Принцип работы LCD проекторов

LCD- проекторы

Системы электронной цифровой проекции видеоизображения

Лекция 6.

Современные цифровые проекторы можно разделить на четыре основных вида по принципу модуляции светового потока:

1. Проекторы с модуляцией светового потока жидкокристаллическими матрицами, работающими на просвет (LCD технологии – LCD - Liquid Crystal Digital) -жидкокристаллическая цифровая панель.

2. Проекторы, работающие с использованием принципа модуляции отраженного светового потока - технология ILA (Image Light Amplifier) -усилитель светового потока.

3. Проекторы с модуляцией светового потока жидкокристаллическими матрицами, работающими на отражение (D-ILA технологии - Direct Drive Image Light Amplifier)-прямое управление усилителем светового потока.

4. Проекторы с модулятором (матрицей), использующей цифровую микрозеркальную технологию DMD (Digital Micro –Mirror Device) и цифровой обработки света DLP (Digital Light Processing ).

LCD -проекторы в настоящее время получили наибольшее распространение. LCD технологии являются относительно новыми в технике видеопроекции, их принципиальные особенности рассмотрены ниже.

Пространственный модулятор света с применением LCD технологии (далее LCD модулятор) использует в основе своей работы физическое явление - изменение плоскости поляризации света в жидких кристаллах при приложении электрического поля.

В современных LCD модуляторах используются нематические жидкие кристаллы (нематик - нить). Молекулы нематика представляют собой электрические диполи, которые могут изменять свою ориентацию в пространстве под воздействием электрического поля.

Если поместить нематик в статическое электрическое поле, то все его молекулы примут определенную ориентацию. Изменение направления электрического поля приводит к изменению ориентации молекул нематика, при этом плоскость поляризации света, проходящего через него, будет поворачиваться (изменяется фаза вектора проходящего света).

Таким образом, появляется возможность при изменении электрического поля управлять поворотом плоскости поляризации света, прошедшего через слой нематика.

Если нематик поместить между скрещенными поляризаторами, то получится управляемый световой затвор, который можно открывать и закрывать приложением электрического поля.

На этом принципе построены жидкокристаллические дисплеи электронных часов, калькуляторов и электрооптические затворы современных фотоаппаратов.

Рассмотрим принцип построения LCD модулятора для отображения видеоинформации.

Между двух стеклянных пластин помещается слой нематика, молекулы которого предварительно ориентированы определенным образом.

На стеклянные пластины наносится система прозрачных электродов в виде продольных и поперечных полосок.

На горизонтальные электроды поочередно в направлении сверху вниз подаются возбуждающие импульсы с длительностью, соответствующей длительности активной части строки видеоизображения.

На вертикальные электроды подаются информационные импульсы, соответствующие амплитуде видеосигнала в каждом элементе строки.

В точке пересечения горизонтальной и вертикальной систем электродов возникает электрическое поле, приводящее к повороту плоскости поляризации нематика в этой точке. При прохождении через нее линейно-поляризованного света плоскость его поляризации окажется повернутой на угол, пропорциональный амплитуде информационного импульса.

При размещении системы электродов с нематиком между скрещенными поляризаторами величина светового потока в каждой точке пересечения горизонтальных и вертикальных электродов будет определяться амплитудой информационных импульсов, т.е. световой поток, прошедший через такой модулятор, создаст оптическое изображение, соответствующее видеосигналу. Такой модулятор называется пассивной матрицей LCD STN

(STN-Super Twist Neumatic), он используются в основном для монохромных видеопроекторов.

Современные LCD-модуляторы - это модуляторы активного типа. В них каждая точка пересечения прозрачных электродов управляется транзистором. Транзисторы формируются по тонкопленочной технологии напылением прозрачного полупроводника на стеклянную пластину вместе с управляющими электродами.

Такая технология называется TFT (Thin Film Transistor-тонкопленочный транзистор).

Благодаря прямому управлению достигается высокая скорость и хорошая цветопередача, воспроизведение видеосигнала происходит без потери качества изображения.

В LCD проекторах используются три LCD модулятора, каждый из которых формирует изображение своего цвета - красного, зеленого и синего.

Световой поток от лампы проектора разделяется на три спектральные составляющие при помощи дихроичных зеркал. Спектральные характеристики дихроичных зеркал подобраны таким образом, чтобы избежать взаимных цветовых искажений, что обеспечивает высокое качество цветопередачи.

После прохождения через LCD модуляторы световые потоки объединяются и проецируются на экран, образуя полноценное цветное изображение.

Для получения достаточных световых потоков и хорошей цветопередачи в LCD проекторах используется специально разработанная металлогалоидная лампа.

Цветовая температура лампы совместно со всеми оптическими компонентами видеопроектора составляет 4500-5500°К, что обеспечивает естественную цветопередачу.

Лампа сконструирована таким образом, чтобы не допустить перегрева LCD модулятора, для чего имеется комплекс ИК фильтров, отсекающих тепловую часть излучения лампы.

Эффективная система воздушного охлаждения, использующая вентиляторы с малым уровнем акустических шумов, отводит тепло за пределы корпуса видеопроектора.

Световой поток от лампы попадает в оптический компенсатор неравномерности освещенности поля изображения, который выравнивает освещенность поля до необходимой величины, практически не внося потерь в световой поток.

Цветоделенные световые потоки, пройдя соответствующие LCD модуляторы поступают на сложную дихроичную призму-куб, в которой складываются в единый поток и направляются в проекционный объектив.

Поляризационный принцип модуляции светового потока в LCD проекторах приводит к необходимости использования линейно-поляризованного света, поэтому световые потери таких видеопроекторов могут превышать 50%.

Для снижения световых потерь в современных LCD проекторах применяют конвертеры поляризации PBS (Polarized Beam Splitter), действие которых основано на преобразовании различной поляризации проходящего и отраженного светового потока в определенным образом поляризованный свет. При этом, в отличие от обычного поляризатора, такой конвертер практически не вносит потерь в световой поток.

Кроме этого, все более широкое применение находят и другие оптические компоненты, например микролинзовые растры (Microlens Array) обеспечивающие концентрацию светового потока на активных участках LCD-модулятора.

Несмотря на то, что конструкция современных LCD проекторов достигла высокого уровня совершенства, они обладают некоторыми принципиальными недостатками.

1.В оптической системе проектора LCD модуляторы работают в проходящих через них световых потоках, рассеивая в виде тепла значительную часть световой энергии. В связи с этим имеется вполне определенное ограничение величины светового потока, по соображениям допустимого нагрева модуляторов.

2.Поляроидный принцип модуляции светового потока имеет определенные ограничения по контрастности формируемого изображения, связанные с компромиссом между величиной светового потока и контрастностью изображения.

Указанные принципиальные недостатки LCD проекторов обусловили необходимость совершенствования поляризационного метода модуляции светового потока. Дальнейшим развитием LCD – технологии стал принцип модуляции отраженного светового потока.

Дата добавления: 2014-01-04