安防视频监控系统所采用的光阀投影显示器

光阀(Light Valve,LV)是一种在光路中起通断光路并对光路强行进行调制和放大的应用光电子器件。在投影显示技术中,光阀相当于一个图像亮度增强器,它利用微弱的图像信号输入改变器件的电光性能(如偏振、折射率等)或儿何微结构特性。外部读出光被光阀(反射或透射)作用后,再经投影物镜投影,最后在投影屏幕上得到与微弱输入图像结构相同,但强度和尺寸已得到增强放大的图像。

按照光阀的上述定义,光阀的基本结构由控制界面、变性/变形单元及相应附件组成。

根据变性/变形材料性质,光阀可以分为以下几类。

•变形介质膜光阀,如油膜光阀、压电陶瓷光阀、热塑光阀、弹性体光阀;

•电光晶体光阀;

•铁电陶瓷光阀;

•液晶光阀;

•变形金属膜光阀,如DMD光阀、镜振光阀、糟缝式光阀、栅状光阀。

目前商业化应用的投影显示光阀主要有数字微镜器件(DMD)光阀、液晶光阀(LCLV)和油膜光阀(OFLV)。DMD投影显示技术在前面已做了介绍,液晶光阀投影技术是主流技术之一,这里将对其结构、原理、应用及相关技术进行描述。

一、液晶光阀的结构与工作原理

液晶光阀投影技术是一种比较成熟的光阀投影技术,具有亮度高、色泽好的特点,加之良好的经济性能,使其在民用投影系统中得到了广泛的应用。液晶光阀器件利用液晶的扭曲r或超扭曲)向列效应对入射光(不是信号光)进行调制,实现对信号光的放大,得到高清晰度、大容量的信息输出。

(1)液晶光阀的结构。反射式液晶光阀的基本结构如图1所示,图中使用高清晰度的CRT作为图像信号源(也有使用LCD或其他显示器的)。

图1 液晶光阀结构示意图

由图1从右至左的顺序,液晶光阀的构成单元是:

①光纤导光面板。它由数以亿根像素光纤热压而成,图像可以从一端无失真地传输到另一端,且面板可保证良好的气密性。其主要作用是补偿输入图像的场曲、消除像散,保证图像满足分辨率的要求。

②透明电极。透明电极是一种ITO导电膜,两导电膜间加有一个数伏的直流驱动电压。

③光电导体层。光电导体层是由很薄的光电材料(如CdS)组成的光敏层。当有光照时,光敏层阻抗迅速下降,成为导体,否则阻抗很高,呈现绝缘体特征。利用该特征,可使上述驱动电压根据光信号变化,实现液晶层的光调制作用。

④挡光层和反射膜。挡光层实现信号光和读出光的隔离,以消除相互之间的干扰,而在其前面有反射读出光的介质高反射膜。

⑤液晶层。液晶层是一层厚度特别设计的液晶(如TN或STN液晶),该液晶层基于电光双折射和偏振原理,在驱动电压作用下,液晶分子能作45°扭曲。液晶层两边分别设有偏振片和检偏振片,读出光强经过时,将随液晶层两端施加电场变化而变化,此即液晶的光调制作用。此外,液晶层两边还设有匹配滤光片,以滤掉非期望波长的光。

液晶光阀结构的主要单元实际上由两部分组成,由光导层、光阻层组成的光敏层,以及由透明电极、液晶层、电介质反射镜组成的反射光调制层。

(2)液晶光阀的工作原理。对于向列型液晶,其分子排列取向有序,分子长轴近似平行,没有信号光或加在液晶层两边的平均电压值小于其电控双折射效应的阈值时,光导层处于高阻状态,这样液晶仅显示出扭曲效应。此时,入射线偏振光读出光垂直通过液晶,再经过介质反射镜反射出来时,线偏振光经过检偏器(或偏振滤光片)时被阻挡,相应的视场就呈现暗态:而当有信号光作用于光导层时,光导层呈现低阻态,电压经阻光层直接加在液晶单元上,液晶分子排列在垂直于电场方向产生变化。当电压足够大时,出射光相当于入射光的偏振方向附加旋转90°,相应的视场为亮态;当电压介于开启和关闭之间时,即可实现亮度调制。

根据上述原理,当写入信号光是呈一定亮度分布的图像时,相应的液晶透射率便与图像亮度相对应,当使用强光照射液晶层时,可得到与信号光亮度分布相同但强度已增强的图像,该图像经投影物镜投射在投影屏上,从而实现大屏幕投影。

二、液晶光阀投影显示系统

液晶光阀投影机是CRT投影机与液晶光阀相结合的产物,它采用CRT管和液晶光阀作为成像器件,信号光与投影光相分离,只要信号光的图像分辨率足够高,即使亮度不高,也可获得高亮度、高清晰度的投影画面。它很好地解决了传统CRT大屏幕投影显示时图像分辨率与亮度间的矛盾。由于投影光源采用外光源,也称为被动式投影方式。

目前,液晶光阀投影和DMD(也称为DLP)投影技术都是大屏幕投影显示的主流技术。液晶光阀大屏幕投影系统主要由3部分组成:光源(一般使用高亮度的高压显灯)、液晶光阀与CRT组元,以及投影物镜光路系统。

液晶光阀投影系统光路主要由聚光镜、分光板与投影物镜等组成,如图2所示。

图2 液晶光阀投影系统光路

在液晶光阀大屏幕投影系统中,液晶光阀起可控光开关作用。高清晰度CRT输出的图像信号,经像素光纤板传至液晶光阀的光敏层上,两透明电极上的直流电压经光敏层后形成与图像信号对应的分布电场,并加在液晶层的两边。使用外光源产生的准直强光束,通过液晶层并由内部的介质镜反射,再次通过液晶层射向投影物镜,投影物镜将其投射在屏幕上,从而获得强度和尺寸得到放大的与信号相似的图像。

液晶光阀还设计有特定的滤光片,以滤去其他方向的光线(或不需要的色光)。

由于液晶光阀投影是目前亮度、分辨率最高的投影技术之一,因而适用于环境光较强、面积较大的投影显示场合,目前广泛用于控制中心、电教中心、会议演示中心,以及各类民用场所。

三、液晶光阀投影与其他投影系统比较

液晶光阀投影系统与其他几种投影系统的比较如表1所示。

表1 LCLV投影系统同其他投影系统比较
指标 液晶光阀投影机 CRT投影机 液晶投影机 DLP投影机
亮度 最高
视频分辨率 一般
对比度 一般
RGB频宽 较宽 较宽
色彩 较好
使用维护 较好 较好
价格 较高
体积 较大 较小
适用环境 强光环境,会议中心 固定场所,会议中心 便携,小会议室 便携,小会议室
生产厂商
(品牌)
休斯、JVC、Barco、Ampro ECP、NEC、SONY、Barco NEC、EPSON、SHARP、HITACHI ECP、PROXIMA
 

值得说明的是,目前液晶光阀投影系统的图像写入器件除了CRT管外,也可以是液晶板。后者可以实现小型化,使系统结构更加紧凑,但原理上没有本质差别。在图像写入元件前都有一个固态图像光放大器(光阀),图像再经过光学镜头形成超高亮度、超高对比度、超高分辨率的高质量画面。

带有CRT管的液晶光阀投影技术,是目前大屏幕投影影像质量最高的一种投影技术,但存在体积较大、价格偏高和结构复杂不易维修的缺点。

 

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