Основные проекционные технологии

Первые видео проекторы, предназначенные исключительно для воспроизведения видео сигналов, появились в 70-х годах и выполнялись на электронно-лучевых трубках. Ряд фирм продолжает их выпуск - привлекает высокая разрешающая способность, обеспечивающая очень хорошее качество изображения. Однако аппараты эти, по нынешним меркам, не слишком яркие, весят они десятки килограмм и стоят десятки тысяч долларов. В данном обзоре они не рассматриваются.

Появление жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) привело к принципиально другой конструкции видео проекторов. В ранних моделях использовались многослойные ЖКД, выпускаемые фирмой Sharp, выполненные по тонкоплёночной технологии (TFT LCD-panels). Такие дисплеи имеют диагональ от 3 до 26 см (а иногда и больше).

Светящиеся точки дисплея (пиксели) под воздействием управляющих сигналов могут излучать любой из базовых цветов (красный, зелёный, синий). По принципу действия такой ЖКД не отличается от монитора ноутбука, только в проекторе он работает на просвет и обычно имеет меньшие размеры. Структурная схема проектора представлена на рис. 1.

Рис.1. TFT-технология
1-проекционная лампа; 2-конденсорные линзы; 3-линзы Френеля; 4-TFT-дисплей; 5-объектив
Такие одно-панельные проекторы, наиболее простые по конструкции, продолжают успешно выпускать некоторые фирмы.

Более сложную конструкцию имеют появившиеся позднее проекторы, использующие выпускаемые фирмой Epson ЖКД с диагональю 3,3 см (в последнее время - 2,3 см), выполненные на базе полисиликоновой технологии (PSI LCD-panels). В таких проекторах применены 3 дисплея, каждый из которых управляет одним базовым цветом (рис. 2).

Рис.2. Полисиликоновая технология
1-проекционная лампа; 2-отражательное зеркало; 3-дихроичное зеркало; 4,5,6-ЖК-дисплеи; 7-объектив

Полисиликоновая технология обеспечивает очень яркие, насыщенные краски, что особенно важно при проецировании видео изображений. Кроме того, полисиликоновые матрицы более устойчивы по отношению к длительному тепловому воздействию, чем обычные тонкопленочные. Именно по этим причинам в настоящее время они наиболее часто применяются в проекторах.

С 1996 года в проекторах вместо ЖКД стали применять небольшие, размером с ноготь, интегральные микросхемы, разработанные фирмой Texas Instruments. Эти микросхемы, именуемые DMD (Digital Mirror Device), содержат на своей поверхности более 500 тыс. крошечных алюминиевых зеркал размером 1/1000 человеческого волоса (16х16 мкм). Каждое микрозеркало соответствует одной световой точке на экране, но если пиксели ЖКД работают на пропускание света, то микрозеркала - на отражение (рис. 3).

Рис.3. DLP-технология
1-проекционная лампа; 2-конденсорные линзы; 3-цветовой фильтр; 4-DND-микросхема; 5-объектив

Потери света при этом минимальны, что и обеспечивает преимущество таких проекторов перед проекторами на ЖКД. Кроме того, относительные расстояния между микрозеркалами существенно меньше, чем между пикселями ЖКД. За счёт этого изображение менее дробное. При отсутствии управляющего сигнала ориентация каждого микрозеркала такова, что отражённый от него свет в объектив не попадает и рассеивается в проекторе. Цветовая гамма создаётся вращением специального цветового фильтра, если используется один микрозеркальный чип, или за счёт использования трёх таких чипов, по одному на базовый цвет.

Проекторы, использующие микросхемы DMD, на Западе называют DLP-projectors (Digital Light Processing Projectors), а в России - микрозеркальными проекторами.

В конце 90-х годов появились проекторы, выполненные на базе ещё одной новой технологии, так наз LCOS (Liqued Crystal on Silicon) - жидкие кристаллы на силиконе.

Так же как и ЖКД (LCD), технология LCOS использует в своей основе жидкие кристаллы. Однако на этом сходство заканчивается. LCD технология, имеющая множество достоинств, тем не менее не свободна от некоторых недостатков. LCD матрица состоит из отдельных жидкокристаллических пикселей, прозрачность которых регулируется управляющими элементами, находящимися между пикселями. При просветном воспроизведении изображения непрозрачные управляющие элементы препятствует прохождению через матрицу света, уменьшая результирующий световой поток проектора. Эту проблему частично решают специальные микролинзы, установленные напротив каждого пикселя, которые собирают весь падающий свет и пропускают его только через прозрачную часть пикселя. Такой способ позволяет увеличить световой поток проектора примерно на 30%. Другой недостаток LCD заключается в том, что расположение жидких кристаллов в одной плоскости с управляющими элементами затрудняет уменьшение размеров пикселей и расстояний между ними. Как результат - коэффициент заполнения (отношение суммарной площади жидких кристаллов к общей площади матрицы) достигает для LCD только 60%.

Матрица LCOS построена иначе (см рисунок 4):

Жидкокристаллический слой располагается над зеркальным плоским электродом, в который встроена матрица управляющих элементов. Свет, падающий на жидкий кристалл, проходит через него, достигает отражающего электрода и возвращается, проходя через жидкий кристалл еще раз. В этом случае эффективность использования рабочего вещества выше, что, в свою очередь, позволяет увеличить контрастность изображения. Кроме того, при такой геометрии на единице площади можно расположить большее число пикселей и значительно уменьшить расстояние между ними. В результате у LCOS-матриц коэффициент заполнения достигает величины 93%,). В этом превосходство LCOS технологии как над LCD, так и над DLP технологией, для которой коэффициент заполнения составляет около 88 % (рис. 5б). Кроме того, время отклика отражающей жидкокристаллической матрицы на управляющее воздействие примерно в три раза меньше, чем у просветной. В DLP-технологии применены механические элементы — микрозеркала, что существенно усложняет их производство. С LCOS таких проблем нет — технология их изготовления легко вписывается в типовой процесс формирования CMOS-структур, а значит, сами панели могут быть относительно недорогими. Кроме того, LCOS позволяет наращивать число пикселей и, следовательно, разрешающую способность формирователя изображения без значительного увеличения его размеров. В частности, сравнительно просто достигается разрешение SXGA (1280х1024 пикселей). Таким образом, при более низкой цене матрицы можно рассчитывать на более высокое качество получаемого в итоге изображения.

Рис. 5. Основные технологии проецирования (а, б, в)
Первой в мире компанией, разработавшей LCOS-технологию и доведшей её до практической реализации в мультимедийных проекторах, является известная японская корпорация JVC. Чтобы чётко идентифицировать свою уникальную разработку, JVC использует для своих LCOS-матриц специальное название – D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier). Вслед за JVC технологию LCOS освоили и другие производители проекторов – Everest, Canon, Hitachi и др. Однако широкого применения эта технология пока не находит.

В заключении отметим, что покупателю проектора не следует считать технологию проецирования основным критерием для выбора модели. В настоящее время все три технологии практически равноценны, и качество проектора зависит не столько от используемой технологии, сколько от электронных схем обработки сигналов, используемых электрических и оптических элементов, точности механической обработки деталей и других факторов.

Советуем также крайне осторожно относиться к агрессивной рекламе, к которой часто прибегают производители и особенно продавцы тех или иных моделей проекторов. Прежде всего это относится к DLP-проекторам, активность рекламы которых существенно выше, чем у конкурентных технологий. Все производители DLP-проекторов используют чипы, производимые американской компанией Texas Instruments, и осознанно или неосознанно, объединились в рекламе этой технологии, занимающей в настоящее время примерно 50% рынка. В то же время производители LCD-проекторов рекламируют каждый свои продукты. В результате продвижение очередной DLP-модели в средствах массовой информации часто без стеснения сопровождается заявлениями, рассчитанными на доверчивых покупателей, о том, что новая технология на голову выше традиционной. Естественно, это совершенно не соответствует истине. Чтобы противостоять такому рекламному напору, в начале 2005 г. шесть крупнейших производителей LCD-проекторов - Epson, Sanyo, Hitachi, Fujitsu, Panasonic, Sony - создали новый бренд “3LCD”, который позиционируется на рынке как следующее поколение трехматричных LCD-продуктов с улучшенными характеристиками. Изделия перечисленных производителей маркируются новым логотипом, создан сайт www.3lcd.com для разъяснения преимуществ трехматричной LCD технологии перед технологией DLP. Среди этих преимуществ следует отметить следующие:

• цвета выводятся на экран одновременно, а не по очереди, как это свойственно одночиповой DLP-технологии, отсутствует эффект «радуги», при этом количество цветов у 3LCD аппаратов достигает 68,7 млрд
• достигнуто огромное количество оттенков серого (на сегодня до 10 квинтиллионов)
• недавно достигнут контраст 6000:1, в то время как десятки действующих моделей обеспечивают контраст 1000:1 и более
• целый ряд 3LCD проекторов имеет световой поток 5000 Ansi лм и более.

Надо сказать отдельно, что для измерения контрастности производители применяют различные методики и самые разные спекуляции. Производители DLP-проекторов в этом отношении весьма преуспели, иначе трудно было бы объяснить, почему иные модели с контрастом 2500:1 (DLP) показывает так же, как средние LCD-модели с контрастом 500:1.

Справедливости ради следует отметить, что каждая из технологий (в том числе и DLP) имеет свои преимущества, однако о безусловном превосходстве какой-либо из них говорить было бы, по меньшей мере, неосновательно. У лучших производителей, поддерживающих производство DLP проекторов, одночиповые модели почти лишены характерного для этой технологии мерцания картинки. Уже созданы одночиповые DLP модели, оснащенные семи- и даже восьмисегментным цветоделительным колесом. Так, проектор для домашнего кино Mitsubishi HC2000U имеет 8 сегментов на цветоделительном модуле, и обеспечивает контраст изображения 3600:1. Кроме того, микрозеркальная технология имеет несомненное преимущество при создании стационарных сверх ярких проекторов, прежде всего за счёт высокой теплоустойчивости микрозеркальных чипов.