De digitale cinemaprojector ontleed

In steeds meer bioscopen ziet het publiek beelden die afkomstig zijn uit een digitale projector. Deze bevat allerlei technische snufjes om aan de hoge eisen te kunnen voldoen die de filmmakers van tegenwoordig stellen. Tom Bert van Barco leidt ons door het apparaat, van lamp tot lens.

Sinds de eeuwwisseling maakt de bioscoopwereld een belangrijke verandering door. Meer dan honderd jaar was 35-mm-film de standaard, maar met de release van Star Wars Episode 1 in 1999 verschenen de eerste digitale projectoren in de theaters. Hoewel de overgang naar digitale cinema wat langer duurde dan verwacht, is het duidelijk dat we nu voorbij het omslagpunt zijn: eind vorig jaar had meer dan zeventig procent van de 120 duizend bioscoopzalen wereldwijd een digitale projector. Met een aandeel van bijna veertig procent is Barco marktleider in deze toestellen. Leuk om te weten is dat ook ‘s werelds helderste cinemaprojector bij ons vandaan komt.

Vergeleken met projectoren voor tv, vergaderruimtes en andere toepassingen hebben bioscoopsystemen enkele bijzondere kenmerken. Hun helderheid is bijvoorbeeld veel groter omdat ze oppervlakken moeten beschijnen van meer dan vijfhonderd vierkante meter. Om het publiek de beelden te kunnen tonen zoals de makers ze hebben bedoeld, moeten ze bovendien een heel hoge kleurnauwkeurigheid en -stabiliteit hebben, hun hele leven lang. Met draaitijden van vierduizend uur per jaar is het ook van belang dat de total cost of ownership binnen de perken blijft; elk procentje meer efficiency levert de exploitant honderden euro‘s besparing op. Ten slotte heeft contentbescherming een hoge prioriteit, aangezien de nieuwste films in de projector worden gedecodeerd.

Vierkant

De projectie begint met de lichtbron. In de helderste digitale cinematoestellen zitten xenonlampen van wel zeven kilowatt. Het is een hele uitdaging om dat vermogen te genereren in een compact en stabiel systeem. De projectoren van Barco hebben een energievoorziening die bestaat uit drie redundante modules van 2,5 kW elk, die stromen leveren van 150 A en meer met een lage ripple. Hierdoor kunnen we meerdere units parallel schakelen.

Het lastigste is om de xenonlamp in gang te zetten. Om een stabiele plasmaboog te krijgen tussen de elektrodes is een kritieke opstartsequentie vereist. In onze systemen genereren we eerst een spanningspiek van 35 kV en dan een plateau van 150 A, waarna de lamp in de normale stand springt. De timing van deze sequentie managen we met een startpulsgenerator die nauwkeurig gesynchroniseerd is met de energievoorziening.

Naast licht produceert de lamp een aanzienlijke hoeveelheid warmte. De bundel kanaliseren we vervolgens via heel kleine oppervlakken, van minder dan een inch in doorsnee, om het complete design compact en betaalbaar te houden. Daarbij komt ook een heleboel warmte vrij. Een complex koelsysteem zorgt ervoor dat de temperatuur in onze systemen niet te hoog wordt. Aan de kerncomponenten zijn bijvoorbeeld Peltier-elementen bevestigd en door het optische hart van onze grootste projectoren loopt zelfs een circuit met koelvloeistof. Sluitstuk is een ventilator bovenin die tien kuub hete lucht per minuut wegblaast.

Om de lamp heen zit een elliptische of parabolische reflector die zo veel mogelijk licht van de twintig centimeter lange en tien centimeter brede xenonpeer opvangt en het optische pad in stuurt. De oppervlakteruwheid van deze structuur is een belangrijke parameter. De kleinste imperfecties kunnen de efficiëntie van de reflector al naar beneden halen, met wel vijftien procent. In onze projectoren gebruiken we perfect gladde reflectormaterialen, die in gasvorm worden opgedampt op een dragersubstraat.

Eerste schakel in het optische pad is een koude spiegel. Die filtert de meeste schadelijke uv- en infraroodstraling weg en buigt het pad negentig graden af, weer uit het oogpunt van compactheid. Vervolgens gaat de bundel een optische buis in die het licht homogeniseert van een boogvorm naar een vierkante bron. Dit is nodig om een uniform beeld te krijgen op het scherm en hotspots of verstrooiing te voorkomen. Na de buis snijdt een diafragma de uit het lood geslagen stralen eraf en focust een lenzenstelsel de bundel opdat de output van de projector de hoge contrastverhouding van 2000:1 heeft die hoort bij bioscoopkwaliteit. De laatste schakels zijn een spiegel die het pad negentig graden verder buigt en een kleurfilter dat het deel van het xenonspectrum verwijdert dat buiten het cinemagamma ligt.

Geseald

Vanuit het optische pad komt de bundel de optische engine binnen door een vierkante opening van ongeveer een inch in doorsnee. Daarachter ligt een prisma dat het witte licht splitst in de drie kleurcomponenten rood, groen en blauw. Elke component wordt doorgeleid naar zijn eigen chip, die de bijbehorende bits uit de content transformeert naar licht op het scherm.

Voor deze omzetting kent de wereld van de digitale cinema twee concurrerende technologieën: Digital Light Processing (DLP) van Texas Instruments en Liquid Crystal on Silicon (LCos) van Sony. Dit duo verdeelt de wereldwijde taart, waarbij DLP veruit marktleider is met negentig procent en LCos het moet doen met de resterende tien procent. Barco-projectoren gebruiken de technologie van TI.

Een DLP-chip bestaat uit een Mems-gestuurde matrix van heel kleine spiegels, een per pixel, boven op een silicium substraat. Elk spiegeltje van minder dan tien micrometer in doorsnee kan twaalf graden omklappen in twee richtingen: de ene kant uit weerkaatst het het opvallende licht de lens in; de andere kant uit leidt het het licht naar een absorberend medium. In het eerste geval resulteert dit in een oplichtende pixel op het scherm, in het laatste geval niet. Door de matrix van spiegeltjes, 4096 bij 2160 stuks voor digitale cinema, razendsnel te laten klapperen, ontstaan bewegende beelden.

Een DLP-projector bevat drie van deze spiegelmatrices, een voor elke kleur. Zij vormen verreweg de belangrijkste componenten. Hun omvang en performance bepalen het ontwerp van alle andere optica. Om ervoor te zorgen dat de chips lang meegaan en hun hele leven dezelfde hoge beeldkwaliteit afleveren, is het niet alleen zaak om ze koel te houden maar ook om ze te vrijwaren van stof. Bij Barco hebben we de optische engine met een gepatenteerde methode geseald, zodat de chipoppervlakken schoon blijven en bioscoopbezoekers verschoond van verstrooid licht of vlekjes op het scherm.

Knoeibestendig

De pixeldata voor de aansturing van de DLP-chips beginnen hun leven op het moment dat ze worden uitgelezen van de beelddrager. Met het oog op de enorme grootte van de projectieschermen en de hoge eisen die de filmmakers stellen, moet de stroom van de hoogst mogelijke kwaliteit zijn, niet alleen wat betreft resolutie maar bijvoorbeeld ook qua kleurdiepte. Waar voor de meeste andere toepassingen acht bit volstaat, hebben de beelden in onze projectoren daarom een diepte van twaalf bit.

Ook de compressie moet aan de hoogste standaarden voldoen. In tegenstelling tot de meeste videoapplicaties, die het MPeg-formaat gebruiken, verpakken de digitale cinemaprojectoren van Barco de pixeldata als hoogkwalitatieve JPeg2000-stromen van 250 Mb/s. Dedicated FPGA‘s verzorgen de decompressie volgens het 4:4:4-schema. Tegelijkertijd voeren ze realtime een zogeheten P7-kleurcorrectie uit om de kleurcodering van JPeg2000 te transformeren naar de manier waarop cinema werkt.

Na het uitpakken deelt het systeem de resulterende seriële datastroom op in drie parallelle stromen, een voor elke kleur. De corresponderende DLP-chip parallelliseert zijn stroom vervolgens verder naar input voor de afzonderlijke pixels. Bij de technologie van TI wordt het beeld dus niet lijn voor lijn opgebouwd, maar in één klap, in een pulse-width modulation-modus, naar de meer dan een miljoen spiegeltjes geflasht, en dat 24 keer per seconde.

Boven op dit alles ligt een laag die de content beveiligt tegen kwaadwillenden die de eigendomsrechtelijk beschermde data willen ontvreemden. Het gecodeerde beeldmateriaal is alleen te decoderen met behulp van een overeenkomstige sleutel op de projector. De bijbehorende elektronische component moet bovendien knoeibestendig zijn om te voorkomen dat hackers bij de gedecodeerde gegevens kunnen. Wij hebben dit geregeld door het subsysteem uit te voeren conform de Federal Information Processing Standard (Fips). De behuizing van de projector hebben we beveiligd met meerdere knoppen en schakelaars die detecteren wanneer iemand het apparaat opent.

Coatings

Niet alleen de componenten zijn van invloed op de performance van de projector, ook het materiaal waarvan ze zijn gemaakt. Een slecht ontworpen optische engine gebruikt materialen die te veel licht met een korte golflengte (blauw) absorberen. Hierdoor worden ze geel en in het ergste geval kunnen ze zelfs smelten – geen van beide komt de beeldkwaliteit ten goede.

Daarnaast bepalen de toegepaste materialen de energetische capaciteit van het apparaat. Dit is de hoeveelheid licht die erdoorheen kan. Wanneer een systeem niet is gemaakt voor de hoge energieën die heldere lampen met zich meebrengen, kan het materiaal eveneens stukgaan. ‘s Werelds helderste digitale cinemaprojector, Barco‘s DP2K-32B, hebben we specifiek ontworpen om meer dan 32 duizend lumen te kunnen verstouwen.

Op de optische materialen hebben we twee typen oppervlaktecoatings gebruikt: antireflectieve (AR) en kleurscheidende. De AR-coatings zorgen ervoor dat het licht zo min mogelijk afketst op het onderliggende materiaal en zo veel mogelijk de engine in en door gaat. Door deze slim toe te passen, is bij de passieve optische componenten een doorlaatbaarheid van meer dan 99 procent te bereiken. Het voorkomen van reflecties vermindert ook de hoeveelheid verstrooid licht in de engine, wat weer een positieve invloed heeft op de contrastverhouding.

De kleurscheidende coatings gebruiken we in het prisma om het binnenkomende licht te splitsen in rode, groene en blauwe kanalen voor de drie DLP-chips. Deze lagen zorgen voor een duidelijke scheiding van de verschillende delen van het spectrum. Die scheiding wordt nog beter door daarnaast scherp afsnijdende filters te gebruiken. Het resultaat is een betere optische efficiëntie en een hogere beeldkwaliteit.

Motorisering

Het laatste station dat de lichtbundel passeert alvorens de projector te verlaten, is de lens. Ook dit moet een stukje optisch topdesign zijn om de beelden over een relatief grote afstand vlijmscherp op het bioscoopscherm te krijgen. Daartoe is de lens opgebouwd uit meerdere glascomponenten, die allemaal hun steentje bijdragen. Net als bij de andere passieve optica is het ook hier van belang om de juiste materialen en interfacecoatings toe te passen.

De lens is uitgerust met een gemotoriseerde zoom, shift en focus, zodat het beeld in elk zaaltype optimaal is. De shiftfunctie is bijvoorbeeld belangrijk om het zogeheten keystone-effect te voorkomen waarbij de projectie een trapeziumvorm krijgt wanneer de projector niet recht voor het scherm staat. De motorisering maakt onbemande bediening mogelijk: de instellingen zijn automatisch aanpasbaar voor verschillende voorstellingen, zodat er geen technicus nodig is om ze tussendoor handmatig te wijzigen.