Проектор изнутри: LCD-технология

10.04.2007

Строго говоря, ни мультимедиа-проектор, ни ЭЛТ-дисплей, ни ЖК-монитор не воспроизводят картинку в том виде, в каком ее создает природа. Солнечное излучение обладает широкой цветовой гаммой, и не только на основе красного, зеленого и синего цветов. В природе присутствуют все оттенки радуги и даже УФ- и ИК-свет. Воссоздать их все искусственным путем не реально. Возможность более или менее адекватно воспроизвести картинку на экране зиждется на принципиальных ограничениях глаза: наши природные рецепторы (палочки и колбочки сетчатки глаза) настроены лишь на три основных цвета - красный, зеленый и синий. Все остальные оттенки мы воспринимаем как их комбинацию.

Рецепторы на сетчатке глаза размещены вперемешку - примерно так, как точки люминофора на ЭЛТ-кинескопе или ЖК-матрице. В этом отношении первые LCD-проекторы, созданные в начале 1980-х гг., своим устройством напоминали глаз, только они работали "наоборот" - испускали свет, а не воспринимали его. В таких проекторах использовались обычные трехцветные ЖК-матрицы, изображение с которых через объектив проецировалось на экран. Однако оказалось, что подобное решение не позволяет получить высокую яркость из-за того, что на каждом пикселе матрицы размещается свой светофильтр, поглощающий 2/3 светового потока.

Более совершенный LCD-проектор появился в 1989 г. в Японии. Используя три миниатюрные ЖК-матрицы и довольно сложную оптическую систему, специалисты компании Sharp смогли разделить белый свет лампы на три базовые цветовые составляющие (красную, зеленую, синюю), промодулировать их отдельными LCD-панелями и вновь свести вместе в общий световой поток, который направили на экран. Их детище совершило переворот в индустрии отображения информации, сделав проекторы яркими, небольшими и доступными сначала для компаний, а затем и для частных лиц.

Массовое производство LCD-проекторов компании Sharp началось в середине 1990-х гг., одна за другой к ней подключились и другие японские фирмы, быстро сформировав новый рынок. До сих пор среди крупнейших изготовителей LCD-проекторов фигурируют в основном японские компании: Epson, Hitachi, Mitsubishi, Sanyo, Sharp, Sony, Panasonic, Toshiba.

В качестве альтернативы несколько фирм на рубеже тысячелетий начали развивать LCOS-технологию (Liquid Crystal On Silicon, ЖК на кремнии). Она отличается от LCD тем, что ЖК-панель работает не на просвет, а на отражение. Фирмы Sony и JVC разработали свои варианты LCOS, запатентовали и зарегистрировали их под торговыми марками SXRD и D-ILA.

Не желая оставаться в стороне, американцы занялись принципиально иной конкурирующей технологией, основанной на цифровой обработке света (Digital Light Processing, DLP). О ней мы подробно расскажем в одном из ближайших номеров журнала, а пока остановимся на устройстве LCD-проектора.

Что внутри?

Оптическая схема LCD-проектора показана на рисунке. Свет от мощной лампы сначала проходит через пару линз ячеистой структуры, называемых "глазом стрекозы". Мелкие ячейки одной фасеточной линзы рассеивают, другой собирают лучи, делая световой поток более равномерным. Без "глаз стрекозы" мы получили бы неоднородную засветку: увидели бы в середине экрана яркое пятно, тускнеющее к краям.

Далее по ходу луча расположен фильтр, который создает плоскую поляризацию, нужную для нормальной работы жидких кристаллов. В отличие от калькуляторов с ЖК-дисплеем, где прямо на матрицу наклеиваются поляризационные пленки, отсекающие половину светового потока, в проекторах применяются оптические конверторы поляризации с почти 100%-ной эффективностью.

Затем белый луч под углом 45° попадает на дихроичное зеркало, пропускающее зеленую и красную составляющие и отражающее синюю. Дихроичное зеркало - это стеклянная подложка с "пирогом" из тонких пленок с разными оптическими свойствами. Оно работает благодаря интерференции световых волн.

Синий луч после отражения от обычного зеркала поступает на LCD-матрицу, формирующую синюю составляющую картинки. Красный и зеленый лучи в свою очередь разделяются еще одним дихроичным зеркалом и через линзы направляются на две другие LCD-панели.

LCD-панели, отвечающие за модуляцию трех световых потоков, размещены по трем сторонам комбинированной смесительной призмы кубической формы. Для удобства сборки и ремонта проектора LCD-панели и призма обычно монтируются в единый съемный блок. Для точного сведения цветов, т. е. совмещения красной, зеленой и синей составляющих картинки, предусмотрена специальная заводская процедура юстировки панелей. Проектор считается хорошо настроенным, если расхождение цветов на экране не превышает половины пиксела.

Рассказывая об оптическом тракте LCD-проектора, мы опустили ряд несущественных подробностей. В частности, не упомянули о нескольких вспомогательных линзах, формирующих нужное сечение светового луча.

Возвращаясь к LCOS-технологии, отметим, что она не имеет принципиальных отличий от LCD-технологии. Матрицы здесь работают не на просвет, а на отражение, что требует перекомпоновки оптического тракта. К сожалению, ни одной компании не удалось скомпоновать его элементы так, чтобы проектор получился легким, простым и технологичным в массовом производстве. Основное преимущество LCOS - высокое разрешение матриц - не было востребовано рынком массовых мультимедиа-проекторов. Возможность сократить межпиксельные промежутки, спрятав управляющие транзисторы внутрь кремниевой подложки, тоже не вызвали восторга у потребителей. В результате LCOS-технология нашла применение в других сферах, в частности в проекционных телевизорах и мощных цифровых проекторах для кинозалов.

Объективы

Итак, пройдя через ЖК-матрицы и дополнительные поляризационные фильтры, световые потоки (от трех матриц) объединяются в смесительной призме. Затем луч попадает в объектив, обеспечивающий нужное проекционное расстояние и размер картинки на экране. В целом оптическая система LCD-проектора довольно сложна и громоздка. Оптический тракт DLP-проектора устроен проще. Именно поэтому самые миниатюрные и легкие проекторы выполнены по DLP-технологии.

Короткофокусный объектив позволяет установить проектор близко к экрану, длиннофокусный - отнести на большое расстояние. Объектив с глубокой трансфокацией (т. е. с увеличением, доходящим в некоторых моделях до 2,1х) удобен гибкостью настройки, но стоит дороже и имеет большую, чем у типичного объектива с 1,2-кратным трансфокатором, массу. Фиксированный объектив, применяемый обычно в самых дешевых проекторах и факультативно в мощных инсталляционных моделях, не допускает регулировки размера картинки без изменения проекционного расстояния.

В небольших проекторах, как правило, применяются ручные регуляторы фокусировки и трансфокации. В мощных стационарных аппаратах обычно устанавливают сменные моторизованные объективы. В них миниатюрные шаговые двигатели через зубчатую передачу вращают кольца регуляторов.

Положительным для мощных стационарных аппаратов и проекторов для домашнего кинотеатра считается наличие системы механического сдвига объектива вверх-вниз и влево-вправо, позволяющей смещать картинку без поворота корпуса проектора, следовательно избегая возникновения трапециевидных искажений. Объектив в таком случае крепится на салазки, приводимые в движение через червячную передачу - двигателем или вручную.

Система очистки и охлаждения

Элемент проектора, который требует обязательного охлаждения, это лампа. Забирая 75-90% потребляемой мощности, она сильно нагревается в процессе работы. Корпус лампы раскаляется настолько, что требуется специальная последовательность отключения проектора. После обесточивания лампы вентилятор продолжает вращаться несколько десятков секунд, а то и минуты, снимая остаточное тепло с лампового блока, которое может повредить электронные схемы и пластмассовые элементы внутри проектора.

В последнее время изготовители применяют специальные аккумуляторы или емкие конденсаторы, что позволяет сразу после выключения отсоединять устройство от сети. Подобные решения делают проектор более устойчивым к перерывам в электропитании.

Еще один элемент, нуждающийся в обязательном охлаждении, - LCD-панели, которые работают в чрезвычайно жестких условиях. Дело в том, что на LCD-матрицах задерживается в среднем половина светового потока (на темных сценах больше, на светлых - меньше), а это приводит к их сильному нагреву. При этом световые волны наименьшей длины (следовательно, наиболее энергетичные фотоны) попадают на синюю матрицу. Неудивительно, что она деградирует быстрее других. Некоторые изготовители даже предусматривают специальные алгоритмы коррекции картинки, рассчитанные на постепенное ухудшение параметров синей LCD-панели. Помимо синего света на жидкие кристаллы негативно действует УФ-излучение, его устраняют с помощью специальных фильтров, как правило, установленных сразу после лампы или даже на ней.

LCD-матрицы могут не касаться призмы (тогда воздушный поток от вентилятора омывает их с обеих сторон) а могут быть прижаты к ней. В этом случае охлаждение частично идет путем переноса тепла через призму.

Чтобы пыль и, особенно, копоть с масляными каплями не попадали на многочисленные зеркала, линзы и призмы, в каждом LCD-аппарате обязательно присутствует воздушный фильтр, который нужно регулярно прочищать, промывать или менять.

Электроника

Теперь поговорим об электронной "начинке" LCD-проектора. Помимо импульсного блока питания (БП) любой проектор имеет блок поджига лампы, который вырабатывает высокое напряжение для запуска разряда в газовой среде. Лампа - настолько важный и капризный элемент проектора, что ее нужно не только правильно зажигать, но и гасить. В последнее время изготовители ввели специальные схемы плавного гашения, снижающие импульсные и тепловые перегрузки ламп и продлевающие срок их службы.

Чем выше класс проектора, тем больше у него входных разъемов: для подключения компьютеров и видеоаппаратуры. Сигналы с этих разъемов поступают на соответствующие преобразователи и декодеры. За ними установлен переключатель входов, который, кстати, может быть программным, если обработка изображения идет на программном уровне с помощью специализированного видеопроцессора. Он корректирует яркость, контрастность и насыщенность, регулирует цветовую температуру, гамма-кривую и другие параметры изображения, доступные пользователю через экранное меню.

Видеопроцессор, как правило, обладает более высокой точностью представления информации (10-12 бит на каждый цвет), чем исходный компьютерный сигнал, что помогает осуществлять тонкую подстройку картинки, сводя к минимуму возникающие при этом искажения. Еще одна задача, которая решается видеопроцессором, - сглаживание движения при воспроизведении динамичных сцен.

ЖК-панели, как известно, не могут работать при управлении постоянным напряжением. Чтобы избежать электролитического разложения жидкого кристалла, электронные схемы регулярно меняют полярность управляющего напряжения, подаваемого на электроды LCD-панели. Чтобы избежать мерцания и помех, частота изменения полярности согласуется с частотой смены кадров, которая для LCD-проекторов равна 60 Гц. Любой сигнал, поданный на проектор (через входы VGA, HDMI, S-Video или Composite), проходит передискретизацию с частотой 60 Гц.

Отдельный микропроцессор формирует экранное меню для настройки проектора пользователем, который может управлять устройством как с помощью кнопочного пульта на корпусе аппарата, так и инфракрасного пульта ДУ. Задачи автоматической фокусировки с применением встроенного дальномера и автоматической коррекции трапеции по показаниям встроенного датчика наклона, судя по всему, решает этот же микропроцессор.

В последнее время проекторы часто оснащаются модулями WiFi, Ethernet-разъемом и даже простеньким встроенным Web-сервером для дистанционного контроля и настройки. Такие аппараты способны прислать сообщение по электронной почте о скором истечении ресурса лампы или необходимости прочистить воздушный фильтр. Еще одна программа, которой в последнее время разработчики нагружают встроенный микропроцессор, считывает графические файлы с флэш-накопителей и организует слайд-шоу на экране.

Управляющий микропроцессор проектора можно сравнить с ЦП персонального компьютера, а видеопроцессор - с графическим акселератором, так что по функциональности электронной "начинки" современный проектор сопоставим с настольным компьютером.

Виды ламп

В большинстве LCD-проекторов сегодня используются металлогалогенные лампы, которые дают белый свет и имеют срок службы 1000-2000 ч. Такие лампы редко перегорают, но постепенно теряют яркость. Через 200 ч работы световой поток падает примерно на 5%, через 1000 ч - на 20% или чуть больше.

Особый вариант металлогалогенных ламп компании Philips носит название UHP (Ultra High Pressure). UHP-лампы выдают голубоватый поток света и для той же яркости требуют меньшего напряжения питания, благодаря чему работают дольше обычных металлогалогенных ламп. Поскольку существует возможность упростить БП лампы, изготовители предпочитают использовать UHP в мобильных проекторах. Такие лампы практически не теряют яркость со временем, а по истечении срока службы перегорают.

Ксеноновые дуговые лампы можно встретить в самых мощных проекторах. Их ресурс более 1000 ч, они создают наиболее естественный цвет. Галогенные лампы, дающие желтоватый свет, использовались в старых проекторах. Срок их службы невелик - в пределах 100 ч.

Улучшая изображение

Наиболее важные для качественного вывода картинки элементы проектора - это LCD-панели. Компания Epson, основной их поставщик, уже сменила пять поколений матриц. По мере совершенствования технологии сужаются нерабочие промежутки между соседними пикселами, возрастает однородность характеристик пикселов и контрастность изображения. В лучших моделях проекторов на LCD-панелях Epson шестого поколения паспортная контрастность достигает 1000:1.

Под воздействием электрического поля молекулы жидкого кристалла поворачиваются, меняя поляризацию проходящего сквозь матрицу света. При одном угле поворота матрица становится наиболее прозрачной, при другом - максимально непрозрачной. Для увеличения контрастности, которая измеряется как соотношение освещенностей белого и черного экранов, важно обеспечить строго параллельный поток лучей внутри каждой ячейки матрицы.

В высококачественных проекторах предусматриваются специальные меры для компенсации неоднородности характеристик LCD-панелей. Поверхность панели разбивается на прямоугольные зоны, для которых при подаче управляющих сигналов вводятся поправочные коэффициенты.

На качество изображения влияют и свойства объектива. При его выборе приходится искать компромисс между ценой, глубиной трансфокации, световыми потерями, массой и габаритами. Сверхкороткофокусные объективы, обеспечивающие проекционное соотношение 0,5 и меньше (диагональ изображения вдвое и более превышает проекционное расстояние), могут быть очень большими. Качественные объективы с двукратным трансфокатором содержат до 14 линз.

Немалые усилия предпринимаются и по улучшению изображения на уровне электронных схем и алгоритмов программной обработки видеосигналов.

* Часто упоминаемая в последнее время технология 3LCD, по сути, ничем не отличается от LCD. Торговая марка 3LCD зарегистрирована группой изготовителей LCD-проекторов с тем, чтобы совместно пропагандировать LCD-технологию и противостоять маркетинговому натиску со стороны изготовителей DLP-аппаратов.

Наращивая ANSI-люмены

Для увеличения светового потока изготовители LCD-проекторов предпринимают ряд мер. Во-первых, наращивают мощность лампы, к сожалению, часто за счет срока ее службы. В громоздких стационарных аппаратах порой применяют две или даже четыре лампы, что увеличивает не только яркость, но и надежность (если одна сгорит, проектор продолжит работать). Во-вторых, ради получения высокого светового потока устанавливают LCD-панели увеличенных размеров, которые проще охлаждать. Если мобильный проектор может иметь панели диагональю 0,63 дюйма, то мощное "светило" оснащается панелями размером 1,3-1,8 дюйма.

В-третьих, поскольку каждая LCD-матрица имеет непрозрачные межпиксельные зоны, в которых расположены тонкопленочные транзисторы и проводники, фирмы используют матрицы с массивами микролинз, фокусирующими свет на рабочих зонах пиксельных ячеек. Так им удается если не свести на нет, то хотя бы заметно сократить поглощение света межпиксельными зонами.

 

Автор публикации:  Иван Рогожкин