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Iluminación por LED. Sistemas de retroproyección.

LED

Desde sus orígenes, la proyección ha sido la tecnología más extendida en la visualización de imágenes de gran formato y elevada resolución. Con los años, los proyectores han ido evolucionando al ritmo de los últimos avances tecnológicos en ámbitos como la computación gráfica y las fuentes de vídeo y en línea con la tendencia a conseguir pantallas de mayores dimensiones y resoluciones superiores.
Sin embargo, ciertas aplicaciones exigen una mayor densidad de píxeles para áreas más amplias que un solo proyector fijo es incapaz de ofrecer. En el presente informe técnico trataremos de abordar una de esas aplicaciones: la sala de control; desde donde se monitoriza y controla la potencia y otros servicios, procesos de planta, redes de comunicación, rutas de transporte y otros muchos aspectos esenciales. En la mayoría de los casos, la mejor forma de gestionar estas aplicaciones consiste en proporcionar una solución de videowall consistente en un gran número de unidades de retroproyección. Este tipo de matrices en mosaico son capaces de generar una imagen compuesta, dotada de un número de píxeles mucho mayor que el que puede ofrecer cualquier otro proyector por sí solo.

Retos del videowall

Los videowalls plantean una serie de retos importantes a los que los proyectores han de hacer frente y que tienen que ver, principalmente, con la fiabilidad, los costes totales de propiedad, la sencillez de la configuración y el rendimiento continuado. En definitiva, podría decirse que la naturaleza de la fuente luminosa del proyector influye poderosamente sobre todos estos aspectos.
Los proyectores digitales suele utilizar lámparas de descarga de alta intensidad, también conocidas como lámparas HID, para iluminar una o más micropantallas. Estas lámparas incluyen un tubo de vidrio con un arco que prende un gas sometido a alta presión, y que contiene xenón o vapor de mercurio. Las lámparas de vapor de mercurio son las más comunes. La naturaleza de una lámpara HID contrasta sobremanera con el resto de los modernos elementos de los proyectores digitales, compuestos principalmente por dispositivos de estado sólido, incluidas las micropantallas. Por lo que respecta a la fuente luminosa, a día de hoy ésta se había mostrado reacia a ofrecer una alternativa de estado sólido, pero con la tecnología LED todo ha cambiado.
Los LED o diodos emisores de luz han tomado el relevo de las lámparas HID, consolidándose como alternativa de estado sólido. Como parte integrante de los sistemas de retroproyección Christie EnteroTM LED, esta tecnología ofrece una serie de ventajas únicas a nivel de funcionamiento y rendimiento capaces de hacer frente a muchos de los retos que plantean normalmente las matrices de proyección y, más concretamente, los videowalls.

Ventajas de funcionamiento

Desde el punto de vista del funcionamiento, las principales ventajas de los LED son su elevada fiabilidad y larga duración. De acuerdo con los tests de fiabilidad desarrollados por el fabricante de LED Luminus Devices en dispositivos sometidos a un funcionamiento continuado durante varios millones de horas, se estima que la duración media de estos dispositivos oscila entre más de 50.000 horas y unas 80.000 horas potenciales. Dichas pruebas se efectuaron bajo condiciones habituales de funcionamiento en aplicaciones de proyección [1]. Esta cifra supera con creces la duración estimada de las lámparas HID, cuya vida útil puede abarcar desde tan sólo 500 horas, como en el caso de algunas lámparas de xenón de alta potencia, hasta las 10.000 horas de duración de determinadas lámparas de mercurio de vapor de baja potencia y máxima presión [2][3].
Como resultado de la elevada fiabilidad de los LED, los costes de propiedad se reducen directamente, evitándose costes de material y mano de obra derivados de la sustitución de lámparas normales, incluidos los gastos de eliminación de las lámparas usadas. Como las lámparas de vapor contienen mercurio, una sustancia restringida en algunos países según la normativa medioambiental, resulta imposible pasar por alto el impacto causado por el uso de estas lámparas en el medio ambiente.
El hecho de que la vida útil de la fuente luminosa sea superior, se traduce en un tiempo de inactividad mucho menor para los proyectores de sistemas videowall al no precisarse la sustitución de la lámpara o su reparación en caso de avería. Esta fiabilidad inherente a los LED podría hacer innecesario sustituir la fuente luminosa de los proyectores de un videowall al final de su vida útil.
Los LED no sólo son mucho más fiables que las lámparas HID como fuente luminosa, sino que, al no generar luz ultravioleta (UV), podrían redundar, además, en una mayor fiabilidad en el equilibrio del sistema óptico del proyector. Por contra, las lámparas HID generan una cantidad considerable de luz ultravioleta que debe eliminarse antes de que se introduzca en la óptica, ya que su presencia podría estropear antes de tiempo el revestimiento de la óptica y otros materiales, sobre todo los basados en compuestos orgánicos [4]. Y aunque es cierto que un diseño cuidadoso puede contribuir a minimizar estos daños, las tecnologías de proyección que utilizan polarizadores como LCD (pantalla de cristal líquido) y LCoS (cristal líquido sobre silicio) han demostrado ser especialmente sensibles a la luz ultravioleta [5].
En el caso concreto de un proyector DLP® de 1 chip, la utilización de los LED como fuente luminosa en vez de una lámpara HID, mejora la fiabilidad del proyector en otro aspecto. En el caso de las lámparas HID, el sistema DLP® de 1 chip necesita una rueda de colores mecánica para ir alternando por los colores primarios durante cada uno de los fotogramas de vídeo. Esta rueda filtra los colores primarios del espectro continuo de luz proporcionado por la lámpara.
Por desgracia, al tratarse de una pieza móvil mecanizada, la rueda de colores representa un punto débil en la fiabilidad del proyector; pero con la incorporación de los LED, desaparece por completo la necesidad de utilizar esta rueda de colores. Con esta tecnología se accede electrónicamente a los colores primarios, ofreciendo la posibilidad de alternar rápidamente entre los LED rojos, verdes y azules controlados individualmente, activándolos y desactivándolos sin mermar su fiabilidad inherente.

Beneficios en el rendimiento

La tecnología de iluminación por LED presenta una serie de beneficios en cuanto al rendimiento. Por un lado, los LED no sólo gozan de una vida útil muy prolongada, sino que, si se cuida su diseño, la pérdida de brillo como consecuencia del paso del tiempo puede ser relativamente insignificante. Los datos sobre el deterioro a largo plazo de dispositivos típicos indican que incluso cuando se alcanzan picos máximos de la temperatura de unión recomendada, tras 20.000 horas de funcionamiento, la caída es de tan sólo un 20%, en el caso de los rojos y azules, y menos del 5% en los verdes [1]. Por el contrario, el máximo de potencia de las lámparas HID normalmente desciende en picado tras varios centenares de horas hasta sufrir un descenso del 50% al final de su ya de por sí corta vida útil (según definición típica) [2].
Un descenso lento en la potencia luminosa se traduce en un nivel medio de brillo mejorado con respecto a los picos máximos de brillo alcanzados en un periodo concreto. Pero lo que es más importante es que en el caso de las aplicaciones de videowall, resulta mucho más fácil mantener un nivel de brillo constante en toda la imagen del videowall, ya que cada una de las imágenes en mosaico «no corregidas» apenas sufrirá cambios en cuanto a los niveles del brillo.
Mantener un nivel de brillo homogéneo en todo el videowall exige un buen control de la intensidad relativa de cada una de las imágenes proyectadas. Aquí, la tecnología LED vuelve a ofrecernos ventajas, ya que el brillo de un LED dispone de una amplia gama de control que puede ajustarse de forma electrónica hasta un máximo potencial del 100% (desde blanco absoluto hasta negro absoluto) sin que ello influya o afecte apenas a las características del dispositivo. Por el contrario, el rango de control del brillo de una lámpara HID es normalmente más limitado, concretamente de sólo un 20% para algunas lámparas de vapor de mercurio y de hasta un 50% para las de xenón.
La capacidad para controlar con precisión la potencia luminosa de los LED no sólo permite equilibrar los niveles máximos de brillo de todos los proyectores de una solución de videowall, sino que además permite equilibrar con exactitud los niveles de negros y de color. Dado que los proyectores basados en esta tecnología utilizan LEDs rojos, verdes y azules, de intensidad controlable de manera independiente, es posible corregir fácilmente cualquier desequilibrio del color en tiempo real. Ello permite lograr unos colores enormemente estables. Además, como todos los proyectores del videowall están comunicados, es posible homogeneizar el nivel del color de todos los proyectores de forma precisa. Este proceso se puede realizar de forma automática gracias al ArrayLOC™ de Christie, una tecnología que ofrece una homogeneización continua y en tiempo real del brillo, el nivel de negros y el color de forma automática a lo largo de toda una matriz de hasta 128 proyectores.
El color está considerado como el factor más importante en la calidad de imagen, después de la relación de aspecto, la resolución y el brillo. Además, es uno de los puntos fuertes de los LED. Cada uno de los LED rojos, verdes y azules empleados en los proyectores emite una gama de longitudes de onda bastante estrecha, con longitudes dominantes típicas de aproximadamente 460 nm para los azules, 525 nm para los verdes y 625 nm para los rojos. De lo que se concluye que la gama nativa de un proyector LED es comparativamente más amplia. El área del triángulo del diagrama de cromaticidad CIE (1931) que define la gama de un proyector LED típico es casi un 70% mayor que la gama del espacio de color EBU (Unión Europea de Radiodifusión), que es la más extendida para las pantallas de las salas de control.
La gama más amplia de la iluminación por LED permite una reproducción más precisa de los colores de objetos reales que están fuera de las capacidades espectrales de las tecnologías de lámpara convencionales, siempre y cuando se haya codificado adecuadamente el contenido de la fuente. De todas formas, es posible renderizar con precisión los espacios de color estándares como EBU mediante, por supuesto, la desaturación de los colores primarios.
Esto es posible sin (apenas) necesidad de sacrificar otros parámetros de rendimiento, gracias al control totalmente independiente de cada uno de los colores primarios de los LED.
Además, la ventaja más importante en las aplicaciones de videowall es que con un proyector de gama amplia se puede conseguir un mayor espacio de color a lo largo de todo el videowall, ya que cualquier espacio de color habitual se verá obligado, por necesidad, a estar dentro del área de la gama de colores que cada proyector es capaz de alcanzar. En el caso, por ejemplo, de las pantallas que sólo alcancen nominalmente el espacio de color EBU, es probable que la gama de colores resultante del videowall sea más reducida que la gama EBU debido a la influencia de las tolerancias.
Por último, pero no menos importante, los LED son capaces de eliminar casi por completo los artefactos de secuenciación del color que anteriormente se asociaban a los proyectores DLP® de 1 chip. La velocidad de la rueda de colores de un proyector con una lámpara HID está limitada a unos pocos cientos de revoluciones por segundo, lo que implica asimismo una limitación del número de veces que los colores RGB pueden alternarse para cada fotograma. Por tanto, la rueda de colores produce un artefacto de separación de colores, conocido como el efecto «arco iris», que sólo se percibe moviendo rápidamente la cabeza o los ojos. Por ejemplo, una imagen en blanco sobre fondo negro puede descomponerse en múltiples estelas de colores.
En los proyectores LED, la alternancia de los LED que desempeña la misma función que la rueda de colores se produce a tal velocidad que la frecuencia del cambio de color se sitúa muy por encima del umbral de parpadeo / fusión a los ojos de casi cualquier persona. Y aunque no todas las personas son capaces de notar la separación de colores al mismo nivel, se trata de un grato fenómeno para quienes pueden percibirla.

Cómo hacer frente a los retos

Pese a que la utilización de los LED como fuente luminosa ofrece múltiples ventajas para las soluciones de videowall frente a las lámparas HID, también plantea una serie de importantes retos que es necesario superar si se quiere sacar el máximo partido de esos beneficios.
En primer lugar, tenemos la luz que procede del LED, que, por lo que respecta a su flujo luminoso (lúmenes nativos) y características espectrales, depende de la corriente eléctrica que acciona el dispositivo y de la temperatura de unión del dispositivo.
Estos dos factores pueden, concretamente, cambiar la longitud de onda máxima emitida por el LED cambiando la gama de colores de la imagen [6]. Es evidente que tanto la corriente como la temperatura de unión se han de controlar de forma precisa.
En segundo lugar, la temperatura de unión también influye en la fiabilidad de los LED y en la rapidez con que el rendimiento lumínico va descendiendo con el paso del tiempo. De modo que para minimizar las temperaturas, mejorar la fiabilidad y mantener un óptimo rendimiento del proyector a lo largo del tiempo, es fundamental una buena gestión térmica y una correcta refrigeración del sistema.
Tenemos, por último, la cuestión del brillo. Hay que admitir que, llegados a este punto, los LED son incapaces de alcanzar los elevados niveles de rendimiento lumínico que se consiguen con algunas lámparas de vapor de mercurio y, mucho menos, con las lámparas de xenón de gran potencia.
Sin embargo, existen otras muchas aplicaciones para las cuales el brillo en pantalla de los actuales LED es completamente adecuado y para las que los beneficios de los LED en cuanto a funcionamiento y rendimiento de la imagen resultan de gran importancia. Este es el caso de las aplicaciones de videowall para salas de control.
No obstante, alentados por los múltiples beneficios de la iluminación por LED, los avances tecnológicos han ido progresando a buen ritmo, con el consiguiente notable aumento del flujo luminoso de los últimos años. Esta tendencia parece seguir un ritmo ascendente, lo que promete unos mayores niveles de brillo en los próximos años.
Referencias:
[1] PhlatLight® Reliability White Paper, Luminus Devices, 2008
[2] F. Shuda, «Cermax Lamp Engineering Guide». PerkinElmer Inc, 1998
[3] P. Pekarski et al: «UHP Lamps for Projection Systems». International
Conference on Phenomena in Ionized Gases, 2003
[4] Y. Gigase, «Catastrophic Degradation of Organic Optical Thin Film
Components». Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006
[5] J. Tidd, «Long Term Data Projector Display Technology and
Performance Study Interim White Paper». Intertek ETL Semko, 2005
[6] Nota de aplicación: «Brightness and Color Characteristics of PhlatLight® Products». Luminus Devices.

TXT: David Griffiths, Director de Desarrollo de Mercado de Salas de Control de Christie EMEA
Convenio de colabora
Axión crea un centr
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