WO2013180601A2 - Видеопроектор - Google Patents

Видеопроектор Download PDF

Info

Publication number
WO2013180601A2
WO2013180601A2 PCT/RU2013/000439 RU2013000439W WO2013180601A2 WO 2013180601 A2 WO2013180601 A2 WO 2013180601A2 RU 2013000439 W RU2013000439 W RU 2013000439W WO 2013180601 A2 WO2013180601 A2 WO 2013180601A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
information
flcos
screen
flc
optical
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000439
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013180601A3 (ru
Inventor
Игорь Николаевич КОМПАНЕЦ
Алесандр Львович АНДРЕЕВ
Original Assignee
Kompanets Igor Nikolaevich
Andreev Aleksandr Lvovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kompanets Igor Nikolaevich, Andreev Aleksandr Lvovich filed Critical Kompanets Igor Nikolaevich
Priority to US14/404,429 priority Critical patent/US9709877B2/en
Publication of WO2013180601A2 publication Critical patent/WO2013180601A2/ru
Publication of WO2013180601A3 publication Critical patent/WO2013180601A3/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/005—Projectors using an electronic spatial light modulator but not peculiar thereto
    • G03B21/006—Projectors using an electronic spatial light modulator but not peculiar thereto using LCD's
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/48—Laser speckle optics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
    • G02F1/1414—Deformed helix ferroelectric [DHL]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
    • G02F1/1416—Details of the smectic layer structure, e.g. bookshelf, chevron, C1 and C2

Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronics and can be used in devices and systems for visualization, display, storage and processing of information with high information capacity, in particular, in two-dimensional and three-dimensional projection displays, in devices and systems of optical advertising and show business, etc. . P.
  • BACKGROUND Displays as information display devices are one of the key elements of information and communication systems, including television. Increasing the throughput, or information content of such systems is an urgent task. Its solution is connected both with an increase in the number of parallel channels (with respect to displays, the number of elements or pixels on the display screen), and with an increase in the speed of information transfer (with respect to displays, with an increase in the frame regeneration frequency on the display screen).
  • the frame rate should always be above a certain critical frequency with which non-flickering images are observed on the screen.
  • a critical frame rate of 24-50 Hz is allowed, although for medical reasons and taking into account the display of fast-moving objects (for example, a flying ball), a frequency of 90-100 frames per second (for Russia, 100 fps are preferable because of better consistency with the frequency of the electrical network).
  • the regeneration rate of the images on the display screen should be 270-300 Hz, and when using the technology of three-dimensional stereo vision, even twice as much.
  • the most common display technologies currently provide a much lower frame rate, which is due to the rather slow processes of active or passive light modulation, respectively, in the emitting or electro-optical material of the display screen.
  • the frame rate can reach 300 Hz, in displays based on organic light-emitting materials - potentially up to several hundred hertz, but actually (due to high currents) it is electronically limited to 200 Hz, in plasma displays it also does not exceed 200 Hz, and in the most common displays based on nematic type liquid crystals (NLC), the maximum frame rate is only 120-160 Hz.
  • NLC nematic type liquid crystals
  • HD High Definition
  • High resolution is especially required in displays designed for the projection display of information on a large screen (including television). It is formed in a video projector and is projected onto the screen using an optical unit that includes a light source and projection optics.
  • the most common are video projectors based on microdisplays with a micromirror or liquid crystal matrix, controlled by drivers made using silicon integrated technology [2].
  • RGB or white light emitting diodes and even more promising laser diodes have been used to read images [4]; however, laser projectors are still very faced with the problems of creating effective green laser diodes and compact non-mechanical despecklers for suppressing interference noise.
  • each 15x15 ⁇ m mirror in each micromirror array is mounted on two hinges and is able to deviate electromechanically quickly (in the order of a dozen microseconds) by +10 or -10 degrees under the influence of an electrical voltage pulse generated by silicon integrated circuits.
  • the light reflected from the mirror of the matrix passes or does not resemble the diaphragm, i.e. the intensity of the output optical signal is only two values: 1 or 0.
  • the halftones (gray levels) necessary to obtain color images are organized electronically in such a “digital” microdisplay - by varying the frequency of deviation of each individual mirror.
  • the DLP video projector is very informative: the frame formation rate of 768x768 pixels (micromirrors) with a color capacity of 3 bits in a high-speed three-chip video projector (with three microdisplays and reading information from them with different RGB light sources) reaches 4750 Hz, and with a capacity of 8 and 15 bits - respectively 1780 and 950 Hz. Due to the high speed of the microdisplay, color images can be formed even with one microdisplay instead of three, alternately supplying reading light of different (RGB) color components to it.
  • RGB different
  • the micromirror matrix is capable of reflecting well the intense light flux, which makes it possible to use the DLP video projector to display images on a large collective screen, including on a movie screen.
  • the video projector has a limited period (about 3 years) of continuous reliable operation, due to the mechanical principle of mirror deflection; in addition, the high value of the control voltage, up to 30 V, requiring specialized integrated circuits for controlling the microdisplay, should be attributed to the disadvantages.
  • Projection displays are known [2, 3], in which three micro-displays based on NLC made using LCoS technology (from Liquid Crystal on Silicon - LCD on silicon) are used in three different (RGB) color channels of a video projector.
  • helmet-mounted video projectors have become widespread, and in recent years, compact picoprojectors, used separately or combined with other smart devices and mobile phones and capable of displaying about 1 square meters on a screen.
  • the limitation of the screen size and image format is due to the low brightness of the used light sources, and due to the use of nematic LCDs, the speed of these devices is also limited.
  • a video projector [4] for a projection display including an FLCoS LCD microdisplay (from Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon — a ferroelectric LCD on silicon) and an optical readout unit for the information generated in the structure, consisting of a light source and projection optics, optically associated with the FLCoS structure and the screen onto which this information is projected; moreover, a helicoidal smectic type LCD with ferroelectric properties (FLC) is used as the material of the FLCoS structure, and the light source is Three different RGB color channels are red, green and blue LEDs.
  • FLCoS LCD microdisplay from Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon — a ferroelectric LCD on silicon
  • an optical readout unit for the information generated in the structure consisting of a light source and projection optics, optically associated with the FLCoS structure and the screen onto which this information is projected; moreover, a helicoidal smectic type LCD with ferroelectric properties (FLC) is used as the material of the FLCoS
  • ⁇ ⁇ is the rotational viscosity of FFA
  • P s is the value of the spontaneous polarization vector
  • E is the value of the electric field strength.
  • the response on and off times, depending on the amplitude of the controlling bipolar pulses are from hundreds to tens of microseconds, i.e., an order of magnitude - two less than in an NLC, which is why the first letter F in the abbreviation FLCoS is often translated as “fast” (from Fast).
  • the FLCoS microdisplay structure in the FLC of the microdisplay uses the Clark-Lagerwol electro-optical effect, which is realized in thin (1- ⁇ 2 ⁇ m) FLC layers and is characterized by a bistable modulation characteristic due to the strong interaction of the layer with its bounding surfaces [6]. Therefore, bistable FLC-display cells of such types are also called surface-stabilized structures, and microdisplays based on them are called “digital” (they have two optical states, like micromirror DLP). In them, a light modulation frequency of up to several kilohertz is possible when controlling an electrical voltage of ⁇ 2.5 ... 10 volts.
  • Displaytech proposed, like DLP, a solution based on light modulation with different frequencies [2-4]. Thanks to this approach, Displaytech created a whole range of color “digital” microdisplays addressed with a silicon control matrix with a large number of elements (more than a million) and a small aperture (less than an inch diagonally) competing with microdisperses based on NLC and even exceeding them in speed image regeneration (up to 240 frames / sec.). This speed already allows for a sequential (sequential) color change instead of spatial (using a triad of filters) or comfortable 3D display of information.
  • the described known video projector does not solve the problem of a substantial increase in speed and spatial resolution, i.e. increasing its information content to a value that is at least equal, if not more than in a DLP projector.
  • the well-known video projector for a projection display including an LCD microdisplay based on the FLCoS structure with an FLC and an optical reading unit formed in the structure of information, consisting of an RGB LED light source (with red, green, and blue light emitting diodes) and projection optics optically coupled to the FLCoS structure and with the screen onto which this information is projected provides a fairly high (up to 240 Hz) frame rate and spatial resolution of 10 6 10 7 pixels, however,
  • the performance of the video projector is limited due to the impossibility of implementing in the microdisplay based on the FLCoS structure with the bistable FLC used a physically continuous modulation characteristic with a high modulation frequency;
  • 3D stereo images are simultaneously feasible only at a low frequency (at best, about 40 Hz) of the images observed by each eye and, therefore, their perception is uncomfortable, given that the frequency of comfortable perception (without flickering and blurry images) is 90-100 Hz;
  • the brightness of the reading light beam is limited by the radiation power density of the LEDs to a small solid angle, which is more than 10 times less than the power density in the same solid angle, characteristic of laser diodes.
  • FIG. 1 Block diagram of a video projector.
  • FIG. 2 is a diagram of the structure of FLCoS.
  • FIG. 3 Deformation of smectic layers in a non-helicoidal FFA with a planar director orientation: overall picture (a) and fragment (b).
  • QQ is the angle of inclination of the molecules in the smectic layers
  • ⁇ is the angle of inclination of the smectic layer
  • P S is the vector of spontaneous polarization
  • d is the thickness of the electro-optical cell
  • / is the thickness of the smectic layer.
  • FIG. 4 Scheme of scanning images on the screen.
  • FIG. 5 - Graph of the frequency dependence of the birefringence index of a non-helicoidal FFA.
  • FIG. 6 The waveform of the electro-optical response (pulses smoothed at the corners, zero on line 1) of the cell with a non-helicoidal FLC to the control voltage - meander amplitude of ⁇ 1, 5 V and frequency of 3542 Hz (rectangular pulses, zero on the line) displayed on the Le Sgo oscilloscope 3, the price of a large vertical division 1 V).
  • FIG. 7 Photographs of the pictures of the cross section of the laser beam (left) and the distribution of radiation intensity in them (right) when turning on (top) and turning off (bottom) control electric signals.
  • FIG. 1 A block diagram of a video projector is shown in FIG. 1. It is based on a microdisplay 1 and an optical system including a reader 2 the information generated in the microdisplay and the projection unit 3.
  • the microdisplay 1 consists of two main parts — the processor 5 and the FLCoS structure 6.
  • the readout unit 2 consists of a light source 7, a collimator 8, despeckler 9 and an optical separation device 10 (for example, a prism).
  • the projection unit 3 includes projection optics 11 and an image scanning device 12. Both units 2 and 3 are optically connected to the FLCoS structure b and to the screen 4 onto which the information displayed by the structure is projected.
  • Video projector works as follows.
  • the data and control signals to be displayed from the processor 5 are supplied to the FLCOS 6 structure, which forms an array of information in the form of a matrix of FLC display cells (pixels) with the optical state specified in each cell.
  • the radiation from the light source unit 7, passing through the collimator 8, despeckler 9 and combining device 10, falls on the FLCoS 6 structure, passes through the FLC layer, is reflected from the cell electrodes and converted using polarizers (not specified) into a spatial intensity distribution, which using projection optics 11 and scanning device 12 is displayed on screen 4.
  • the schematic diagram of the FLCoS structure is well known and includes (Fig. 2): a silicon wafer 13 with integrated addressing and control elements 14 and contact pads 15 of the display cells (pixels), a dielectric (glass) wafer 17 with a transparent common electrode 18, a protective dielectric film 19 and a film of orientant 20, a layer of FFA 21, the thickness of which is set by spacers 16.
  • the main difference between the FLCoS structure in the claimed video projector and the FLCoS structure in the prototype is that in it the FLC is chosen non-helicoidal, i.e., with the qirQ-nlpo helicoid wave vector tending to zero, and in it the values of rotational viscosity, spontaneous polarization and module elasticity, which determines the deformation along the smectic layers, are in a certain ratio to each other, providing a continuous gray scale and a characteristic dependence of the birefringence of the display cell on the frequency of change of the electric field.
  • the rotational viscosity ⁇ is in the range 0.3 ⁇ > ⁇ 1.0 Poise, the spontaneous polarization P s does not exceed 50 nC / cm, and the elastic modulus K, determining the deformation along the smectic layers of the FLC, is in the range (1 ⁇ 3) ⁇ 10 " Newton.
  • FIG. Figure 3 illustrates the presence of spatial periodic deformations in the non-helicoidal FFA 21.
  • FFA molecules initially inclined at an angle ⁇ relative to the normal to the layer at a given point are additionally deflected by a certain angle ⁇ relative to the ⁇ axis.
  • An alternating electric field E applied along the coordinate l: interacting with spontaneous polarization changes the distribution of the angle ⁇ reflecting the deformation of the smectic layers 21.
  • soliton which is a wave packet with a periodic wave localized in it (in fact, a train of solitons).
  • the velocity of the center of the soliton is defined as
  • ⁇ ⁇ is the elastic coefficient describing the director deformation along the angle ⁇ réelle
  • ⁇ ⁇ is the shear viscosity of the FLC
  • M is the bending energy of the smectic layers
  • ⁇ is the initial azimuthal angle of director orientation
  • the claimed projector differs from the prototype in that it is proposed to use semiconductor laser diodes with red, green and blue radiation, respectively, instead of RGB LED emitters to read the information generated in the FLCoS structure;
  • LEDs it is easy to electrically modulate the current and radiation power with a high frequency in them. Compared with LEDs, they provide almost an order of magnitude greater power density, which allows you to increase the brightness of the images on the screen and / or the size of the latter. It is planned to alternately include components of different colors, contributing to a threefold reduction in the number of pixels and obtain better images (brighter and more solid, without a triad of filters). Due to the high monochromaticity of laser radiation, a laser-readable display has an expanded color gamut that is not achievable with LEDs.
  • the laser beam After combining the rays in the block 7 with the RGB wavelengths of the radiation, the laser beam collimates in the block 8 and passes through despeckler 9, which suppresses the ability of the laser beams to interfere with the formation of a spotted structure called speckle noise in the projected image.
  • Despeckler 9 may also be located between the alignment device 10 and the projection unit 3. Both of these may be true depending on the power of the laser beam and its degree of collimation.
  • the despeckler is a simple and compact single-pixel cell with a helicoidal FLC.
  • the despeckler When a laser beam passes through it, it experiences phase modulation random in volume of the FLC layer due to the creation of spatially inhomogeneous electric fields in the layer by the electric field small-scale (no more than half-helix spiral helices) refractive index inhomogeneities.
  • the light phase is inhomogeneous in area and depth of the cell and is modulated to a depth of more than ⁇ , which leads to the destruction of the spatiotemporal coherence of the laser beam and the suppression of its ability to interfere, and, therefore, to a significant reduction (actually suppression) of speckle noise in the projected images [8].
  • a similar effect is achieved when using a non-helicoidal FFA as a phase modulating medium.
  • the FLC based despecker has the simplicity of design, the convenience of electrical control (meander amplitude of 15-30 V and a frequency of several hundred to several thousand hertz), the absence of mechanical elements, and these advantages become apparent when comparing the FLC despecker with those used for for the same purpose by spatio-temporal light modulators in the form of either a rotating phase diffuser, or a multi-element matrix forming orthogonal functions, or vibrating media.
  • the projection optics 11 and the image scanning device 12 optically coupled to the FLCoS structure b and the screen 4 are made in such a way that they allow to install an electromechanical (galvanometric) oscillating or rotating mirror scanner at the output of the projector, thanks to which becomes possible dimensional spatial scanning output beam from a microdisplay formed images and thus expansion capacity of data arrays on the screen until August 10th .... pixel September 10 in, and with the possibility of variation of geometrical configuration.
  • the scanning of rays 22 emerging from the optical node 11 is carried out only in the horizontal plane (rays 23).
  • the scanning device is made in the form of a rotating prism 14 with mirror faces (or a rotating mirror).
  • a concave screen as in large movie theaters.
  • the prism rotation speed should be synchronized with the FLCoS frame formation frequency, taking into account their possible spacing over the screen area 4.
  • the scan rays (images) can be two-dimensional when deflecting the axis of rotation of the prism or when using two rotating prisms.
  • the number of individual screens in the composite screen will increase to 40 (4 rows of 10 screens), and the screen will display information with a spatial resolution of 40K pixels.
  • To further increase the screen format leads to an increase in the speed of image formation by a microdisplay, and it can reach several kilohertz.
  • the helicoid wave vector # ⁇ 2 ⁇ / ⁇ , tending to zero, and in FFA the value of rotational viscosity ⁇ ⁇ should be in the range 0.3 ⁇ > ⁇ 1.0 Poise, the value of spontaneous polarization P s should not exceed 50 nC / cm but the value of the elastic modulus K, which determines the deformation along the smectic layers, is in the interval (1h-3) - ⁇ ⁇ Newton;
  • the technical result of the invention is the creation of a high-speed video projector with improved characteristics compared to the prototype: with almost doubled (up to 540-600 Hz) frame rate and comfortable due to this perception of 3D stereo images, even with a consistent color change in a single microdisplay with the FLCoS structure ; with enhanced color gamut and enhanced image brightness.
  • the speckle noise associated with the use of a laser beam for imaging is suppressed by means of an electrically controlled despecker introduced into the device.
  • on-screen real-time it becomes possible to display information arrays with a capacity of 10 8 .... 10 9 pixels with different geometric configurations.
  • the light modulation frequency is several kilohertz and lower power consumption compared to the prototype;
  • laser diodes compared with the use of LEDs, laser diodes provide almost an order of magnitude higher power density, which allows to increase the brightness of the images on the screen and / or the size of the latter, as well as to obtain an expanded range of colors that is not achievable for LEDs;
  • the introduced despeckler based on the FLC cell being an effective, non-mechanical, simple and compact means of destroying the spatio-temporal coherence of the laser beam and suppressing its ability to interfere, expands the possibilities of using lasers in video projectors;
  • the input scan node provides the possibility of expanding the capacity of information arrays on the screen to 10 8 .... 10 9 pixels, and with the possibility of varying their geometric configuration.
  • the main advantage of the claimed high-speed video projector is the possibility of forming speckless, high-brightness and color-saturated images with a continuous gray scale with a frame frequency of 600 Hz or more with a small alternating voltage (up to ⁇ 1.5 V) and creating on a non-composite projection high-capacity information arrays screen (up to 10 ... 10 pixels).
  • laser diodes can be used as with longitudinal ones, and with a vertical (transverse) resonator, made on the basis of heterostructures with quantum dots and wells, optimized by wavelength to obtain maximum etovoy range.
  • a linear or two-dimensional spatial scan device can be modified according to the principle of operation and design in order to increase the capacity of the deployed images, the scan speed and expand the scan area of the images on the projection screen.
  • the inventive high-speed video projector provides the formation with a frame frequency of 600 Hertz or more color video images with a continuous gray scale, read by laser diodes of red, green and blue radiation, and to destroy its ability to interfere, a despecker is introduced - a cell with FLC, which performs fast electrically controlled phase modulation of radiation with depth> ⁇ , and for the formation on the screen of information arrays with a capacity of 10 8 10 9 pixels with different geometric configurations a two-dimensional scanner optically coupled to an optical information reading unit and to a screen onto which this information is projected.
  • high-speed FLC can be most effectively implemented in high-speed microdisplays based on the FLCoS structure with silicon control integrated circuits.
  • Such microdisplays and video projectors based on them are applicable in projection displays, including picoprojectors, in high-speed systems for processing, coding and recognition of data, in various 2D and ZD television systems.
  • the proposed device can be used in a variety of devices and systems for visualization, display, storage and processing of information with high information capacity, as well as in devices and systems of optical advertising, show business, etc.
  • a polyimide film about 30 nm thick which was rubbed and rubbed, was used.
  • the sputtering film of aluminum dioxide with a thickness of 70 nm served as the primary coating.
  • the birefringence index exhibits a characteristic dependence on the frequency of the electric field change (Fig. 5), which indicates the occurrence of spatial periodic deformations of smectic layers in the non-helicoidal FFA, leading to the soliton mechanism of reorientation of the FLC director.
  • Fig. 5 the frequency of the electric field change
  • these deformations were observed for crossed polarizers in the form of alternating light and dark bands with a period of 1.5 to 5 ⁇ m, which depends on the molecular structure of the FLC.
  • the transition to the soliton mode occurs at a frequency of the control voltage of the order of 170 Hz.
  • the electro-optical response time is determined by the speed of motion of soliton waves (relation 1) and depends only slightly on the frequency of the control voltage.
  • the maximum modulation frequency of light radiation with an amplitude of the control voltage (meander) ⁇ 1.5 V was 3.5 kHz (Fig. 6).
  • the oscillogram presented here also shows that the electro-optical response time of a cell with a non-helicoidal FFA is only about 35 microseconds at both polarities of the applied voltage, which is 15-20 microseconds less than the same response time of a cell with a helicoidal FFA.
  • RGB LED emitters instead of RGB LED emitters, it is proposed to use three semiconductor laser diodes with red, green and blue radiation, respectively. Compared with LEDs, they provide almost an order of magnitude higher power density, which allows to increase the brightness of the images on the screen and / or the size of the latter. Due to the high monochromaticity of laser radiation, a laser-readable display will have an expanded gamut of colors not achievable with LEDs, and even more so with the help of incandescent or discharge light sources. In experiments on reading information, a laser diode with a red wavelength of 0.65 ⁇ m was used.
  • a compact (single-pixel) FLC cell was introduced and used as despecker 9 into the laser image reading channel (block 2 in Fig. 1), when passing through it the radiation of a laser diode at a wavelength of 0, 65 ⁇ m underwent phase modulation random in volume of the FLC layer [9].
  • the FLC cell of despecker 9 had a working aperture of about 1 cm 2 and a FLC layer thickness of 16 ⁇ m.
  • the simulation showed that when an electromechanical (galvanometric) rotating mirror scanner is installed in the optical path at the video projector’s output, a two-dimensional spatial scan of the output beam with the image formed in the microdisplay and thereby expanding the capacity of the information arrays on the screen to 10 8 10 9 pixels are possible, and with the possibility of varying their geometric configuration.
  • the new non-helicoidal FFA is capable of modulating light with a frequency of several thousand hertz, then with equivalent high-frequency input data and addressing of pixels in the FLCoS structure of the microdisplay, the total spatial resolution of the proposed video projector can reach 10 9 - 10 10 pixels.
  • Images displayed individually may not necessarily be fragments of one highly informative frame; individually or in groups, they may also represent independent programs.
  • viewers can watch different TV programs on the same monitor using light-modulating glasses synchronized with these programs, then using the claimed video projector, one can not only realize the same case, but also spatially separate these programs for their independent viewing by different viewers, and without glasses.
  • standard (at 120 Hz) video projectors based on the LCoS structure with an NLC the performance margin of a high-speed video projector is so large that several 3D vision programs can be displayed on a high-resolution screen.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Liquid Crystal Display Device Control (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к оптоэлектронике, используется в устройствах и системах визуализации, отображения, хранения и обработки информации, обладающих высокой информационной емкостью: в двухмерных и трехмерных проекционных дисплеях, устройствах и системах оптической рекламы, шоу-бизнеса. Видеопроектор содержит жидкокристаллический микродисплей на основе структуры FLCoS с СЖК, оптический блок считывания формируемой в структуре FLCoS информации, источник света и проекционную оптику, оптически связанные со структурой FLCoS и экраном, на который информация проецируется, в качестве материала в структуре FLCoS используется низковольтный смектический жидкий кристалл (СЖК) с компенсированным геликоидом, обеспечивающий благодаря определенному соотношению параметров 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 блок считывания информации введена ячейка с СЖК, осуществляющая быструю электрически управляемую пространственную фазовую модуляцию излучения, для формирования на экране массивов информации с различной геометрической конфигурацией введен двумерный сканер, оптически связанный с блоком считывания информации и экраном, на который информация проецируется.

Description

ВИДЕОПРОЕКТОР 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 свето-излучающих 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) - 1920x1080 пикселов, в персональных компьютерах пока преобладает 1024x768 (XGA), а в дисплеях смарт-приборов (прежде всего, в экранах мобильных телефонов) еще сохраняется 800x600 пикселов (SVGA) и даже 640x480 (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 1000x1000, или Ι χΙΚ пикселов) и HD (порядка 2000x1000, или 2Кх1К пикселов), но также (2Кх2К) и даже (4 х2К) 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 15x15 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 походит 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 768x768 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]: τ ~ γφ/ (Ρ5·Ε) , О)
где γφ - вращательная вязкость СЖК, Ps - 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, яв'[яются:
» 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). QQ - угол наклона молекул в смектических слоях, Ψ - угол наклона смектического слоя, PS - вектор спонтанной поляризации, d - толщина электрооптической ячейки, / - 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 Сгоу 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 Γο,ι-ο.9 ПО переднему фронту - Rise=34,90 микросекунды, по заднему фронту - Fall=35,l 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 qo=2n/po , стремящимся к нулю, и в СЖК величина вращательной вязкости γφ находится в интервале 0,3 <^><1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации Ps не превышает 50 нКл/см2, а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в интервале (1 3)· Ю"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 микро дисплее 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 б и с 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 qirQ-nlpo , 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 γφ находится в интервале 0,3 <^>< 1,0 Пуаз, спонтанная поляризация Ps не превышает 50 нКл/см , а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев СЖК, находится в интервале (1^3)· 10" 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 Θο относительно нормали к слою в данной точке, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси ζ. Вследствие этого, изменяется проекция директора на плоскость ху. Переменное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты л:, 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]:
Figure imgf000013_0001
где Κψ - коэффициент упругости, описывающий деформацию директора по углу Ψ, γψ - сдвиговая вязкость СЖК, М - энергия изгиба смектических слоев, φο - начальный азимутальный угол ориентации директора.
Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от γφ к у¥ . Если значение γφ ниже 0,3 П, то при увеличении частоты модуляции переход к γψ не происходит, и солитонный механизм ориентации директора СЖК не реализуется, а при γφ > 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/см 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-кЗ)- 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 одно- пиксельную 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 б и с 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 ΙΚχΙΚ, 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 микро дисплеем формируется 1 формат изображения 1Кх2К, то при тех же временах на экране отобразится массив информации в 10Кх2 , эквивалентный экрану, составленному из 20 экранов, расположенных в 2 ряда по 10 экранов. Соответственно, при наращивании формата микродисплея до 1Кх4К 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 #ο=2π/ρο , стремящимся к нулю, и в СЖК величина вращательной вязкости γ<ρ должна находиться в интервале 0,3 <^><1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации Ps не превышать 50 нКл/см , а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находиться в интервале (1ч-3)- Шп 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 одно-пиксельной ячейки с СЖК, обеспечивающей пространственную фазовую модуляцию лазерного излучения на градиентах показателя преломления в слое СЖ ;
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 микро дисплея 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 10 ...10 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 ЗД 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 много-программных и много-пользовательских 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 СЖ 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 γφ = 0,7 Пуаз, спонтанная поляризация Р$ = 40 н л/см2, а модуль упругости Κψ, определяющий деформацию вдоль смектических слоев, равен 1 - 10" 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 ЫЖК 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 , ЗК 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 см (около 1 кв. дюйма) пространственное разрешение составит 4096х4096~1 ,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 свето диодами 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 (одно- пиксельная) 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 микро дисплее 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 4К 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, , 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, Jfe з, pp. 45-52 (2002). 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, N°12, 1166-1170 (2008).
Heinrich Shih Ко, Jae Won Paik, Garv Zalewski. Patent Application Publication, Pub. No.: US 2010/0177172 Al. Pub. Date: Jul 15, 2010.

Claims

Формула изобретения
1. 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 qo=2 /po , где ро есть шаг геликоида, величина γφ вращательной вязкости СЖК находится в интервале 0,3 < ><1,0 Пуаз, величина спонтанной поляризации Ps не превышает 50 нКл/см , а значение модуля упругости К, определяющего деформацию вдоль смектических слоев, находится в
1 "
интервале значений (1^3)· 10" Ньютон;
- 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.
PCT/RU2013/000439 2012-05-30 2013-05-29 Видеопроектор WO2013180601A2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/404,429 US9709877B2 (en) 2012-05-30 2013-05-29 Video projector employing ferroelectric liquid crystal display

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012122120 2012-05-30
RU2012122120A RU2503050C1 (ru) 2012-05-30 2012-05-30 Видеопроектор

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013180601A2 true WO2013180601A2 (ru) 2013-12-05
WO2013180601A3 WO2013180601A3 (ru) 2014-03-13

Family

ID=49674008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000439 WO2013180601A2 (ru) 2012-05-30 2013-05-29 Видеопроектор

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9709877B2 (ru)
RU (1) RU2503050C1 (ru)
WO (1) WO2013180601A2 (ru)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8904430B2 (en) 2008-04-24 2014-12-02 Sony Computer Entertainment America, LLC Method and apparatus for real-time viewer interaction with a media presentation
TW201427386A (zh) * 2012-12-18 2014-07-01 Wintek Corp 可平衡左右眼影像亮度之立體影像系統及相關驅動方法
WO2016070843A1 (en) * 2014-11-07 2016-05-12 The Hong Kong University Of Science And Technology Driving scheme for ferroelectric liquid crystal displays
RU2600171C1 (ru) * 2015-04-28 2016-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Лазер Графикс" (ООО "Лазер Графикс") Устройство для получения широкоформатного изображения
US9766454B2 (en) 2015-08-04 2017-09-19 GM Global Technology Operations LLC Dual output headlight system for a vehicle
JP7007804B2 (ja) * 2016-11-28 2022-01-25 シチズンファインデバイス株式会社 液晶プロジェクター
WO2019126075A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 Dolby Laboratories Licensing Corporation Temporal modeling of phase modulators in multi-modulation projection
CN109212774B (zh) * 2018-07-20 2024-04-16 太原理工大学 一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列
JP2021136492A (ja) * 2020-02-25 2021-09-13 セイコーエプソン株式会社 電子機器の動作方法および電子機器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060021297A (ko) * 2003-04-24 2006-03-07 크롬노모션 이메징 어플리케이션즈, 아이엔씨. 고체 광엔진 광학 시스템
JP2008310340A (ja) * 2002-11-07 2008-12-25 Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社 液晶プロジェクタ
RU2429513C1 (ru) * 2010-04-20 2011-09-20 Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" Трехмерный дисплей

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19616323A1 (de) * 1996-04-24 1997-10-30 Deutsche Telekom Ag Vorrichtung zur lokalen Abschwächung der Lichtintensität
US8466954B2 (en) 2006-04-03 2013-06-18 Sony Computer Entertainment Inc. Screen sharing method and apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008310340A (ja) * 2002-11-07 2008-12-25 Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社 液晶プロジェクタ
KR20060021297A (ko) * 2003-04-24 2006-03-07 크롬노모션 이메징 어플리케이션즈, 아이엔씨. 고체 광엔진 광학 시스템
RU2429513C1 (ru) * 2010-04-20 2011-09-20 Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" Трехмерный дисплей

Also Published As

Publication number Publication date
US20150109537A1 (en) 2015-04-23
RU2503050C1 (ru) 2013-12-27
US9709877B2 (en) 2017-07-18
RU2012122120A (ru) 2013-12-10
WO2013180601A3 (ru) 2014-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2503050C1 (ru) Видеопроектор
US11579475B2 (en) Display apparatus and method of controlling the same
JP4052803B2 (ja) 画像表示装置
JP2004191836A (ja) 表示装置及び表示方法
US20020001056A1 (en) Reflective microdisplay for light engine based video projection applictions
JP2001175216A (ja) 高階調度表示技術
JP2014500974A (ja) 立体ディスプレイシステムと、そのシステムに使用されるメガネおよびそのディスプレイ方法
US10867567B2 (en) Liquid crystal device, liquid crystal device driving method, and electronic apparatus
US10546521B2 (en) Resolutions by modulating both amplitude and phase in spatial light modulators
US20200333662A1 (en) Alignment cells for modulating both amplitude and phase in spatial light modulators
US20220215813A1 (en) Holographic displays with light modulation in amplitude and phase
JPH0736054A (ja) 光学装置
JP4211745B2 (ja) 液晶装置、電子機器および投射型表示装置
JP3586681B2 (ja) 反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法
Krueerke Speed may give ferroelectric LCOS edge in projection race
US11703720B2 (en) Method and apparatus for modulating both amplitude and phase in spatial light modulators
Andreev et al. Novel FLC-materials open new possibilities for FLCoS based microdisplays and video projectors
JP4047596B2 (ja) 光偏向素子および画像表示装置
WO2001077747A2 (en) Reflective microdisplay for light engine based video projection applications
JP3998954B2 (ja) 画像シフト素子および画像表示装置
JP2020042293A (ja) 液晶装置、液晶装置の駆動方法、電子機器
JP3973524B2 (ja) 画像シフト素子および画像表示装置
Banks et al. 73.4: Real‐time Diffractive Video Projector Employing Ferroelectric LCOS SLM
JP3428077B2 (ja) 光学装置の駆動方法
Birch et al. 31.1: SXGA resolution FLC microdisplays

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14404429

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13796474

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2