Как работают проекторы и какие они бывают

Человеческая натура устроена так, что мы постоянно стремимся к совершенству. В своем детстве наши дедушки и бабушки были на седьмом небе от счастья, когда их родители включали диапроектор и устраивали просмотр сказок-диафильмов, повесив белый материал на свободную стену. Чуть позже по всей стране построили множество доступных кинотеатров, а в наших квартирах прочно обосновались телевизионные приемники.  И теперь наши родители занимали места перед экраном – дома или в кинотеатре, и   с замиранием сердца следили за развитием сюжета любимого фильма.

Сегодня, можно сказать, что среди всевозможных устройств отображения видеоинформации в геометрической прогрессии растет «народная» популярность мультимедийных проекторов. Их функциональные возможности поражают наше воображение. Размер экрана может достигать десятков метров. Проекторы поддерживают 4К- или даже 8К-разрешение. Сила светового потока позволяют комфортно использовать оборудование при ярком солнечном свете.

В этой статье мы расскажем о основных технологиях формирования изображения, используемых в современных проекторах.

Проблема с проекторами

Надо сказать, что проекционная техника, которая обладает лучшими характеристиками в сравнении с телевизорами и имеющая функции, им недоступные, выпускается уже не один десяток лет. Но у нас при мыслях «не поменять ли старый телевизор на проектор», в голове начинают возникать «негативные, не в защиту проектора» доводы:

• хапуги-производители необоснованно завышают отпускные цены на проекторы, их реальная цена должна быть меньше, как минимум, на порядок,
• как, где установить проектор? да и экран на противоположной стене, как белое бельмо, не то, что телевизор – идеальное дополнение домашнего интерьера,
• справится ли проектор с солнечным освещением квартиры, – «ничего не видно», если даже изображение на экране телевизора блекнет в солнечный день.

А истина кроется в том, что проекторы и все что с ними связано, кажутся нам приборами высокой технической сложности. А добиться от них приемлемого качества изображения можно только за очень большие деньги, предварительно изучив техническую документацию по объему сопоставимую с романом «Война и мир».

В этом сравнительно небольшом тексте мы покажем, проекционная техника, – это техника для нас с вами, простых людей, и чтобы овладеть ею не нужно оканчивать специальных технических «университетов».

Пленочные проекторы

А началась современная проекционная техника с пленочных проекторов. Попросту говоря, в корпус устройства устанавливались мощная световая лампа и система фокусирующих линз. На пути помещали кинопленку, используя для этого специальный лентопротяжный механизм, фокусировкой линз добивались четкого изображения на экране. Все! Так наши родители смотрели кинофильмы и передачи, – сегодня это называется модным словом «видеоконтент».

Такая техника ушла в прошлое, встретить ее можно только в музеях.

Современная электронная промышленность предлагает нам различные модели мультимедийных проекторов. Их мы и рассмотрим более детально.

1LCD-проекторы

Первым типом проректоров, построенных на современной элементной базе, стали так называемые LCD-проекторы. Их конструкция очень напоминает устройство пленочного проектора. Основное отличие в том, что вместо бобины с кинопленкой и лентопротяжного механизма стали использовать цветную жидкокристаллическую матрицу. Она, кстати, практически ничем не отличается от тех, что установлены в современных LCD-экранах мониторов, планшетов и ноутбуков.

Надо сказать, что 1LCD-проекторы не самые лучшие представители проекционной техники. Они обладают рядом существенных недостатков:

• Каждая световая точка на экране (пиксель) формируется за счет прохождения светового потока через 3 RGB-субпикселя, расположенных на ЖК-матрице в непосредственной близости друг от друга. В результате на экране, находящемся на достаточном удалении от проектора, мы наблюдаем цветовую структуру пикселя, что хорошо видно на представленных рисунках.
• Во-вторых, яркость экрана повышают, увеличивая мощность источников света, а это в свою очередь вызывает перегрев LCD-матрицы.

3LCD-проекторы

1LCD-проекторы обладают настолько значимыми недостатками, что уже в 1989 году производители проекционной техники заменили одну цветную матрицу на три монохромных. Логично, что проекторы с использованием новой технологии стали называться 3LCD. С точки зрения технологического совершенства это гораздо более сложные устройства, в отличие от ранее рассмотренных.

Рассмотрим поблочную схему 3LCD-проектора и основные пути световых потоков.

Через сложную оптическую систему, состоящую из ряда дихроичных зеркал и световых фильтров, луч от источника света распадается на три цветовых составляющих: Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий. Далее каждый из этих компонентов попадает на свою (одну из трех) монохромную матрицу. Основное назначение этого элемента ­– регулировать проходящий световой поток под воздействием управляющего электрического сигнала. Окончательного формирование целостного цветового луча происходит в специальной призме, куда попадают цветовые компоненты (Red, Green, Blue) после ЖК-матриц.

Идея управлять не световым лучом, а его цветовыми компонентами оказалась очень удачной, что обеспечило коммерческий успех 3LCD-проекторам.

Их наиболее существенные преимущества:

• высокая яркость и насыщенность изображения,
• многовариантность схем установки,
• умеренное потребление электроэнергии и выделение тепла,
• отсутствие эффекта «радуги», свойственного 1LCD-проекторам.

После перечисления достоинств, уместно ознакомить читателя с перечнем недостатков 3LCD-устройств:

• сложность конструкции вызвала повышение цены проекционного оборудования,
• проекторы отличаются повышенным весом и увеличенными размерами,
• выделение тепла требует схем принудительного теплоотведения, которые отличаются шумностью в работе,
• оптические системы требует тщательной юстировки,
• главный технологический недостаток – низкая контрастность и невозможность сформировать глубокий черный.

LCoS-проекторы

Изобретение LCoS-технологии это результат работы разработчиков над совершенствованием LCD-проекторов. Основные принципы работы новых проекторов остались прежними. Основные изменения коснулись LCD-матриц. Если ранее использовались просветные матрицы, то в LCoS-проекторах стали применять матричные элементы с использованием отражающего слоя. Эта характеристика определила название технологии LCoS или Liquid Crystal on Silicon, что означает – «жидкие кристаллы на кремнии».

Ведущие производители проекционного оборудования регистрируют собственные аббревиатуры, которыми указывают на использование LCoS-технологий в своих устройствах. Например:

• JVC – D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier),
• Sony – SXRD (Silicon X-tal Reflective Display).

Какова же структура LCoS-матриц и как они работают?

На кремниевую подложку с активными управляющими транзисторами наносится зеркальный отражающий слой, который сверху покрывается матрицей с жидкими кристаллами. Над этим «пирогом» устанавливают поляризаторы, – неотъемлемый элемент ЖК-матрицы. Под действием управляющего электрического сигнала жидкие кристаллы управляют интенсивностью светового потока от внешнего источника, падающего на отражающий слой. На приведенном рисунке видно, что свет дважды проходит через слой жидких кристаллов. В результате улучшается фильтрация светового потока и повышается контрастность изображения. Кроме того, при такой структуре матрицы световой поток не проходит сквозь «управляющую решетку», в результате полностью исчезает негативный «screen door effect». На экране формируется целостная яркая и контрастная картинка, свободная от недостатков, присущих LCD-проекторам.

Однако, столь простое изложение устройства проектора на бумаге, в реальности выливается в серьезное усложнение конструкции устройства.

LCD-проекторы	LCoS-проекторы

Высокие финансовые затраты на изготовление LCoS-матриц и самих проекторов ограничили распространение этих устройств в бюджетном сегменте. Однако, LCoS-технология обладает рядом существенных достоинств, поэтому она с успехом используется в проекционных устройства премиум-класса.

DLP-проекторы

Рассмотренные ранее технологии формирования цветного изображения характеризуется теми или иными недостатками, которые ограничивают их распространение на потребительском рынке.

Но в 1987 году специалистами компании Texas Instruments была разработана принципиально новая система формирования цветного изображения для проекционного оборудования. Она получила название – DLP, что означает Digital Light Processing, или по-русски «цифровая обработка света».

Можно говорить, что, сегодня, эта передовая технология – единственная, которая позволяет создавать малогабаритные проекторы с высоким качеством изображения на большом экране.

Основным узлом, где закладываются основные характеристики проектора, является DMD-матрица, – «Digital Micromirror Device» или в русском переводе «Цифровое Микрозеркальное Устройство». В ней к керамическому основанию через подвижные элементы крепится огромное количество микроскопических зеркал, образующих единую поверхность высоким коэффициентом отражения. Каждое из этих зеркал жестко соединено с ячейкой памяти CMOS SRAM, которая под действием управляющего электрического поля занимает одно из двух фиксированных положений, отличающихся друг от друга на 20°. В результате световой поток от источника света, падающий на микрозеркала отражается в одном из двух направлений, – в объектив или на поверхность светопоглотителя, снабженную теплоотводящими пластинами. Так на экране возникают черные и белые световые точки, из которых формируется изображение. Различные градации серого цвета получают, заставляя колебаться микрозеркало с высокой частотой. Но за счет инертности нашего зрения мы видим не черно-белые световые колебания, а различные оттенки серого цвета.

Для создания цветного изображения световой поток пропускают через светофильтры, которые реализованы в виде быстровращающихся дисков с сегментами различного цвета. Для достижения необходимых функциональных показателей, в своих DLP-моделях производители используют разное количество дисковых светофильтров, три и более.

Кстати, количество DMD-матриц в проекторе тоже не является постоянной величиной:

• Одноматричная конфигурация характерна для бюджетных портативных проекторов. В них целостное цветовое изображение формируется последовательно каждым из цветов.
• Трехматричные проекторы — это самые сложные в аппаратном смысле устройства. Световой поток от источника света расщепляется прозрачной линзой на три цветовых луча, которые одновременно поступают на три DMD-матрицы. Эти устройства отличаются особой чистотой цвета, высокой детализацией и контрастностью.
• В двухмартичных проекторах две DMD-матрицы используются для двух световых потоков: одна для красного, другая для синего и зеленого.

Длительный опыт серийного производства и массового использования DLP-проекторов сформировал перечень преимуществ перед проекционными устройствами на основе других технологий:

• высокая резкость изображения и глубокий черный цвет,
• отсутствует screen door effect, который проявляется в видимости на экране тонких линий, разделяющих цветовые пиксели,
• большая эффективность светового потока, который в проекторе отражается, а не «пропускается»
• минимальная инерционность DMD-матриц,
• большие возможности по созданию компактных проекторов, формирующих изображение высокого качества

Выводы

Вы узнали основы существующих технологий формирования изображения, используемых в современных мультимедийных проекторах. Понятно, что небольшой объем статьи не позволяет дать их детальное описание, рассказать о всех преимуществах и недостатках как технологий, так и проекторов, их использующих.

Но, по нашему мнению, полученные знания помогут определить ту область широкого ассортиментного перечня проекционных устройств, где вы подберете конкретную модель, в соответствии со своими желаниями. 

В качестве рекомендации, перед тем как купить проектор, проконсультируйтесь с нашим специалистом, а если остались вопросы, изучите подробное руководство по выбору проектора.