Seriál o projektorech: 1. díl - principy zobrazování

Jako prioritní zobrazovací zařízení u digitálního příjmu se používá televizor. O jejich principech a použití bylo na stránkách webu Digitální televize napsáno už hodně článků a slov. Tentokrát se ale podíváme společně na problematiku projektorů.

Televizory ale mají určitá omezení, která jsou dána rozměry úhlopříček, kterých mohou tato zařízení dosáhnout. Rozměry úhlopříček jsou limitovány technologickými možnostmi výrobců – tím, jak velký panel je možné v současné době vyprodukovat, aby výroba byla dostatečně efektivní (počet použitelných panelů musí být dostatečně vysoký v poměru k celkovému počtu vyprodukovaných kusů). Dále je to pak samozřejmě otázka marketingu – tedy, jaké úhlopříčky a jaké televizory s jakými možnostmi má výrobce nasadit na trh, aby zůstal konkurenceschopný. Typickým příkladem budiž televizory Samsung s LED podsvícením, po jejich zavedení získal Samsung obrovský náskok, který ostatní výrobci teprve po dvou letech začínají dohánět (Panasonic, Philips, Sharp, Sony).

V bitvě o co největší zobrazovací plochu se výrobci předhánějí v tom, kdo představí největší panel s co nejlepšími možnostmi a co největší úhlopříčkou. Zatím největším mamutem se zdá být 152palcový 3D televizor Panasonic NeoPDP.



Největší 3D televizor: je v současné době Panasonic NeoPDP s 152palcovou úhlopříčkou. Po přepočtu 152 palců se dostanete na neuvěřitelných 3,86 metrů úhlopříčky a nezbývá, než se před technologickými možnostmi firmy Panasonic sklonit. Ovšem počítejte s tím, že takového „drobečka“ jen tak domů nedostanete díky jeho rozměrům i hmotnosti, nemluvě o ceně…

Pokud si takového mamuta představíte ve svém bytě, dáte nám za pravdu, že to nebude optimální řešení, protože takový televizor se hodí spíše do obchodů, hypermarketů nebo jako prezentační a marketingový nástroj. Představte si také, že televizor s úhlopříčkou jeden metr má hmotnost kolem 40 kilogramů. Tento televizor zaujímá zhruba stejnou plochu jako šestnáct televizorů s metrovou úhlopříčkou, jeho hmotnost by tedy mohla být klidně i 600 a více kil.

Existuje jiné řešení – projektor

Pokud tedy chcete kouzlit s velikostí úhlopříčky, máme tu pro vás zatím návrh o mnoho levnější a lehčí. Tím řešením je projektor. Jeho obraz, promítnutý na zeď totiž neváží nic a přístroj samotný má hmotnost (podle provedení) kolem několika kilogramů.



Projektor je zařízení, které sestaví obraz ve svém nitru a tento optikou přenese na projekční plochu. Tou může být stěna nebo plátno. Promítání na plátno je klasika, ale jde o věc, kterou musíte mít někde uloženu, rozbalovat ji a připravovat – promítnutý obraz pak má velmi dobrý kontrast i podání barev. Ale pozor! I obraz promítaný na stěnu může mít grády a být velmi dobře podán – a to dokonce i tehdy, pokud stěna není natřena bílou barvou s perletí. Existují totiž projektory, které dokážou promítat i na barevnou stěnu. Obsluha jim totiž zadá barevný odstín stěny a projektory přepočítají barevné spektrum tak, aby barvy na takové zdi působily přirozeně (například 3D projektory BenQ).

Tolik na úvod. Teď se ale podívejme na základní principy funkce projektorů.

3LCD nebo DLP?

Ty tam jsou doby, kdy se používaly projektory CRT (Cathod Ray Tube), které měly tři oddělené optické systémy, s jejichž pomocí se skládal obraz až na plátně. Jejich nevýhodou byla značná složitost nastavení konvergence jednotlivých oddělených systémů pro danou sestavu projektor-plátno. I nepatrné posunutí plátna o několik centimetrů znamenalo složité nastavování konvergence jednotlivých optických systémů. I přesto se dodnes CRT projektory používají tam, kde je nutné promítat obraz na kulovou nebo válcovou plochu a využívají se stále v trenažérech jízdy automobilem nebo v leteckých trenažérech.

Časem vykrystalizovaly dva systémy, 3LCD a DLP, které se dnes používají. Každý z nich má své výhody i nevýhody. K nim pak přidáme systémy 1LCD a LCoS, se kterými se rovněž můžete setkat. Oba systémy shodně používají jako zdroj světla lampu s vysokým světelným výkonem. Zatím – laser a LED už ťukají na dveře.

3LCD

Světlo z lampy je vedeno na soustavu dichronických zrcadel, které z paprsku oddělí jednu barvu a ostatní propustí dále – tak vzniknou postupně tři nezávislé paprsky RGB (Red (červený), Green (zelený) a Blue (modrý)). Každý je pak samostatně veden třemi optickými soustavami přes miniaturní LCD displeje a po průchodu těmito panely se skládá v obraz v optickém hranolu. Poté je přes zaostřovací optiku vržen na projekční plochu.



Systém 3LCD: Na obrázku vidíte princip činnosti systému 3LCD. Dichronic miror jsou dichronická zrcadla, která z paprsku od světelné lampy (Utra - Hign Pressure Mercury Lamp) oddělují určitou část spektra, v našem případě barvy RGB. Jednotlivé barevné paprsky se vedou zrcadly (Miror) na soustavu tří panelů LCD, ovlivňujícími jednotlivé barevné složky. Obraz se skládá v hranolu (prism) a přes optickou soustavu (Projection Lens) je transportován na projekční plochu (Screen).

Výhodou tohoto systému je, že výsledný obraz je stabilní a oproti systému DLP, o kterém si povíme později, není tak trhaný. Barevnost celé promítané scény je možné doladit ovlivněním propustnosti jednotlivých LCD panelů. Tomuto systému se vyčítá, že na plátně vytváří viditelnou mřížku, která je důsledkem použití technologie LCD panelů. Jednotlivé zobrazovací body jsou totiž na LCD panelu umístěny vedle sebe, ale nedotýkají se. K jednotlivým zobrazovacím bodům LCD panelu je nutné dovést vodiče pro ovládání jednotlivých pixelů (obrazových bodů). Tento problém ale s růstem kvality výroby LCD panelů zůstává více okrajovou záležitostí, protože jednotlivé sousední pixely LCD mřížky se k sobě stále více přibližují.

Mezi další přednosti tohoto systému patří velmi dobré podání barev, poměrně vysoký kontrast (ve srovnání s technologií DLP je na tom systém 3LCD trochu hůře, protože LCD panely se nestačí „úplně“ uzavřít a tak propouštění minimum světla i v případě, že by dané obrazové body měly být úplně uzavřeny) a už zmíněné klidné podání obrazu. Nicméně systém je náchylný na prašnost, takže v případě usazení se prachového smítka na LCD panel se tento objeví na projekční ploše v podobě černé skvrny. Stejně tak se hovoří u LCD technologie o stárnutí LCD panelů, pracujících při vysoké teplotě, a tím pádem časem dochází ke ztrátě barev nebo vypadávání jednotlivých pixelů (odumírání pixelů). Dnešní panely ale vydrží mnohem déle, než jejich předchůdci.

1LCD

Jen pro doplnění představujeme systém 1LCD a pracuje na shodném principu, jako 3LCD.



Systém 1LCD: Jednotlivé barvy jsou vytvářeny ve světelných laserech (Blue Laser Source – modrý, Red Laser source – červený a Green Laser Source – zelený). Přes systémy optického tvarování paprsku (Beam shaping element) a vibrační desku (která zadržuje vždy dvě barvy a propouští pouze jednu barvu v závislosti na LCD panelu nastaveného v daný okamžik právě jen pro jednu barvu) jsou jednotlivé barvy složeny polopropustnými zrcadly (Dicronic mirror) v jeden paprsek RGB. Ten je přes kondenzační čočku směrován na LCD panel, který jednotlivé barvy střídavě propouští. Přes optický systém (Zoom lens system) je pak posloupnost jednotlivých obrázků promítnuta na projekční plochu.


Jako zdroj světla se ale používají tři světelné lasery, pracující přesně na vlnové délce, odpovídající červené, zelené a modré barvě (RGB). Jejich světelný tok se skládá přes systém zrcadel a jeden LCD panel, ovlivňující jednotlivé barvy naráz. Lasery produkují barvy, které se postupně propouštějí optickým systémem, aby v daný okamžik byla „vpuštěna“ do systému pouze jedna barva. Pro ni se nastaví LCD panel a obrázek projde až na promítací plochu. V dalším okamžiku se zadrží další dvě barvy a propustí se barva druhá, i pro ni se nastaví LCD panel a další obrázek projde na projekční plochu. Poté se „zastaví“ průchod obou, již k projekční ploše „odeslaných“, barevných paprsků a totéž se provede pro barvu třetí. Lidské oko díky své nedokonalosti i zde vnímá promítanou posloupnost různě barevných obrázků jako jednolitý děj.

DLP

Druhý principem činnosti projektorů je systém DLP, Digital Light Processing. Tento systém je spojen se jménem společnosti Texas Instruments, která je autorem srdce celého systému – je jím procesor DMD (Digital Micromirror Device).



Čip DLP (Digital Light Processing). Je postaven na technologii DMD (Digital Micromirror Device). Celá plocha (na obrázku vpravo) je vyplněna mikrominiaturními zrcátky, které se dokážou naklápět tak, aby odrážely světlo do potřebného směru.

Je to pole, na kterém se nachází tisíce elektrickými impulsy ovladatelných miniaturních zrcátek. Zrcátka jsou umístěna těsně vedle sebe, takže je možné hovořit o tom, že na projekční ploše nenajdete viditelnou mřížku, jako je tomu u technologie 3LCD. To je dáno tím, že elektronika ovládání se kompletně nachází „pod“zrcátky a neubírá nic z aktivní zobrazovací plochy, jako je tomu u technologie LCD.



Princip činnosti čipu DMD. Na celé ploše tohoto čipu jsou zrcátka, která se dokážou naklápět díky elektronickému řízení. Pokud přijde signál pro naklopení zrcátka a světlo na něj dopadá pod vhodným úhlem, světlo „se trefí“ do optického výstupu a odejde po průchodu optickou sestavou na promítací plochu. Podívejte se na obrázek a představte si, že na zrcátko na obrázku vlevo dopadá světlo zleva pod úhlem 20 stupňů od svislice a toto zrcátko je právě nakloněno o -10 stupňů, podle zákona dopadu a odrazu pak odražený paprsek bude směřovat kolmo vzhůru.


Pokud si představíte, že jednotlivá zrcátka mají velkou odrazivost, pak očekávaný kontrast i světelný výkon soustavy záleží v podstatě jen na intenzitě přiváděného světla. To je opět rozdíl oproti LCD, kdy se část světla ztrácí při průchodu LCD panelem.

Popišme si nyní princip činnosti celého DLP systému, kterého je DLP čip s technologií DMD jen součástí. Mezi lampu ni a čip s mikrozrcátky je vložen rotující barevný filtr, což je disk (zjednodušeně) se třemi barvami RGB. Každá výseč zabírá na disku právě 120°.



Princip činnosti technologie DLP. Zde se využívá na čip dopadajícího světla, kterého barva se mění díky rotujícímu barevnému kotoučku RGB (Color Filter). Prochází-li například červená barva, nastaví se zrcátka tak, aby odrážela obraz pro červenou. Při pootočení kolečka se nastaví pro barvu modrou a pak pro zelenou. To se opakuje, pro každou barvu se vždy nastaví i mikrozrcátka v DMD. V praxi se barevný kotouček skládá ze čtyř nebo šesti barev. U čtyřbarevného systému pak je propouštěno k čipu i bílé světlo, aby došlo ke zvýšení jasu i kontrastu. Úhel natočení čipu vůči příchozímu paprsku od lampy je 10° od svislice a do optiky odcházející paprsek svírá úhel 20° s paprskem příchozím. „Aktivní“ zrcátka tak směrují světlo dané barvy přímo do optiky, „neaktivní“ pak světlo odrazí mimo objektiv.


V daný okamžik na systém mikrozrcátek dopadá pouze jedna barva. Zrcátka, kterých je přesně tolik, jaké je přirozené (nativní) rozlišení projektoru, v případě HD je to např. 1 920 x 1 080 mikrozrcátek, se srovnají tak, že odrazí světlo směrem k objektivu. Ostatní zrcátka jsou odkloněná a směrují světlo mimo objektiv. Po průchodu optickou soustavou se pak na zdi objeví body, které odrazil čip s mikrozrcátky. Rotující kotouč se pak pootočí a tím se změní barva, v ten okamžik se zrcátka nastaví do jiné polohy, odpovídající této barvě. A tak to jde stále dokola. A nedokonalé lidské oko dokončí celý proces.

Výhodou systému DLP je vysoký kontrast, neexistence viditelné mřížky (díky umístění zrcátek „těsně vedle sebe“, jako nedostatek se udává blikání obrazu a ne příliš kvalitní podání barev oproti systému 3LCD. Z principu činnosti plynou i další nevýhody ve srovnání s 3LCD systémem. Světelný tok, který přes rotující kotouček nelze modulovat, a proto každé zrcátko odrazí plnou intenzitu dopadajícího světla. Jas každého zobrazovaného budu (pixelu) tedy nelze samostatně ovlivnit. U LCD panelu je možné nastavit propustnost každého bodu individuálně. Obraz poskytovaný DLP technologií trpí rovněž rozostřením a tzv. „duhovým efektem“, který vzniká díky rotaci barevného kotoučku. DLP poskytuje i nižší světelný výkon. Je však prostorově méně náročná než 3LCD.

LCoS

Jako dodatek přidáváme informaci o systému LCoS (Liquid Crystal of Semiconductor), který spojuje výhody obou systémů – tedy 3LCD i DLP. Principem je opět rozklad světla pomocí dichronických zrcadel na jednotlivé barevné složky RGB a poté vedení jednotlivých složek na tři čipy LCoS a po odrazu opětovné složení jednotlivých obrázků v jeden, výsledný, který je optikou transportován na projekční plochu. Čip LCoS je v podstatě LCD panel, který ale není průchozí, protože má na druhé straně, než z jaké na něj dopadá světlo, použitu metalickou (odraznou) vrstvu, které se postará o odraz na ni přivedeného světla, podobně, jako je to u zrcátek v DLP projektorech. Rozdíl je v tom, že světlo na čipy dopadá kolmo a odráží se kolmo. Tím je podstatně omezeno blikání výsledného obrazu. Systém je ale složitý, co se týče optického řešení, a proto někteří výrobci od něj ustoupili (Intel, Philips), ale tento systém dále posloužil pro vývoj dalších systémů, jako například SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) od Sony a D-ILA (Digital Direct Drive Image Light Amplifier) od JVC.

LCoS ale zdaleka nedosahuje takových hodnot kontrastu jako technologie DLP, má však velmi vysoké rozlišení, to je však vyváženo velmi vysokou cenou a podporou jen několika světových výrobců.

Článek připraven ve spolupráci s webem Digitální domácnost, www.digitalnidomacnost.cz