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Eficiencia lumínica de los sistemas de proyección estereoscópicos

En este artículo vamos a repasar la eficiencia luminosa de distintos sistemas de proyección que podemos encontrar.

Tipos de proyectores

Para empezar vamos a dividir los sistemas de proyección más utilizados en proyección estereoscópica en 3 tipos. Estos tres tipos serán el LCD Tipo-1, LCD Tipo-2 y en un Tipo-3 meteremos los CRT, DMD y los DLP.

Polarización Proyectores

Fig. 1 Ilustración de la polarización de salida de los tres tipos de proyectores (a) Type-1 LCD (b) Type-2 LCD (c) Type-3 (CRT, DMD, DLP)

La mayoría de los proyectores LCD tienen una polarización lineal en dos colores (generalmente rojo y azul) y una polarización ortogonal (a 90º) para el tercer color (verde). Estos son los que llamamos LCD Tipo-1.

Otros proyectores LCD tienen también salida polarizada linealmente con los tres colores en la misma dirección (LCD Tipo-2).

Por otra parte en el Tipo-3 tenemos los proyectores CRT (tubo de rayos catódicos), DMD (dispositivo digital de microespejo) y los DLP (procesamiento de luz digital) tienen una salida no polarizada.

Sistemas de proyección secuencial basados en gafas obturadoras de cristal líquido

En este sistema la imagen izquierda y derecha son alternativamente proyectadas y son filtradas con gafas activas de cristal líquido sincronizadas con la señal de vídeo.

Fig. 2 Imagen del ojo derecho e imagen del ojo izquierdo (respectivamente)

De acuerdo con los resultados experimentales de Barco se ha medido un 16% de eficacia con proyectores Tipo-3 CRT/DMD tiempo-secuenciales con gafas activas de cristal líquido. Esto es así debido a la proyección secuencial de la imagen izquierda y la imagen derecha. El ciclo de trabajo será pués del 50%. Además, el blanking entre la imagen izquierda y derecha necesario para asegurar una buena separación estereo reduce aun más la salida de la luz, resultando una eficiencia final en pantalla del 45%.

Ahora, debido a la polarización de las gafas activas de LC cada ojo recibe menos del 50% de la luz reflejada en pantalla. Como los obturadores LC no abren y cierran instantáneamente y debida a la pérdida de luz por la polarización de las gafas la eficiencia de las gafas activas es de alrededor del 35%.

Teniendo en cuenta la eficiencia en la proyección y al paso de las gafas la eficiencia general de este sistema es de aproximadamente el 16%

Sistema de proyección estereoscópico pasivo con ZScreen

Una alternativa a las gafas activas es el ZScreen, que es un tipo de modulador de polarización de cristal líquido. Esta lámina se coloca justo delante de la lente del proyector con el fin de cambiar las características de la luz polarizada. Esta lámina cambia la polarización entre luz polarizada circularmente dextrógira y levógira. Los espectadores tienen que llegar gafas de polarización circular. Esta polarización tiene la ventaja frente a la polarización lineal que el efecto es menos crítico a las inclinaciones de cabeza.

Fig. 3 Esquema de proyección estereoscópica con ZScreen

La ZScreen funciona polarizando la luz linealmente en la parte más cercana a la lente del proyector y después esta luz atraviesa una lámina de cuarto de onda que convierte la luz polarizada linealmente en luz polarizada circularmente. Para que esto ocurra la lámina de cuarto de onda tiene que estar orientada a 45º de las líneas neutras de la polarización lineal.  Aprovechando este fenómeno si aplicamos voltaje a la lámina de cuarto de onda y la giramos 90º cambiamos la dirección de giro.

Por lo tanto el sistema final funcionará secuencialmente en el tiempo cambiando la dirección de giro acorde con la imagen proyectada.

De acuerdo con los resultados de Barco la eficiencia de este sistema está en un 12%, utilizando un único proyector y la ZScreen. Esto es debido a que la ZScreen es incluso más lenta que las gafas activas y por lo tanto se necesita mayor blanking entre imágenes, reduciendo la eficiencia al 40%. La ZScreen transmite la luz no polarizada con una eficiencia del 35% (50% sólo por la conversión de luz no polarizada a luz polarizada). A través de las gafas pasivas también se reduce la eficiencia, siendo esta del 84%.

Además nombrar que el Real D XL tiene una eficiencia calculada aproximada del 26%

Sistemas de proyección estereoscópicas basados en filtros polarizados

En este tipo de proyecciones podemos “jugar” más utilizando los tres tipos de proyectores antes nombrados.

Fig. 4 Tres tipos de configuración para proyectores comerciales polarizados (a)Configuración para Tipo-1 (b)Configuración para Tipo-2 (c)Configuración para Tipo-3

Para el caso de los proyectores Tipo-1 tienen que ser utilizados polarizadores a +45º en un proyector y -45º en el otro, con el fin de conseguir una correcta polarización ortogonal y un correcto balance de color.

Fig. 5 Método de proyección estereoscópica de polarización lineal con proyectores LCD Tipo-1

En este sistema las imágenes derecha e izquierda, polarizadas ortogonalmente, son proyectadas simultaneamente. El espectador tiene pues que utilizar  unas gafas con polarizdores  en la misma dirección que los polarizadores externos (+45º para el ojo derecho, -45º para el ojo izquierdo). En este caso también podrían ser utilizados dos polarizadores circulares con sus ejes a +45º y -45º, en vez de los dos polarizadores lineales.

Fig. 6 Método de polarización lineal de sistemas de proyección con proyectores LCD Tipo-1 (a) Polarización de salida de LCDs Tipo-1 (b) Polarizadores lineales externos

La eficiencia teórica en pantalla es del 50%. Teniendo en cuenta la eficiencia de las gafas polarizadas (se tendrá en cuenta 84% para todo el artículo) la eficiencia final teórica es de un 42%.

Experimentos de medida de A. Wood arrojan unos datos de 32% de eficacia en pantalla  una eficiencia final del 27%

Para proyectores Tipo-2, la polarización vertical de salida es rotada a +45º y -45º usando láminas retardadoras de media onda y luego polarizadores lineales en la dirección deseada. Aquí también se pueden utilizar dos polarizadores circulares con sus ejes a +/-45º, en vez de los dos polarizadores lineales.

 

Fig. 7 Método de polarización lineal de sistemas de proyección con proyectores Tipo-2 (a) Polarización de salida de LCDs Tipo-2 (b) Retardador de media onda y polarizadores lineales externos

La eficiencia de las láminas de media onda es de un 95%. Los polarizadores lineales no afectan. Teniendo en cuenta el 95% de la lámina de media onda y la eficiencia de las gafas polarizadas del 84% obtenemos una eficiencia final del 80%.

Para proyectores Tipo-3 basta con la utilización de polarizadores lineales externos con ejes a +/-45º.  La eficiencia lumínica teórica de este sistema será del 50% en pantalla (caso ideal) y teniendo en cuenta un 84% de eficiencia en gafas la eficiencia total es de un 42%, al igual que los sistemas de Tipo-1 con polarizadores externos.

Fig. 8 Método de polarización lineal de proyectores Tipo-3 (a) Salida no polarizada de proyectores Tipo-3 (b) Polarizadores lineares externos

Sistemas de proyección estereoscópicas usando proyectores comerciales con láminas de retardo

Es bien sabido que, para proyectores sin salida polarizada más del 50% de la luz se pierde de manera inevitable en el proceso de polarización. A.Wood discutió varias configuraciones de proyectores comerciales para sistemas de proyección polarizada y los evaluó en forma de pérdida de luz. Sus experimentos revelaron una pérdida del 68%,43% y 75% de la luz para proyectores Tipo-1, Tipo-2 y Tipo-3 en el proceso de polarización, respectivamente. Barco también analizó varias configuraciones comerciales en términos de pérdida de luz. De acuerdo con sus experimentos un 59% y 38% de la luz se pierde para los casos del proyectores Tipo-2 y Tipo-3  en el proceso de polarización, respectivamente.

En el caso de proyectores Tipo-3 dos polarizadores tienen que ser puestos delante de cada proyector  para polarizar las salidas en direcciones ortogonales ya que la salida es no polarizada, por lo tanto no hay posibilidad de hacer nada para minimizar esta pérdida de luz.

Sin embargo, para los proyectores Tipo-1 y Tipo-2, cuyas salidas ya son polarizadas, se pueden utilizar láminas de retardo de onda con el propósito de utilizar la propia polarización de salida del proyector y minimizar las pérdidas de luz.

Para el caso de proyectores LCD Tipo-1

En la Figura 9 podemos ver la configuración para este tipo de proyección. Comparando con la Figura 5, el sistema consiste también de dos proyectores LCD, pantalla y unas gafas polarizadas, pero aquí encontramos algunas diferencias. El más significativo es el cambio de los polarizadores externos por láminas de cuarto de onda. Además los canales verdes de los proyectores izquierdo y derecho son cambiados.

Fig. 9 Diseño general del sistema de proyección usando LCD Tipo-1 y lámina de cuarto de onda

La salida que obtenemos es la siguiente

Fig. 10 Salida de polarización de los proyectores izquierdo y derecho para los caso de LCD Tipo-1(a) y salida transformada de la imagen izquierda y derecha (b)

En este caso obtenemos polarización circular con la componente verde del proyector izquierdo va a en el sentido de las agujas del reloj, mientras que el rojo y el verde van al contrario.  Las componentes del proyector derecho están polarizadas justo al contrario(a). Sin embargo nosotros tenemos que conseguir la figura de polarización de (b) con el fin de conseguir dos salidas ortogonales y que cumplan los requisitos de equilibro de color. El proceso para obtener este resultado se muestra en la Figura 11.

Fig. 11 Carta de flujo del procesado de imagen estereo para el caso de proyectores LCD Tipo-1 usando lámina de retardo

En este sistema las pérdidas se producen en la lámina retardadora y en las gafas polarizadas. Al atravesar la lámina de cuarto de onda (95% eficacia) y la gafas (84% eficacia) obtenemos una eficiencia final teórica del 80%.

Colorcode

Con este sistema de separación (similar al anaglifo) sólo es necesario un proyector ya que imagen izquierda y derecha van combinadas en una sola imagen. Es por esto que la eficiencia de salida es del 100%. Por lo tanto, al ser la eficiencia de las gafas de un 30% la eficiencia total es del 30%. La principal y mayor desventaja de este sistema, al igual que el anaglifo, es que la intensidad de luz en retina de cada uno de los ojos es distinto. Esto se suele resumir con la frase “son muy disociantes”, es decir, los dos ojos están mirando por “ventanas” muy distintas a lo que es la realidad y es muy fácil que provoquen una ruptura la fusión y por lo tanto una pérdida la ilusión del relieve.

Gafas utilizadas para visualizar proyecciones estereoscópicas de ColorCode

Sistema de proyección basado en longitudes de onda múltiples

El sistema desarrolado por INFITEC GMBH consiste en una variación del anaglifo. La principal diferencia en este caso es que a cada ojo llega una gama de colores completa y no, por ejemplo, a un ojo el rojo y al otro ojo el verde y el azul (anaglifo rojo/cyan).

El principio de funcionamiento de este sistema consiste en que el espectro transmitido por un proyector sean 3 franjas, una en la longitud de onda del rojo, otra en el verde y otra en el azul. El otro proyector también emitirá tres franjas de esos tres colores pero desplazadas un poco en el espectro. Se entiende mucho mejor observando la Figura 12.

Fig.12 Sistema de proyección de gafas pasivas de INFITEC

La diferencia de longitud de onda entre R1,G1,B1 y R2,G2,B2  necesita ser al menos de 10 nm para conseguir una correcta separación con gafas pasivas. A mayor diferencia de longitud de onda, menor coste de las gafas. Además se producirá menos ghosting. Es posible elegir longitudes de onda separadas 25 nm y aun así conseguir una buena gama de colores al superponerse para producir la gama de colores DCI (Digital cinema initiative).

Fig. 13 Esquema del sistema de proyección estereoscópico basado en longitudes de onda múltiples

De acuerdo con los resultados experimentales de Barco se obtiene una eficiencia del 27% usando dos proyectores con filtros INFITEC. La luz blanca de cada proyector es pasada a través de un filtro de color que divide la banda de color primario (blanco) en dos regiones separadas. En este proceso se consigue una eficiencia máxima teórica del 45% después de la optimización de INFITEC. Manteniendo la aplicación práctica y la optimización de color en cuenta, se logra el 30% de eficiencia después de la optimización de INFITEC. Las dos imágenes “INFITEC-optimizadas” son vistas a través de unos filtros en los cuales la luz sufre ciertas reflexiones y absorciones. Lo que nos da la eficiencia total de 27%

En la variante de este sistema con un solo proyector, el DOLBY 3D, se estima una eficiencia del 14% debido a las mismas causas que hemos visto antes más el hecho de la necesidad de un blanking para la separación de imágenes satisfactoria.

Proyección estereoscópica polarizada usando proyectores comerciales sin filtros polarizadores externos

La manera más fácil de evitar la pérdida de luz por el uso de polarizadores es simple: no utilizarlos.  Vamos a ver las maneras que hay de proyectar sin utilizar los polarizadores externos.

Para el caso de proyectores Tipo-1

Fig. 14 Diseño general del sistema de proyección polarizado (sin polarizadores externos) usando LCD Tipo-1

Como se puede observar el sistema consiste en girar uno de los dos proyectores 90º. El problema subsiste de nuevo en los canales verdes.

Fig. 15 (a) Polarización de salida del sistema (b) Polarización de salida transformada

Al igual que antes es necesario una procesado de imagen para pasar de (a) a (b) debido al cruce de polarizaciones y a la rotación de uno de los proyectores 90º. La carta de flujo de las imágenes estereo está representada en la Figura 16.

Fig.16 Carta de flujo del procesado de imagen para el caso de proyectores LCD Tipo-1 sin polarizadores externos

La eficiencia de este sistema está clara: eficiencia del 84%. Toda la pérdida debida a la eficiencia de las gafas polarizadas.

Para el caso de proyectores Tipo-2

Para este tipo de configuración obtenemos directamente la figura de polarización deseada (representada en la Figura 15 (b)). La configuración es la siguiente:

Fig. 17 Diseño general del sistema de proyección polarizado (sin polarizadores externos) usando LCD Tipo-2

Este sistema requiere procesado de imagen debido a la rotación que sufre uno de los proyectores 90º, al igual que con proyectores LCD Tipo-1 sin polarizadores externos. La eficiencia de este sistema es también del 84%.

Por último, simplemente nombrar que es posible la rotación 90º de la polarización de uno de los proyectores mediante la utilización de LCD girados neumáticamente (TN-LCD) que producen una rotación de todas las polarizaciones lineales 90%. Con este sistema es innecesario el proceso de imagen debido a la rotación de la imagen, ya que los TN-LCD sólo afectan a la polarización de la luz. En el caso de utilizarlo con proyectores Tipo-1 sigue siendo necesario el proceso de corrección de color debido a la polarización cruzada del canal verde.

Fig 18 Principio de funcionamiento de los TN-LCD

La eficiencia lumínica de estos sistemas es también del 84% (despreciando las reflexiones que puedan producirse en el TN-LCD (aproximadamente 4%).

Configuración de proyección Eficiencia (en pantalla) Eficiencia (en ojo)
Sistemas de proyección secuencial basados en gafas obturadoras de cristal líquido 45%*** 16%***
Sistema de proyección estereoscópico pasivo con ZScreen 14%*** 12%***
Sistema de proyección basado en longitudes de onda múltiples 30%*** 27%***
Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-1 y polarizador lineal externo 50%* 

32%**

42%* 

27%**

Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-2y polarizador lineal externo 62%* 

57%**

70%***

52%* 

48%**

59%***

Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-2, lámina de media onda y polarizador lineal externo 100%* 80%*
Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-2, lámina de cuarto de onda 100%* 80%*
Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-1 rotado, sin polarizador externo 100%* 84%*
Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-2 rotado, sin polarizador externo 100%* 84%*
Sistema de proyección estereoscópica con LCD Tipo-1 modificado (TN-LCD), sin polarizador externo 100%* 84%*

# *:Caso ideal/Método calculado, ** Resultados experimentales de A. Wood (Medidos), ***: Resultados de Barco

# Eficiencia de las gafas LC activas: 35%, Eficiencia de las gafas polarizadas: 84%, Eficiencia de las gafas de filtro de color INFITEC: 90%, Eficiencia láminas de media onda y cuarto de onda: 95%

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Categorías:Gafas, General, Proyectores
  1. abril 7, 2011 en 9:37 pm

    Es el mejor artículo que se ha publicado en mi blog.
    Gracias Angel!

    Por cierto, hoy en el CD6 de Terrassa me han hablado muy bien de la escuela universitaria de óptica y optometría de Murcia.

    Invito a que si hay otros artículos de este nivel, ya sean tuyos o de otro lector, podáis usar mi blog para difundirlo.
    Jordi.

    • abril 7, 2011 en 9:48 pm

      Muchas gracias Jordi. Me alegro que de que te haya gustado.

      Saludos!!

  2. agosto 27, 2011 en 11:49 am

    gracias por el artículo

    y que hay de los filtros SPAR para LCD ?

    • agosto 27, 2011 en 12:12 pm

      Hola Ignacio. Pues la verdad es que no contaba con información de esos filtros a la hora de redactar y publicar el artículo. Buscaré estudios sobre ellos y veré de añadirlos al artículo.

      ¡Saludos!

  3. mj
    enero 26, 2012 en 3:20 am

    muy buen artículo, gracias

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