Картинка, реалистично оживающая на проекционном экране, сравнима с волшебством, и сегодня завораживает сердца зрителей. При этом за каждым таким «волшебством» стоит сложная технология, открывающая новые возможности применения проектора. В этой статье мы расскажем, как работает проектор, раскроем принцип каждой технологии, выделив их преимущества и недостатки.

Развитие проекционных технологий

Первый в мире пленочный проектор − «синематограф» был создан еще в 1895 году братьями Люмьер. В этом же году впервые зритель увидел движущееся изображение на большом экране. С тех пор популярность кинематографа не утихает, а с развитием проекционных технологий он получил новый виток популярности среди любителей домашнего кино.

Современные цифровые проекторы позволяют получить качественное изображение на экране практически в любых условиях. Это видеопрезентации, образование, выставки и реклама, домашние и публичные кинотеатры. Все это стало возможным с появлением LCD, LcOS и DLP технологий, но до этого был пройден долгий путь от пленочных до современных проекторов.

Технология CRT

Это устаревшая технология еще аналоговой эры, которая сегодня уже не используется. При этом надо отдать её должное, так как это был первый прорыв, ставший предвестником зарождения современных проекционных технологий.

В конструкции черно-белого проектора CRT использовалась электронно-лучевая трубка − кинескоп с диагональю 7-12 дюймов, который создавал изображение, преобразованное из аналогового видеосигнала. Экран кинескопа был покрыт люминофором − веществом, способным преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение. Таким образом слой люминофора служил светоусилителем, и кинескоп превращался в яркую лампу, которая излучала уже модулированный световой поток, передающий заданную картинку. Далее свет фокусировался линзовым объективом и проецировался на экран.

В СССР такие проекторы производились с 1957 года, а первые цветные модели появились в 1972 году и выпускались компаниями SONI и Advent. Цветной аппарат имел 3 таких кинескопа и 3 объектива. Практически это были три проектора в одном корпусе, только на выходе каждого стоял свой светофильтр − красный, зеленый и синий. Каждый блок проецировал изображение своего цвета, а картинки накладывались уже непосредственно на экране.

Недостатками технологии были низкая яркость и сложность настройки. Такой проектор можно было использовать только в полной темноте для небольшого экрана. Чтобы картинки от всех трех объективов сходились на экране, настройку приходилось выполнять перед каждым сеансом. Кроме того, выполнить такую настройку мог только подготовленный специалист.

При всем несовершенстве конструкции, были и плюсы технологии − изображение отличалось высоким контрастом и насыщенным цветом, а ресурс устройства достигал 10 тыс. часов. Позже в конструкцию внедрили зеркально-линзовую оптику. Новая оптическая схема проектора повысила световую эффективность и исключила большинство юстировок. Такое устройство было проще настраивать и можно было применять для экранов с диагональю до 118 дюймов. Дальнейшее развитие CRT не осуществлялось, так как на смену пришли новые более современные цифровые технологии.

Проекторы LCD

Технология основана на прохождении света через ЖК-матрицу и получении диапроекции изображения на экране. Матрица состоит из множества секторов (клеток), заполненных жидкими кристаллами, которые в состоянии покоя находятся параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости матрицы. В таком состоянии матрица прозрачна и полностью пропускает свет. Управление кристаллами осуществляется индивидуально посредством адресных электродов. При сообщении кристаллу электрического потенциала, он меняет угол и частично или полностью перекрывает свой сектор. В целом матрица создает пиксельную структуру и формирует заданную картинку.

Современные LCD проекторы включают в конструкцию три ЖК-матрицы, а для получения цветного изображения используется цветоделительная система RGB. С помощью рефлектора и линзы, от лампы формируется направленный световой поток, который через разделительную систему полупрозрачных и глухих зеркал разделяется на 3 потока. Каждый световой поток проходит через свой светофильтр, окрашиваясь в красный, зеленый и синий цвета, а затем через матрицу, которая модулирует изображение. После прохождения матриц все 3 световых потока проходят через призму и объединяются в единый поток, накладываясь друг на друга, и через объектив проецируются на экран.

Минусами технологии LCD стали недостаточный контраст изображения и неизбежная деградация матрицы. Даже при максимальном потенциале жидкий кристалл не может полностью закрыть свой сектор и пропускает часть света. Вследствие этого, на экране не достигается глубина черного. Деградация матрицы происходит за счет выгорания кристаллов и, что самое плохое, этот процесс протекает неравномерно, что приводит к неравномерной цветопередаче и контрасту. Из-за этого проекторы LCD не рекомендуется использовать для длительных инсталляции и сшивки проекций.

Еще одним недостатком просветной ЖК-матрицы стал эффект гребенки. На экране появляется некоторая сетчатость изображения, которая получается из-за расположения на ЖК-матрице элементов управления, создающих своеобразную сетку.

DLP проекторы

Принцип работы видеопроектора DLP основан на отражении света от DMD матрицы, которая, как и жидкокристаллическая, формирует изображение, но имеет принципиально другую конструкцию. Это электронно-механическое устройство, состоящее из множества микрозеркал, подвижно закрепленных на жесткой подложке матрицы. Каждое зеркало крепится индивидуально на подвижной ножке (торсионном подвесе), и независимо друг от друга может отклоняться на угол 12°, определенный ограничителями.

Поворот зеркала осуществляется за счет электростатического притяжения его к адресному электроду, подключенному к соответствующей ячейке матрицы − триггеру. В результате каждое зеркало может находиться в одном из двух положений:

1. В положении параллельном плоскости матрицы, зеркало отражает свет в объектив и проецируется на экран светлой точкой.
2. В отклоненном состоянии свет отражается мимо объектива на светопоглощающий улавливатель, и на экране эта точка остается неосвещенной (черной).

Промежуточный оттенок достигается попеременной сменой положения зеркала, то есть высокочастотным чередованием светлых и темных фаз. Тональность или суммарная освещенность точки зависит от пропорции длительности импульсов этого чередования. При этом человеческое зрение воспринимать любое мерцание с частотой выше 50 Гц как монохромное свечение, инерционно суммируя световые импульсы. Так как каждое микрозеркало отвечает за один пиксель, скоординированная работа всех зеркал позволяет создать на экране как статическое, так и динамическое изображение.

Преимуществом зеркальной конструкции является возможность отображения на экране полностью затемненных пикселей, что при просмотре в оборудованном кинозале дает картинку с высочайшим контрастом. Кроме того, зеркальная матрица не деградирует и по утверждению ее единственного на сегодня производителя, а именно компании Texas Instruments, имеет ресурс 76 тыс. часов.

Получение цветного изображения в DLP

Сама по себе DMD матрица может формировать изображение из различных оттенков только того цвета, какой на нее подается. Так как свет лампы проектора белый, то и изображение будет черно-белым. Чтобы получить цветное изображение, применяются 2 технологии.

Цветовое колесо

Это специальный диск с цветными светофильтрами, расположенный на пути светового потока между лампой и матрицей. Чтобы рассмотреть принцип действия такой конструкции, за основу возьмем первоначальный вариант − диск с тремя секторами: красным, зеленым и синим. Быстрое вращение диска, попеременно окрашивает свет лампы в эти цвета и на матрицу подаются все 3 цвета по очереди. Мощный процессор синхронизирует работу матрицы с вращением диска, и зеркала отражают на экран разноцветные точки в нужных пропорциях, для получения полноценного цветного изображения.

Проекционный аппарат с трехсекционным цветовым колесом, вращающимся со скоростью 60 об./сек, впервые был представлен в 1994 году. Устройство показало 2 существенных недостатка:

1. Любой из цветных светофильтров, который в определенный момент был в зените, гасил половину яркости светового потока от лампы и изображение получалось тусклым.
2. Еще более существенным недостатком стал эффект радуги. Из-за поочередного наложения цветов, контуры отображаемых на экране объектов расслаивались на радужные цвета. Это происходило при быстром движении отображаемых объектов или переносе зрения с одной точки экрана на другую.

В современных одночиповых DLP проекторах число секторов в цветовом колесе может достигать 9, а скорость вращения 180 об./сек. Первые 6 секторов − это все те же красный, зеленый и синий светофильтры, только теперь они повторялись дважды. Удвоение цветных окон вместе с трехкратным увеличением скорости вращения, повысило чередование цветных импульсов от 60 до 360 раз в секунду. Это практически исключило эффект радуги.

Седьмой сектор − прозрачный. Он призван компенсировать недостаток яркости, подсвечивая белым светом каждый кадр при обороте колеса. При этом такое решение породило новую проблему − дисбаланс яркости цветного и белого. Все белые пиксели модулировались наложением всех трех цветов и еще белого, который к тому же в 2 раза ярче любого цветного. Цвет же получался наложением 2-3-х разноцветных импульсов, а белая подсветка приводила к потере цветонасыщенности.

Решить появившуюся проблему призваны восьмой – зеленый сектор, а иногда еще и девятый – желтый. Дополнительное наложение этих цветов, в нужной пропорции для каждого определенного цвета и оттенка, позволило выровнять созданный дисбаланс и получить естественный цвет, предусмотренный видеоконтентом.

Светодиод вместо лампы

Здесь получение цвета происходит по тому же принципу чередования и инерционного наложения красного, зеленого и синего. Только вместо цветового колеса применяется светодиод, способный мгновенно изменять цвет свечения в зависимости от напряжения питания. Решение, казалось бы, идеально − нет светофильтров, а значит нет светопотерь. Да и частота переключений цвета не оставляет шансов эффекту радуги.

К тому же светодиод не требует принудительного охлаждения, поэтому конструкция не нуждается в вентиляторе. При этом компактный диодный проектор, нередко оснащенный аккумулятором для возможности автономной работы, имеет ограничение по яркости. Как ни крути, а светодиоду далеко до ксеноновой или ртутной лампы, поэтому диодные проекторы для больших экранов не применяются.

3 DLP проекторы

На сегодняшний день самые совершенные и дорогие устройства, которые используется в публичных и домашних VIP кинотеатрах. Визитной карточкой таких устройств стали основные характеристики проектора:

• высокая яркость;
• бесконечный контраст;
• длительный ресурс;
• возможность отображения 16 миллионов оттенков видимого спектра.

3 DLP технология построена на цветоделенном формировании изображения тремя зеркальными матрицами. Как и в LCD проекторах, применяется такая же система цветоделения RGB (red, green, blue), где световой поток от лампы разделяется системой зеркал на 3 части, и каждая проходит через свой цветной светофильтр. Каждая матрица работает только для своего цвета, а затем все три картинки суммируются через призму и проецируются на экран через объектив, уже сформированным цветным изображением.

Объединение цветоделения RGB и цифровой обработки света DMD позволило использовать всю мощность светового потока лампы и задействовать все спектры ее излучения. К тому же в отличие от одночиповых DLP моделей, на экран проецируется уже готовая цветная картинка, что полностью исключает эффект радуги.

LCoS проекторы

Эта самая «молодая» технология, появившаяся как производная LCD, вследствие ее жесткой конкуренции с DLP. Производители проекторов на жидкокристаллических матрицах просто изменили принцип диапроекции на эпипроекцию. В моделях LCoS применены отражающие ЖК-матрицы, которые работают не на просвет, а на отражение. Чтобы не углубляться в устройство проектора LCoS, достаточно вернуться к уже описанной конструкции 3 DLP, только здесь вместо зеркальных матриц DMD, используются 3 отражающие ЖК-матрицы LCoS.

Главная цель такого метаморфоза − устранить недостаток контрастности, эффект гребенки (сетчатости изображения) и повысить ресурс ЖК-матрицы. И здесь главную роль сыграло устройство LCoS матрицы.

Конструкция ЖК-матрицы включает 2 дополнительных слоя. Между кремнием с управляющей схемой и жидкими кристаллами был добавлен отражающий слой. Таким образом все управляющие элементы были вынесены за пределы прохождения света, что полностью исключило эффект гребенки. Также двойное прохождение ЖК-слоя − к отражающей подложке и обратно, повысило степень затемнения черного и увеличило контраст изображения.

Вторым слоем стала теплоотводящая подложка, которая способствует более эффективному охлаждению и, тем самым, препятствует ускоренной деградации кристаллов. Кроме того, в новой ЖК-матрице удалось сократить расстояние между секторами жидких кристаллов до нескольких десятков микрометров, за счет чего заметно повысилась четкость изображения.

Надеемся наша статья помогла вам понять принцип работы мультимедийного проектора и как на экране появляется движущаяся цветная картинка. Как устроен проектор и отличия технологий цифровой обработки света − это базовые знания, которые помогут ориентироваться в дальнейшем познании увлекательного мира домашнего кино на большом экране.