Com funciona un projector digital LCD?

Als anteriors articles, vaig intentar explicar alguns conceptes previs que són necessaris per tal d'entendre el funcionament d'un projector digital (potser seria convenient llegir-los abans de continuar).

Durant els pròxims articles, intentaré explicar com funcionen els principals tipus de projectors digitals que poden comprar-se actualment. Concretament, i ja demano perdó pels acrònims, els LCD, els DPL i els CRT (aquest últim crec que ja ni es ven). Cadascuna de les explicacions estarà dividida en petites parts per tal de fer-ho més amè.

Comencem amb els projectors LCD.

La base, l'LCD

(Si ja saps com funciona un LCD, saltat aquest apartat)

Com el seu propi nom indica, els projectors LCD es basen en la tecnologia LCD, que és l'acrònim de Liquid Crystal Display (O pantalla de cristall líquid, en català). La majoria de nosaltres estem molt familiaritzats amb aquesta tecnologia, encara que no ho sabem. Per exemple, els telèfons de casa (no els mòbils) que tenen una pantalleta on es mostra el número que et truca, sol funcionar amb LCD (la típica pantalla verda amb les lletres negres), o la majoria dels rellotges digitals, les calculadores, els despertadors digitals...

Un despertador amb pantalla de LCD (wikipedia)

El funcionament d'un panell LCD és curiós i una mica complicat d'explicar (que no d'entendre). Cada panell disposa d'unes cinc o sis capes que realitzen una funció concreta. El llistat següent les enumera de més exterior a més interior

Capes d'un panell LCD (wikipedia)

1. Un filtre polaritzador vertical (només deixa passar els deixos de llum polaritzats verticalment)
2. Un vidre amb elèctrodes d'òxid dindi (aka. màgia tecnològica per a la majoria dels mortals). Aquest vidre permet que certes zones del vidre disposin de voltatge i afectin a la capa següent, al cristall líquid. Aquests elèctrodes són els que marquen les zones que quedaran negres (amb forma quadrada per a fer píxels i amb forma de goril·la per al clàssic Game&Watch de Donkey Kong).
3. Capa de cristall líquid. Per defecte, quan un feix de llum travessa una zona del cristall líquid, aquesta canvia de direcció perquè els cristalls conformen una mena d'hèlix. En canvi, si se li aplica un voltatge sobre una zona concreta, aquest hèlix es desfà i deixa passa la llum sense fer-li res. Més endavant veurem perquè serveix això.
4. Un altre vidre format totalment per elèctrodes d'òxid d'indi, aquesta capa serveix per garantir l'hèlix del cristall líquid.
5. Un filtre polaritzador horitzontal (només deixa passa la llum polaritzada horitzontalment). En aquest cas, només deixaria passar la llum que ha canviat de direcció en passar per l'hèlix del cristall líquid.
6. Superfície reflectant. Aquesta capa no hi és en el cas del projector, però és necessari per a d'altres dispositius. Serveix perquè la llum retorni cap a l'espectador.
   

Diagrama de l'hèlix i els funcionament (Wikipedia)

El funcionament un cop explicades les capes és força enginyós. Si traiem la capa de cristall líquid, tot el panell es veuria negre perquè el primer polaritzador només deixa passar la llum vertical i el segon la horitzontal, així que és impossible que passi cap tipus de llum. En canvi, si posem el cristall líquid, aquest formarà hèlix que convertiran la llum vertical en horitzontal i es panell quedarà blanc (o del color que tingui el fons). En aplicar-li voltatge, algunes zones del cristall líquid deixen de fer l'hèlix i permeten definir zones forques per on no passa la llum.

Funcionament dels projectors LCD

Un cop s'ha entès que amb l'LCD és possible fabricar un mur transparent on es poden enfosquir algunes zones per tal que no hi passi la llum, és possible parlar de com funciona realment el projector.

La majoria dels projectors (LCD i DLP) disposen d'un element comú que és la bombeta. Les bombetes dels projectors no són com les de casa, són força més potents i ofereixen llum de millor qualitat (i si, també són infinitament més cares). La llum d'aquestes bombetes sol ser sempre el punt d'origen de tota la lògica d'un projector.

El primer que fa un projector LCD amb la llum és descomposar-la en els components bàsics (Vermell, Verd i Blau, com es va explicar als previs 1). Per fer-ho usa un joc de mirall dicroics (que es van explicar al previs 2). Un cop fet això, dins del projector hi ha tres feixos diferents, un de cada color.

Al projector hi ha tres LCDs diferents, un per a les parts de la imatge que seran vermelles, un per a les verdes i un altre per a les blaves. Cadascun dels feixos es conduit fins a l'LCD corresponent. Amb això s'aconsegueix que cada feix tingui només les parts de la imatge que són d'un color.

Diagrama d'un projector LCD (afterdown)

Finalment, amb un prisma dicroic (previs 2) tornen a unir-se els tres feixos i s'aconsegueix la imatge. Així, si en una zona s'ha filtrat el vermell i els verd, però no el blau, quedarà blau i, si no se'n filtra cap, quedarà blanc.

Característiques dels projectors LCD

Aquest tipus de projectors són els que la majoria de la gent consideraria de gama mitja-alta. Típicament són els per fer "home cinema". La seva característica principal és que ofereixen una bona cinemàtica, això vol dir que la transició entre fotogrames és ràpida i no es solen percebre distorsions.

Una altre avantatge és que aprofita molt bé la llum, millor que els DLPs (que és l'altre tecnologia a tenir en compte). A igualtat de lumens de la bombeta (unitat de lluminositat) un LCD es veu més brillant.

Per un altre costat, els panells LCD obliguen a que hi hagi una distància mínima entre píxels i, per tant, els contorns de cada píxel està un xic menys definits que en d'altres tecnologies. Antigament, quan un veia un projecció amb un LCD, es podia percebre el que s'anomena efecte reixeta, on es veien massa òbviament la separació entre píxels. Per sort, actualment això ha millorat amb l'alta definició i, per veure la reixeta, és necessari acostar-se força a la imatge.

En resum, els projectors LCD són òptims per visualitzar vídeos perquè ofereixen una bona cinemàtica, però si es vol només per a fer presentacions (aka. powerpoints) seria millor mirar els DLPs (que, a més, sortirà més barat).

Els preus dels projectors LCD és molt variats i va d'entre els 900 fins als 12.000€. Fora d'aquest espectre de preus es trobaran DLPs (tant per d'alt com per baix), que ja explicaré al pròxim article.

Com funciona un projector digital? (previs 2)

A l'anterior article explicava els components bàsics de la llum (RGB). Per tal d'entendre millor com funciona un projector digital és necessari explicar un parell de previs més (això si, amb menys explicacions que l'anterior). Reconec que, a diferència del color, alguns d'aquests comencen a semblar-me una mica màgics ja.

Els prismes i la llum

Abans de començar amb l'explicació, demano perdó als lectors matemàtics i físics perquè seré de tot menys acurat. Pel nostre cas, podem considerar que un prisma és un objecte que surt d'agafar una figura geomètrica i extrudir-la.

Imatge d'un prisma hexagon (Wikipedia)

Aquesta mena de figura té molts usos i propietats en diversos àmbits; geologia, construcció... però només en destacaré les propietats òptiques. Bàsicament, mitjançant un prisma transparent és possible separar la llum blanca en l'espectre visible i viceversa.

Suposo que tots els amants de Pink Floyd ja hauran pensat en el mític àlbum del 1973 "The Dark Side of The Moon" i la portada. Efectivament, aquesta portada representa un prisma separant la llum, vist zenitalment.

Portada del disc "The Dark Site Of The Moon" (Wikipedia)

Tot i això, per als projectors sol interessar més la propietat contrària, aconseguir llum blanca a partir dels components bàsics (vermell, verd i blau). La veritat és que em supera una mica el com s'aconsegueix, però normalment aquest tipus de prisma rep el nom de prisma dicroic.

Llum polaritzada

Si volgués explicar els principis físics de la polarització d'ones electromagnètiques, segurament cometria molts errors i perdia la majoria dels lectors, així que ho simplificaré per tal que no sigui ni ofensiu, ni profund, ni exacte.

Bàsicament, els feixos de llum que provenen del sol o d'una bombeta tenen més d'una direcció. Per di-ho d'alguna maneta, a cada feix presenta un garbuix de direccions, com si fos un trena "rasta". D'això s'en diu llum no polaritzada.

Per un altre costat, existeixen tecnologies que ens permeten aconseguir feixos de llum que només presentin una única direcció. Més o menys com una cabellera ondulada acabada de pentinar. Un exemple força comú són els punters làser (o la llum vermella d'alguns ratolins òptics).

Diagrama d'un filtre polaritzador (Wikipedia)

Als projectors, s'usen filtres polaritzadors (com els de les càmeres réflex) per tal d'aconseguir feixos amb una única direcció.

Filtres i miralls dicroics

La veritat és que, fins fa poc, desconeixia l'existència d'aquest filtres, encara que donava per suposat que existien. Bàsicament, un mirall o una lent dicroica, és un filtre que deixa passar un color concret i reflexa la resta.

Filtres dicroics (Wikipedia)

El concepte és molt senzill. Si posem una filtre dicroic groc davant d'una font de llum blanca amb un angle de 45º, veurem que es reflexa llum groga (i, per tant, queda perpendicular a la font de llum) i que la llum blava travessa la lent (i queda en la mateixa direcció que la font de llum).

Crec que amb aquest quatre conceptes, ja podré començar a explicar com funcionen els projectors digitals.

Com funciona un projector digital? (previs 1)

Donat que, des de fa poc, formo part del col·lectiu "tinc un projector, sóc guay", he decidit que durant uns quants articles em dedicaré a explicar el que m'ha semblat entendre del com funcionen aquests aparells.

El problema és que per entendre-ho bé, és primordial conèixer una sèrie de conceptes previs i la tercera llei de Clarke. Per això i perquè és agost i amb un article llarg ja cobreixo tot el que queda de mes crec que és convenient explicar algunes cosetes sobre la llum i el color abans d'entrar de ple al tema.

Ja aviso que no comentaré detalls físics perquè, entre d'altres motius, ni en sé ni m'importen. Només es tracta de donar algunes pinzellades a temes que molta gent considerarà trivials però que són la base del funcionament dels projectors.

Els components bàsics de la llum

Quan anàvem a l'escola, el professor d'art explicava que tots els colors es poden fer només amb uns pocs bàsics. Per exemplificar-ho, el professor solia escollir combinacions com ara:

• blau + groc = verd
• vermell + groc = taronja

I tots ens quedàvem meravellats en veure-ho. Finalment, solia acabar amb allò de "el blanc és tots els colors i el negre és l'absència de color". El problema és que quan ho provàvem amb les "témperas" la unió de tots els colors formava un marró poc apetitós i, si no pintàvem, el propi paper feia de blanc.

No és que el professor mentís, simplement és que no explicava tota la teoria (això era feina del de física, i segurament estaven picats entre ells). El total de colors que veu l'ull humà forma el que s'anomena normalment l'espectre visible.

Espectre visible per l'ull humà (wikipedia)

Més enllà d'aquest espectre es troben els ultraviolats i els infrarojos, però això ja és una altra història. En tot cas, els colors que conformen aquest espectre poden sumar-se i restar-se. La suma de tots els color conformen el blanc i l absència el negre (punt pel profe d'art), el que no deia és que depenent del context, parlarem que es sumen els colors o que es resten.

Teoria sostantiva del color

De bones a primeres, això de restar color queda estrany però, realment, és el que fèiem a classe de plàstica. Quan pintem un color (vermell, per exemple) sobre un paper blanc, el que estem fent és restar, del blanc, tots els colors excepte el vermell. Aquesta teoria s'aplica sobretot en tintes, on el propi color de fons ja és el blanc.

Com deia el professor, és possible ajuntar dos colors i fer-ne de nous. El problema és que no explicava que, en el cas de les tintes, amb 3 colors n'hi ha prou: cian, magenta i groc. D'aquesta manera:

• magenta + groc = vermell
  
• cian + magenta = blau
  
• cian + magenta + groc = negre
  

Llavors, el que passava en barrejar tots els colors era que s'aconseguia un negre teòric perquè, no ens enganyem, les "témperas" es dissolen en aigua i no són tòxiques, però no destaquen per la seva qualitat. De fet, aquests són els colors dels cartutx de tinta de les impressores.

Teoria additiva del color

Aquesta teoria, a diferència de l'altre, es fa servir quan el color "de base" és el negre. L'exemple més clar és el de la llum, on sense llum estem a les fosques (negre). S'aplica en molts àmbits, però pel cas, ens importen els monitors d'ordinador, les televisions i els projectors.

Si en una habitació a les fosques (amb les parets blanques) encenem una bombeta verda, tota l'habitació es veurà verda (no té massa mèrit). Però si al costat de la vermella n'encenem una de vermella, la major part de l'habitació es veurà groga (i aquesta sí que no l'explicava el profe). I, en un món ideal, si al costat n'afegim una de blava, les parets es veurien blanques (si estan pintades blanc, clar).

En aquesta teoria es parla que la llum blanca es divideix en tres components: vermell, verd i blau. En anglés RGB (Red, Green, Blue). Així, si a un feix (raig) de llum deixem els tres colors, la llum serà blanca, si canviem la intensitat d'algun d'ells aconseguirem algun nou color i si els traiem tots aconseguirem negre.

Els components bàsics de la llum (wikipedia)

Per això, quan expliqui com funcionen els projectors, parlaré sempre dels components vermell, verd i blau de la llum.