ВИДЕОПРОЕКТОР Российский патент 2013 года по МПК G02F1/13 

Область техники

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, в частности в двухмерных и трехмерных проекционных дисплеях, в устройствах и системах оптической рекламы и шоу-бизнеса и т.п.

Предшествующий уровень техники

Дисплеи как устройства отображения информации являются одним из ключевых элементов информационных и коммуникационных систем, в том числе телевизионных. Повышение пропускной способности, или информативности таких систем, является актуальной задачей. Ее решение связано как с увеличением числа параллельных каналов (применительно к дисплеям - числа элементов или пикселов на дисплейном экране), так и с повышением быстродействия передачи информации (применительно к дисплеям - с увеличением частоты регенерации кадров на дисплейном экране).

Учитывая взаимозависимость обоих факторов в системах с заданной пропускной способностью, можно варьировать один из них за счет другого. Применительно к дисплеям, однако, частота кадровой развертки всегда должна быть выше некоторой критической частоты, с которой на экране наблюдаются немерцающие изображения. Для многих применений, например в кино и телевидении, допускается значение критической частоты кадров 24-50 Гц, хотя по медицинским показаниям и с учетом отображения на экране быстро движущихся объектов (например, летящего мяча) более предпочтительной является частота в 90-100 кадров в секунду (для России 100 к./сек более предпочтительны по причине лучшей согласованности с частотой электрической сети). Это значение целесообразно сохранить и при последовательной смене цветов в дисплее, обещающей сокращение втрое числа дисплейных элементов и получение более цельного и яркого изображения в результате отказа от триады цветных фильтров. В таком случае скорость регенерации изображений на экране дисплея должна составлять величину 270-300 Гц, а при использовании технологий трехмерного стереовидения - еще вдвое большую.

Реально наиболее распространенные дисплейные технологии обеспечивают в настоящее время гораздо меньшую частоту кадров, что обусловлено достаточно медленными процессами активной или пассивной модуляции света соответственно в излучающем или электрооптическом материале экрана дисплея. Например, в электронно-лучевых телевизионных дисплеях частота кадров может достигать 300 Гц, в дисплеях на основе органических светоизлучающих материалов - потенциально до нескольких сот герц, но реально (из-за больших токов) ограничена электроникой на уровне 200 Гц, в плазменных дисплеях она тоже не превышает 200 Гц, а в наиболее распространенных дисплеях на основе жидких кристаллов нематического типа (НЖК) максимальная частота кадров составляет всего 120-160 Гц.

Что касается числа пикселов (пространственного разрешения), то в современных видеопроекторах и телевизионных дисплеях наиболее предпочтительным является формат так называемой «высокой четкости» (High Definition, или HD) - 1920×1080 пикселов, в персональных компьютерах пока преобладает 1024×768 (XGA), а в дисплеях смарт-приборов (прежде всего, в экранах мобильных телефонов) еще сохраняется 800×600 пикселов (SVGA) и даже 640×480 (VGA). Однако, в силу постоянной потребности в повышении пропускной способности информационных и коммуникационных систем, тем более в условиях ограниченного быстродействия дисплеев, общей неуклонной тенденцией является увеличение их пространственного разрешения. Осваиваются не только форматы XGA (порядка 1000×1000, или 1K×1K пикселов) и HD (порядка 2000×1000, или 2K×1K пикселов), но также (2K×2K) и даже (4K×2K) пикселов [1].

Увеличение числа пикселов ведет, однако, к серьезным технологическим проблемам и к сложности в адресации элементов дисплея. И хотя современные методы обработки данных и адресации пикселов позволяют осуществлять параллельную адресацию сразу нескольких частей кадра и выборочную адресацию только меняющихся в кадре пикселов, тем не менее задача увеличения числа пикселов на экране сопряжена с очень большими трудностями. Решение проблемы путем использования общего составного высокоразрешающего экрана, составленного из экранов отдельных дисплеев, т.е. с помощью пространственно и частотно согласованных экранов, делает составной дисплей громоздким, сложно управляемым и дорогим, а потому не эффективным.

Таким образом, пропускная способность отображения информации на экране современного дисплея ограничена как по быстродействию, так и по пространственному разрешению.

Высокое разрешение особенно требуется в дисплеях, предназначенных для проекционного отображения информации на большой экран (в том числе телевизионный).

Она формируется в видеопроекторе и проецируется на экран с помощью оптического блока, включающего источник света и проекционную оптику. Наиболее распространены видеопроекторы на основе микродисплеев с микрозеркальной или жидкокристаллической матрицей, управляемой с помощью драйверов, выполненных по кремниевой интегральной технологии [2].

Во всех типах видеопроекторов часто используется источник белого света, например компактная лампа высокого давления, а цвета выделяются с помощью фильтров или поляризационных призм. В последние годы для считывания изображений стали применяться светодиоды с RGB или с белым излучением и даже еще более перспективные лазерные диоды [4], однако для лазерных проекторов еще очень остро стоят проблемы создания эффективных лазерных диодов зеленого излучения и компактных не механического типа деспеклеров для подавления интерференционного шума.

В известном видеопроекторе DLP (от Digital Light Processing - цифровая обработка света) компании Texas Instruments, США [2] в матрице микрозеркал каждое зеркальце размером 15×15 мкм закреплено на двух шарнирах и способно электромеханически быстро (за время порядка десятка микросекунд) отклоняться на углы +10 или -10 градусов под действием импульса электрического напряжения, формируемого с помощью кремниевых интегральных схем. В результате отраженный от зеркальца матрицы свет проходит или не проходит через диафрагму, т.е. интенсивность выходного оптического сигнала составляет только два значения: 1 или 0. Полутона (уровни серого), необходимые для получения цветных изображений, организуются в таком «цифровом» микродисплее электронным образом - путем вариации частоты отклонения каждого отдельного зеркальца. Это снижает быстродействие микродисплея и частоту кадров видеопроектора. Тем не менее по совокупности быстродействия и пространственного разрешения видеопроектор DLP обладает весьма высокой информативностью: частота формирования кадров матрицей 768×768 пикселов (микрозеркал) с цветовой емкостью 3 бита в скоростном трехчиповом видеопроекторе (с тремя микродисплеями и считыванием с них информации разными RGB световыми источниками) достигает 4750 Гц, а при емкости 8 и 15 бит - соответственно 1780 и 950 Гц. Благодаря высокой скорости работы микродисплея цветные изображения можно формировать даже одним микродисплеем вместо трех, попеременно подавая на него считывающий свет разных (RGB) цветовых компонент.

Микрозеркальная матрица способна хорошо отражать интенсивный световой поток, что позволяет использовать видеопроектор DLP для демонстрации изображений на большом коллективном экране, в том числе на киноэкране. Однако, видеопроектор имеет ограниченный срок (около 3-х лет) непрерывной надежной работы, обусловленный механическим принципом отклонения зеркал; кроме того, к недостаткам следует отнести высокое значение управляющего напряжения - до 30 В, требующее специализированных интегральных схем для управления микродисплеем.

Известны проекционные дисплеи [2, 3], в которых в трех разных (RGB) цветовых каналах видеопроектора используются три микродисплея на основе НЖК, изготовленные по технологии LCoS (от Liquid Crystal on Silicon - ЖК на кремнии). Например, распространение получили нашлемные видеопроекторы, а в последние годы - компактные пикопроекторы, используемые отдельно или совмещенные с др. смартприборами и мобильными телефонами и способные отображать на экране размером порядка 1 кв. метра изображения форматом VGA и SVGA с яркостью 15-20 люмен. Ограничение размера экрана и формата изображения обусловлено невысокой яркостью используемых источников света, а вследствие использования нематических ЖК ограничено и быстродействие этих приборов. И хотя в некоторых типах микродисплеев на основе НЖК, предназначенных для специального типа проекторов высокого разрешения, формат достигает значения 4К, в целом, вследствие невысокого быстродействия НЖК микродисплеи и видеопроекторы на их основе не обладают высокой информативностью.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является видеопроектор [4] для проекционного дисплея, включающий ЖК микродисплей на основе структуры FLCoS (от Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon - сегнетоэлектрический ЖК на кремнии) и оптический блок считывания формируемой в структуре информации, состоящий из источника света и проекционной оптики, оптически связанных со структурой FLCoS и с экраном, на который эта информация проецируется, причем в качестве материала FLCoS-структуры используется геликоидальный ЖК смектического типа с сегнетоэлектрическими свойствами (СЖК), а источником света в трех разных RGB цветовых каналах служат светодиоды красного, зеленого и голубого излучения.

В отличие от НЖК, где время электрооптического отклика не зависит от знака электрического поля (вследствие квадратичной зависимости от поля), а исходное состояние слоя НЖК медленно (в лучшем случае в течение миллисекунд) возвращается после выключения электрического импульса под действием силы, вызванной упругой деформацией слоя НЖК, в СЖК электрооптический эффект является линейным по полю, т.е. СЖК реагирует на знак приложенного напряжения, вследствие чего время включения и время выключения электрооптического отклика при приложении биполярных управляющих импульсов напряжения оказываются одинаковыми и определяются выражением [5]

$$\tau ~{\gamma }_{\varphi }/(P_s\cdot E),(1)$$

где γ_ф - вращательная вязкость СЖК, P_s - величина вектора спонтанной поляризации, Е -значение напряженности электрического поля. На практике времена включения и выключения отклика, в зависимости от амплитуды управляющих биполярных импульсов (от единиц до десятков вольт), составляют от сотен до десятков микросекунд, т.е. на порядок - два меньше, чем в НЖК, из-за чего первую букву F в аббревиатуре FLCoS часто переводят как «быстрый» (от Fast).

В описываемом прототипе [4] в СЖК структуры FLCoS микродисплея используется электрооптический эффект Кларка-Лагервола, реализуемый в тонких (1-2 мкм) слоях СЖК и характеризующийся бистабильной модуляционной характеристикой вследствие сильного взаимодействия слоя с ограничивающими его поверхностями [6]. Поэтому бистабильные СЖК-дисплейные ячейки такого типа еще называются поверхностно-стабилизированными структурами, а микродисплеи на их основе - «цифровыми» (имеют два оптических состояния, подобно микрозеркальным DLP). В них возможна частота модуляции света до нескольких килогерц при управлении электрическим напряжением в ±2,5…10 вольт.

Чтобы сформировать полутона (шкалу серого), а вместе с ними цвета, в компании Displaytech было предложено, как и в DLP, решение на основе модуляции света с разной частотой [2-4]. Благодаря такому подходу компанией Displaytech был создан целый спектр адресуемых с помощью кремниевой управляющей матрицы цветных «цифровых» микродисплеев с большим числом элементов (более миллиона) и малой апертурой (менее дюйма по диагонали), конкурирующих с микродисплеями на основе НЖК и даже превосходящих их по скорости регенерации изображений (до 240 кадров/сек). Такая скорость уже позволяет обеспечить последовательную (поочередную) смену цветов вместо пространственной (с помощью триады фильтров) или комфортное 3D отображение информации.

Однако описываемый известный видеопроектор не решает задачу существенного увеличения быстродействия и пространственного разрешения, т.е. повышения своей информативности до значения, хотя бы равного, если не большего, чем в проекторе DLP.

Таким образом, известный видеопроектор для проекционного дисплея, включающий ЖК микродисплей на основе структуры FLCoS с СЖК и оптический блок считывания формируемой в структуре информации, состоящий из светодиодного RGB источника света (со светодиодами красного, зеленого и голубого излучения) и проекционной оптики, оптически связанных со структурой FLCoS и с экраном, на который эта информация проецируется, обеспечивает достаточно высокую (до 240 Гц) частоту смены кадров и пространственное разрешение в 10⁶…10⁷ пикселов, однако,

- быстродействие видеопроектора ограничено вследствие невозможности осуществления в микродисплее на основе структуры FLCoS с используемым бистабильным СЖК физически непрерывной модуляционной характеристики с высокой частотой модуляции;

- по той же причине для получения полутоновой модуляционной характеристики применяется сложная частотно-импульсная адресация элементов микродисплея, которая пропорционально увеличению числа градаций (в битах) уменьшает частоту воспроизведения изображений (в кадрах);

- вследствие указанных ограничений последовательная во времени смена цветов и смена кадров для левого и правого глаз при формировании цветного 3D стереоизображения одновременно осуществимы лишь при низкой частоте (в лучшем случае около 40 Гц) наблюдаемых каждым глазом изображений и, следовательно, их восприятие является некомфортным, учитывая, что частота комфортного восприятия (без мерцаний и размытости изображений) составляет 90-100 Гц;

- количество оттенков цветов (цветовая гамма), определяемое спектральной чистотой RGB компонентов считываемого излучения, ограничено использованием светодиодов, у которых ширина спектра составляет несколько десятков нанометров, т.е. более чем в 10 раз превышает ширину спектра лазерных диодов;

- яркость считывающего светового пучка ограничена плотностью мощности излучения светодиодов в некоторый малый телесный угол, которая более чем в 10 раз меньше плотности мощности в тот же телесный угол, характерной для лазерных диодов.

Задачами, решаемыми в предлагаемом устройстве видеопроектора, являются:

- увеличение частоты смены кадров почти вдвое - до 540-600 Гц и комфортное восприятие 3D стереоизображений при последовательной во времени смене цветов в единственном микродисплее со структурой FLCoS благодаря использованию в структуре FLCoS нового быстродействующего негеликоидального СЖК с полутоновой модуляционной характеристикой;

- расширение цветовой гаммы и увеличение яркости изображений посредством считывания информации, формируемой в микродисплее со структурой FLCoS, с помощью RGB лазерных пучков, поочередно освещающих микродисплей в каждом кадре;

- разрушение способности лазерного пучка, считывающего информацию, к интерференции и тем самым подавление интерференционного спекл-шума в изображениях, формируемых этим пучком, с помощью вводимого в устройство электрически управляемого деспеклера - отдельной фазо-модулирующей ячейки с СЖК;

- обеспечение отображения на экране в реальном времени информационных массивов емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией путем введения в оптический тракт видеопроектора двумерного сканера, например электромеханического (гальванометрического) зеркального сканера, осуществляющего пространственную развертку выходного пучка. Изобретение поясняется нижеследующим описанием со ссылкой на чертежи.

Краткое описание фигур чертежей

Фиг.1 - Блок-схема видеопроектора.

Фиг.2 - Схема структуры FLCoS.

Фиг.3 - Деформация смектических слоев в негеликоидальном СЖК с планарной ориентацией директора: общая картина (а) и фрагмент (б), Θ₀ - угол наклона молекул в смектических слоях, Ψ - угол наклона смектического слоя, P_s - вектор спонтанной поляризации, d - толщина электрооптической ячейки, l - толщина смектического слоя.

Фиг.4 - Схема сканирования изображений по экрану. Фиг.5 - График частотной зависимости показателя двулучепреломления негеликоидального СЖК.

Фиг.6 - Отображаемая на осциллографе компании Le Croy осциллограмма электрооптического отклика (сглаженные на углах импульсы, ноль на линии 1) ячейки с негеликоидальным СЖК на управляющее электрическое напряжение - меандр амплитудой ±1,5 В и частотой 3542 Гц (импульсы прямоугольной формы, ноль на линии 3, цена большого деления по вертикали 1 В). Электрооптическая ячейка с диэлектрическим покрытием на одной подложке, толщина слоя СЖК 1,7 мкм. Верхний уровень оптического отклика - закрытое состояние, нижний - пропускающее. Время τ_0,1-0,9 по переднему фронту - Rise=34,90 микросекунды, по заднему фронту - Fall=35,1 микросекунды.

Фиг.7 - Фотографии картин сечения лазерного пучка (слева) и распределения в них интенсивности излучения (справа) при включении (вверху) и выключении (внизу) управляющих электрических сигналов.

Сущность изобретения

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в известном устройстве видеопроектора, включающем жидкокристаллический микродисплей на основе структуры FLCoS с СЖК и оптический блок считывания формируемой в структуре информации, содержащий источник света и проекционную оптику, оптически связанные со структурой FLCoS и с экраном, на который эта информация проецируется, новым является то, что в качестве электрооптического материала в структуре FLCoS используется низковольтный СЖК с компенсированным геликоидом, то есть с волновым вектором геликоида q₀=2π/р₀, стремящимся к нулю, и в СЖК величина вращательной вязкости γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации P_s не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон; источником света в трех разных RGB цветовых каналах служат лазерные диоды красного, зеленого и голубого излучения, причем для разрушения способности их излучения к интерференции введена ячейка с СЖК, осуществляющая быструю электрически управляемую пространственную фазовую модуляцию излучения глубиной ≥π, а для формирования на экране массивов информации емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией введен двумерный сканер, оптически связанный с оптическим блоком считывания информации и с экраном, на который эта информация проецируется.

Блок-схема видеопроектора показана на Фиг.1. Основу его составляют микродисплей 1 и оптическая система, включающая блок считывания 2 формируемой в микродисплее информации и блок проецирования 3. Микродисплей 1 состоит из двух основных частей - процессора 5 и структуры FLCoS 6. Блок считывания 2 состоит из источника света 7, коллиматора 8, деспеклера 9 и оптического разделительного устройства 10 (например, призмы). Блок проецирования 3 включает проекционную оптику 11 и устройство сканирования изображений 12. Оба блока 2 и 3 оптически связаны со структурой FLCoS бис экраном 4, на который отображаемая структурой информация проецируется.

Видеопроектор работает следующим образом. В микродисплее 1 подлежащие отображению данные и управляющие сигналы из процессора 5 поступают в структуру FLCOS 6, которая формирует массив информации в виде матрицы СЖК-дисплейных ячеек (пикселов) с заданным в каждой ячейке оптическим состоянием. Излучение из блока источника света 7, пройдя через коллиматор 8, деспеклер 9 и устройство совмещения 10, падает на структуру FLCoS 6, проходит через слой СЖК, отражается от электродов ячеек и преобразуется с помощью поляризаторов (не указаны) в пространственное распределение интенсивности, которое с помощью проекционной оптики 11 и устройства сканирования 12 отображается на экране 4.

Принципиальная схема структуры FLCoS хорошо известна и включает (Фиг.2): кремниевую пластину 13 с размещенными на ней интегральными элементами адресации и управления 14 и контактными площадками 15 дисплейных ячеек (пикселов), диэлектрическую (стеклянную) пластину 17 с прозрачным общим электродом 18, защитной диэлектрической пленкой 19 и пленкой ориентанта 20, слой СЖК 21, толщина которого задается спейсерами 16.

Главное отличие структуры FLCoS в заявляемом видеопроекторе от структуры FLCoS в прототипе состоит в том, что в ней СЖК выбран негеликоидальным, т.е. с волновым вектором геликоида q₀=2**/p₀, стремящимся к нулю, и в нем величины вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находятся между собой в определенном соотношении, обеспечивающем непрерывную шкалу серого и характерную зависимость двулучепреломления дисплейной ячейки от частоты изменения электрического поля. При этом величина вращательной вязкости γ_φ находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, спонтанная поляризация P_s не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев СЖК, находится в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон.

Выполнение указанного соотношения обеспечивает в слое негеликоидального СЖК компенсацию объемного заряда, создаваемого спонтанной поляризацией в отсутствие электрического поля, за счет образования в СЖК периодических деформаций смектических слоев, являющихся физической причиной изменения показателя преломления, в отличие от геликоидальных СЖК, где изменение показателя двулучепреломления связано с деформацией (без изменения шага) геликоида в электрическом поле.

Фиг.3 иллюстрирует наличие пространственных периодических деформаций в негеликоидальном СЖК 21. В смектических слоях молекулы СЖК, исходно наклоненные на угол Θ₀ относительно нормали к слою в данной точке, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси z. Вследствие этого, изменяется проекция директора на плоскость ху. Переменное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты х, взаимодействуя со спонтанной поляризацией, изменяет распределение угла Ψ, отражающего деформацию смектических слоев 21.

Развитие этого процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Скорость движения центра солитона определяется как [7]

$$V=\frac{{\Theta }_0}{{\gamma }_{\psi }}{\left(2K(P_{S}E\cos {\varphi }_0+M)-{\left(\frac{2K}{d{\Theta }_0}\right)}^2\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}(1)$$

где K_Ψ - коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ, γ_Ψ - сдвиговая вязкость СЖК, М - энергия изгиба смектических слоев, φ₀ - начальный азимутальный угол ориентации директора.

Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от γ_φ к γ_Ψ. Если значение γ_φ ниже 0,3 П, то при увеличении частоты модуляции переход к γ_Ψ не происходит, и солитонный механизм ориентации директора СЖК не реализуется, а при γ_φ≥1,0 П значительно увеличивается время оптического отклика не только на малых, но и на больших частотах, когда ответственной за диссипацию энергии становится сдвиговая вязкость. При увеличении значения спонтанной поляризации выше значения 50 нКл/см² повышается напряжение насыщения и, следовательно, рабочее напряжение СЖК-ячейки. Кроме того, происходит образование сегнетоэлектрических доменов, которые компенсируют объемный заряд, создаваемый спонтанной поляризацией, и как следствие, возрастает рассеяние света. Наконец, значения модуля упругости (1÷3)·10^-12 Ньютон характеризуют интервал, в котором смектические слои устойчивы и в то же время податливы к образованию периодических пространственных деформаций в отсутствие электрического поля.

Кроме структуры FLCoS отличием заявляемого видеопроектора от прототипа является то, что для считывания формируемой в структуре FLCoS информации вместо RGB светодиодных излучателей предлагается в качестве источника света 7 использовать полупроводниковые лазерные диоды с красным, зеленым и голубым излучением, соответственно. Как и в светодиодах, в них легко электрически модулировать ток и мощность излучения с высокой частотой. По сравнению со светодиодами они обеспечивают почти на порядок большую плотность мощности, что позволяет увеличить яркость изображений на экране и/или размер последнего. Предусматривается поочередное включение компонент разного цвета, способствующее сокращению втрое числа пикселов и получению более качественных изображений (более ярких и цельных, без триады фильтров). В силу высокой монохроматичности излучения лазеров дисплей с лазерным считыванием информации имеет расширенную гамму цветов, не достижимую с помощью светодиодов.

После совмещения в блоке 7 лучей с RGB длинами волн излучения лазерный пучок коллимируется в блоке 8 и проходит через деспеклер 9, подавляющий способность лазерных лучей интерферировать с формированием в проецируемом изображении пятнистой структуры, называемой спекл-шумом. В принципе, взаимное расположение блоков 8 и 9 может быть обратным. Деспеклер 9 может также находиться между устройством совмещения 10 и блоком проецирования 3. И то, и другое может быть справедливо в зависимости от мощности лазерного пучка и степени его коллимации.

Основным отличием деспеклера, вводимого в заявляемый видеопроектор, является то, что деспеклер представляет собой простую и компактную однопиксельную ячейку с геликоидальным СЖК. При прохождении через нее лазерный луч испытывает случайную по объему слоя СЖК фазовую модуляцию вследствие создания в слое электрическим полем пространственно неоднородных мелкомасштабных (не более полушага спирали геликоида) неоднородностей показателя преломления. В результате фаза света неоднородно по площади и глубине ячейки модулируется на глубину более π, что приводит к разрушению пространственно-временной когерентности лазерного пучка и подавлению его способности к интерференции, а значит, к существенному уменьшению (фактически к подавлению) спекл-шума в проектируемых изображениях [8]. Аналогичный эффект достигается и при использовании в качестве фазо-модулирующей среды негеликоидального СЖК. Важно, что деспеклер на основе СЖК обладает простотой конструкции, удобством электрического управления (меандр амплитудой в 15-30 В и частотой от нескольких сот до нескольких тысяч герц), отсутствием механических элементов, и эти преимущества становятся очевидными при сравнении СЖК-деспеклера с применяемыми для той же цели пространственно-временными модуляторами света в виде или вращающегося фазового диффузора, или многоэлементной матрицы, формирующей ортогональные функции, или вибрирующих сред.

В блоке проецирования 3 проекционная оптика 11 и устройство сканирования изображений 12, оптически связанные со структурой FLCoS бис экраном 4 (Фиг.1), выполнены таким образом, что позволяют установить на выходе видеопроектора электромеханический (гальванометрический) колеблющийся или вращающийся зеркальный сканер, благодаря которому становится возможной двумерная пространственная развертка выходного пучка со сформированными в микродисплее изображениями и расширение тем самым емкости информационных массивов на экране до 10⁸…10⁹ пикселов, причем с возможностью вариации их геометрической конфигурации.

В простейшем варианте, как показывает вид сверху на Фиг.4, развертка лучей 22, выходящих из оптического узла 11, осуществляется только в горизонтальной плоскости (лучи 23). Сканирующее устройство выполнено в виде вращающейся призмы 14 с зеркальными гранями (или вращающегося зеркала). В этом случае целесообразно использовать вогнутый экран (как в больших кинозалах). Для расширения зоны развертки в горизонтальной плоскости можно использовать даже круговой экран и осуществлять посылку лучей снизу на зеркальную призму пирамидальной формы. Очевидно, частота вращения призмы должна быть синхронизована с частотой формирования кадров структурой FLCoS с учетом возможного их разнесения по площади экрана 4. В принципе, развертка лучей (изображений) может быть и двумерной при отклонении оси вращения призмы или при использовании двух вращающихся призм.

При времени формирования изображения, например, форматом 1K×1K, микродисплеем 1 за 1/600 секунды и при стандартном времени наблюдения в одном кадре немерцающего изображения 1/60 секунды, на экране 4 могут быть последовательно отображены 10 фрагментов этого кадра, что эквивалентно увеличению в 10 раз исходного формата (пространственного разрешения) микродисплея или использованию большого (бесшовного!) экрана, составленного из 10 экранов с отображением в каждом из них изображения исходного формата. Если микродисплеем формируется 1 формат изображения 1K×2K, то при тех же временах на экране отобразится массив информации в 10K×2K, эквивалентный экрану, составленному из 20 экранов, расположенных в 2 ряда по 10 экранов. Соответственно, при наращивании формата микродисплея до 1K×4K число отдельных экранов в составном экране увеличится до 40 (4 ряда по 10 экранов), и экран отобразит информацию с пространственным разрешением в 40К пикселей. К дальнейшему увеличению формата экрана ведет повышение скорости формирования изображения микродисплеем, а она может доходить до нескольких килогерц.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается:

1) в создании в слое СЖК структуры FLCoS микродисплея видеопроектора условий, при которых компенсация объемного заряда происходит путем возникновения деформаций - периодических изменений положения директора (эллипсоида показателей преломления) вдоль каждого смектического слоя, для чего СЖК должен быть обязательно негеликоидальным, т.е. с волновым вектором геликоида q₀=2π/p₀, стремящимся к нулю, и в СЖК величина вращательной вязкости γ_φ должна находиться в интервале 0,3<γ_φ<1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации P_s не превышать 50 нКл/см², а значение модуля упругости K, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находиться в интервале (1÷3)·10^-12 Ньютон;

2) в использовании в качестве источника света в видеопроекторе полупроводниковых лазерных диодов с красным, зеленым и голубым излучением вместо RGB-светодиодов;

3) во введении в блок лазерного считывания информации в видеопроекторе нового элемента - деспеклера на основе однопиксельной ячейки с СЖК, обеспечивающей пространственную фазовую модуляцию лазерного излучения на градиентах показателя преломления в слое СЖК;

4) во введении в устройство видеопроектора узла сканирования, позволяющего осуществлять пространственную развертку выходного пучка со сформированными в микродисплее изображениями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание скоростного видеопроектора с улучшенными по сравнению с прототипом характеристиками: с увеличенной почти вдвое (до 540-600 Гц) частотой смены кадров и комфортным благодаря этому восприятием 3D стереоизображений даже при последовательной во времени смене цветов в единственном микродисплее со структурой FLCoS; с расширенной цветовой гаммой и увеличенной яркостью изображений. Спекл-шум, сопутствующий использованию лазерного пучка для формирования изображений, подавляется с помощью вводимого в устройство электрически управляемого деспеклера. Кроме того, на экране в реальном времени становится возможным отображение информационных массивов емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией.

Преимущества заявляемого устройства заключаются в следующем:

1) в структуре FLCOS микродисплея видеопроектора при адресации СЖК знакопеременными импульсами амплитудой до ±1,5 В реализуется непрерывная безгистерезисная модуляционная характеристика, частота модуляции света в несколько килогерц и меньшее энергопотребление по сравнению с прототипом;

2) по сравнению с использованием светодиодов лазерные диоды обеспечивают почти на порядок большую плотность мощности, что позволяет увеличить яркость изображений на экране и/или размер последнего, а также получить не достижимую для светодиодов расширенную гамму цветов;

3) вводимый деспеклер на основе ячейки СЖК, являясь эффективным, не механическим, простым и компактным средством разрушения пространственно-временной когерентности лазерного пучка и подавления его способности к интерференции, расширяет возможности использования лазеров в видеопроекторах;

4) вводимый узел сканирования обеспечивает возможности расширения емкости информационных массивов на экране до 10⁸…10⁹ пикселов, причем с возможностью вариации их геометрической конфигурации.

Главным достоинством заявляемого скоростного видеопроектора является возможность формирования в нем бесспекловых, высоко-яркостных и цвето-насыщенных изображений с непрерывной шкалой серого с кадровой частотой 600 Гц и более при малом значении знакопеременного напряжения (до±1,5 В) и создания на не составном проекционном экране информационных массивов большой емкости (до 10⁸…10⁹ пикселов).

Для улучшения характеристик модуляции света в структуре FLCoS микродисплея и в деспеклере можно в отдельности или в совокупности использовать изменение состава жидкокристаллического вещества, изменение режима электрического управления модуляцией, видоизменение конструкции данных узлов и т.п. В узле считывания можно использовать лазерные диоды как с продольным, так и с вертикальным (поперечным) резонатором, изготовленные на основе гетероструктур с квантовыми точками и ямами, оптимизированные по длине волны для получения максимальной цветовой гаммы. Устройство линейной или двумерной пространственной развертки может быть модифицировано по принципу действия и конструкции с целью увеличения емкости развертываемых изображений, скорости развертки и расширения зоны развертки изображений на проекционном экране.

Таким образом, заявляемый скоростной видеопроектор обеспечивает формирование с кадровой частотой 600 и более герц цветных видео изображений с непрерывной шкалой серого, считываемых лазерными диодами красного, зеленого и голубого излучения, причем для разрушения его способности к интерференции введен деспеклер - ячейка с СЖК, осуществляющая быструю электрически управляемую фазовую модуляцию излучения глубиной ≥π, а для формирования на экране массивов информации емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией введен двумерный сканер, оптически связанный с оптическим блоком считывания информации и с экраном, на который эта информация проецируется.

Промышленная применимость

Очевидно, что высокое быстродействие СЖК наиболее эффективно может быть реализовано в быстродействующих микродисплеях на основе структуры FLCoS с кремниевыми управляющими интегральными схемами. Такие микродисплеи и видеопроекторы на их основе применимы в проекционных дисплеях, в том числе в пикопроекторах, в скоростных системах обработки, кодирования и распознавания данных, в разнообразных 2Д и 3Д телевизионных системах.

С помощью скоростных видеопроекторов предвидится также создание приборов с новыми функциональными возможностями, пока недоступными вследствие ограниченного быстродействия НЖК и видеопроекторов на их основе, а именно, в многопрограммных и многопользовательских стерео-очковых системах трехмерного видения, как в стереоскопических (с очками) и в автостереоскопических (безочковых), так и в волъюметрических (с объемным экраном). Развертка изображений по площади проекционного экрана, в том числе кругового, открывает новые возможности использования видеопроекторов в разнообразных панорамных системах, прежде всего рекламных. Видеопроекторы с высочайшим пространственным разрешением требуются в цифровом кино и в др. отображающих устройствах коллективного пользования (в том числе двойного назначения), поскольку позволяют уйти от использования в них сложных систем, составленных из набора отдельных мониторов.

Таким образом, предлагаемое устройство может быть использовано в разнообразных устройствах и системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью, а также в устройствах и системах оптической рекламы, шоу-бизнеса и т.п.

Пример осуществления изобретения

Для осуществления предлагаемого изобретения было изготовлено несколько экспериментальных образцов компонентов видеопроектора, а именно, дисплейной ячейки с негеликоидальным СЖК для структуры FLCoS и деспеклера на основе ячейки с СЖК, который устанавливался в канале считывания данных лазерным диодом. Была также промоделирована схема развертки считываемых изображений на проекционный экран, и были измерены характеристики указанных компонентов и блоков считывания и развертки.

Для структуры FLCoS использовался СЖК с компенсированным геликоидом (геликоид с шагом 0,45 мкм подавлялся в объеме СЖК за счет взаимодействия хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности) и следующими материальными параметрами: коэффициент вращательной вязкости γ_φ=0,7 Пуаз, спонтанная поляризация P_s=40 нКл/см², а модуль упругости K_Ψ, определяющий деформацию вдоль смектических слоев, равен 1×10^-12 Ньютон. Температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы у используемого СЖК находился в интервале от +5°С до +70°С. В качестве прозрачного анизотропного ориентирующего покрытия в ячейке СЖК использовалась изготовленная с помощью центрифуги пленка полиимида толщиной порядка 30 нм, которая натиралась. В качестве диэлектрического покрытия служила напыленная пленка двуокиси алюминия толщиной 70 нм.

При указанном соотношении между величинами вращательной вязкости, спонтанной поляризации и модуля упругости показатель двулучепреломления проявляет характерную зависимость от частоты изменения электрического поля (Фиг.5), свидетельствующую о возникновении в негеликоидальном СЖК пространственных периодических деформаций смектических слоев, приводящих к солитонному механизму переориентации директора СЖК. В случае гомеотропной ориентации директора негеликоидального СЖК (смектические слои параллельны подложкам электрооптической ячейки) эти деформации наблюдались за скрещенными поляризаторами в виде чередующихся светлых и темных полос с периодом от 1,5 до 5 мкм, который зависит от молекулярного строения СЖК.

Эксперименты показали, что переход к солитонной моде происходит при частоте управляющего напряжения порядка 170 Гц. В этой моде время электрооптического отклика определяется скоростью движения солитонных волн (соотношение 1) и достаточно слабо зависит от частоты управляющего напряжения. Максимальная частота модуляции светового излучения при амплитуде управляющего напряжения (меандр)±1,5 В составила 3,5 кГц (Фиг.6). Из представленной здесь осциллограммы также видно, что время электрооптического отклика ячейки с негеликоидальным СЖК составляет всего около 35 микросекунд при обеих полярностях приложенного напряжения, что на 15-20 микросекунд меньше аналогичного времени отклика ячейки с геликоидальным СЖК.

Эти результаты свидетельствуют, что быстродействие СЖК, предлагаемого для использования в структуре FLCoS микродисплея видеопроектора, существенно (более чем на порядок) выше быстродействия НЖК, причем указанные частоты модуляции достигаются при малом управляющем напряжении (в структурах с НЖК оно вдвое выше). Чрезвычайно важно, что высокую частоту модуляции здесь не требуется, как в прототипе, дополнительно модулировать для получения полутонов, т.к. градации серого реализуются физически путем изменения амплитуды управляющего напряжения, что ведет к непосредственному выигрышу (в несколько раз) по быстродействию и к упрощению электроники. В связи с этим интегральные элементы 14 адресации и управления в структуре FLCoS (Фиг.1), изготовляемые с использованием стандартного КМОП-процесса, отличаются от таковых в прототипе (в данной заявке не рассматриваются). Кроме того, вследствие низкого управляющего напряжения становится возможным без перегрева структуры FLCoS формировать в ней массивы в 2К, 3К и даже 4К пикселов, а тонкий (порядка 1 мкм) слой СЖК позволяет уменьшить размер пикселов и расстояние между ними, и тогда, например, при размере пиксела 5 мкм и периоде матрицы в 6 мкм на площадке порядка 6 см² (около 1 кв. дюйма) пространственное разрешение составит 4096×4096≈1,6·10⁷ пикселов.

Оценки, основанные на вышеприведенных результатах, показывают, что имеющая высокие частотные свойства структура FLCoS при использовании в ней СЖК с высоким быстродействием позволяет легко осуществить одновременно и последовательную во времени смену цветов, и формирование 3D изображений (т.е. пар изображений, соответственно, для левого и правого глаз), и при этом еще обеспечить частоту смены кадров для каждого глаза в 90-100 Гц, благоприятную для комфортного восприятия изображений (без мерцаний, затягивания и размытости). Поскольку при последовательной смене цветов для формирования изображения требуется втрое меньшее число элементов в структуре, то это означает, что при том же числе элементов будет втрое увеличено пространственное разрешение структуры.

Для считывания информации, формируемой в структуре FLCoS микродисплея, вместо RGB светодиодных излучателей предлагается использовать три полупроводниковых лазерных диода с красным, зеленым и голубым излучением, соответственно. По сравнению со светодиодами они обеспечивают почти на порядок большую плотность мощности, что позволяет увеличить яркость изображений на экране и/или размер последнего. В силу высокой монохроматичности излучения лазеров дисплей с лазерным считыванием информации будет иметь расширенную гамму цветов, не достижимую с помощью светодиодов, а тем более с помощью накальных или разрядных источников света. В экспериментах по считыванию информации использовался лазерный диод с длиной волны красного цвета 0,65 мкм.

Как уже говорилось, препятствием для использования лазеров служит их высокая когерентность, приводящая к интерференции лучей и, как следствие, к пятнистой структуре изображения, называемой спекл-шумом. Чтобы уменьшить и даже подавить спекл-шум, в канал лазерного считывания изображений (блок 2 на Фиг.1) вводилась и использовалась в качестве деспеклера 9 компактная (однопиксельная) ячейка СЖК, при прохождении через которую излучение лазерного диода на длине волны 0,65 мкм испытывало случайную по объему слоя СЖК фазовую модуляцию [9]. Ячейка СЖК деспеклера 9 имела рабочую апертуру около 1 см² и толщину слоя СЖК 16 мкм. Она устанавливалась в механической оправе с электрическими контактами и управлялась от компактной электронной схемы, генерирующей знакопеременный периодический электрический сигнал в форме меандра амплитудой±30 В и частотой порядка 450 Гц, промодулированный меандрами амплитудой±20 В с более высокой частотой - 3,5 кГц.

В результате образования в объеме слоя СЖК мелкомасштабных (не более полушага спирали геликоида) градиентов показателя преломления фаза света неоднородно по площади и глубине ячейки модулировалась на глубину до 4π, что приводило к разрушению пространственно-временной когерентности лазерного пучка и подавлению его способности к интерференции, а значит, к существенному уменьшению (фактически к подавлению) спекл-шума в проецируемых изображениях. Этот факт наглядно иллюстрируется на Фиг.7 фотографиями (слева) и графиками (справа) распределения интенсивности излучения в сечении лазерного пучка соответственно при включении управляющих электрических сигналов (верхние фото и график) и при их выключении (нижние фото и график).

Моделирование показало, что при установке в оптическом тракте на выходе видеопроектора электромеханического (гальванометрического) вращающегося зеркального сканера становится возможной двумерная пространственная развертка выходного пучка со сформированным в микродисплее изображением и расширение тем самым емкости информационных массивов на экране до 10⁸…10⁹ пикселов, причем с возможностью вариации их геометрической конфигурации.

Учитывая, что новый негеликоидальный СЖК способен модулировать свет с частотой в нескольких тысяч герц, то при эквивалентном высокочастотном вводе данных и адресации пикселов в структуре FLCoS микродисплея, общее пространственное разрешение заявляемого видеопроектора может достигать 10⁹-10¹⁰ пикселей. Отображаемые по отдельности изображения не обязательно могут являться фрагментами одного высокоинформативного кадра; по отдельности или группами они могут представлять также независимые программы. Для сравнения, если в [9] зрители могут смотреть разные телепрограммы на одном и том же мониторе, пользуясь синхронизованными с этими программами очками-модуляторами света, то с помощью заявляемого видеопроектора можно не только реализовать такой же случай, но и пространственно разделить эти программы для их независимого просмотра разными зрителями, причем без очков. По отношению к стандартным (на 120 Гц) видеопроекторам на основе структуры LCoS с НЖК запас в быстродействии скоростного видеопроектора настолько большой, что на высокоразрешающем экране могут демонстрироваться несколько программ 3D видения.

Литература

1. Chris Chinnock. Wanted: 3D 4K HFR WCG LIP, April 18,2012 (http://displaydaily.com/2012/04/18/wanted-3d-4k-hfr-wcg-lip/).

2. David Armitage, Ian Underwood, Shin-Tson Wu. Introduction to Microdisplays. Wiley Series in Display Technology, 377 p.(2006).

3. Александр Самарин. LCoS - микродисплеи и их применение. Компоненты и технологии, №8, 24-32 (2008).

4. Denis Darmon, John R.McNeil, and Mark A.Handschy. LED-Illuminated Pico Projector Architectures. SID-08 Symposium Digest, v. 39, Issue 1, 1070-1073 (2008).

5. M.A.Handschy, N.A.Clark and S.T.Lagerwall. Phys. Rev. Lett., v. 51, p.471 (1983).

6. N.A.Clark, S.T.Lagerwall. Sub-microsecond switching in ferroelectric liquid crystals. J.Appl. Phys., v.36, pp.899-903 (1980).

7. Федосенкова Т.Б., Андреев А.Л., Пожидаев Е.П., Компанец И.Н. Краткие сообщения по физике. Издание Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, №3, с.45-52 (2002).

8. Андреев А.Л., Компанец И.Н., Минченко М.В., Пожидаев Е.П., Андреева Т.Б. Подавление спекл-шума с помощью жидкокристаллической ячейки. Квантовая электроника, т.38, №12,1166-1170 (2008).

9. Heinrich Shih Kо, Jae Won Paik, Garv Zalewski. Patent Application Publication. Pub. No.: US 2010/0177172 A1. Pub. Date: Jul 15, 2010.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, в частности в проекционных дисплеях и т.п. Видеопроектор включает жидкокристаллический микродисплей на основе структуры FLCoS с СЖК и оптический блок считывания формируемой в структуре FLCoS информации, содержащий источник света и проекционную оптику, оптически связанные со структурой FLCoS и с экраном, на который эта информация проецируется. В качестве электрооптического материала в структуре FLCoS используется низковольтный смектический жидкий кристалл (СЖК) с компенсированным геликоидом, обеспечивающий физически реализуемую, непрерывную, полутоновую, безгистерезисную модуляционную характеристику. Источником света в трех разных RGB цветовых каналах служат лазеры красного, зеленого и голубого излучения. Для разрушения способности их излучения к интерференции в оптический блок считывания информации введена ячейка с СЖК, осуществляющая быструю электрически управляемую пространственную фазовую модуляцию излучения глубиной ≥π, а для формирования на экране массивов информации емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией введен двумерный сканер, оптически связанный с оптическим блоком считывания информации и с экраном. Технический результат - увеличение частоты смены кадров, расширение цветовой гаммы, увеличение яркости, подавление шумов. 7 ил.

Видеопроектор, включающий жидкокристаллический микродисплей на основе структуры FLCoS с сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (СЖК) и оптический блок считывания формируемой в структуре FLCoS информации, содержащий источник света и проекционную оптику, оптически связанные со структурой FLCoS и с экраном, на который эта информация проецируется, отличающийся тем, что
- СЖК, используемый в качестве электрооптического материала в структуре FLCoS, выбран негеликоидальным, то есть со стремящимся к нулю волновым вектором геликоида q₀=2π/p₀, где р₀ есть шаг геликоида, величина γ_φ вращательной вязкости СЖК находится в интервале 0,3<γ_φ<1,0 П, величина спонтанной поляризации Р_s не превышает 50 нКл/см², а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале значений (1÷3)·10^-12 Н;
- источником света в трех разных RGB цветовых каналах служат лазеры красного, зеленого и голубого излучения, причем
- для разрушения способности их излучения к интерференции в оптический блок считывания информации введена ячейка с СЖК, осуществляющая быструю электрически управляемую пространственную фазовую модуляцию излучения глубиной ≥π, а
- для формирования на экране массивов информации емкостью в 10⁸…10⁹ пикселов с различной геометрической конфигурацией введен двумерный сканер, оптически связанный с оптическим блоком считывания информации и с экраном, на который эта информация проецируется.