Жидкий кристалл на кремнии
Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( декабрь 2022 г. ) |
Жидкий кристалл на кремнии ( LCoS или LCOS ) представляет собой миниатюрный отражающий жидкокристаллический дисплей с активной матрицей или «микродисплей», использующий слой жидких кристаллов поверх кремниевой объединительной платы. Он также известен как пространственный модулятор света . LCoS изначально был разработан для проекционных телевизоров , но с тех пор нашел дополнительное применение в селективном переключении длины волны , структурированном освещении , дисплеях, расположенных вблизи глаз, и формировании оптических импульсов.
LCoS отличается от других технологий ЖК-проекторов , в которых используется пропускающий ЖК-дисплей , позволяющий свету проходить через блок(ы) обработки света. LCoS больше похож на DLP микрозеркальные -дисплеи.
Технология
[ редактировать ]Жидкокристаллический световой клапан Хьюза (LCLV) был разработан для модуляции светового луча высокой интенсивности с использованием более слабого источника света, что концептуально аналогично тому, как усилитель увеличивает амплитуду электрического сигнала; LCLV был назван в честь общего названия триодной вакуумной лампы . [ 1 ] Источник света низкой интенсивности с высоким разрешением (обычно ЭЛТ ) использовался для «записи» изображения в CdS слое фотосенсора , на который подается питание от прозрачного электрода из оксида индия и олова , управляемого источником переменного тока напряжением примерно 10 мВ. . устройство ; Светоблокирующий слой CdTe не позволяет пишущему свету низкой интенсивности проходить через фотодатчик и светоблокирующий слой вместе образуют выпрямляющий переход, создавая смещение постоянного напряжения на слое жидкого кристалла , передавая изображение на отражающую сторону [ 2 ] : 5 путем изменения вращения поляризации в закрученном нематическом жидком кристалле. На отражающей стороне высокоинтенсивный поляризованный проекционный источник света выборочно отражается от диэлектрического зеркала на основе поляризации внутри жидкого кристалла, контролируемой фотодатчиком. Диэлектрическое зеркало формируется путем напыления чередующихся слоев TiO.
2 и SiO
2 , с конечным SiO
2 слоя протравлены для выравнивания жидкокристаллического материала. [ 3 ] : 10–12 В более поздней разработке LCLV использовались аналогичные полупроводниковые материалы, имеющие ту же базовую структуру. [ 4 ] : 10
Принцип LCLV реализован в цифровом устройстве отображения LCoS, которое имеет массив пикселей , каждый из которых эквивалентен отражающей стороне одного LCLV. Эти пиксели на устройстве LCoS управляются непосредственно сигналами для модуляции интенсивности отраженного света, а не источником «пишущего света» низкой интенсивности в LCLV. Например, чип с разрешением XGA имеет массив 1024×768 пикселей, каждый из которых имеет независимо адресуемый транзистор. [ 5 ] В устройстве LCoS дополнительная микросхема металл-оксид-полупроводник (CMOS) управляет напряжением на квадратных отражающих алюминиевых электродах, расположенных чуть ниже поверхности чипа, каждый из которых контролирует один пиксель. Типичные чипы имеют квадратную форму примерно 1–3 см (0,39–1,18 дюйма) и толщину примерно 2 мм (0,079 дюйма) с шагом пикселя всего 2,79 мкм (0,110 мил). [ 6 ] Общее напряжение для всех пикселей подается прозрачным проводящим слоем из оксида индия и олова на покровном стекле.
Дисплеи
[ редактировать ]История
[ редактировать ]История проекторов LCoS берет свое начало в июне 1972 года, когда технология LCLV была впервые разработана учеными из исследовательских лабораторий Hughes, работавшими над внутренним научно-исследовательским проектом. [ 7 ] General Electric продемонстрировала дисплей LCoS с низким разрешением в конце 1970-х годов. [ 8 ] Проекторы LCLV использовались в основном для военных авиасимуляторов из-за их больших и громоздких размеров. [ 9 ] Совместное предприятие Hughes Electronics и JVC (Hughes-JVC) было основано в 1992 году. [ 10 ] разработать технологию LCLV для коммерческих кинотеатров под брендом ILA (Image Light Amplifer). [ 11 ] Один из примеров имел высоту 72,5 дюйма (1840 мм) и вес 1670 фунтов (760 кг) с ксеноновой дуговой лампой мощностью 7 кВт . [ 12 ]
В 1997 году инженеры JVC разработали D-ILA (усилитель света изображения с прямым приводом) на базе Hughes LCLV. [ 10 ] [ 13 ] что привело к созданию меньших по размеру и более доступных цифровых проекторов LCoS с использованием трехчиповых устройств D-ILA. [ 14 ] Хотя они были не такими яркими и имели меньшее разрешение, чем кинопроекторы ILA, они были более портативными, начиная с 33 фунтов (15 кг). [ 15 ]
У первых проекторов LCoS были свои проблемы. Они страдали от явления, называемого «залипание изображения», когда изображение оставалось на экране даже после того, как оно должно было исчезнуть. Это произошло из-за того, что зеркала застряли на своих местах, что привело к появлению ореолов на экране. Однако производители продолжали совершенствовать технологию, и сегодняшние проекторы LCoS в значительной степени решили эту проблему.
Sony представила свою технологию SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) в 2004 году. SXRD представляла собой развитие технологии LCoS, в которой использовались еще меньшие пиксели и более высокое разрешение, что приводило к еще более точному изображению. Технология SXRD использовалась в высококачественных проекторах для домашнего кинотеатра Sony и быстро завоевала репутацию благодаря исключительному качеству изображения.
В 2006 году компания JVC представила обновленную технологию D-ILA, которая устранила необходимость в поляризационном фильтре, что привело к более яркому и живому изображению. С тех пор технология D-ILA стала популярным выбором среди любителей домашних кинотеатров.
Проекторы LCoS продолжают развиваться: производители внедряют такие функции, как разрешение 4K и поддержку HDR ( расширенный динамический диапазон ). Проекторы LCoS теперь доступны в различных ценовых категориях: от доступных моделей для домашнего кинотеатра до профессиональных моделей высокого класса, используемых в коммерческих установках.
Архитектура системы отображения
[ редактировать ]Технология отображения LCoS — это тип микродисплея, получивший популярность благодаря высокому качеству изображения и способности отображать изображения с высоким разрешением. Системы отображения LCos обычно состоят из трех основных компонентов: панели LCos, источника света и оптической системы.
Панель LCos — это сердце системы отображения. Он состоит из массива пикселей, расположенных в виде сетки. Каждый пиксель состоит из жидкокристаллического слоя, отражающего слоя и кремниевой подложки. Слой жидких кристаллов контролирует поляризацию проходящего через него света, а отражающий слой отражает свет обратно в оптическую систему. Кремниевая подложка используется для управления отдельными пикселями и обеспечивает необходимую электронику для управления панелью LCos.
Источник света используется для обеспечения необходимой освещенности панели LCos. Наиболее распространенным источником света, используемым в системах отображения ЖК, является лампа высокой интенсивности. Эта лампа излучает широкий спектр света, который фильтруется через цветовой круг или другие оптические компоненты, чтобы обеспечить необходимую цветовую гамму для системы отображения.
Оптическая система отвечает за направление света от источника света на панель LCos и проецирование полученного изображения на экран или другую поверхность. Оптическая система состоит из ряда линз, зеркал и других оптических компонентов, которые тщательно разработаны и откалиброваны для обеспечения необходимого увеличения, фокусировки и цветокоррекции для системы отображения.
Трехпанельные конструкции
[ редактировать ]Белый свет разделяется на три компонента (красный, зеленый и синий), а затем объединяется обратно после модуляции тремя устройствами LCoS. Свет поляризуется светоделителями дополнительно .
Однопанельные конструкции
[ редактировать ]Программа однопанельных дисплеев LCOS как Toshiba, так и Intel была прекращена в 2004 году, прежде чем какие-либо устройства достигли финальной стадии прототипа. [ 16 ] В производстве находились однопанельные дисплеи LCoS: один от Philips и один от Microdisplay Corporation. Компания Forth Dimension Displays продолжает предлагать технологию сегнетоэлектрических дисплеев LCoS (известную как визуализация во временной области), доступную в разрешениях QXGA , SXGA и WXGA , которая сегодня используется для приложений с высоким разрешением вблизи глаз, таких как обучение и моделирование, проекция структурированного светового рисунка для AOI . Компания Citizen Finedevice (CFD) также продолжает производить однопанельные RGB-дисплеи с использованием технологии FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы). Они производят дисплеи различных разрешений и размеров, которые в настоящее время используются в пикопроекторах , электронных видоискателях для цифровых камер высокого класса и наголовных дисплеях . [ 17 ]
Пикопроекторы, окологлазные и наголовные дисплеи
[ редактировать ]Первоначально дисплеи LCoS разрабатывались для проекторов с большими экранами, но нашли потребительскую нишу в области пикопроекторов , где их небольшой размер и низкое энергопотребление хорошо соответствуют ограничениям таких устройств.
Устройства LCoS также используются в приложениях, расположенных рядом с глазами, таких как электронные видоискатели для цифровых камер, пленочные камеры и головные дисплеи (HMD) . Эти устройства изготовлены с использованием сегнетоэлектрических жидких кристаллов (поэтому технология называется FLCoS), которые по своей природе быстрее, чем другие типы жидких кристаллов, создают изображения высокого качества. [ 18 ] Первый набег Google на носимые компьютеры, Google Glass, [ 19 ] также использует дисплей LCoS, расположенный близко к глазу.
На выставке CES 2018 компании Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited ( ASTRI ) и OmniVision продемонстрировали эталонный дизайн беспроводной гарнитуры дополненной реальности, которая может достигать поля зрения 60 градусов (FoV). Он объединил однокристальный LCOS-дисплей с разрешением 1080p и датчик изображения от OmniVision с оптикой и электроникой ASTRI. Говорят, что гарнитура меньше и легче других из-за ее однокристальной конструкции со встроенным драйвером и буфером памяти. [ 20 ]
Избирательные переключатели по длине волны
[ редактировать ]LCoS особенно привлекателен в качестве механизма переключения в селективном переключателе по длине волны (WSS). WSS на базе LCoS изначально были разработаны австралийской компанией Engana. [ 21 ] теперь часть Finisar. [ 22 ] LCoS можно использовать для управления фазой света в каждом пикселе для управления лучом. [ 23 ] где большое количество пикселей обеспечивает практически непрерывную адресацию. Обычно для создания высокоэффективного переключателя с низкими вносимыми потерями используется большое количество фазовых ступеней. Эта простая оптическая конструкция включает в себя разнесение поляризации, контроль размера моды и оптическое изображение с длиной волны 4 f на дисперсионной оси LCoS, обеспечивая интегрированное переключение и управление оптической мощностью. [ 24 ]
В процессе работы свет проходит из массива волокон через оптику формирования изображения поляризации, которая физически разделяет и выравнивает ортогональные состояния поляризации, чтобы находиться в высокоэффективном состоянии s-поляризации дифракционной решетки. Входной свет от выбранного волокна массива отражается от отображающего зеркала, а затем рассеивается под углом решеткой, которая находится под углом падения, близким к Литтроу , отражая свет обратно в визуализирующую оптику, которая направляет каждый канал в другую часть LCoS. Затем путь для каждой длины волны прослеживается после отражения от LCoS, при этом изображение управления лучом применяется к LCOS, направляя свет к определенному порту волоконной матрицы. Поскольку каналы длин волн разделены в LCoS, переключение каждой длины волны не зависит от всех остальных и может переключаться, не создавая помех свету в других каналах. Существует множество различных алгоритмов, которые можно реализовать для достижения заданной связи между портами, включая менее эффективные «образы» для затухания или разделения мощности.
WSS на базе MEMS [ 25 ] и/или жидкий кристалл [ 26 ] технологии выделяют один переключающий элемент (пиксель) для каждого канала, что означает, что полоса пропускания и центральная частота каждого канала фиксированы во время производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Кроме того, многие конструкции WSS первого поколения (особенно основанные на технологии MEM) демонстрируют выраженные провалы в спектре передачи между каждым каналом из-за ограниченного спектрального «коэффициента заполнения», присущего этим конструкциям. Это предотвращает простое объединение соседних каналов для создания одного более широкого канала.
Однако WSS на основе LCoS позволяет динамически управлять центральной частотой и полосой пропускания канала посредством оперативной модификации массивов пикселей с помощью встроенного программного обеспечения. Степень управления параметрами канала может быть очень детальной, при этом возможно независимое управление центральной частотой и верхней или нижней границей полосы канала с разрешением выше 1 ГГц. Это выгодно с точки зрения технологичности, поскольку на одной платформе можно создать разные планы каналов и даже разные рабочие диапазоны (например, C и L) можно использовать идентичную матрицу переключателей. Кроме того, этой возможностью можно воспользоваться для перенастройки каналов во время работы устройства. Были представлены продукты, позволяющие переключаться между каналами 50 ГГц и каналами 100 ГГц или сочетанием каналов без внесения каких-либо ошибок или «попаданий» в существующий трафик. Совсем недавно это было расширено для поддержки всей концепции гибких или эластичных сетей в соответствии с ITU G.654.2 с помощью таких продуктов, как Finisar. Flexgrid™ WSS.
Другие приложения LCoS
[ редактировать ]Оптическое формирование импульса
[ редактировать ]Способность WSS на основе LCoS независимо управлять амплитудой и фазой передаваемого сигнала приводит к более общей способности манипулировать амплитудой и/или фазой оптического импульса посредством процесса, известного как формирование импульса в Фурье-области. [ 27 ] Этот процесс требует полной характеристики входного импульса как во временной, так и в спектральной областях.
Например, программируемый оптический процессор (POP) на основе LCoS использовался для расширения выходного сигнала лазера с синхронизацией мод до источника суперконтинуума с длиной волны 20 нм, в то время как второе такое устройство использовалось для сжатия выходного сигнала до 400 фс, импульсов с ограниченным преобразованием. . [ 28 ] Пассивная синхронизация мод волоконных лазеров была продемонстрирована при высоких частотах повторения, но включение POP на основе LCoS позволило изменить фазовый состав спектра, чтобы перевернуть последовательность импульсов лазера с пассивной синхронизацией мод от ярких импульсов к темным. . [ 29 ] Похожий подход использует формирование спектра гребенок оптических частот для создания нескольких последовательностей импульсов. Например, гребенка оптических частот 10 ГГц была сформирована POP для генерации темных параболических импульсов и гауссовых импульсов на длине волны 1540 нм и 1560 нм соответственно. [ 30 ]
Легкое структурирование
[ редактировать ]Структурированный свет с использованием быстрого сегнетоэлектрического LCoS используется в методах 3D- микроскопии со сверхвысоким разрешением и в интерференционной проекции для 3D- автоматического оптического контроля .
Модальная коммутация в системах оптической связи с космическим мультиплексированием
[ редактировать ]Одним из интересных применений LCoS является возможность преобразования между модами маломодовых оптических волокон. [ 31 ] которые были предложены в качестве основы для систем передачи с более высокой пропускной способностью в будущем. Аналогичным образом LCoS использовался для направления света в выбранные ядра многожильных волоконно-оптических систем передачи, опять же как тип мультиплексирования с пространственным разделением каналов.
Перестраиваемые лазеры
[ редактировать ]LCoS использовался в качестве метода фильтрации и, следовательно, механизма настройки как для полупроводниковых диодов, так и для волоконных лазеров. [ 32 ]
См. также
[ редактировать ]- Digital Light Processing — набор наборов микросхем.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Борода, ТД; Блеха, В.П.; Вонг, С.Ю. (1 февраля 1973 г.). «Жидкокристаллический световой клапан переменного тока». Письма по прикладной физике . 22 (3): 90–92. Бибкод : 1973АпФЛ..22...90Б . дои : 10.1063/1.1654574 .
- ^ Смит, Дж. Линн (12 июня 1978 г.). Применение жидкокристаллического светового клапана для обработки изображений (отчет). Технологическая лаборатория, Редстоун Арсенал . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Джейкобсон, AD; Блеха, WP (апрель 1977 г.). Разработка жидкокристаллического светового клапана переменного тока с цветовой символикой (Отчет). Исследовательская лаборатория Хьюза . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Эфрон, У.; Винер-Авнеар, Э.; Гринберг Дж.; Браатц, ПО; Литтл, MJ; Шварц, Р.Н. (июль 1982 г.). Разработка кремниевого жидкокристаллического светового клапана для многомодового режима работы (Отчет). Исследовательская лаборатория Хьюза . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ «D-ILA: Технология совершенства изображений» (PDF) . JVC. Июнь 2000 года . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Сложная фотоника. «Продукция сложной фотоники» . Архивировано из оригинала 18 октября 2014 года . Проверено 13 октября 2014 г.
- ^ Джейкобсон, AD (май 1975 г.). Разработка жидкокристаллического светового клапана с отражающим режимом (Отчет). Исследовательская лаборатория Хьюза . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Армитидж, Дэвид; Андервуд, Ян; Ву, Шин-Цон (2006). Введение в микродисплеи . Уайли. ISBN 978-0-470-85281-1 .
- ^ Ховард, Селеста М. (июнь 1989 г.). Характеристики дисплея образцов светоклапанных проекторов (отчет). Исследовательский институт Дейтонского университета . Проверено 17 января 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «JVC консолидирует производство проекторов за счет поглощения Hughes-JVC» (пресс-релиз). JVC Профессионал. 16 декабря 1999 года . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Стерлинг, РД; Блеха, В.П. «Электронное кино с использованием технологии проектора ILA» (PDF) . Хьюз-JVC Technology Corporation . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ «Проектор ИЛА-12К» . JVC Профессионал . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Накано, Ацуши; Хонма, Акира; Накагаки, Синтаро; Дои, Кейитиро (1998). Светоотражающий ЖК-дисплей с активной матрицей: D-ILA . Фотоника Вест / Электронная визуализация. Сан-Хосе, Калифорния: Общество инженеров фотооптических приборов. дои : 10.1117/12.305518 .
- ^ Блеха, Уильям П.; Стерлинг, Родни Д. (2003). Технология D-ILA для проекционных дисплеев высокого разрешения . АэроСенс. Орландо, Флорида: Общество инженеров фотооптических приборов. дои : 10.1117/12.497532 .
- ^ «Проектор D-ILA: DLA-G11» (PDF) . JVC Профессионал. Ноябрь 1999 года . Проверено 16 января 2024 г.
- ^ Хачман, Марк. «Обновление: Intel отменяет планы по производству чипов LCOS» . 415.992.5910 . Экстремальные технологии . Проверено 17 июня 2011 г.
- ^ Домашняя страница MDCA, дочерней компании Citizen Finedevice.
- ^ Коллингс, Н. (2011). «Применение и технология однофазных жидких кристаллов на кремниевых устройствах». Журнал IEEE по технологиям отображения . 7 (3): 112–119. Бибкод : 2011JDisT...7..112C . дои : 10.1109/JDT.2010.2049337 . S2CID 34118772 .
- ^ Google стекло . google.com
- ^ «Эта AR-гарнитура превосходит поле зрения HoloLens, но вы все равно не будете носить ее в общественных местах» . Следующая реальность . 11 января 2018 года . Проверено 23 июня 2020 г.
- ^ Бакстер, Г. и др. (2006) «Высокопрограммируемый селективный переключатель длины волны на основе жидких кристаллов», на конференции по оптоволоконной связи, 2006 г., и Национальной конференции инженеров по оптоволокну 2006 г.
- ^ ROADM и управление длиной волны . Finisar.com
- ^ Джонсон, К.М. (1993). «Умные пространственные модуляторы света с использованием жидких кристаллов на кремнии». IEEE J. Квантовый электрон . 29 (2): 699–714. Бибкод : 1993IJQE...29..699J . дои : 10.1109/3.199323 .
- ^ Каминов, Ли и Вильнер (ред.). «Гл. 16». Оптоволоконные телекоммуникации VIA . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-396958-3 .
- ^ Маром, DM и др. (2002) «Избирательный по длине волны переключатель 1×4 для 128 каналов WDM с разносом 50 ГГц», в Proc. Оптоволоконная связь), Анахайм, Калифорния, документ после окончания срока действия FB7, стр. FB7-1–FB7-3
- ^ Кондис, Дж. и др. (2001) «Жидкие кристаллы в оптических переключателях и спектральных эквалайзерах DWDM на основе объемной оптики», стр. 292–293 в Proc. LEOS 2001, Пискатауэй, Нью-Джерси.
- ^ Вайнер, AM (2000). «Формирование фемтосекундных импульсов с помощью пространственных модуляторов света» (PDF) . Преподобный учёный. Инструмент . 71 (5): 1929–1960. Бибкод : 2000RScI...71.1929W . дои : 10.1063/1.1150614 .
- ^ AM Кларк, Д. Г. Уильямс, MAF Roelens, MRE Lamont и BJ Eggleton, «Формирование параболического импульса для улучшенной генерации непрерывного спектра с использованием селективного переключателя длины волны на основе LCoS», на 14-й конференции по оптоэлектронике и коммуникациям (OECC), 2009 г.
- ^ Шредер, Йохен Б. (2010). «Тёмный и яркий импульсный лазер с пассивной синхронизацией мод и внутрирезонаторным формирователем импульсов» . Оптика Экспресс . 18 (22): 22715–22721. Бибкод : 2010OExpr..1822715S . дои : 10.1364/OE.18.022715 . ПМИД 21164610 .
- ^ Нг, ТТ и др. (2009) «Полные временные оптические преобразования Фурье с использованием темных параболических импульсов», на 35-й Европейской конференции по оптической связи.
- ^ Сальси, Массимилиано; Кебеле, Клеменс; Сперти, Донато; Тран, Патрис; Мардоян, Гайк; Бриндел, Патрик; Биго, Себастьен; Бутен, Орельен; Верлуиз, Фредерик; Силлард, Пьер; Астрюк, Марианна; Провост, Лайонел; Шарле, Габриэль (2012). «Мультиплексирование с модовым разделением каналов 2×100 Гбит/с с использованием пространственного модулятора на основе LCOS». Журнал световых технологий . 30 (4): 618. Бибкод : 2012JLwT...30..618S . дои : 10.1109/JLT.2011.2178394 . S2CID 38004325 .
- ^ Сяо, Фэн (2009). «Перестраиваемый одномодовый волоконный лазер на основе опто-СБИС» . Оптика Экспресс . 17 (21): 18676–18680. Бибкод : 2009OExpr..1718676X . дои : 10.1364/OE.17.018676 . ПМИД 20372600 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бивер, Селеста. «Intel Inside» появится на плоских телевизорах (9 января 2004 г. – разработка больше не планируется) New Scientist
- Все, что вам нужно знать о телевизионных технологиях из «Секретов оборудования»
- Проекторы LCoS на выставке Projectors Pick