Sposoby wyświetlania obrazu oraz źródła światła

Podobnie jak w wypadku telewizorów mamy do wyboru kilka rodzajów wyświetlaczy (PDP, LCD, CRT), tak i w segmencie projektorów panuje duża różnorodność. Nie dość, że techniki wyświetlania, to jeszcze źródła światła są różne, co może doprowadzić do prawdziwego mętliku w głowie klienta.

Aby mu pomóc i doradzić, niezbędna jest wiedza, która pozwoli na przedstawienie wad i zalet poszczególnych rozwiązań oraz dopasowanie ich do wymagań klienta.

Przetworniki sygnału wideo w projektorach

Obecnie w projektorach stosowane są trzy typy przetworników sygnału wideo:

• LCD lub 3LCD;
• DLP;
• LCoS (np. D-ILA).

Każdy z nich działa inaczej, co ma niebagatelny wpływ na uzyskiwany obraz.

Projektory ciekłokrystaliczne

Matryce LCD (Liquid Crystal Display) są wszystkim dobrze znane. Występują w wielu urządzeniach: monitorach, telewizorach, aparatach cyfrowych i w projektorach również. Tego typu matryca w projektorze działa podobnie jak w telewizorze, z tą różnicą, że ma rozmiar ok. 1 cala oraz przechodzi przez nią strumień świetlny z lampy, który jest wielokrotnie silniejszy niż ten z ekranu telewizora. Przed dotarciem do przetwornika strumień światła przechodzi przez układ optyczny, skupiający je w wiązkę równoległą. Sygnał wizyjny steruje czasem otwarcia poszczególnych tranzystorów komórek LCD, kontrolując procent przechodzącego światła zielonego, niebieskiego i czerwonego przez poszczególne punkty obrazowe (piksele) panelu LCD. Filtry RGB na poszczególnych komórkach matrycy LCD powodują powstanie trzech obrazów kolorowych RGB, które po przejściu przez obiektyw tworzą na ekranie kolorowy obraz. Na małych matrycach LCD projektora, w odróżnieniu od matryc telewizyjnych, nie jest możliwe zmieszczenie dużej liczby pikseli, wobec czego nie tworzą obrazu HD. Mają też wadę typową dla LCD, tj. czas reakcji rzędu kilku milisekund, co wpływa na zmniejszenie ostrości ruchomych elementów obrazu. Istnieje też niebezpieczeństwo przegrzania zbyt silnym strumieniem światła organicznych płynnych kryształów w płytce LCD. W celu ominięcia tego niebezpieczeństwa i polepszenia parametrów projektora 3LCD zaczęto stosować w matrycy LCD odporniejsze na przegrzanie nieorganiczne płynne kryształy LCD. Trójmatrycowe projektory LCD uzyskały szerokie zastosowanie w kinie domowym, ponieważ wyświetlają obraz Full HD (1920 × 1080 pikseli).

W projektorach trójpłytkowych (3LCD), gdzie każda z płytek LCD jest monochromatyczna (R, G oraz B), są one prześwietlane osobnymi strumieniami świateł RGB, otrzymanymi z wydzielenia z białego strumienia świetlnego odpowiednimi pryzmatami dichroicznymi (stosowanie trzech osobnych źródeł RGB jest obecnie przedmiotem innowacji przy zastosowaniu diod LED). Trzy strumienie świetlne niosące w sobie sygnały RGB są następnie sumowane w precyzyjnym zwierciadlanym układzie optycznym i przez obiektyw rzucane na ekran.

Projektory DLP

Metoda DLP (Digital Light Processing) została opracowana przez firmę Texas Instruments. Obraz jest tworzony przy wykorzystaniu wyspecjalizowanego układu DMD (Digital Micromirror Device) z mikrolusterkami na powierzchni, od których odbite światło wytwarza punkty obrazowe. Liczba lusterek jest zależna od rozdzielczości obrazu. Sterowanie jasnością poszczególnych subpikseli RGB (mikrolusterek) dokonuje się impulsami napięcia odchylającymi mikrolusterka. Zainstalowany w projektorze procesor przetwarza sygnał wideo na sygnał sterujący położeniem lusterek. Światło odbite od lusterek jest skierowane w obiektyw projektora. Poszczególne barwy (R, G, B) powstają w wyniku przejścia białego światła lampy przez filtry RGB naniesione na wirującej tarczy (filtr kołowy). Obraz powstaje w wyniku sekwencyjnego nakładania się trzech obrazów dla barw podstawowych (R, G, B).

W droższych projektorach, o doskonalszym odwzorowaniu obrazu, stosuje się rozwiązanie 3DMD. Wirujące filtry RGB są tu zamienione na nieruchome. W wypadku stosowania tarczy (koła) kolorów może występować nieznaczny efekt tęczy na krawędziach przedmiotów, który producenci eliminują, stosując wielosegmentowe koła kolorów o większej prędkości np. RGBRGB czy RGBCYM, gdzie dodano segmenty: cyjan, magenta i żółty. Technikę DLP stosują liczne firmy, także w projektorach LED i Laser&LED. Istnieją projektory DLP dla obrazów i filmów 3D, wykorzystujące podwójną częstotliwość odświeżania i emitujące sygnały synchronizacji do okularów aktywnych.

Projektory LCoS

Technika LCoS (Liquid Crystal on Silicon) stanowi pewien pomost między dwiema poprzednimi. Podobnie jak LCD projektory LCoS opierają się na trzech układach, a każdy z nich odpowiada za inny kolor podstawowy (R, G, B). Ciekłe kryształy są umieszczone pomiędzy szkłem a powierzchnią odbijającą lustra. Przepuszczają lub odbijają światło, które nie jest przepuszczane przez panel, tylko odbijane od luster. Z tego tez powodu LCoS traktuje się jako system łączący DLP i LCD. Pozwala to na uzyskanie bardzo naturalnych kolorów, w tym głębokiej czerni, co nie jest możliwe w wypadku LCD. LCoS jest używane w projektorach kina domowego najwyższej klasy oraz oferuje bardzo dużą rozdzielczość. Pewną odmianą LCoS jest opracowany przez JVC system D-ILA.

Obraz niedościgniony dla telewizorów, D-ILA

Projektory D-ILA wytwarzają obraz na tyle jasny, pozbawiony ziarnistości i szczegółowy, że stanowi prawdziwą receptę na wrażenia kinowe w domu. Standardowe projektory kina domowego oferują rozdzielczość 1280 × 720 lub 1920 × 1080 pikseli. Nie oznacza to jednak, że koniecznie trzeba się do tego ograniczać. Najlepsze projektory D-ILA firmy JVC mogą wyświetlać obraz w rozdzielczości UHD 4K (3840 × 2160 pikseli), czyli czterokrotnie większej niż Full HD. Tak duża rozdzielczość jest dostępna jedynie w kilku modelach telewizorów na rynku. W systemie D-ILA następuje wzmocnienie obrazu osobno w poszczególnych pikselach. Dzięki temu lustrzane podłoże silikonowe ma do odbicia silniejsze światło niż to doprowadzone z lampy projekcyjnej, a więc jest silniejsze niż w technice DLP. Osobne wzmacnianie poszczególnych pikseli mniej więcej dwukrotnie zwiększa kontrast w porównaniu z pozostałymi systemami. Pozwala to na osiągnięcie współczynnika kontrastu niemożliwego do uzyskania na telewizorze plazmowym czy LCD. Przy pełnym zaciemnieniu naturalny współczynnik kontrastu, np. dla projektorów JVC, może wynosić: DLA-X35 – 50000:1, DLA-X55R – 50000:1, DLA- -X75R – 90000:1, a dla DLA-X95R nawet 130000:1 (!), co jest nieosiągalne dla wytwórców telewizorów LCD. W pomieszczeniach niecałkiem zaciemnionych, co bardzo często ma miejsce, możliwe jest włączenie regulacji kontrastu dynamicznego (podobnie jak w telewizorach), uzyskiwanego w projektorach drogą automatycznej regulacji przysłony obiektywu.

Źródła światła

Obecnie stosowane źródła światła w projektorach to:

• lampy gazowe wyładowcze (Xe, MH, UHP);
• lampy halogenowe żarowe;
• diody LED;
• diody laserowe.

Lampy projekcyjne powinny charakteryzować się:

• dużą wydajnością świetlną;
• minimalnymi wymiarami źródła promieniowania, by mogło być traktowane jako punktowe;
• dostatecznie szerokim widmem (spektrum) fal świetlnych do odtworzenia szerokiej gamy kolorów;
• długim czasem pracy;
• małymi wymiarami i masą;
• bezpieczeństwem użytkowania;
• małym zagrożeniem dla środowiska.

Najczęściej używane lampy wykorzystują zjawisko wyładowania łukowego. Należą do nich lampy ksenonowe na halogenkach metali (MH) i ultrawysokociśnieniowe rtęciowe (UHP). Wszystkie trzy działają na zasadzie krótkiego łuku, który można uznać za punktowe źródło światła. Za takie źródło można uznać żarniki lamp halogenowych, które są lampami żarowymi, a nie wyładowczymi.

Lampy ksenonowe

Emitują światło z wyładowania łukowego w ksenonie (Xe) sprężonym do 10–15 atmosfer (w czasie świecenia ciśnienie wzrasta do 30–40 atmosfer). Są chętniej stosowane w droższych projektorach, spełniających najwyższe wymagania co do jakości obrazu.

Zalety:

• zapewniają doskonałe odwzorowanie kolorów, ponieważ mają charakterystykę falową w zakresie widzialnym najbardziej wyrównaną i zbliżoną do światła słonecznego;
• światło jest bardzo silne, prawie punktowe;
• możliwe jest zapalanie szybkie i powtarzalne;
• stabilność widma falowego w ciągu „życia” lampy jest wysoka, nawet przy zmianach mocy;
• dostępne są lampy ksenonowe o bardzo dużej mocy.

Wady:

• ksenon jest najrzadszym gazem szlachetnym, co powoduje wysoki koszt lampy;
• okres trwałości jest nieco krótszy niż lamp MH i UHP, co zwiększa koszty eksploatacji;
• z powodu dużego ciśnienia wewnątrz lampy wymagana jest duża ostrożność, nawet gdy lampa jest zimna.

Lampy na halogenkach metali (MH)

Emitują światło z wyładowania łukowego w wysokociśnieniowych parach rtęci z dodatkami różnych halogenków metali. W czasie świecenia ciśnienie wynosi ok. 10 atmosfer. Pary rtęci ułatwiają zapłon i stabilizują go. Emisja światła jest określana przede wszystkim przez halogenki bromowe i jodowe.

Zalety:

• różnorodność, ponieważ charakterystyki falowe (widmo) i temperatura koloru są określane przez odpowiedni dobór halogenków metali;
• długotrwała praca;
• stosunkowo duża wydajność świetlna.

Wady:

• niestabilna charakterystyka falowa zaraz po starcie i w okresie eksploatacji, o dużych odchyleniach od charakterystyki światła słonecznego;
• nieco mniejsza jasność niż lamp Xe i UHP oraz mniejsza punktowość łuku;
• charakterystyki zależą od dodatków chemicznych w lampie. Z powyższych powodów lamp halogenkowych używa się w projektorach spełniających średnie wymagania.

Lampy rtęciowe wysokociśnieniowe (UHP)

Emitują światło łukowe przy ciśnieniu co najmniej 100 atmosfer.

Zalety:

• łatwo uzyskuje się punktową emisję światła;
• niskie koszty wytwarzania i eksploatacji (długi czas pracy).

Wady:

• charakterystyka falowa bardzo nierównomierna i uboga w kolory „ciepłe”;
• nie nadają się do zastosowania dużej mocy, co ogranicza uzyskiwanie dużych strumieni światła. Z powyższych powodów lamp UHP używa się w tańszych projektorach.

Technika LED – przyszłość projektorów

Technologia masowej produkcji diod LED o dużej jasności światła białego pozwoliła na ich zastosowanie w projektorach jako źródła światła. Z początku ograniczała się tylko do urządzeń miniaturowych, dosłownie mieszczących się na dłoni (handheld) oraz pico. W porównaniu z lampowymi urządzenia te mają stosunkowo słaby strumień świetlny. Jasność tych najmniejszych wynosiła 100 lm, pico – do 700 lm, a więc nadawały się tylko do niewielkich i zaciemnionych pomieszczeń. Lampy LED o świetle białym najczęściej stosuje się w projektorach DLP. Innym rozwiązaniem jest stosowanie LED o kolorach podstawowych RGB, które tworzą światło białe o większym strumieniu. Nowatorskim rozwiązaniem w projektorach jest zastosowanie diod LED i diody laserowej niebieskiej do wytworzenia trzech barw podstawowych (RGB) źródła światła. Światło czerwone (R) i niebieskie (B) dostarczają diody LED, natomiast zielone otrzymuje się przez pobudzenie luminoforu zielonego do świecenia światłem diody laserowej niebieskiej (B). Z tego powodu system hybrydowego światła nazywa się Laser&LED. Uzyskiwany przy światłach RGB sumaryczny strumień świetlny może się zawierać w granicach 2000–3000 ANSI lumenów, a więc wchodzi w zakres dostatecznie jasnych projektorów, dotychczas budowanych na tradycyjnych lampach UHP. Rozwiązanie to ma wiele obszarów, które należy poprawić (np. odwzorowanie kolorów i przejścia tonalne) i u części ekspertów budzi obawy co do wpływu na zdrowie oczu widzów (np. dzieci w szkole), mimo to jest to rozwiązanie innowacyjne i bez wątpienia przyszłościowe. Jest to jedynie kwestia czasu.

Atutem diod LED jest wielokrotnie większa trwałość (którą określa się na 20 000 godzin) niż „klasycznych” lamp projekcyjnych (trwałość tych ostatnich mierzy się do utraty połowy jasności). Dlatego gwarancja na urządzenia lampowe jest inna na lampę, a inna na resztę urządzenia. Na półprzewodnikowe źródła światła można dawać np. 5 lat gwarancji ogólnej. Dla porównania, trwałość klasycznych lamp łukowych zawiera się w granicach 1000–3000 godzin, co jest jednym z powodów ograniczonego użycia projektorów jako domowego sprzętu rozrywkowego. Przy wyświetlaniu jednego fabularnego filmu dziennie trwałość projektora lampowego wynosiłaby 1,5–4 lat. Gdybyśmy chcieli wykorzystywać projektor częściej, np. zamiast telewizora (a technicznie jest taka możliwość), czas ten znacznie się skróci. Jednak postęp techniczny pozwala stopniowo wydłużać trwałość lamp do 6000 godzin. Zakup lampy zamiennej bywa kłopotliwy, a jej koszt to spora część ceny projektora, więc możliwość 10-letniego (a nawet 20-letniego!) użytkowania projektora LED bez zabiegów konserwacyjnych jest wielką (i niejedyną) wygodą eksploatacyjną.