Как видеопроекционные, так и виртуальные устройства и системы должны строиться с учетом особенностей восприятия изображения человеком, т.е. характеризоваться световыми (фотометрическими) параметрами, а не энергетическими, как это часто практикуется в зарубежных публикациях. Основные световые параметры - световой поток, сила света, светимость, яркость и освещенность - применяются только в видимом диапазоне спектра и учитывают различную чувствительность человеческого глаза как приемника излучения. Как известно, она максимальна в зеленой области спектра при l = 555 нм и падает практически до нуля на границах видимого диапазона при l = 380 и 780 нм. Для точечного источника света, размеры которого значительно меньше расстояния от него до точки наблюдения, световой поток Ф в люменах определяется мощностью излучения в заданном телесном угле W, измеряемом в стерадианах. Сила света I в данном направлении, измеряемая в канделах, равна отношению светового потока к телесному углу. Если источник света излучает равномерно во все стороны, то сила света определится как I = Ф/4p. Для неточечных источников света вводятся такие параметры как светимость и яркость, которые связаны с площадью излучающей поверхности и измеряются соответственно в Лм/м2 и Кд/м2 (в зарубежных публикациях часто используют единицу измерения фут-ламберт fL, 1 fL = 3,4 Кд/м2). Для комфортного наблюдения яркость экрана должна быть в пределах 30:300 Кд/м2 для кинотеатров и офисов.
Для проекционных устройств важно также знать освещенность в заданной точке экрана, которая измеряется в люксах (1 лк = 1 Лм/м2) и определяется как отношение светового потока к площади освещаемой поверхности. Хотя размерность единицы освещенности и светимости одинаковы, физическая сущность этих параметров совершенно различна.
Несмотря на то, что прямых методов измерения величины светового потока на экране не существует, она может быть легко рассчитана из результатов измерения освещенности экрана, например, люксметром, помещенном вместо экрана. Признанный в настоящее время ANSI-стандарт предполагает измерение в 9 различных точках экрана и вычисление средней величины, которая, как правило, оказывается ниже, чем для одной центральной точки. Для наблюдателя важен также контраст изображения, определяемый отношением освещенности белой и черной точки. При контрасте 3:1 считываются цифры и буквы, контраст 10:1 обеспечивает комфортное считывание информации, а 100:1 - не требует дополнительной адаптации человеческого глаза. Как правило, контраст изображения для фронтальных проекторов значительно больше зависит от внешней засветки, чем для проекторов с обратной проекцией.
Глаз человека в условиях комфортного наблюдения способен разрешать детали изображения с угловыми размерами около 1/60 градуса или 0,4 мрад. В таблице 3 приведены основные параметры изображений различного типа, наблюдаемых в нормальных условиях.
Таблица 3. Основные параметры изображений разного типа
Тип изображения
Расстояние до объекта
Размер изображения по горизонтали
Разрешение
Угол/элемент отобр. (мрад)
Страница текста
25 см
20 см
80 линий на см
1,71
ЭЛТ монитор
50 см
25 см
0,26 мм
1,78
Проекционный экран
2,5 м
1,2 м
1024 линий
1,91
Микродисплей
25 см
10 мм
800 лин., 12 мкм
0,16
Из табл. 3 видно, что если для первых трех типов изображений угол разрешения находится в пределах 1,7:1,9 мрад, что вполне приемлемо, то в случае микродисплея изображение не "читается" и должно быть увеличено оптикой, как минимум, в 10 раз. Следует отметить, что улучшить "читаемость" за счет приближения МД к глазу не удается, т.к. минимально возможное фокусное расстояние глаза составляет порядка 25 см. Это означает, что фокальное расстояние линзовой системы 10Х, располагаемой непосредственно вблизи глаза, должно быть не менее 25 мм, а ее диаметр - не менее 20 мм.
Важное значение имеет и поле зрения, т.е. угол наблюдения всего изображения по диагонали, напрямую зависящий от разрешения глаза, умноженного на количество ЭО по диагонали. Так, например, поле зрения для МД QVGA-формата (320 x 240 ЭО) составляет 13°, для МД VGA - (640 x 480 ЭО), SVGA - (800 x 600) и XGA - (1024 x 768) форматов - соответственно 26°, 34° и 43°. Слишком малое значение поля зрения означает недостаточное увеличение изображения, а слишком большое приводит к необходимости постоянного движения и перефокусировки глаза, особенно в условиях бинокулярного наблюдения. Если возможности адаптации глаза ограничены, то часть изображения, особенно по углам, будет не в фокусе, что у большинства наблюдателей вызывает симптомы усталости типа напряжения в глазах (у 7 из 10 испытуемых), потускнения картинки (у 5 испытуемых), появление головной боли (у 3 испытуемых). Кроме того, при долговременном наблюдении могут проявляться психологические эффекты, известные под названием синдрома софита (включающие в себя сонливость, повышенную возбудимость или хроническую усталость), клаустрофобию и др.
Обычно приемлемым считается движение глаза в пределах 24° по вертикали и горизонтали, т.е. 34° по диагонали. На рис. 4 как раз представлена архитектура такого виртуального МД-устройства, которая и определит его минимально возможные геометрические размеры.
При необходимости подсветки микродисплеев от внешнего источника чаще всего используют оптическую схему, изображенную на рис. 5.
В качестве альтернативного варианта, позволяющего обеспечить "глубину" устройства менее фокусного расстояния увеличительной оптической системы, возможно использование безаберационных конфокальных зеркал с расширенным полем зрения (рис. 6).
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что расчет и изготовление оптической части виртуального МД-устройства является непростой задачей, поскольку должен быть найден компромисс между разрешением и размером МД, геометрическими размерами устройства, параметрами оптической системы с учетом особенностей восприяти я изображений человеческим глазом и др.
2 Микродисплеи просветного типа
Микродисплеи просветного типа строятся на базе ЖК-микродисплеев с активной матрицей тонкопленочных транзисторов из аморфного или поликристаллического кремния, а также МОП-транзисторов, изготовленных по технологии "монокремний-на-стекле" (табл. 4).
Таблица 4. Производители разнообразных типов МД просветного типа
Фирма-изготовитель
Тип активной матрицы МД
Sharp (Japan)
a-Si:H
Fujitsu (Japan)
a-Si:H
Philips (Netherland)
TFD
Epson (Japan)
HTPS
Hitachi (Japan)
HTPS
Matsushita (Japan)
HTPS
Samsung (Korea)
HTPS
Sarif (USA)
HTPS
Sharp (Japan)
HTPS (CGS)
Sony (Japan)
HTPS
Kopin (USA)
Si-on-G
Canon (Japan)
Si-on-G
Sanyo (Japan)
LTPS
Здесь HTPS - High Temperature Poly Silicon;
LTPS - Low Temperature Poly Silicon;
Si-on-G - Silicon on Glass;
TFD - Thin Film Diode.
Все эти дисплеи находятся в производстве и широко применяются в проекционных устройствах.
Основной проблемой при использовании просветных МД является низкая эффективность использования исходного светового потока. Большие потери света обусловлены, в основном, двумя причинами:
· низкой числовой апертурой ЖК МД, определяемой отношением рабочей (пропускающей) площади элемента отображения к его общей площади;
· использованием электрооптических эффектов, требующих применения поляроидов и матричных цветных фильтров (теоретически ЖК-ячейка с идеальным цветным фильтром пропускает только одну шестую часть падающего света - поляроиды поглощают половину, а цветные фильтры - две трети оставшегося).
Решение первой проблемы достигается за счет использования ЖК МД с активной матрицей поликремниевых транзисторов вместо транзисторов на аморфном кремнии, характеризуемых значительно меньшими геометрическими размерами, высокими быстродействием и электрическими параметрами, хорошо отработанной технологией, схожей с стандартной КМОП-технологией. Наиболее совершенные ЖК МД такого класса с интегрированными драйверами имеют следующие параметры: число элементов отображения - 1440 x 1024, размер элемента отображения - 28 x 22 мкм, числовая апертура - 47,5%, диагональ - 4,6 см (1,8 дюйма).
