Iluminación LED para simulación y entrenamiento

(Infodefensa.com) Por Marcos Fernández - Desde su creación, la proyección es la tecnología hegemónica en la exhibición de imágenes de grandes dimensiones y alta resolución. A lo largo de los años, los proyectores han tenido que evolucionar para mantener el ritmo de los avances en computación gráfica y fuentes de vídeo siguiendo tendencias que apuntan a resoluciones todavía más altas y a pantallas cada vez mayores.

Sin embargo, ciertos tipos de aplicaciones han exigido siempre mayores densidades de píxel en zonas más amplias de las que un solo proyector fijo puede ofrecer; nos referimos en concreto a la simulación y el entrenamiento (S&T), un sector en el que las necesidades de formación aspiran a una «resolución que cubra tanto como lo que abarca el ojo» dentro de un amplio campo de visión. Dichas aplicaciones son servidas con mayor eficacia por proyectores múltiples creando matriz, con las imágenes emitidas por cada uno de ellos acoplándose para formar una imagen compuesta dotada de un recuento de píxeles considerablemente mayor. Las imágenes individuales pueden hacer coincidir sus bordes formando mosaico o superponerse fundiéndolos para configurar un todo uniforme.

Los desafíos

Las matrices plantean un conjunto de singulares desafíos técnicos a la tarea de mostrar imágenes proyectadas, sobre todo en los casos en que los bordes de imágenes contiguas deben fundirse sobre una superficie curvada. Con su larga historia de diseño y fabricación de displays de proyección para su uso en matrices —basados, sucesivamente, en el tubo de rayos catódicos (CRT), el cristal líquido sobre silicio (LCoS) y las tecnologías DLP™—, Christie ha ido afrontando a lo largo de los años esos desafíos con soluciones concebidas ex profeso para ellos [1].

Los retos que las matrices de proyección no han conseguido todavía resolver afectan ante todo a la fiabilidad, la flexibilidad de la orientación del proyector, la facilidad de instalación y a un mantenimiento del rendimiento sostenido en el tiempo. Se trata de unas consideraciones que en todos los casos se ven considerablemente condicionadas por la naturaleza de la fuente de iluminación del proyector.

Los proyectores digitales han venido recurriendo por lo general a lámparas de alta intensidad de descarga (HID) para iluminar uno o más microdisplays, unas lámparas que en la actualidad se basan, bien en xenón, bien en vapor de mercurio de presión ultra alta. Y como los proyectores apropiados para matrices S&T han evolucionado de lo analógico (CRT y light-valve) a lo digital, los dispositivos de estado sólido en forma de circuitos integrados suponen un porcentaje creciente de su arquitectura interna, incluyendo, en el caso de la tecnología DLP, el propio microdisplay. Pero la fuente de luz del proyector seguía manteniendo tozudamente un estado no sólido. Hasta ahora.

Y es ahí donde los diodos emisores de luz (LED) surgen como un sustituto de estado sólido de las lámparas HID. Tal como han sido implementados en el sistema de proyección Christie Matrix StIM™, ofrecen una serie de ventajas operativas y de rendimiento diferentes que resuelven muchos de los desafíos que las matrices de proyección tenían pendientes de solucionar.

Desde el punto operativo, una de las principales ventajas de los LED es su alta fiabilidad y larga vida. Así, datos de fiabilidad del fabricante de LED Luminus Devices tomados a partir de millones de horas de ensayos con dispositivos reales dan unas expectativas medias de vida que exceden largamente las 80?000 horas, funcionando en las condiciones habituales en las aplicaciones de proyección [2], una cifra que supera ampliamente las expectativas de vida de las lámparas HID, que pueden oscilar entre una cifra tan baja como las 500 horas de algunas lámparas xenón de alta potencia y el máximo de 10?000 de algunas de las lámparas de vapor de mercurio de baja potencia y presión ultra alta[3] [4].

Una vida mucho más prolongada de la fuente de luz acarreará en el proyector un tiempo mucho menor de inactividad por causa del fallo y sustitución de la lámpara, redundando en un tiempo de inactividad también mucho menor para la totalidad de la matriz, algo de especial importancia para la necesidad que las grandes matrices suelen tener de lograr una «resolución que cubra tanto como lo que abarca el ojo» dentro de un amplio campo de visión. Asimismo implica un coste de propiedad más reducido al evitar los costes de material y de mano de obra que imponen los cambios periódicos de lámpara y entre los que se incluye el de la eliminación adecuada de las lámparas usadas. Y como, en concreto, las lámparas de vapor de mercurio contienen dicho metal, sometido a restricciones medioambientales en muchos países, no debemos pasar por alto el impacto ecológico que la sustitución de esas lámparas traería consigo.

Pero además, al no generar lux ultravioleta (UV), los LED también contribuyen potencialmente a hacer más fiable el equilibrio del sistema óptico del proyector. En contraste con ello, las lámparas HID producen una cantidad significativa de luz UV que ha de eliminarse antes de que entre en la óptica del proyector, pues su presencia puede causar un envejecimiento prematuro de las capas ópticas y de otros materiales, en concreto de los que se basan en componentes orgánicos [5]. Evidentemente, un diseño cuidadoso podría atenuar el problema, pero las tecnologías de proyección que utilizan polarizadores, como las pantallas de cristal líquido (LCD) o el cristal líquido sobre silicio (LCoS) han sido, históricamente, particularmente sensibles a la luz UV. [6]

Al ser dispositivos de estado sólido, los LED son también muy resistentes, pudiendo soportar niveles de aceleración e impacto extremadamente elevados. Por ejemplo, los LED para aplicaciones de proyección han superado pruebas de integridad mecánica en las que han resistido un impacto de 1500g en 0.5ms y vibraciones continuas de 20g [2], unas cifras que exceden con mucho las que caracterizan a los perfiles de aceleración de las plataformas de movimiento empleadas en S&T.

Otra consecuencia de su estado sólido es la posibilidad de montar los LED con cualquier orientación. Por el contrario, una operación fiable de una lámpara HID exigirá, casi invariablemente, una orientación horizontal y muy limitada del eje primario de la lámpara [3]. Y aunque, obviamente, se pueda construir expresamente un proyector que tome esa circunstancia en consideración para su uso en matrices de configuraciones determinadas, es evidente que un proyector que se encuentre libre de esa limitación permitirá una flexibilidad de opciones de montaje considerablemente mayor.

Otra ventaja operativa es la capacidad que la tecnología LED posee para generar con facilidad longitudes de onda de infrarrojo cercano específicas y controladas (NIR). Combinando un LED NIR de banda estrecha en el camino óptico del proyector con los LED rojo, verde y azul habituales, el sistema de proyección Christie Matrix StIM™ podrá generar una imagen NIR que estimule de manera realista dispositivos de visión nocturna (NVG) sin afectar negativamente a la reproducción cromática de la imagen en el espectro visible; una capacidad conocida como InfraScene™ que hace posibles entrenamientos NVG de mayor realismo. El poder de controlar con precisión el equilibrio entre NIR y la luz RGB (rojo, verde, azul) permite también adaptar el espectro de emisión del proyector a tecnologías NVG ya existentes o nuevas. Los proyectores de filtrado fijo son incapaces de proporcionar la flexibilidad que brinda este canal NIR separado.

Un rendimiento mayor

La tecnología de iluminación LED ofrece una serie de ventajas de rendimiento. Una de ellas es que los LED no solo tienen una vida útil más prolongada, sino que, siempre que el proyector tenga un buen diseño, perderán relativamente menos brillo al envejecer. Los datos de envejecimiento en el largo plazo de dispositivos típicos predicen que incluso a las temperaturas máximas de unión recomendadas, tras 20?000 horas de funcionamiento cabe esperar un descenso de tan solo el 20% en el rojo y en el azul y de menos del 5% en el verde [2]. En comparación con ello, las lámparas HID suelen experimentar, en el plazo de unos centenares de horas, un rápido declive desde su punto máximo, sufriendo una caída del 50% al final de su mucho más breve vida útil (teniendo en cuenta la definición generalizada) [3].

La caída más lenta en la producción de luz tiene como resultado una media de brillo mayor en relación con el brillo máximo en un periodo de tiempo dado y, lo que es aun más importante para una matriz, facilita también el mantenimiento de la uniformidad de brillo en la imagen global de toda la matriz, pues las imágenes individuales del mosaico experimentarán, en su estado no corregido, una menor variación de brillo.

Mantener la uniformidad de brillo en la imagen global de una matriz exige un buen control de las intensidades relativas de las imágenes individuales proyectadas, y es aquí donde los LED juegan con ventaja: el brillo de un LED puede controlarse electrónicamente con un espectro amplio que en potencia puede llegar al 100% (del blanco puro al negro puro) y con apenas, o ninguna, modificación de las características del dispositivo. En contraste, el espectro de control de brillo de una lámpara HID suele ser más limitado: un mero 20% en algunas lámparas de vapor de mercurio y un máximo de un 50% en las lámparas de xenón.

La capacidad para controlar con precisión la producción lumínica LED no solo permite equilibrar el brillo máximo en todos los proyectores de una matriz sino que también facilita un equilibrio exacto de los niveles de negro y de color. Y como cada LED rojo, verde y azul se controla de manera independiente, será posible corregir con facilidad cualquier desequilibrio cromático en tiempo real, dando como resultado unos colores estables y una precisa armonía de color entre los proyectores. Ciertamente, el poder para equilibrar esas propiedades de imagen en toda una matriz no surge de la nada, debiéndose concretar técnicamente en una solución. Y el Christie ArrayLOC™ es precisamente esa solución, proporcionando automáticamente, de manera continua y en tiempo real, un equilibrio de brillo, nivel de negro y color en una matriz de hasta 128 proyectores.

Por lo que respecta al nivel de negro, de poco servirán el control y el equilibrio si el nivel de negro global resultante en la matriz es demasiado elevado para la aplicación. En concreto, el S&T de misión nocturna requiere unos niveles de negro tan bajos como sea posible. En este sentido, la ventaja de los LED es su capacidad para «sintonizar» la producción de luz a cero cuando resulte necesario.

La asunción generalizada es que, después de la relación de contraste, la resolución y el brillo, el color es el factor que más influye en la calidad de la imagen. También que es una de las mayores ventajas de los LED. Cada LED rojo, verde y azul utilizado en los proyectores emite una gama bastante estrecha de longitudes de onda, con unas longitudes de onda dominantes típicas de en torno a 460nm para el azul, 525nm para el verde y 625nm para el rojo. El resultado es que el espectro nativo de un proyector LED será comparativamente mayor. La zona del triángulo del diagrama de cromaticidad CIE (1931) que define el espectro de color de un proyector LED típico es casi un 70% mayor que el espectro del espacio de color estándar sRGB habitualmente empleado para generar imágenes.

El espectro más amplio de la iluminación LED permite reproducir con exactitud los colores reales de los objetos que se encuentran fuera de las capacidades espectrales de las tecnologías de lámpara convencionales, siempre que el contenido fuente se encuentre adecuadamente codificado. Naturalmente, sigue siendo posible reproducir con exactitud espacios de color estándares como el sRGB «desaturando» los colores primarios, algo que, recurriendo al control totalmente separado de cada color primario que el LED hace posible, se puede realizar sin sacrificar apenas, o en absoluto, otros parámetros del rendimiento.

Pero más importante aun para una matriz es que un mayor espectro de proyector hace posible conseguir un espacio de color más amplio en toda su superficie, pues cualquier espacio de color común deberá necesariamente permanecer dentro del área de espectro cromático alcanzable por cada proyector. Así, en displays que en teoría solo alcancen el espacio de color sRGB, el efecto de las tolerancias hará que el espectro de color resultante de la matriz sea probablemente menor que el espectro sRGB.

Por último, pero no menos importante, los LED permiten diseñar proyectores DLP™ single-chip adecuados para aplicaciones vitales. Con una lámpara HID tradicional como fuente de luz, un sistema DLP™ single-chip dependerá del uso de una rueda de color mecánica para rotar entre los colores primarios durante cada frame o cuadro de vídeo (habitualmente 1/60ª de segundo). Al ser un dispositivo mecánico, la rueda de color representa un punto débil en la fiabilidad global del proyector. Y como la velocidad de la rueda se encuentra, en la práctica, limitada, y por tanto, también el número de veces que los colores pueden rotar en cada frame, la rueda de color es también causa de un artefacto de separación de color (lo que se conoce como efecto «arcoíris») que inutiliza las imágenes para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, con un rápido movimiento ocular sacádico o de cabeza, una imagen de blanco sobre negro de proyectores con rueda de color podría descomponerse en una multiplicidad de rastros de color.

El uso de LED elimina totalmente la rueda de color. Los colores primarios rotan electrónicamente variando entre los LED. La alta velocidad de cambio de los LED combinada con la alta velocidad del dispositivo DLP permite una tasa de cambio verdaderamente elevada, consistente típicamente en unas 24 rotaciones de RGB en cada frame comparadas con el máximo de seis rotaciones conseguidas usando rueda de color. Las matrices de proyección pueden hoy beneficiarse de las ventajas habituales del proyector DLP single-chip, por ejemplo, un envase más reducido, una óptica y electrónica más sencillas en comparación con el sistema de tres chips, y píxeles RGB colocalizados para conseguir una convergencia exacta. Y, por supuesto, todos los sistemas DLP comparten los beneficios del DMD (dispositivo digital de microespejos) que lleva en sí, a nivel de dispositivo y entre otros muchos atributos, un excelente seguimiento de la escala de grises y una uniformidad de imagen. Los DMD son célebres por su color repetible y estable, por su larga vida y por su nitidez y claridad de imagen.

Afrontando los desafíos

Aunque el uso del LED como fuente luminosa ofrece a las matrices de proyección muchas ventajas frente al empleo de lámparas HID, sobre todo en aplicaciones de S&T, para aprovechar de manera efectiva esas ventajas hará falta superar una considerable serie de desafíos.

En primer lugar, tanto en términos de su flujo luminoso (lúmenes raw o previos a su integración en el accesorio de iluminación) como de sus características espectrales, la luz de un LED depende de la corriente eléctrica que hace funcionar el dispositivo y de la temperatura de unión del mismo. En concreto, los dos factores pueden cambiar la longitud de onda máxima emitida por el LED, modificando el espectro de color de la imagen.[7] Por supuesto, será necesario controlar con exactitud tanto la corriente como la temperatura de unión. Tras varios años de investigación, Christie ha desarrollado toda una serie de técnicas propias para dicho control que han resultado en múltiples solicitudes de patentes.

En segundo lugar, la temperatura de unión afecta también a la fiabilidad de los LED y a la velocidad de caída de su producción lumínica con el paso del tiempo. De ahí que una buena gestión térmica y un sistema de refrigeración resulten cruciales para reducir al mínimo las temperaturas, incrementar la fiabilidad y mantener un rendimiento óptimo del proyector a lo largo del tiempo.

Por último está el tema del brillo. Es cierto que en estos momentos los LED no son capaces de producir los altos niveles de luz que se alcanzan con algunas lámparas de vapor de mercurio, y mucho menos los logrados con lámparas de xenón de alta potencia. Existe una clara jerarquía de producción lumínica entre esas tres tecnologías de fuentes de luz. Dicho lo cual, hay muchas aplicaciones para las cuales el brillo de pantalla que se puede conseguir con el LED resulta claramente apropiado y para las que las otras ventajas de rendimiento de imagen y operativas del LED revisten una importancia mucho mayor. El S&T de misión nocturna sería una de esas aplicaciones.

Sin embargo, impulsado por las ventajas de la iluminación LED, el desarrollo tecnológico avanza con rapidez, habiéndose registrado en los últimos años grandes incrementos en el flujo luminoso. El progreso de esta tendencia hará que los proyectores basados en LED pronto ofrezcan suficiente brillo para muchas más aplicaciones.

La ventaja Christie

La tecnología LED no es totalmente novedosa ni está pendiente de demostración. Tampoco es nueva del todo para los displays de proyección: los televisores comerciales PhlatLight® con retroproyección LED y los proyectores de pantalla frontal conocidos como «pocket» llevan años en el mercado. En los próximos años asistiremos al lanzamiento de una serie de proyectores LED pequeños y de pantalla frontal para su uso en el cine en casa y en presentaciones de negocio. Además, la veloz y continua mejora del brillo de LED de gran formato como PhlatLight® está contribuyendo a la rápida consolidación de la iluminación LED en displays de proyección.

Lo que sí es nuevo es la aplicación de la iluminación LED en matrices de proyección para simulación y entrenamiento, una circunstancia que plantea un gran número de desafíos únicos que, en la mayor parte de los casos, los displays dirigidos al consumidor o los proyectores ligeros de uso comercial ni siquiera contemplan y que requieren soluciones especialmente concebidas para ellas.

Christie tiene un probado historial de diseño y fabricación de productos expresamente enfocados a las necesidades de mercados específicos y una historia de innovaciones que brinda soluciones para los desafíos singulares de las matrices de proyección. El sistema de proyección Christie Matrix StIM™ con tecnología LED InfraScene™ para simulación NVG, y el Christie ArrayLOC™ para el autoajuste inteligente de la matriz en tiempo real son tan solo las últimos de esas soluciones. Las innovaciones que traen consigo aprovechan con éxito las ventajas inherentes a la tecnología LED para proporcionar un sistema de display de entorno escalable, sin divisiones, de gran fiabilidad y que prácticamente no requiere mantenimiento. Toda una revolución para la experiencia del entrenamiento.

[1] L. Paul, “High Speed Simulation Solutions: Christie TotalView™ Integrated Solutions”. Image 2008 Conference

[2] PhlatLight® Reliability White Paper, Luminus Devices, 2008

[3] F. Shuda, “Cermax Lamp Engineering Guide”. PerkinElmer Inc, 1998

[4] P. Pekarski et al: “UHP Lamps for Projection Systems”. International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 2003

[5] Y. Gigase, “Catastrophic Degradation of Organic Optical Thin Film Components”. Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006

[6] J. Tidd, “Long Term Data Projector Display Technology and Performance Study Interim White Paper”. Intertek ETL Semko, 2005

[7] Application Note: “Brightness and Color Characteristics of PhlatLight® Products”. Luminus Devices.

Marcos Fernández es country manager de la multinacional canadiense Christie para España y Portugal.