Вне конкурса. Проекционный аппарат 3. LCD -мультимедийный проектор, созданный на базе оверхед - проектора

Просмотреть картинки списком
Автор: Смирнов Ярослав

Наставник: Манжулей Любовь Григорьевна

Ученик: Смирнов Ярослав (16 лет)

Город (село): Пермский край, г.Чайковский

Название колледжа: ЛИЦЕЙ «СИНТОН»

Название изобретения или изделия: ПА-3 Проекционный аппарат 3. LCD -мультимедийный проектор, созданный на базе оверхед - проектора

Введение

С каждым годом использование проекторов обществом наращивает обороты, но в виду высокой стоимости проектора не каждый может себе позволить приобретение проектора, необходим более экономичный вариант.

Автор заинтересовался этой проблемой, и задал себе вопрос: «можно ли собрать проектор своими руками?». На данный момент существует множество фирм по производству проекторов, которые различаются по размеру, цене, мощности, диагонали экрана и принципу работы. Проекторы мобильны, потребляют относительно небольшое количество электроэнергии. Имеют большую, изменяемую диагональ проецируемого изображения.

Сейчас на рынке ИТ представлены проекторы для профессионального применения, а так же применения обычными пользователями, но, к сожалению, у всех них есть большой недостаток. Это высокая цена.

Изучив принцип работы проектора, мы решили, что проектор можн

о собрать своими руками с меньшими затратами.

Цель работы: Собрать работоспособный проектор. Задачи:

• Познакомиться с устройством и принципом работы проектора.

• Выбрать наиболее подходящий для сборки вариант проектора.

• Собрать проектор.

• Протестировать проектор, для оценки качества работы.

Объект исследования – мультимедийный проектор.

Предмет исследования – изображения, полученные с помощью линз.

1. Теоретическая часть

1.1. Получения изображения объекта

Проекторы являются в основном оптико-механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора.[1] Рассмотрим схематично, как получить изображение на экране с помощью собирающей линзы. Потому, что рассеивающие линзы дают только мнимое изображение, следовательно, изображения на экране дают только собирающие линзы.

Для получения изображения на экране нужно расположить предмет между фокусом и двойным фокусом, F < d < 2F. (Приложение 1) Для получения изображения объекта нам необходим сам объект и линза (или объектив, состоящий из нескольких линз, но работающий, как одна), экран, на который будет проецироваться изображение.

Чтобы понять работу проектора, нужны знания из курса физики по геометрической оптике. (Приложение 1)

В собирающей линзе все лучи, идущие параллельно её главной оптической оси, после линзы собираются в одной точке, лежащей на главное оптической оси линзы. Смысл заключается в следующем: все лучи, попадающие в линзу параллельно ее оптической оси, пройдя через линзу, сходятся в одну точку на оптической оси. Эта точка называется фокусом, а расстояние от центра линзы до этой точки - фокусным расстоянием. Кроме того центральный луч не преломляется линзой. [4]

Рассмотрим схему. Имеем объект O, находящийся за фокусом линзы: F < d < 2F (приложение 1). Чтобы понять ход лучей, нам достаточно рассмотреть две крайние точки объекта. Из схемы (приложение 2) видно, что изображение получится действительным, увеличенным, перевернутым, значит, линза на таком расстоянии может работать в качестве объектива. Кроме того, при геометрическом построении достаточно рассмотреть всего по два луча для каждой точки (пунктирные линии): один проходящий через центр линзы, другой - параллельно главной оптической оси. Каждая пара лучей, проходящая от объекта через линзу, пересекаются с другой стороны на расстоянии, большем удвоенного фокусного расстояния линзы. При этом все остальные лучи (сплошные линии), исходящие от объекта, пересекутся там же. В месте пересечения лучей и будет сформировано изображение объекта O'.

Чтобы получить изображение, нужно на этом расстоянии перпендикулярно главной оптической оси поместить экран. Для нашего проектора схема с учетом пропорций компонентов будет иметь примерно следующий вид:

1.2. Принцип работы проекционного аппарата

Общий принцип устройства проекторов в чем-то напоминает кино или слайд-проектор, только вместо пленки применяется прозрачная жидкокристаллическая матрица, на которой с помощью цифровой электронной схемы создается картинка. Свет от лампы проходит через панель и объектив, и на экране воспроизводится изображение, увеличенное во много раз. В DLP-проекторах свет отражается от поверхности специального чипа (микросхемы) размером примерно 15 х 11 мм, на которой находится около 800000 микрозеркал, формирующих изображение и также через объектив попадает на экран.

Для получения цветного изображения в LCD-проекторах используются три панели - для красного, зеленого и синего цветов раздельно. В недорогих DLP-проекторах составляющие цвета один за другим проецируются на экран с большой частотой (одночиповая схема). Три микрозеркальных чипа для составляющих цветов применяются в высококачественных, профессиональных мультимедиа-проекторах.

В зависимости от конструкции, качества LCD-панелей, мощности и типа лампы мультимедиа-проекторы могут создавать различный световой поток и, соответственно, получать различную яркость изображения на экране. Световой поток - одна из главных характеристик мультимедиа-проектора, чем он выше, тем больший размер изображения можно получить при данном качестве экрана и освещенности в помещении.[3]

1.3 Принцип работы ЖК матрицы

Работа жидкокристаллических матриц основана на таком свойстве света, как поляризация. Обычный свет является неполяризованным, т.е. амплитуды его волн лежат в огромном множестве плоскостей. Однако существуют вещества, способные пропускать свет только с одной плоскости. Эти вещества называют поляризаторами, поскольку прошедший сквозь них свет становится поляризованным только в одной плоскости.

Если взять два поляризатора, плоскости поляризации которых расположены под углом 90° друг к другу, свет через них пройти не сможет. Если же расположить между ними что-то, что сможет повернуть вектор поляризации света на нужный угол, мы получим возможность управлять яркостью свечения, гасить и зажигать свет так, как нам хочется. Таков, если описывать вкратце, принцип работы ЖК матрицы. Конкретную реализацию этого принципа в разных матрицах авторы рассмотрят ниже.

В упрощенном виде матрица жидкокристаллического дисплея состоит из следующих частей:

• CCFL (ртутная) лампа подсветки;

• система отражателей и полимерных световодов, обеспечивающая равномерную подсветку;

• фильтр-поляризатор;

• стеклянная пластина-подложка, на которую нанесены контакты;

• жидкие кристаллы;

• ещё один поляризатор;

• вторая стеклянная подложка с контактами.

В цветных матрицах каждый пиксель формируется из трёх цветных точек (красной, зелёной и синей), поэтому добавляется ещё и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трёх ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включённом, либо в выключенном положении. Комбинируя их состояния, получаем оттенки цвета, а включая все одновременно – белый цвет.

Матрицы делятся на пассивные и активные. В пассивных матрицах управление производится попиксельно, т.е. по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК экранов по этой технологии, стало то, что при увеличении диагонали увеличиваются и длины проводников, по которым передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменён последний пиксель, первый успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, большая длина требует большего напряжения, что приводит к росту помех и наводок. Это резко ухудшает качество картинки и точность цветопередачи. Из-за этого пассивные матрицы применяются только там, где не нужны большая диагональ и высокая плотность отображения.

Для преодоления этой проблемы были разработаны активные матрицы. Основой стало изобретение технологии, известной всем по аббревиатуре TFT, что означает Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор.

Благодаря TFT, появилась возможность управлять каждым пикселем на экране отдельно. Это резко сокращает время реакции матрицы и делает возможными большие диагонали матриц. Транзисторы изолированы друг от друга и подведены к каждой ячейке матрицы. Они создают поле, когда им приказывает управляющая логика – драйвер матрицы. Для того, чтобы ячейка не потеряла заряд преждевременно, к ней добавляется небольшой конденсатор, который играет роль буферной ёмкости. С помощью этой технологии удалось радикально уменьшить время реакции отдельных ячеек матрицы. [3]

1.4. Анализ существующих моделей проекторов

Диаскопический проекционный аппарат — аппарат, в котором изображения создаются с помощью лучей света, проходящих через светопроницаемый носитель с изображением. Это часто встречающийся вид проекционных аппаратов. К ним относят такие приборы как: кинопроектор, диапроектор, фотоувеличитель, проекционный фонарь, кодоскоп и др.

Эпископический проекционный аппарат — аппарат, который создаёт изображения непрозрачных предметов методом проецирования отраженных лучей света. К ним относятся эпископы, мегаскоп.

Эпидиаскопический проекционный аппарат — аппарат, который сформировывает на экране комбинированные изображения как прозрачных, так и непрозрачных объектов.

Лазерный проектор — аппарат, который выводит изображение при помощи луча лазера.

проектор», в котором соединено применение в таковых проекторах цифровых технологий обработки информации и формирования изображения) - с развитием цифровых технологий это наименование получили два, вообще говоря, разных класса устройств:

• на вход устройства подаётся видеосигнал в настоящем времени (аналоговый либо цифровой), Устройство проецирует изображение на экран, может быть при всем этом наличие звукового канала;

• устройство получает на отдельном либо интегрированном в устройство носителе, либо из локальной сети файл, либо совокупность файлов (слайдшоу) — массив цифровой информации. Декодирует его и проецирует видеоизображение на экран, может быть, воспроизводя при всем этом и звук. Практически, является сочетанием в одном устройстве мультимедийного проигрывателя и фактически проектора. [1]

До появления цифровых технологий телевизионный аналоговый сигнал проецировался при помощи аналоговых проекторов телевизионного сигнала.

CRT проектор — аналоговое устройство, в каком изображение создаётся на экране 3-х электронно-лучевых трубок, потом проецируется на экран 3-мя объективами.

Проектор с модуляцией света на масляной пленке — разновидность «светоклапанных» пассивных систем. Аналоговое электронно-лучевое и оптическое устройство, рассчитанное на управление массивным световым потоком для получения изображения на экране огромного размера. На базе серийно выпускавшейся системы «Эйдофор» был, а именно, реализован 1-ый большой телевизионный экран (чёрно-белый) Центра управления космическими полётами СССР.[3]

Принцип работы проектора с модуляцией света заключается в том, что поток света падает поочередно на два поглощающих свет растра, между которыми находится масляная плёнка на зеркальной поверхности. Если масляная плёнка не возмущена, свет оказывается задержан обоими растрами и экран совсем темный. Масляная плёнка помещается вовнутрь электронно-лучевой трубки, которая и сформировывает на ней распределение заряда в согласовании с поступающим видеосигналом. Распределение заряда, вкупе с приложенным к зеркалу потенциалом, порождает возмущение поверхности плёнки. Проходя через этот участок плёнки, световой поток проходит мимо второго растра и попадает на экран в нужную точку.

Преимущество проектора такого типа состоит в практическом отсутствии ограничения на мощность светового потока, потому что сам управляемый элемент не поглощает управляемой части светового потока, а паразитное поглощение просто компенсируется остыванием железного зеркала, на котором находится плёнка. Охлаждать же следует лишь два поглощающих растра и лампу. На практике, были достигнуты световые потоки в 10 000 лм.

Недочетом будет то, что максимально достижимый световой поток составляет наименее половины светового потока лампы (в таблице 1, приложение 3), даже при наибольшей яркости кадра. (Характеристика проекционных аппаратов представлена в Приложении 3. Таблица 2)

2. Практическая часть

2.1. Выбор комплектующих

В качестве объекта авторы выбрали матрицу монитора. Излучать свет она не может, поэтому за объектом сделали подсветку, используя для этого лампу. В обычных кинопроекторах лампа освещает кинопленку, в рассматриваемом случае проецируемым объектом является матрица (панель) от LCD монитора. Для сборки подходящего мультимедийного проектора были выбраны следующие комплектующие: проекционный аппарат, матрица, плата управления, лампа, система охлаждения, корпус, система линз.

Был приобретён монитор Samsung на 17 дюймов, физическое разрешение 1024x768 (то есть 786 432 пикселей) которого будет достаточно для воспроизведения высококачественных DVD или отображения экрана Windows , так как модели с большей диагональю не совпадают по размеру с поверхностью проекционного аппарата, сравнительный анализ мониторов приведен (в таблице 2, приложение 3). Основная проблема заключалась в том, что бы найти подходящий монитор за приемлемую цену, на поиск было затрачено 2 недели.

После приобретения монитора нужно было найти проекционный аппарат, который одновременно является системой линз, устройством подсветки и корпусом. Был приобретен проекционный аппарат Phylatex, так как это был единственный вариант в городе Чайковский. Выбранный нами проектор был оснащён лампой накаливания, которая давала слишком слабое освещение и большое тепловыделение, было принято решение заменить лампу накаливания на галогеновую лампу, выбор связан с тем, что галогеновая лампа имеет хорошую светоотдачу при меньшем выделении тепла. (Сравнительный анализ ламп приведен в таблице 2 приложения 3)

Для решения вопроса с тепловыделением, было принято решение установить воздушное охлаждение. В качестве устройства для охлаждения поверхности экрана был взят USB-вентилятор Thermaltake с регулятором скорости вращения.

2.2. Извлечение матрицы

Сложность извлечения ЖК-панели зависит от модели монитора. У некоторых мониторов снять ЖК-панель практически невозможно. C монитором Samsung не возникло никаких сложностей, панель легко снялась.

Перед следующим этапом были вынуты все кабели, чтобы можно было снять плату инвертора и панель. К концам кабелей были прикреплены ярлычки, чтобы не запутаться при подключении обратно. Дальше была снята панель из рамки аккуратно, поскольку даже небольшая трещина может нарушить контакт проводников. ЖК-панель выполнена из стекла, а проводящие дорожки нанесены напылением, подключаясь на границе к контроллеру. Все дорожки очень тонкие, так что нужно быть особо аккуратными. Повреждение дорожки приведёт к "выпадению" с экрана строчек или полному нарушению работы.

2.3 Установка ЖК-панели

После того, как была аккуратно извлечёна панель из монитора, авторы приступили к установке матрицы на стол проектора. Во-первых, даже во время первоначального тестирования панель необходимо жёстко закреплять, чтобы она не скользила. Во-вторых, панель нельзя размещать напрямую на столике проекционного аппарата, поскольку тепло лампы может её повредить. Была использована тонкая рамка-прокладка. Высотой 8-10 мм. Авторы взяли пенопласт, который часто используется для упаковки. Пенопластовые пластины закреплялись с помощью скотча.

Как только панель и пенопластовые прокладки были закреплены, было необходимо подключить кабели к контроллеру и инвертору. При этом необходимо быть осторожным: контакты на шлейфе отделены друг от друга промежутком в десятые доли миллиметра, поэтому даже небольшой сдвиг может привести к короткому замыканию.

2.4 Система охлаждения

Поскольку лампа выделяет большое количество тепла, то проектор требует эффективного охлаждения, встроенного в проекционный аппарат Phylatex вентилятора недостаточно. Накопление тепла особенно сильно будет происходить между ЖК-панелью и столиком проекционного аппарата. [5] Справиться с ним может только активная вентиляция.

Первым знаком перегрева ЖК-панели будет коричневое кольцо в той области, которая будет нагреваться. После своевременного охлаждения кольцо исчезнет. Если же охлаждения не будет, то начнет происходить постоянное повреждение перегретых областей. Они выгорят, и не будут отображать картинку. [5]

Для мультимедийного проектора были опробованы различные вентиляторы в разных положениях. Итог таков: потребовался один 80-мм вентилятор, который будет продувать воздух под панелью, так как это наиболее эффективный способ охлаждения. Для вентилятора был использован блок питания, авторами был взят стандартный блок питания.

2.5 Тестирование и регулировка полученного прибора

Как только все выше перечисленные пункты были выполнены, стало необходимо правильно отрегулировать ЖК-панель и графическую карту, чтобы получить хорошую картинку. На практике это означает настройку яркости и контрастности. Не все ЖК - мониторы по умолчанию настроены на максимально возможную яркость, так что настройка может существенно улучшить цветопередачу и контраст. В нашем случае после регулировок яркости и контрастности авторы получили более яркую картинку, что позволило смотреть фильмы даже днём. Рассмотрим таблицу, в которой авторы сравнивают наш проектор с заводскими аналогами.

Очевидно, что себестоимость опытного образца принципиально ниже.

Вывод

Проделав данную работу и собрав проекционный аппарат, авторы пришли к выводу, что проектор можно собрать в домашних условиях, если будет иметь место материальная оснащенность. На сборку опытного образца было затрачено 2500 тысячи рублей, что гораздо дешевле заводских аналогов, но полученный проекционный аппарат не превосходит характеристики заводских аналогов. Качество изображения, получаемого при работе проектора можно считать достаточным для работы в стандартных домашних условиях.

Основной проблемой являлось затраченное время на поиск комплектующих, поскольку в масштабах города Чайковский рынок комплектующих не достаточно разнообразен. Так же полученный результат определил, что опытный проекционный аппарат является не конечной стадией. Авторы продолжат дальнейшее совершенствование проектора. В дальнейшей работе авторы учтут, что множество комплектующих, входящих в состав проекционного аппарата являются очень хрупкими и требуют большой аккуратности и бережного отношения.