Мультимедиа проекторы.

Типы проекторов

На данный момент существует три основных типа проекторов - LCD, DLP и CRT из которых наиболее распространены LCD и DLP проекторы. Рассмотрим их подробнее.
Видеопроекторы с ЖК-панелями

Самой распространенной технологией, как по числу моделей, так и фирм-производителей, до сих пор является жидкокристаллическая (LCD - Liquid Crystal Display). За последние годы были разработаны более термостойкие LCD-панели с повышенной разрешающей способностью - SXGA (1280 х 1024) и даже UXGA (1365 х 1024).
Улучшились и оптические системы ЖК-аппаратов: теперь в моделях большинства фирм применяются компактные оптико-электронные блоки (engine) с минимальными зазорами между LCD-панелями и смесительной дихроичной призмой. На рис. 1 приведена в качестве примера система проектора Sanyo PLC XU22.

Рис. 1 Оптическая схема ЖК-проектора.

В таком блоке световой поток от источника света, сначала проходит через конденсорную систему с линейным поляризатором, затем разделяется с помощью нормальных и дихро-ичных зеркал на три составляющие, которые и направляются на ЖК-панели. Каждая из них представляет собой "сэндвич" из оптических пластин, между которыми находится жидкокристаллическая среда, и выходного поляризатора-анализатора. Далее модулированные по интенсивности цветовые составляющие светового потока поступают на сложную призму, где собираются вместе и направляются в проекционный объектив. Тонкопленочный полевой транзистор, находящийся в каждом из пикселей, управляет дополнительной поляризацией, т.е. степенью прозрачности данного пикселя для выходного анализатора.

Рис. 2

Основная задача конденсорной оптики - собрать как можно больший световой поток, создаваемый лампой, и с высокой равномерностью и минимальными потерями направить его на LCD-панели. Чем меньше их размеры, тем проще эту задачу решить, но тем более термостойкими должны быть сами матрицы и тем интенсив- нее их надо охлаждать. В оптических системах с конструктивами типа "панели на призме" задача теплоотвода решается эффективнее, но потери на входном поляризаторе все равно велики. Дело в том, что он пропускает только полезную половину светового потока и отсекает (превращает в тепло) ортогональную составляющую поляризуемого света. Поэтому в конденсорных системах самых совершенных проекторов используются оптические конверторы поляризации, преобразующие обычно отсекаемую составляющую светового потока в полезную.
Помимо этого, все более широкое применение находят и другие оптические "хитрости", например, так называемые микролинзовые растры (Micro lens). Они устанавливаются непосредственно на ЖК-панелях и путем фокусировки позволяют потоку света "обойти" непрозрачную часть подложки транзисторов. Как выражаются специалисты, они обеспечивают минимальное "виньетирование" микролинзового растра.

На практике эффективная площадь пикселя сокращается из-за виньетирования на 30 - 50 % в зависимости от размеров ячейки и эффективности микролинзовых растров. Применяются они обычно только в дорогостоящих моделях или же в модификациях ЖК-проекторов.

Что же касается самых дешевых моделей на основе ЖК-технологии, то по-прежнему встречаются устройства с одной панелью, интегрированной с цветоделительными фильтрами. Они отличаются простотой оптической системы, аналогичной обычным проекторам, с той лишь разницей, что кадровое окно занимает здесь не пленочный слайд, а ЖК-панель. Из-за технологических особенностей цветоделения и тяжелых тепловых условий работы размеры используемых в ЖК-аппаратах цветных панелей довольно велики (до 16 см), что на практике обусловливает использование длиннофокусной оптики с невысокой светосилой. В целом, по сравнению с 3- панельными ЖК-проекторами, 1-панельные характеризуются невысокой световой отдачей и меньшей равномерностью распределения светового потока по площади экранного изображения.

Микрозеркальные проекторы DLP

Рис. 3 Функциональная схема DLP-проектора.

Создателем принципиально новой микрозеркальной технологии была американская компания Texas Instruments. В 1996 году она представила свой первый цифровой проекционный блок, запатентованный под торговой маркой DLP (Digital Light Processing). Чтобы сократить время выхода на рынок, компания решила продвигать новую разработку в виде полностью законченного оптико-механического модуля (Optical Engine), содержащего чипы DMD (Digital Micromirror Device), электронику управления и оптическую систему с источником света и вентилятором. В результате на рынке появилось несколько моделей DLP- проекторов, отличающихся дизайном, но внутренне похожих, как близнецы. Они были выпущены разными производителями как OEM-версии. Самые мощные модели содержали 3 чипа DMD и были реализованы по оптической схеме, показанной на рис. 3.

В таких системах световой поток, создаваемый проекционной лампой, пройдя конденсорную систему с тепловым ИК-фильтром, зеркалами и призму полного внутреннего отражения, поступает на комбинированную цветоделительную призму. Она выделяет из потока составляющие первичных цветов и направляет их на поверхности микрозеркальных чипов DMD соответствующих каналов. Отраженные чипами промодулированные составляющие цветов объединяются комбинированной призмой в общий световой поток, который затем поступает в проекционный объектив. Чип DMD представляет собой световой модулятор, состоящий из матрицы поворотных алюминиевых зеркал, количество которых соответствует разрешающей способности проектора. Микроскопические зеркала размером 16х16 мкм крепятся на подложке, позволяющей им поворачиваться в пределах 10 градусов.

На каждый микрозеркальный пиксель чипа подведены управляющий и пара адресных электродов, соединенных с ячейкой памяти типа SRAM на КМОП подложке. Комбинация управляющего и адресного напряжений отклоняет зеркало к одному из крайних положений, соответствующих состояниям "включено" и "выключено". В первом случае отраженный микрозеркалом свет попадает в оптическую систему проекционного объектива, а во втором рассеивается и поглощается. Время оптического переключения состояний микрозеркал не превышает 2 мкс (10 мкс для механического переключения с учетом затухания переходных процессов). Управление положением зеркал осуществляется методом цифровой широтно- импульсной модуляции с частотой полей, а уровень цветовых составляющих светового потока по каждому пикселю определяется относительным временем нахождения его микрозеркала во включенном положении на временном интервале каждого телевизионного поля. Продолжительность последнего (около 17 мс для видимой на экране части растра телевизионных систем 625 строк, 50 полей/с) подвергается 10-разрядной дискретизации, которая обеспечивает 1024 уровня светового потока каждому пикселю в каналах первичных цветов. Целостная картина складывается за счет физиологических особенностей человеческого зрения - оно способно усреднять мгновенные яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения. Для того чтобы у зрителей это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем преобразования длинных импульсов в совокупность более коротких той же суммарной продолжительности в пределах каждого поля.

Существенным преимуществом DLP-проекторов является заведомо лучшая общая контрастность (Full o­n/off) и отсутствие на экране контурных шлейфов за быстро двигающимися фрагментами изображений, что нередко наблюдается у LCD-проекторов. Кроме того, у микрозеркал отсутствует эффект засветки "белыми" пикселями соседних "черных", что обеспечивает лучшую контрастность изображения и передачу тонких линий. В результате именно 3-чиповые DLP-устройства доминируют сегодня в секторе самых мощных, профессиональных проекторов, обеспечивающих высочайшее качество цветного изображения. Так, например, на последней выставке "lnfocomm'2000" - самом престижном мировом форуме проекционной техники, из 11 самых мощных моделей 9 реализованы по технологии 3xDMD. Цены подобных аппаратов находятся, правда, на "заоблачной высоте" ($60000 - 175000). Вместе с тем на той же выставке впервые обозначился перелом в пользу DMD-технологии и в секторе ультрапортативных проекторов (8 из 14 моделей массой до 3.7 кг и ценой $3000 - 8000). Такие модели содержат только один чип DMD.

Здесь на глаза зрителей ложится дополнительная нагрузка - кроме высокочастотного усреднения яркости с пониженной до 8 бит дискретизацией, им приходится выполнять еще и низкочастотное усреднение цветности, так как изображение на всем экране появляется последовательно в трех первичных цветах. С вращающимся светофильтром, содержащим 3 сектора, частота смены цветов составляет 150 Гц (180 Гц для системы NTSC), что может оказаться недостаточным для исключения зрительных артефактов. Поэтому усталость зрения при длительных просмотрах в данном случае выше, а цветовая палитра изображения оказывается более субъективной, чем для 3-чиповых проекторов DLP или других технологий. Вместе с тем приятное впечатление производит практическая незаметность отдельных "квадратиков" из-за ненулевого расстояния между отдельными пикселями экранного изображения (зазор между микрозеркалами около 1 мкм, т.е. до 7% их линейного размера, что гораздо меньше, чем у пикселей ЖК-панелей). В стесненных условиях домашнего кинотеатра это обеспечивает комфортные условия просмотра большему числу зрителей, чем при использовании ЖК-проекторов. Правда, при соблюдении норм профессионального кинотеатра (зрители должны быть удалены от экранного изображения на расстояние не менее 2-х его высот) достаточно незаметными становятся уже пиксели проекторов с разрешением не хуже VGA.

Лишь небольшое число фирм сумели освоить собственное производство основного блока (Optical Engine) с использованием покупных DMD-чипов фирмы Texas Instruments. Кроме американской компании InFocus, стоящей у истоков создания DLP-технологии, нам известны лишь две фирмы, владеющие секретом создания новых 1-чиповых проекторов. В порядке появления торговых моделей, это норвежская Davis (6 в 1998 - 2000 гг.) и японская Plus. Другие производители покупают готовые Optical Engine или выпускают OEM-версии. В частности, под марками Kodak, Dream Vision и Toshiba выпускаются DLP-проекторы, даже внешне похожие на модели Davis, a Optical Engine фирмы Plus используется в аппаратах NEC, Panasonic, Sharp и др.

Типы ламп.

В современных проекторах для получения интенсивного потока света используют эффективные галогенные, металло-галидные или ксеноновые дуговые лампы. Галогенные лампы используются в проекторах небольшой мощности и имеют срок службы 50 - 100 часов (по спаду яркости на 50% за счет запыления внутренней поверхности стекла лампы). Металло-галидные лампы используются в проекторах средней и высокой мощности. Характерный срок службы ламп составляет 1000 - 2000 часов. За 200 часов яркость падает на 5%, за 1000 - на 20%. Стоимость таких ламп от $300 до $600. В наиболее мощных проекторах используются ксеноновые дуговые лампы, имеющие ресурс более 1000 часов и дающие наиболее естественный цвет. Лампы UHP производят голубоватый поток света, похожий на излучемый лампами дневного света. Они обладают компактными размерами, и потребляют мало энергии. UHP лампы, как и обычные лампочки, перегорают мгновенно, по истечению срока службы, без потери яркости со временем. Метало-галогенные лампы производят красноватый свет, похожий на свет обыкновенных лампочек, размеры их больше чем у ламп UHP, и они потребляют больше энергии. Выгорание метало-галогенных ламп происходит постепенно. Со временем производимый ими свет тускнеет, до тех пор, пока лампа окончательно не перегорает.
Важным достоинством ламп UHP является возможность их самостоятельной замены (т.е. без обращения в сервисный центр), поскольку они конструктивно защищены от неосторожного нанесения жировых пятен, смертельно опасных для проекционных ламп всех типов.

Разрешение.

Разрешение проектора это способность отображать мелкие детали изображения. Матрица проектора состоит из дискретных элементов, каждый из которых отвечает за отображения одной точки на экране. Обычно разрешение включает в себя две составляющие, первая - количество точек (минимальных элементов) по горизонтали, вторая - по вертикали. Точки (элементы) изображения часто называют пикселями. Чем выше разрешение проектора, тем более детальное изображение он может проецировать.
В настоящее время максимально возможное разрешение достигает значения 1800х1440 точек.
Многие проекторы позволяют подавать на свой вход сигнал с разрешением, не совпадающим с физическим, для чего применяются различные алгоритмы сжатия или расширения. При этом неизбежны искажения. Оптимальным считается настройка компьютера на разрешение, совпадающее с физическим разрешением ЖК-матрицы или DMD-кристалла проектора.
Вертикальная частота кадровой разверстки (vertical frequency)
Это количество кадров, во время которых луч формирует изображение от верхней строки до нижней. Чем выше вертикальная частота, тем ниже уровень мерцания картинки.
Горизонтальная частота строчной разверстки (horizontal frequency)
Это количество горизонтальных линий отображаемого изображения, сканируемых за одну секунду. Чем выше горизонтальная частота, тем более высокое разрешение можно проецировать.

Компрессия - способность проектора проецировать изображение с разрешением, отличном от его реального разрешения. При компрессии в большую сторону, например в 1024x786 при реальном разрешении проектора 800x600, происходит выбрасывание из изображения некоторых "строк" и "столбцов", и последующее сглаживание получившегося изображения, с помощью специальных алгоритмов. После компрессии изображение деформируется (степень деформации зависит от разницы между реальным и компрессируемым разрешениями).
При компрессии в меньшую сторону, происходит удваивание некоторых "столбцов" и "строк" изображения с дальнейшей обработкой получившегося изображения.

Угол просмотра.

Угол просмотра это максимальный угол, с которого отчётливо распознаётся проецируемое изображение, в случае, когда зритель смотрит на экран сбоку. Угол просмотра может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Контрастность.

Уровень контрастности это соотношение между самым ярким и самым тёмным участками проецируемого изображения. Чем выше уровень контрастности, тем чётче картинка. Проекторы с высоким уровнем контрастности способны передавать мельчайшие детали изображения, например, практически незаметную шероховатость поверхностей.
В DLP проекторах на уровень контрастности влияет угол отклонения микрозеркал DMD чипа. Чем больше угол отклонения тем выше контрастность проектора.
В LCD проекторах на уровень контрастности влияет аппертура (способность пропускать свет) жидкокристаллической матрицы проектора.

Как устанавливать проекторы.

Если в комнате, к которой вы собираетесь устанавливать проектор достаточно места, то установка проектора на режим работы в обратной проекции - лучший вариант. Однако, при обратной проекции требуются большие затраты на установку проектора и специальные экраны для этого типа проекции, поэтому, лучше использовать обратную проекцию в небольших кинотеатрах, магазинах и других местах, где планируется долгосрочная установка проектора.
Фронтальная проекция не требует трудоёмкой установки и является лучшим вариантом для проведения "быстрых" совещаний, презентаций и установки в домашних кинотеатрах.

Обратная проекция - это проекция изображения на просветный экран, при которой зритель и проекционное оборудование расположены по разные стороны экрана. При такой установке проектора достигается более высокое качество проецируемого изображения, так как освещение в помещении практически не влияет на качество демонстрации. Докладчик может находиться непосредственно перед экраном, не заслоняя собой проекцию.

Соотношение сторон изображения

Соотношение сторон изображения это отношение между размерами горизонтальной и вертикальной сторон проецируемого изображения. Обычное телевизионное вещание происходит с соотношением сторон равным 4:3. Соотношение сторон телевизионного вещания в цифровом формате HDTV - 16:9. Соотношение 16:9 называют широкоформатным.

Прогрессивная и чересстрочная развёртка.

Прогрессивная и чересстрочная развертки - это методы формирования изображения на экране телевизоров и других аналоговых средств отображения информации. За одну секунду на экране телевизора "пробегает" 30 кадров (в США и Японии, в Европе этот показатель составляет 25 кадров в секунду), метод формирования каждого и которых определяет прогрессивная или чересстрочная развёртки. В обычных телевизорах используется чересстрочная развёртка. Это означает, что каждый из 30 кадров в секунду прорисовывается за два прохода, сначала прорисовываются чётные линии изображения, затем нечётные. Для передачи чересстрочного сигнала, требуется меньший диапазон частот, так как каждый закодированный кадр виртуально разбит на две части, однако качество такого изображения хуже, чем при прогрессивной развёртке.
При формировании изображения в прогрессивной развёртке, кадр прорисовывается полностью за один проход, что требует большего диапазона частот передаваемого изображения, и формирует более качественное изображение.
Проекторы, компьютерные мониторы и большинство современных DVD плееров обычно работают с прогрессивной развёрткой.

Цветовая температура.

Цветовая температура это температура цвета излучаемого физическими и небесными телами в видимом цветовом спектре. Красный цвет имеет низкую цветовую температуру, синий цвет имеет высокую цветовую температуру. Если проецируемое проектором изображение красноватое, это означает то, что проектор имеет низкую цветовую температуру. Если изображение синеватое, то проектор имеет высокую цветовую температуру. В некоторых проекторах можно менять цветовую температуру проецируемой картинки.

Цветовая градация.

Градация это количество "шагов" между самым ярким и самым тёмным уровнем проецируемого изображения. Уровень градации оказывает очень сильное влияние на реалистичность передаваемой картинки, другими словами, чем больше "ступеней" градации цветности, тем больше диапазон передаваемых цветов. Градация изображения качественно влияет на изображение только при высоких уровнях контрастности.

Типы искажений.

Оптическая ось видеопроектора в реальных условиях всегда оказывается не перпендикулярной плоскости экрана, что приводит к появлению так называемых трапецеидальных (Keystone) искажений проекции. В частности, часто верхняя часть кадра изображается на экране шире, чем нижняя, может быть и обратная ситуация. Для борьбы с этими проблемами в видеопроекторах используют либо конструктивную, либо оперативную коррекцию искажений проекции.
В первом случае оптическая часть аппаратов конструируется таким образом, что ось проекции изначально отклонена от горизонтальной плоскости (проведенной через основание проектора). В паспортах или инструкциях для пользователя обычно указывается отношение восходящей относительно объектива части изображения к нисходящей (Keystone U/D ratio) или приводятся соответствующие графические иллюстрации. Поскольку при потолочном креплении такие проекторы нужно переворачивать основанием вверх, они оснащаются функцией инверсии изображения по вертикали.
Во втором случае в документации указывается диапазон углов проекции, в пределах которого трапецеидальные искажения могут быть откорректированы пользователем. Наиболее удобной является функция смещения изображения по вертикали, позволяющая оператору сдвигать изображение на экране вверх или вниз, не изменяя положения корпуса проектора.

Вентиляционный шум.

Независимо от типа применяемых проекционных ламп КПД видеопроектора чрезвычайно низок. Можно считать, что почти вся потребляемая проектором от сети энергия превращается в тепло, которое необходимо отвести, чтобы не перегревались компоненты оптических систем и не нарушалась их юстировка.
Видеопроекторы оснащаются активными приточно-вытяжными (с двумя фенами) системами вентиляции. К сожалению, прогоняемый ими воздух всегда создает акустический шум в корпусных вентиляционных просечках, который особенно заметен при работе в малых помещениях, да и в больших может испортить впечатление от презентации в целом. Сейчас этот показатель стал нормироваться, и у хороших проекторов вентиляционный шум не превышает 45 дБ, что примерно соответствует акустическому фону от компьютера в общественной библиотеке или тихому разговору. Если же данных по вентиляционному фону нет, то, выбирая проектор, следует обратить внимание и на общую потребляемую мощность: чем она больше, тем большим при прочих равных условиях будет вентиляционный шум. С этой точки зрения видеопроекторы с лампами UHP имеют явное преимущество.