Projektor doskonały

Od kilkudziesięciu lat lampy kineskopowe „trzymają się mocno". Czy jednak skończy się era wszechogarniającej chmury elektronów, masowo wytwarzanych przez te lampy? Oto pojawił się groźny konkurent zarówno kineskopów, jak i wszystkich dotychczasowych technik prezentacji obrazu.

Idea sterowanych cyfrowo mikroluster, odbijających na ekran światło lampy projekcyjnej, narodziła się zaledwie 10 lat temu. Ówczesna technologia nie pozwalała jednak na wykorzystanie ogromnych zalet systemu. Powstawały urządzenia duże, nieporęczne i często się psujące. Jednak w kilka lat później ogromny postęp w mikromechanice warstwowej dał nowe możliwości, które dość skwapliwie wykorzystano i już w lutym 1996 roku Texas Instruments zademonstrował pierwszy system projekcyjny, wykorzystujący matrycę zawierającą 1.3 mln pikseli. Już około dwa tygodne później firma norweska Davis wyprodukowała pierwszy projektor graficzny na podsystemach Texas Instruments, a w maju kanadyjski Electrohome zastosował po raz pierwszy system trójchipowy. Czerwiec przyniósł urządzenia spełniające wymogi standardu SVGA. W sierpniu pierwsze zestawy DLP były już w sprzedaży. W Europie pojawiły się w 1996 roku na targach Photokina w Kolonii, a kilka tygodni później ­ na polskim rynku.

CYFROWY
PROCESOR OBRAZU

Choć projektor DLP (Digital Light Processing) przypomina zewnętrznie rzutnik do slajdów, jednak zasada jego działania jest zupełnie inna: zapis cyfrowy jest bezpośrednio prezentowany w postaci obrazu świetlnego rzucanego na ekran projekcyjny. Realizowane jest to przez jedną małą kość ­ DMD (Digital Micromirrors Device). Zawiera ona matrycę maleńkich luster, mogących się odchylać pod wpływem pola elektrostatycznego i tym samym zmieniać kierunek biegu promieni świetlnych.

Impulsy sterujące podawane są w postaci cyfrowej (0 lub 1), a więc lusterka mogą przyjmować tylko dwa określone stany. Oświetlona matryca DMD może, zatem promienie odbite od każdego z takich lusterek kierować w dwa różne miejsca.

W pozycji odpowiedniej do wysterowania jednego z elementów matrycy, dajmy na to logiczną jedynką, lusterko skieruje światło w obiektyw projekcyjny i wtedy na ekranie otrzymamy świecący punkt, będący w pozycji odpowiadającej umiejscowieniu tego lusterka w matrycy DMD. Jeśli przy podaniu sygnału zera logicznego odbite promienie skierowane zostaną poza obiektyw na powierzchnię absorbującą, to punkt na ekranie będzie wygaszony. Matryca składa się z bardzo wielu takich lusterek, a każde z nich odpowiada jednemu punktowi na ekranie. W efekcie uzyskujemy wprost idealne odwzorowanie świetlne obrazu podanego na wejście rzutnika w postaci cyfrowej.

Ryc. 1. Zasada działania systemu DLP (Digital Light Processing)

Istnieje kilka odmian projektorów DLP, lecz zasada ich działania jest zawsze taka sama. Podobny jest również ogólny schemat budowy (ryc. 1) każdego z nich. Cykl pracy każdego lusterka składa się z kombinacji ośmiu kolejnych stanów. Jest to tzw. sterowanie słowem ośmiobitowym. Oznacza to, że możliwych jest 2⁸ = 256 kombinacji, a zatem każdy punkt na ekranie może przyjmować jedną z 256 wartości jaskrawości (przy oświetleniu światłem białym daje to 256 odcieni szarości). Aby otrzymać obraz pełnokolorowy, trzeba ­ jak wiemy ­ złożyć trzy barwy podstawowe: czerwoną, zieloną i niebieską. Można wtedy uzyskać 256³ =
= 16.7 mln odcieni barw.

TRZY ODMIANY

Istnieją obecnie trzy odmiany rzutników DLP, różniące się metodą uzyskiwania kolorowych obrazów. Pierwsza z nich to układ jednochipowy (ryc. 2a). Matrycę DMD oświetla tu lampa, której światło jest filtrowane w układzie optycznym zawierającym filtr rotacyjny (w tym przypadku jest to tarcza, na której obwodzie umieszczone są trzy filtry ­ czerwony, zielony i niebieski). Promienie ogniskowane na powierzchni filtru kieruje się następnie na matrycę lusterek, a ponieważ filtr ten obraca się ze stałą prędkością, więc barwa światła docierającego do kości (chipu) DMD jest sekwencyjnie zmieniana z czerwonej na zieloną, następnie niebieską itd. Procesor sterujący zmienia również układ lusterek tak, aby sekwencyjnie tworzyć obrazy składowe kolejno następujących po sobie barw. Obrazy te nakładają się na siebie z taką prędkością, że mózg ludzki rejestruje tylko jeden kolorowy obraz, którego luminancja jest jednak o 2/3 mniejsza od maksymalnej możliwej do uzyskania (przy projekcji w dużych lub jasnych pomieszczeniach na wykorzystanie całej mocy tego projektora pozwala opcja wyłączenia koloru).

Ryc. 2. Schematy projektorów DLP (od lewej): jednochipowego, dwuchipowego, trójchipowego

Wspomnianej kilka wierszy wcześniej wady pozbawiony jest układ trójchipowy (ryc. 2). Tu obraz tworzony jest przez matryce osobne dla każdej z trzech podstawowych barw, a podział na te barwy zapewnia specjalnej konstrukcji pryzmat. I tak, do jednego chipu dociera światło czerwone, do drugiego niebieskie, a do trzeciego zielone. Obraz tworzy się w sposób ciągły i nie jest konieczne sekwencyjne nakładanie obrazów w poszczególnych barwach.

Takie samo źródło światła, jak w modelu jednochipowym, pozwala na osiągnięcie identycznej jaskrawości obrazu kolorowego jak obrazu monochromatycznego w poprzednim przypadku. Brak sekwencyjności umożliwia ponadto wysterowanie każdego elementu matrycy słowem dziesięciobitowym, a to daje większą liczbę możliwych do osiągnięcia odcieni. Urządzenia trójchipowe są jednak bardzo drogie.

Wariantem pośrednim (również, jeśli chodzi o cenę) jest układ dwuchipowy (ryc. 2b). Pozwala on zwiększyć jasność powierzchniową (jaskrawość) obrazu przy jednoczesnej poprawie jego jakości. Moduł oświetlający ma budowę zbliżoną do modułu używanego w rzutniku jednochipowym, jednak na tarczy znajdują się tylko dwa filtry: fioletowo-purpurowy ­ przepuszczający promieniowanie czerwone i niebieskie oraz żółty ­ przepuszczający promieniowanie czerwone i zielone. Tak, więc światło o barwie czerwonej jest nieustannie dostarczane do chipu „obsługującego" powstawanie obrazów tylko i wyłącznie tej barwy. Światło zielone i niebieskie trafia natomiast sekwencyjnie do drugiego chipu, który (również sekwencyjnie) jest sterowany przez procesor na odtwarzanie obrazów owych barw.

Selekcję kolorystyczną światła przeprowadza się w pryzmacie separującym kolory. Przy zastosowaniu tańszych, nie zrównoważonych barwowo lamp metalowo-halidowych (w ich widmie występuje niedobór czerwieni) układ ten realizuje automatycznie korekcję barwy.

CHIP

Warto przyjrzeć się bliżej najważniejszej części wszystkich projektorów DLP. Jest to kość zbliżona wielkością do popularnego do niedawna procesora 486. Zawiera w sobie matrycę pamięci typu SRAM, wykonaną w technologii CMOS. Nad każdą komórką pamięci znajduje się nadbudowana struktura jednego mikrolustra. Te mikromechaniczne części wykonane są w technice warstwowej, gdyż tylko ona pozwala na „budowę" elementów o wymiarach mikrometrów. Powierzchnia lusterka to kwadrat o boku 16 mm, a odstęp między nimi wynosi około 1 mm. Włos ludzki przykryłby swoją średnicą cztery takie lusterka! To jednak jeszcze nie wszystko. Pod każdym z nich kryje się mechanizm ruchu: zawias, jarzmo, elektrody jarzma i lusterka oraz zderzak. Powierzchnia matrycy mikroluster chroniona jest przed czynnikami zewnętrznymi płytką ze szkła bezodblaskowego.

Ryc. 3. Budowa najważniejszego elementu projektorów DLP ­ komórki DMD

Pierwsze konstrukcje, w których wykorzystano technologię mikroluster, wykonano w końcu lat osiemdziesiątych. Miały one jednak wiele wad. Zawiasy znajdowały się w jednej płaszczyźnie z powierzchnią lusterka, a to nie pozwalało na gęste upakowanie elementów i, tym samym, dobre wypełnienie powierzchniami odbijającymi (współczynnik wypełnienia wynosił najwyżej 70%, co powodowało ogromne straty oświetlenia). Nie było też możliwości ekranowania pojedynczej komórki, a to zakłócało pracę urządzenia poprzez niepewne i niejednoznaczne przełączanie.

W następnych rozwiązaniach schowano zawias pod powierzchnię lusterka, ale przy końcu ruchu roboczego wciąż uderzało ono w zderzak, a to w krótkim czasie powodowało deformację powierzchni odblaskowej. W kolejnych konstrukcjach wprowadzono jarzmo, które przejmowało na siebie energię uderzenia, jednak zwiększało to masę i bezwładność zespołu ruchomego.

Obecnie jarzmo bierze czynny udział w ruchu zespołu, a ukrycie całego mikromechanizmu pod lusterkiem umożliwiło na ogromne upakowanie komórek (powierzchnie odbijające stanowią teraz aż 90% powierzchni całkowitej). Zastosowanie specjalnego stopu aluminium pozwoliło uzyskać około 90-procentowy współczynnik odbicia i znacznie zmniejszyło masę samego lusterka.

Jak obecnie wygląda komórka DMD? Otóż na strukturze pamięci typu SRAM umieszczone są jeszcze trzy dodatkowe warstwy (ryc. 3):

­ metalowa, w której wykonane są elektrody jarzma i strefa potencjału zerowego ekranująca komórkę DMD i będąca również zderzakami;

­ zawiasu i jarzma, w której znajduje się jarzmo, zawias, wieszaki oraz elektrody lustra;

­ mikrolustra, które przytwierdzone są bezpośrednio do jarzma.

W zależności od sygnału podanego do odpowiedniej komórki pamięci zespół ruchomy może przyjąć tylko dwa położenia: wychylić się o +10° albo ­10°. Wszystkie elementy są tak małe i lekkie, że do uzyskania ich ruchu wystarczy oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy elektrodami a jarzmem i mikrolustrem. Pod jego wpływem zespół ruchomy obraca się na zawiasie aż do chwili oparcia się stóp jarzma na zderzakach (drugi stan jest wychyleniem mechanizmu w przeciwną stronę). Jeden ze stanów przedstawia ryc. 4. Mikrolustro jest tutaj półprzezroczyste, dzięki czemu można obserwować elementy znajdujące się pod nim.

Warto zadać pytanie, jak długo mogą pracować tak misterne i delikatne mechanizmy, narażone na ciągły ruch, przy oświetleniu silnym światłem o dużej energii cieplnej? Otóż przeprowadzone testy dały zaskakująco pozytywne wyniki. Lusterka znoszą powyżej 210 mld cykli mechanicznych oraz około 2 tys. cykli termicznych. Odpowiada to mniej więcej pięciu latom bezawaryjnej pracy.

Ryc. 4. Zespół ruchomy w jednym z dwóch możliwych położeń

Aby mógł odtwarzać sekwencje ruchome, projektor DLP musi odświeżać powstający obraz szybciej niż oko ludzkie zauważy taką zmianę. Minimalna częstotliwość odświeżania obrazu, przy której mózg nie rejestruje pojedynczych klatek filmu, wynosi 25 Hz. W technologii DLP wynosi ona aż 60 Hz. Pozwala to na odtwarzanie ruchomych obrazów z bardzo wysoką jakością, bez występowania tzw. efektu migotania (często widocznego w tradycyjnym obrazie telewizyjnym). Dla zrealizowania tych parametrów czas przełączania lusterek musi być niesłychanie krótki. Dla słowa 8-bitowego czas trwania najmniej znaczącego bitu (ang. LSB) wynosi 21 ms. Czas optycznego przełączania musi wynosić około 10% LSB, czyli 2 ms. Mechaniczny czas przełączania, tzn. czas ruchu mikromechanizmu z jednej ustalonej pozycji do drugiej, jest nieco dłuższy, ale i tak są to bardzo małe wartości. Każdy, kto kiedyś obsługiwał rzutnik wykorzystujący technologię LCD, musiał odczuć jego bezwładność. Kolejny obraz powstawał dopiero po upływie chwili, gdyż czas przełączania wynosił tam kilka milisekund. Gdy porównujemy to z mikrosekundami uzyskiwanymi w projektorach DLP, możemy śmiało stwierdzić, iż obrazy powstają tutaj niemal natychmiast.

DZIŚ I JUTRO

Obecnie produkowane są projektory o dwóch rozdzielczościach: VGA 640x480 i SVGA 800x600. W br. zapowiadana jest prezentacja urządzenia o rozdzielczości 1280x1024. Typowy projektor ma też wzmacniacz stereofoniczny oraz parę głośników. Sterowanie odbywa się bezpośrednio z panelu urządzenia (zdjęcie na s. 40) bądź za pomocą pilota na podczerwień, a podstawowe regulacje to jasność, kontrast, ostrość, zoom (płynne powiększenie lub zmniejszanie obrazu) i głośność. Możliwa jest tzw. projekcja tylna (widz i projektor znajdują się po przeciwnych stronach ekranu). Uzyskiwany obraz ma doskonałą jakość i jednolitą powierzchnię, może być oglądany zarówno w ciemnych, jak i oświetlonych pomieszczeniach.

Na pewno szybciej niż możemy teraz przypuszczać projektory DLP staną się alternatywą dla tradycyjnych odbiorników telewizyjnych i wszelkiego rodzaju monitorów (sprzęt wideo, komputery itd.), konkurując z nimi wygodą obsługi, brakiem szkodliwego promieniowania i jakością obrazu.

---