Відеопроектори світлоклапаної дії

Загальною ознакою проекційних пристроїв світлоклапаної дії є використання світла від зовнішніх джерел, що забезпечує ними максимально можливу яскравість екранного зображення. Нижче розглянуто шість варіантів побудови таких пристроїв.

Зовнішні джерела здатні забезпечити більші світлові потоки, причому кількісне визначення, як повного випромінювання, так і корисної (екранної) його частини, викликає значні труднощі. У зв'язку із цим Американським національним інститутом стандартів (ANSI) запропонована методика непрямого визначення світлового потоку по освітленості. Процедура виміру полягає в наступному. Попередньо регулюваннями проектора на екрані встановлюється яскравість і контраст зображення чорнобілого градаційного клина так, щоб були видні всі його щаблі. Потім подається сигнал міток для фіксації на екрані 9 точок, у які потрібно буде поміщати люксметр (це центри 9 однакових прямокутників, у сумі займаючих всю площу екрана). Далі подається сигнал білого поля й робляться виміри освітленості в цих точках. По 9 вимірам знаходится середнє значення освітленості L_cp у люксах. Нарешті, розрахунковим шляхом знаходиться світловий потік Ф у люменах за виразом

,

де В и Н - ширина й висота екрана.

Таке усереднене напіврозрахункове-напівекспериментальне значення частини повного світлового потоку при записі в документації супроводжується позначкою ANSI.

4.3.1. Відеопроектори типу "Эйдофор"

Принцип керованого відбиття світла за рахунок поверхневого шару прозорої вязкої рідини запропоновано використовувати на практиці Фішером ще в 1939 році. А в 1942 р. Фішером і Тіманом вже даний опис ТВ пристрою світлоклапаної дії. У цей час світлоклапані проектори типу "Эйдофор" не випускаються, але можуть бути виготовлені за попередніми заявки лише двома фірмами - швейцарською Gretag і американською General Electric.

Вітчизняна промисловість також випускала в невеликих кількостях відеопроектори, що працюють по цьому принципу (проекційні пристрої «Аристон», «Альтаїр»). Типовий розмір екрана в таких пристроях 3 х 4 м. Кольорові моделі швейцарського (і вітчизняного) виробництва будувалися за принципом об'єднання на зовнішньому екрані трьох кольороподільних зображень від самостійних проекторів. Американські кольорові проектори мали сполучену в одному вакуумному балоні вбудовану систему модуляції електронних пучків.

Принцип дії такої системи відеопроекцій ілюструється за допомогою рис.4.11. Розгорнення електронного пучка тут здійснюється на тонкій плівці (0,1 мм) прозорим маслянистим в'язанням рідини. Ця рідина має назву "Эйдофор". Поверхня рідини під впливом електронного бомбардування здобуває рельєф. Через якийсь час після припинення бомбардування (≈ 0,02 с, що залежить від відповідних добавок у рідину) сили поверхневого натягу й провідність вирівнюють поверхню. Промені від потужного (до 6 кВт) джерела світла - ксенонової лампи 1 із дзеркальним відбивачем і конденсором 2 проходять через діафрагму 3, теплофільтр 4 і попадають на щілинну дзеркальну систему 5, що складається звичайно з 6 дзеркал-смужок. Від них світло відбивається вбік сферичного дзеркала 6, покритого плівкою рідини 7. Дзеркало повільно (1 об. за 5 хв.) обертається, і радіально встановлений ніж вирівнює рідину по товщині. Надлишки її стікають у спеціальний резервуар. Після перемішування й фільтрації рідина за допомогою насоса й форсунки знову попадає на дзеркало 6. Ці елементи перебувають всередині відкачуваємої камери 12. У відростку цієї камери встановлений електронний прожектор 11 зі змінним катодом, що створює сфальцьований електронний пучок 10.

Рис. 4.11. Будова відеопроектора світлоклапаної дії типу «Эйдофор»

Електронний пучок управляється ТВ сигналом, а відхиляється і фокусується системою ФОС 13. Модуляція електронного пучка здійснюється за допомогою спеціального електрода - модуляційної лінзи. Модуляція може виконуватися як зміною струму пучка, так і зміною ступеня його розфокусування. У першому випадку, якщо пучок замкнений (при передачі чорних деталей), тоді ділянки плівки, на які він міг би потрапити, залишаються гладкими. При цьому світлові промені відбиваються від дзеркала 6 і йдуть по тим же шляхам через дзеркальні смужки убік лампи. У проекційний об'єктив 8 світло не попадає й на екрані 9 також будуть чорні ділянки. На світлих місцях зображення плівка рідини деформується під дією зарядів електронів, причому ступінь деформації залежить від рівня ТВ сигналу.

При другому варіанті модуляції розфокусування електронного пучка рівносильна його перекриттю, оскільки він попадає на більшу поверхню плівки й не викликає її деформації.

У кожному разі відбиття від дзеркала носить дзеркально-дифузійний характер, тому що відбиті промені йдуть по різних напрямках. За рахунок відбиття такого типу частина променів пройде через щілини дзеркала 5 і за допомогою об'єктива 8 на екрані сформуються яскраві ділянки зображення. При відтворенні білого поля використовується до 1/3 світлового потоку лампи.

У прожекторі напруга анод - катод становить 15 кВ, струм електронного пучка 10 мкА. Діаметр електронної плями на шарі рідини при відсутності модуляції ≈ 60 мкм.

При проекції на екран із трьох монохроматичних пристроїв у сигнали розгорнення вводяться сигнали корекції форми растра. Різні моделі проекторів забезпечують світловий потік від 200 до 7000 лм, відповідно й площа екрана коливається від 10 до 200 м².

Контраст зображення досягає 100:1. Розв'язувальна здатність - вище ніж вимагається по існуючому стандарті. Це дозволило в експериментальному відеопроекторі "Аристон-3" застосувати розкладання на 1125 рядків при 50 полях у секунду.

В експлуатації такі проектори складні. Основна причина - необхідність обслуговування ряду складних допоміжних пристроїв: вакуумного компресора для підтримки високого вакууму, що безупинно знижується через випаровування рідини, систем водяного й повітряного охолодження. Істотними недоліками проектора є також великі габарити й маса.

4.3.2. Відеопроектори типу "Тітус"

Іншою світлоклапаною системою проекції на великий екран, що активно розроблялася після піка популярності системи "Эйдофор", була система з електронно-променевою трубкою "Тітус". Світловим клапаном тут є электрично керований поляризатор разом з кальцитовим світлоподільником (рис.4.12).

Рис. 4.12. Схема світлоклапаного відеопроектора на трубці «Тітус»

Проектор містить джерело світла із ксеноновою лампою 1 і сферичним дзеркалом, що направляє світловий потік на кальцитовий поляризаційний світлоподільник 2. Цей світлоподільник, що складається з пари склеєних кальцитових призм (призма Глазенбрука), пропускає убік трубки ті промені, електричний вектор поляризації яких паралельний площині склейки. Пропускання поляризаційного світлоподільника 50%.

Проекційний об'єктив 3 направляє світловий потік на мішень електронно-променевої трубки. Трубка має електронний прожектор 4, електромагнітну фокусуючо-відхиляючу систему 5 і вузол мішені 6...12. Електронний пучок прискорюється напругою 500... 1000 В, при якому коефіцієнт вторинної емісії мішені більше 1,0. При цьому стирання й запис інформації на мішень відбуваються одночасно. Для модуляції електронного пучка відеосигналом перед мішенню розташована керуюча дрібноструктурна сітка 6. Відеосигнал на неї подається відносно прозорого для світла провідного шару мішені 7. Колектором електронів служить інша (більш рідка) сітка 11, віддадена на кілька міліметрів від керуючої та має потенціал на ≈ 150 В вище потенціалу сітки 6.

Мішень складається з монокристалічної пластини 8 дигідрофосфата калію KD₂PО₄ (товщиною 0,25 мм), що з боку електронного прожектора покрита діелектричним дзеркалом 9, а із протилежної сторони - прозорим провідним шаром 7. Мішень приклеєна до флюоритової шайби 12, що має коефіцієнт термічного розширення, близький до дигідрофосфату калію. Для поліпшення оптичних властивостей мішень охолоджується напівпровідниковим холодильником 10 до температури близької до точки Кюрі, що для KD₂PО₄ становить - 50°С. Конструкція трубки передбачає й водяний відвід тепла.

Для модуляції світлового потоку використовується ефект Поккельса в пластині KD₂PO₄. При опроміненні мішені модульованим електронним пучком на діелектрику утвориться потенціальний рельєф, що змінює оптичні властивості кристалічної пластини по полю зображення. Світловий потік, який падає на мішень, відбивається діелектричним дзеркалом 9 і відповідно до потенційного рельефу змінює поляризацію потоку в просторі. Відбитий світловий потік попадає назад у поляризаційний світлоподільник 2, який пропускає світло від елементів мішені з ортогональною поляризацією відносно первісного. Така поляризація утвориться на ділянках мішені, що відповідають світлим деталям зображення. Від ділянок темних деталей світловий потік до екрана 13 не проходить. Модульований світловий потік, що пройшов через світлоподільник, створює на екрані 13 оптичне зображення. Зображення гарної якості утвориться при подачі на трубку відеосигналу величиною 125... 150 В.

Проекційні пристрої на трубці "Тітус" створювали зображення площею до 25 м². При потужності ксенонової лампи 2,5 кВт світловий потік становив 2500 лм, а освітленість екрана 100 лк. Контраст зображення на великих деталях становив 40:1 і обмежувався паразитними відбиттями модульованого світла в оптичній системі.

Розв'язна здатність досягала 750 елементів у рядку.

Модуляційна характеристика відповідає функції Sirfx.

Проекція кольорових ТВ зображень здійснювалася на трьох трубках "Тітус", що працюють зі кольороподільними сигналами R, G, В, і із застосуванням в оптичній кольороподільній частині дихроїчних дзеркал і фільтрів.

4.3.3. Відеопроектори ILA і D-ILA

У світлоклапаному проекторі варіанта ILA (модернізація «Тітуса») пластина KD₂P0₄ замінена на рідиннокристалічний (РК) шар, на діелектричне дзеркало нанесений фоторезистивний шар, а вся електронно-променева частина оформлена у вигляді окремого невеликого інфрачервоного кінескопа. Кальцитові призми також замінені на дзеркало-поляризатор (фірми Hughes Aircraft).

У цьому проекторі потенціальний рельєф утворюється на діелектричному дзеркалі завдяки фоторезисту. Електричне поле діє на РК, і в кожній точці мішені частково або повністю змінюється поляризація відбитого світла.

У кольоровому варіанті проектора або три розглянутих блоки у кольороподільних каналах об'єднані до загального об'єктива, або кольороподільні канали повністю розділені й мають індивідуальні об'єктиви.

До початку 2000 р. випускалося 15 моделей ILA-проекторів зі світловими потоками від 1300 до 12000 лм (ANSI). Максимальна потужність ксенонових ламп стаціонарного відеопроектора - 7 кВт. Вага проекторів від 70 до 500 кг. Ціна від $ 40000 до $ 250000.

Так, проектор ILA-M100 (США, 1999 р.) при ксеноновій лампі типу Х-750 мав світловий потік 1400 лм (ANSI); вага його 75 кг; ціна біля $ 40000.

Варіант проектора D-ILA, як і попередній, працює на відбиття, але при матричній структурі РК панелі. Тому інфрачервоний кінескоп відсутній, а розгорнення здійснюється за рахунок керуючої електроніки. У цьому випадку електронні компоненти не загороджують дзеркала пикселей, оскільки розташовані з їхньої тильної сторони, і загальний коефіцієнт відбиття панелі на рівні білого дуже високий (досягає 95%). На рис.4.13 показана основна частина структурної схеми одного світломодулюючого каналу цього відеопроектора, де позначені:

Рис. 4.13. Світломодулююча частина монохроматического каналу відеопроектора D-ILA

ДзЕ - нерухомі дзеркальні елементи матриці (пікселі), електрично зв'язані зі схемою керування;

МЕЗ - матриця з інтегральною електронікою й дзеркалами;

РК - рідиннокрісталічний шар;

ПШ - прозорий провідний шар на скляній пластині;

ПА - поляризатор-аналізатор.

Проектори типу D-ILA випускали фірми: JVC, Pioneer, Panasonic, InFocus, Proxima, Toshiba і ін.

4 3.4. LCD - відеопроектори

У цей час це найпоширеніший різновид світлоклапаних РК матричних відеопроекторів, що часто називаються LCD проекторами (Liquid Crystal Display). Тут істотний прогрес пов'язаний з появою термостійких рідких кристалів. Відповідно з'явилися й матричні РК модулятори (панелі) з високим дозволом: до 1920 х 1080 пікселей для формату 16:9 та до 1600 х 1200 пікселей для формату 4:3. Модуляційна система проектора будується звичайно на пропущення світлового потоку проекційної лампи, наприклад, як на рис.4 14.

Від метало-галогенної лампи (МГЛ) світловий пучок може безпосередньо надходити на дзеркальну кольороподільну систему, що складається зі звичайних дзеркал із зовнішнім покриттям (ДЗП) і дихроических дзеркал (ДД). У дорогих моделях LCD-Відеопроекторів на ділянці між лампою й дзеркалами можуть бути додатково встановлений компенсатор нерівномірності світлового потоку (не показаний на рис. 4.14) і конвертор поляризації PSB.

Рис. 4.14. Типова схема побудови відеопроектора на просвічуваних рідиннокристалічних матрицях (панелях)

В основі роботи фасіткового оптичного компенсатора нерівномірності світлового потоку (рис. 4.15) - змішування вихідного нерівномірного світлового потоку лампи за допомогою двох послідовно встановлених конденсорно-лінзових растрів.

Рис. 4.15. Будова і робота фасіткового оптичного компенсатора нерівномірності світла. Показано зони розсіювання двох вхідних мікролінз і зона змішування світла

В оптичному пристрої PBS (Polarized Beam Splitter) звичайне світло перетворюється в поляризоване, причому без втрати однієї із складових. У цьому пристрої, що включає конденсорні лінзи КЛ і конвертор поляризації КП, спочатку неполяризований світло поділяється на р- і s- складові, потім, наприклад, s-складова пропускається через фазообертач і суміщається з р-складовою поляризованого світла. Далі поляризоване світло проходить через оптичні елементи проектора до самого екрана, не маючи втрат на дихроїчних дзеркалах.

У призменому блоці із РК матрицями (РК-R, РК-G, РК-В) кожний піксель пов'язаний з керуючою ВІС на польових транзисторах, у результаті чого на його індивідуальному прозорому електроді змінюється потенціал відносно загального прозорого електрода матриці залежно від рівня відеосигналу для даної точки кадру. Відповідним чином і рідкий кристал змінює свої поляризаційні властивості, впливаючи на пройдене поляризоване світло.

Щоб світловий потік частково не перекривався непрозорими ділянками схеми керування, перед РК шаром розташовують мікролінзовий растр, фокусуючий світло на прозорих ділянках кожного пикселя. Площа такої (зазвичай центральної) ділянки становить 30...50% від загальної площі пікселя.

На виході кожного РК модуляційного блоку встановлений поляризатор-аналізатор. При передачі темних деталей зображення все світло затримується в модуляційному блоці, нагріваючи його (і погіршуючи оптичні властивості РК шару). При передачі світлих деталей ці ділянки прозорі. Однак прозорість не ідеальна як через оптичні втрати в самій РК речовині, так і через втрати в провідникових покриттях. Тому роботи з підвищення термостабільності тривають. У цей час переважного застосування знаходять полісиліконові (p-Si) РК панелі які є більш термостійкі в порівнянні з аморфносиліконовими (a-Si).

В останніх моделях проекторів поряд з метало-галогенними лампами (МГЛ) стали використовувати мініатюрні лампи надвисокого тиску (UHP), у яких віддача удвічі більше, ніж у попередніх. Крім збільшення яскравості й зниження енергоспоживання це поліпшило такі показники проектора, як термостабільность РК^: матриці й оптичних юстивань, знизилися акустичні шуми вентилятора.