Формирование изображения в DLP проекторах (ликбез).

Формирование изображения в DLP проекторах (ликбез).

В DLP проекторе используется отражающая матрица (матрица DLP проектора именуется DMD чипом). Отразившись от матрицы DMD микросхем, световой поток через объектив проецируется на экран. Для управления огромным количеством микрозеркальных микросхем требуется мощный и весьма дорогой микропроцессор (DMD матрица состоит из миллионов зеркал, способных поворачиваться, занимая одно из двух фиксированных положений).

Управление яркостью изображения в DLP проекторах осуществляется следующим образом. Поскольку источник света равномерно освещает всю матрицу DMD микросхем, управление яркостью каждого пикселя, должно осуществляться на уровне отдельной микросхемы. Это реализовано за счёт управления временем, которое микрозеркало отражает свет от источника. Короткие импульсы света интегрируются в мозгу зрителя и создают ощущение более или менее яркого пикселя. Такой способ управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Чем больше длительность импульсов, тем меньше скважность сигнала и тем больше величина яркости соответствующего пикселя.

Цвет в DLP проекторах получается разными спрсобами. Первые DLP проекторы имели одну матрицу DMD микросхем, поэтому для получения цветного изображения приходилось использовать схему с «цветовым колесом». Колесо состояло из нескольких цветовых сегментных фильтров и вращалось с большой скоростью (до 10 тыс. об/мин). Такое техническое решение обеспечивало приемлемую цветопередачу, но создавало много проблем. Возникал «эффект радуги», в результате которого изображение на экране «разваливалось». Кроме того, не все цвета воспроизводились одинаково хорошо (особенно проблемы возникали с голубыми и жёлтыми оттенками). Производители по-разному боролись с этой проблемой, например, увеличивая количество цветных секторов в колесе, меняя их ширину и алгоритм работы процессора. Переход к трёхматричной оптической схеме позволил преодолеть эти проблемы в DLP проекторах. Эта оптическая схема не требует цветового колеса, а вместе с ним исчезают и все органические недостатки одноматричной схемы проекторов. Вместе с тем, за качество изображения приходится платить высокой сложностью оптического блока и высокой ценой проектора.

Основным элементом DLP-проектора является микроэлектромеханическая система (МЭМС), которая и создаёт изображение микроскопическими зеркалами, расположенными в виде матрицы на полупроводниковом чипе, называемом «цифровым микрозеркальным устройством» (англ. Digital Micromirror Device, DMD).

Каждое такое микрозеркало состоит из алюминиевого сплава и соответствует одному пикселю создаваемого изображения. Микрозеркала подвижно закреплены на подложке матрицы и при помощи электродов, подключённых к ячейкам памяти SRAM, могут практически мгновенно отклоняться в одно из двух положений, отличающихся друг от друга на угол в 20°.

Изображение формируется при помощи света, отражённого от матрицы в объектив. При этом отражательная способность различных участков регулируется при помощи поворота микрозеркал в одно из двух положений, соответствующих отражению света лампы по направлению к объективу или на световую ловушку с теплоотводом. В первом случае пиксель выглядит на экране белым, а во втором — чёрным. Как уже было отмечено раньше, полутоновое изображение создаётся за счёт регулировки соотношения между периодами «включения» микрозеркала и его «выключения», то есть пропорции белого и чёрного, а градации серого воспринимаются зрителями из-за инерции зрения, суммирующего периоды света и темноты пропорционально их соотношению.

Размеры микрозеркал очень малы и составляют лишь несколько микрон. Промежутки между ними ещё меньше и обычно не превышают одного микрометра. Благодаря последнему обстоятельству структура изображения на экране не обладает «эффектом решётки», характерным для LCD-проекторов.

Общее количество микрозеркал определяет чёткость получаемого изображения. Наиболее распространёнными размерами DMD являются 800×600, 1024×768, 1280×720, и 1920×1080. В цифровых кинопроекторах стандартными разрешениями DMD принято считать 2К и 4К, что соответствует 2048 и 4096 пикселей по длинной стороне кадра, соответственно. В зависимости от типа проектора и предполагаемого размера экрана в качестве источника света для освещения DMD-матрицы может использоваться галогенная лампа накаливания или ксеноновая лампа большой мощности. Второй тип источника, унаследованный от стационарных кинопроекторов, чаще применяется в цифровых кинопроекторах, рассчитанных на большой экран.

В проекторах с одной DMD-матрицей цветное изображение обычно создаётся последовательной проекцией трёх частичных цветоделённых изображений через вращающийся диск со светофильтрами основных цветов. Чаще всего диск помещается между лампой и матрицей DMD. Цветной диск чаще всего содержит три светофильтра красного, зелёного и синего цветов (RGB), и одно неокрашенное стекло той же толщины, предназначенное для увеличения контраста изображения.

Вращение диска синхронизируется таким образом, чтобы каждый светофильтр попадал в световой поток в момент появления на чипе соответствующего цветоделённого изображения. То есть, за красным светофильтром выводится красное частичное изображение, за зелёным — зелёное и за синим — синее. При наличии прозрачного сектора диска за ним демонстрируется монохромное изображение, полученное суммированием всех трёх частичных. Прозрачный сектор позволяет повысить контраст, но уменьшает насыщенность цвета, поэтому в некоторых проекторах он отсутствует.

Цветное изображение формируется за счёт инерции зрения и высокой частоты смены частичных изображений. В большинстве случаев она дополнительно увеличивается для снижения заметности мельканий. При стандартной частоте проекции цифровых кинопроекторов, составляющей 24 кадра в секунду, каждый целый цветной кадр демонстрируется дважды, чтобы сместить частоту мельканий выше критической границы заметности. Это достигается удвоенной частотой вращения диска с цветными светофильтрами или их двойным набором на одном диске, вращающемся со стандартной скоростью.

В современных DLP-проекторах наметилась тенденция замены движущегося диска со светофильтрами светодиодами, способными мгновенно изменять цвет излучаемого света. Однако, из-за сравнительно небольшой мощности светодиодов такое решение нашло применение в бытовых проекторах, до этого строившихся на основе галогенной лампы. Низкое тепловыделение светодиодов позволяет облегчить тепловой режим работы матрицы, повысив её долговечность.

В трёхматричных DLP-проекторах вместо одной матрицы, отображающей последовательно три цветоделённых изображения, используются три одинаковых матрицы, каждая из которых отвечает за свой цвет. При этом проекция всех трёх цветоделённых изображений происходит одновременно. Каждая из матриц непрерывно освещается через светофильтр соответствующего цвета, а готовое изображение суммируется с помощью призменной системы и направляется к объективу. Такая конструкция значительно дороже одноматричной и более характерна для цифровых кинопроекторов большой мощности.

Трёхматричные проекторы (3LCD) способны обеспечить более широкий цветовой охват, чем одноматричные, потому что каждый цвет доступен более длительный период времени и может быть модулирован с каждым видеокадром. К тому же, изображение вообще не подвержено мерцанию и «эффекту радуги».

Полупроводниковые источники света (светодиоды и лазеры) обладают исключительно узким спектром излучения, что дает чистые, насыщенные цвета, которые не нужно выделять из белого спектра специальными фильтрами. Эта особенность будет особенно важна в эпоху новых стандартов видео, таких как Ultra HD, требующих отображения предельно чистых цветов.

Разница между лазерными и светодиодными источниками света состоит в их мощности и стоимости. Лазерные проекторы мощнее, но стоимость изготовления самих лазеров довольно высока, особенно зеленого. Светодиодный источник света не так дорог, хотя его яркость обычно ограничена 500-700 Лм, причем слабым звеном с точки зрения яркости является зеленый светодиод. Лазерные проекторы используются, в основном, в более дорогих домашних проекторах, а светодиодные проекторы — это, в основном, миниатюрные модели, причем поголовно на базе одноматричной DLP технологии.

Существуют проекторы, в которых используются белые светодиоды. Такие проекторы своим устройством мало чем отличаются от ламповых.

Важным преимуществом полупроводниковых источников света является средний ресурс в 20 000 часов. Помимо этого, энергопотребление и температура такого источника света гораздо ниже, чем у ламп.

LED источник света ограничен яркостью зеленого светодиода, а лазерный источник света ограничен дороговизной зеленого лазера. Одним из решений этой проблемы является замена зеленого светодиода LED проектора синим лазером, светящим на зеленый люминофор. При этом, для излучения синего света используется синий светодиод, либо тот же синий лазер. Если синий лазер используется и для синего и для зеленого, то без вращающегося цветового колеса уже никак не обойтись. В случае с синим светодиодом и синим лазером, светящим на зеленый люминофор все значительно проще - вращающеея цветовое колеса не нужно.

Есть еще одна технология (LCoS), используемая преимущественно в более дорогих проекторах. LCoS («жидкие кристаллы на кремнии») – это своеобразный гибрид 3LCD и DLP технологий. Многие компании имеют собственные обозначения для своих вариантов этой технологии проекторов. Принцип работы LcoS заключается в том, что это 3LCD проектор, в котором слой жидких кристаллов расположен поверх отражающего слоя.

LCoS матрица - это LCD матрица, расположенная поверх зеркала. Одно из преимущест такого подхода в том, что свет вынужден проходить через LCD матрицу два раза, что позволяет лучше отсекать лишний свет, увеличивая контрастность. Как и у DLP матрицы, управляющие элементы расположены под матрицей, но при этом у LCoS матрицы нет движущихся элементов, что позволяет практически полностью избавиться от зазора между пикселями (никакого «эффекта москитной сетки»).