ЖК-проекторы: принцип работы и характеристики

Введение

Тип видеопроектора

LCD-проектор – это тип видеопроектора, предназначенный для отображения видео, изображений или компьютерных данных на экране или другой плоской поверхности. Он является современным аналогом слайд-проектора или проектора с прозрачной пленкой. Для отображения изображений LCD (жидкокристаллические) проекторы обычно направляют свет от металлогалоидной лампы через призму или серию дихроических фильтров, которые разделяют свет на три полисилициевые панели – по одной для красного, зеленого и синего компонентов видеосигнала. Когда поляризованный свет проходит через панели (комбинацию поляризатора, ЖК-панели и анализатора), отдельные пиксели могут открываться, пропуская свет, или закрываться, блокируя его. Комбинация открытых и закрытых пикселей позволяет создавать широкий диапазон цветов и оттенков в проецируемом изображении. Металлогалоидные лампы используются благодаря их оптимальной цветовой температуре и широкому спектру излучения. Эти лампы также способны производить чрезвычайно большое количество света на небольшой площади; современные проекторы выдают в среднем от 2000 до 15000 люмен по стандарту ANSI (Американского национального института стандартов). Другие технологии, такие как цифровая обработка света (DLP) и жидкокристаллические панели на кремнии (LCOS), также становятся все более популярными в видеопроекторах средней ценовой категории.

Проекционные поверхности

Поскольку они используют небольшие лампы и возможность проецировать изображение на любую плоскую поверхность, ЖК-проекторы обычно более компактны и портативны, чем некоторые другие типы проекционных систем. Тем не менее, наилучшее качество изображения достигается при использовании матовой белой, серой или черной (которая блокирует отраженный окружающий свет) поверхности, поэтому часто используются специальные проекционные экраны. Воспринимаемый цвет в проецируемом изображении зависит как от поверхности проекции, так и от качества проектора. Поскольку белый цвет более нейтрален, белые поверхности лучше всего подходят для естественной цветопередачи, поэтому белые проекционные экраны наиболее распространены в большинстве бизнес- и учебных аудиторий. Однако, глубина черного цвета в проецируемом изображении зависит от темноты экрана. В связи с этим, некоторые докладчики и специалисты по организации пространства для презентаций предпочитают серые экраны, которые обеспечивают более высокий воспринимаемый контраст. Компромиссом является то, что более темный фон может искажать цветовые тона. Проблемы с цветом иногда можно скорректировать в настройках проектора, но точность цветопередачи может быть ниже, чем на белом фоне.

Коэффициент броска

Коэффициент проекционного расстояния используется при установке проекторов для управления размером проецируемого изображения. Например, если коэффициент проекционного расстояния составляет 2:1 и проектор находится на расстоянии четырнадцати футов от экрана, то ширина изображения составит семь футов.

История

Первые эксперименты с жидкими кристаллами для создания видеоизображения были проведены Джоном А. ван Раалте в лабораториях RCA в 1968 году. Его концепция основывалась на электронно-лучевом управлении для генерации образца заряда, соответствующего видеоизображению, который, в свою очередь, контролировал слой жидких кристаллов в отражающей ячейке. Для электронно-лучевого управления требуется ЭЛТ с модифицированной лицевой панелью для создания образца заряда на ее поверхности. Практического применения этой концепции для целей проекции не известно. Однако аналогичная концепция использовалась для печатающих головок без ЖК-дисплея. Первые эксперименты с прямой, транзитивной матрицей, адресуемой ЖК-дисплеем, с использованием переделанного слайд-проектора, проводил Питер Дж. Уайлд в исследовательском центре Brown Boveri Research в Швейцарии в 1971 году. Проектор был продемонстрирован в работе на конференции SID 1972 года в Сан-Франциско. Поскольку непосредственно управляемые пассивные ЖК-дисплеи (без тонкопленочных транзисторов на пересечениях матриц) не могли отображать изображения с достаточным разрешением для видео, была предложена комбинация фиксированного изображения с ЖК-матрицей для переменных элементов в качестве ЖК-проектора для определенных применений в диспетчерских, с соответствующим патентом, поданным в Швейцарии 3 декабря 1971 года. Значительные усилия были направлены на оптимизацию тонкопленочных транзисторов (TFT), подходящих для ЖК-дисплеев с активной матрицей (AM). Концепция была изобретена и первые испытания проведены командами RCA и Westinghouse Electric. Питер Броуди покинул Westinghouse и основал Panelvision в 1981 году для производства AM LCD. Прорывы произошли в других областях, в новых материалах и тонкопленочных структурах, а компания Hitachi из Японии стала пионером в этой области. Такие AM LCD стали коммерчески доступны в начале 1980-х годов. Джин Долгофф предложил использовать ЖК-дисплеи в качестве световых клапанов в проекторах. Однако ему пришлось ждать 1984 года, чтобы получить цифровое адресуемое матричное устройство с достаточным разрешением и контрастностью, после чего он завершил создание своего видеопроектора с ЖК-дисплеем. После его постройки он обнаружил множество проблем, которые необходимо было исправить, включая значительные потери света и очень заметные пиксели (иногда называемые "эффектом экранной двери"). Затем он изобрел новые оптические методы для создания эффективных и ярких проекторов и депикселизацию для уменьшения эффекта экранной двери. Примерно в то же время немецкая компания "Bonner Ingenieurbüro für Optoelektronik CrystalVision" начала экспериментировать с устройствами ЖК-проекции с 1985 года. Хотя традиционные слайд-проекторы уже использовали инфракрасные фильтры для уменьшения нагрева фотослайдов, ЖК-дисплеи гораздо более чувствительны к перегреву. Когда температура в нематическом жидкокристаллическом слое достигает "точки очистки" (то есть переходит в изотропную фазу), световой клапан ЖК перестает работать, пока температура снова не опустится ниже. Бернт Хаастерт, инженер, работавший в CrystalVision, обнаружил, что размещение необходимых поляризационных фильтров на определенном расстоянии по обе стороны от ячейки ЖК обеспечивает эффективное воздушное охлаждение конструкции. Без этого изобретения ЖК-проекторы с мощным источником света не работают. Коммерческий ЖК-проектор, основанный на этом принципе, был выпущен в Германии в 1990 году под торговой маркой "Imagina 90". С патентами, поданными по всему миру (первая заявка на патент на видеопроектор с ЖК-дисплеем была подана в 1987 году), Долгофф основал Projectavision, Inc. в 1988 году, как одну из первых в мире компаний, специализирующихся на ЖК-проекторах, и разместил ее акции на Nasdaq в 1990 году. Он лицензировал технологию другим компаниям, включая Panasonic и Samsung. Первыми пионерами ЖК-проекции в Японии были Epson и Sharp, которые в 1989 году представили свои собственные цветные видеопроекторы. В 1989 году Projectavision, Inc. получила первый контракт Агентства по передовым исследовательским проектам в области обороны (DARPA) на 1 миллион долларов США за предложение о том, что стандарт телевидения высокой четкости (HDTV) в Соединенных Штатах должен использовать цифровую обработку и проекцию. В качестве члена подкомитета по стандартам Национальной ассоциации производителей фотографий, IT7 3, Долгофф вместе с Леоном Шапиро разработали всемирный стандарт ANSI для измерения яркости, контрастности и разрешения электронных проекторов. С 2005 года единственными оставшимися производителями ЖК-дисплеев для ЖК-проекторов являются японские компании по производству изображений Epson и Sony. Epson владеет технологией и брендирует ее как "3LCD". Для продвижения технологии 3LCD Epson также создала консорциум "3LCD Group" в 2005 году с другими производителями проекторов, лицензиатами технологии 3LCD, которые используют ее в своих моделях проекторов. Ранние ЖК-системы использовались с существующими накладными проекторами. ЖК-система не имела собственного источника света: она была построена на большой "пластине", которая устанавливалась поверх проектора вместо прозрачных пленок. Это было временным решением в эпоху, когда компьютер еще не был универсальным средством отображения информации, создавая рынок для ЖК-проекторов до того, как их нынешнее основное применение стало популярным. Эта технология использовалась в некоторых размерах телевизоров с задней проекцией, когда были преимущества по стоимости в моделях среднего размера (40–50 дюймов по диагонали). В 2014 году 60-дюймовые телевизоры с плоским экраном 1080p стоили дешевле, чем проектор с собственным разрешением 1080p. Проекционные системы обычно продавались как предлагающие диагональный размер изображения от 100 до 300 дюймов. В 2004 и 2005 годах ЖК-фронтальная проекция пережила возрождение с представлением динамической диафрагмы и других модификаций, которые улучшили воспринимаемую контрастность до уровней, аналогичных DLP. Базовая конструкция ЖК-проектора часто используется любителями, которые создают свои собственные проекционные системы своими руками (DIY). Базовая техника заключается в сочетании лампы с высоким цветовым индексом (CRI) и газоразрядной лампы (HID) с балластом, конденсаторной и собирающей линзой Френеля, ЖК-дисплеем, извлеченным из обычного компьютерного дисплея, и триплетной линзой.

Early experiments with liquid crystals to generate a video image were done by John A. van Raalte at the RCA Laboratories in 1968. His concept was based on e beam addressing to generate an electronic charge pattern corresponding to a video image, which in turn controlled the LC layer of a reflective LC cell. E beam addressing requires a CRT with a modified faceplate to generate a charge pattern on its surface. No practical application of this concept for projection purposes is known. However, a similar concept was used for print heads without an LCD. The first experiments with a direct driven, transmissive matrix addressed LCD using a converted slide projector by Peter J. Wild working at Brown Boveri Research in Switzerland were conducted in 1971. A projector was shown in operation at the SID Conference 1972 in San Francisco. As direct driven, passive LCDs (without thin film transistors) at the matrix intersections) were not capable of displaying images with sufficient resolution for video pictures, a combination of a fixed image together with an LCD matrix for the variable elements was proposed as an LC projector for certain control room applications, with a corresponding patent filed in Switzerland on Dec. 3, 1971. A lot of effort went into optimizing thin film transistors (TFT) suitable for active matrix addressed (AM) LCDs. The concept was invented and early trials were conducted by teams at RCA and Westinghouse Electric. T Peter Brody left Westinghouse and founded Panelvision in 1981 to manufacture AM LCDs. Breakthroughs occurred elsewhere in new materials and thin film structures, with Hitachi of Japan as a pioneering company. Such AM LCDs became commercially available in the early 1980s. Gene Dolgoff had the idea of using LCDs as light valves in projectors. However, he had to wait until 1984 to get a digitally addressable LCD matrix device with sufficient resolution and contrast, which is when he completed building his LCD video projector. After building it, he saw many problems that had to be corrected including major light losses and very noticeable pixels (sometimes referred to as the "screen door effect"). He then invented new optical methods to create efficient and bright projectors and invented depixelization to reduce the screen door effect. At about the same time, the German company "Bonner Ingenieurbüro für Optoelektronik CrystalVision" started experimenting with LCD projection devices from 1985 onwards. Although traditional slide projectors already used infrared filters to reduce heating of the photographic slides, LCDs are much more sensitive to overheating. When the temperature in the nematic liquid crystal layer reaches the "clearing point" (i. e. enters the isotropic phase), the LC light valve does not work anymore until the temperature drops below again. Bernt Haastert, an engineer working at CrystalVision, found out, that placing the required polarizing filters at a certain distance on both sides of the LC cell allowed for efficient air cooling of the arrangement. Without applying this invention, LCD projectors with a powerful light source don't work. A commercial LCD projector based on this principle was launched in Germany in 1990 under the trade name "Imagina 90". With patents filed worldwide (filing his first LCD video projector patent application in 1987), Dolgoff started Projectavision, Inc. in 1988, as one of the world's first dedicated LCD projector companies, which he took public on Nasdaq in 1990. He licensed the technology to other companies including Panasonic and Samsung. Early pioneers of LCD projection in Japan were Epson and Sharp, which launched their own color video projector products in 1989. In 1989, Projectavision, Inc. was awarded the first Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) contractfor US$1 millionfor proposing that the United States high definition television (HDTV) standard should use digital processing and projection. As a member of the National Association of Photographic Manufacturers Standards Subcommittee, IT7 3, Dolgoff along with Leon Shapiro, co developed the worldwide ANSI standard for measurement of brightness, contrast, and resolution of electronic projectors. Since 2005, the only remaining manufacturers of the LCDs for LCD projectors are Japanese imaging companies Epson and Sony. Epson owns the technology and has branded it as "3LCD". To market 3LCD projector technology, Epson also set up a consortium called the "3LCD Group" in 2005 with other projector manufacturer licensees of 3LCD technology that use it in their projector models. Early LCD systems were used with existing overhead projectors. The LCD system did not have a light source of its own: it was built on a large "plate" that sat on top of the projector in place of transparencies. This provided a stop gap solution in the era when the computer was not yet a universal display medium, creating a market for LCD projectors before their current main use became popular. This technology was employed in some sizes of rear projection television consoles when there was a cost advantages in mid size sets (40 to 50 inch diagonal). In 2014, 60 inch 1080p flat panel televisions were less costly than a projector with 1080p native resolution. Projection systems were typically marketed as offering a diagonal image size of 100 to 300 inches. In 2004 and 2005, LCD front projection began a comeback with the introduction of the dynamic iris and other modifications that have improved perceived contrast to levels similar to DLP. The basic design of an LCD projector is frequently used by hobbyists who build their own DIY (do it yourself) projection systems. The basic technique is to combine a high color rendering index (CRI) high intensity discharge lamp (HID lamp) and ballast with a condenser and collector Fresnel lens, an LCD removed from a common computer display and a triplet lens.