Цифровое микрозеркальное устройство

Цифровое микрозеркальное устройство , или DMD , представляет собой микрооптоэлектромеханическую систему (MOEMS), которая является основой проекционной технологии Digital Light Processing (DLP), зарегистрированной под торговой маркой, от Texas Instruments (TI). DMD компании Texas Instruments был создан физиком твердого тела и почетным научным сотрудником TI доктором Ларри Хорнбеком в 1987 году. ^[1] Однако эта технология восходит к 1973 году, когда Харви К. Натансон (изобретатель МЭМС около 1965 года) использовал миллионы микроскопически маленьких движущихся зеркал для создания видеодисплея того типа, который сейчас используется в цифровых проекторах. ^[2]

История

Проект DMD начался с создания деформируемого зеркального устройства в 1977 году с использованием микромеханических аналоговых модуляторов света. Первым аналоговым продуктом DMD был принтер для авиабилетов TI DMD2000, в котором вместо лазерного сканера использовался DMD. ^[3]

Строительство и использование

Чип DMD имеет на своей поверхности несколько сотен тысяч микроскопических зеркал, расположенных в виде прямоугольной матрицы , соответствующей пикселям отображаемого изображения. Зеркала и поддерживающие механические конструкции изготовлены с использованием поверхностной микрообработки . ^[4] Зеркала можно индивидуально поворачивать на ±10–12° во включенное или выключенное состояние. Во включенном состоянии свет лампы проектора отражается в линзу, благодаря чему пиксель на экране выглядит ярким. В выключенном состоянии свет направляется в другое место (обычно на радиатор ), в результате чего пиксель кажется темным. Для создания оттенков серого зеркало очень быстро включается и выключается, а соотношение времени включения и времени выключения определяет создаваемый оттенок (двоичная широтно-импульсная модуляция ). ^[5] Современные чипы DMD могут воспроизводить до 1024 оттенков серого (10 бит). ^[6] См. «Цифровая обработка света» , где обсуждается, как создаются цветные изображения в системах на основе DMD.

Сами зеркала изготовлены из алюминия и имеют диаметр около 16 микрометров. Каждое зеркало установлено на хомуте, который, в свою очередь, соединен с двумя опорными стойками с помощью торсионных шарниров . В шарнире этого типа ось фиксируется с обоих концов и закручивается посередине. Из-за небольшого масштаба усталость шарниров не является проблемой, и испытания показали, что даже 1 триллион (10 ¹²) операции не наносят заметных повреждений. Испытания также показали, что петли не могут быть повреждены обычными ударами и вибрациями, поскольку они поглощаются надстройкой DMD. ^[7]

Две пары электродов контролируют положение зеркала за счет электростатического притяжения. Каждая пара имеет по одному электроду с каждой стороны шарнира, причем одна из пар расположена так, чтобы воздействовать на ярмо, а другая - непосредственно на зеркало. В большинстве случаев одинаковые заряды смещения прикладываются к обеим сторонам одновременно. Вместо того, чтобы перевернуть зеркало в центральное положение, как можно было бы ожидать, оно фактически удерживает зеркало в его текущем положении. Это связано с тем, что сила притяжения на стороне, к которой зеркало уже наклонено, больше, поскольку эта сторона находится ближе к электродам. ^[8]

Для перемещения зеркал необходимое состояние сначала загружается в ячейку SRAM , расположенную под каждым пикселем, которая также связана с электродами. После того, как все ячейки SRAM загружены, напряжение смещения снимается, позволяя зарядам ячейки SRAM преобладать, перемещая зеркало. Когда смещение восстанавливается, зеркало снова удерживается на месте, и в ячейку памяти можно загрузить следующее необходимое движение.

Система смещения используется потому, что она снижает уровни напряжения, необходимые для адресации пикселей, так что они могут управляться непосредственно из ячейки SRAM, а также потому, что напряжение смещения можно снять одновременно для всего чипа, поэтому каждое зеркало перемещается. в тот же момент. Преимуществами последнего являются более точный расчет времени и более кинематографичное движущееся изображение .

Описанный тип неисправности вызван внутренним загрязнением, обычно из-за разрушения уплотнения, вызывающего коррозию опор зеркала.Связанным с этим отказом стал клей, использовавшийся в период с 2007 по 2013 год, под воздействием которого тепло и свет разлагаются и выделяют газы: обычно это вызывает запотевание.внутри стекла и, в конечном итоге, белые/черные пиксели.Обычно это невозможно исправить, но неисправные чипы DMD иногда можно использовать для менее важных проектов, не требующих быстрого изменения шаблонов, если существующие плохие пиксели можно сделать частью проецируемого изображения или нанести на карту иным образом, включая 3D-сканирование. ^[9]

Приложения

Ссылки

^ «Ларри Хорнбек, Цифровое микрозеркальное устройство, патент США № 5 061 049, введен в должность в 2009 году». Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine , «Национальный зал славы изобретателей».
^ Патент США 3746911 , Натансон и др., «Электростатически отклоняемые световые клапаны для проекционных дисплеев», выдан 17 июля 1973 г.
^ Джонсон, Р. Колин (29 января 2007 г.). «Сотрудник TI по DLP: Мы сделали это с помощью зеркал» . ЭЭ Таймс . Проверено 29 мая 2021 г.
^ Сасаки, М. (2021). Микрообработка металлических поверхностей. М. Эсаши (ред.) «3D и схемная интеграция МЭМС». https://doi.org/10.1002/9783527823239.ch6
^ Бреннешольц, Мэтью; Ступп, Эдвард Х. (15 сентября 2008 г.). «Глава 5 Микроэлектромеханические устройства» . Проекционные дисплеи . Джон Уайли и сыновья. стр. 57–69. ISBN 978-0-470-77091-7 .
^ Акриде, Майк; Батлер, Тим Дж.; Мосс, Грэм Х. (1 августа 1999 г.). «Цифровое микрозеркало дает яркую палитру цветов» . Мир лазерного фокуса . Проверено 7 июня 2021 г.
^ Дуглас, MR (1998). «Оценки срока службы и уникальные механизмы отказа цифрового микрозеркального устройства (DMD)». Материалы 36-го ежегодного международного симпозиума по физике надежности IEEE 1998 г. (PDF) . стр. 9–16. дои : 10.1109/RELPHY.1998.670436 . ISBN 0-7803-4400-6 . S2CID 33779816 .
^ Хоренштейн, Марк Н.; Паппас, Сет; Фишов, Асаф; Бифано, Томас Г. (2002). «Электростатические микрозеркала для субапертуры в системе адаптивной оптики» (PDF) . Журнал электростатики . 54 (3–4): 321–332. дои : 10.1016/S0304-3886(01)00159-0 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2021 г. Проверено 29 мая 2021 г.
^ Ширмер, Эрик. «Объяснение неисправности чипа DLP: белые точки и белая дымка?» . Продукты DLP® — форум продуктов DLP . Техас Инструментс Инк . Проверено 19 декабря 2019 г.
^ «Фирма Plano Cinema откроет кинотеатр с цифровой проекцией и закусками самообслуживания» . Техасский бизнес . ООО «Олд Мескит». 25 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 26 января 2012 г. Проверено 24 октября 2011 г.
^ Баррето, Рауль (13 мая 2011 г.). «Использование комплектов разработки DLP® для систем 3D-оптической метрологии» (PDF) (отчет о применении). ДЛПА026. Техасские инструменты . Проверено 29 мая 2021 г.
^ Хит, Дэниел Дж; Фейнегл, Матиас; Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Миллс, Бен; Исон, Роберт В. (01 мая 2015 г.). «Динамическое пространственное формирование импульса с помощью цифрового микрозеркального устройства для узорчатого лазерно-индуцированного прямого переноса твердых полимерных пленок» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 5 (5): 1129. Бибкод : 2015OMExp...5.1129H . дои : 10.1364/ome.5.001129 . ISSN 2159-3930 .
^ Лю и др., 2015 «3D-изображения в объемно-рассеивающих средах с использованием измерений в фазовом пространстве»
^ Георгиева, Александра; Белашов Андрей; Петров, Николай В. (11 мая 2022 г.). «Оптимизация независимой амплитудной и фазовой модуляции на основе DMD путем анализа целевого сложного волнового фронта» . Научные отчеты . 12 (1): 7754. arXiv : 2010.00955 . Бибкод : 2022НатСР..12.7754Г . дои : 10.1038/s41598-022-11443-x . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 9095630 . ПМИД 35546600 .
^ Ли, Кёре; Ким, Кёхён; Ким, Геон; Шин, Сыну; Пак, Ёнгын (28 февраля 2017 г.). «Структурированное освещение с мультиплексированием по времени с использованием DMD для оптической дифракционной томографии» . Оптические письма . 42 (5): 999–1002. arXiv : 1612.00044 . Бибкод : 2017OptL...42..999L . дои : 10.1364/OL.42.000999 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 28248352 . S2CID 46878533 .
^ «Новейшие технологии освещения» . Полигональная оптогенетика и фотостимуляция клеточного разрешения . Системы Майтекс . Проверено 28 мая 2021 г.

Внешние ссылки

[1] «Ларри Хорнбек, Цифровое микрозеркальное устройство, патент США № 5 061 049, введен в должность в 2009 году». Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine , «Национальный зал славы изобретателей».

[2] Патент США 3746911 , Натансон и др., «Электростатически отклоняемые световые клапаны для проекционных дисплеев», выдан 17 июля 1973 г.

[3] Джонсон, Р. Колин (29 января 2007 г.). «Сотрудник TI по DLP: Мы сделали это с помощью зеркал» . ЭЭ Таймс . Проверено 29 мая 2021 г.

[4] Сасаки, М. (2021). Микрообработка металлических поверхностей. М. Эсаши (ред.) «3D и схемная интеграция МЭМС». https://doi.org/10.1002/9783527823239.ch6

[Brennesholtz-5] Бреннешольц, Мэтью; Ступп, Эдвард Х. (15 сентября 2008 г.). «Глава 5 Микроэлектромеханические устройства» . Проекционные дисплеи . Джон Уайли и сыновья. стр. 57–69. ISBN 978-0-470-77091-7 .

[6] Акриде, Майк; Батлер, Тим Дж.; Мосс, Грэм Х. (1 августа 1999 г.). «Цифровое микрозеркало дает яркую палитру цветов» . Мир лазерного фокуса . Проверено 7 июня 2021 г.

[DMDReliability-7] Дуглас, MR (1998). «Оценки срока службы и уникальные механизмы отказа цифрового микрозеркального устройства (DMD)». Материалы 36-го ежегодного международного симпозиума по физике надежности IEEE 1998 г. (PDF) . стр. 9–16. дои : 10.1109/RELPHY.1998.670436 . ISBN 0-7803-4400-6 . S2CID 33779816 .

[8] Хоренштейн, Марк Н.; Паппас, Сет; Фишов, Асаф; Бифано, Томас Г. (2002). «Электростатические микрозеркала для субапертуры в системе адаптивной оптики» (PDF) . Журнал электростатики . 54 (3–4): 321–332. дои : 10.1016/S0304-3886(01)00159-0 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2021 г. Проверено 29 мая 2021 г.

[9] Ширмер, Эрик. «Объяснение неисправности чипа DLP: белые точки и белая дымка?» . Продукты DLP® — форум продуктов DLP . Техас Инструментс Инк . Проверено 19 декабря 2019 г.

[10] «Фирма Plano Cinema откроет кинотеатр с цифровой проекцией и закусками самообслуживания» . Техасский бизнес . ООО «Олд Мескит». 25 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 26 января 2012 г. Проверено 24 октября 2011 г.

[11] Баррето, Рауль (13 мая 2011 г.). «Использование комплектов разработки DLP® для систем 3D-оптической метрологии» (PDF) (отчет о применении). ДЛПА026. Техасские инструменты . Проверено 29 мая 2021 г.

[12] Хит, Дэниел Дж; Фейнегл, Матиас; Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Миллс, Бен; Исон, Роберт В. (01 мая 2015 г.). «Динамическое пространственное формирование импульса с помощью цифрового микрозеркального устройства для узорчатого лазерно-индуцированного прямого переноса твердых полимерных пленок» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 5 (5): 1129. Бибкод : 2015OMExp...5.1129H . дои : 10.1364/ome.5.001129 . ISSN 2159-3930 .

[liu-13] Лю и др., 2015 «3D-изображения в объемно-рассеивающих средах с использованием измерений в фазовом пространстве»

[14] Георгиева, Александра; Белашов Андрей; Петров, Николай В. (11 мая 2022 г.). «Оптимизация независимой амплитудной и фазовой модуляции на основе DMD путем анализа целевого сложного волнового фронта» . Научные отчеты . 12 (1): 7754. arXiv : 2010.00955 . Бибкод : 2022НатСР..12.7754Г . дои : 10.1038/s41598-022-11443-x . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 9095630 . ПМИД 35546600 .

[15] Ли, Кёре; Ким, Кёхён; Ким, Геон; Шин, Сыну; Пак, Ёнгын (28 февраля 2017 г.). «Структурированное освещение с мультиплексированием по времени с использованием DMD для оптической дифракционной томографии» . Оптические письма . 42 (5): 999–1002. arXiv : 1612.00044 . Бибкод : 2017OptL...42..999L . дои : 10.1364/OL.42.000999 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 28248352 . S2CID 46878533 .

[16] «Новейшие технологии освещения» . Полигональная оптогенетика и фотостимуляция клеточного разрешения . Системы Майтекс . Проверено 28 мая 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]