ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ ЭКРАН
LIQUID-CRYSTAL PROJECTION SCREEN

Изобретение относится к устройствам визуализации изображения проекционного типа, а именно к жидкокристаллическим проекционным экранам, и может применяться в качестве главного экрана в различных устройствах визуализации изображения с источником когерентного света, таких как лазерные заднепроекционные телевизионные системы, мобильные устройства, и мультимедийные дисплейные системы.
В последнее время в связи с улучшением технологии производства мощных лазерных полупроводниковых диодов появилась возможность их использования в качестве источников света в заднепроекционных телевизионных системах. Однако применение источников света с достаточной когерентностью, таких как лазерные полупроводниковые диоды, влечет возникновение такого эффекта в визуализируемом изображении как спекл-структура. Спеклы ухудшают условия наблюдения изображения наблюдателем вследствие накладывания на изображение спекл-структуры, которая уменьшает контрастность изображения.
В настоящее время разработано множество конструкций проекционных экранов, которые позволяют уменьшить контраст спеклов.
Например, в патентной заявке США 2008/0117505 [1] описана конструкция антиспеклового лазерного заднепроекционного экрана (Фиг.1), в которой антиспекловый эффект достигают путем рассеяния лазерного луча за счет относительного перемещения элементов экрана. В частности, конструкция экрана спроектирована для получения двойного рассеяния за счет относительного перемещения элементов экрана при заднем проецировании в направлении просмотрового экрана и формировании лазером изображения, исходящего от источника лазерного изображения. Относительное перемещение производят с помощью электромеханической конструкции, находящейся между линзой Френеля и рамкой Френеля. Относительное перемещение представляет собой случайное и/или хаотическое неугловое относительное перемещение, которое включает в себя перемещение линзового элемента в боковом направлении в неограниченном числе направлений, с максимальным смещением порядка от 0,3 до 0,5 мм в каждом из направлений в своей плоскости. Недостаток данной конструкции заключается в необходимости создания электромеханической конструкции для механического перемещения элемента большого размера с большой частотой в двух измерениях, что увеличивает стоимость изготовления экрана и уменьшает надежность его работы.
Наиболее близким к заявленному изобретению является бесспекловый жидкокристаллический проекционный дисплей, описанный в патенте США №6,122,023 [2], который позволяет увеличить комфорт просмотра изображения для наблюдателя за счет подачи высокочастотного сигнала низкого напряжения в экран жидкокристаллического проекционного дисплея (Фиг.2). Таким образом, представленный в данной публикации экран жидкокристаллического проекционного дисплея находится в состоянии высокого рассеивания. При подаче низковольтного высокочастотного сигнала в экран жидкокристаллического проекционного дисплея молекулы жидкого кристалла немного вибрируют с частотой выше 60 Гц и, таким образом, происходит быстрое изменение спекл-структуры, при этом для глаза структура размывается, и он не видит спеклов. Применяемый жидкокристаллический материал с динамическим рассеянием может состоять либо из смектиков, либо из нематиков в виде полимерно-дисперсного жидкого кристалла (PDLC - polymer-dispersed liquid crystal). Жидкокристаллический экран содержит в своей конструкции стеклянные или пластиковые пластины, слои электропроводящего материала, такого как оксид индия-олова (ITO - indium-tin-oxide), полимерную пленку с присоединенным к ней жидкокристаллическим материалом или изготовленную таким образом, чтобы сформировать микрокапсуляцию множества молекул жидкого кристалла в сферах, и источник электроэнергии, который электрически соединен со слоями электропроводного материала для подачи напряжения во время работы дисплея. Недостаток прототипа заключается в сложности изготовления слоя полимерно-дисперсного жидкого кристалла большого размера, что увеличивает стоимость изготовления экрана, и в широком изменении диаграммы рассеяния экрана, что ухудшает качество изображения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать такую конструкцию жидкокристаллического проекционного экрана, который позволил бы формировать изображение лучшего качества с низким контрастом спекл-структуры.
Технический результат достигают путем создания жидкокристаллического проекционного экрана, содержащего жидкокристаллический материал, расположенный между двумя прозрачными пластинами, на которые с внутренней стороны нанесены слои прозрачного электропроводного материала, по меньшей мере, один рассеивающий слой, расположенный с внешней стороны прозрачной пластины, через которую свет выходит из экрана, а также источник напряжения, соединенный со слоями прозрачного электропроводного материала и выполненный с возможностью подачи на них напряжения с частотой более 60 Гц, при этом под действием подачи напряжения изменяется показатель преломления жидкокристаллического материала, и, как следствие, направление распространения луча внутри жидкокристаллического проекционного экрана, в результате за один цикл колебания напряжения возникает множество интерференционных картин в изображении, проецируемом через жидкокристаллический проекционный экран, причем в отсутствии напряжения на слоях электропроводного материала, показатель преломления жидкокристаллического материала совпадает с показателем преломления прозрачных пластин.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы электропроводный материал являлся оксидом индия и олова.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы жидкокристаллический материал являлся смектическим или нематическим жидкокристаллическим материалом.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы в отсутствии напряжения на слоях электропроводного материала обыкновенный и необыкновенный показатели преломления жидкокристаллического материала совпадали с обыкновенным и необыкновенным показателями преломления прозрачных пластин.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы первая прозрачная пластина, через которую свет входит в экран, была выполнена в виде линзы Френеля, при этом экран дополнительно содержал двумерную структуру, расположенную на внутренней поверхности второй пластины между ней и слоем электропроводящего материала.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы в отсутствии напряжения обыкновенный и необыкновенный показатели преломления жидкокристаллического материала совпадали с обыкновенным и необыкновенным показателями преломления двумерной структуры.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы первая прозрачная пластина, через которую свет входит в экран, была выполнена в виде линзы Френеля, при этом экран дополнительно содержал трехмерную структуру, расположенную на внутренней поверхности второй пластины между ней и слоем электропроводящего материала.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы ось жидкокристаллического материала была перпендикулярна поверхности экрана.
Для функционирования жидкокристаллического проекционного экрана имеет смысл, чтобы в отсутствии напряжения обыкновенный и необыкновенный показатели преломления жидкокристаллического материала совпадали с обыкновенным и необыкновенным показателями преломления трехмерной структуры.
Для лучшего понимания предложенного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Вид в перспективе, на котором представлены примеры конструкционных элементов экрана и конструкция моторного привода, предназначенного для формирования конструкции заднепроекционного экрана с относительным перемещением, и ортогональная векторная диаграмма, в общем отображающая формирование сил, создающих беспорядочное перемещение, согласно аналогу изобретения.
Фиг.2. Упрощенный вид в разрезе, на котором представлена часть экрана жидкокристаллического проекционного дисплея с жидкокристаллическим материалом, находящимся в сильно рассеивающем состоянии и под воздействием высокой частоты и низкого напряжения, согласно прототипу изобретения.
Фиг.3. Общая схема заднепроекционного дисплея с применением жидкокристаллического проекционного экрана согласно изобретению.
Фиг.4. Упрощенный вид в разрезе, на котором представлен первый вариант выполнения экрана жидкокристаллического проекционного экрана без линзы Френеля, согласно изобретению.
Фиг.5. Упрощенный вид в разрезе, на котором представлен второй вариант выполнения экрана жидкокристаллического проекционного экрана, в котором первая прозрачная пластина выполнена в виде линзы Френеля, а двумерная структура выполнена в виде призматического двумерного слоя, согласно изобретению.
Фиг.6. Упрощенный вид в разрезе, на котором представлен третий вариант выполнения экрана жидкокристаллического проекционного экрана, в котором первая прозрачная пластина выполнена в виде линзы Френеля, а двумерная структура выполнена в виде трехмерного слоя, согласно изобретению.
В общем случае представленный в настоящем изобретении жидкокристаллический экран содержит (Фиг.1): слой жидкокристаллического материала 1, прозрачные стеклянные или пластиковые пластины 2, 3, слои 4 прозрачного электропроводного материала, такие как оксид индия и олова или подобные, которые нанесены с внутренней стороны прозрачных пластин 2, 3, рассеивающий слой 5, расположенный с внешней стороны прозрачной пластины 3, через которую свет выходит из экрана, и источник электропитания, который электрически соединен со слоями 4 электропроводного материала для подачи напряжения во время работы устройства. Напряжение, создаваемое между слоями 4 электропроводного материала, способно изменить показатель преломления жидкокристаллического материала и, как следствие, данного изменения, поменять направление распространения света внутри него. Зависимость показателей преломления от поданного напряжения описывается следующим выражением:
e
0
n-n=p·E,
0
где n - показатель преломления обыкновенной волны,
е
n - показатель преломления необыкновенной волны,
p - константа,
E - напряженность электрического поля.
Затем свет в другом состоянии поляризации пересекает рассеивающий слой в другом месте, что изменяет интерференционную картину преломленного света и, таким образом, уменьшает спекловый эффект в генерируемом дисплеем изображении (эквивалентно эффекту, достигаемому при перемещении рассеивателя, но без его перемещения). Если частота подаваемого напряжения больше 60 Гц, человеческий глаз усреднит эффект спекл-структуры в визуализируемом изображении, при этом произойдут размытие и уменьшение контраста спеклов.
Предложенный жидкокристаллический проекционный экран может применяться в заднепроекционных дисплеях на основе лазеров и быть практически полезным для уменьшения спеклов в изображении, наблюдаемом пользователем. Рассмотрим пример проекционной дисплейной системы с использованием предложенного жидкокристаллического проекционного экрана (Фиг.3). Заднепроекционная дисплейная система содержит проектор изображения, который проецирует изображение на заднюю сторону экрана. Изображение проходит через элементы экрана таким образом, что наблюдатель, находящийся на расстоянии от экрана, может видеть изображение, проецируемое через элементы экрана. Проектор изображения может быть основан на следующих технологиях: (LCD) жидкокристаллический дисплей, (DPL - digital light processing) модулятор цифровой обработки света и модулятор сканированного изображения.
В предпочтительном варианте выполнения предложенного изобретения (Фиг.4) уменьшающая спеклы конструкция экрана содержит пластины 1, 3, в общем случае выполненные из стекла или пластика, на которых сформированы слои 4 электропроводного материала, такого как оксид индия и олова или подобного ему, и слой жидкокристаллического материала 1, который имеет тот же показатель преломления, что и пластины 1, 3 без приложенного напряжения, а также рассеивающий слой 5. Лучи света преломляются на границе между двумя материалами с различными показателями преломления в соответствии с основным законом преломления:
1
2
n·Sin(σ)=n·Sin(σ'),
1
где n - показатель преломления первой среды,
σ - угол падения (между лучом и нормалью к поверхности) для входящего луча,
2
n - показатель преломления второй среды,
σ' - угол преломления выходного луча (между лучом и нормалью к поверхности).
Когда жидкокристаллический материал 1 находится под воздействием напряжения, приложенного между слоями 4 электропроводного материала, необычный показатель преломления жидкокристаллического материала 1 меняется, и лучи преломляются под другим углом. В итоге точка пересечения лучей с рассеивающим слоем 5 сдвигается. В результате интерференционная картина, которую видит наблюдатель в визуализируемом изображении, меняется. Если данное изменение происходит с частотой более 60 Гц, то спекл-структура в визуализируемом изображении будет казаться размытой и уменьшится контрастность спеклов. Сдвиг лучей, возникающий вследствие разности показателей преломления, даже в случае отсутствия электрического напряжения между слоями 4 электропроводящего материала, описывается выражением:
где d - толщина жидкокристаллического материала 1,
1
n - показатель преломления первой пластины 2 (необыкновенный),
σ - угол падения (между лучом и нормалью к поверхности) для входящего луча,
2
n - показатель преломления жидкокристаллического материала 1.
Необходимо заметить, что в данном случае направление оптической оси жидкокристаллического материала 1 и лучей в различных частях экрана будет разным, и лучи при прохождении через структуру экрана будут претерпевать поляризационное расщепление.
Во втором варианте выполнения предложенного изобретения (Фиг.5) первая прозрачная пластина 2, через которую свет входит в экран, выполнена в виде линзы Френеля. В этом случае главный луч всех преломленных пучков перпендикулярен выходной поверхности первой прозрачной пластины 2. Во втором варианте выполнения экран дополнительно содержит двумерную структуру 6 (которая может быть выполнена в виде призм с треугольным сечением), расположенную на внутренней поверхности второй пластины 3 между ней и слоем 2 электропроводящего материала, при этом показатель преломления жидкокристаллического материала 1 совпадает с показателем преломления преломляющей структуры 6 в отсутствие напряжения.
p
Во втором варианте выполнения предложенного жидкокристаллического проекционного экрана главные лучи, которые поступают в экран от проектора изображения, преломляются на Френелевской поверхности прозрачной пластины 2 и затем распространяются в направлении, ортогональном поверхности экрана в жидкокристаллическом материале 1. В отсутствии напряжения, когда показатель преломления жидкокристаллического материала 1 совпадает с показателем преломления двухмерной структуры 6, лучи следуют прямо без изменения направления распространения. Когда жидкокристаллический материал 1 находится под действием напряжения, приложенного между слоями 4 электропроводного материала, необыкновенный показатель преломления жидкокристаллического материала меняется, и лучи с одним состоянием поляризации преломляются под углом, который в основном зависит от угла α падения лучей на элементы двухмерной структуры 6. Сдвиг точки пересечения луча с внутренней поверхностью второй пластины 3 зависит от толщины d двухмерной структуры 6 в точке пересечения с координатой х согласно функции координаты d(x). Один или более раз лучи преломляются на внутренней поверхности второй пластины 3 с толщиной d и затем распространяются в новом направлении. Полный сдвиг лучей в рассеивающем слое 5 может быть описан выражением:
где d(x) - толщина профиля двумерной структуры 6 в точке пересечения с лучами,
1
n - показатель преломления (необыкновенный) жидкокристаллического
материала 1,
σ=α - угол между лучом и нормалью к поверхности двумерной структуры, примыкающей к слою 4 электропроводного материала,
2
n - показатель преломления двумерной структуры 6,
p
d - толщина второй пластины 3,
3
n - показатель преломления второй пластины 3.
Необходимо заметить, что в данном случае возникает возможность сориентировать оптическую ось жидкокристаллического материала 1 в направлении, перпендикулярном его входной поверхности, и тогда на пути следования лучи не будут претерпевать разделения поляризации и изменения направления в случае отсутствия напряжения между слоями 4 электропроводного материала. Кроме того, применение двухмерной структуры 6 дает дополнительный угол между входными лучами и нормалью к поверхности, что увеличивает угол преломления, и в итоге сдвиг лучей на рассеивающем слое 5.
В третьем варианте выполнения предложенного изобретения (Фиг.6) первая прозрачная пластина 2 имеет Френелевую структуру. В этом случае главные лучи всех преломленных пучков перпендикулярны внутренней (выходной) поверхности первой пластины 2. Уменьшающая спеклы конструкция экрана дополнительно содержит трехмерную структуру 7, расположенную на внутренней поверхности второй пластины 3 между ней и слоем 2 электропроводящего материала, при этом показатель преломления жидкокристаллического материала 1 совпадает с показателем преломления трехмерной преломляющей структуры 7 в отсутствии напряжения.
p
Главные лучи, которые поступают в экран от проектора изображения, преломляются на Френелевой поверхности первой пластины 2 и затем распространяются в направлении, ортогональном поверхности экрана в жидкокристаллическом материале 1. В отсутствии напряжения, когда показатель преломления жидкокристаллической материала 1 совпадает с показателем преломления трехмерной структуры 7, лучи следуют прямо без изменения направления распространения. Когда жидкокристаллический материал 1 находится под действием электрического напряжения, приложенного между слоями 4 электропроводного материала, необычный показатель преломления жидкокристаллического материала 1 меняется, и лучи с одним состоянием поляризации преломляются под углом, который в основном зависит от угла α падения лучей на элементы трехмерной структуры 7. Сдвиг точки пересечения луча с выходной (примыкающей к второй пластине 3) поверхностью трехмерной структуры 7 также зависит от толщины d трехмерной структуры 7 в точке пересечения с координатами x, y согласно функции координат d (x, y). Один или более раз лучи преломляются на внутренней поверхности второй пластины 3 с толщиной d и затем распространяются в новом направлении. Полный сдвиг лучей в рассеивающем слое 5 может быть описан выражением:
Необходимо заметить, что в данном случае возникает возможность сориентировать оптическую ось жидкокристаллического материала 1 в направлении, перпендикулярном его входной поверхности, и тогда на пути следования лучи не будут претерпевать разделения поляризации и изменения направления в случае отсутствия напряжения между слоями 4 электропроводного материала. Кроме того, применение трехмерной структуры 7 дает дополнительный угол между входными лучами и нормалью к поверхности, что увеличивает угол преломления и в итоге сдвиг лучей в рассеивающем слое 5.
Таким образом, техническая проблема решена за счет уменьшения диаграммы рассеяния, что достигается путем создания конструкции, содержащей жидкокристаллический материал, находящийся под воздействием переменного высокочастотного напряжения, расположенный между двумя прозрачными пластинами (причем в отсутствии напряжения показатель преломления жидкокристаллического материала совпадает с показателем преломления прозрачных пластин), и дополнения данной конструкции различными экранными структурами, дополнительно уменьшающими изменение диаграммы рассеяния, при этом предложенная конструкция имеет меньшую стоимость изготовления и увеличенную надежность за счет отсутствия в конструкции экрана движущихся элементов и применения обычного жидкокристаллического материала вместо дорогостоящего полимерно-дисперсного жидкокристаллического материала.
Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.