Wyświetlanie w kieszonkowych projektorach LED – jak to działa?

By | 04/03/2013

Przeglądając oferty producentów projektorów pierwsze, co rzuca się w oczy, to mnogość oferowanych urządzeń. W portfolio popularnych porównywarek cen pod hasłem BenQ można znaleźć 120 projektorów, Optima prezentuje 160 urządzeń, a rekordzista – Epson – aż 240. Najtańsze projektory można nabyć w cenie poniżej 800 zł, a najdroższe – powyżej 350 000 złotych. Skąd taka wielka różnorodność urządzeń oraz rozpiętość cen?

Główne różnice to zastosowana technologia wyświetlania obrazu. Ma ona największy wpływ na podstawowe czynniki obrazu, według których klienci decydują się na zakup urządzenia. Są to: jasność, kontrast i rozdzielczość.

Aby obraz był widoczny i wyraźny w zaciemnionym pomieszczeniu, powinien cechować się kontrastem przynajmniej 500:1 i jasnością 20 lumenów. W 2010 roku do tej kategorii wkroczyły projektory kieszonkowe. Urządzenia o wadze poniżej 500 g z możliwością pracy na baterii oraz wyposażone w szereg innych udogodnień (wbudowany odtwarzacz MP4, głośnik) powoli zdobywają klientów. Ekspansja nie jest szybka, gdyż klienci są przyzwyczajeni do dużych urządzeń, o jasności z zakresu 1500-2500 ANSI lumenów i rozdzielczości obrazu FullHD, i nie wiedzą, czego się spodziewać po miniaturowych projektorach.

Poniżej wyjaśniona została zasada działania projektora kieszonkowego DLP ze źródłem światła w postaci diod LED. Jako przykład posłużył projektor Philips PicoPix, model PPX 2480.

Projektor ten, przed rozbiorem na części pierwsze, mierzy 10,5 x 10,5 cm, przy grubości 31 mm. Jego waga wynosi 290 g. Lampa posiada maksymalną moc 80 lumenów, a rozdzielczość wyświetlanego obrazu to 854×480 pikseli.

Po otwarciu obudowy, odkręceniu płyty głównej i demontażu lampy, wewnątrz widzimy wentylator, baterię oraz głośnik.

Na płycie głównej znajdują się złącza odpowiedzialne za komunikację z poszczególnymi elementami projektora – diodami LED, chipem DMD, złączami wejść i wyjść. Na spodniej części płyty głównej znajduje się wlutowana kość pamięci o pojemności 2GB.

Układ generujący obraz jest niewielki. W połączeniu z radiatorem chłodzącym diody LED i soczewkami zajmuje około 9 x 5 cm.

W przeciwieństwie do projektorów lampowych, posiadających jedno źródło światła, które przechodzi przez filtr nadający mu kolor, projektory LED posiadają 3 źródła światła. Każda z diod generuje światło w określonym kolorze: czerwonym, niebieskim i zielonym.

Światło z diody zostaje skupione przez soczewkę i pada na półprzepuszczalne lustro. Następnie poszczególne promienie łączy się ze sobą w celu uzyskania odpowiedniej barwy.

Po odbiciu od lustra, światło trafia na chip DMD będący elementem technologii DLP. Chip DMD (Digital Micromirror Device) składa się z matrycy mikro-luster. Każde z mikro-luster odpowiada za jeden piksel wyświetlanego obrazu. Łatwo policzyć, że w tym wypadku na powierzchni około 1,5cm2, zajmowanej, przez DMD znajduje się 409 tysięcy mikro-luster. Dodatkowo, każde z nich potrafi błyskawicznie zmienić swoje położenie w celu zmiany obrazu generowanego przez piksel, za który odpowiada. Poprzez „błyskawicznie” rozumiemy 1/60 część sekundy, w przypadku obrazu wyświetlanego z częstotliwością 60Hz.

DMD generuje obraz w skali szarości, któremu kolor nadawany jest za pomocą światła padającego z diod LED.

Mimo, że jest to mechanizm o trudnym do wyobrażenia poziomie skomplikowania, to prace służące wprowadzeniu rozdzielczości FullHD do projektorów kieszonkowych są już bliskie ukończenia. Rozdzielczość 1920 x 1080 pikseli oznacza 5-krotnie większe zagęszczenie mikro-luster na powierzchni DMD, niż w przypadku prezentowanego Philipsa PicoPix 2480.

Zaletami technologii DLP są wysoki poziom kontrastu oraz szybkość reakcji mikro-luster – dzięki temu obraz jest ostry i płynny.

Po odbiciu od DMD kolorowy obraz jest odbijany w pryzmacie i trafia na obiektyw, czyli prosty układ soczewek mający na celu rozproszenie światła na powierzchni służącej do wyświetlania. W przypadku PicoPix 2480 za pomocą obiektywu reguluje się również ostrość obrazu.

Mimo zaawansowania przedstawionej technologii widać, że przed producentami wciąż jest jeszcze sporo wyzwań. Głównymi problemami, przed którymi stoją konstruktorzy są:

  • Ilość światła generowana przez pojedynczą diodę; obecnie maksymalna jasność spotykana w projektorach kieszonkowych nie przekracza 100 lumenów;
  • Rozdzielczość obrazu, czyli stopień upakowania mikro-luster na niewielkiej powierzchni chipu DMD.

Słowniczek pojęć:

LED – dioda emitująca światło (Light Emitting Diode). W diodach LED światło emitowane jest za pomocą półprzewodnikowym przyrządów optoelektronicznych, zamiast lampy z żarnikiem. Przewagi LED to długa żywotność, niski pobór prądu, odporność na uszkodzenia mechaniczne, małe rozmiary. Główną wadą jest mniejsza ilość generowanego światła.

DLP – Technologia Digital Light Processing została opracowana a następnie opatentowana przez firmę Texas Instruments w roku 1987. Wyświetlanie obrazu za pomocą technologii DLP opiera się na rozwiązaniu z wykorzystaniem chipu DMD.

DMD – Digital Micromirror Device – jest to matryca składająca się mikro-luster, na którą pada światło z diod LED. Każde z luster odpowiada za odcień jednego piksela w jednym z 1024 odcieni szarości. Regulacja odcienia odbywa się za pomocą wychylenia mikro-lustra. Światło pod odbiciu od DMD trafia przez pryzmat na obiektyw, przez który wyświetlany jest obraz.