Zasada działania: technologia LCD

• Źródło światła

W nowoczesnych projektorach źródłem światła jest zazwyczaj lampa wyładowcza. Zdarzają się jeszcze najtańsze konstrukcje, które używają zwykłych żarówek. Lampy wyładowcze zaczęto stosować w projektorach z trzech powodów.
Po pierwsze mają znacznie większą skuteczność niż żarówki, nowoczesne lampy projekcyjne są w stanie wyemitować nawet 100lm z 1W, podczas gdy specjalistyczne żarówki halogenowe są w stanie dociągnąć do 20lm/W. Pięciokrotnie większa ilość światła z takiej samej mocy jest nie do pogardzenia.

Druga zaleta lamp wyładowczych to bardzo małe wymiary miejsca, z którego wydobywa się całe światło. Żarówki dużej mocy mają stosunkowo duży żarnik, przez co gęstość strumienia światła jest stosunkowo mała. Implikuje to konieczność stosowania skomplikowanych układów optycznych do jego skupiania. W odpowiednio skonstruowanej lampie wyładowczej łuk, a więc element z którego faktycznie wydobywa się światło ma długość nie większą niż 1-1.5mm, przez co gęstość strumienia z takiej lampy jest znacznie większą. Do jego skupienia można użyć mniejszych reflektorów i mniej skompilowanych soczewek. Znacznie upraszcza to konstrukcję projektora, a co jest prostsze w budowie zazwyczaj jest także tańsze.

Trzecią zaletą lampy wyładowczej jest temperatura barwowa generowanego przez nią światła. Aby uzyskać możliwie wierny i naturalny obraz na ekranie projekcyjnym, światło użyte do jego wytworzenia powinno mieć temperaturę z przedziału 5200 do 6500K. Innymi słowy musi być dokładnie takie, jakie emituje nasze słońce. Niestety klasyczne żarówki halogenowe nie są w stanie wytworzyć światłą o temperaturze barowej większej niż 3400K, po prostu nie ma odpowiednich materiałów na żarniki wytrzymujących daną temperaturę. Obraz z projektora oświetlanego żarówką ma charakterystyczne żółtawe zabarwienie. Łuk w lampie wyładowczej może palić się z temperaturą nawet 10000 stopni Celsjusza, ale tak na prawdę ważny jest fakt iż światło w takiej lampie zjonizowany gaz. Podobnie jak na słońcu. Poprzez odpowiednie dobranie mieszanki gazowej możemy uzyskać dowolną temperaturę barową światła. Najczęściej jednak w projektorach świecą lampy o temperaturze barwowej 6000K.

• Moduł obrazujący

Główny rozwój projektorów multimedialnych toczy się na polu modułów obrazujących, czyli tych odpowiedzialnych za zamianę sygnału elektrycznego. Na tym polu wykształciły się dwie wiodące technologie obrazowania -  LCD i DLP. Ostatnio popularność zyskuje także hybryda obu tych rozwiązań o nazwie LCoS. Każda z nich ma swoje wady i zalety, które opiszę pokrótce poniżej.

• Technologia LCD

To oczywiście akronim z ang. Liquid Crystal Display, czyli wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Jest to jedna z najdłużej opracowywanych, a przez co chyba najbardziej rozpowszechniona metoda obrazowania w projektorach multimedialnych. Swoją historią sięga roku 1968, czyli czasów gdy królowały projektory CRT. Jednak pierwsze komercyjne rozwiązania pojawiły się na rynku dopiero dwadzieścia lat później, w roku 1989.

Projektory zbudowane w oparciu o technologię LCD do pracy wykorzystują fakt, że matryce ciekłokrystaliczne są w stanie przepuszczać światło. Gdyby nie to, nie byłbyś w stanie przeczytać tego tekstu na swoim monitorze LCD. Jak działa taki projektor? W dużym uproszczeniu wewnątrz znajduje się mała matryca LCD na której wyświetlany jest podawany z zewnątrz obraz. Światło z lampy przechodzi przez tą matrycę, a następnie wpada do obiektywu który za pomocą soczewek rzuca je na ścianę. Wszystko jasne.

Okazuje się jednak, że te technologia ma sporo wad. Przede wszystkim są trudności w budowie matrycy o odpowiedniej rozdzielczości o tak małych wymiarach. Matryce LCD w projektorach maja wymiary liczone w pojedynczych centymetrach. Jeśli uda się zbudować matrycę o odpowiedniej rozdzielczości to pochłania ona tyle światła, że staje się nieefektywna. Przy tak małych rozmiarach uwidacznia się kolejna wada. Stosunkowo niewielkie wypełnienie obrazu, zazwyczaj na poziomie 70%. Oznacza to, że poszczególne piksele matrycy zajmują 70% powierzchni obrazu, a pozostałe 30% to przerwy między nimi. Jeśli obraz z takiej matrycy powiększymy do rozmiarów kilku metrów na ekranie projekcyjnym, to okazuje się że gołym okiem widać pojedyncze piksele.

Oczywiście powstały sposoby radzenia sobie z tymi problemami. Przestrzenie międzypikselowe niwelowane są poprzez specjalne układy optyczne, a zbyt mała rozdzielczość matrycy i jej mała przepuszczalność poprzez niezależną obróbkę każdej z podstawowych składowych koloru. Tak opracowano technologię 3LCD. Projektor wyposażony w trzy matryce ma nieco bardziej skomplikowaną konstrukcję.

Białe światło z lampy projektora przepuszczane jest przez polaryzator, a następne na serię specjalnych luster dichroicznych. Lustro diachroniczne jest w stanie obić tylko pewien zakres fal, a resztę przepuszcza dalej. W typowym systemie używane są dwa takie lustra. Pierwsze wydziela z białego światła zakres fal odpowiedzialnych za kolor czerwony, drugie lustro wydziela ze światła zakres fal odpowiedzialny za kolor zielony, a to co zostaje już czysty kolor niebieski.

W ten sposób światło o trzech podstawowych kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim może zostać skierowane poprzez system klasycznych luster na dedykowane do danego koloru matryce LCD. Po przepuszczeniu przez daną matrycę LCD w projektorze powstaje obraz podzielony na trzy składowe, które łączone są za pomocą pryzmatu. W ten sposób powstaje gotowy obraz, który kierowany jest przez obiektyw projektora bezpośrednio na ścianę lub ekran projekcyjny. Prawda, że proste?

Niestety także i to rozwiązanie ma swoje wady. Jeśli pryzmat jest wykonany niestarannie, jest szansa że trzy składowe obrazu nie zostaną nałożone na siebie idealnie prosto, co z kolei prowadzi do generowania nie ostrego „rozwarstwionego“ obrazu. Całe szczęście z tą wadą można sobie bardzo prosto poradzić. Wystarczy wyprodukować odpowiednio dokładny pryzmat. Druga wada projektorów 3LCD wynika bezpośrednio z ich... zalety. Łatwiej przepuszczające światło, wydzielone do dedykowanych kolorów matryce nie są w stanie całkowicie zatrzymać wiązki światła, przez co projektor ma problem z generowaniem „czarnego“ koloru. W końcu w środku świeci biała lampa, a ekran projekcyjny również najczęściej jest biały. Zatem czerń uzyskuje się tylko i wyłącznie przez nie oświetlanie danego piksela. Z tą wadą próbuje się walczyć innymi mechanizmami, które opiszę nieco niżej. Ostatecznie rozwiązaniem wszystkich problemów z LCD ma być konkurencyjna technologia.