Общие принципы получения телевизионных изображений большого размера. Для воспроизведения ТВ изображений большого размера применяются видеопроекторы, в которых цветоделенные изображения формируются монохромными проекционными кинескопами небольших размеров R, G, B цветов. Затем цветоделенные изображения увеличиваются с помощью оптических линз или зеркально-оптических систем и проецируются на экран, где осуществляется их совмещение. В ТВ устройствах с проекционными кинескопами используются светосильная оптика и экраны с направленным светорассеянием. Однако получение проекционными кинескопами цветных ТВ изображений с площадью, превышающей несколько м², практически затруднено. Основные ограничения ТВ проекционных систем на кинескопах обусловлены тем, что проекционные кинескопы одновременно выполняют функции источника и модулятора света. Попытки увеличения яркости или размеров воспроизводимого ТВ изображения сопровождаются ухудшением его качества и значительным усложнением конструкции видеопроектора.

В ТВ проекционных системах с модуляцией независимого источника света эти функции распределены между внешним источником света и модулятором света. В таких видеопроекторах яркость и цветность воспроизводимых изображений в основном определяются характеристиками внешнего источника света, а качество изображения (четкость, контрастность и др.) - параметрами модулятора света, которые могут изменяться независимо от яркости. Наибольший интерес представляют ТВ проекционные системы с пространственными модуляторами света (ПМС), в которых световой поток модулируется одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ТВ проекционных системах с ПМС используются принципы электронной домодуляционной развертки и получение высокого коэффициента накопления (использования) светового потока. Это позволяет практически неограниченно повысить интенсивность излучения, которая определяется лишь мощностью внешнего источника света. ТВ проекционные системы с ПМС получили название светоклапанных устройств. В зависимости от типа используемого ПМС различают светоклапанные устройства с деформируемыми средами, электрооптическими твердыми кристаллами, жидкими кристаллами (ЖК) и др. Выбор ПМС в значительной мере определяет принцип действия ТВ проектора светоклапанного типа, особенности его построения и конструктивного выполнения. Наиболее широкое практическое использование получили светоклапанные видеопроекторы типа "Эйдофор" (Eidophor) и "Аристон", используемые в этих проекторах ПМС состоят из тонкого слоя вязкой прозрачной жидкости, деформирующейся под воздействием электронного луча, и шлирен-оптики. В целом ТВ проекторы светоклапанного типа, обеспечивая на выходе большие световые потоки и высокую контрастность, наиболее полно решают задачи получения изображений высокой четкости на проекционных экранах больших размеров.

Наряду с проекционными ТВ системами на основе кинескопов различных типов, различных модуляторов света широкое распространение получили составные экраны на обычных и проекционных кинескопах и дискретных индикаторных модулях. С помощью составных экранов имеется возможность воспроизводить высококачественные ТВ изображения с площадью до 100 м² и информационной емкостью, достигающей десятки миллионов элементов изображения (пикселей).

Особое место в системах большого ТВ экрана занимают проекционные системы, использующие в качестве источника светящегося ТВ изображения лазерную ЭЛТ (квантоскоп). В этих приборах полупроводниковые монокристаллы и пленки, облучаемые потоком ускоренных электронов, являются источником лазерного излучения большой яркости, а модуляция и сканирование в пространстве лазерным лучом осуществляются путем модуляции и сканирования электронного потока. Подобные проекционные системы способны воспроизводить ТВ изображения высокой четкости площадью 5100 м².

Телевизионная проекционная система с линзовым объективом. В ТВ проекционной системе данного типа яркое светящееся изображение, образованное на экране проекционного кинескопа 1, оптически проецируется линзовым объективом 2 на отражающий экран 3 (рисунок 6.11). (Заметим, что в некоторых моделях ТВ проекционных систем могут использоваться и экраны просветного типа). Эффективность проекционной ТВ оптики, т.е. способность создавать яркое изображение достаточно больших размеров, в сильной степени зависит от физической светосилы этой оптики А, определенной соотношением

A= t_об(D/f)²,

где t_об - коэффициент пропускания света объективом; D - диаметр входного зрачка объектива; f - фокусное расстояние. Физическая светосила характеризует количество светового потока, прошедшего через объектив.

1 — фокусирующе-отклоняющая система; 2 — проекционный кинескоп; 3 — линзовый объектив; 4 — проекционный экран

Рисунок 6.11 - Схема оптической проекции с помощью линзового объектива

Зависимость между яркостью проекционного кинескопа L_КИНи яркостью изображения на отражающем экране L_Э определяется выражением, которое позволяет оценить яркость воспроизводимого ТВ изображения в зависимости от его размеров.

L_Э=0,25L_КИН = 0,25AL_КИН, (6.1)

где p_Э - коэффициент отражения экрана; - коэффициент геометрического увеличения размеров изображения. Из анализа формулы (6.1) следует, что для улучшения светотехнической эффективности линзового объектива (повышение яркости L_Э) следует увеличивать его светосилу. Но при увеличении D (или уменьшении f) растут все виды аберраций. Для их корректировки необходимо вводить дополнительно новые линзы в объектив, что уменьшает t_об, усложняет и удорожает объектив. Относительное отверстие, т.е. отношение D:f, большинства линзовых объективов соответствует 1:2, только у самых лучших образцов оно достигает величины 1:1,6. Следовательно, даже хороший линзовый проекционный объектив имеет очень низкий к.п д. по использованию светового потока.

Специально для проекционных ТВ систем были разработаны проекционные кинескопы, использующие люминофоры с высокой светоотдачей, долговечностью, термостойкостью, стойкостью к воздействию мощных электронных пучков, обеспечивающие отсутствие насыщения по току в рабочем диапазоне яркостей. В проекционных кинескопах внедрены новые технологии нанесения люминофорных покрытий и термостойких стекло-оболочек, охлаждения экрана с помощью специальной жидкости, помещенной между фронтальным стеклом кинескопа и прозрачным экраном, на одной стороне которого находится люминофорное покрытие. Отвод тепла от экрана кинескопа происходит за счет конвекции охладителя, имеющего высокую теплопроводность.

Современные проекционные кинескопы, используемые в ТВ проекторах, имеют высокое анодное напряжение (30 ... 45 кВ), ток электронного луча до 3 мА и среднюю яркость свечения в пределах 2,59,5 ккд/м². Размеры экрана большинства проекционных кинескопов соответствуют 7,2 х 9,6 см. Специально для проекторов ТВЧ разработаны проекционные кинескопы с размерами экрана 13,5 х 18 см, имеющие разрешающую способность примерно 1000 ... 1200 ТВ линий.

1 — использование линзового объектива; 2 — использование зеркально-линзового объектива и экрана с направленно-рассеянным отражением

Рисунок 6.12. Зависимости яркости ТВ изображений, воспроизводимых проекционными установками, от коэффициента геометрического увеличения

Для примера на рисунке 6.12 (кривая 1) представлены результаты расчета яркости воспроизводимого в плоскости отражающего экрана ТВ изображения в зависимости от коэффициента геометрического увеличения при следующих условиях: L_КИН.СР= 5 ккд/м²; D:f= 1:2; p = 0,8; t= 0,8. Из анализа графической зависимости рисунок 6.12 (кривая 1) видно, что уже при = 6 яркость отражающего экрана примерно в 578 раз меньше яркости экрана проекционного кинескопа и обеспечивает только пороговую различимость воспроизводимого ТВ изображения. Если еще учесть, что срок службы проекционного кинескопа меньше, чем у обычного, то становится совершенно очевидным, что рассмотренная выше ТВ система с проекционным кинескопом и линзовым объективом оказывается значительно хуже и сложнее, чем телевизор с обычным кинескопом прямого наблюдения.

Телевизионная проекционная система со сферическим зеркалом. Резкое увеличение светотехнической эффективности проекционных ТВ систем достигнуто применением вместо линзового объектива специальной отражательной оптики - так называемого зеркально-линзового объектива Шмидта. Эта оптика позволяет сравнительно простыми средствами значительно увеличить относительное отверстие. Оно доходит до 1:0,8, а в лучших образцах составляет даже 1:0,6. Зеркально-линзовый объектив имеет малые потери на отражение и преломление света, так как число используемых в нем оптических элементов не превышает трех, значительно меньшую сферическую аберрацию по сравнению с линзовым объективом.

Схема оптической проекции ТВ изображений с помощью зеркально-линзового объектива представлена на рисунке 6.13. В объективе Шмидта основным проекционным элементом является сферическое зеркало с внешней металлизацией, в центре кривизны которого помещается корректирующая линза с асферическим профилем одной из ее поверхностей, устраняющая сферические аберрации зеркала. Корректирующая линза имеет довольно сложный профиль и должна быть изготовлена с высокой степенью точности. При массовом производстве корректирующие линзы штампуются из прозрачной пластмассы.

1 — сферическое зеркало; 2 — проекционный кинескоп; 3 — фокусирующе-отклоняющая система; 4 — корректирующая линза; 5 — проекционный экран

Рисунок 6.13. Схема оптической проекции с помощью зеркально-линзовой системы

В ТВ проекционных системах оптика Шмидта рассчитывается при строго фиксированном взаимном положении всех ее элементов - сферического зеркала, корректирующей линзы, экрана проекционного кинескопа, отражающего экрана. Стоит только сколько-нибудь заметно изменить положение любого из этих четырех элементов проекционной системы, как сразу же появятся недопустимые аберрации всех видов и сопутствующие им искажения ТВ изображения. Поэтому, например, для перехода с одного размера проекционного экрана на другой необходимо заменить корректирующую линзу. Экранам проекционных кинескопов, применяемым в подобных ТВ системах, придается выпуклая форма, что позволит устранить практически все аберрации косых пучков - кому, астигматизм, дисторсию и кривизну поля.

Телевизионные проекционные устройства типа "Эйдофор" и "Аристон". Видеопроектор "Эйдофор" был разработан швейцарской фирмой "Gretag" и голландской фирмой "Philips". Промышленный выпуск данного устройства осуществляется с начала пятидесятых годов по настоящее время.

Упрощенная оптическая схема ТВ проекционного устройства типа "Эйдофор", работающего на отражение, приведена на рисунке 6.14. Световой поток, созданный внешним источником света - мощной ксеноно-вой лампой 10, пройдя через объектив 9 и диафрагму 8, направляется конденсором 7 на зеркальный растр 5 (оптическую шлирен-систему), состоящий из нескольких зеркальных полос (5а, 5в, 5с) с внешней металлизацией и размещенный в центре кривизны сферического зеркала 1, на поверхность которого нанесен тонкий слой светомодулирующей среды 2 (масляная пленка). Когда поверхность светомодулирующей среды абсолютно гладкая, не деформированная, световой поток, направленный зеркальным растром, проходит через слой светомодулирующей среды и, отразившись от поверхности сферического зеркала, снова попадает на полосы зеркального растра, которые направляют его обратно к источнику света. В этом случае световые лучи не проходят через промежутки между полосами зеркального растра на экран 13. Если поверхность светомодулирующей среды деформирована в какой-либо точке, то лучи света, прошедшие через этот слой в точке деформации, отклоняются от первоначального направления и проходят через промежутки между полосами зеркального растра. Эти лучи света, собранные объективом 12, проецируются на экран в виде светящейся точки, яркость этого элемента на проекционном экране соответствует амплитуде деформации на поверхности светомодулирующей среды.

Рисунок 6.14. Оптическая схемаТВ проекционного устройства типа "Эйдофор"

На поверхности тонкого слоя светомодулирующей среды (специального масла) создается скрытое ТВ изображение в виде различных деформаций этой поверхности. Скрытое изображение создается электронным лучом, несущим информацию о яркости деталей ТВ изображения. Электронный луч формируется и управляется электронным прожектором 4, находящемся в горловине стеклянной колбы 3. Под действием отклоняющей системы электронный луч обегает поверхность масляной пленки (прочерчивает ТВ растр).

Деформации поверхности слоя светомодулирующей среды образуются под действием электростатических сил, которые вызываются электрическими зарядами, оставляемыми на поверхности масляной пленки электронным лучом. Электронный луч, управляемый непосредственно ТВ сигналом, оставляет за собой при движении в направлении строк электрические заряды, величина которых пропорциональна яркости элементов воспроизводимого ТВ изображения. Созданный электронным лучом на поверхности светомодулирующей среды потенциальный рельеф вызывает деформацию этой поверхности в соответствии с распределением яркости в изображении. Лучи света, отклоненные за счет деформации от первоначального направления, проходят в промежутки полос зеркального растра и создают на проекционном экране изображение.

Рисунок 6.15. Временной график возникновения, сохранения и исчезновения деформаций в поверхностном слое светомодулирующей среды

Деформации поверхности светомодулирующей среды под действием электростатических сил возникают и исчезают не сразу. Необходимые изменения амплитуды деформации за время передачи сигнала одного поля ТВ изображения, а, следовательно, яркости воспроизводимых элементов в плоскости проекционного экрана обеспечиваются за счет поддержания определенных механических (вязкость, поверхностное натяжение) и электрических параметров светомодулирующей среды. Деформации достигают максимума в конце первой четверти периода поля воспроизводимого ТВ изображения и почти полностью исчезают к концу передачи поля (рисунок 6.15). В этом случае яркость любого элемента воспроизводимого изображения также достигает максимума к концу первой четверти периода поля и плавно спадает в течение остальной части этого периода. Инерционность светомодулирующей среды в отношении возникновения, сохранения и исчезновения поверхностных деформаций вызывает эффект "послесвечения" электронно-оптического модулятора света. Использованием этого эффекта объясняется высокая световая эффективность видеопроектора.

Модуляция электронного луча осуществляется с помощью специальной электростатической линзы, образуемой системой модулирующих электродов электронного прожектора, на которые подается видеосигнал. Электронный луч, ток которого постоянен, при падении на поверхность светомодулирующей среды имеет некоторый диаметр, который изменяется в соответствии с напряжением видеосигнала. Точкам на поверхности светомодулирующей среды при постоянном токе луча и постоянной скорости его движения вдоль строки, где электронный луч имеет максимальный диаметр, соответствуют точки наименьшей яркости на светорассеивающем экране. Происходит это из-за снижения удельной плотности электрического заряда на поверхности светомодулирующей среды в данной точке, что уменьшает деформацию поверхности в этой точке и, следовательно, яркость соответствующей точки на экране.

Точкам на поверхности светомодулирующей среды, где электронный луч имеет наименьший диаметр, соответствуют точки наибольшей яркости на проекционном экране.

Практически полное гашение деформаций светомодулирующей среды происходит автоматически с нужной постоянной времени при выборе компромисса между удельной проводимостью и вязкостью масляной пленки.

Чтобы в процессе работы светомодулирующая жидкость не разогревалась, применяется специальная холодильная установка, а сферическое зеркало медленно вращается, благодаря чему электронный луч постепенно бомбардирует различные участки масляной пленки. Вращение зеркала используется также для снятия с поверхности масляной пленки остаточных зарядов, а следовательно, и постоянных деформаций. Обеспечение этих требований приводит к тому, что к началу развертки нового поля предыдущие деформации исчезают. Для предотвращения перегрева светомодулирующей жидкости на пути световых лучей, излучаемых ксеноновой лампой, дополнительно устанавливается тепловой фильтр 6 (см. рисунок 6.14 ), задерживающий инфракрасное излучение.

В первых моделях ТВ проекторов светоклапанного типа для воспроизведения цветных изображений использовался принцип системы цветного телевидения с поочередным воспроизведением цветоделенных изображений. Для согласования подобного видеопроектора с каналом связи совместимых систем вещательного телевидения, в которых осуществляется одновременная передача всех сигналов, использовался специальный преобразователь ТВ стандартов, преобразующий одновременный способ передачи сигналов цветоделенных изображений в последовательный. Структурная схема преобразователя ТВ стандартов представлена на рисунке 6.16. В состав преобразователя входят: три проекционных кинескопа с отклоняющими системами 1; три проекционных объектива 2; три передающие трубки с фокусирующе-отклоняюшими системами 3; три предварительных видеоусилителя 4; электронный коммутатор 5; генератор вертикальной развертки с частотой 50 Гц 6; генератор вертикальной развертки с частотой 150 Гц 7. Преобразователь использует инерционные свойства кинескопа. Его работа заключается в следующем. Одновременно приходящие сигналы E_R, E_G, E_B в трех оптически связанных парах (кинескоп - передающая трубка, например видикон) преобразуются в совокупность последовательных сигналов. В оптически связанной паре осуществляется проекция цветоделенного изображения с экрана проекционного кинескопа на фотокатод передающей трубки, которая имеет частоту вертикальной развертки, соответствующую стандарту последовательной ТВ системы. После предварительного усиления три преобразованных цветоделенных сигнала поочередно в необходимой последовательности подаются на ТВ проектор светоклапан-ного типа с помощью электронного коммутатора, который обеспечивает 50 полных циклов коммутации в 1 секунду. Видеопроектор в этом случае снабжался диском с триадой цветных светофильтров, который размещался непосредственно перед зеркальным растром. Диск с цветными светофильтрами вращался синхронно с моментами коммутации отдельных цветоделенных сигналов.

Рисунок 6.16. Структурная схема преобразователя ТВ стандартов на оптически связанных парах

Основным достоинством данного устройства являлось отсутствие проблемы совмещения цветоделенных изображений на проекционном экране, поскольку использовались одно сферическое зеркало с масляной пленкой и один проекционный объектив. Однако видеопроектор в этом случае имел сравнительно невысокую световую эффективность за счет меньшего выходного светового потока по сравнению с ТВ проектором светоклапанного типа, воспроизводящего монохромные (черно-белые) изображения.

Рисунок 6.17. Оптическая схема светоклапанного проекционного устройства цветного телевидения

В более современных моделях видеопроекторов для воспроизведения цветных ТВ изображений по принципу совместимых систем вещательного телевидения вместо одного электронно-оптического модулятора света используются три модулятора R, G, B типа. Упрощенная оптическая схема такого проекционного светоклапанного устройства цветного телевидения приведена на рисунке 6.17. В данном устройстве используется одна ксеноновая лампа 1. Световой поток с помощью двух дихроических зеркал 2 разделяется на три составляющие - красную, зеленую и синюю, каждая из которых направляется на свой зеркальный растр 3 и свое сферическое зеркало 4, на которое нанесена масляная пленка 5. В устройстве применены три электронных прожектора 6 и три объектива 7, проецирующих цветоде-ленные изображения на один экран 8. Совмещение трех цзетоделенных изображений на проекционном экране и поддержание совмещения в период работы обеспечиваются оптической системой и электронными средствами. На описанном выше принципе построено несколько поколений профессиональных проекционных светоклапанных устройств черно-белого и цветного телевидения с большим экраном. Например, ТВ проектор типа EL-5171 ("Эйдофор") с ксеноновой лампой мощностью 4,8 кВт позволяет получать рекордный в настоящее время световой поток 7000 лм, размеры экрана при этом составляют 18 х 13,5 м. В нашей стране видеопроекторы, воспроизводящие черно-белые изображения, носят название "Аристон", а видеопроектор цветного изображения - БЦТЭ (Большой цветной телевизионный экран), который разработан и стал выпускаться сравнительно недавно.

Несмотря на достаточно высокое качество воспроизводимых изображений ТВ проекционные системы типа "Эйдофор", "Аристон" и БЦТЭ имеют ряд существенных технологических и эксплуатационных недостатков. Слой светомодулирующей жидкости (масла) в процессе эксплуатации постепенно испаряется и для поддержания вакуума в стеклянной колбе необходима непрерывная откачка паров масла, для чего в системе используется высокопроизводительный вакуумный насос. Наличие паров масла ухудшает условия работы термокатода в электронном прожекторе и способствует быстрому выходу его из строя. Наконец, испарение масла требует его постепенного восстановления, для чего в видеопроекторах используется резервуар с запасом масла и устройство для его ввода на сферическое зеркало. Срок службы светомодулирующей жидкости составляет около 5000 часов. В целом ТВ проекционные устройства типа "Эйдофор", "Аристон" и БЦТЭ достаточно сложны и громоздки.