Какие бы технологии модуляции светового потока ни изобретались,
главную роль в проекционной аппаратуре играет источник света. Так как
сегодня почти исчерпаны ресурсы повышения эффективности дуговых ламп,
все больше внимания уделяется альтернативным источникам света. К ним
относятся мощные светодиоды (Light Emitting Diode, LED) и лазеры,
которые превосходят дуговые лампы по ресурсу и спектральной стабильности
светового потока.
Важнейшим параметром любого проектора является светотехническая эффективность его оптической системы, которая оценивается световой отдачей в люменах на ватт потребляемой источником света мощности.
У высокоразрешающих проекторов с металлогалогенными лампами (МГЛ) этот показатель обычно не превосходит 10 лм/Вт. Так как световая отдача современных проекционных ламп гораздо больше, например, 150 лм на Вт мощности лучших МГЛ, светотехнический КПД видеопроекторов не превосходит 7 %.
Известно, что спектральная чувствительность зрения максимальна для зеленого света и что в системе СИ 1 Вт мощности однородного энергетического потока с длиной волны излучения λλ=555 нм принят эквивалентным световому потоку 683 лм. Расчеты показывают, что равноэнергетическое излучение белого света мощностью 1 Вт с учетом спектральной чувствительности зрения к основным цветам RGB по МКО соответствует световому потоку 250 лм. Следовательно, лазеры, даже с меньшим по сравнению с МГЛ КПД преобразования электрической мощности в видимый свет, создают предпосылки для существенного повышения световой отдачи видеопроекторов за счет упрощения их оптической системы в целом.
Светодиоды особо интересны для разработчиков DLP-проекторов, так как
позволяют создавать модели с одним DMD без светофильтра ColorWheel.
Первый светодиодный DLP-проектор появился в 2005 г. Это была модель
Mitsubishi PK10, открывшая категорию карманных (Pocket) проекторов
массой до 0,5 кг, способных обслуживать экран диагональю до 60" (15 см).
В дальнейшем появились аналогичные проекторы других производителей,
например Samsung и Toshiba.
Рис. 12. Оптическая схема LED-проектора
На выставке CES’2007 фирмой Mitsubishi был продемонстрирован модифицированный PocketProjector РК20 (световой поток 25 лм, разрешение 800 × 600, размеры 123 × 97 × 48 мм, масса 500 г). В качестве источников света у РК20 использована сборка из восьми светодиодов, их потребляемая мощность составляет 23 Вт, а проектора в целом - 37 Вт. Панель разъемов проектора допускает подключение любых источников информации, в том числе карты памяти SD. Предусмотрена комплектация модели аккумулятором, способным поддерживать ее работу в течение 2 ч.
Оптическая схема светодиодного DLP-проектора, содержащего компоненты
Oerlikon, приведена на рис. 12. Здесь роль источников света выполняют
светодиоды 1 c рефлекторами 2, последовательно излучающие световые
потоки первичных цветов R, G и B. Совмещение оптических осей излучений
светодиодов обеспечивается юстировкой двух дихроичных зеркал
3. Отражаясь от зеркала 4, эти потоки через оптический конденсор
5 последовательно попадают на DMD-модулятор 6, после чего объективом
7 проецируются на экран. Принципиально эта схема выглядит более
эффективной, чем у DLP-проекторов (см. рис. 10). Действительно, здесь
нет фильтра ColorWheel и меньше других оптических компонентов
с неизбежными световыми потерями. Кроме того, в светодиодных проекторах
можно легко реализовать ColorWheel с любым секторным делением введением
программ-ного чередования цветов и даже сделать такие программы
выбираемыми пользователем по критерию минимальной утомляемости при
длительном просмотре.
Использование полупроводниковых лазеров, которые отличаются более
широкой гаммой отображаемых цветов и длительным (десятки тысяч часов)
сроком службы с неизменной световой отдачей, для проекции изображений
в настоящее время считается одним из самых перспективных. Кроме того,
изучаемый лазерами свет имеет круговую поляризацию, которая просто
и с высоким КПД может быть преобразована в линейную, что позволяет
исключить из ЖК-проекторов конвертеры поляризации и упростить
их конструкцию.
Оптическая схема проекционного лазерного DLP-дисплея по версии Oerlikon приведена на рис. 13. Здесь в качестве источников света 1 используются полупроводниковые лазеры (615,25 нм) зеленого (532,5 нм) и синего (465 нм) цветов. Их излучения поступают на дифракционные формирователи 2 (Diffractive Beam Shapers, DBS), обеспечивающие равномерность излучений по их сечениям. Далее они отражаются и совмещаются дихроичными зеркалами 3 и, отражаясь от зеркала 4, преобразуются оптическим компонентом 5 в широкий пучок лучей, соответствующий апертуре DMD-модулятора 6, а модулированный ими свет отражается и проецируется объективом 7 на просветный экран дисплея.
Американская компания Novalux разработала технологию производства мощных лазерных источников света оптического диапазона NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser), основанную на принципе удвоения на нелинейных кристаллах частоты излучения мощного инфракрасного лазера. Утверждается, что ресурс работы излучателей превышает 50 тыс. ч без снижения выходной мощности и изменения длины волны излучения в видимом диапазоне. Красный, зеленый и синий цвета могут быть реализованы в едином модуле излучателей (рис. 14).
Эксперименты показали, что при использовании водяного охлаждения лазеров Necsel, расположенных на площадке 5 × 5 мм, растровый излучатель из 225 лазерных диодов в режиме параллельной непрерывной работы всех излучателей выдает более 80 Вт, т. е. образует световой поток 16 тыс. лм. Использование таких излучателей считается перспективным в проекторах для профессиональных кинотеатров. Так, компанией Novalux разработана оптическая система (рис. 15) лазерного видеопроектора категории D-Cinema со световым потоком 20 тыс. лм.
Производители аппаратуры PDA (Personal Digital Assistant) и сотовых телефонов стали использовать лазеры для создания микропроекторов. Так, фирмы TI и Motorola уже выпустили лазерные пикопроекционные DLP-модули для встраивания в такую продукцию. Началась эта революция с появления на выставке CES’2007 интересной разработки израильской фирмы ExPlay под названием Nano-Projector, блок-схема которого приведена на рис. 16. Его особенностью является использование гибридного источника света 5, содержащего лазерные и светодиоды. Далее световой поток через дифракционные формирователи 4, обеспечивающие равномерность излучений, поступает на корректирующий оптический компонент 3, устраняющий заметность так называемых «спеклов» - гранулированной структуры изображения, создаваемого интерферирующими когерентными пучками лазерных излучений. Сформированный таким образом равномерный световой поток белого света, отражаясь от зеркал 6, проходит модифицированный ЖК-модулятор 7 ASLM (Advanced Spatial Light Modulator) с максимальным светопропусканием 60% и проецируется объективом 8. Дистанция наводки на резкость фиксирована и равна гиперфокальному расстоянию этого объектива, что без дополнительной фокусировки обеспечивает резкость проецируемого изображения, размеры которого по диагонали могут быть от 7 до 30 дюймов (зависит от проекционного расстояния). Совместимость нано-проектора с различными системами представления отображаемой информации обеспечивается 40-контактным интерфейсом 1 и специализированным Mixed Signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit) микропроцессором 2. Еще одним достоинством разработки ExPlay является применение жидкокристаллического модулятора.
Стоит отметить, что качество цветопередачи видеопроекторов с типовыми источниками света, например с дуговыми лампами, полностью не охватывает локуса зрения, особенно в зелено-голубых тонах, так как цветоделительные светофильтры из-за широкой полосы пропускания не обеспечивают чистоту основных цветов. При применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики проекционной видеотехники оказываются перед выбором: высокая яркость, умеренное энергопотребление и удовлетворительная цветность или отличная цветопередача, но низкая яркость и большое энергопотребление.
На рис. 17 показан локус и треугольники с черными и белыми сторонами, очерчивающими палитру цветов МГЛ и лазерных источников света соответственно. По данным разных источников, широта охвата локуса у ЖК-, PDP- и проекционных дисплеев с типовыми источниками света составляет 40…45%, а у светодиодных и лазерных - до 60% и 90% соответственно. Дело в том, что основной характеристикой, определяющей правильность цветопередачи, является чистота первичных цветов R, G и B, из которых матрицированием формируется цветовая палитра изображения в целом. Чем стабильнее длины волн λ твердотельных излучателей R, G и В или уже полоса пропускания цветоделительных фильтров, разделяющих световой поток на составляющие R, G и В, тем выше чистота первичных цветов и шире охват цветовой палитры зрения.
Принципиальным отличием полупроводникового лазера от светодиода является наличие в p-n структуре первого оптического резонатора, зазор между образующими зеркалами которого равен длине волны излученияlambda;. В светодиодах носители заряда p и n рекомбинируют самопроизвольно (спонтанно), и возникающее при этом излучение занимает довольно широкую полосу частот (Δλ 10 нм). Лазерное излучение имеет вынужденный характер и возникает при очень большой плотности тока накачки (смещения p-n структуры в проводящем направлении), исключающей спонтанную рекомбинацию носителей. При этом квант света, пролетая от одного зеркала к другому и обратно, вызывает излучение таких же вторичных квантов, т. е. происходит усиление света. Кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, а квант вынужденного излучения - в том же направлении, что и квант, вызвавший это излучение, поэтому в последнем случае оба кванта тождественны. В идеале лазер должен создавать монохроматическое излучение (Δλ=0), но на практике ΔλΔλ < 1 нм, и лучшего добиться довольно трудно из-за необходимости поддерживать неизменной структуру лазера и геометрию резонатора в реальных эксплуатационных условиях (особенно температурных).
На наш взгляд, с особой осторожностью следует отнестись к появлению лазерных телевизоров и проекторов с одним DMD (см. рис. 14), даже если они будут дешевыми, причем не только из-за опасности испортить зрение, но и из-за широких возможностей их использования для психотропного воздействия на подсознание зрителей.
Важнейшим параметром любого проектора является светотехническая эффективность его оптической системы, которая оценивается световой отдачей в люменах на ватт потребляемой источником света мощности.
У высокоразрешающих проекторов с металлогалогенными лампами (МГЛ) этот показатель обычно не превосходит 10 лм/Вт. Так как световая отдача современных проекционных ламп гораздо больше, например, 150 лм на Вт мощности лучших МГЛ, светотехнический КПД видеопроекторов не превосходит 7 %.
Известно, что спектральная чувствительность зрения максимальна для зеленого света и что в системе СИ 1 Вт мощности однородного энергетического потока с длиной волны излучения λλ=555 нм принят эквивалентным световому потоку 683 лм. Расчеты показывают, что равноэнергетическое излучение белого света мощностью 1 Вт с учетом спектральной чувствительности зрения к основным цветам RGB по МКО соответствует световому потоку 250 лм. Следовательно, лазеры, даже с меньшим по сравнению с МГЛ КПД преобразования электрической мощности в видимый свет, создают предпосылки для существенного повышения световой отдачи видеопроекторов за счет упрощения их оптической системы в целом.
Светодиодная проекция.
Светодиоды особо интересны для разработчиков DLP-проекторов, так как
позволяют создавать модели с одним DMD без светофильтра ColorWheel.
Первый светодиодный DLP-проектор появился в 2005 г. Это была модель
Mitsubishi PK10, открывшая категорию карманных (Pocket) проекторов
массой до 0,5 кг, способных обслуживать экран диагональю до 60" (15 см).
В дальнейшем появились аналогичные проекторы других производителей,
например Samsung и Toshiba.Рис. 12. Оптическая схема LED-проектора
На выставке CES’2007 фирмой Mitsubishi был продемонстрирован модифицированный PocketProjector РК20 (световой поток 25 лм, разрешение 800 × 600, размеры 123 × 97 × 48 мм, масса 500 г). В качестве источников света у РК20 использована сборка из восьми светодиодов, их потребляемая мощность составляет 23 Вт, а проектора в целом - 37 Вт. Панель разъемов проектора допускает подключение любых источников информации, в том числе карты памяти SD. Предусмотрена комплектация модели аккумулятором, способным поддерживать ее работу в течение 2 ч.
Лазерная проекция.
 |
| Рис. 13. Оптическая схема лазерного DLP-дисплея |
 |
| Рис 14. Схема лазерного проектора DLP-1DMD |
 |
| Рис. 15. Оптическая система лазерного DLP-проектора D-Cinema |
Оптическая схема проекционного лазерного DLP-дисплея по версии Oerlikon приведена на рис. 13. Здесь в качестве источников света 1 используются полупроводниковые лазеры (615,25 нм) зеленого (532,5 нм) и синего (465 нм) цветов. Их излучения поступают на дифракционные формирователи 2 (Diffractive Beam Shapers, DBS), обеспечивающие равномерность излучений по их сечениям. Далее они отражаются и совмещаются дихроичными зеркалами 3 и, отражаясь от зеркала 4, преобразуются оптическим компонентом 5 в широкий пучок лучей, соответствующий апертуре DMD-модулятора 6, а модулированный ими свет отражается и проецируется объективом 7 на просветный экран дисплея.
Американская компания Novalux разработала технологию производства мощных лазерных источников света оптического диапазона NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser), основанную на принципе удвоения на нелинейных кристаллах частоты излучения мощного инфракрасного лазера. Утверждается, что ресурс работы излучателей превышает 50 тыс. ч без снижения выходной мощности и изменения длины волны излучения в видимом диапазоне. Красный, зеленый и синий цвета могут быть реализованы в едином модуле излучателей (рис. 14).
Эксперименты показали, что при использовании водяного охлаждения лазеров Necsel, расположенных на площадке 5 × 5 мм, растровый излучатель из 225 лазерных диодов в режиме параллельной непрерывной работы всех излучателей выдает более 80 Вт, т. е. образует световой поток 16 тыс. лм. Использование таких излучателей считается перспективным в проекторах для профессиональных кинотеатров. Так, компанией Novalux разработана оптическая система (рис. 15) лазерного видеопроектора категории D-Cinema со световым потоком 20 тыс. лм.
Микропроекторы.
| Рис. 16. Схема проекционного модуля |
Производители аппаратуры PDA (Personal Digital Assistant) и сотовых телефонов стали использовать лазеры для создания микропроекторов. Так, фирмы TI и Motorola уже выпустили лазерные пикопроекционные DLP-модули для встраивания в такую продукцию. Началась эта революция с появления на выставке CES’2007 интересной разработки израильской фирмы ExPlay под названием Nano-Projector, блок-схема которого приведена на рис. 16. Его особенностью является использование гибридного источника света 5, содержащего лазерные и светодиоды. Далее световой поток через дифракционные формирователи 4, обеспечивающие равномерность излучений, поступает на корректирующий оптический компонент 3, устраняющий заметность так называемых «спеклов» - гранулированной структуры изображения, создаваемого интерферирующими когерентными пучками лазерных излучений. Сформированный таким образом равномерный световой поток белого света, отражаясь от зеркал 6, проходит модифицированный ЖК-модулятор 7 ASLM (Advanced Spatial Light Modulator) с максимальным светопропусканием 60% и проецируется объективом 8. Дистанция наводки на резкость фиксирована и равна гиперфокальному расстоянию этого объектива, что без дополнительной фокусировки обеспечивает резкость проецируемого изображения, размеры которого по диагонали могут быть от 7 до 30 дюймов (зависит от проекционного расстояния). Совместимость нано-проектора с различными системами представления отображаемой информации обеспечивается 40-контактным интерфейсом 1 и специализированным Mixed Signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit) микропроцессором 2. Еще одним достоинством разработки ExPlay является применение жидкокристаллического модулятора.
Проблемы и перспективы
Применение лазерной проекции для кинемато-графа весьма заманчиво, и она может получить широкое распространение, если удастся доказать ее безопасность для зрения. Очевидно, при планировке кинозала прямое попадание лазерного излучения на зрителей должно быть исключено, так как даже лазерная указка мощностью 1 мВт в пультах ДУ считается опасной для пользователя и окружающих. На выставке Infocomm’2007 был проведен семинар, на котором обсуждалась проблема безопасности практического применения лазерных проекторов и мониторов. В результате отмечена необходимость дополнения и корректировки стандартов на лазерную продукцию. Однако это длительная бюрократическая процедура, которая может потребовать пять-семь лет.Стоит отметить, что качество цветопередачи видеопроекторов с типовыми источниками света, например с дуговыми лампами, полностью не охватывает локуса зрения, особенно в зелено-голубых тонах, так как цветоделительные светофильтры из-за широкой полосы пропускания не обеспечивают чистоту основных цветов. При применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики проекционной видеотехники оказываются перед выбором: высокая яркость, умеренное энергопотребление и удовлетворительная цветность или отличная цветопередача, но низкая яркость и большое энергопотребление.
| Рис. 17. Локус и цветовые треугольники |
На рис. 17 показан локус и треугольники с черными и белыми сторонами, очерчивающими палитру цветов МГЛ и лазерных источников света соответственно. По данным разных источников, широта охвата локуса у ЖК-, PDP- и проекционных дисплеев с типовыми источниками света составляет 40…45%, а у светодиодных и лазерных - до 60% и 90% соответственно. Дело в том, что основной характеристикой, определяющей правильность цветопередачи, является чистота первичных цветов R, G и B, из которых матрицированием формируется цветовая палитра изображения в целом. Чем стабильнее длины волн λ твердотельных излучателей R, G и В или уже полоса пропускания цветоделительных фильтров, разделяющих световой поток на составляющие R, G и В, тем выше чистота первичных цветов и шире охват цветовой палитры зрения.
Принципиальным отличием полупроводникового лазера от светодиода является наличие в p-n структуре первого оптического резонатора, зазор между образующими зеркалами которого равен длине волны излученияlambda;. В светодиодах носители заряда p и n рекомбинируют самопроизвольно (спонтанно), и возникающее при этом излучение занимает довольно широкую полосу частот (Δλ 10 нм). Лазерное излучение имеет вынужденный характер и возникает при очень большой плотности тока накачки (смещения p-n структуры в проводящем направлении), исключающей спонтанную рекомбинацию носителей. При этом квант света, пролетая от одного зеркала к другому и обратно, вызывает излучение таких же вторичных квантов, т. е. происходит усиление света. Кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, а квант вынужденного излучения - в том же направлении, что и квант, вызвавший это излучение, поэтому в последнем случае оба кванта тождественны. В идеале лазер должен создавать монохроматическое излучение (Δλ=0), но на практике ΔλΔλ < 1 нм, и лучшего добиться довольно трудно из-за необходимости поддерживать неизменной структуру лазера и геометрию резонатора в реальных эксплуатационных условиях (особенно температурных).
На наш взгляд, с особой осторожностью следует отнестись к появлению лазерных телевизоров и проекторов с одним DMD (см. рис. 14), даже если они будут дешевыми, причем не только из-за опасности испортить зрение, но и из-за широких возможностей их использования для психотропного воздействия на подсознание зрителей.
Комментариев нет:
Отправить комментарий