потока осуществляется с помощью светоделительной комбинированной призмы, состоящей из трех оптических призм с светоделительными слоями, нанесенными на их грани. Вследствие цветоизбирательного отражения и пропускания в светоделительном блоке на DMD-матрицы проецируются цветоделенные изображения. Тепловой фильтр, устанавливаемый на пути прохождения светового потока, осуществляет поглощение инфракрасного излучения.

Уровень цветовых составляющих светового потока определяется относительным временем нахождения зеркал во включенном положении на интервале каждого телевизионного поля. Таким образом, воспринимаемая подсознанием цветность проецируемых изображений определяется способностью зрения усреднять мгновенные значения яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения. Для того чтобы это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем преобразования длинных импульсов в совокупность более коротких той же продолжительности.

Рис. 9.5. Оптическая схема трехматричного DLP-проектора

Ввидеопроекторах с одной или двумя матрицами цветное изображение образуется путем вращения цветного диска, размещенного между лампой (источником света) и матрицей. При просмотре цветных изображений от DLPпроекторов с одним или двумя модуляторами DMD возрастает нагрузка на зрение. Это объясняется тем, что в данном случае зрительный аппарат человека, кроме высокочастотного усреднения яркости, выполняет низкочастотное усреднение цветности, так как изображение на всем экране появляется последовательно в первичных цветах.

Воснове одноматричного способа получения цветного изображения с использованием технологии DLP лежит инерционность человеческого зрения. Благодаря этой инерционности, можно выполнить поочередное наложение цветов, которое при достаточно высокой частоте кадров будет незаметно для глаза. Полный цветной кадр формируется в результате последовательного отображения трех быстро меняющихся цветоделенных изображений. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора изображена на рис. 9.6. Луч любого из основных цветов образуется за счет пропускания света проекционной лампы через вращающийся диск Colorwheel с красным (R), зеленым (G) и синим (В) светофильтрами. Система DLP управляет частотой вращения цветового диска, зависящей от частоты смены кадров источника видеосигнала. Фактически скорость вращения диска соответствует частоте полей или кадров при построчной развертке, то есть 50 Гц (60 Гц) или 3000 об/мин (3600 об/мин).

Модели проекционных устройств с такими светофильтрами называются DLP-проекторами с однократной скоростью вращения фильтра. При этом частота мелькания цветов составляет 150 Гц (180 Гц), что оказалось недостаточным для исключения зрительных артефактов (искусственно созданных) и усталости зрения, возникающей при длительных просмотрах мелькающих изображений.

Рис. 9.6. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора

Хорошо известный зрительный артефакт одночиповых DLP-проекторов получил название «эффекта радуги». Этот эффект проявляется в том, что зритель с малой инерцией зрительного аппарата иногда видит вместо однотонно окрашенных фрагментов изображения чередующиеся вспышки основных цветов на них. Обычно такие вспышки становятся заметными в процессе перевода зрения на фрагменты изображения, расположенные на относительно большом расстоянии друг от друга.

Работы по совершенствованию DLP-проекторов с одной DMD-матрицей путем изменения количества цветности секторов фильтра Colorwheel и увеличения скорости его вращения ведутся вот уже более 10 лет. Сначала появились модели с четвертым, прозрачным (W) сектором, вводимым в центре Colorwheel для увеличения пропускаемого светового потока и контрастности изображения, измеряемых при проецировании белого и черного полей (Full On/Full Off).

Затем появились DLP-проекторы с Colorwheel, содержащим шесть цветных и один нейтрально-серый сектор, вращающимся с кратно увеличенной скоростью, что уменьшило заметность мельканий и эффекта радуги (рис. 9.7). Использование подобного фильтра Colorwheel способствует видеопроекции с хорошей цветопередачей и глубоким уровнем черного.

Яркость воспроизводимого изображения зависит от частоты наклонов микрозеркал. В принципе, каждое микрозеркало должно находиться в колебательном движении в течение всего времени прохождения света через сектор цветового диска. Практически микрозеркала за 1 мс должны совершать до 100 и более наклонов.

Основные преимущества DLP-проекторов перед другими проекционными системами заключаются в следующем:

отсутствие шума;

высокое качество четкого изображения с цифровой шкалой серого;

высокое качество цветовоспроизведения.

DLP-технология эффективнее конкурирующей ЖК-технологии отображения, так как первая основана на отображающем устройстве DMD и не требует поляризованного света. Близкое размещение микрозеркал способствует проецированию изображений без заметных границ переходов с максимально возможным в настоящее время разрешением.

Рис. 9.7. Структура цветного светофильтра Colorwheel

9.3. Особенности применения лазерных диодов в проекционных телевизорах

Использование лазерных источников света считается перспективным для улучшения цветопередачи, увеличения срока службы и снижения энергопотребления проекционной телевизионной 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, так как имеют довольно широкую полосу пропускания. А при применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики телевизионной аппаратуры оказываются перед выбором: либо высокая яркость, умеренное энергопотребление и цветовая насыщенность, либо высокое качество цветопередачи, но низкая яркость и большое энергопотребление.

Поэтому применение лазерных источников света выглядит достаточно перспективным как с точки зрения качества воспроизводимого цветного изображения, так и энергетически. К настоящему времени разработаны мощные растровые структуры излучателей (полупроводниковых лазерных диодов), позволяющие заменить в телевизорах проекционные лампы широкими пучками лазерных лучей R, G и B цветов.

Принцип работы лазерных диодов основывается на квантовых переходах электронов из одного энергетического состояния в другое. Излучение кванта света при переходе электрона на более низкий энергетический уровень может происходить самопроизвольно (спонтанно) или под воздействием внешнего излучения (вынужденного). Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии (квантов света), необходимо создать повышенную концентрацию возбужденных атомов (так называемую инверсную населенность). Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. Для бόльшего 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% излучаемого света, то на выходе оптического резонатора световых лучей не окажется. Поэтому выходное зеркало резонатора делают полупрозрачным. Длина волны излучения зависит от состава полупроводника и легирующих его примесей. Например, лазерные диоды, изготовленные из фосфора галлия (GaP), при легировании кислородом излучают красный свет, а при легировании азотом – зеленый.

Полупроводниковые лазерные диоды с различными вариантами оптических резонаторов, геометрией активной среды и конструкцией корпуса классифицируются по выводу света на лазерные диоды с поперечной накачкой и торцевым