• Leonardo Ritter

Óptica - Como funcionam os projetores 3LCD

Atualizado: Ago 1


Logomarca da 3LCD

Imagem 1 - Logotipo do consórcio 3LCD


Com a evolução da tecnologia, os projetores com chip DMD passaram a ser uma alternativa mais barata e com menos qualidade, pois chegou ao mercado a tecnologia 3LCD. Caso você não tenha lido sobre projetores DMD, aconselho você a ler, basta acessar o artigo CLICANDO AQUI!

Criada pela Epson nos anos 1980, a tecnologia 3LCD começou a ser comercializada em 1989. Após alguns anos, um consórcio foi criado e várias fabricantes de projetores puderam utilizar a tecnologia sem a necessidade de pagar royalties pra Epson. Esse consórcio é chamado de 3LCD.


Mas por que este nome "3LCD"?

LCD vem de "Liquid Crystal Display" (Tela de Cristal Líquido) e o número 3 é utilizado para lembrar a quantidade de telas LCD utilizadas para a formação da imagem. Isso mesmo: três telas dentro de um projetor!

Telas LCD utilizam o sistema de geração de cores RGB (Red / Green / Blue - Vermelho / Verde / Azul). Ao invés de utilizar três subpixels (um verde, um vermelho e um azul) para cada pixel, foi optado por deixar cada pixel com apenas um subpixel e assim criar 3 telas LCD diferentes, uma para tratar a cor verde (com filtros verdes), a outra para tratar a cor azul (com filtros azuis) e a outra para tratar a cor vermelha (com filtros vermelhos). Isso fez com que a complexidade do circuito TFT (Thin Film Transistor) da tela diminuísse bastante e assim pudessem ser feitas telas LCD de altíssima resolução e com menos de uma polegada.

Abaixo, você vê a imagem de duas telas utilizadas nesses projetores:

Telas 3LCD

Imagem 2 - As pequenas telas LCD que compõem um projetor


Perceba que há uma fita dourada saindo do chip de geração de imagem. Esta fita possui centenas de trilhas de cobre que são ligadas ao controlador de vídeo do projetor.

Um simples chip deste pode ter resolução de 1920x1080 pixels, totalizando 2.073.600 pontos de luz. Já há no mercado projetores com resolução 4K (3840x2160 pixels), o que significa 4 vezes a resolução Full HD, só que estes são aparelhos ainda mais caros devido ao nível de complexidade do circuito controlador e dos displays LCD.


TFT HTPS


O circuito TFT possui arquitetura similar ao das telas LCD comuns, só que utilizando a tecnologia HTPS. Se você não leu o artigo sobre o funcionamento de telas LCD, recomendo a leitura, basta CLICAR AQUI!

Para nos recordarmos:

"-> HTPS: Significa High Temperature Poly-Silicon, ou em Português, Silício Policristalino de Alta Temperatura. Possui uma temperatura de fabricação mais alta que o LTPS, o que altera mais ainda as características elétricas. Esta tecnologia tem especificações melhores que o LTPS (...)"

Devido ao tamanho do chip LCD e ao grandioso circuito interno, o método e a temperatura utilizada no processo de fabricação torna as características estruturais e elétricas do circuito TFT perfeitas para chips LCD.


Tecnologia MLA


Outra tecnologia implementada nos projetores 3LCD é a MLA, sigla para "Micro Lens Array", ou em bom português "Matriz de Micro Lentes".

Os painéis LCD possuem áreas transparentes (aberturas) e áreas à prova de luz nos locais do circuito TFT. A tecnologia MLA concentra a luz na abertura, de forma a permitir a entrada do máximo possível de luz no painel. Isso reforçou o brilho da imagem emitida por um bloco óptico 3LCD.

Veja a imagem abaixo para entender melhor o funcionamento do MLA:

Imagem 3 - Funcionamento da tecnologia MLA


Mas o que seriam as aberturas e as áreas à prova de luz?


Relação de Abertura

Consiste numa relação entre a área transparente (excluindo a área de conexões elétricas do pixel e a área de circuito TFT, com os transistores, eletrodos e capacitores - normalmente referida como uma matriz preta, sendo à prova de luz) e a área total de pixels. À medida que a relação de área aberta aumenta, a luz penetra com maior eficácia. Utilizando a tecnologia de fabricação com HTPS se otimiza a concepção dos componentes e conexões do circuito TFT para melhorar a relação de área aberta, reduzindo a área de matriz preta e, consequentemente, aumentando a luminosidade do projetor. Por exemplo, a relação de abertura foi reforçada em mais de 10% com a resolução XGA (1024 x 768 pixeis) num chip LCD de 0,7 polegadas. Veja a imagem abaixo:

Imagem 4 - Relação de abertura de uma tela LCD


Vidro à prova de poeiras


Um vidro está fixo em cada pequeno painel LCD para evitar a ocorrência de danos em sua superfície, bem como a aderência de poeiras. Não é visível a existência de poeiras no vidro à prova de poeiras uma vez que ele se encontra fora do alcance do foco quando a imagem é projetada, ou seja, ele não faz milagres, apenas desfoca a sujeira. Veja a imagem abaixo:

Imagem 5 - Funcionamento do vidro à prova de poeiras


O bloco óptico do projetor é formado por vários componentes, e os principais utilizados são listados no vídeo abaixo:

Vídeo do canal Hardware Central sobre o bloco óptico do projetor 3LCD


A base para a geração das cores é, como sempre, uma luz branca gerada a partir de uma lâmpada de Mercúrio. A lente integradora tem a utilidade de distribuir a luz de forma mais uniforme nas telas e assim melhorar o brilho da imagem. Veja mais sobre estes dois componentes na sequência do texto.


A Lâmpada


A seguir, você vê a imagem de uma lâmpada de Mercúrio utilizada em projetores 3LCD:

Lâmpada de projetor 3LCD

Imagem 6 - Lâmpada de um projetor 3LCD


Para saber mais sobre as lâmpadas fluorescentes, leia os seguintes artigos:


-> Óptica - Lâmpadas à descarga;

-> Óptica - Lâmpadas a descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio ou vapor de Sódio;

-> Óptica - Lâmpadas a descarga de alta pressão com vapor de Mercúrio ou Vapor de Sódio;

-> Óptica - Os circuitos que fazem as lâmpadas fluorescentes funcionarem.


Lente Integradora


Perceba que, no vídeo linkado acima é mostrado uma animação sobre o funcionamento da lente integradora, que faz uma melhor distribuição da luz branca emitida pela lâmpada e assim torna a iluminação dos chips LCD mais uniforme. Podemos comparar a lente integradora ao difusor de luz montado por cima do backlight de LEDs ou lâmpadas fluorescentes de uma TV ou Monitor LCD.

Observe a imagem abaixo:

Imagem 7 - Funcionamento da lente integradora


CURIOSIDADE: A Lente integradora pode ser descrita como uma espécie de Grade de Difração. Para saber mais sobre o efeito de Difração de ondas, CLIQUE AQUI!


Agora, observe os dois gráficos de distribuição de luz:

Gráfico 1 - Distribuição de luz numa projeção


Comutador de Polarização


Junto da lente integradora há o chamado "Comutador de Polarização". Embora a lâmpada emita ondas luminosas com várias orientações, os chips LCD transmitem apenas ondas longitudinais. O Comutador de Polarização converte as várias orientações de ondas em ondas longitudinais de modo que a luz possa penetrar o máximo possível através dos pequeninos ecrãs LCD. Esta tecnologia reforçou o brilho cerca 1,5 vezes.

Veja a imagem abaixo:

Imagem 8 - Funcionamento do Comutador de Polarização


Espelhos Dicróicos


O espelhos dicroicos servem para dividir a luz branca nas três cores primárias (verde, vermelho e azul):

-> O espelho associado ao chip LCD com filtros vermelhos é feito de um material que só deixa passar o comprimento de onda eletromagnético da luz vermelha, e reflete o restante das ondas para outro espelho dicroico.

-> Este segundo espelho faz o contrário: o comprimento de onda da luz verde é refletido para o chip LCD com filtros verdes, e a luz que não for refletida vai ser direcionado para o chip LCD com filtros azuis.

Veja o diagrama abaixo:

Diagrama 1 - Distribuição da luz num bloco óptico 3LCD


Você pode ver o labirinto de luz dentro do bloco óptico no vídeo anexado acima, e assim entenderá que a luz branca é formada por todas as outras cores do espectro visível e o que o espelho dicroico faz é separa-las nas cores do sistema RGB (verde, vermelho e azul) e direciona-las para os respectivos chips LCD que "controlam" a passagem da luz.

OBSERVAÇÃO: Lembrando que, no vídeo acima colocamos apenas flechas brancas mostrando as direções em que a luz vai até incidir nos displays LCD, bem como um ponto verde, um vermelho e um azul marcando simbolicamente cada chip LCD.


Prisma Dicróico


Após a luz passar pelas telas LCD, uma imagem unicolor é moldada em cada tela. As três imagens geradas são mescladas no prisma dicroico e direcionadas para o conjunto de lentes que a projeta. Para saber mais sobre prismas e prismas dicroicos, CLIQUE AQUI!

Observe a imagem abaixo:

Imagem 9 - Como funciona o Prisma Dicróico dos blocos ópticos 3LCD


O bloco com as três telas LCD e o prisma dicroico é mostrado abaixo:

Imagem 10 - Bloco com as 3 telas LCD de um projetor Sony


Na frente do Prisma Dicróico está disposto um avantajado conjunto de lentes para que a imagem gerada seja projetada. Veja alguns detalhes sobre elas no texto abaixo.


Sobre o valor da lente


Neste tipo de projetor não são só utilizadas lentes de projeção como várias outras. Um dos parâmetros essenciais no conjunto de lentes utilizado é o "valor F”, que consiste num cociente do comprimento focal de uma lente dividido pelo diâmetro.


Valor F = Comprimento focal / Diâmetro de uma lente


Assim como no valor F do diafragma de uma câmera, nos projetores 3LCD ele apresenta o brilho de uma lente e constitui um valor essencial para o design óptico. À medida que o valor de F diminui, verifica-se uma maior concentração da luz e a imagem fica mais brilhante, mas as aberrações periféricas (por exemplo, a distorção da imagem) ficam também maiores. À medida que o valor de F aumenta, verifica-se uma deterioração do brilho, mas os painéis obtêm mais luz incidente paralela.


Complemento 1 - Brilho x Qualidade da imagem


Para saber mais sobre o Valor F, sobre lentes convergentes, divergentes, côncavas, convexas e muito mais, CLIQUE AQUI!

A placa controladora, assim como outros dispositivos, possui uma memória RAM para armazenar informações temporariamente, um firmware gravado em um chip de memória ROM e um processador de sinais digitais (DSP - Digital Signal Processor), que recebe os dados provenientes das interfaces de vídeo (VGA, HDMI, DVI, DisplayPort, S-Vídeo e etc) e os processa. Os sinais processados pelo DSP são enviados para um outro circuito através de uma interface FPD-Link, que é baseada na sinalização LVDS (Low Voltage Differential Signal - Sinal Diferencial de Baixa Tensão). Este outro circuito distribui os sinais para as telas LCD e é aí que ocorre, de acordo com os sinais elétricos, a ativação e desativação de cada pixel de cada um dos três displays, resultando em imagens.

Para saber mais sobre a sinalização LVDS e suas utilidades, CLIQUE AQUI!

Uma outra tecnologia utilizada em projetores é a LCoS (Liquid Crystal On Silicon). De forma grosseira, esta tecnologia é a mistura entre um chip DMD e um chip LCD TFT (também feito com a tecnologia HTPS). Como assim?


Um chip LCD é fixado sobre um espelho. A luz que é jogada sobre o espelho é refletida, e quem controla essa passagem de luz é o display LCD que está sobre o espelho. Não são os micro espelhos do chip, mas sim a tela LCD que controla a reflexão de luz através de sinais elétricos aplicados nos pixels, fazendo com que eles deixem passar ou não a luz.

Uma luz branca também deve ser criada para ser decomposta nas três cores do sistema RGB, ou seja, a única mudança é nos chips LCD TFT, que são montados sobre um circuito de micro espelhos, bem como a organização dos espelhos dicroicos que separam as cores e as refletem para o seu respectivo chip de tratamento de luz. Veja o diagrama abaixo:

Diagrama 2 - Como funciona um Bloco Óptico LCoS


De maneira mais detalhada, num painel LCoS há uma grande matriz de eletrodos de Alumínio reflexivos quadrados montados logo abaixo da superfície do chip, cada um representando um pixel. Por exemplo, um chip com resolução XGA terá uma matriz de 1024x768 eletrodos de Alumínio, cada um endereçável de forma independente.

Os chips LCoS comumente possuem cerca de 1 a 3 centímetros quadrados e cerca de 2 mm de espessura, com densidade de pixel tão pequena quanto 2,79 μm. Uma linha comum para todos os pixels é fornecida por uma camada condutora transparente feita de Óxido de Índio e Estanho na superfície de vidro. Esta matriz de pontos reflexivos é análoga à um chip DMD utilizado em projetores DLP.

Por cima desta matriz de pontos reflexivos, uma cortina de cristal líquido controlada por um circuito TFT HTPS é montada. Esta cortina possui uma matriz de pixels com a mesma resolução da matriz de eletrodos.

Assim como num projetor 3LCD, cada pequeno display trata de uma das três cores do sistema RGB, portanto, num projetor que emprega esta tecnologia, temos um chip LCoS para tratar a componente Vermelha, outro para tratar a componente Verde e outro para tratar a componente Azul. Desta forma, três bases monocromáticas da imagem são formadas e mescladas num Prisma Dicróico, formando o frame colorido, sendo então direcionado pro conjunto de lentes de projeção.


CURIOSIDADE: Perceba que estes chips LCoS são pequenas telas LCD reflexivas, diferente dos projetores 3LCD e monitores e TVs LCD, que utilizam painéis LCD transmissivos. Painéis LCD transmissivos são aqueles em que a luz do backlight atravessa o display. Painéis LCD reflexivos são aqueles em que a luz do backlight não atravessa o display, isto é, pelo mesmo lado em que a luz entra ela também sai.


Observe o Diagrama 2 e perceba que não há a decomposição da luz branca que incide em cada chip LCoS, apenas seu direcionamento e distribuição igualitária através de Espelhos e Prismas.

Cada chip LCoS possui um conjunto de dois Prismas (denominados PBS) instalados em sua parte superior. A luz branca que incide no PBS sofre um desvio de 90° para atingir a matriz de espelhos, porém a luz modulada pelo cristal líquido e filtrada pelos filtros de cores não sofre desvio e segue em linha reta para o Prisma Dicróico.


CURIOSIDADE: Um chip LCoS também pode ser chamado de "Modulador de Luz Espacial", sendo que foi a General Electric que demonstrou pela primeira vez um display LCoS de baixa resolução no final dos anos 1970.


Existem Projetores LCoS que empregam apenas um chip, fazendo com que a luz branca tenha que ser decomposta nas componentes RGB através de um Prisma Rotativo, que nada mais é do que um Color Wheel daqueles utilizados em projetores DLP.


Projetores com a tecnologia LCOS são extremamente caros devido a sua capacidade de gerar imagens com qualidade maior, pois integram o que há de melhor na tecnologia DLP de projetores com chip DMD e da tecnologia 3LCD.

As telas LCD possuem a vantagem de reproduzir imagens mais nítidas com cores mais vivas e um contraste muito bom se comparado com a tecnologia DLP, que já é mais primitiva e atualmente é utilizada apenas em projetores baratos.

Cada modelo de projetor tem seus componentes específicos, ou seja, caso um lâmpada queime, por exemplo, somente a substituição por uma original vai fazer o projetor reproduzir imagem com o máximo de qualidade. Uma lâmpada não original pode precisar de mais energia para funcionar ou não ter um brilho equivalente, enfim, não existe padronização de componentes em projetores. As empresas só utilizam a mesma tecnologia para criar os aparelhos.

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FONTES e CRÉDITOS

Texto, imagens e vídeo: Leonardo Ritter

Fontes: 3LCD.com; Wikipédia (somente artigos com fontes verificadas!); TecMundo.

Última atualização: 25 de Julho de 2021.

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