`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Проекционные технологии: игра со светом

0 
 

ЖК-проекторы

Сердцем этих аппаратов являются миниатюрные дисплеи, работающие либо на отражение, либо на просвет. ЖК-проектор по строению схож с обычным TFT-монитором: ЖК-панель, за ней лампа подсветки, а отличается размерами матриц и наличием фокусирующих линз -- объектива, который позволяет сформировать изображение на удаленной плоскости экрана.

Несмотря на то что в нашем журнале уже неоднократно описывались принципы функционирования ЖК-дисплеев (относящиеся как раз ко второй категории), вкратце напомним о них, поскольку эти сведения помогут понять разницу между проекционными технологиями.

Проекционные технологии игра со светом
LCD-панель представляет собой "сэндвич" из двух стеклянных пластин, на которые нанесены ориентационные полимерные пленки и помещены электроды из полупрозрачного оксида индия. Между ними расположены жидкие кристаллы, молекулы которых ориентируются в нужном направлении за счет бороздок на пленках. На стеклах находятся также поляризационные фильтры, отсекающие свет любой поляризации, кроме заданной (в отличие от панелей мониторов, в проекторах используются два дихроичных зеркала, работающих по аналогичному принципу). Молекулы жидких кристаллов способны менять поляризацию проходящего через них света, только если падающий луч следует вдоль (параллелен) их главной оси. Таким образом, меняя ориентацию молекул с помощью электрического поля, можно "включать/выключать" этот поляризатор.

Учитывая то обстоятельство, что современным требованиям к скорости обновления изображения соответствуют только активно-матричные ЖК-технологии, заметим: управляющие транзисторы располагаются непосредственно под ЖК-ячейками. Прозрачная панель освещается мощной лампой накаливания металл-галоидного типа. Подобная схема работы применяется в слайд-проекторах, за исключением того, что вместо фотопленки в мультимедийных аппаратах используется ЖК-панель.

Среди минусов, традиционно присущих LCD-проекторам, принято называть в первую очередь весьма низкую долю света, проходящего сквозь панели (около 20--30%), а следовательно, высокие требования к мощности ламп и системе охлаждения.

До недавнего времени недостатком считался повышенный уровень пикселизации изображения, которое формирует ЖК-проектор, особенно с панелями разрешения 800 600. Впрочем, ряд технологических изменений, произошедших в последние годы, позволил существенно улучшить этот визуальный показатель. Популярность приобрел довольно оригинальный способ повышения качества картинки, генерируемой ЖК-матрицей. Перед панелями устанавливаются массивы из микроскопических линз MLA (Micro Lens Array), функ­ционирующих по принципу "один пиксел -- одна линза". Благодаря та­кому ухищрению (линза "размывает" пиксел, перекрывая межпиксельные зазоры матрицы) удается существенно уменьшить зернистость картинки без снижения ее четкости.


Свет мой, зеркальце...

В начале 90-х годов прошлого столетия компания Texas Instruments (TI) предложила новую технологию генерирования изображений -- Di­gital Light Processing (DLP). В ее основе лежит изобретенный техасцами микрочип DMD (Digital Mic­romirror Device), представляющий собой матрицу, состоящую из миниатюрных зеркалец, каждое из которых отвечает за формирование своего пиксела. Если в заданную точку экрана в данный момент необходимо проецировать любой цвет, кроме черного, то микрозеркало остается неподвижным и отражает свет в оптическую систему проектора и затем на экран. Если же пиксел должен быть черным, то оно "выключается" (отклоняется на угол 10° или 12° в вертикальной плоскости) и отражает луч не в объектив, а в гасящую "ловушку". Управление микрозеркалами осуществляется электрическими импульсами с помощью контроллера.

Проекционные технологии игра со светом
Чтобы добиться изменения яркости пикселов, разработчикам пришлось применить принцип стро­боскопа. Зеркальца срабатывают очень быстро и способны менять угол наклона несколько тысяч раз в секунду. Изменяя частоту отклонений зеркал, можно варьировать процент отраженного в единицу времени светового потока, что при определенной скорости переключения (благодаря инерционности человеческого зрения) является эквивалентом изменения яркости пиксела на экране. С помощью этого нехитрого трюка, по сведениям TI, удается добиться до 1024 ее градаций.

Если оттенки серого формируются только корректировкой частоты переключения зеркал, то создание цветного изображения осуществляется несколькими способами. Получить его можно либо направляя на каждое микрозеркало луч своего цвета (это достигается путем размещения на поверхности зеркал или над ними цветофильтров), либо используя три чипа на каждый базовый цвет (RGB) с последующим совмещением отраженных лучей, либо применяя вращающийся секционный фильтр. Именно последняя схема обрела наибольшую популярность за счет компактности, простоты и дешевизны.

На пути света, поступающего от проекционной лампы к DMD, ус­танавливается дисковый цветофильтр, состоящий из трех секций: синей, зеленой и красной (в фильтрах некоторых современных проекторов предусматривают еще и белую секцию). Частота вращения диска синхронизирована с сигналом контроллера. Учитывая высокую скорость переключения микрозеркал, такая система способна обеспечить до 180 полных оборотов "цветового колеса" в секунду. Инерционность человеческого глаза снова играет роль: быстрая смена одноцветных картинок усредняется и создает иллюзию полноцветности. По утверждению TI, таким образом отображаются до 16 млн. оттенков.

Проекционные технологии игра со светом
Системы с тремя отдельными DMD тоже применяются и позволяют расширить цветовую гамму до 35 трлн. цветов. Здесь свет от проекционной лампы пропускается через призму, разделяющую поток на красную, синюю и зеленую составляющие. Каждая из них облучает свой DMD-чип, а полноцветная картинка формируется не на экране, а в объективе. Однако в отличие от одночиповой, трехчиповая конструкция обходится недешево и не слишком компактна, поэтому реализована лишь в инсталляционных устройствах и в видеопроекторах для кинотеатров. Преимущество трехчиповой схемы состоит в высокой чистоте и насыщенности цветов и бoльшем КПД (отношение яркости света, исходящего из проектора на экран, к яркости лампы).

Несмотря на то что чип DMD содержит механически подвижные части, его надежность и долговечность превышают таковые у ЖК-панелей. Чтобы доказать это, специалисты TI обратились в лабораторию Munsell Color Science La­boratory (MCSL), принадлежащую Rochester Institute of Tech­nology (США), чтобы в группе из пяти LCD- и двух DLP-проекторов сравнить изменения качества цветопередачи в процессе длительной работы.

Минимальное время до появления видимых артефактов у ЖК-проекторов составило всего 1368 часов. По истечении этого срока были отмечены характерные проблемы -- синие разводы на черных полях тестовой картинки и желтые -- на белых линиях. "Пожелтение" исследователи связали с деградацией панели, отвечающей за синий компонент, а "посинение" стало следствием разрушения поляризационных фильтров. Вместе с тем у DLP-аппаратов даже после 4700 часов эксплуатации вообще не обнаружилось каких-либо признаков ухудшения цветопередачи.

Кстати, один из первых чипов, запущенных в тестирование в 1995 г., до сих пор функционирует. Истоки столь высокой надежности лежат, как ни странно, в малых размерах конструкции: оси, на которых закреплены микрозеркала, фактически изгибаются, а не вращаются. При этом они не ломаются, поскольку изготовлены из эластичного тонкопленочного мате­риала. Любые смещения в его кристаллической структуре, накапливающиеся и приводящие к разрушению металлических креплений макроразмеров, моментально релаксируют в тончайшей пленке. Но в микромире инженеров подстерегала и другая проблема -- зеркальца все время норовили "прилипнуть" к поверхности подложки за счет электрических сил притяжения Ван-дер-Ваальса. Пришлось покрыть ее слоем, снижающим уровень сил притяжения, а также сформировать стабилизирующие пластины, работающие по принципу пружин и не позволяющие зеркалу наклониться больше, чем следует.

Проекционные технологии игра со светом
DMD-чип производства TI
Есть улучшения и в области формирования цветного изображения. Например, обычная схема с применением вращающегося цветофильтра чревата серьезными потерями яркости, ведь каждая из трех секций поглощает 2/3 светового потока. Но и эта проблема была преодолена. Инженеры TI использовали специальную оптическую призму, которая в совокупности с вращающимся цветофильтром дает 80%-ную "экономию" светового потока. Фильтры расположены на диске в виде концентрических спиралей таким образом, что в любой момент 1/3 света проходит через один из них, а 2/3 -- отражаются обратно. Отраженный свет попадает в призму, снова отражается и возвращается к фильтру, после чего "история" повторяется. Такая технология называется Sequential Color Re­cap­ture. Эффективность экспериментальных проекторов, использующих SCR, практически идентична схеме с тремя чипами, облучаемыми с помощью призмы (по одному на каждый цвет), и достигает значений до 7,5 лм светового потока, вышедшего из объектива, на 1 Вт мощности лампы.

Историю совершенствования технологии DLP и повышения надежности DMD-чипов можно было бы назвать примером торжества инженерной мысли, если бы не опасения относительно объективности сведений. Являясь патентованной технологией, развивающейся в рамках одной компании, DLP практически изолирована от постороннего взгляда и анализа.


LCD: нас орда

Количество производных тех­нологии LCD поистине огромно. Самой нашумевшей из них в проекционном бизнесе стала LCOS (Liquid Cristall On Silicon), под флаги которой с каждым годом встают все новые разработчики. К сожалению, такие компании жестко конкурируют друг с другом, постоянно предлагая очередные ее вариации, несовместимые между собой. Возможно, именно по этой причине LCOS-проекторы до сих пор трудно назвать коммерческими.

Основное преимущество LCOS заключается в том, что схемы управления не требуется делать полупрозрачными, как в случае с TFT-матрицами. В качестве подложки применяется поликристаллический кремний или "кремний на изоляторе" (SOI -- Silicon On Insu­lator). Изображение модулируется чипом размером с микропроцессор. Свет проходит через верхний поляризатор, слой жидких кристаллов, отражается от металлических электродов на подложке и снова устремляется к поляризатору. Отражение происходит под некоторым углом, поэтому поток возвращается через соседний участок фильтра.

Проекционные технологии игра со светом
Изображения, генерируемые LCD- (слева) и DLP-проектором (справа)
Технологию SXRD (Silicon X-tal Reflective Display), разработанную Sony, по предварительным данным можно отнести к семейству LCOS, но подробные сведения о ней пока не разглашаются. Учитывая схожесть большинства изложенных в скудных пресс-релизах новаций, создается такое ощущение, что компания опасается исков в случае публикации детального описания SXRD. На данный момент известно лишь, что эти рефлективные микродисплеи обеспечивают высокое разрешение до 1920 1080, а экспериментальные устройства могут похвастаться рекордно малым межпиксельным зазором (0,35 мк, что в два раза лучше, чем у ближайших конкурентов по LCOS) и высокой контрастностью изображения на уровне 3000:1.

По данным Sony, в SXRD используется уникальная схема с вертикально ориентированными молекулами жидких кристаллов под названием Vertically Aligned Liquid Crystal. Возможно, это действительно так, однако у технологии есть аналоги, в частности D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier), базирующиеся на точно таких же принципах. Вертикальной ориентации молекул ЖК и в SXRD, и в D-ILA удается добиться с помощью пленки из неорганического материала. Единственное достижение Sony, похоже, не имеющее аналогов, -- изготовление нескольких панелей на единой подложке, которую остается только разрезать.

D-ILA тоже относится к семейству LCOS, но здесь "родство" даже не скрывается. Некоторая ее обособленность является следствием раннего появления на рынке. Корпорация JVC, создавшая свой вариант LCOS-чипа, оказалась первым производителем матриц LCOS в коммерческом объеме. Современные версии систем, построенных на основе D-ILA, обеспечивают разрешение 2048 1536 (QXGA) и содержат 3,2 млн. ячеек в панели размером всего 3,5 см. Столь впечатляющих результатов инженеры JVC добились за счет вертикального размещения не только молекул ЖК, но и элементов управляющей электроники. В результате межпиксельные зазоры оказались чрезвычайно малы, а пикселизация изображения практически сведена на нет.


Борьба технологий

Сегодня по большинству показателей DLP-чипы превосходят просветные LCD. Первые отличаются повышенной контрастностью (в LCD ее ухудшает невысокий КПД поляризационных фильтров), малой пикселизацией изображения (помехи, вносимые полупрозрачными управляющими схемами, делают ее заметной в ЖК-панелях), компактностью и надежностью чипов. Единственное, что пока говорит в пользу ЖК-аппаратов, это то, что регулирование цвета частотой переключения зеркал сегодня не позволяет достичь гаммы, сопоставимой с той, что воспроизводит на экране трехпанельный LCD-проектор. Вдобавок у зрителя могут возникнуть неприятные ощущения при перемещении взгляда по экрану: иногда становится заметным мерцание, обусловленное пока еще недостаточно высокой частотой смены цветовых полей.

Наконец, серьезный недостаток DMD -- сложность изготовления и высокая стоимость. Пока это несколько сдерживает натиск TI, но, видимо, ненадолго: по мнению аналитической фирмы iSuppli/Stanford Resources, ручеек из 75 тыс. чипов, проданных за 2001 г., превратится в мощный поток из 1,9 млн. в 2007 г.

Специалисты считают DLP фаворитом среди ультрапортативных устройств, а также лидером рынка проекторов для домашних кинотеатров. LCOS, по их мнению, наиболее серьезный конкурент детища TI. Эта технология избавлена практически от всех недостатков своего прародителя и к тому же обладает солидным потенциалом по увеличению разрешения. Рост плотности пикселов в данной ситуации ограничивается только совершенством фотолитографических технологий производства.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT