Átdolgozott változat

 

2014. november

 

Már a tizenkilencedik század végén ismert volt az a meglepő tény, hogy a szilárd (kristályos) és a folyékony (amorf) halmazállapot között bizonyos anyagok az olvadás során felvehetnek egy köztes állapot. Ezt nevezték „folyékony kristálynak” vagy „folyadékkristánynak” (liquid crystal, LC). A jelenség úgy 80 évre csaknem feledésbe merült, mígnem az 1960-as években újra felkeltette a kutatók érdeklődését. A többi már sikertörténet: mára az LC kijelző-, azaz az LCD technológia uralkodóvá vált, kivéve néhány speciális területet. A digitális projektorok tömeges elterjedése is az LCD projektorokhoz köthető az üzleti életben, az oktatásban, a kultúra különböző területein és az otthonokban. Az első LCD projektor 1989-ben került kereskedelmi forgalomba.

 

Előzmények - röviden

 

Nem sokkal a katódsugár (helyesen: elektronsugár) felfedezése után – ami 20 éven belül a CRT kijelzők példátlanul sikeres karrierjét indította el –, 1888-ban tapasztalta egy osztrák botanikus (F. Reinetzer), hogy az általa vizsgált koleszterin-vegyületnek két olvadáspontja van: az elsőnél tejszerű, átlátszatlan folyadékot kapott, míg a másodiknál tisztát és átlátszót. Az előbbit nevezték el később folyadékkristályos halmazállapotnak, és az ilyen állapotban leledző anyagot folyadékkristálynak, amely – igaz, csaknem egy évszázadnyi késéssel – szintén a kijelzőtechnikában ért el máig felfelé ívelő sikert.

De milyen is ez az állapot? Ezt a legismertebb, ún. nematikus (fonálszerű szerkezetű) folyadékkristály példáján mutatjuk be.

 

        A kristályos és a folyékony halmazállapot között létezik egy köztes fázis, a folyadékkristály

 

Egy szilárd szerves anyag molekulái szabályosan elrendezett, ismétlődő mintát mutatnak, ugyanúgy, mint más kristályos anyagok. A hőmérséklet növekedésével megolvadva bizonyos anyagok folyadékkristály fázisba kerülnek. Ekkor a hosszúkás molekulák már mozoghatnak, ám hossztengelyük többé-kevésbé hasonló irányba mutat – az irányokat átlagolva egy határozott irányt kapunk. Tovább melegítve az anyagot, létrejön a szokásos folyékony fázis, a molekulák egymáson tetszőlegesen elgördülhetnek, hossztengelyük tetszőleges irányt vehet fel. Mivel nincs kitüntetett irány, ezt a (normális) folyadék állapotot izotrópnak is nevezik.

A folyadékkristály struktúrája nemcsak nematikus lehet (lásd a fenti ábrát), hanem más szerkezetű ún. „szmetikus” és „koleszterikus” folyadék-kristályos állapotok is léteznek, de ezekre nem térünk ki, mivel gyakorlati jelentőségük elhanyagolható a nematikus LC mellett.

 

Annyiban korrigálnunk kell a bevezetőben mondottakat, hogy az 1930-as években azért valamelyest foglalkoztak a folyadékkristályos anyagok elektro-optikai tulajdonságaival, és odáig eljutottak, hogy a folyadékkristály „fényszelepként” (light valve) használható.

Tényleges komoly kutatások azonban, amelyek a kijelzőtechnikában való alkalmazhatóságra irányultak, csak az 1960-as évek első felében kezdődtek, ám ettől kezdve nagyon intenzíven folytak.

 

A folyadékkristályok főként két tulajdonságuk miatt alkalmasak kijelzők készítésére. Az egyik egyszerűen a folyékony halmazállapot (a molekulák elmozdulhatnak), a másik az erőteljes dielektromos anizotrópia (a hosszúkás molekulák dielektromos állandója nagyban különbözik a hossztengely irányában és az erre merőleges irányban). Egyszerűen szólva a dielektromos állandó azt mutatja meg, hogy az elektromos tér milyen mértékben hat egy adott anyagra.

E két tulajdonság következménye, hogy külső elektromos erőtérrel a molekulák iránya befolyásolható. Ha a folyadékkristály dielektromos anizotrópiája pozitív – a dielektromos állandó a molekulák hossztengelyének irányában nagyobb –, akkor a molekulák hossztengelyükkel az elektromos tér irányába „tendálnak”, ellenkező esetben az elektromos teret reprezentáló vektor irányára közelítőleg merőlegesen állnak be.

 

A folyadékkristály molekulák dielektromos anizotrópiája (a dielektromos állandó eltérése a molekula hossziránya és keresztiránya között) lehet pozitív vagy negatív. Ettől függ, hogy a molekulák az elektromos erőtér irányával párhuzamosan, vagy pedig arra merőlegesen igyekeznek beállni

 

A dielektromos anizotrópia másik megfigyelt hatása, hogy a folyadékkristály a rábocsátott polarizált fényt (amely, mint tudjuk, elektromágneses hullám) képes „hullámvezetőként” átereszteni, illetve külső elektromos tér egyidejű alkalmazásakor a fény útját blokkolni. Magyarázzuk ezt meg némileg érthetőbben az ún. csavart nematikus (twisted nematic – TN) transzmisszív LCD cella példáján.

 

Csavart nematikus, traszmisszív LCD

 

A transzmisszív (áteresztő), csavart nematikus LCD kifejlesztése 1969-ben talán a legnagyobb áttörés volt a folyadékkristályos kijelzők fejlesztésében. A korábbi – ún. guest-host vagy dinamic scattering hatás alapján működő – nematikus LC megoldásokat (pl. amit karórákon vagy kézi kalkulátorokon használtak) a komolyabb alkalmazásokból szinte azonnal kiszorította a lényegesen nagyobb kontrasztnak és hosszú távú megbízhatóságának köszönhetően. A TN LCD cella működését – ahogyan sok mai projektorban is történik – a következő ábra szemlélteti:

 

Alapállapotban a TN folyadékkristály cella átereszti a beeső fény megfelelő polarizációjú összetevőjét (bal oldali kép). A cellára kapcsolt, megfelelő nagyságú feszültség hatására a folyadékkristályok függőlegesbe fordulnak – kivéve az illesztő réteg közvetlen közelében lévő molekulákat –, a polarizáció nem „csavarodik el”, a fény nem jut át a cellán (jobb oldali kép). Esetünkben a folyadékkristály dielektromos anizotrópiája pozitív (ábra: Barco)

 

A kristályos folyadék két üveglap közé van zárva, ezeket átlátszó vezető rétegek borítják, amelyek a címző elektródák szerepét látják el. A vezető rétegekre felvitt polimer rétegeken egyirányú mikroméretű barázdákat alakítanak ki, az alul található réteg barázdái merőlegesek a felül lévő barázdákra. Végül alul és felül az üveg hordozóra egy-egy polarizátor (polárszűrő) kerül a cellára. A barázdák nagyon fontos feladatot látnak el: a barázdált réteggel érintkező hosszú molekulák ugyanis hossztengelyükkel befordulnak (illeszkednek, igazodnak) a barázdairányba, így egy 90°-ban elcsavaródó molekula-alakzat jön létre.

 

A felső polárszűrőn keresztül a polarizálatlan fényből átengedett lineárisan polarizált fény akadálytalanul belép a cellába úgy, hogy a polarizáció síkja párhuzamos a felső barázdákkal, azaz az LC molekulák hossztengelyével. Egyelőre feltételezzük, hogy külső elektromos tér nem hat a cellára. A belépő polarizált fény elektromos komponense a nagy dielektromos állandónak köszönhetően követi a folyadék-kristály molekuláinak elcsavarodását, és mire eléri az alsó polarizátort, a polarizáció síkja 90°-kal elfordul. Mivel az alsó polarizátor ugyanennyivel van elfordítva a felsőhöz képest, a fény kilép a cellából. Ez a cella „bekapcsolt” állapota.

 

Mármost mi történik, ha feszültséget kapcsolunk a címző elektródákra, és így külső elektromos erőtér hat a folyadékkristályra? Ha a feszültség elég nagy, a molekulák kibillennek elcsavart helyzetükből (kivéve a legfelső és a legalsó rétegeket), és az elektromos erőtér irányával párhuzamosan állnak be, ha feltételezzük, hogy pozitív a dielektromos anizotrópiájuk (lásd a második ábránkat). A belépő fény polarizációs síkja így nem tud elcsavarodni, és az alsó polarizátoron nem tud átjutni. Ez felel meg a „kikapcsolt” állapotnak. Amikor a feszültséget csökkentjük, az elcsavarodás csak részben szűnik meg, a fény egy része átjut. Ily módon a feszültség változtatásával tudjuk vezérelni az áteresztett fény mennyiségét.

 

Reflektív LCD

 

A fent leírt transzmisszív LCD az alapja a ma leginkább elterjedt LCD technológiáknak, köztük a projektorok világában vezető szerepet játszó 3LCD technológiának. A nematikus folyadékkristályt azonban ún. reflektív elrendezésben – amikor az egyik átlátszó vezető elektródát egy átlátszatlan tükröző elektróda helyettesíti – is használták, illetve használják, méghozzá raszteres változatban (LCLV, ismertebb nevén ILA), és pixeles struktúrában (LCoS, D-ILA, SXRD) is. Ezekről a technológiákról külön, nem ebben az írásban fogunk beszélni, mivel nemcsak egy tükröző elektróda, hanem sok más eltérés is van a transzmisszív LCD technológiához képest. Pl. a reflektív LCD technológia nem 90°-ban elcsavart szerkezetű nematikus folyadékkristályt, hanem helyette vagy az ún. „homeotropikus” módot (negatív dielektromos anizotrópiájú anyaggal), illetve a 45°-ban „elcsavart” módot használja.  

A transzmisszív LCD panel vagy chip mindig pixeles struktúrájú, és a pixelek címzése (vezérlése) komoly fejlődésen ment keresztül. A következőkben erről ejtünk néhány szót.

 

A transzmisszív LCD pixeleinek címzése

 

A pixelekből kialakított LCD mátrix sor- és oszlopelektródákat tartalmaz, amelyek metszéspontjai határoznak meg egy-egy adott pixelt. A pixelek vezérlése (címzése) lehet „passzív”, amikor közvetlenül a sor- és oszlopelektródák feszültségével történik a vezérlés. A passzív TN LCD paneleknél azonban a folyadékkristály bizonyos tulajdonságai miatt (van egy küszöbfeszültség, amely alatt a cella nem kapcsol be, továbbá a molekulák irányváltásának sebessége korlátozott) a sorok és az oszlopok száma nem lehet túl nagy. Az idők során ugyan kifejlesztették az STN (supertwisted nematic) architektúrát is, de így is korlátos maradt a sorok és oszlopok száma. Bizonyos célokra (mobiltelefon, PDA stb.) ez is megfelel, de nagyobb felbontású panelekhez már nem.

 

                                  A passzív mátrix-címzés elve (ábra: Larry J. Hornbeck)

 

A problémát az aktív mátrix-címzés oldja meg, amikor is az oszlop- és sorelektródák keresztezési pontjaiba egy-egy aktív kapcsolóelemet – vékonyréteg-diódát (TFD – thin film dioda) vagy vékonyréteg-tranzisztort (TFT – thin film transistor) helyeznek el. Az előbbi használható volt digitális fényképezőgépekben, mobiltelefonokban, esetleg autónavigációs képernyőkben, azonban manapság már ezekben is, és főleg a mozgóképet megjelenítő kijelzőkben és PC monitorokban csakis TFT-t használnak. Videokamerák elektronikus képkeresőiben és projektorokban pedig a nematikus LCD-k közül is csak a HTPS (hight temperature polysilicon – magas hőmérsékletű poliszilícium) TFT LCD-kkel találkozunk.

 

         Egy LCD pixelhez tartozó aktív-mátrix áramkör vázlata a TFT-vel (ábra: Larry J. Hornbeck)

 

A címző áramkör a következőképpen működik. Először is az oszlopelektródára az adott sornak megfelelő (a pillanatnyi jelszintnek megfelelő) analóg feszültség kerül. Ezután az adott sorhoz tartozó kapcsolótranzisztort a sorelektróda bekapcsolja, a kondenzátor pedig feltöltődik az oszlopelektródán lévő analóg feszültségszintre. Miután a kapcsolótranzisztor kikapcsol, a feszültség a kondenzátoron tárolva marad a következő videoképig, amikor megtörténik a frissítés az ennek megfelelő új feszültségértékkel. Lényeges, hogy ily módon az adott pixelen (és a többi pixelen is) az aktuális képelemnek megfelelő feszültség lesz a teljes kép ideje alatt, és így a pixel világossága megmarad a képváltásig.

Az igazsághoz hozzátartozik, hogy az első LCD projektorokban még amorf szilícium TFT-ket vagy kapcsolódiódákat használtak, de ezek túl nagy helyet foglaltak el, és így a fényáteresztés hatékonyságát (az apertúra-arányt vagy kitöltési tényezőt) csökkentették, továbbá a nagy panelméretek miatt az objektívnek is nagynak (és így drágának) kellett lennie. Ezen a helyzeten sikerült javítani a jóval kisebb poliszilícium vékonyréteg-tranzisztorokal (PoSi TFT).

 

Az ábrán a TFT LCD panel néhány pixeles darabját, illetve egy pixel vázlatos geometriai elrendezését láthatjuk a TFT-vel és a sor- és oszlopelektródával

 

Ahhoz, hogy az LCD alkalmas legyen a projektorokban való alkalmazásra (és az összes többi területen, amelyeket érintettünk, pl. LCD TV-kben, PC-monitorokban, videokamerákban stb.) jóval több lépésben jutottak el a kutatók, mint azt a fentiekben vázlatosan leírtuk. A munkába az amerikai kutatóhelyek (RCA, Westinghouse stb.) mellett bekapcsolódtak a japán cégek is, és az első, kereskedelmi forgalomba hozott LCD projektorok Japánban jelentek meg, az Seiko Epson, illetve a Sharp neve alatt, csaknem egyidőben, 1989-ben. Mivel a transzmisszív LCD paneles vetítők területén csakhamar az Epson vette át a vezető szerepet, és ma már – a Sonyt kivéve – csak az Epson fejleszt LCD paneleket és integrált 3 LCD paneles egységeket a világ összes LCD-projektorgyártója számára is, a következőkben az Epson ún. 3LCD projektor-technológiáját ismertetjük. A Sony ugyan továbbra is fejleszt LCD paneleket vetítési célra, de csak a saját készülékeibe építi be, és technológiájának részleteiről elég keveset tudunk, ezért sajnos nem tudjuk bemutatni. A lényeget illetően azonban minden bizonnyal nagyon hasonló az Epson technológiájához.

 

A 3LCD technológia

 

Mivel a színes kijelzőink az általános ismert trikromatikus elv alkalmazásával működnek, valamennyi színt három alapszín (vörös, zöld, kék) kombinálásával, additív keverésével állítják elő. Az additív színkeverésre háromféle lehetőség van a kijelzőtechnikában:

1)      Az egymás melletti, a nézési távolsághoz képest rendkívül közeli alapszínű pixelek színének keverése. A pixelek önmagukban kibocsáthatnak színes fényt (pl. CRT TV/monitor, plazma-TV), vagy pedig az egymás melletti pixeleket alapszínű színszűrőkön keresztül világítják meg (pl. LCD TV/monitor).

2)      Az alapszínű színszűrőket időosztásos elven váltogatják az egy darab „színvak” kijelzőpanel (azaz az összes pixel) előtt (pl. egychipes DLP projektorok).

3)      3 kijelzőpanelt alkalmaznak, és a 3 kijelzőpanel színszűrőkön keresztül kapja az alapszíneknek megfelelő megvilágítást (pl. az LCD és LCoS projektorok vagy a 3-chipes DLP projektorok).

 

Az LCD projektorok közismerten azon az alapelven működnek, hogy a megvilágító fehér fényt optikai úton a projektorban felbontják a három alapszínű összetevőre (hogy hogyan, azt hamarosan látni fogjuk), ezeket a megfelelő képjellel vezérelt 3 db LCD panel külön-külön, pixelről-pixelre modulálja, majd a három – egymást pontosan fedő – képet szintén optikai úton egyesítik, a vetítőobjektív pedig az így kapott, ideális esetben színhelyes képet kivetíti.

Az alapelvet a következő ábra szemlélteti:

 

3 darab LCD panellel felépíthető vetítő berendezés elvi felépítése. A gyakorlatban a projektorokban ennél kompaktabb és szellemesebb megoldást alkalmaznak

 

Ez tehát egy lehetséges megoldás, nagy helyet foglaló prizmákkal, és nem eléggé kompakt felépítéssel. Ez egyfajta „3 LCD” technika, de nem az általunk részletesebben ismertetendő „3LCD” technológia, amelyet az Epson dolgozott ki. A lehetséges transzmisszív LCD technológiák közül a 3LCD-nek elnevezett technológia bizonyult a legsikeresebbnek, egyúttal a legkevésbé költségesnek. Ez utóbbi elrendezésben a „fehér” fény felbontása alapszínekre dikroikus, más néven félig áteresztő tükrökkel történi. A „félig áteresztő” itt annyit jelent, hogy ez a fajta tükör bizonyos hullámhossz alatt/fölött átereszti, illetve visszaveri a ráeső fény egy részét, vagyis színszűrőként működik. Ezt mutatja a következő ábránk:

 

Két dikroikus szűrővel a fényforrás fehér fénye a jól ismert három alapszínű fényre, vörösre, zöldre és kékre bontható (ábra: Epson)

 

A két dikroikus tükör által visszavert és áteresztett komponensek végül is létrehozzák a három alapszínt, amelyek egyéb optikai elemek közreműködésével egy kocka alakú prizma („X-prizma”, „dikroikus egyesítő kocka”) három oldalán elhelyezett transzmisszív LCD panelekre jutnak. A prizma a zöld fényt moduláló G LCD panel képét akadálytalanul átereszti, a vörös fényt moduláló R LCD panel képét az egyik átlós szűrőréteg a kék fényt moduláló B LCD panel képét pedig a másik átlós szűrőréteg 90 fokban visszaveri, így az ábrán látható módon az objektívbe az alapszínekből pixelszinten összeálló teljes kép jut. Fontos feltétel természetesen, hogy a három panel megfelelő pixelei pontosan fedésben legyenek (konvergencia). Mivel a paneleket a gyakorlatban gyárilag rögzítik az X-prizmán, a konvergencia meghatározott tűrésű pontossága már a gyártás során biztosítható, illetve konvergenciahiba csak gyártási hiba vagy későbbi deformáció miatt keletkezhet. A megvilágító lámpa és a dikroikus tükrök között más fontos optikai elemek is vannak, ezek funkciójára hamarosan kitérünk.

 

        A 3LCD projektorok belső felépítésének sematikus rajza. A magyarázatot lásd a szövegben

 

A teljesség igénye nélkül magyarázzunk el néhány részletet a fenti működési vázlat alapján. A paraboloid tükör fókuszpontjába helyezett izzó (mint pontszerűnek tekinthető fényforrás) fehér fényét a tükör egy felületet lefedő nyalábbá alakítja, amely egy kettős lencsetömbre kerül. Ez utóbbi integráló lencserendszer feladata, hogy a panelekre eső fény eloszlása (miután még több más optikai elemen is keresztülhalad) minél egyenletesebb, homogénebb legyen. Az elvet az alábbi ábra szemlélteti:

 

Az LCD panelre eső fény közel egyenletes eloszlását biztosító kettős párhuzamos lencsetömb működésének magyarázatához (ábra: Epson)

 

Az integráló lencserendszer után a most bemutatott ábrán nem feltüntetett, ám nagyon fontos – az integrátor és a lencse közé helyezett „vékony polárszűrő és polárforgató réteg” követi, amely valójában két rétegből áll. Az elsőben, meghatározott osztásköz szerint 45 fokban elhelyezkedő apró polárszűrők találhatók, amelyek a vízszintes polarizációjú összetevőt (P) átengedik, a függőlegeset (S) pedig visszaverik, azonban ez utóbbi a szomszédos polárszűrőről ismét reflektálódik, majd szabadon továbbhalad a második rétegen keresztül, két szegmens között. A második réteg ugyanis egy polárforgató szegmensekből álló mátrix, ahol a szegmensek 90 fokkal elforgatják a P vízszintes összetevőt, ezzel függőleges polarizációjúvá (S) téve. Így végeredményben sikerül a polarizálatlan fényhullámot úgy átalakítani, hogy a továbbhaladó fényben 75% S polarizációjú és 25% P polarizációjú fényhullám lesz (a szegmensek között a P polarizációjú hullámok fele áthalad).

Értelemszerűen ez utóbbi összetevőt az LCD panel belépő polárszűrője majd visszatartja, azonban az LCD-re érkező fényerő az eredeti polarizálatlan fény intenzitásának 75%-a (a leírt polárszűrő és átalakító réteg nélküli fényerő 1,5-szerese) lesz.

 

Egy szellemes „trükk” – a polárszűrő film és a polarizációforgató rács – segítségével az egyik polarizációjú fényösszetevő aránya 50%-ról 75%-ra növelhető, ami másfélszer akkora fényerőhöz vezet, mint amit e kettős réteg nélkül lehetne elérni (ábra: Epson)

 

A fény útját ezután egy tükör és egy lencse irányítja a két dikroikus tükör egyikére (lásd a 3LCD projektor elvi működési vázlatát). Ez a két „félig áteresztő” tükör végzi az egyik legfontosabb feladatot, a fehér fény szétbontását alapszínű összetevőkre. Az elsőn a vörös (R) összetevő zavartalanul keresztülmegy, majd egy 45 fokban elhelyezett tükör a „vörös” LCD panel felé irányítja. A fehérből visszatartott cián (zöld + kék) összetevő továbbhalad a második dikroikus tükörre, amely viszont csak a kéket (B) engedi át, a zöldet visszaveri egyenesen a „zöld” LCD panel felé. Ez az irány egybeesik az objektív tengelyével, tehát a G összetevőt az X-prizma átengedi az objektív irányába. A B összetevő tükrökkel eltérítve és lencséken áthaladva szintén oldalról éri el a „kék” LCD panelt, a „vörös” panellel ellentétes oldalon. A dikroikus X-prizma végzi el ezután az R és a B fényhullám 90 fokos (de ellentétes értelmű) irányváltását, így az R, G, B komponensek egyesülnek, természetesen miután az LCD panelek a képtartalomnak megfelelően modulálták őket. Így áll össze a teljes színes kép, melyet a vetítőobjektív kivetít az ernyőre.    

 

Vázlatosan tehát így néz ki a 3LCD projektorok működése, azonban az Epson az első, kereskedelmi forgalomba hozott típusának megjelenése óta (1989) rengeteg finomítást végzett, és új technológiákat fejlesztett ki, bár ezek egy része már a fenti magyarázatban is megjelent, például az integráló lencserendszer vagy a polarizációváltó réteg leírt konstrukciója.

 

A 3LCD projektorok evolúciója a 1980-as évek végétől kb. 2008-ig, illetve a 2010-es évekre extrapolálva. (Az ábrát a „Nikkei Microdevice” 2008-as közleményéből vettük át. Bár a technológia azóta is fejlődött, a legjelentősebb eseményeket az ábra jól szemlélteti, és a trendek teljesen világosak.)

Az ábra bemutatja mind a termékek, mind az optikai technológia, mind a HTPS paneltechnológia fejlődését. Felhasználási lehetőségekben, fényerőben, felbontásban, a pixelek kitöltési tényezőjében, a meghajtó elektronikában stb. viharos fejlődésnek lehettünk tanúi.

Néhány fontosabb elnevezés és rövidítés magyarázata:

Pitch – osztásköz, pixelméret a pixelközzel együtt

Prism color composition – az alapszínű képek egyesítése a dikroikus prizmával

Integrator – a fényeloszlás egyenletesebbé tétele a párhuzamos lencsetömbökkel

Polarization conversion – az egyik polarizációjú összetevő növelése a polárszűrő filmmel és a polárforgató ráccsal

TN mode – twisted nematic mód

Organic alignment layer – szerves illesztő/beigazító réteg

MLA (microlens array) – az LCD panelekre illesztett mikrolencse rendszer, amelynek köszönhetően a teljes beeső fény eléri a pixelek fényáteresztő részét

PTV – projektoros TV

VA mode – vertical alignment mód, működése fordított, mint a TN módé, azaz alapállapotban zárt, feszültség hatására nyit. Előnye, hogy a kontrasztarány sokszor annyi, mint TN módban

Inorganic alignment layer – szervetlen illesztő/beigazító  réteg (pontosabb és tartósabb, mint a szerves anyagból készült)

Higher density – nagyobb pixelsűrűség

 

Az első 3LCD projektorok

 

Mielőtt a sok innováció közül néhányat közelebbről szemügyre vennénk, érdemes és tanulságos bemutatni az első két Epson típust, amelyek megjelenése között több mint öt év telt el. A már említett 1989-es első projektor a VPJ-700 nevet viselte, és a gyártó videoprojektornak szánta. Néhány adat az érdekesség kedvéért: már ebben a típusban három 1,27”-es aktív mátrix TFT-HTPS panel volt, integrált áramkörös meghajtással. A felbontás 320 x 220 pixel, a maximális képméretet a gyártó 100”-ben adta meg. A fényerő az eredeti adatlap szerint „100 lumennel ekvivalens”, a fényforrás egy 300 wattos halogén lámpa volt, a kontrasztarányt a következőképpen adták meg: „100:1 vagy jobb”. A súlya 7,6 kg, a mérete 420 x 266 x 125 mm.

A képességei mai szemmel nézve persze szerények voltak, de mint minden mást, ezt is a saját korába kell helyeznünk, amikor is – mint első LCD projektor – óriási előrelépést jelentett. A korábbi szobányi vagy asztalnyi méretű elektronikus vetítőkhöz képest mindenképpen forradalmi újítás volt.

 

             Az Epson kereskedelmi forgalomba hozott első projektora: a VPJ-700 videoprojektor    

 

Az 1994. decemberében kihozott második Epson LCD projektor (ELP-3000) már nem videós, hanem számítógépes vetítésre készült, tükrözve azt a tényt, hogy a számítástechnika is felfedezte magának a PC-ről való vetítés lehetőségét (adatvetítés), illetve ennek tömeges megvalósíthatóságát. A súly csaknem ugyanannyi, mint az elődé (7,7 kg), a méret talán egy kicsit nagyobb, de a felbontás már VGA szabványú (640 x 480), a fényforrás pedig 150 W-os fémhalogén lámpa. A fényerő 250 lumenre emelkedett, ami háromszorosa volt az akkor már megjelenő konkurens gyártók eredményének. 40”-es képátlónál ez 500 lux megvilágítást jelent, ami mattfehér felületen kb. 160 candela/m2 fénysűrűségnek felel meg. Az ELP-3000 nagy hatással volt a projektorpiac fejlődésére, Japánban elnyerte a legjelentősebb ipari és technológiai díjakat.

 

Az Epson EMP-3000-es második projektortípusa (1994) már elsődlegesen számítástechnikai felhasználásra készült, felbontása VGA

 

Ezek után ugorjunk egy nagyot, és nézzük meg, hogy az utóbbi években milyen új technológiákkal állt elő az Epson az egyre tökéletesebb 3LCD vetítők fejlesztésében. Az erőfeszítések nagyrészt magának az LCD panelnek, illetve közvetlen környezetének (meghajtó áramkörök, mikrolencse-réteg stb.) a finomítására és továbbfejlesztésére irányultak. A sokféle újítás szemléltetésére egy magától az Epsontól származó összefoglaló ábrát mutatunk be. Nem fogjuk mindet aprólékosan ismertetni, hanem a jelentősebbeket emeljük ki. Az Epson ismertetője nagyjából három évvel ezelőtt készült, a legfrissebb innovációk technikai részleteiről – információ hiányában – még nem tudunk számot adni.

 

         Az Epson LCD panel- és panelkörnyezet fejlesztéseinek összefoglaló ábrája (ábra: Epson)

 

Néhány Epson innováció

 

C2 FINE

 

Az egyik legfontosabb technológiai újítás kétféle változtatást foglal magába a korábbiakhoz képest. Az egyik a TN (twisted nematic) mód felváltása a VA (vertical alignment) móddal azzal jár, hogy az LCD cella pont fordítva működik: alapállapotba zárja a fény útját, és elektromos tér hatására fogja átereszteni. Ezt úgy érik el, hogy a folyadékkristály molekulák nem a határoló felületekkel párhuzamosan, hanem azokra merőlegesen, „hosszában” állnak be. Hogyan lehetséges ez? Említettük, hogy a hosszúkás molekulák dielektromos állandója hosszirányban eltér a keresztirányú értéktől. Az eltérés lehet pozitív vagy negatív. Ha a dielektromos állandó nem lenne ily módon (vagy így vagy úgy) anizotróp, a folyadékkristályt sohasem lehetett volna kijelzőként felhasználni.

A hagyományos TN kristályoknál a dielektromos anizotrópia pozitív, a VA elrendezésnél viszont negatív, így a molekulák alapállapotban függőlegesen sorakoznak a két polárszűrő között, és így nem engedik át a fényt. Feszültséget kapcsolva a cellára azonban ezek a molekulák vízszintesbe fordulnak, a cella átereszti a fényt. Pusztán emiatt azonban még nem feltétlenül lenne értelme TN-ről VA-ra váltani, azonban van egy döntő különbség: a VA elrendezéssel sokkal nagyobb kontrasztot lehet elérni, mert alapállapotban a fény zárása sokkal tökéletesebb, mint a TA elrendezés zárása az elektromos tér hatására, mivel az utóbbinál az illesztő (alignment) rétegekhez közeli molekulák megmaradnak vízszintes helyzetben, illetve csak kissé kezdenek függőlegesbe fordulni, ezért az elérhető kontrasztarány a VA móddal a sokszorosára növekszik.

 

 

Felső ábra: A hagyományos TN módban, elég nagy feszültség hatására a cella lezár, de némi fény átszivárog – a kontrasztarány (a fehér és a szürke fénysűrűségének aránya) viszonylag alacsony

Alsó ábra: VA módban, kikapcsolt állapotban a cella csaknem tökéletesen zár, külső feszültség hatására nyit. A kontrasztarány lényegesen magasabb

 

A C2 FINE másik fontos összetevője az eredetileg szerves alignment (a molekulákat vízszintes barázdákba illesztő/igazító) réteg a megmunkálás pontatlanságai miatt – egy forgó dörzshenger alakítja ki a barázdákat – nem elég egyenletes. Ennek kiküszöbölésére találták ki a szervetlen molekularéteg érintésmentes felvitelét egy hordozóra (szubsztrátra), így az illesztő réteg tökéletesen egyenletes lesz.

 

Az alignment (irányba igazító) réteg „bordázata” szervetlen molekulákból sokkal pontosabban kialakítható, a réteg vastagsága molekuláris szinten beállítható (ábra: Epson)

 

Hybrid Drive Technology

 

A hibrid meghajtó technológia segítségével az LCD meghajtását vezérlő áramköri lap méretét és fogyasztását radikálisan csökkentették. Míg a hagyományos technológiánál az áramköri lap 16 IC-t hordoz, többek között a grafikus kontroller IC-t és az LCD kontroller IC-ket, az új hibrid megoldásnál az áramköri lap fele akkora, és csak a grafikus kontroller IC foglal helyet rajta. Minden más áramkör az LCD chip laposkábelébe van integrálva.

 

A hibrid meghajtási technológiával elérhető, hogy az áramköri lapon csak a grafikus kontroller IC marad (16 IC helyett 1 db), a terület kb. a felére, a fogyasztás pedig kb. a hatodára csökken (ábra: Epson)

 

Micro Lens Array (MLA)

 

Az LCD panel egy nagyobb részben fényáteresztő felületből, kisebb részben mindig fényzáró felületből (a huzalozásból adódó oszlop- és sorelektródák, plusz a tranzisztorok) álló pixelmátrix. Ily módon a pixeleket egy átlátszatlan rácsozat választja el egymástól. A mikrolencse-array feladata, hogy a panelre eső fény lehető legnagyobb részét a pixelek hasznos felületére irányítsa, azaz a fényhasznosítást lényegesen javítsa.

 

A micro lens array megakadályozza, hogy a fény jelentékeny része visszaverődjön az ún. „black matrix”-ról, azaz a konstrukció fényt át nem eresztő részeiről  (ábra: Epson)

                                                                                         

Bright 3D Drive

 

Az aktív 3D megjelenítés – mint ma már széles körben ismert – a jobb és bal szem számára szekvenciálisan váltogatott, és ún. aktív (shutter) LCD szemüveggel nézhető 3D képet jelenti. A „frame sequential” technika lényege, hogy a „lencsék” váltogatott elsötétítésével biztosítja, hogy a megfelelő képet a megfelelő szem „kapja”. Maga a váltási folyamat azonban nem végtelenül rövid, hanem időt vesz igénybe, amely alatt semmiféle információ nem jut egyik szemünkbe sem. Ennek az intervallumnak a hosszától függően a 3D fényerő jelentősen csökkenhet vagy növekedhet.

A Bright 3D Drive (nagy fényerejű 3D meghajtás) technológia úgy orvosolja ezt a problémát, hogy az LCD panel képfrissítési frekvenciájának 480 Hz-re emelésével alaposan lerövidíti a kioltási (blackout) időtartam hosszát. A fényerő ezzel a módszerrel 1,5-szeresére növekszik a 240 Hz-es képfrissítéshez képest.

Ezt a technikát használják az Epson csúcsminőségű 3D házimozi-projektorai.

 

                     A Bright 3D Drive fényerőnövelő hatásának magyarázatához (ábra: Epson)

 

A legérdekesebb fejlesztések rövid bemutatása után nem mehetünk el említés nélkül a 3LCD technológia egy sajátos – bár természetes – tulajdonsága mellett, amelyet az egychipes DLP projektorokkal való összehasonlításkor szokás emlegetni.

 

A Color Light Output (CLO) fogalma

 

A projektorok fényerejének megadására az adatlapokon, specifikációkban a gyártók hagyományosan a fehér fény vetítésekor maximálisan mérhető fotometriai mennyiséget, a luminous flux (fényáram) lumenekben mért értékét használják, kilenc mérési pontra átlagolva (ANSI lumen), amelynek szokásos elnevezése a dokumentációkban a Brightness, illetve újabban a Light Output (White Light Output). Mivel a „brightness” fogalmilag a világosságérzetet jelenti (magyar neve világosság, fényesség), és nemlineáris összefüggésben van a műszeresen mérhető fényintenzitással, a Light Output (fénykibocsátás) elfogadhatóbb megjelölés, ha már nem a korrekt fotometriai Luminous Flux elnevezés szerepel a legtöbb adatlapon.

 

Az Epson, illetve az általa alapított 3LCD Alliance több mint két éve javasolta egy új fogalom bevezetését és szabványosítását, valamint feltüntetését a projektorok adatlapjain. Közelebbről arról van szó, hogy a 3LCD (és a többi 3-chipes projektor) a három alapszínű képet, amelyből a kivetített kép összeáll, egyidejűleg állítja elő. Mindegyik alapszínhez tartozik egy-egy fénykibocsátási érték a fehéret kiadó kolorimetriai arányok szerint. A három alapszín összegezésekor ez a Color Light Outputnak nevezett érték (CLO) értelemszerűen megegyezik a White Light Output fehér fénykibocsátással (WLO). A 3LCD projektorok adatlapján tehát a White Light Output és a Color Light Output mindig ugyanakkora.

 

Az X-prizma működési sémája jól illusztrálja, hogy a három LCD panel által alkotott alapszínű képek hogyan vesznek részt egyidejűleg a színes kép létrehozásában (ábra: Epson)

 

A CLO mint mérendő mennyiség része lett az Information Display Measurements Standard version 1.03 szabványnak (IDMS 1, 2012. június 1.), amelyet az International Commitee for Display Metrology (ICDM) fejlesztett ki, és amelyet a Video Electronics Standards Association-nal (VESA) együttműködve befogadott a Society for Information Display (SID) is.

 

A CLO jelentősége akkor válik világossá, ha a 3LCD technológiát összevetjük az egychipes DLP technológiával. Mindkettőnek vannak előnyei és hátrányai, de annyi bizonyos, hogy az egychipes DLP projektorokban az alapszínek (illetve a képalkotásban különféle kombinációkban használt másodlagos színek és a fehér) szekvenciálisan, időben egymást követően, és nem egyidejűleg hozzák létre a képet. Mivel egy teljes kép előállításában az alapelrendezésben szokásos R, G, B alapszínek külön-külön időszeletekben vesznek részt, a fenti módon definiált CLO lényegesen kisebb, mint a WLO. A DLP projektorgyártók éppen ennek a helyzetnek a javítására vetik be a forgó színtárcsán az alapszíneken kívül a fehér, cián, sárga stb. szegmenseket, illetve ezek különböző kombinációit, ami valóban javít az arányokon, de a CLO semmiképp nem éri el a 100%-os WLO értéket, a különböző típusoknál kb. 30% és 80% között mozog. A konkrét szám erősen függ az aktuális beállítástól, illetve kalibrációtól.     

 

3LCD és egychipes DLP projektorok konkrét összehasonlításáról, különös tekintettel a CLO-ra, különböző – kalibrálatlan és kalibrált – üzemmódokban pl. a következő helyeken közöltek nagyon részletes elemzést:

 

https://www.projectorcentral.com/lcd-dlp-color-light-output.htm

https://www.pcmag.com/article2/0,2817,2418661,00.asp

 

Az LCD technológia jövője

 

Bár ebben az írásban a 3LCD technológiát mutattuk be közelebbről, beleértve a kifejlesztéséhez vezető állomásokat, széles értelemben az „LCD technológia” fogalomkörébe tartozik az LCoS (Liquid Crystal on Silicon) technológia és változatai (D-ILA, SXRD) is, amelyekről már fentebb említést tettünk, de egy külön írásban foglalkozunk velük. Ezek az ún. reflektív LCD technológiák, és ez a megoldás az Epsontól sem idegen, hiszen közismert, hogy néhány évvel ezelőtt elkészültek az első, ilyen elven működő prototípusok (két modell jelent meg különféle kiállításokon). A cég azonban feltételezhetően nem volt elégedett az eredménnyel, ezért (most már tudjuk) tovább folytatta a fejlesztést, összekötve a fényforrás „megreformálásával” is (lézer). Az új reflektív LCD technológia különbözik az LCoS-tól és egyéb változataitól, legalábbis annyiban biztosan, hogy szílicium helyett kvarcot használ (Liquid Crystal on Quartz), így talán nem jogosulatlan az LCoQ elnevezés, bár lehet, hogy az Epson végül más nevet ad majd neki. Ez a technológia már meg is jelent az LS10000 és LS9600e lézerprojektorokban, amelyekről oldalunkon októberben hírt adtunk.

 

Azonban a transzmisszív 3LCD technológia fejlesztése sem állt meg, várhatóan még hosszú ideig az uralkodó technológia lesz bizonyos projektorszegmensekben, és az eladott darabszámot tekintve is. A kiforrott és nagy mennyiségben gyártott részegységek előállítása költséghatékony, ez az árakban is tükröződik, ugyanakkor az állandó innovációnak köszönhetően a korábban hátrányként emlegetett jellemzőket gyakorlatilag sikerült kiküszöbölni vagy minimálisra csökkenteni. Az Epson hosszú távú terveit nem ismerjük, de a fejlesztésben még biztosan vannak tartalékok. Az is elképzelhető - de ez már a találgatás kategóriájába tartozik -, hogy a 3LCD távolabbi jövője a fentebb említett LCoQ irányába fordul. 

 

Nagy Árpád