Лазерная кинопроекция

Виктор Устинов

В последние годы в Германии, США и Японии проводятся широкомасштабные научно-исследовательские работы по созданию новых средств кинопроекции. В настоящее время считается, что одним из самых перспективных является лазерный способ проекции изображения. В предлагаемом обзоре, составленном на базе самых последних публикаций, рассмотрены три темы, имеющие непосредственное отношение к использованию лазерной проекционной техники в кинотеатрах: основные принципы функционирования лазерных проекторов; психооптические характеристики восприятия лазерного изображения зрительным аппаратом человека; вопросы практической реализации лазерной кинопроекции.

Почему лазерная проекция?

Принцип лазерной кинопроекции появился несколько лет назад, но пока не успел завоевать широкого признания и в настоящее время применяется только для решения ограниченного круга задач. До сих пор отсутствуют реальные пути внедрения лазерных проекторов в практику широкого кинематографа, но, по мнению специалистов, такие проекторы имеют огромный потенциал в будущем. Уже была продемонстрирована лазерная технология отображения LDT (Laser Display Technology), при которой три самостоятельных RGB-потока формируют экранное изображение (оно может быть не только цветным, но и черно-белым). Но более перспективной является новейшая технология лазерной проекции, при которой лазерные лучи модулируются с помощью светового затвора (клапана) с дифракционной решеткой (GLV — Grating Light Valve).

Рис. 1. Цветовая гамма лазерного проектора значительно шире, чем кинопленки: 1 — лазерная технология отображения; 2 — кинопленка

По мнению специалистов ведущих фирм, занимающихся разработкой и производством проекционной техники, в недалеком будущем лазерные проекторы могут постепенно вытеснить обычное кинопроекционное оборудование. Это убеждение основано на том, что лазерная технология проецирования изображений на экран обеспечивает более широкую гамму воспроизводимых цветов (рис. 1), а также глубокий черный цвет благодаря возможности использования экранов черного цвета и исключению отражения света другими местами экрана, что дает высокую степень градации черного цвета. Из-за резкой фокусировки луча лазерное изображение имеет четко очерченные контуры, а проекция может выполняться на падающий поток воды, движущиеся объекты, сферические поверхности. Лазерная проекция имеет еще одно достоинство, делающее ее идеальной для зрителя: низкую зернистость изображения, что повышает естественную привлекательность изображения.

Немного теории и истории

Лазерные технологии постепенно проникают во многие области деятельности человека, и в настоящее время одним из самых известных направлений лазерных технологий является запись и воспроизведение аудиовизуальной информации.

Вначале, 30…35 лет назад, появились лазерные видеодиски, применявшиеся в качестве источников видеоинформации, а также диски для хранения компьютерных данных, по своим характеристикам превосходящие современные CD-ROM. Однако в дорогих и сложных в конструктивном отношении первых моделях лазерных проигрывателей использовались системы газового лазера, которые вскоре уступили место твердотельным лазерам. Впервые СD появились в 1982 году, и практически сразу информация на них стала записываться с помощью твердотельного лазера.

Лазер (LASER — аббревиатура слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света вынужденным излучением) — источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, действие которого основано на использовании индуцированного излучения света системой возбужденных атомов или других частиц вещества (активной средой), помещенной в оптический резонатор.

Под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты активная среда активируется, создается мощный поток атомов в возбужденном состоянии. Когда вся энергия реализуется, то появляется поток фотонов, то есть свет. При многократном прохождении усиливаемого излучения между зеркалами оптического резонатора формируется мощный направленный пучок лазерного излучения. Обычно лазерное излучение выводится из резонатора через одно из зеркал, которое делают частично прозрачным.

Световой поток обладает рядом характеристик, наиболее важные из которых — длина волны и когерентность. Длина волны определяется количеством энергии, излученной при выходе атомов из возбужденного состояния, а когерентность — согласованностью протекания всех волновых или колебательных процессов. По СD- и DVD-плеерам мы знаем, что лазерные диоды имеют много общего с обычным светоизлучающим диодом (СИД), основное отличие заложено в зеркалах, которые в лазерных устройствах изготовлены из полупроводникового материала; излучение является вынужденным, а не самопроизвольным.

Первое поколение лазеров — это газовые лазеры с дуговым разрядом Ar+ и K+. Они испускали свет с длинами волн 647, 514 и 473 нм; их эффективность не превышала 0,1%, срок службы — не более 1000 ч, а объем составлял около 1 м³. В лазерах второго поколения эффективность преобразования электричества в свет была увеличена до 50%, а размеры активного кристалла составляли несколько миллиметров. Самая высокая эффективность была достигнута на лазерах с использованием арсенида галлия (GaAs) с длиной волны 630 нм. В них использовалось сочетание In 0,47 Ga 0,53 As; Ga 0,51 In 0,49 P; Al 0,45 Ga 0,55 As.

Рис. 2. Строение синего твердотельного лазера

Применение диод-лазерного источника с накачкой и частотным преобразованием позволило создать азотный лазер для получения зеленого и синего световых потоков. Третье поколение лазеров — твердотельные и стекловолоконные лазеры с редкоземельными элементами, нанесенными в виде слоя на стекловолокно. Диапазон длин волн у волоконных лазеров составил 840, 975 и 1120 нм. Лазер с накачкой работает 10 тыс. ч при 808 нм. В лазерах четвертого поколения (минимальная мощность -0,5…1 Вт) используются полупроводниковые материалы.

Относительно новым направлением в записи данных на жесткий носитель является технология с использованием синего лазера, позволяющая значительно повысить плотность записи, не ухудшая качество контента. С середины 1990-х гг. для получения синих лучей был использован галлий-азотный (GaN) лазер (рис. 2). Компания Sony попыталась использовать цинк-селеновый лазер, но эта попытка успехом не увенчалась. Лазеры, применяемые в новейших СD- и DVD-плеерах, используют галлий-арсенидный источник (GaAs). Компания Nichia Group ведет разработку синих лазеров в двух направлениях: на сапфире (Al₂O₃) и на шпинели (Al₂MgO₄). Работы по проекту Mistral предусматривают использование искусственных кристаллов LiTaO3.

Над созданием синих лазеров работают и другие компании, такие как Matsushita (410, 425 нм), NGK Insulator, Sanyo (405 нм, Low Noise Beam), Sony, Cree, Sharp, Toyoda Gosei, Samsung и Xerox. Компания Osram продемонстрировала первый синий лазер в 1999 году, а в начале 2001 года — первый CW-лазер, не нуждающийся во внешнем охлаждении.

Лазерные устройства для записи/воспроизведения данных

В информационных технологиях используются лазеры небольшой мощности (1…1,5 Вт), но способные чрезвычайно тонко сфокусировать лазерный луч и точно дозировать энергию в непрерывном режиме. В индиевых проекторах свет направляется и создается в необходимом количестве прямо в источнике. Наиболее важными частями в первом серийно выпущенном лазерном проекторе — SDT-Schneider — являются лазеры, модуляторы, блок управления, оптическое волокно, многоугольное подвижное зеркало и зеркало гальванометра.

Цветовой спектр лазера может превышать телевизионный и даже 35-мм кинопленки, почти вся энергия переводится в свет. Лазерные проекторы обладают низким энергопотреблением, не выделяют тепло, не имеют проблем с обеспечением безопасности, так как отсутствует опасность возгорания. Узкая диаграмма направленности лазерного источника позволяет проецировать его даже под очень широким углом. Поэтому ТВ-приемники с лазерной проекцией изображения имеют плоский экран, а в новых кинотеатрах это может значительно сэкономить рабочее пространство за счет малогабаритного проекционного блока. В настоящее время имеется несколько компаний, предлагающих собственные разработки лазерных проекторов. В чем же их отличия?

LDT-технология

Рис. 3. Высококачественная лазерная проекционная система Jenoptic LDT

В 2002 году была создана компания Jenoptik LDT, которая в своих разработках лазерной видеопроекции совместила технологию LDT (Laser Diode Technology) с оптикой фирмы Zeiss. В то же время был предложен новый подход к разработке домашнего кинотеатра нового поколения, основанного на светодиодах большой мощности (рис. 3).

Различные системы Jenoptik используют прямую проекцию модулированных потоков лазерных лучей и таким образом, в отличие от концепции Sony/Silicon Light Machines, сам свет является изображением. Кроме того, система может поддерживать любой формат и разрешение изображения, без необходимости регулировки источника света и отображаемого изображения.

Диодные лазеры с накачкой, а для домашнего кинотеатра — со светоизлучающими диодами, генерируют красный, зеленый и синий свет. Длина волн — 628, 532 и 446 нм. Три лазерных луча модулируются, а затем комбинируются в один пучок света с жесткой фокусировкой. Это приводит к очень высокой резкости изображения, неограниченной глубине фокусировки и возможности проецировать изображение на криволинейный экран, даже на падающий поток воды, если он используется в качестве экрана.

Изображение создается модуляцией света с поочередной записью пикселов в соответствии с разрешением источника и форматом изображения, причем любое изображение имеет практически один размер, пригодный для получения заданной четкости. Построчная запись видеоинформации может быть осуществлена с помощью двухосного сканера, который перемещается над поверхностью проецируемого изображения со скоростью около 90 км/с. Сканированная информация поступает на проекционную головку по оптоволоконному проводнику. Для получения полной иллюзии присутствия и полностью кругового изображения (360°) можно незаметно для глаза состыковать несколько видеоканалов.

Система LCoS

Рис. 4. LCoS-чип с изображением

На выставке CES в Лас-Вегасе фирма Toshiba показала ТВ-приемник с обратной проекцией, использующий технологию LCoS (жидкий кристалл на кремнии) (рис. 4). В приемнике модели 57HLX82 используется обычная 150-Вт лампа, но в ближайшем будущем компания предполагает использовать твердотельный 4-Вт лазер. Такой приемник потребляет меньше энергии, срок службы лазерного источника практически неограничен, а уровень шума от вентиляторов охлаждения очень низкий.

Основное различие между лазерными проекционными системами, созданными фирмами Toshiba в 2004 году и Laser Display Technology в 1999 году, заключается в том, что в приемнике Toshiba применен непрямой принцип действия, означающий, что лампы накаливания заменены относительно широким пучком лазерных лучей, а остальная оптика остается практически той же, с использованием равномерно освещенного зеркального чипа для обработки трех цветов (красного, зеленого и синего) и равномерным освещением всей поверхности экрана.

В системе LCoS используются искусственные кристаллы и электроды, поверхность которых покрыта отражающими кремниевыми пластинками (чипами); электронная схема привода формирует изображение, впечатанное в чип. Поляризаторы размещаются в световых дорожках. Четкость изображения значительно выше, чем на обычных ЖК-экранах. Свет — красный, зеленый, синий — проходит через поляризатор и отражается от алюминиевой поверхности чипа, проходит через второй поляризатор и направляется в оптическую часть, которая увеличивает и фокусирует изображение на экране.

Недостатком является то, что изображения нельзя проецировать на криволинейные или сферические поверхности, а реализация параметров системы возможна лишь с применением дискретного лазерного луча. Достоинства: более легкое управление, чем системы с лазерным пучком; модуляция самого светового источника.

Световой клапан с дифракционной решеткой

Рис. 5. Схема лазерного ТВ-приемника

Рис. 6. Цветоконтроллер

Рис. 7. Отражение и дифракция световых лучей при использовании GLV-технологии

На международной выставке потребительской электроники CES, состоявшейся в Лас-Вегасе в 2004 году, был представлен прототип телевизора, созданный фирмой Silicon Light Machines на основе микроэлектромеханической (МЕМ) технологии с использованием светового затвора с дифракционной решеткой GLV. В основе новой схемы передачи сигнала лежат контроль светового потока, выходящего из трех полупроводниковых лазеров, и управление параметрами этого потока таким образом, чтобы на любой гладкой поверхности, в том числе стене или экране, получалось проекционное высококачественное ТВ-изображение любого формата — 4:3, 16:9, 2,31:1 и выше (рис. 5 и 6).

Из рис. 5 видно, что три полоски световых лучей, окрашенных в разные цвета, в световом затворе подвергаются частичному дифракционному разложению. На фильтре Фурье из отраженного света выделяются три световых потока и цвета комбинируются таким образом, чтобы создать ТВ-изображение, состоящее из 1080i элементов. Смена кадра осуществляется с частотой 115 кГц, благодаря чему на стене или экране можно видеть изображение с качеством ТВЧ.

На рис. 6 показано строение светового затвора. Цвет каждого пиксела, составляющего ТВ-изображение, создается группами подвижных лент, образующих световой затвор и дифракционные решетки. Каждая группа состоит из шести параллельных лент нитрида кремния, покрытых отражающим слоем и закрепленных на кремниевой основе. Группа приводится в состояние дифракции посредством изменения количества отклоняющих лент в зависимости от нужной интенсивности светового потока, создающего ТВ-изображение.

Чип GLV является устройством, в котором отражающие ленточки крепятся на поверхности кремниевого чипа. Каждая ленточка имеет длину 100 мм и ширину 3 мм, а их толщина составляет 3 фм. Ленточки находятся над чипом с воздушным зазором около 650 нм; к ним прикладывается постоянное растягивающее усилие, и если электростатические силы не действуют, то ленты имеют ровную поверхность. Ленточки изготавливаются из нитрида кремния — керамического материала, выбранного из-за своей высокой механической прочности и долговечности, и покрываются тонким слоем алюминия, выполняющего роль оптического отражателя и электропроводника. Такая МЕМ-схема усиливает волновые характеристики света (рис. 7).

Когда к чипу, расположенному под ленточкой, прикладывается напряжение, ленточка частично смещается в направлении чипа на часть длины волны падающего света, изменяя отражающие характеристики поверхности чипа, перенаправляя свет для включения или выключения пиксела. Чем выше прикладываемое напряжение, тем больше отклонение ленточки.

Из-за того, что сила электростатического притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое относительно мало, можно получить очень большие силы притяжения и большое ускорение. Это уравновешивается значительными растягивающими силами восстановления равновесного состояния, приложенными к ленточкам. Основными достоинствами конструкции являются долговечность, однородность и повторяемость. Сочетание низкой массы, малого отклонения (порядка 1/800 длины ленточки) и больших сил притяжения и восстановления приводит к очень высокой скорости переключения. Если пиксел не имеет адреса, поверхности неотклоняющихся ленточек образуют плоское зеркало, отражающее случайные лучи. Если GLV-пиксел имеет адрес, ленточки отклоняются вниз, создавая дифракционную решетку квадратной формы. Если принять, что отражение света составляет 20%, горизонтальное разрешение — 1920 элементов и частота обновления 100 Гц, то каждый вертикальный столбик видеоданных отображается за 4,2 мс, а время переключения снижается, так как скорость обновления пикселов повышается до 250 Гц.

GLV-устройства могут работать как в цифровом, так и в аналоговом режиме. Каждый пиксел в строке способен воспроизводить прецизионные величины шкалы серого со скоростью несколько миллионов раз в секунду, что в несколько тысяч раз быстрее, чем при любом другом способе модуляции. Растрированием менее значительных бит по последовательным обновлениям экранного изображения можно получить 10-разрядную серую шкалу с 3…4-кратной скоростью обновления кадра вместо 8-разрядной.

Деформированные ленточки образуют дифракционную решетку, и для получения элемента изображения световые лучи различной разрядности могут сочетаться между собой. Изобразительная информация изменяется через каждые 0,00002 с. Чтобы получить проекцию, GLV-пикселы выстраивают в вертикальный столбик, составленный из 1080 пикселов. Свет из трех лазеров (красного, зеленого и синего) падает на этот столбик, и 1-D изображение сканируется зеркалом со скоростью 60 кадров/с. Как только сканирующее устройство перемещается в горизонтальном направлении, пикселы отображают вертикальную колонку изобразительной информации. Фиксируется лишь вертикальное разрешение, и столбик из вертикально ориентированных элементов изображения развертывается в горизонтальном направлении до формата 4:3, 16:9 или 2,35:1.

Главным достоинством такой технологии является то, что 1080 элементов изображения могут сформировать стандартный кадр 1920×1080 и не приводить к видимой пикселизации: не будет видно границ пикселов на строке благодаря природе дифракционной решетки и тому, что в направлении сканирования соблюдается непрерывность считывания даже между цифровыми уровнями.

В то время как в DМD-устройствах необходимо использовать непрозрачную подложку, снижающую мощность светового облучения, GLV-ленточки расположены вертикально, отсутствуют паузы в горизонтальном направлении, а чип имеет очень высокую плотность заполнения (95%). GLV-технология является средством для получения пространственного светового модулятора с высокими эксплуатационными характеристиками на поверхности кремниевого чипа. Она базируется на простых оптических принципах, усиливающих волновые характеристики света, использует дифракционные искажения для различения отдельных элементов изображения, находящихся во включенном и выключенном состояниях. Для изготовления GLV-устройства используются стандартное оборудование и обычный КМОП-материал (КМОП — комплементарный металло-оксидный полупроводник), благодаря чему стоимость реализации GLV-технологии относительно невелика.

После первичной демонстрации на конференции SMPTE в Пасадене в 1998 году лазерного проектора, созданного компанией Silicon Light Machines, работы по его усовершенствованию замедлились на несколько лет из-за финансовых трудностей, а по причине высокой стоимости сам чип GLV для оборудования, связанного с воспроизведением изображений высокой четкости, пока не востребован. Компания Silicon Light Machines, занимающаяся разработкой, производством и продажей волоконно-оптического коммуникационного оборудования, предоставила компании Sony лицензию на исключительное право использовать GLV в системах отображения зрительной информации, от домашних ТВ-приемников до больших проекторов в цифровых кинотеатрах. Компания Sony начала использовать GLV-чип при создании лазерной черно-белой проекционной системы с особыми характеристиками отражения света для проекции изображения на черном экране. Оборудование, представленное на последней презентации, включало плоскую беспроводную аудиосистему 5.1 и было предназначено для домашнего пользования.

В качестве источников света в имеющихся системах используются твердотельные RGB-лазеры, благодаря которым становится возможным воспроизводить изображение в широкой цветовой гамме, с насыщенными цветами.

Сравнение систем

В табл. 1 приводится сравнение трех лазерных систем, наиболее перспективных для устройств проекции изображения.

Таблица 1.
Тип лазера	Источник изображения	Формат изображения	Разрешение	Широкий поток	4D	Сфера
LDT	Лазер со смещением	Любой	Без ограничений	Да	Да	Да
КМОП	КМОП-чип	Постоянный: 4:3 или 16:9	Количество пикселов на чипе	Нет	Нет	Нет
GLV	Сканируемая колонка пикселов	4:3, 16:9, 2,35:1 и т.д.	Количество пикселов в колонке	Нет	Нет	Нет

С появлением экранного звука и покрытия акустически прозрачной черной тканью плоских громкоговорителей проекционная техника продвинула отображение мультимедиа к новым рубежам. Преимущества заключаются в том, что в соответствии с принципами психооптики и психоакустики была создана «совершенная» система. В первое время изображение имело более высокое качество, чем при обычной проекции за счет улучшения отображения темных сцен. Созданная система обладает потенциалом, обеспечивающим системы домашнего театра возможностью создания реального звука в кино.

Психооптический эффект восприятия лазерного изображения

Известно, что владельцы кинотеатров стараются закупать оборудование, основываясь на количестве пикселов, формирующих изображение, контрастности и яркости изображения. Однако в действительности более важно понимать, как эти факторы влияют на восприятие изображения зрителем.

Параметры проектора устанавливаются конструкторами в результате испытаний, базирующихся на известных физических законах. Но будет излишним требовать от изображения больших эмоций. Однако возможность вызвать у зрителя эмоции обеспечивает успех фильма и привлечение людей в кинотеатры.

Исследования мозга показали, что основным узлам его «интеллектуальной» части является Тело Полосатое (Corpus Striatum), и целью артистов является воздействие именно на эту часть мозга с тем, чтобы вызвать нужные эмоции. Чем больше артист способен вызвать визуальный контакт с виртуальной публикой, тем в большей степени возбуждается эта часть головного мозга и тем сильнее эмоциональное восприятие аудиовизуального произведения, например кинофильма.

Алгоритмы и модели, пробуждающие эти реакции, перерабатываются человеческим мозгом. Наша система визуального восприятия может обладать значительно меньшей чувствительностью к цвету, чем к контрасту, но когда цветное изображение (особенно сканированное) передается правильно, то наше подсознание быстро определит, является это изображение реальным или нет.

Любое нарушение правил, согласно которым Омом сформулировано понятие красоты, в реальности означает утрату привлекательности и притягательности. Поэтому только физическое описание системы не может дать достаточно полную и надежную информацию о визуальном качестве проецируемого изображения, точно так же, как нельзя это сделать для воспроизводимого звука. Звук оказывает особое влияние, и едва различимое искажение звука сильно воздействует на восприятие кинозрителем всего фильма. Для того чтобы установить связь между техническими параметрами и воспринимаемым качеством фильма, необходимо охватывать не только весь экран с проецируемым изображением, но и звуковую систему сопровождения изображения. Чтобы оценить преимущества лазерной системы кинопроекции, особое внимание необходимо обратить на оптическое качество изображения.

Человеческий глаз оценивает следующие параметры проецируемого изображения на киноэкране:

• яркость/объемная плотность световой энергии;
• контраст/различие между глубоким черным и ярко белым цветами;
• цвет/цветовой диапазон;
• разрешение (четкость);
• отсутствие искажений;
• частота смены кадров.

Ухо человека анализирует качество воспроизведенного звука по следующим параметрам:

• частота;
• фаза;
• четкость;
• отсутствие искажений, обусловленных как самим источником звука, так и углом, под которым он идет.

Наши чувства определяют уровень качества в результате сочетания всех параметров. Как правило, мы не можем сознательно различать их между собой. Если говорить о качестве проектора, то один параметр ничего не скажет нам о качестве того изображения, которое мы видим на экране.

Яркость

Мера яркости изображения — это объемная плотность световой энергии, описываемая мощностью светового потока из проектора, пространственным углом этого потока и освещенностью поверхности, на которую падает свет. Источник света имеет нематериальную природу. Галогенные лампы обладают специфическими цветовыми свойствами и, как правило, не оказывают никакого влияния на привлекательность принимаемого изображения.

Одним из недооцененных факторов является то, что наши зубы и кровь — это субстанции, способные фосфоресцировать. До сих пор нет искусственных зубов, которые будут сверкать как настоящие, особенно в темноте на дискотеке или в баре. Свечение крови придает лицу специфические свойства, которые делают лицо привлекательным, и эти качества не могут быть воспроизведены при использовании технологий LCD, DMD или GLV. Это одна из причин, по которой изображение из стандартной ЭЛТ-трубки в кинопроекторе или телевизоре иногда дает нам более живое и сильное впечатление.

Глаз регулирует яркость света окружающей среды, так как он не воспринимает яркость в абсолютных величинах. Каждому это знакомо, например, если летом резко входить с яркого света в дом или тоннель. С другой стороны, глаз хорошо различает варьирование яркости.

Здесь имеет место эффект так называемой психооптики, в последнее время вызывающей интерес искусствоведов в области кино. В результате специальной обработки информации нервная система человека находит различия между объектами, созданные природой или человеком. Далее, даже на первом уровне соседние нервы из системы зрительного аппарата мешают различать прямые линии. Эксперименты, проведенные в естественных условиях, показывают, что получить такую информацию невозможно, так как идеально прямых линий в природе не существует. Прямая сплошная или прерывистая линия, перемещение прямых линий на изображении, или артефакты на ЖК и DMD-экранах вызывают серьезное расстройство рецепторов нашей принимающей системы, привлекая к помехам восприятия много внимания и вызывая заметный дискомфорт. С другой стороны, лазерное изображение имеет особую природу, совместимую со способом восприятия нашими глазами информации в неискаженном виде. Строка фиксируется в мозгу как непрерывная линия, а четкость изображения близка к аналоговому способу воспроизведения, в котором мы принимаем изобразительную информацию.

Способность глаз воспринимать яркость зависит не только от величины объемной плотности световой энергии. Изображения с высокой степенью контраста воспринимаются ярче, чем с меньшим контрастом, хотя измеренные величины яркости этих двух изображений могут быть одинаковыми. Это означает, что при обеспечении возможности воспроизвести реальный глубокий черный цвет можно повысить воспринимаемую яркость изображения. Если говорить о цветовосприятии, то все сказанное выше относится к степени восприятия человеком насыщенности цвета.

Яркость также влияет на визуальную резкость восприятия изображения, обычно определяемую в виде угловой резкости. Угловая резкость — это угловое расстояние между двумя точками, которые человеком различаются как отдельные. Визуальная резкость, а также разрешающая способность глаз с уменьшением яркости снижаются.

Цвет

Лазерный проектор может значительно лучше воспроизводить цветовую гамму, чем любое другое известное устройство проецирования изображения. Для того чтобы воспроизвести цифровое изображение более высокого качества, в компании itk, создавшей сканер Millenium Machine Scanner, была сделана попытка расширить возможности сканирования изображения с кинопленки путем введения дополнительной информации.

Специалисты изучали световые лучи различной частоты в видимом спектре. Проектор генерирует свет с максимально возможным цветовым диапазоном. Основными параметрами являются: характеристики источника света, тип цветовой фильтрации или используемого смешения. Наше цветовое восприятие стимулируется сочетанием трех основных цветов: красного, зеленого и синего. При максимальном уровне все три цвета воспринимаются как белый цвет.

Каждый проектор, кроме трехтрубчатого, создает белый цвет, из которого фильтруются другие цвета. Первичные цвета являются широкополосными и не полностью соответствуют максимуму в принимающей системе глаза. Цвета кажутся менее насыщенными. Из-за своей природы проекторы на диодах или с лазерным источником света дают цвета в узкой полосе и спектрально чистые. Благодаря эффекту фосфоресценции цветовое пространство, полученное с помощью светодиодов или лазера, имеет более значительные размеры; свечение зубов или кожи, светящиеся искусственные цвета, особенно в сочетании с золотом или серебром, дают очень яркий эффект.

Контрастность

Контрастность — это разность в яркости (максимум между светом и тенью) или изменение объемной плотности световой энергии, которые могут проявляться в пространстве или во времени одновременно или следуя друг за другом. Чем выше контраст, тем ниже остаточная освещенность.

Максимальная величина контрастности лазерного проектора равна 1:50000 благодаря тому, что когда сигнал отключается, остаточный свет полностью отсутствует. Поэтому черный цвет видится аспидно-черным, а не каким-либо оттенком черного.

Для визуального восприятия изображения важно, чтобы на изображении присутствовал местный контраст. Лазерные проекторы дают наибольшую разность объемной плотности световой энергии в соседних областях, на границе между отдельными пикселами. Чередование черных и белых строк шириной, равной размеру элемента изображения, возможно лишь на проекторах со светодиодами или лазерным источником. ЖК- и DМD/DLP-проекторы используют оптическую систему отображения визуальной информации, из-за чего элементы, через которые проходит изображение, обусловливают образование механической структуры картинки и видимых границ между отдельными пикселами. К таким элементам можно отнести ячейки ЖК-экранов, которые демонстрируют «эффект ширмы», или кромки микрозеркал, вызывающие уменьшение контрастности в большей степени, чем это происходит из-за пиксельной структуры. Отрицательного эффекта рассеяния и расслоения изображения можно избежать лишь с помощью оборудования D-ILA фирмы JVC.

Эффект дифракции из-за волновых характеристик света и ограниченное качество изображения оптических приборов приводят к оптическому размыванию границ участков с разной объемной плотностью световой энергии. Соответственно снижается уровень контрастности, а также резкость.

Разрешающая способность

Обычно разреш ающая способность (или разрешающая сила) проектора характеризует способность проекторов создавать раздельные изображения двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются (видны раздельно). Для аналоговой среды эту способность определяют по наименьшему расстоянию между соседними строками, которые еще видны раздельно, в цифровых системах — по числу пикселов на экране, то есть произведению количества вертикальных колонок на горизонтальные строки, состоящие из отдельных элементов изображения.

В табл. 2 приведены стандартизованные форматы для обычных видео- и цифровых проекторов.

Таблица 2.
Стандарты ТСЧ
	Строки	Эффективные строки	Горизонтальные строки/вторичные	Формат изображения
NTSC	525	480	15750	4:3
PAL	625	576	15625	4:3
Стандарты ТВЧ
	Столбцы	Строки		Формат изображения
HDTV 720p	1280	720		16:9
HDTV1080i	1920	1080		16:9
Компьютерные стандарты
	Столбцы	Строки		Формат изображения
VGA	640	480		4:3
SVGA	800	600		4:3
XGA	1024	768		4:3
SXGA	1280	1024		5:4
UXGA	1600	1200		4:3
QXGA	2048	1536		4:3

Чем больше количество пикселов, из которых состоит проецируемое изображение, тем выше разрешающая способность проекционного оборудования.

Теоретически максимальная разрешающая способность аналогового проектора может определяться количеством бесконечно малых элементов, составляющих изображение. Согласно положениям квантовой физики, в реальном мире наименьший временной промежуток равен 6,2×10^-43, а наименьший линейный размер 2,48×10^-33. Опираясь на эти данные, мы определяем пределы, где цифровой и аналоговый способы отображения визуальной информации могут соприкоснуться друг с другом в будущем. Но следует иметь в виду, что этих пределов аналоговая система может достичь путем обработки большего количества информации, в то время как цифровые системы отображения и устройства воспроизведения ограничены числом пикселов. Зрительная система восприятия игнорирует это ограничение.

Более высокое разрешение может лишь помочь улучшить визуальное восприятие, но при условии, если отдельные элементы изображения воспроизводят изобразительную информацию, различаемую глазами на заданном расстоянии.

Еще одна проблема — частота смены кадров. Качество восприятия изображения ограничивается скоростью прохождения информации в нашем мозге при обработке в реальном времени. Лазерный проектор выполняет это в совершенстве.

Соответствующее высокое качество и высокая степень контраста оптического изображения, разрешающая способность и контрастность элементов изображения совместно определяют резкость изображения.

Геометрия

Лазерный проектор является единственным, построенным на основе не расширяющегося источника света, и поэтому обладает способностью проецировать геометрически точные изображения на криволинейные или движущиеся экраны. Правильная и точная фокусировка изображения может осуществляться только лазером, который обеспечивает высококачественную многоканальную проекцию благодаря отсутствию искажений, заметных глазом на границах элементов изображения.

Таким образом, лазерный проектор дает такое цифровое изображение, дискретная структура которого не видна человеческим глазом. Поддерживается любое разрешение, отсутствуют артефакты, вызываемые согласованием разных величин разрешения источника и экрана, что неизбежно при использовании других технологий отображения.

Перспективные экранные лазерные системы

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам и высокому качеству получаемого изображения лазерные проекционные системы имеют реальные перспективы на промышленный выпуск и широкое распространение в ближайшем будущем. Однако создание новых систем, например систем 4D-отображения, то есть проецирования объемных изображений с временным доменом, потребует дополнительных капиталовложений.

К достижению этого вплотную подошла система Hitachi 4D Autostereoscopy, представляющая собой 3D/4D-проекционную систему и содержащая экран двойного зеркального строения. Формируемое светодиодами изображение проходит через сдвоенные объективы, предназначенные для левого и правого глаза. Мощность 9 Вт обеспечивает яркость экрана 100 кд/м²; в прототипе следующего поколения фирма Hitachi намерена использовать лазерный источник света. Очевидно, эта система является еще одним шагом к созданию устройства для получения лазерного голографического 4D-изображения (рис. 8).

Вращающиеся экраны

В 1998 году в Германии была впервые продемонстрирована система Fеlix, в которой использовался вращающийся экран. Через блок акустико-оптического преломления с небольшим лазером диодной накачки изображение проецируется на экран, вращающийся со скоростью 20 об/с (см. рис. 8). Изображение состоит из 10 тыс. вокселов (элементов объемного изображения); скорость обновления — 20 Гц.

Рис. 8. Лазерная 3D- (слева) и 4D-проекция

Несколько автостереоскопических объемных методов отображения находятся в стадии разработки; в них используется периодическая смена 2D-изображения в плоскостях, постоянно обновляющих весь объем пространства с частотой, более высокой, чем может зафиксировать глаз. Первичное 2D-изображение может быть создано на излучающей панели или на пассивном проекционном экране. Эффект глубины достигается в том случае, когда экран, который может иметь различную форму, колеблется в перпендикулярном направлении или вращается синхронно с циклическим 2D-изображением. В другом случае экран может быть зафиксирован в одном положении, но должен быть виден в вибрирующем плоском зеркале таким образом, что изображение тоже видится вибрирующим. В любом случае экран (или изображения на нем) служит плоскостью, с которой изображение постоянно сканируется для получения трехмерной «информационной доски» или растра, на которые можно вывести различные пространственные «картинки».

В этом случае объемное изображение формируется фиксированным числом вокселов, выстроенных по строкам, как в случае с пикселами ТВ-изображения. В системе Felix 3D Display 40 эквидистантных линий (линий, образованных равноудаленными элементами) образуют одну плоскость. Чтобы получить фиксированный трехмерный порядок вокселов, 40 полученных таким образом плоскостей совмещают друг с другом. Так как изображения состоят из прозрачных вокселов, объекты, проецируемые на экран, также становятся видимыми. Поэтому яркие вокселы должны выбираться тщательно, иначе отображаемые объекты будут выглядеть беспорядочно. В противоположность компьютерному монитору, в котором большая часть площади экрана используется для отображения информации, на 3D-экране отображаются только вокселы с адресацией (несущие информацию).

Устройство проекции, основанное на многоугольной системе сканирования, делает возможным демонстрацию 3D-изображения с растрированной графикой. Для экспериментов с Felix группа была снабжена прототипом современного лазерного устройства ТВ-проекции, созданного фирмой Laser Display Technology (Германия). Чтобы получить трехмерный растр, проекционное устройство должно отображать плоскости, состоящие из строк. Поэтому в проекционном устройстве с растрированным сканированием применяются два сканера: 32-кГц, высокоскоростной полигональный — для формирования горизонтальных строк, и гальванометрический — для отклонения луча ортогонально этим строкам. Гальванометрический сканер может работать с более низкими частотами. Чтобы обеспечить устойчивость растра, оба сканера необходимо тщательно синхронизировать с электронными средствами. Кроме сканеров, для объемного отображения вокселов требуется модулятор яркости (например, электрооптический) лазерного луча. С красным, зеленым и синим лазерами и тремя модуляторами яркости можно получать многоцветные изображения. Число вокселов в строке определяется скоростью модулятора. Чтобы создавать правильные объемные изображения, расстояние между двумя строками и двумя плоскостями должно быть как можно меньше. Трехмерный растр высокой плотности требует более эффективных сканирующих систем, чем имеются в настоящее время.

Объемные экраны следящего типа Felix 3D Display

Рис. 9. Лазерная проекция Felix 3D Display на спиралевидный экран

В области объемных экранов следящего типа достигнут определенный прогресс. Новое поколение экранов Felix — это различные виды вращающихся экранов спиралевидной формы с лазерной проекций изображения. Поворотный экран, выполненный в виде спирали с одним или двумя витками, вращается с постоянной скоростью (рис. 9).

Недостатком этой техники является присутствие зон окклюзии, в которых зрительное восприятие блокируется, а также «мертвых зон», не имеющих адреса, присваиваемого изобразительным лучом.

В системе Felix 3D Display проецируемое изображение можно видеть практически под любым углом. В зонах окклюзии отдельные участки изображения спрятаны от зрителя частями вращающейся спирали или осью. Число и размер зон окклюзии зависят от формы экрана и приобретают более критичный

характер при использовании экрана с двойной спиралью. Одна из мертвых зон приобретает форму цилиндра, соосного с осью вращения. Другие мертвые зоны образуются из участков проекционного экрана и располагаются между проекционным блоком и заданным положением объемного элемента. Эту проблему можно решить при использовании линзы Френеля. Другим недостатком двойной спирали является необходимость прецизионного изготовления экрана. Так как изображение будет обновляться через каждый полуоборот экрана, то обе половины экрана должны точно совпадать. Небольшая асимметрия формы экрана приведет к искажению изображения. При вращении с частотой 10 Гц частота обновления изображения составляет 20 Гц. Использование экрана с одним спиральным витком может сократить размер мертвой зоны, а также зон окклюзии.

Сканирующий блок лазерных проекторов

С помощью лазерных проекторов получаются очень четкие цветонасыщенные изображения, без какой-либо потери резкости при проецировании на поверхность практически любой формы. Это обуславливает решающее преимущество лазерной технологии над традиционными проекционными системами, особенно профессиональными, применяемыми, например, в планетариях и при моделировании.

Одним из направлений исследований в области лазерной проекции изображений является повышение качества работы одного из основных элементов — прецизионного сканера, который должен быть недорогим в серийном производстве и способным выводить изображение высокой четкости на экран. Центральный элемент сканера — подшипник — полностью может быть изготовлен из стекловидного керамического материала, чтобы гарантировать прецизионное функционирование даже при высокой скорости вращения и, соответственно, при повышении температуры, вызванной такой скоростью. Другой новинкой является аэродинамический подшипник с двойной сферой, у которого ротор (вращающаяся часть) является «самоподкачивающимся». При большой скорости вращения создается воздушная прослойка, которая обеспечивает подшипнику нужную несущую способность. Сканирование изображения выполняется через зеркальный многоугольник с 32 поверхностями и скоростью 60 тыс. об/мин.

Преодоление ограничений

Всем лазерным системам присуща проблема появления на изображении пятен, имеющих пониженную контрастность. Пятно возникает в том случае, когда когерентный световой поток, отраженный грубой поверхностью, обнаруживается детектором яркости изображения, имеющим конечную апертуру, например глазом кинозрителя. Изображение на экране разбивается на небольшие участки с размерами, равными пятну, обнаруживаемому детектором. Пятно самопроизвольно превращается из темного в светлое или наоборот. Флуктуация яркости от точки к точке называется «пятнистостью». Следовательно, зернистость изображения напрямую связана с размерами пятен, которые различает зритель. При лазерной проекции присутствие пятен даже небольших размеров приводит к маскированию информации изображения, в связи с чем необходимо снизить минимальный размер пятна, мешающий более полному восприятию изобразительной информации.

Перспективные системы защиты, разрабатываемые для повышения качества работы лазерных проекционных систем, предназначены для кодирования и декодирования видеоданных с помощью дополнительной резервной информации, защищающей и точно использующей информационные данные. Уменьшения контрастности пятен теперь можно добиться путем усреднения общего числа конфигураций пятен благодаря диверсификации характеристик света — угла падения, поляризации и длины волны. Уменьшение пятна основано на усреднении N конфигураций в пределах пространственного и временного разрешения детектора. Для решения проблем, связанных с угловым разнесением, можно применить проекционную оптику, последовательно освещающую n участков изображения, имеющих пониженную четкость в пределах времени накопления информации, которое для глаза человека составляет примерно 50 мс. Использование диффузора Hadamar в системе с GLV-проекцией привело к уменьшению контрастности остаточного пятна приблизительно на 8%.

Заключение

В относительно недалеком будущем лазерные проекторы могут постепенно вытеснить обычное кинопроекционное оборудование. Это утверждение основано на том, что лазерная технология проецирования изображений на экран обеспечивает более широкую гамму воспроизводимых цветов, высокую степень градаций черного цвета, высокую четкость и низкую зернистость изображения.

Из известных лазерных технологий отображения визуальной информации наибольшие перспективы имеет, по-видимому, GLV-технология, использующая твердотельные RGB-лазеры, благодаря которым становится возможным воспроизведение изображения в широкой цветовой гамме, с насыщенными цветами и высокой четкостью.

Лазерная кинопроекция может найти применение в перспективных системах, например, со спиралевидным экраном, в 4D-устройствах и др.

Литература

1. Tomorrow’s Technology Today//IEEE Spectrum, 2004, v. 41, No. 4, pp.38-41

2. Телевизор будущего?//ТКТ. 2004. № 12. С. 43.

3. Eymann  W. A Vision of the Future//SMPTE Motion Imaging Journal, v. 113, No 1, pp.22-26.

4. Eymann  W. Whatever happened to the laser projector?//Cinema Technology, v.17, No.4, Dec.2004, pp.38-41.

5. Eymann  W. 3D, 4D displays and beyond//Image Technology, v.86, No.6, Nov.2004, pp.38-41.

6. http://www.americanpowerlight.com http://www.iof.fhg.de

9. http://www.siliconlight.com

8. http://www.ieee.org

7. http://www.siliconlight.com

8. http://www.iof.fhg.de

9. http://www.americanpowerlight.com