Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 12.5. Оптическая схема трехматричного DLP-проектора

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

Оптическая схема трехматричного видеопроектора представлена на рис. 12.5 [64]. 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 цветоделительной комбинированной призмы, состоящей из трех оптических призм с цветоделительными 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.

В видеопроекторах 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.

Рис. 12.6. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора

В основе 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. 12.6. 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.

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. 12.7). 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.

Современные микрозеркальные DMD-модуляторы используются в видеопроекторах и проекционных телевизорах с разрешением 2К, то есть 2048 1080 пикселей (Full HD), выпускаются по лицензионным соглашениям с корпорацией TI рядом компаний, например:

Barco (Бельгия);

Christie Digital Systems (США);

Digital Projection International (DPI, США);

Рис. 12.7. Структура цветного светофильтра Colorwheel

Таблица 12.1

Основные параметры DLP-проекторов с разрешением Full HD, выпускаемых ведущими фирмами

Kinoton (ФРГ);

NEC Viewtechnology (Япония);

Runco International (США).

Основные параметры DLP-проекторов, выпускаемых основными фирма- ми-производителями, представлены в табл. 12.1.

Световой поток DLP-проекторов в зависимости от мощности используемой проекционной лампы (1,6; 2; 3; 7 кВт) составляет 8000…25 000 лм с кон-

трастностью (1500:2000):1.

Телевизионные DLP/DMD устройства практически могут использоваться в качестве мультимедийных проекторов, например, выполнять функции компьютерных проекционных устройств.

В целом, список выпускаемых видеопроекторов на сегодня достаточно широк, однако пока ни одна технология не стала однозначно доминирующей. Но барьер по разрешающей способности в 4К пройден, и нет сомнения, что уже в ближайшем будущем моделей с таким разрешением станет больше.

12.3.Особенности применения лазерных диодов

впроекционных 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.

300 12. УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ БОЛЬШОГО РАЗМЕРА

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 излучением EEL (Edge Emitting Laser) и лазерные диоды с поверхностным излу-

чением и вертикальным резонатором VCSEL (Vertical Cavity Surface Laser). Дио-

ды EEL в большом количестве одновременно формируются на общей подложке, могут обеспечить любой цвет излучения. Однако их производство достаточно дорогое из-за невозможности их тестирования на ранних этапах изготовления. Лазерные диоды VCSEL-типа имеют более сложную структуру, включающую оптический резонатор на многослойных зеркалах с высоким коэффициентом отражения. Технология их изготовления хорошо контролируется, позволяет тестировать кристаллы в процессе производства. Однако из-за малой мощности излучения (около 2 мВт) область их использования ограничена.