Lézer projektorok

Az egészen pici projektorok, vagy ahogy manapság mondjuk, a pikoprojektorok kétféle fényforrást használnak: nagyobb részük LED-ekkel működik, néhány gyártó azonban előnyben részesíti a lézert. A lézervetítő ötlete azonban jóval korábbi, amin nem is csodálkozhatunk, hiszen sok előnye van annak, hogy monokromatikus (gyakorlatilag egyetlen hullámhosszon emittált) és koherens R, G, B lézersugarak keverésével tudjuk előállítani a színes képet. A gyakorlati megvalósítás, és főleg az olcsó, piacképes lézerprojektor még ma is csak a miniatűr szegmensben elérhető, és ez is újdonságnak számít. Működési elv Próbáljuk meg először végiggondolni, hogy mi minden kell egy lézerprojektorhoz, és milyen problémák merülhetnek fel! Kell mindenekelőtt három lézerforrás az R, G, B alapszínekhez. A kilencvenes évek végén a szilárdtest lézerekkel az infravörös tartományban tudtak hatékonyan lézersugárzást kelteni. Ebből úgy lett látható (vörös, zöld, kék) lézer, hogy a más-más hullámhosszon a közeli infravörös tartományban működő lézerdiódák frekvenciáját megkétszerezték, ugyanis bizonyos kristályok alkalmasak a frekvenciakétszerezésre (nemineáris optika). Ez egyébként megvalósítható speciális szennyezettségű optikai szállal is. Amennyiben az alapszínek eltérnek a hagyományos megjelenítők (pl. képcső) alapszíneitől - és a valóságban a legtöbbször ez a helyzet -, szükség van egy külön „színtranszformációs” fokozatra, amely a lézer-alapszínek alkotta színháromszöget ráigazítja a szabványos színháromszögre. A három lézer fényerősségét ezután valamilyen módon modulálni kell a megjeleníteni kívánt képtartalommal. Erre többféle módszer van, úgymint az elektrooptikai (a polarizációs sík elforgatása elektromos térrel), az akuszto-optikai (optikai közeg sűrűségének változtatása akusztikus hullámmal), továbbá a belső árammoduláció. A három modulált lézersugarat optikai úton egyetlen kollineáris sugárrá kell egyesíteni, amelynek színe pillanatról pillanatra követi a forrás adott képpontjának színét a megfelelő R, G, B arányokkal. Ezen a ponton következik talán a legnehezebb feladat: a lézersugarat a képalkotási szabványoknak megfelelően vízszintesen és függőlegesen el kell téríteni a kép kirajzolásához, ezt pedig – szemben az elektromágneses térrel jól kezelhető elektronnyalábbal (l. képcső) – csakis optikai úton lehet megtenni. Kell tehát egy optika eltérítő egység, amelynek kimenetén megjelenik a vetítési felületet pásztázó lézersugár. Szemben tehát a hagyományos projektorokkal (amelyek a klasszikus kivetítési elv szerint a készülék belsejében képpontokból építenek fel egy viszonylag kisméretű képet, majd ezt egy optikai rendszer segítségével vetítik ki), a lézerprojektorok esetében a kép közvetlenül a vetítőfelületen jön létre, a pillanatról pillanatra változó színes lézersugár segítségével. A mai lézerprojektorok A lézeres pikoprojektorok (és a pikoprojektorok általában) a legújabb technológiát képviselik, és ismét bebizonyítják a régi igazságot, miszerint a nagy dolgok néha igen kicsiben készülnek. Ezek az apró vetítők mobilkészülékekbe kerülhetnek beépítésre, miközben szinte bárhol képesek relatíve nagyképernyős megjelenítésre, persze egyelőre korlátozott fényerővel. Írásunk további része a Microvision cég PicoP nevű képengine-jéről szól, amely kéttengelyű (biaxiális) MEMS pásztázó lézertechnológiát használ. Hogy mi a kéttengelyű MEMS pásztázó eszköz? – az írásból rövidesen kiderül. A más elven működő pikoprojektorokhoz képest nagy előny (mint ahogy arról már volt szó), hogy a pásztázó lézeres pikoprojektoroknak nincs kötött fókusza, azaz tetszőleges térbeli alakzatra is ugyanúgy éles kép vetíthető, mint egy teljesen sík felületre. A lehetséges alkalmazások száma szinte végtelen. A nagyobb formátumú mobil eszközökben való általános használatának elterjedése mellett a pikoprojektorok rögtönzött üzleti bemutatók vagy tudományos megbeszélések vizuális elemeként is igen hasznosak lehetnek. A szakértők a pikoprojektorok gyors elterjedését jósolják. A lézeres pikoprojektor-technológia jelenlegi első számú fejlesztője, a Microvision cég elérhetővé tette a PicoP Evaluation Kit (PEK) nevű termékét és támogatási szolgáltatását, amely az ún. PicoP képengine-en alapuló fejlesztés. Pásztázó lézer Az alább mellékelt ábra bemutatja a Microvision PicoP működési vázlatát. Az elvi felépítés igen egyszerű, egy vörös, egy zöld és egy kék lézerből áll, melyek amúgy is koherens fényét egy-egy lencse (ezek nincsenek rajta a sematikus ábrán) fogja össze nagyon kis apertúrájú nyalábokká. A három lézer fényét ezután optikai úton egyesítik, így modulálatlan állapotban fehér fénynyaláb jön létre. Egy egyszerű síktükörrel a fénysugarat egy „kéttengelyű” MEMS (Microelectromechanical Systems) pásztázó tükörre („szkenner”) vetítik, amely a rasztert rajzolja fel, azaz a lézersugár optikai eltérítését végzi. Ez az integrált elektromechanikai-optikai eszköz, pontosabban a benne lévő tükröcske függőleges és vízszintes tengely körül is igen finom, vezérelt mozgásra képes. Az alapszínekre bontott képtartalom az RGB lézersugarakat modulálja képpontról képpontra, természetesen az egyesített nyaláb mozgatásával, eltérítésével szinkronban. A teljes vetítő engine (IPM - Integrated Photonics Module) mindössze 7 mm magas és 5 cm³ a teljes térfogata. Az egyszerű kialakításnak számos előnye van. A lényeg az, hogy (a pásztázó rész kivételével) az optikai engine mindig csak egyetlen képpont előállításával foglalkozik. A három lézer meghajtása (modulálása) pontról pontra létrehozza a megfelelő kevert színt, kiváló minőségben, az RGB lézerekkel elérhető színtartományban. Az alapszínek nem szekvenciálisan váltják egymást (mint pl. az egychipes DLP projektorokban), hanem egyidejűleg jelennek meg. A hatásfok magas, mivel a lézerek csak annyi energiát fogyasztanak, amennyi az adott képpontokhoz éppen szükséges. A működési elvből következően a kontraszt is magas lesz, ugyanis a fekete pixelek esetében a lézerek teljesen ki vannak kapcsolva. A pixelprofilt úgy alakították ki, hogy nagy felbontású, gyakorlatilag végtelen fókuszú és nem pixeles jellegű lesz a kép. A pixelről pixelre történő képalkotás – mint említettük – magas optikai hatékonyságot is hoz magával, szemben a hagyományos projektortechnológiákkal. Az egyszerű optomechanikai kialakítás „ára” viszont a meglehetősen komplex elektronika. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a megjelenítés komplexitása az elektronika felé tolódott el. A képpontok pontos elhelyezése (vagyis a vízszintes és függőleges eltérítés vezérlése), és a lézersugarak képpontonkénti modulációja (meghajtás) ugyanis az elektronikára hárul. Végtelen fókusztávolság A Microvision PicoP engine-ben nincs vetítőobjektív. A vetített lézersugár közvetlenül a MEMS pásztázó eszközből lép ki és hozza létre a képet a projektorral szemben, bármilyen felületen, amelyet a sugárnyaláb elér. A kilépő sugár éppen csak annyira széttartó, hogy a képméret növekedését megfelelően kövesse a képpontok méretének növekedése. Az eredmény pedig egy tetszőleges távolságban éles kép. A lézervetítés különlegessége abból ered, hogy a kép vetítésének feladatát megosztják a kis apertúrájú, egyetlen képpontot reprezentáló, élesre állítást nem igénylő kvázi-koherens fénynyaláb és a kétdimenziós MEMS eltérítő-pásztázó egység között, amely a képet az egyedi képpontokból felrajzolja. A gyakorlatban a MEMS pásztázó egysége egy igen gyorsan működő optikai eltérítő rendszer, amely vízszintesen 43°-os eltérítésre képes. A hagyományos (nem koherens fénnyel dolgozó) projektoroknál a vetítőobjektívnek kompromisszumot kell létrehoznia a mélységélesség, az elfogadható fényerő és vetítési távolsággal megfelelően változó képméret között, miközben a teljes fénymodulátor eszköz (LCD, DLP stb.) képét egyszerre kell kivetítenie. A mélységélesség így meglehetősen kicsi marad, és az élesség pontos beállítására igen érzékeny a rendszer. A fent leírt működési elvből következően a lézerprojektornál – első hallásra bármilyen meglepő – ez a probléma fel sem vetődik. Csupán azt kell szem előtt tartani (és a lézerforrást közvetlenül követő optikai rendszert ennek megfelelően megtervezni), hogy a vetítési távolság növelésével a pixelméret pontosan lineárisan növekedjen – ekkor a kép mindig éles lesz, bármilyen élességállítás nélkül. A felhasználó számára a fent mondottak azt jelentik, hogy a hagyományos projektor élességét állandóan utána kell állítani, ha megváltozik a vetítési távolság, és a kép egyes részei életlenek lesznek, ha olyan felületre kell vetíteni, mely nem egyenletes távolságban van a készüléktől. Ilyen lehet pl. egy sík felület is, ha a vetítés iránya nem pontosan merőleges, de egy tetszőleges, háromdimenziós felület is.