К другим устройствам проектора, которые не были упомянуты ранее, относятся блок электроники с микропроцессором, контроллер, блок коррекции трапецеидальных искажений, а также источник питания.
До винтика: мультимедийные проекторы на основе технологии DLP
Начнем с определения: что же такое DLP? DLP – это сокращение от Digital Light Processing, что переводится как «цифровая обработка света».
Технология цифровой обработки света базируется на применении специализированных микросхем с микрозеркалами, обозначаемых на английском языке как DMD (Digital Micromirror Device).
DLP-технология появилась в Соединенных Штатах и была разработана благодаря прогрессивным исследованиям оборонного агентства DARPA.
DARPA – это весьма уникальная организация, вероятно, не имеющая аналогов в мире. Она представляет собой агентство Министерства обороны США, ответственное за разработку новых технологий для вооруженных сил. DARPA активно финансирует даже самые нестандартные и рискованные проекты, осознавая, что 90% из них могут оказаться неудачными, однако в оставшихся 10% потенциально могут быть и очень успешные разработки, которые помогут Пентагону достичь технологического прорыва.
На данный момент трудно сказать, какую конкретную задачу ставила перед собой DARPA, когда в конце 1980-х годов разместило крупный государственный заказ в компании Texas Instruments. Возможно, в то время исследователи хотели создать систему высокоточной фокусировки мощного лазерного потока для боеголовок баллистических ракет, или же им требовалась надежная технология для отображения данных на стекле кабин истребителей, как это делалось в советской авиации. Однако сейчас это уже не имеет значения. Важно другое: в 1987 году ученый-оптик Ларри Хорнбек, работавший в Texas Instruments, создал первую в мире DMD-микросхему.
Следует отдать должное руководству компании: ознакомившись с этим изобретением, они незамедлительно инициировали проект по исследованию коммерческого применения DMD, и в 1994 году был представлен прототип DLP-проектора. Эта технология быстро завоевала признание среди специалистов как перспективная, хотя и было непросто затмить позиции ЖК-проекторов в те годы.
С того момента начался быстрый рост популярности DLP-проекторов, которые уверенно вытесняли другие технологии, и по некоторым оценкам на сегодняшний день DLP занимает до 70% рынка профессиональных проекторов.
Кроме того, компания Texas Instruments приобрела и до сих пор поддерживает исключительный патент на DMD-микросхемы, поэтому все существующие DLP-проекторы и видеокубы в мире используют именно их микросхемы.
Как работает DLP проектор?
В центре DLP-проектора находится матрица, составленная из DMD-микросхем.
Чтобы лучше понять её конструкцию, рассмотрим ее подробнее.
Рис. 1 DMD микросхема
DMD-микросхема представляет собой кремниевый кристалл на основе КМОП-памяти, на котором сформирована матрица из квадратных алюминиевых микрозеркал (см. рис. 1). Эти зеркала способны поворачиваться на заданный угол в ту или иную сторону, что позволяет им либо отражать падающий свет, либо перенаправлять его в специальный поглотитель. Таким образом, на экране может появиться как светлая, так и темная точка.
Угол поворота микрозеркала определяется геометрическими параметрами конструкции, при этом формирование данной структуры осуществляется с использованием точной кремниевой фотолитографии, что позволяет сделать все элементы DMD-матрицы практически идентичными. Изначально размер зеркала составлял 16×16 мкм при угле поворота 10°. В современных матрицах размеры зеркал варьируются в зависимости от разрешения, тогда как угол отклонения может достигать 12°. При этом квадратная часть в центре зеркала у последних моделей отсутствует.
Каждое микрозеркало крепится на так называемом торсионном подвесе, обеспечивающем надежную работу DLP-матрицы в течение длительного времени. Торсионный подвес создается из лент особой формы, выполненных из сверхпрочного материала, которые позволяют подвижным пластинам сохранять эффективность. Согласно оценкам Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ в трехматричном проекторе достигает 76 тысяч часов. Поведения углов зеркал контролируется за счет явления электростатического притяжения между адресным электродом и зеркалом.
Информация о состоянии каждого пикселя изображения записывается в соответствующую ячейку памяти, представляющую собой обычный триггер. Противофазные выходы триггера подключены к адресным электродам модуля, и, следовательно, содержимое ячейки памяти влияет на положение зеркала.
Работа DMD-матрицы включает шесть различных состояний, среди которых: готовность памяти, сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти. В фазе готовности все триггеры матрицы получают необходимую информацию последовательно, по строкам. На фазе сброса все микрозеркала притягиваются к адресным электродам с помощью импульса высоковольтного напряжения, сопровождаемого подачей питания на шину смещения. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала заменяются, выстраиваясь в нейтральном положении, т.е. в одной плоскости. Состояние дифференциации предполагает подачу на шину смещения промежуточного напряжения, которое заставляет электростатические поля между адресными электродами и зеркалом толкать его в нужную сторону, соответствующую содержимому ячейки памяти. В состоянии приземления на шину смещения подается такое напряжение, которое приводит к ускоренному притяжению зеркал к адресным электродам с максимальным поворотом.
В процессе работы DMD-матрица последовательно проходит через шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка и готовность памяти. Фаза сброса так же необходима для преодоления прилипающих сил, которые на малых размерах механической структуры становятся критически высокими, из-за чего одной лишь упругости ленточного подвеса для освобождения зеркала недостаточно.
Управление зеркалами DMD-матрицы осуществляется изменением напряжения на шине смещения, которая формируется благодаря специальным электронным схемам, расположенным за пределами DMD-кристалла. Все зеркала внутри структуры поворачиваются синхронно, что положительно сказывается на динамических характеристиках матрицы, а значит, она эффективно передает движущиеся изображения.
Технология DLP
Ключевым элементом мультимедийных проекторов, созданных с использованием технологии DLP, является матрица микроскопических зеркал (DMD-элементов), выполненных из алюминиевого сплава, обладающего высокими отражающими свойствами. Каждый элемент крепится к жесткому основанию, которое через подвижные пластины соединяется с основной панелью. Под противолежащими углами зеркал установлены электроды, которые соединены с ячейками памяти CMOS SRAM. Под действием электрического поля основа с зеркалом принимает одно из двух положений, угол наклона которых точно составляет 20°, благодаря стопорам, установленным на основании матрицы.
Эти два положения обеспечивают отражение падающего светового потока либо в объектив проектора, либо в надежный светопоглотитель, который отвечает за отвод тепла и минимальный уровень отражения света.
Шина данных и сама матрица сконструированы так, чтобы гарантировать обработку 60 и более кадров изображения в секунду с разрешением до 16 миллионов цветов.
Матрица зеркал совместно с CMOS SRAM образуют DMD-кристалл, который является основой технологии DLP.
Удивляют размеры кристалла. Площадь каждого зеркала матрицы составляет 16 микрон и менее, а расстояние между зеркалами составляет около 1 микрона. Все это позволяет разместить один кристалл в ладони, что также продемонстрирует его компактность.
- SVGA: 848×600; 508,800 зеркал
- XGA: 1024×768 с черной апертурой (межщелевым пространством); 786,432 зеркал
- SXGA: 1280×1024; 1,310,720 зеркал
 |
Таким образом, имея матрицу, можно начать осуществлять проектирование. В первую очередь, необходимо осветить её мощным световым потоком и поместить оптическую систему на пути одного из направлений отражений зеркал для фокусировки изображения на экран. Другое направление, напротив, следует отвести под светопоглощающее устройство, чтобы ненужный свет не мешал. Таким образом, возможен проект изображения одного цвета. Но где же взять цвет, и как достичь яркости?
Вот в чем, вероятно, заключается изобретение Ларри, о котором шла речь в начале раздела, посвященного истории создания DLP. Если вам что-то в этом стало неясно, приготовьтесь к открытию, поскольку это очевидное и элегантное решение считается сегодня одним из самых передовых и технологичных в области проекции. Вспомните детский фокус с вращающимся фонариком, чей свет в определенный момент объединяется и образует светящийся круг. Это особенность восприятия нашего зрения позволяет окончательно отказаться от аналоговых систем построения изображения в пользу полностью цифровых. Даже цифровые мониторы на последнем этапе обрабатывают сигналы аналоговым способом. Так что же произойдет, если мы заставим зеркала переключаться с высокой частотой между двумя состояниями? Если пренебречь временем переключения зеркала, что вполне допустимо благодаря его крошечным размерам, видимая яркость упадет в два раза. С изменением соотношения времени, в течение которого зеркало удерживается в одном или другом положении, можно легко варьировать видимую яркость изображения. Поскольку частота переключений очень высокая, яркое мерцание становится неприметным. Эврика! Хотя это довольно старая идея, она до сих пор остается актуальной. Теперь последний штрих: если скорость переключения достаточно высока, можно последовательно устанавливать цветные фильтры на пути светового потока, тем самым создавая цветное изображение. Вот и вся суть технологии. Дальнейшее эволюционное развитие мы можем проследить на примере проекторов мультимедиа.
Устройство DLP-проекторов
Компания Texas Instruments не занимается самостійним производством DLP-проекторов; данный процесс осуществляется множеством других компаний, среди которых 3M, ACER, PROXIMA, PLUS, ASK PROXIMA, OPTOMA CORP., DAVIS, LIESEGANG, INFOCUS, VIEWSONIC, SHARP, COMPAQ, NEC, KODAK, TOSHIBA и другие. Большинство выпускаемых проекторов являются портативными, вес которых колеблется от 1,3 до 8 кг, и они способны выдавать до 2000 ANSI люмен. Проекторы подразделяются на три типа.
Одноматричный проектор
Самый простой тип – это одноматричный проектор, в котором между источником света и матрицей располагается вращающийся диск с цветными фильтрами: синим, зеленым и красным. Частота вращения этого диска определяет стандартную частоту кадров.
Изображение формируется поочередно каждым из основных цветов, и в результате мы получаем привычное полноцветное изображение. Практически все портативные проекторы построены по одноматричному принципу. Эволюционным шагом данного типа проекторов стало введение четвертого прозрачного светофильтра, который может значительно повысить яркость проекции.
Трехматричный проектор
Наиболее сложным типом проекторов является трехматричный проектор, где свет разделяется на три отдельных цветовых потока и отражается сразу от трех матриц. Такой проектор обеспечивает наиболее высокую точность цветопередачи и частоту кадров, не ограниченную скоростью вращения диска, как в случае с одноматричными проектами.
Точное соответствие отраженных потоков от каждой матрицы (сведение) осуществляется с помощью специальной призмы, как видно на рисунке.
Двухматричный проектор
Промежуточным вариантом проекторов является модель двухматричного проектор, в которой свет делится на два потока: красный отражается от одной DMD-матрицы, а синий и зеленый — от другой. В этом случае светофильтр поочередно удаляет синюю или зеленую составляющие.
Двухматричный проектор обеспечивает качество изображения на среднем уровне по сравнению с одноматричными и трехматричными проектами.
Как работают DLP-проекторы?
Технология цифровой обработки света подразумевает использование нескольких зеркал и микросхем, которые управляют движением этих зеркал.
В DLP-проекторах имеется цифровое микрозеркальное устройство (DMD-чип), состоящее более чем из двух миллионов миниатюрных зеркал. Зеркала на DMD-чипе могут либо направлять свет на монохромное изображение, либо отклонять его в другую сторону. Для этого они перемещается к источнику света или дальше от него.
Центральную роль в технологии DLP играет вращающееся цветовое колесо, отвечающее за передачу цвета и проекцию в одночиповых системах.
В качестве источников света в DLP-проекторах могут использоваться светодиоды, лазеры или лампы.
Существует эффект сохранения зрения, который играет важную роль в визуальном восприятии. Мозг получает множество неподвижных изображений в быстрой последовательности и воспринимает их как единое целое, это создает иллюзию движения. Вращающееся цветовое колесо использует этот эффект для наделения цвета монохромным изображениям. DLP-проекторы бывают одночиповыми и трехчиповыми.
| Вы можете посмотреть ассортимент и приобрести DLP-проекторы на нашем сайте по ссылке ˃˃ |
Одночиповые DLP
В подобной системе белый свет от лампы проходит сквозь вращающееся цветовое колесо и попадает на DMD-чип. Колесо разделяет свет на красные, синие и зеленые компоненты. Зеркала на чипе отражают эти цветные лучи, которые проходят через объектив проектора и выводятся на экран.
Глаза зрителей сливают эти изображения в нужные цвета.
Изображение стремительно переключается между красным, синим, зеленым, черным и белым цветами. За секунду могут произойти тысячи переключений, поэтому зрительные органы воспринимают только одно целостное движущееся изображение.
Но вращающееся цветовое колесо также может вызывать эффект радуги.
3-чиповый DLP
В некоторых DLP-проекторах, вместо цветового колеса, используется система 3-Chip. Это метод довольно распространен в кинопроекционных системах. В этом варианте белый свет проходит через призму, которая разделяет его на красные, синие и зеленые пиксели. Каждый из чипов представляет один из трех цветов, и их крошечные зеркала отражают цветной свет, который затем объединяется, проходит через объектив и проецируется на экран проектора в виде одного изображения.
Как работают LCD-проекторы?
Технология ЖК-дисплея проектора во многом схожа с жидкристаллическим дисплеем электронных часов.
Эта технология стала общепринятой для современных проекторов, причем первый из них был разработан в 1980-х годах японской компанией Epson.
ЖК-проекторы работают по последовательной схеме. Они создают изображения с помощью жидкокристаллических панелей, фильтров и призм. Белый свет от источника попадает через поляризационный фильтр и далее на дихроические зеркала. Эти зеркала разделяют свет на три цвета: красный, синий и зеленый. Зеркала отражают отдельные лучи на ЖК-панели.
Цветные лучи фильтруются через ЖК-панель и дихроичную призму, где свет рекомбинируется для формирования единого изображения.
Изображение проецируется через объектив устройства и выводится на экран.
Проекторы 3LCD
Эти проекторы отличаются от обычных ЖК-проекторов. Каждый из проекторов имеет в итоге три панели вместо одной. Каждая из этих панелей управляет только одним цветом.
Однако изображение может иметь синие и красные оттенки без зеленого, так как зеленая панель не позволяет зеленому свету проходить к дихроической призме и выходить через объектив.
Четкость жидкокристаллического дисплея определяется количеством дихроических зеркал, которые выполняют работу пикселей. Чем больше их количество, тем выше разрешение и четкость изображения. Каждая панель контролирует цвета своих пикселей.
Проекторы 3LCD потребляют меньший объем электроэнергии и обладают большей яркостью, чем стандартные ЖК-проекторы. Они могут использовать линзовый сдвиг и зум-объективы.
LCD-проекторы представляют собой надежные устройства для классов. Они также хорошо подходят для домашнего кинотеатра и официальных учреждений.
| Посмотреть ассортимент и купить проектор LCD можно на нашем сайте по ссылке ˃˃ |
LCD и DLP
Если рассматривать саму структуру матрицы, то LCD (жидкокристаллическая) матрица больше всего напоминает пленку диапроектора, поскольку работает по принципу «просветления«, выступая на пути светового потока, где задача каждого пикселя заключается в блокировке света либо в его пропускании.
В то время как DLP матрица оперирует по принципу отражения. Каждый пиксель – это микроскопическое зеркало, которое, поворачиваясь, отражает свет на экран или, в отклоненном состоянии, сбрасывает его на поглотитель.
В целом, зеркала эффективно справляются с задачей блокировки ненужного света, что позволяет DLP матрице (DMD чип) обеспечивать значительно высокие уровни контрастности, в отличие от LCD матрицы (при равных других условиях). Хотя, безусловно, контрастность зависит не только от устройства самой матрицы, но с увеличением ее стоимости также возможно достижение более высокого уровня контрастности (например, такой как у LCD проекторов как EH-TW9200/9300, обладающих огромной контрастностью!). Тем не менее, на итог большой контрастности и уровня черного в DLP проекторов в большинстве случаев оказывается на порядок выше.
Путь света в DLP проекторе: лампа-цветовое колесо-зеркало-матрица.
LCD технология в основном распространена в трехматричных конфигурациях (Epson 3LCD), в то время как большинство DLP проекторов являются одноматричными; трехматричные DLP технологии встречаются в дорогих модельных категориях (некоторые инсталляционные проекторы, и элитные проекторы для домашних кинотеатров).
Эффект москитной сетки
Предположительно, одним из дополнительных преимуществ технологии DLP является уменьшенное межпиксельное пространство.
Фактор в том, что LCD матрица, работающая на принципе просветления, требует подведения контуров ко всем пикселям, и эти контуры могут проходить лишь между ними — возникает некое неиспользованное пространство между отдельными элементами. Преимуществом DLP матриц является то, что упомянутые контуры находятся под зеркалами, хотя сама конструкция зеркал создает определённый толчок между пикселями. В итоге 3LCD проекторы склонны демонстрировать чуть более заметный межпиксельный интервал по сравнению с DLP проектами.
Как устроены DLP проекторы
Устройства на основе DLP (Digital Light Processing) состоят из следующих компонентов:
- источника света;
- матрицы микроскопических зеркал;
- движущегося светофильтра.
Световой поток из лампы попадает на миниатюрные зеркала, или DMD-элементы. Эти лёгкие и прочные отражатели изготовлены из алюминиевого сплава и крепятся на жестком основании, которое соединено с блоком управления.
Отражатели проекторов способны поворачиваться влево и вправо относительно своей центральной оси. Максимальный угол их отклонения составляет 10 градусов. Каждое зеркало переворачивается при помощи двух электродов, установленный по бокам. После подачи электрического импульса к этим проводникам происходит смена положения зеркала.
Монохромные потоки света пропускаются через вращающийся цветовой фильтр. Различные участки этого фильтра окрашены в красный, синий и зеленый цвета. Частота вращения фильтра определяет период обновления кадров. В современных версиях проекторов устанавливается еще один прозрачный светофильтр, который способствует существенному повышению яркости изображений.
Виды DLP-проекторов
По конструкции оборудование поделено на:
- одно-матричное;
- двух-матричное;
- трех-матричное.
Одно-матричные модели отличаются классической конструкцией, которая включает источник света, отражающую панель и светофильтр. Первые DLP-проекторы с такой одинарной матрицей были созданы в конце 1980-х годов.
В двух-матричных устройствах световой поток разделяется на две части. Свет, попадающий на разные матрицы, окрашивается в красный или сине-зеленый оттенок.
Трех-матричное оборудование разделяет свет на три группы цветовых генераторов. Каждая матрица испускает красные, синие или зеленые оттенки. Данная модель обладает повышенной качественной цветопередачей и высокой частотой обновления кадров.
LCD-технология
Жидкокристаллическое LCD-оборудование (Liquid Crystal Display) по конструкции схоже с DLP-проектами. Разница в основном заключается в устройстве световых фильтров. Отраженные лучи проходят сквозь жидкокристаллические панели. Прозрачность такого дисплея определяется командами, получаемыми от блока управления. Матрица, разбитая на пиксели, управляется электрическими сигналами.
Большинство современных LCD моделей создаются с трехматричным градиентом. Светофильтры изготовляются из многослойного композитного силикона. Свет, испускаемый источником, попадает на линзы, а затем к двоичным зеркалам. Лучи разделяются на три группы, проходящие через красный, синий и зеленый фильтры.
Затем цветные световые потоки собираются при помощи призмы. Объединенные лучи формируют одно полноцветное изображение, которое затем транслируется на экран. В трехпозиционных моделях матрицы не движутся. Из-за статичного расположения увеличивается срок службы светофильтров.
Преимущества и недостатки
Оба типа проекционного оборудования обладают отличительными чертами. Характеристики DLP и LCD сравниваются в таблице 1.
DLP модели значительно меньше весят, чем LCD. Эти проекторы идеально подходят для выездных лекций или презентаций.
Имеет большую мощность. Они способны проецировать на широкоформатный экран.
Оснащены точной цветопередачей. Обеспечивают гладкий и чистый фон. Изображение остается стабильным, а яркость высокая.
Некоторые модели могут страдать от пикселизации, что приводит к разделению изображения на заметные секции. Часть черного изображения может переходить в серую зону.
Качество изображения зависит от состояния светофильтров, которые со временем могут ухудшаться.
Кроме того, требуется регулярный уход за матрицами, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии.
