Мультимедийные TFT-проекторы

В TFT-проекторах в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT. Принцип действия такого проектора иллюстрирует схема, приведенная на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Оптическая схема TFT-проектора просветного типа:
1 – проекционная лампа; 2 – конденсор; 3 – TFT-матрица; 4 – объектив; 5 – экран

Количество пикселей изображения на экране равно количеству элементов ЖК-матрицы. Для равномерного освещения поверхности ЖК-матрицы применяется система линз, называемых конденсором. Поскольку прозрачность ЖК-матрицы невелика, в проекторе используется мощная проекционная лампа. Под действием тепла, выделяемого лампой, ЖК-матрица может сильно разогреться, поэтому для ее охлаждения в корпус проектора встроен вентилятор (на рис. 2.25 не показан).

Полисиликоновые проекторы

Более яркое изображение можно получить, если вместо одной цветной TFT-матрицы использовать три монохромных матрицы – по одной для каждого из основных цветов: красного, зеленого, синего. Такая технология получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы (ее размер @ 1,3 дюйма) содержит только один тонкопленочный транзистор (а не три, как у цветной), что создает меньшую помеху прохождению света и позволяет получить большую яркость. На рис. 2.26 приведена оптическая схема полисиликонового проектора.

Рис. 2.26. Оптическая схема полисиликонового проектора:
1 – проекционная лампа; 2 – объектив; 3 – экран; 4 – монохромная ЖК-матрица; D1, D2, D3, D4 – дихроичные зеркала, N1, N2 – обычные отражательные зеркала,
К – конденсоры

Для того чтобы подать на каждую из трех матриц световой поток соответствующего цвета, белый цвет проекционной лампы необходимо предварительно разложить на три составляющие основных цветов R, G, B, т.е. решить задачу цветоделения. Цветоделительная система полисиликонового проектора состоит из дихроичных зеркал D1 и D2 и обычного отражающего зеркала N1.

Дихроичное (светорасщепительное) зеркало пропускает свет одного цвета и отражает – другого. В простейшем случае дихроичное зеркало представляет собой хорошо отполированное стекло с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала. Принцип действия дихроичного зеркала основан на явлении интерференции. Цветовые преобразования отражены на рис. 2.26.

Промодулированные ЖК-матрицами R-, G-, B-составляющие складываются при помощи системы цветосмешения, состоящей из дихроичных зеркал D3, D4 и нормального отражающего зеркала N2. Процесс совмещения трех монохромных изображений требует исключительно точной пространственной установки всех зеркал оптической системы.

Полисиликоновые проекторы обеспечивают лучшее качество изображения, чем проекторы на основе TFT-матриц, – более высокую яркость и насыщенность цветов. Более высокая яркость позволяет проецировать изображение на большой экран при презентациях в конференц-залах. А поскольку три раздельных ЖК-матрицы полисиликонового проектора работают в менее напряженном тепловом режиме, то такие проекторы более долговечны и надежны в работе.

Рассмотренные TFT и полисиликоновый проекторы относятся к проекторам просветного типа. Данный тип проекторов имеет серьезный недостаток, который принципиально ограничивает достижимую яркость изображения. На это две причины. Поскольку ЖК-ячейка пропускает только свет с линейной поляризацией, а проекционная лампа излучает неполяризованный свет, то около 50 % мощности светового потока лампы поглощаются ЖК-матрицами, вызывая их интенсивный нагрев. Во-вторых, недостаточная прозрачность ЖК-матрицы из-за наличия электродов тонкопленочных транзисторов.

Для устранения первой причины между проекционной лампой и ЖК-матрицей устанавливается конвертор поляризации. Такой конвертор расщепляет световой луч на две составляющие, плоскости поляризации которых сдвинуты на 90°, а затем поворачивают одну из них на 90°. В результате весь световой поток приобретает единую (линейную) поляризацию, совпадающую с плоскостью поляризации ячеек ЖК-матрицы. Конверторы поляризации в реальных проекторах размещают в конденсаторах. В проекторах фирмы SONY такие конденсаторы имеют обозначение PBS (Polarized Beat Splitter – расщепитель поляризованных лучей). Аналогичные конденсаторы фирмы Panasonic называются PCO (Polarization Соnverter Optic – оптика с преобразованием поляризации).

Для повышения прозрачности ЖК-матрицы применяются так называемые микролинзовые растры, позволяющие сфокусировать проходящий свет на прозрачной части ячейки и «обойти» ее непрозрачные элементы.

Однако эти усовершенствования все же не устраняют принципиальные недостатки ЖК-проекторов просветного типа, например низкую яркость изображения. Даже с использованием технологии PBS и микролинзовых растров световой поток ЖК-проекторов просветного типа не превышает 500¸600 лм, что не позволяет создавать качественные изображения.

DMD/DLP-проекторы

Добиться мощного светового потока позволяют отражательные проекторы, в которых модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. Фирма Texas Instruments разработала отражательные проекторы, использующие технологию DMD/DLP. В таких проекторах в качестве модулятора используется матрица DMD (Digital Micromirror Device – цифровой микрозеркальный прибор).

Устройство DMD-матрицы

DMD-матрица представляет собой кремниевую пластину с массивом размещенных на ее поверхности отражательных элементов – микроскопических зеркал размером 16х16 мкм. На рис. 2.27 приведена часть массива отражающих элементов DMD-матрицы.

Рис. 2.27. Часть массива отражающих элементов DMD-матрицы
(при большом увеличении)

На рис. 2.28 показано устройство DMD-кристалла. Зеркало жестко прикреплено к подвижной индивидуальной подложке, которая соединена, в свою очередь, с неподвижным основанием посредством упругих пластин (на рис. 2.27 эти пластины выделены белым цветом).

 

Рис. 2.28. Устройство DMD-кристалла

1 – зеркало, отклоняющееся на –10°; 2 – зеркало, отклоняющееся на +10°;
3 – подвеска; 4 – подложка зеркала; 5 – поворотная пластина; 6 – база матрицы

Под действием электростатических сил, формируемых интегрированной в пластину микросхемой, подложка с зеркалом поворачивается вокруг оси, параллельной одной из диагоналей зеркала (направления осей вращения всех микрозеркал совпадают). При работе устройства поворот осуществляется в одну или другую сторону всегда на 10°, считая от горизонтального положения зеркала до упора. Когда конкретное микрозеркало поворачивается так, что свет отражается в направлении оптической системы проектора, на экране «включается» пиксель. При другом положении зеркала свет отражается в специальный поглотитель и на экране формируется темный пиксель.

При работе DMD-матриц исследователи столкнулись со сложнейшей проблемой прилипания углов подложек к неподвижному основанию. На основе китового жира было создано покрытие с прилипанием вчетверо меньшим, чем у тефлона.

DMD послужила ключевым элементом технологии DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка света). Существуют одно-, трех- и двухматричные DLP-проекторы. С увеличением количества матриц улучшается качество выводимого на экран изображения. Но и цена проектора также возрастает. Считается, что на сегодняшний день наилучшим соотношением цена/качество обладает одноматричные DLP-проекторы.