Проекционные технологии

В октябрьском номере S&V за 2001 г. был опубликован первый обзор по технологиям работы систем отображения информации на больших экранах. Что изменилось с тех пор? Наш специальный корреспондент Елена Новикова, посетившая выставку InfoComm'2007 (17-18 июня, Анахейм, штат Калифорния, США), а также постоянный автор Stereo&Video Валерий Самохин рассказывают о новинках проекционных технологий.


Почти все современные видеопроекторы сегодня реализуются по жидкокристаллической (ЖК) или микрозеркальной (DLP) технологии. Почти одновременно, около двух пет назад, были разработаны жидкокристаллические матрицы и микрозеркальный чип DMD (Digital Micromirror Device) DC3 с разрешением FullHD (1920x1080) соответственно компаниями Epson и Texas Instruments. Сегодня ЖК- и DLP-проекторы с таким разрешением выпускаются примерно в одинаковых пропорциях. В секторе проекторов с разрешением выше Full HD большое численное преимущество имеют DLP-аппараты. Однако нельзя утверждать, что микрозеркальная технология одержит когда-либо окончательную победу. Существенный прогресс достигнут и в ЖК-технологии благодаря созданию новых панелей с модуляцией пропускаемого (LCD) и отражаемого (D-ILA, LCOS, SXRD) светового потока, в том числе с разрешением 4К (4096x2160). Таких DMD-чипов пока нет.

Видеопроекторы с модуляцией пропускаемого светового потока
Оптическая схема LCD-проектора показана на рис. 1. Он содержит источник света 1 с охлаждаемым отражателем и дуговой лампой, металлогалогенной (МГЛ) или ксеноновой, оптические фильтры 2, не пропускающие инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ) излучение, конвертер поляризации 3, дихроичные зеркала 4 и 5, разделяющие световой поток на составляющие первичных цветов В, G, R, и зеркала 6 с внешними покрытиями, отражающими почти 100% попадающего на них света. Корректирующие светофильтры 7 (Trim Filters) обеспечивают точность разделения цветов. Пройдя фильтры 7, составляющие R, G и В попадают на соответствующие ЖК-панели 8, которые модулируют их по интенсивности в соответствии с отображаемыми видеосигналами и пропускают на смесительную призму 9. Здесь они собираются вместе и далее проецируются объективом 10.

Рис. 1. Оптическая система LCD-проектора

Основным недостатком ЖК-проекторов с модуляцией пропускаемого светового потока считается невозможность получения глубины черного, т.е. высокой контрастности изображения. Действительно, при использовании модуляторов классической технологии TN (Twisted Nematic) этот недостаток есть. Обусловлен он тем обстоятельством, что такие модуляторы нормально открыты (пропускают свет в обесточенном состоянии). Получается это благодаря уникальной способности прозрачных, нитевидных молекул TN ориентироваться в тонком слое вдоль профилирующих канавок контактирующих с ними поверхностей и относительно друг друга в закрученном состоянии, а также вдоль воздействующего на них электрического поля. Как показано на рис. 2, молекулы TN находятся между скрещенными поляризаторами, а их исходная ориентация задана плоскостями поляризации скрещенных поляризаторов. При воздействии возрастающего электрического поля Е, направление напряженности которого перпендикулярно поверхности модулятора, молекулы TN начинают ориентироваться вдоль него, все менее закручиваясь. При напряженности Е выше определенной величины они перестают влиять на поляризацию света, и его прохождение через пиксели прекращается. Проблемы здесь заключаются в нелинейности и неодинаковости характеристик управления прозрачностью пикселей, особенно по достижению их полного запирания. Из-за невозможности полностью перекрыть пропускание света всеми пикселями при подаче одинаковых, но небольших управляющих напряжений, черное поле, проецируемое ЖК-проекторами с такими модуляторами, в затемненном помещении часто воспринимается серым.
На первом этапе совершенствования ЖК-проекторов с указанным недостатком мирились, и основное внимание уделялось увеличению светового потока, что решалось созданием более эффективных источников света и светооптических систем проецирования в целом. Например, большие потери были из-за того, что обесточенные TN-модуляторы пропускают только 50% света (одну составляющую проходящего светового потока со случайной поляризацией), поглощая (превращая в тепло) ортогональную составляющую. Поэтому в ЖК-проекторы стали вводить конвертеры поляризации, преобразующие теряемую составляющую в полезную. Были разработаны также микролинзовые растры (MicroLens Array, MLA), устанавливаемые непосредственно перед TN-модуляторами. Каждая ячейка такого растра фокусирует свет, проходящий через соответствующий пиксель, так, чтобы он не заслонялся непрозрачной поверхностью подложки, занимаемой в пикселе управляющим полевым транзистором.
Особое внимание уделено защите ЖК-модуляторов от ИК- и УФ-излучения дуговых ламп, способного повредить пленки и другие, используемые в них компоненты. В схеме на рис. 1 используется два таких фильтра (2). Один из них отражает ИК-излучение, а другой - блокирует прохождение ультрафиолета в канал синего. Защитные фильтры 2 типа Oerlikon UV-Guard™ характеризуются высокой стабильностью и не затрагивают цвета видимой части спектра.

Рис. 2. Оптическая структура TN-пикселя	Рис. 3. Структура ЖК-пикселей технологии IPS

В борьбе за повышение контрастности было разработано несколько ЖК-модуляторов других технологий. Например, фирмами Hitachi и NEC была разработана технология In-Plane-Switch (IPS), сущность которой поясняется на рис. 3. Здесь ориентация молекул TN всегда находится в плоскости, параллельной поляризаторам, и при отсутствии управляющего напряжения IPS-пиксель не пропускает свет, т.е. является нормально закрытым (черным). Для этого профилирующие канавки, контактирующие с молекулами TN, и сборка ЖК-модулятора IPS производятся так, чтобы его поляризаторы оказались скрещенными с учетом дополнительного сдвига плоскости поляризации, создаваемого из-за естественного закручивания молекул TN. Под действием управляющего напряжения молекулы начинают ориентироваться вдоль электрического поля, поворачиваясь в той же плоскости, и при их повороте на 90° светопропускание достигает максимума (белый). Технологии IPS и ее модификация S-IPS, разработанная совместным предприятием LG-Philips, широко применяются в ЖК-дисплеях и телевизорах.
ЖК-проекторы с модуляцией пропускаемого светового потока постоянно попадают на тестирование в нашу лабораторию, завоевывая призы по результатам тестирования. К ним относится модель Mitsubishi LVP-HC5000 с разрешением 1920x1080 (см. №5'07).


Видеопроекторы с модуляцией отражаемого светового потока

Видеопроекторы технологии D-ILA (Digital-Image Light Amplifier). Оптическая схема одного канала D-ILA показана на рис. 4. Одним из его компонентов является специальное зеркало, расположенное по диагонали узла поляризатора-анализатора. Это зеркало является поляризационным фильтром PBS (Polarized Beam Splitter), выполняющим функции входного и выходного поляризаторов просветных ЖК-панелей. При падении света под углом 45° его составляющая с поляризацией вдоль поверхности зеркала пропускается, а составляющая с ортогональной поляризацией отражается и направляется на ЖК-панель (модулятор) перпендикулярно ее поверхности. Модулятор возвращает свет с внесением сдвигов поляризации в соответствии с управляющими напряжениями на пикселях. Теперь зеркало PBS выполняет функцию анализатора и пропускает модулированную составляющую светового потока в объектив, а исходную в источник света.

Рис. 4. Оптическая схема канала D-ILA	Рис. 5. Характеристика модулятора D-ILA

Так как при отсутствии управляющих напряжений световой поток на выход указанного оптического канала не поступает, он является нормально закрытым. Это определило особую структуру (Vertical Alignment) расположения пикселей у таких модуляторов, условно показанную на рис. 5 вместе с управляющей характеристикой. На рис. 5 видно, что в обесточенном состоянии молекулы ЖК ориентированы перпендикулярно плоскости модулятора и не влияют на поляризацию отражаемого им светового потока. При увеличении управляющего напряжения (Driving Voltage) выше порогового значения молекулы ЖК начинают поворачивать плоскость поляризации падающего на модулятор светового потока, и в отраженном световом потоке (Light Output) появляется модулированная ортогональная составляющая Р, пропускаемая зеркалом-поляризатором проектора на экран. При дальнейшем увеличении управляющего напряжения эта составляющая светового потока достигает максимума.
У отражающих ЖК-модуляторов, кроме меньших тепловых потерь, есть и другие преимущества. Здесь матрица управляющих полевых транзисторов не занимает пространства в жидкокристаллическом слое, а расположена за ним на подложке с электроникой. За счет этого достигается увеличение разрешения и поверхности зеркальных электродов. В результате удается одновременно увеличить и яркость изображения. Вместе с тем, их управляющая характеристика нелинейная, что должно компенсироваться коррекцией амплитудной характеристики канала изображения проектора.
Пока высшим достижением технологии D-ILA является проектор JVC DLA-QX1 с разрешением 2048x1536. Будем надеяться, что скоро появится новинка JVC QHDTV с разрешением 4К, параметры которой были анонсированы на выставке lnfoComm'2006 и повторены на lnfoComm'2007.

Видеопроекторы технологии LCOS (Liquid Crystal on Silicon). Оптическая схема этих проекторов аналогична D-ILA и приведена на рис. 6. Здесь световой поток источника света 1, пройдя защитный ИК-фильтр 2 и конвертер поляризации 3, сначала разделяется цветоделительным узлом 4 на R+G (желтую) и В (синюю) составляющие.

Рис. 6. Оптическая схема проектора LCOS

Далее эти составляющие, отражаясь от соответствующих зеркал 5 и пройдя корректирующие светофильтры 7, попадают на PBS-блоки 8. При этом составляющая R+G предварительно разделяется дихроичным зеркалом 6 на красную (R) и зеленую (G) компоненты. Фильтрованные компоненты R, G и В поступают на соответствующие модуляторы 9 и, отражаясь от них, снова в блоки 8 и затем в смесительную призму 10. Здесь они суммируются и, отражаясь от зеркала 5, попадают в объектив 10.
К высшим достижениям жидкокристаллической технологии относятся проекторы Sony SRXR105 и SRXR110 технологии SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) с разрешением 4К (4096x2160), временем отклика менее 5 мс и световыми потоками 5000 и 10000 лм соответственно. Они оснащены ксеноновыми лампами и отражающими модуляторами формата 1,85:1 с размерами пикселей и расстояний между ними 8,5 мкм и 0,35 мкм соответственно.
Кстати о времени отклика (Time Response). Часто, сравнивая LCD с кинескопными (CRT) телевизорами, говорят о низком быстродействии LCD как об основном их недостатке. При этом забывают о том, что быстродействие CRT-телевизоров не лучше, а хуже чем у современных LCD. Хорошо известно, что яркость изображения и отсутствие заметного мерцания на экране CRT-телевизоров обеспечивается благодаря послесвечению люминофоров его покрытия, которое принципиально должно быть около 20 мс.
ЖК-проекторы с модуляцией отражаемого светового потока также тестировались в лаборатории S&V. В частности, модели Sony VPL-VW100 (награда EISA 2006-2007 "Лучший видеопроектор класса High End", см. № 9'06) и JVC DLA-HD1 продемонстрировали явное преимущество в контрастности изображения по сравнению с видеопроекторами других технологий. Причем DLA-HD1 выиграл соревнование у проектора Sony VPL-VW50 технологии SXRD (см. №6'07).


Микрозеркальные проекторы (Digital Light Processing, DLP)
Технология DLP разработана фирмой Texas Instruments (TI), и серийные модели этих проекторов появились 10 лет назад. Самые яркие из них содержат три DMD-чипа и выполнялись по оптической схеме, показанной на рис. 7.
Здесь световой поток, создаваемый источником света, пройдя систему с конденсором, тепловым фильтром, зеркалами и призмой полного внутреннего отражения, поступает на комбинированную цветоделительную призму, выделяющую из него составляющие первичных цветов и направляющую их на поверхности DMD соответствующих каналов. Эти составляющие модулируются чипами, отражаются и объединяются комбинированной призмой в общий световой поток, поступающий в проекционный объектив.

Рис. 7. Функциональная схема DLP-проектора	Рис. 8. Элементы матрицы DMD

Чип DMD представляет собой световой модулятор, состоящий из матрицы поворотных алюминиевых зеркал размером 16x16 мкм, количество которых соответствует оптическому разрешению проектора. Зеркала крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться в пределах ±10 градусов (±12° у современных моделей), как показано на рис. 8. В зависимости от управляющих напряжений каждое зеркало может занимать крайние положения "включено" или "выключено". В первом случае отраженный зеркалом свет попадает в оптическую систему объектива, а во втором поглощается. Время переключения состояний зеркал не превышает 2 мкс, и их положение управляется широтно-импульсной модуляцией с частотой полей. Уровень цветовых составляющих светового потока определяется относительным временем нахождения зеркал во включенном положении на интервале каждого телевизионного поля, длительность которого подвергается 10-разрядной дискретизации. Воспринимаемая подсознанием цветность определяется способностью зрения усреднять мгновенные яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения. Для того, чтобы это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем преобразования длинных импульсов в совокупность более коротких той же продолжительности.
Трехчиповые DLP-проекторы доминируют на рынке оборудования для цифровых кинотеатров. Почти все они имеют разрешение 2К, а световой поток самых ярких из них составляет 30000 лм. Три года назад появился трехчиповый проектор InFocus ScreenPlay 777 (2000 лм, 1280x720), предназначенный для домашнего кинотеатра. Заметного распространения на мировом рынке такие проекторы не получили, поскольку ЖК- и одночиповые DLP-проекторы с разрешением 1920x1080 оказались гораздо дешевле.

Микрозеркальные проекторы с одним DMD. Нагрузка на зрение возрастает при просмотре изображений от DLP-проекторов с одним DMD-чипом. Здесь глазам приходится делать, кроме высокочастотного усреднения яркости, низкочастотное усреднение цветности, так как изображение на всем экране появляется последовательно в первичных цветах. Почти все одночиповые DLP-проекторы оснащаются вращающимся светофильтром (ColorWheel), который в первых моделях содержал 3 цветных сектора и вращался с частотой 60 Гц, т.е. 3600 об./мин Модели с такими светофильтрами называются DLP-проекторами с однократной скоростью фильтра. При этом частота мелькания цветов составляет 180 Гц, что оказалось недостаточным для исключения зрительных артефактов и усталости зрения, возникающей при длительных просмотрах мелькающих изображений.
Хорошо известный зрительный артефакт одночиповых DLP-проекторов получил название эффекта "радуги". Этот эффект проявляется в том, что зритель с хорошей быстротой зрения иногда видит вместо однотонно окрашенных фрагментов изображения чередующиеся вспышки основных цветов на них. Обычно такие вспышки становятся заметными в процессе перевода зрения на фрагменты изображения, расположенные на большом расстоянии друг от друга. В современных DLP-проекторах с одним DMD частота вращения фильтра увеличена, и его стали выполнять с шестицветными секторами, что уменьшило Заметность мельканий и эффекта "радуги". Недавно фирмой TI разработан ColorWheel с шестью секторами, чередующимися в основных и дополнительных цветах, и технология BrilliantColor, обеспечивающая формирование высококачественных видеосигналов для DLP-проекторов с такими светофильтрами.
Оптическая схема DLP-проектора с трехсекторным ColorWheel показана на рис. 9а. Ее особенностью является фирменный светотехнический узел Oerlikon LightTunnel™, обеспечивающий при малых габаритах высокую пылезащищенность и минимальные потери света за счет применения высокоэффективных внутренних покрытий Silflex™ и Deflex™.

Рис. 9. Оптическая схема DLP-1 DMD-проектора (а) и дисплея (б) 1 - источник света; 2 - фильтр UV-Guard; 3 - оптика конденсора; 4 - фильтр ColorWheel; 5 - LightTunnel; 6 - зеркало; 7а, 8б - чип DMD; 7б - призма LightGate; 8а, 9б - проекционный объектив

Несколько другая оптическая схема, показанная на рис. 9б, применяется в проекционных дисплеях и телевизорах (RPTV) с просветными экранами. Такая продукция благодаря меньшей цене и простоте обслуживания тем успешнее конкурирует с большеэкранными LCD- и PDP-дисплеями, чем меньше толщина конструкции. Поэтому у них используются короткофокусные объективы, специальные просветные экраны и другие ухищрения, уменьшающие габариты оптической системы по толщине, например, призма полного внутреннего отражения Oerlikon LightGate™ 7б (рис. 9б).
Первой 60-дюймовый тонкий DLP-дисплей (толщина 26 см, разрешение 1024x768) стала выпускать японская корпорация Mitsibishi четыре года назад (модель DDP60). За ней последовала американская фирма InFocus, которой удалось уменьшить толщину широкоформатных RPTV с разрешением 1280x720 до 17,4 см! Фирмы JVC и Sony недавно начали выпускать 70-дюймовые жидкокристаллические RPTV с разрешением 1920x1080 технологий D-ILA и SXRD соответственно.

Рис. 10. Схема проектора ProjectionDesign Action! Model Three 1080

Разновидностями DLP-проекторов с одним DMD-модулятором являются модели со светофильтром ColorWheel, содержащим дополнительный, прозрачный сектор. Очевидно, применение фильтра ColorWheel с прозрачным сектором увеличивает световой поток проектора, но за счет уменьшения цветовой насыщенности изображения. Заметим, что работы по совершенствованию конструкции продолжаются. В частности, предлагаются новые разновидности светофильтра ColorWheel и все более совершенные оптические системы в целом. Например, новинкой, реализованной в проекторе Action! Model Three 1080 норвежской фирмы ProjectionDesign, является показанная на рис. 10 схема с двумя дуговыми лампами, светофильтрами ColorWheel и сдвоенным LightTunnel.
Одночиповые DLP-проекторы в целом не менее успешно показывают себя на тестированиях, чем жидкокристаллические. Приз симпатий редакции получили лучший видеопроектор EISA 2006-2007 InFocus IN76 и модель BenQ РЕ7700 (см. №9'06 и №11 '06). Кроме того, на равных с ЖК-проекторами HDTV выступила модель SIM2 НТ3000 (см. № 12'06).

Видеопроекторы с полупроводниковыми источниками света
Какие бы технологии модуляции светового потока ни изобретались, очевидно, главную роль в проекционной аппаратуре играет источник света. Так как сегодня почти исчерпаны ресурсы повышения эффективности дуговых ламп, все больше внимания уделяется альтернативным источникам света. К ним относятся мощные светодиоды (Light Emitting Diode, LED) и лазеры, которые превосходят дуговые лампы по ресурсу и спектральной стабильности светового потока.

Отличие полупроводникового лазера от светодиода Принципиальным отличием полупроводникового лазера от светодиода является наличие в p-n-структуре лазера оптического резонатора, зазор между образующими зеркалами которого равен длине волны излучения X, причем выходное зеркало резонатора полупрозрачно. В светодиодах носители заряда p и n рекомбинируют самопроизвольно (спонтанно), и возникающее при этом излучение занимает довольно широкую полосу частот. Лазерное излучение имеет вынужденный характер и возникает при очень большой плотности тока накачки (смещения p-n-структуры в проводящем направлении), исключающей спонтанную рекомбинацию носителей. При этом квант света, пролетая от одного зеркала к другому и обратно, вынуждает излучение таких же вторичных квантов, т.е. происходит усиление света. Кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, а квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант, вызвавший это излучение, то есть оба кванта тождественны. В идеале лазер должен создавать монохроматическое излучение, но на практике этого добиться довольно трудно.

Светодиодная проекция. Светодиоды особо интересны для разработчиков DLP-проекторов, так как позволяют создавать модели с одним DMD без светофильтра ColorWheel. Первый светодиодный DLP-проектор появился в 2005 г.

Рис. 11. Проектор Mitsubishi РК20

Это была модель Mitsubishi РК10, открывшая категорию Pocket самых маленьких проекторов, способных обслуживать экран диагональю до 60 дюймов. Источниками света у РК10 служили три мощных светодиода серии LumiLEDS® с ресурсом 10000 часов и последовательным чередованием цветов. В дальнейшем появились аналогичные проекторы других производителей, например, Box-light, Samsung и Toshiba. На выставке CES'2007 фирмой Mitsubishi был продемонстрирован модифицированный PocketProjector РК20 (рис. 11, световой поток 25 лм, разрешение 800x600, размеры 123x97x48 мм, масса 500 г). В качестве источников света у РК20 использована сборка из 8 светодиодов. Панель разъемов проектора допускает подключение любых источников информации, в том числе карты памяти SD. Предусмотрена комплектация проектора внешним аккумулятором, способным поддерживать работу проектора в течение 2 часов. Потребляемая светодиодами мощность составляет 23 Вт, а проектором в целом - 37 Вт.
Оптическая схема светодиодного DLP-проектора приведена на рис. 12. Здесь роль источников света выполняют светодиоды 1 с рефлекторами 2, последовательно излучающие световые потоки первичных цветов R, G и В. Совмещение оптических осей излучений светодиодов обеспечивается юстировкой двух дихроичных зеркал 3. Далее, отражаясь от зеркала 4, эти потоки через оптический конденсор 5 последовательно попадают на DMD-модулятор 6, после чего объективом 7 проецируются на экран. Принципиально эта схема выглядит более эффективной, чем у DLP-проекторов (рис. 9). Действительно, здесь нет фильтра ColorWheel и меньше других оптических компонентов с неизбежными световыми потерями. Кроме того, ColorWheel с любым секторным делением в светодиодных проекторах можно легко реализовать введением программного чередования цветов и даже сделать такие программы выбираемыми пользователем по критерию минимальной утомляемости при просмотре.

Рис. 13. ЖК-проектор Sony

В прошлом году компания Sony продемонстрировала самый миниатюрный на тот момент светодиодный ЖК-проектор (рис. 13). Его световой поток 50 лм создается блоком излучателей, содержащим 14 светодиодов (4 красных, 4 синих и 6 зеленых) мощностью 20 Вт при общем энергопотреблении проектора 30 Вт. Получается, что реальная световая отдача светодиодного проектора примерно 2,5 лм/Вт, что как минимум на порядок меньше световой отдачи светодиодов и существенно меньше, чем у лучших проекторов с дуговыми лампами (порядка 10 лм/Вт). Впрочем, Pocket-проекторы находятся на начальной стадии их развития. Можно ожидать, что этот показатель скоро будет улучшен совершенствованием оптики блока излучателей, которая должна собирать и направлять в оптическую систему проектора по возможности весь световой поток, создаваемый светодиодами.

Рис. 12. Оптическая схема LED-проектора	Рис. 14. Оптическая схема лазерного RPTV

Лазерная проекция. Использование полупроводниковых лазеров для проекции изображений в настоящее время считается одним из самых перспективных. В их пользу говорит более широкая гамма отображаемых цветов и длительный (десятки тысяч часов) срок службы с неизменной световой отдачей. Кроме того, изучаемый лазерами свет имеет круговую поляризацию, которая просто и с высоким КПД может быть преобразована в линейную, что позволяет исключить из ЖК-проекторов конвертеры поляризации и упростить конструкцию в целом.
Оптическая схема лазерного DLP-RPTV и дисплея приведена на рис. 14. Здесь в качестве источников света 1 используются полупроводниковые лазеры типа Oerlikon OLM™ 3000 красного (615,25 нм), зеленого (532,5 нм) и синего (465 нм) цветов с излучаемой мощностью по 3 Вт. Эти излучения поступают на дифракционные формирователи 2 (Diffractive Beam Shapers, DBS), обеспечивающие равномерность излучений по их сечениям. Далее они отражаются и совмещаются дихроичными зеркалами 3 и, отражаясь от зеркала 4, преобразуются оптическим компонентом 5 в широкий пучок лучей, соответствующий апертуре DMD-модулятора 6, а модулированный им свет отражается и проецируется объективом 7 на просветный экран дисплея.
Известно, что глаз человека обладает максимальной спектральной чувствительностью для зеленого света, и что 1 Вт мощности однородного энергетического потока с длиной волны зеленого излучения 555 нм в Международной системе единиц СИ эквивалентен световому потоку 683 лм. Расчеты показывают, что равно-энергетическое излучение белого света мощностью 1 Вт с учетом спектральной чувствительности зрения к основным цветам RGB, принятым Международной комиссией по освещению (МКО), соответствует световому потоку 250 лм. Следовательно, световой поток, излучаемый диодами 1 (рис. 14) мощностью по 3 Вт, соответствует 750 лм, что достаточно для получения яркости 250 кд/м2 40-дюймового просветного экрана, но без учета потерь энергии на оптических компонентах 2-7 схемы и самом экране (данные по их КПД не публикуются).
Американская компания Novalux разработала технологию производства мощных лазерных источников света оптического диапазона NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser), построенных на принципе удвоения на нелинейных кристаллах частоты излучения мощного инфракрасного лазера. Утверждается, что ресурс работы излучателей превышает 50 тыс. часов без снижения выходной мощности и изменения длины волны излучения в видимом диапазоне, а прогнозируемая цена трехцветного лазерного излучателя при производстве 1 млн штук в год - менее 100 долларов. Красный, зеленый и синий цвета могут быть реализованы в едином блоке излучателей (рис. 16).

Рис. 15. Лазер OLM 3000

Первый образец лазерного телевизора был изготовлен австралийской фирмой Arasor, занимающейся оптоэлектроникой, путем доработки 52-дюймового RPTV Mitsubishi, содержащего одночиповый DLP-проектор. Доработка свелась к введению в проектор лазерного источника света Novalux и использованию в телевизоре оптических компонентов Arasor. В октябре прошлого года модифицированный телевизор был продемонстрирован вместе с PDP-аналогом, показав явные преимущества по яркости изображения и чистоте цветов. Первый лазерный DLP-телевизор без светофильтра СоlorWheel на излучателях NECSEL продемонстрировала компания Mitsubishi Electric на выставке CES'2007. По утверждению фирмы, этот 52-дюймовый RPTV обеспечивает яркость 500 кд/м2, контрастность 4000:1 и имеет лучший показатель цена/качество, чем плазменные дисплеи. На той же выставке Sony продемонстрировала прототип лазерного HD-телевизора (55", 1920x1080, толщина 27 см). На выставке lnfoComm'2007 Mitsubishi анонсировала 62-дюймовый HD-телевизор с толщиной, сравнимой с толщиной плазменных дисплеев, и прогнозируемой ценой $3000. Словом, процесс пошел...
Отметим также, что идея применения микропроекторов на лазерах уже поддержана производителями аппаратуры PDA (Personal Digital Assistant) и сотовых телефонов. Уже появились лазерные пикопроекционные DLP-модули для встраивания в такую продукцию, например, фирм Texas Instruments и Motorola.
Началась эта революция с появления на выставке CES'2007 интересной разработки израильской фирмы ExPlay под названием Nano-Projector. Его особенностью является использование гибридного источника света, содержащего лазерные и светодиоды. Далее световой поток через дифракционные формирователи DBS, обеспечивающие равномерность излучения, поступает на корректирующий оптический компонент Despeckling Devise, устраняющий Заметность так называемых "спеклов" - гранулированной структуры изображения, создаваемого интерферирующими когерентными пучками лазерных излучений.

Рис. 16. Схема DLP-проектора по версии Novalux

Сформированный таким образом равномерный световой поток белого света проходит цветной, просветный ЖК-модулятор ASML (Advanced Spatial Light Modulator) с максимальным светопропусканием 60% и проецируется объективом (Lens). Дистанция наводки на резкость фиксирована и равна гиперфокальному расстоянию этого объектива, что без дополнительной фокусировки обеспечивает резкость проецируемого изображения, размеры которого по диагонали могут быть от 7 до 30 дюймов (зависит от проекционного расстояния). Совместимость нанопроектора с различными системами представления отображаемой информации обеспечивается специализированным микропроцессором Mixed Signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit) с 40-контактным интерфейсом. Еще одним достоинством разработки ExPlay является применение жидкокристаллического модулятора, формирующего абсолютно безвредное для зрения изображение при модуляции источника света, спектр которого близок к солнечному. В данном случае это не совсем так из-за наличия в спектре лазерной составляющей (и совсем не так у лазерных DLP-проекторов, особенно с одним DMD).

Проблемы и перспективы.
Лазерные дисплеи почти по всем показателям превосходят аналогичную продукцию с источниками света других типов. Это следует из уже достигнутых результатов и из таблицы (источник: necsel.com), в которой приведены основные данные, позволяющие сравнить прогнозируемые параметры 65-дюймовых дисплеев с различными источниками света и технологиями работы. При этом особо привлекательно выглядит максимальная контрастность, стабильность светотехнических характеристик в течение всего срока службы и минимальное энергопотребление.
Основной характеристикой, определяющей правильность цветопередачи, является чистота первичных цветов R, G и В, из которых матрицированием формируется цветовая палитра изображения в целом. Чем стабильнее длины волн твердотельных излучателей R, G и В или уже полоса пропускания цветоделительных фильтров, разделяющих световой поток на составляющие R, G и В, тем выше чистота первичных цветов и шире охват цветовой палитры зрения.

Рис. 17. Локус и цветовые треугольники

Качество цветопередачи видеопроекторов с типовыми источниками света, например, металлогалогенными лампами (МГЛ ) UHP, полностью не охватывает локуса (диапазона цветов, воспринимаемых человеческим глазом), особенно в зелено-голубых тонах, так как цветоделительные светофильтры из-за широкой полосы пропускания не обеспечивают чистоту основных цветов. При применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики проекционной видеотехники оказываются перед выбором: высокая яркость, умеренное энергопотребление и удовлетворительная цветность, или отличная цветопередача, но низкая яркость и большое энергопотребление. На рис. 17 показан локус и треугольники с черными и белыми сторонами, очерчивающими палитру цветов МГЛ и лазерных источников света соответственно. По оценкам из разных источников широта охвата локуса у ЖК, PDP и проекционных дисплеев с типовыми источниками света составляет 40-45%, а у светодиодных и лазерных дисплеев - до 60% и 90% соответственно.
Эксперименты показали, что при использовании водяного охлаждения лазеров Necsel, расположенных на площадке 5x5 мм, растровый излучатель из 225 лазерных диодов в режиме параллельной, непрерывной работы всех излучателей выдает более 80 Вт, т.е. световой поток 16000 лм. При этом изменения температуры массива диодов поддерживались в пределах 3° С. Использование таких излучателей перспективно в проекторах для профессиональных кинотеатров с диффузно рассеивающими экранами. При этом планировка зала должна исключать даже вероятность прямого попадания проецируемого изображения на зрителей.
Вероятно, получат распространение лазерные пикопроекционные модули малой мощности, встраиваемые в аппаратуру PDA, но только если производителям удастся доказать их безопасность для зрения. Что же касается проекторов других категорий и лазерных дисплеев, не следует думать, что их распространение произойдет скоро. Как известно, даже лазерная указка мощностью 1 мВт считается опасной для зрения. Американским стандартом лазеры классифицируются по шести категориям (индустриальные, хирургические, записывающие информацию на дисковые носители, лазерные указки и др.), из которых только две относятся к самым маломощным лазерам, считающимся относительно безвредными для человека. На выставке InfoComm'2007 был проведен семинар Projection Summit'07 на тему "LEDs/Laser Displays", на котором обсуждалась проблема лазерной безопасности. В результате установлена необходимость корректировки стандартов на лазерную продукцию и названы сроки 5-7 лет, в течение которых это может произойти.

Использование данных материалов допускается только с разрешения автора.