Két ok is indokolja, hogy behatóbban foglalkozzunk a projektorokban használt reflektív (fényvisszaverő) LCD működési elvével. Az egyik az, hogy bár ugyanúgy a folyadékkristály elektromos erőtérrel befolyásolt viselkedése a működés alapja, mint a transzmisszív (fényáteresztő) LCD esetében, mégis nagy eltérések vannak a projektorokban használt fénymodulátor felépítésében. A másik ok, hogy mind a történetileg első nagy fényerejű LCD projektor (ILA technológia) bemutatásakor, mind a ma egyre inkább terjedő, LCoS összefoglaló néven ismert digitális projektortechnológiák ismertetésekor erre az írásra hivatkozunk, mivel mindkettőben ezt az eszközt használják – némileg más kivitelben.
A transzmisszív LCD technológiát és az ilyen paneleket használó 3LCD projektorok működését részletesen ismertettük.
Csak emlékeztetjük rá olvasóinkat, hogy a transzmisszív LCD cella (pixel) mindkét oldalán fényáteresztő elektródákat találunk, és (mint a neve is mutatja) az egyik oldalon belépő modulálatlan fényt „áteresztve” pixelenként (poliszilícium vékonyréteg tranzisztorokkal vezérelve) modulálja a képtartalommal. Így a másik oldalán kilépő fény már tartalmazza a vetítendő képinformációt. A korábbi twisted nematic (TN) LCD viszonylag alacsony kontrasztjellemzőit a ma használatos vertical alignment (VA) elrendezéssel sikerült radikálisan javítani, azonban az egyes pixeleket vezérlő vékonyréteg tranzisztorok (TFT) a folyamatos méretcsökkentés ellenére elfoglalják a pixel felületének egy kis részét, határt szabva így a kitöltési tényező (hatásos apertúra) növelésének. Az átlátszatlan címző sor- és oszlopelektródák pedig bizonyos távolságból láthatóvá teszik a pixelstruktúrát. A pixeleket persze a többi „pixeles” technológiánál is el kell választani egymástól, tehát a struktúra láthatóvá válik, ha elég közelről vizsgáljuk a vetített felületet, de kisebb mértékben, mint a transzmisszív LCD technológia esetében.
Elsőre úgy gondolhatnánk, hogy a reflektív LCD csak kis mértékben különbözik a transzmisszív változattól: lényegében az egyik átlátszó elektródát egy visszaverő (tükröző) elektróda helyettesíti. Közelebbről nézve azonban lébyeges eltérések vannak az elrendezésben és a működésben is, nem beszélve a környező polarizáció-szeparáló optikai elemekről.
Előrebocsátjuk, hogy – ellentétben a transzmisszív LCD-vel – a reflektív LCD-t raszteres (nem-pixeles) képalkotáshoz is használták a nagyon ígéretes, de csak rövid életű ún. fotoaktivált folyadékkristályos fényszelepes (LCLV), más néven ILA (Image Light Amplifier) projektorokban. Manapság pedig pixeles felépítésben a reflektív LCD az igencsak sikeres LCoS (Liquid Crystal on Silicon) technológia különféle változataiban (D-ILA, SXRD, legújabban reflektív 3LCD néven) játszik alapvető szerepet.
A teljes reflektív LCD fénymodulátor eszköz és a címzési mód nagymértékben eltérő a raszteres, illetve a pixeles változat esetében. Erre a megfelelő technológiák ismertetésénél térünk ki, most viszont csak a transzmisszív és a reflektív LCD működése közötti elvi különbségeket próbáljuk világossá tenni.
A reflektív LCD sajátosságai
A közelebbi vizsgálatok azt igazolták, hogy ha a belépő polarizált fény „elcsavarására” (a polarízációs sík elforgatására) a transzmisszív LCD-nél megismert 90 fokos forgatást alkalmaznák a reflektív LCD-nél is, a fényt nem lehetne teljesen „kimodulálni”, ami a lehetséges fényerő csökkenéséhez vezetne. Az idők során az LCD kristályok többféle elrendezésével (alingment – beigazítás, illesztés az elektródák felületén) próbálkoztak, de a legsikeresebbnek végül is az ún. homeotróp illesztési mód bizonyult. Ez a molekulák kiinduló elrendezését illetően nagyon hasonlít a transzmisszív LCD esetében jóval később bevezetett vertical aligment (VA) módhoz (lásd az említett írást).
A folyadékkristály molekulák azonban a cella kikapcsolt állapotában nem pontosan merőlegesek a felső (átlátszó) és az alsó (tükröző) elektródára, hanem egészen kis mértékben megdőlnek, amit a beigazító réteg megfelelő kialakításával érnek el. (Ennek oka annak megelőzése, hogy az elektródák éleinél a molekulák kibillenjenek az irányukból.)
Ez a helyzet tehát elektromos erőtér hiányában, azaz alapállapotban.
Egy másik lényeges különbség a 90 fokos TN elrendezéshez képest, hogy a folyadékkristály dielektromos anizotrópiája negatív, így növekvő intenzitású elektromos tér (feszültség) hatására a molekulák hossztengelye az erőtér irányára merőleges irányba fordul be. Pontosabban, az elfordulás mértéke arányos a feszültség nagyságával.
A homeotróp illesztési mód sematikus szemléltetése. Az ábra bal oldali része mutatja az alapállapotot, amikor nincs feszültség a cellán, a jobb oldali része pedig mutatja a folyadékkristály molekulák elfordulását feszültség hatására (ábra: Larry J. Hornbeck)
Alapállapotban a beeső fény nem szenved kettős törést, a beesési síkra merőleges "S" síkpolarizált hullámösszetevő (s-wave) zavartalanul visszaverődik, és a beeséssel ellentétes irányban, az átlátszó elektródán keresztül kilép a kristályból. Ha azonban feszültséget kapcsolunk a cellára, a fent leírt molekulatengely-irányváltozás következménye, hogy a folyadékkristály törésmutatója már nem lesz irányfüggetlen, hanem érvényesül a kettős törés (birefrigence) jelensége. Ennek következtében pl. a beeső síkpolarizációjú hullám elliptikussá válik, azaz megjelenik a merőleges polarizációjú, ráadásul fázisban eltolt "P" összetevő (p-wave) is. „P” annál nagyobb lesz, minél nagyobb a cellára ható feszültség, és egy bizonyos maximális feszültségnél csak „P” hullám lép ki a cellából.
A „fényhasító” prizma
Eddig nem beszéltünk róla, hogy a reflektív cella – legyen az homeotróp vagy más módon kialakított folyadékkristály – kijelzőként való működtetéséhez szükség van egy ún. PBS (polarized beam splitter – polarizációs fényhasító) prizmára is. Ez az optikai elem egyrészt a beeső (már előzőleg polarizált) fényt képes szétválasztani „S” és „P”, egymásra merőleges síkpolarizált összetevőkre úgy, hogy az „S” összetevőt az LCD cella felé reflektálja, a „P” összetevőt pedig változatlan irányban átengedi (ez a továbbiakban nem hasznosul). Másrészt a tükörről viszaverődő, LCD cellával modulált fény "P" összetevőjét az objektív felé átereszti.
A fénymoduláció elve a reflektív LCD-vel. Feszültségmentes (Ki) állapotban a beeső „S” hullám visszaverődik a prizmára, onnan pedig a fényforrás felé. Ha a cellára feszültséget kapcsolunk, az elforduló molekulák az LCD-ben kettős törést okoznak, és a visszavert hullámban megjelenik a „P” összetevő is. Maximális kivezérlésnél (ezt az állapotot mutatja az ábra), csak „P” hullám lép ki, amelyet a prizma teljes mértékben átereszt – a fényerő maximális lesz. A köztes állapotokban is csak a változó nagyságú „P” hullám jut át a prizmán, az „S” hullám a fényforrás felé verődik vissza (ábra: Larry J. Hornbeck)
Mint látjuk, a reflektív LCD esetében a polárszűrő rétegek helyett a cella egyik oldalán visszaverő réteg (tükör) található, és a másik oldalon sincs közvetlenül a cellára épített polarizációs szűrő (a síkpolarizált fény előállítása még a prizma előtt megtörténik). A síkpolarizált hullám "S" és "P" összetevőinek szétválasztását a „fényhasító” prizma (PBS) végzi el, akárcsak a visszavert fény "P" össztevőjének áteresztését annak érdekében, hogy az objektív felé csak a képinformációt hordozó összetevő jusson tovább. Ennek intenzitása a vezérlő feszültséggel (videojellel) változtatható. Értelemszerűen az RGB additív színkeveréssel dolgozó eszközöknél a képmodulációnak minden alapszínre meg kell történnie. A színes képet vetítő projektorokban három reflektív LCD eszközre van szükség, általában három (más elrendezésben négy) PBS prizmával, továbbá az egyéb kiegészítő optikai elemekkel (lásd az LCoS technológiáról szóló írásunkat).
A reflektív LCD első gyakorlati felhasználása a vetítéstechnikában
Manapság már nem mindenki emlékszik arra, hogy a reflektív LCD-vel működő első projektort azért fejlesztették ki, hogy a korábban egyedüli nagyteljesítményű Eidophor elektronikus vetítő monstrumot (majd Talaria nevű utódát) egy könnyebben kezelhető, és korszerűbb elven működő projektorral helyettesítsék. Az Eidophorban a fénymoduláció egy vákuumcsőben elhelyezett olajfilm réteg elektronsugárral való deformálásával történt. Az elektronsugat a videojal vezérelte. Működését egy másik írásunkban fogjuk részletezni, most csak néhány hátrányát soroljuk fel: föleg az üzemeltetése körülményes (a vákuumot a csőben/csövekben a használat előtt elő kellett állítani, ami időigényes eljárás volt), a méretei és a tömege óriási volt stb.
Egyszóval a feladat egy olyan elektronikus vetítő kifejlesztése volt, amelynek üzemeltetése lényegesen egyszerűbb, a tömege és mérete lehetőleg kisebb, az előállítása pedig olcsóbb, mint az Eidophoré, ugyanakkor képes viszonylag nagy (10-12000 lumen) fényáram előállítására. Nos, ezt a projektort a Hughes Research Laboratories és a JVC cég közösen alkotta meg, és ILA projektor néven hozta ki a ’90-es évek elején, tehát nagyjából akkor, amikor az első – de más célra szánt, és jóval kisebb teljesítményű – transzmisszív LCD technikát használó projektorok megjelentek a kereskedelemben. Más kérdés, hogy a mozikban szánt 12000 lumenes ILA projektorok után kihoztak kb. 2000-6000 lumenes típusokat is, "asztali" kivitelben, kb. 150-170 kg tömeggel. Teljesítményben azonban AKKOR még ezek is messze felülmúlták a transzmisszív LCD-s projektorokat.
Az ILA jelentése Image Light Amplifier, amit közelítőleg "a kép fényerejét erősítő eszköznek" fordíthatnánk. Részletesebben arról van szó, hogy (fekete-fehér változatban) egy kis méretű képcső kis fényerejű, ámde nagy felbontású – ráadásul az infravörös tartományban megjelenített – képét egy reflektív LCD eszköz („ILA eszköz”), és természetesen egy erős fényforrás és kiegészítő optikai elemek segítségével nagy fényerejű, nagy méretben kivetíthető képpé alakították át. Az ILA eszköz eredeti neve a már említett fotoaktivált folyadékkristály fényszelep (LCLV – photoactivated liquid-crystal light valve). A színes vetítéshez három képcső és három ILA eszköz szükséges, a megfelelő optikai elemekkel kiegészítve. Bár elvileg a három alapszínű képet a projektorban egyesítve a vetítés egy objektívvel is lehetséges lett volna, az ILA vetítők - a CRT projektorokhoz hasonlóan - három objektívvel vetítettek. A fekete-fehér ILA projektor működési elvét a következő ábra mutatja:
A Hughes-JVC fejlesztésű ILA projektorokban a képcső képe egy fotokonduktív (fény hatására változó vezetőképességű) réteg vezérlésével modulálja a reflektív LCD eszközt, méghozzá nem pixelenként, hanem raszteresen, a képcsőben futó elektronsugár eltérítésének megfelelően. Az ábrán nincs feltüntetve az a megvilágító egységben található polárszűrő, amely a polarizálatlan fényből síkpolarizált fényt állít elő (ábra: Larry J. Hornbeck)
Magának a fotoaktivált folyadékkristály fényszelepnek a felépítését és működését az ILA projektortechnológiáról szóló írásban ismertetjük. Hangsúlyozzuk, hogy az ILA vetítőkben alkalmazott reflektív LCD eszköz a fénymodulátor EGYIK megvalósítása, amely nem pixeles struktúrájú, hiszen a megjelenítés raszteres, azaz vízszintesen nem rögzített felbontású (hasonlóan a hagyományos képcsövekhez). A ma használatos LCoS (D-ILA, SXRD) projektorokban más felépítésű, pixeles reflektív LCD fénymodulátorokat találunk, és a fotokonduktív rétegre sincs szükség, a fénymoduláció pixelenként, tranzisztorokkal történik.
Projektor.hu
