Videoprojektorite tehnoloogiad

Viimaste aastate jooksul on digitaalsete projektorite populaarsus märkimisväärselt suurenenud. Võrreldes eelkäijatega on kaasaegsed projektorid tunduvalt kompaktsemad, funktsionaalsemad ning tarbija rõõmuks taskukohasemad. Kiire areng projektorite maailmas on tingitud tihedast konkurentsist erinevate kaubamärkide ja mis peamine, ka tehnoloogiaarendajate vahel. Järjest sagedamini võib lugeda artikleid ühe või teise tehnoloogia paremusest konkurentide ees. Samas tuleb öelda, et kõikidel rakendust leidnud tehnoloogiatel on omad tugevad ja nõrgad küljed ning absoluutset tehnoloogiapõhist valikukriteeriumit välja tuua ei saa. Pigem sõltub valiku tegemine projektori rakenduseesmärgist ja loomulikult rahakoti paksusest. Käesoleva artikli peamine eesmärk on tuua lugejani erinevate tehnoloogiate olemus ja hetkeseis.

Projektorites kasutatavad tehnoloogiad erinevad eelkõige light engine’i (LE) ehk nn valgusmootori tööpõhimõtte poolest. Olenemata tehnoloogiast on üks ja ühine komponent aga neil kõigil – mikroekraan(id), mille abil toimub projitseeritava kujutise loomine. Kui kõrvale jätta mitmesugustes prototüüpides kasutatud lahendused, siis tänasel päeval saab rääkida kolmest projektorites kasutatavast tehnoloogiast: LCD, DLP ja LCoS. Kui esimene ja viimane lühend kirjeldavad otseselt kasutatava mikroekraani olemust, siis DLP tehnoloogia ”südameks” on DMD tüüpi mikroekraanid. Järgnevalt nendest tehnoloogiatest lähemalt.

LCD (Liquid Crystal Display)

LCD projektorites kasutatakse HTPS (High-Temperature Poly-Silicon) TFT LCD ehk pikemalt lahtikirjutatuna kõrgtemperatuursest polükristall-ränist alusel aktiivmatriksiga vedelkristallekraane. Oma olemuselt on HTPS TFT LCD struktuur väga sarnane monitoridel ja sülearvutitel kasutatavale mittekristallilisest (amorfsest) ränist alusel vedelkristallekraanidega (α-Si). Polükristall-räni terad on aga suuremad ja elektronide liikumine seetõttu märksa vabam. Antud asjaolu võimaldab tunduvalt vähendada kiletransistoride (TFT) mõõtmeid ning samuti saab juhtimiseks vajalikud mikrokiibid integreerida otse paneelile. Soovimatute optiliste efektide vältimiseks on juhtelektroodid ja transistorid kaetud läbipaistmatu materjaliga ehk maskiga (black matrix). Oluline näitaja seejuures on ava suhe ehk suhe läbipaistva ala ja kogu pikselala vahel. Mida suurem on suhe, seda suurem on valgusläbivus. Uuematel LCD mikroekraanidel kasutatakse tagasipeegelduse ja sellega seotud valguskao vähendamiseks mikroläätsesid (MLA - Micro Lens Array), mille ülesanne on suunata kogu langev valgus läbi vedelkristalli.

LCD projektoritel formeeritakse projitseeritav kujutis vedelkristallekraani läbivalgustamise teel (Transmissive LCD). LCD mikroekraani iga element ehk piksel töötab klapina, mis vastavalt vajadusele laseb valgust läbi või siis mitte. Mikroekraani pildielementidena ehk pikselitena kasutatakse nemaatilist vedelkristalli, mille pikkade molekulide orientatsioon on spiraalikujuline. Kasutatakse ka tähistust 90° TN (Twisted Nematic) kuna molekulide väändenurk pealmise ja alumise kihi vahel on 90°. Vedelkristalli kummalgi pool asuvad polarisaatorplaadid, milledest esimene filter laseb läbi ainult pikisuunas levivaid valguslaineid, teine aga ristsuunalisi valguslaineid. Polarisaatorplaatide kasutamine on otseselt seotud nemaatilise vedelkristalli omadusega muuta läbiva valguse polarisatsioonitasandit 90°. Vedelkristalli läbides valguse polarisatsioonitasand pöördub ja seetõttu läbib see ka teise polarisaatorplaadi. Elektrivälja rakendamisel orienteeruvad vedelkristalli molekulid väljajõujoonte sihis ja spiraalne struktuur kaob. Kuna valguse polarisatsioonitasand enam ei muutu, siis vedelkristalli läbinud valgus teisest polarisaatorplaadist läbi ei pääse. Sellisel moel kontrollitakse LCD mikroekraani igat pikselit.

LCD projektori valgusmootori põhimõtteskeem. Allikas www.3lcd.com

Kõikides LCD projektorites kasutatakse kolme vedelkristallekraani ehk ühte iga põhivärvi jaoks. Projektori lambi valge valgus suunatakse kõigepealt läbi integraatorläätsede polarisatsiooni muutmise elemendile. Kuna projektori lambist saadav valge valgus kujutab endast kõikvõimalike levimissuunaga risti olevates suundades toimuvate võnkumistega valguslained, siis ainult ühes tasandis levivate valguslainete väljafiltreerimine tähendaks olulist valguskadu. Seetõttu kasutataksegi spetsiaalset polarisatsiooni muutmise elementi, mis laseb vabalt läbi pikisuunalised lained ning teisendab ristsuunalised lained samuti pikisuunalisteks. Polariseeritud valgus teisendatakse seejärel kahe dikromaatse peegli abil punaseks, roheliseks ja siniseks komponendiks, mis igaüks suunatakse peeglite ja läätsede abil vastavale mikroekraanile. Mikroekraanide poolt iga põhivärvi jaoks moduleeritud kujutised liidetakse dikromaatse prisma abil ning tulemus suunatakse läbi objektiivi ekraanile.

DLP (Digital Light Processing)

DLP projektorites kasutatakse ühte, kahte või kolme DMD (Digital Micromirror Device) mikroekraani. DMD mikroekraan koosneb paljudest ruudukujuliste alumiiniumpeeglikeste paneelist (üks peegel iga pikseli kohta), mille all asub staatiline muutmälu ehk SRAM. Ühe peegli pindala on ~16 µm2 ning peeglite omavaheline kaugus ~1 µm. Iga peegel on kinnitatud imetillukestele hingedele ning teda saab kallutada kahes suunas - kummalegi poole 10° (üüemates projektorites 12°). Peegli kallutamiseks kasutatakse kahte juhtelektroodi. Olenevalt mälubiti olekust (1 või 0) kallutatakse peeglit elektrostaatiliselt ühele või teisele poole ehk peegel on kas ON või OFF asendis. ON positsioonis suunatakse lambilt tulev valgus ekraanile, OFF positsioonis aga kallutatakse täielikult kõrvale (suunatakse valgust neelavale plaadile).

Iga graafika- või videosignaali piksel viiakse vastavusse konkreetse peegliga. Kui signaal koosneb näiteks 640 x 480 pikselist, siis aktiveeritakse ka 640 x 480 peeglit (paneeli keskmisel alal). Väljaspool seda ala asuvad peeglid lülitatakse OFF asendisse.

Halltooni saamiseks tuleb peeglit ON ja OFF positsioonide vahel ümberlülitada tuandeid kordi sekundis. Inimene tajub tulemust hallina, kuna silm ei suuda nii kiiret heleda ja tumeda vaheldumist fikseerida. Näiteks helehalli pikseli kuvamisel on peegel kaadri jooksul rohkem ON positsioonis. Tumehalli pikseli puhul aga enamjaolt OFF positsioonis.

Ühe DMD mikroekraaniga DLP projektori valgusmootori põhimõtteskeem. Allikas www.dlp.com.

Ühe DMD mikroekraaniga projektorites kasutatakse värvilise pildi saamiseks värviratast. Värviratas on jaotatud vähemalt punaseks, roheliseks ja siniseks segmendiks. Pildi ereduse parendamiseks kasutatakse tihtipeale ka valget ehk läbipaistvat segmenti. Värviratas pöörleb projektori lambi ja DMD mikroekraani vahel ning värvifiltrite abil määratakse peeglitele langeva valguse värv. Iga põhivärvi jaoks moduleeritud kujutise projitseerimine toimub järjestikuliselt. Kuna värviratas pöörleb piisavalt kiiresti (uuemates projektorites kuni 7200 pööret minutis), siis inimese silm ei suuda sellist ”pettust” tajuda. Värviküllastuse parendamiseks on mõningatel juhtudel värvirattale lisatud kas tumeroheline või siis kollane segment. Uuemates kodukinoprojektorites on kasutusele võetud kuue värviga värviratas, kus RGB põhivärvidele on lisatud tsüaan, magenta ja kollane segment, kusjuures läbipaistvat segmenti ei kasutata.

Kolme DMD mikroekraaniga projektorites lahutatakse projektori lambist tulev valge valgus prisma abil punaseks, roheliseks ja siniseks komponendiks. Iga komponentvärv suunatakse vastavale DMD mikroekraanile. Mikroekraanidelt peegeldunud kujutis kombineeritakse ja suunatakse läbi objektiivi ekraanile.

LCoS (Liquid Crystal on Silicone)

LCoS on üks uuemaid projektorites kasutatavaid tehnoloogiaid. Kui LCD tehnoloogia põhineb vedelkristallekraanide läbivalgustamisel ning DLP valguse peegeldumisel, siis LCoS tehnoloogias on teatud määral ühendatud mõlemad meetodid.

Analoogselt LCD mikroekraanidega kasutatakse ka LCoS mikroekraanidel pildielementidena nemaatilist vedelkristalli ning selle omadust muuta valguse polarisatsioonitasandit. LCoS puhul on vedelktistallelemendid siirdatud peegelduva pealispinnaga ning eelnevalt pikseldatud räniplaadile, mida nimetatakse ka backplane’iks ehk põhiplaadiks. Põhiplaadile on siirdatud ka kogu ohjeelektroonika ning vedelkristalli juhtimiseks vajalikud ühendused. Vedelkristallkihi peal asub läbipaistev elektrood ehk ITO (Indium Tin Oxide) kile, mis omakorda on kaetud peegeldusvastase kattega klaaspaneeliga. ITO ja põhiplaadi vahelise pinge rakendamise teel juhitakse vedelkristalli molekulide orientatsiooni. Mikroekraanile langeva ja sealt peegelduva valguse teele paigaldatakse polarisaatorplaadid, mis lasevad läbi samasuguse polarisatsioonitasandiga valguslaineid. Elektrivälja rakendamisel orienteeruvad vedelkristalli molekulid väljajõujoonte sihis ning kuna valguse polarisatsioonitasand ei muutu, siis peegeldunud valgus pääseb teisest polarisaatorplaadist läbi. Vastupidisel juhul pöörab molekulide spiraalikujuline struktuur valguse polarisatsioonitasandit ning peegelduv valgus blokeeritakse.

LCoS projektori valgusmootori põhimõtteskeem

Sarnaselt LCD projektorile kasutatakse ka LCoS projektoris kolme mikroekraani ehk ühte iga põhivärvi jaoks. Lambist tulev valgus suunatakse kõigepealt dikromaatsele peeglile, mis lahutab valge valguse kollaseks ja siniseks komponendiks. Kollane valgus suunatakse omakorda järgmisele peeglile, mis lahutab kollase valguse punaseks ja roheliseks komponendiks. Peale valguse lahutamist suunatakse komponentvärvid läbi polarisaatorplaatide igaüks eraldi prismale. Kasutatavate prismade eripära seisneb selles, et nad peegeldavad ühest suunast langevat valgust, kuid lasevad läbi teisest suunast tuleva valguse. Seega on mikroekraanile langeva ning sealt peegelduva valguse suunamiseks vaja kasutada ainult ühte prismat. Mikroekraanidelt peegeldunud valgus suunatakse omakorda dikromaatsele prismale, mis kombineerib põhivärvid ja suunab lõpliku kujutise läbi objektiivi ekraanile.

Olukord tehnoloogiaturul

LCD tehnoloogial põhinevaid projektoreid hakati turustama 90’nendate aastate alguses. Peamisteks arendajateks on tänasel päeval Epson (toodab ligikaudu 55% kõikidest projektorites kasutatavatest LCD mikroekraanidest) ja Sony. Viimased oluliseimad uudised LCD tehnoloogia arendamise kohta pärinevad eelmise aasta keskelt, kus nii Epson kui Sony esitlesid oma uue põlvkonna mikroekraane. Uute HTPS TFT LCD mikroekraanide (Epsonil koondnimega Crystal Clear Fine ehk C2 Fine ja Sonyl vastavalt Bi:NATM6) ava suhe on võrreldes eelkäijatega tunduvalt suurem ning projitseeritav pilt märksa kontrastsem (kuni 5 korda). Kasutaja jaoks varjatum, kuid mitte väheolulisem, uuendus on anorgaaniliste ühendite segust koosneva vedelkristallkihi kasutamine. Uute mikroekraanidega projektorid peaksid müügile jõudma selle aasta esimesel poolel.

DLP tehnoloogiat tutvustas laiemale avalikkusele 1996 aastal Texas Instruments, kes on siiani ka peamine DLP tehnoloogia arendaja ja DMD mikroekraanide tootja. LCD ja DLP on ka kõige levinumad tehnoloogiad ning seis ”kahe suure” vahel on hetkel 4:1 LCD kasuks - iga nelja LCD projektori kohta tuleb 1 DLP projektor. Samas on Texas Instruments’i agressiivne turunduspoliitika ja plaan otsustavalt suurendada DLP turuosa sundinud LCD tehnoloogia toetajad koonduma ühe katuse alla. Selleks on moodustatud konsortsium nimega 3LCD Group, kuhu kuuluvad sellised tehnoloogiagigandid nagu Epson, Fujitsu, Hitachi, Panasonic, Sanyo ja Sony. Milliseks kujuneb jõudude vahekord lähitulevikus on raske ennustada, kuid selge on see, et mõlmad pooled teevad tehnoloogiate arendamisel tõsist tööd.

Kolmas kirjeldatutest, LCoS, on üsnagi uus ning võrreldes LCD ja DLP tehnoloogiatega ja ei oma veel arvestatavat turuosa. Küll aga on LCoS’il mitmeid eeliseid ning kindlasti omab ta tulevikku. LCoS tehnoloogia peamisteks arendajateks on JVC ja Sony. Kuigi mõlema tootja mikroekraanid põhinevad LCoS tehnoloogial nimetab JVC oma mikroekraane D-ILA’ks (Digital Imaging Light Amplification) ja Sony SXRD’ks. LCoS tehnoloogiat on üritanud rakendada ka sellised tehnikagigandid nagu Hewlett-Packard, Toshiba, Intel ja Philips, kuid nende katsetused on paraku lõppenud tulutult. Laiema leviku peamiseks takistuseks on olnud LCoS projektorite suhteliselt kõrge hind, kuid viimasel ajal on selles osas näha olnud arvestatavaid muutusi ning tõenäoliselt on ainult aja küsimus millal LCoS kahele suurele kandadele astub.

Lõpetuseks veel ühest uuendusest, mis on endaga kaasa toonud täiesti uue projektorite klassi tekke. Nimelt on mitmed tootjad demonstreerinud nii LCD kui DLP tehnoloogial põhinevaid LED valgusallikaga varustatud projektoreid. LED valgusallikas võimaldab muuta projektori tunduvalt kompaktsemaks ja mõõtmetelt väiksemaks. Sisuliselt on pihuarvutite kõrvale lisandumas ka pihuprojektorid, kuid nendest täpsemalt juba edaspidi