МОЭМС — доступные технологии генерации и сканирования оптической информации. Часть 1

Введение

Несколько лет назад технологии МЭМС ассоциировались с акселерометрами для развертывания автомобильных подушек безопасности, сегодня они даже в большей степени отождествляются с многофункциональными сотовыми телефонами, оснащенными акселерометрами для распознавания ориентации экрана и кликов пользователя.

Но в сотовых телефонах МЭМС могут выполнять и другие функции, где одним из важнейших применений является осуществление собственно дисплейной функциональности экранов сотовых телефонов посредством микрозеркал.

Некоторые модели сотовых телефонов уже оснащены пикопроекторами, что позволяет владельцу использовать многофункциональный телефон как проектор для презентации. Проведение презентаций, отображение рабочего плана, чтение электронной почты, просмотр любого другого контента мобильного устройства становится возможным посредством проецирования изображений не только на специальный экран, стену, но и стол в кафе, поверхности портфелей, оборудования, транспортных средств — если именно в этих условиях происходит общение с коллегами. Многие из этих поверхностей зачастую плоские и кривые, но, несмотря на это, современные технологии позволяют достичь достаточно высокого качества отображения информации без фокусировки. Стоит ли говорить о том, какие возможности могут предоставить такие пикопроекторы для развлечений, просмотра фото-, видео- и другой мультимедиаинформации, дворовых детских игр.

Дисплейные технологии — важнейшее применение технологий оптических МЭМС или МОЭМС, на основе которых строятся актюаторы или датчики. Аббревиатура МОЭМС расшифровывается как микрооптические электромеханические системы (Micro-Optical-ElectroMechanical Systems, MOEMS). В отличие от обычных МЭМС, МОЭМС включают оптику и работают с оптическими сигналами [1–3].

МОЭМС — это выпускаемые методами микропроизводства оптические компоненты или оптоэлектронные устройства и системы, включающие волноводы, дифракционные решетки, подвижные зеркала и другие элементы, которые могут изменять, модулировать путь светового луча или спектрально модифицировать световой луч.

Микрозеркала — весьма часто упоминающиеся в различных источниках элементы МОЭМС. Микрозеркала представляют собой микроразмерные зеркала, которые производятся на кристалле и активируются электростатическими, тепловыми, магнитными (электромагнитными) средствами и предназначены для направления и/или сканирования светового луча. Их применения — дисплеи, сканеры, оптические переключатели и другие оптоэлектронные компоненты.

Главные применения МОЭМС включают:

• сенсорные: детектирование оптических сигналов, обработка, коммуникационные функции;
• актюаторные: обработка и генерация изображений.

МОЭМС-актюаторы сегодня используются в дисплейных системах для генерации изображения непосредственно на экране в реальном времени или для представления изображений на записывающем средстве, а также для сканирования штрих-кодов или в устройствах чтения записи оптических накопителей информации.

Многие пикопроекторы представляют собой примеры реализации дисплейной функциональности посредством технологий МОЭМС, и не только микрозеркальных. Оптические компоненты МОЭМС включают лазеры и линзы, поляризаторы и разделители луча и т. д.

В рамках данной статьи в первую очередь рассматриваются дисплейные технологии МОЭМС, достигшие коммерческого уровня:

• интерферометрическая модуляция IMOD (Interferometric MODulation) Qualcomm;
• цифровые или деформируемые двумерные массивы микрозеркал Digital (Deformable) Mirror Devices (DMD) в цифровых световых процессорах (Digital Light Processing) Texas Instruments;
• линейные массивы дифракционных решеток на тонких деформируемых кремниевых полосках в световых клапанах решеток (Grating Light Valve, GLV) Silicon Light Machines;
• одиночные сканирующие микрозеркала Microvision, Maradin Technologies, Ltd.;
• двойные сканирующие микрозеркала bTendo, Ltd.

Первый промышленно выпускаемый дисплей для сотовых телефонов и аналогичных устройств на основе микрозеркал и метода интерферометрической модуляции выпустила фирма Qualcomm. Дисплеи с оригинальным названием mirasol Qualcomm построены на основе микрозеркал, отражающих воздействующий на экран свет, за счет чего обеспечивается достаточная яркость изображения в сложных условиях освещения. Технология позволяет достичь малого энергопотребления устройств, работающих от батареи.

Проекторы как индивидуальные портативные (именно они называются пикопроекторами) или встраиваемые устройства являются следующим примером реализации коммерческих технологий МЭМС в проекционных системах, например цифрового кино или HDTV.

На этом рынке в течение 20 лет лидирует компания Texas Instruments, разработавшая цифровую дисплейную технологию Digital Mirror Device (DMD) на основе МЭМС-массивов торсионных микрозеркал для применения в системах цифровых световых процессоров (Digital Light Processor, DLP). Цифровые зеркала DMD объединяются со CMOS-схемой, они производятся посредством сходного со CMOS процесса поверх пластины CMOS-памяти.

DMD функционирует как оптический переключатель. Каждый из переключателей включает алюминиевое зеркало, которое отражает свет в одном из двух направлений в зависимости от состояния адресуемой ячейки памяти под ним.

Основной технологией, конкурирующей с DLP TI, является технология жидких кристаллов на кремнии (Liquid Crystal on Silicon, LCoS) — рефлективных LCD [4]. Эта технология позволяет снизить размер CMOS-кристалла. Но МОЭМС успешно конкурируют с ЖК-проекторами.

TI недавно разработала меньшую по размеру и менее дорогую версию чипов DLP, допускающую ее использование даже в тонких сотовых телефонах. Пикопроекторы DLP в настоящее время применяются в телефонах LG eXpo AT&T как аксессуар snap-on picoprojector и в телефонах Samsung со встроенным пикопроектором W7900 для Кореи и i8520 — для США.

Третьим примером являются МЭМС-массивы дифракционных решеток на тонких деформируемых кремниевых полосках в световых клапанах решеток (Grating Light Valve, GLV) компании Silicon Light Machines.

Следующие дисплейные технологии МОЭМС представляют собой пикопроекторы, основанные на лазерах. Их функционирование способно обеспечить одно микрозеркало.

Компания Microvision, Inc. не так давно ввела первый в мире лазерный пикопроектор с использованием сканирующего микрозеркального МЭМС-метода, согласно которому MEMS освещается красным, синим, зеленым лазерами, уровни которых изменяются, в то время как единственное микрозеркало сканирует изображение на экран. Другие изготовители сканирующих МЭМС-кристаллов — Maradin Technologies, Ltd. и bTendo, Ltd. Компания Maradin использует, как и Microvision, одно зеркало для сканирования, а bTendo — два МЭМС-кристалла в так называемом двойном зеркальном сканере (dual-mirror scanner).

Помимо детально рассматриваемых в данной статье, известны и другие типы МЭМС дисплейных технологий [5–8]:

• тонкопленочный микрозеркальный массив Thin-Film Mirror Array (Daewoo Electronics);
• Integrated MEMS Optical Display System (IMODS) Microsoft Research;
• Digital Micro Shutter Pixtronics;
• МОЭМС-технология затворов Fiat;
• Time Multiplexed Optical Shutter (TMOS) Unipixel и Samsung.

Многие из дисплейных технологий МОЭМС перспективны с точки зрения достижения высокой яркости изображения, малого энергопотребления и низкой цены, поэтому их разработка и коммерциализация продолжаются. Значительные перспективы связываются с просветными технологиями на основе МЭМС-затворов и лазерной технологией пикопроекторов.

Согласно недавним публикациям Yole Development (www.yole.fr, www.i-micronews.com), именно пикопроекторы будут управлять рынком зеленых лазеров.

В возникающем рынке пикопроекторов и других дисплейных методов, например Head Mounted Display (HMD) или Head up Display (HUD), лазер представляет собой идеальное светоизлучающее устройство — благодаря его способности давать высоко насыщенные цвета в самой широкой гамме, возможности работы без фокусировки и ожидаемого улучшения эффективности работы с использованием сетевых вилок (wall-plug).

Но обо всем — по порядку.

МЭМС-дисплеи Qualcomm

Первый промышленно выпускаемый МЭМС-дисплей для сотовых телефонов разработала компания Qualcomm MEMS Technologies, Inc. (QMT), сотрудничающая с Cheng Uei Precision Industry — компанией, известной как Foxlink. Вместе две компании создали дочернее предприятие с тайваньской компанией, названное Sollink, Inc.

МЭМС-дисплеи с оригинальным названием Qualcomm’s mirasol displays (рис. 1) [9, 10] основываются на рефлективной отражательной технологии интерферометрической модуляции, называемой IMOD (Interferometric MODulation) — с МЭМС-структурами в ядре.

Рис. 1а. Ячейки и пиксели МЭМС-дисплеев Qualcomm

Основным «строительным блоком» всех дисплеев Qualcomm’s mirasol является IMOD — элемент, который представляет собой простое МЭМС-устройство, объединяющее две проводящие пластины (рис. 1а). Одна из них — это тонкопленочный стек на стеклянном субстрате-основании, другая — рефлективная мембрана, подвешенная над основанием. IMOD-элемент бистабилен, то есть характеризуется двумя стабильными состояниями. В отсутствие напряжения пластины разделены между собой, и свет, падающий на субстрат, отражается. Между ними имеется воздушный зазор, определяющий цвет элемента. Синий IMOD-элемент характеризуется наименьшим зазором, красный — наибольшим. При приложении малого напряжения пластины притягиваются вследствие возникновения между ними электростатических сил, и свет поглощается, возвращая элемент в «черное» состояние. На самом деле «черное» состояние соответствует зазору, близкому к нулю, и ультрафиолетовому цвету элемента, но, невидимый для человека, ультрафиолет дает черный цвет пикселя/дисплея.

Рис. 1. МЭМС-дисплеи Qualcomm: б) структура IMOD с отражением света от тонкопленочного стека и зеркала для воспроизводства цвета; в) эффект гистерезиса в элементе IMOD

Размеры IMOD-элемента — порядка 10–100 мкм по сторонам, 400–1000 точек на дюйм.

Применение ячеек МЭМС и бистабильность дают малую мощность потребления и высокое качество изображения в широком диапазоне окружающих условий, особенно при ярком солнечном свете.

При ярком солнечном свете действительно довольно обычное явление то, что рассмотреть изображение на экране телефона весьма сложно, так как в большинстве сотовых телефонов используются дисплейные LCD-технологии.

Для построения пикселей в дисплеях mirasol использованы МЭМС-микрозеркала, за счет чего эта технология обеспечивает возможность наблюдать в сложных условиях освещения изображение достаточно высокого качества.

Человеческий глаз видит окружающий мир посредством отражения света от различных поверхностей. Поэтому отраженный свет даже чисто теоретически более видим человеческим глазом, чем тот, который получается при задней подсветке. По данным производителя, отражательная способность дисплеев mirasol выше на 50%, контрастность — 8:1. Поэтому специалисты Qualcomm считают, что будущее мобильных устройств за дисплеями mirasol.

Первое поколение дисплеев Qualcomm было монохромным, но с 2009 года они полноцветные. Дисплей работает следующим образом: микрозеркала отражают свет так, что определенные длины волн интерферируют между собой, создавая цвет. Это то же самое явление, которое объясняет мерцание крыльев бабочки. Инженеры Qualcomm, разрабатывая mirasol-дисплеи, изучали природные процессы и структуры биомимикрии.

Как создается цвет?

На базовом уровне дисплеи mirasol представляют собой оптически резонирующие полости. Когда окружающий свет воздействует на структуру, он отражается и от верха тонкопленочного стека, и от рефлективной мембраны. В зависимости от высоты оптической полости свет определенных длин волн, отражающийся от мембраны, будет несколько отличаться в фазе от света, отражающегося от тонкопленочного стека. Ввиду возникновения разницы фаз свет на некоторых длинах волн будет интерферировать конструктивно, на других — деструктивно (рис. 1б) [10]. Человеческий глаз будет получать цвет на определенных длинах волн с усилением относительно других длин волн. Изображение на дисплее mirasol может переключаться между цветным и черным посредством изменения состояния мембраны. Это осуществляется посредством приложения напряжения к тонкопленочному стеку, который является электрически проводящим и защищен посредством изолирующего слоя. Когда прикладывается напряжение, электростатические силы вызывают притяжение мембраны. Изменение в оптической полости дает конструктивную интерференцию на ультрафиолетовых длинах волн, но они невидимы человеческим глазом. Поэтому изображение на экране представляется черным. Полноцветный дисплей собирается посредством пространственно упорядоченных IMOD-элементов с отражением в красном, зеленом и синем участках спектра.

Базовый IMOD-элемент представляет собой однобитное устройство, которое находится в черном или цветном состоянии. Для того чтобы показывать изображение в градациях серого, применяется пространственное или временное сглаживание [10].

Пространственное делит субпиксель на меньшие адресуемые элементы, временное разделяет каждое поле данных на субполя. Пространственное характеризуется малым энергопотреблением, временное — низкой ценой дисплеев, высоким фактором заполнения, но высокой частотой обновления, повышающей энергопотребление. Их комбинация позволяет еще более увеличивать число оттенков серого.

Бистабильная природа дизайна дисплеев mirasol обеспечивает одно из их ключевых преимуществ, а именно позволяет достигать потребления мощности, близкого к нулю в тех случаях, когда изображение на дисплее остается неизменным (рис. 1в). Когда рефлективная мембрана находится в притянутом состоянии, для ее удержания требуется меньше энергии, чем для притягивания ее вниз. IMOD-элементы в составе IMOD-пикселей обладают электромеханической памятью, называемой гистерезисом. Бистабильность и гистерезис — следствие дисбаланса между линейными восстанавливающими силами механической мембраны и нелинейными силами от приложенного электрического поля. Бистабильность позволяет дисплеям mirasol удалить нелинейность активных матричных устройств и функционировать как элемент памяти.

Скорость обновления видеоданных высокая. Поскольку волновые длины видимого света — нанометрового масштаба (380–780 нм), деформируемая IMOD-мембрана продвигается только на короткие дистанции — несколько сотен нанометров — для переключения между двумя цветами. Это переключение происходит очень быстро, в пределах десятков микросекунд. Скорость переключения прямо переводится в частоту обновления кадров дисплея без эффекта смаза. Угол обзора широкий, надежность высокая.

Важно отметить, что размеры МЭМС-дисплеев Qualcomm пока небольшие, и основные целевые рынки для них — сотовые телефоны и MP3‑плееры.

Еще одной возможностью для сбыта МЭМС-дисплеев является рынок электронных книг, который, согласно прогнозам DisplaySearch, достигнет $3 млрд в 2013 году и $9,6 млрд в 2018‑м. Electronic paper displays (EPD) характеризуются размерами порядка 5 и более дюймов в диагонали. Рано говорить о распространении МЭМС-технологии в сегменте рынка больших дисплеев, где доминируют другие успешные технологии. Но существует альтернативная возможность просмотра крупноформатных изображений даже посредством малых мобильных устройств — проекционные дисплейные технологии.

Технологии DLP/DMD Texas Instruments

Texas Instruments (TI) со своей технологией MEMS Digital Light Processing (DLP) (рис. 2) цифровых чипов световых процессоров для пикопроекторов лидирует на рынке цифровых проекционных дисплейных технологий более 20 лет [11, 12]. За это время было продано свыше 20 млн устройств для проекционных телевизоров и цифрового кино.

Рис. 2. DMD/DLP-технологии массивов микрозеркал TI: а) DMD-кристалл; б) поворотные микрозеркала DMD-кристалла; в) устройство DMD-кристалла

Это объясняется тем, что цифровой дисплей, назначение которого состоит в трансформации входных электрических битов в оптические биты, является естественным интерфейсом для цифрового видео, а также высокой надежностью технологии и другими преимуществами.

Каждая проекционная система DLP включает оптический полупроводник, известный как DLP- или DMD-чип, который изобрел доктор Л. Хорнбек (Larry Hornbeck), специалист Texas Instruments, в 1987 году (рис. 2а) [13].

Рис. 2. DMD/DLP-технологии массивов микрозеркал TI: г) цифровая система DLP; д) технологическое решение против прилипания микрозеркал — пружинные наконечники

Пространственные световые модуляторы (Spatal Light Modulator, SLM) модулируют воздействующий свет согласованно с входом — в фазе, интенсивности, поляризации, направлении. SLM-модуляторы TI включают селективные адресуемые подвижные и деформируемые цифровые микрозеркала, модулирующие посредством отражения свет в его направлении или фазе.

Каждое микрозеркало состоит из рефлективной зеркальной платы, прикрепленной к деформируемому шарниру (hinge), сформированному на подложке: отсюда оригинальное название технологии — Deformable Mirror Device (DMD). Впоследствии аббревиатура DMD получила расшифровку Digital Mirror Device.

DMD — одна из технологий DLP, которая предполагает присутствие на кристалле площадью порядка 1,5 см² до 2 млн подвижных микрозеркал. Каждое микрозеркало — алюминиевое и квадратное. Размеры в зависимости от продукта варьируются, в одном из вариантов микрозеркала имеют размеры порядка 16 мкм, типичный зазор между зеркалами — 1 мкм, что в данном случае создает средний шаг массива в 17 мкм. Микрозеркала отражают свет, который освещает DLP-чип, в двух направлениях, под углами +10° и –10° соответственно. Одно из направлений соответствует состоянию On и светлому пикселю, другое — состоянию Off и темному пикселю (рис. 2б).

Рис. 2. DMD/DLP-технологии массивов микрозеркал TI: е–к) некоторые инновации TI в области проекционных дисплейных технологий: е) 3D Ready DLP Link; ж) беспроводная ручка; з) проекторы с ультракоротким расстоянием проецирования (Ultra Short Throw); и) handheld-пикопроектор; к) мобильный пикопроектор

Каждое микрозеркало является адресуемым и отражает свет с применением фокусирующей сборки. Зеркала производятся по процессу, сходному со CMOS, каждое из них размещается поверх ячеек CMOS SRAM-памяти, являющихся первой частью оптического устройства (рис. 2в). Вторая часть пикселя состоит из металлических адресных подушек и мест «посадки». Третья часть содержит торсионный шарнир для вращения зеркала и адресные электроды. Четвертая часть — собственно микрозеркало.

Несмотря на то, что зеркала подвижны, технология DLP надежна, чему способствует разработка новых материалов, методов производства, корпусирования, тестирования.

Технологии производства микрозеркальных устройств в последнее время были значительно усовершенствованы [14–19]. Устройства, которые использовали деформируемую рефлективную мембрану с электростатическим привлечением к адресному электроду и формированию изображения при освещении впадины на адресном электроде посредством Шлирен-оптики, считаются более ранними. Изображения были темными и отличались низкой контрастностью. Более поздние методы использовали кантилеверы из кремния или алюминия, связанные с darkfield оптикой, с верхним отражательным тонким металлическим слоем, и давали более высокую контрастность. Затем их сменили тонкопленочные торсионные шарниры с закрепленным на них жестким зеркалом из более толстого металлического слоя.

Каждое зеркало прикреплено так, что может вращаться вокруг диагональной оси на 20°. Шарнир-стержень (hinge) производится посредством тонкопленочной технологии, что допускает меньшую жесткость и вероятность поломки материала. В обычном материале разрушение наступает вследствие превышения механического напряжения из-за кристаллических дислокаций предела текучести. За счет того, что все кристаллы в тонкопленочной кристаллической структуре оказываются на поверхности материала, напряжения, наводимые кристаллическими дислокациями, деблокируются. DMD тестировались в течение 1 трлн циклов.

Сравнительно недавно были разработаны конфигурации со скрытым шарниром hidden-hinge, позволяющие повысить контрастность изображения.

Зеркала активируются электростатически. Каждое зеркало соответствует пикселю. Помещенные в верхней части торсионного шарнира кручения, зеркала способны отклоняться и быстро переходят в два определенных состояния (–10°/+10°) — в пределах до 16 мкс. Одно из состояний зеркал соответствует состоянию логической единицы, другое — состоянию логического нуля. Это создает светлый или темный пиксель на проекционной поверхности.

Когда какое-либо зеркало переключается между положениями On и Off, оно удерживается в этом положении посредством электростатических сил. Это пример бистабильного SLM-устройства.

Является фактом, наблюдавшимся в ранних разработках прототипов DMD, что некоторые зеркала стремятся прилипать к поверхности, лежащей под ними, вследствие значительных адгезивных сил. Это может быть причиной сбоев переключений микрозеркал.

Источниками адгезии являются капиллярная конденсация воды и силы Ван-дерВаальса на молекулярном уровне. Эффект действия сил Ван-дер-Ваальса смягчается в процессе производства за счет нанесения специального слоя, снижающего поверхностную энергию контактирующих частей.

Еще в 1995 году для улучшения способности зеркал перекрывать воздействующие силы был выполнен редизайн, включающий добавление миниатюрных пружин к зеркальным наконечникам, приближающимся к поверхности под ними (рис. 2д). Пружины запасают энергию от снижения и выталкивают зеркало от поверхности.

Для минимизации эффекта капиллярной конденсации воды DMD уплотняется в сухом окружении с использованием специального герметичного корпусирования.

Герметичность — важный фактор при корпусировании DLP. Был разработан герметичный корпус из металла с прозрачным стеклянным окном, с поглотителем (геттером) для удаления влажности. DMD чувствительны к температуре, поэтому отвод тепла также предусматривается при корпусировании.

DMD устойчивы к вибрациям и ударам. Структура DMD имеет резонансные режимы вибрации с частотами, которые по крайней мере на два порядка выше частоты вибрации, сгенерированной в течение нормальной работы. Самый низкий из них — примерно на 100 кГц, другие — порядка 1 МГц. Поэтому вибрационной связи между окружающей средой и массивом DMD не возникает.

Но микрозеркала чувствительны к пыли. Поэтому процессу производства с 1994 года уделено особое внимание, в результате компания TI гарантирует 100%-ное отсутствие дефектов при производстве в чистых комнатах высоких классов чистоты. В спецификациях встречаются данные о том, что вероятно только одно дефектное микрозеркало/пиксель на 100 000. Герметичное корпусирование позволяет гарантировать защиту от загрязнений в процессе эксплуатации.

Высокая скорость переключения не вызывает разрушения микрозеркал со временем. Это объясняется тем, что скорость их движения на самом деле мала, поскольку размеры зеркал и перемещения их при переключении также малы. Средняя скорость микрозеркала — 40 см/с.

Быстрое переключение (несколько тысяч раз в секунду) допускает эмуляцию чернобелого излучения. Когда какое-то зеркало переходит в состояние On чаще, чем в состояние Off, оно отражает светло-серый пиксель, если наоборот — темно-серый пиксель.

В проекционной системе DLP возможно отражение до 1024 тонов серого, что позволяет получать высокодетальное изображение в градациях серого.

Система DLP включает (рис. 2 г):

• DMD-чип;
• световой источник;
• систему цветовых фильтров;
• DLP-электронику;
• оптическую проекционную линзу.

DMD-кристалл способен передавать цифровой видео- или графический сигнал со световым источником и проекционной линзой, зеркала в этой сборке выполняют отражение цифрового изображения или видео на экран или другую поверхность. Вместе с электроникой технология массивов цифровых микрозеркал позволяет воспроизводить изображения и видео высокого качества.

Для передачи цвета используются цветовые фильтры и до трех массивов DMD на трех кристаллах.

Белый свет, сгенерированный лампой в проекционной системе DLP, передается через цветной фильтр на его пути к поверхности кристалла DLP. Свет фильтруется минимум в красный, зеленый и синий, из которых однокристальная проекционная система DLP может создавать 16,7 млн цветов.

С технологией BrilliantColor дополнительные цвета добавляются с включением голубого (циана), фиолетового и желтого цветов, что позволяет расширять палитру и получать более живые цвета. Некоторые DLP-проекторы отличаются твердотельным освещением вместо традиционной белой лампы. В результате источник света излучает необходимые цвета без цветового фильтра. В некоторых системах DLP используется трехкристальная архитектура, в особенности для проекторов, отличающихся высокой яркостью, для больших мест проведения мероприятий (аудиторий, кинотеатров и т. д.). Эти системы способны воспроизводить до 35 трлн цветов.

Состояния On и Off каждого микрозеркала координируются посредством этих базовых цветовых блоков. Например, зеркало, отвечающее за проецирование пурпурного пикселя, будет отражать только красный и синий свет на проекционную поверхность, эти цвета смешиваются, что позволяет видеть намеченный оттенок в проецируемом изображении.

Компания Texas Instruments подчеркивает следующие преимущества технологии DLP:

• Резкость (за счет близости — порядка 1 мкм — зеркал друг к другу).
• Высокое качество изображения (цветопередача, яркость, резкость, реальность, контраст).
• Разрешение 1920×1080 (технология True 1080p, позволяющая использовать программирование HDTV, Blu-ray диски, игры).
• Реальность (контраст порядка 20 000:1).
• Полностью цифровое изображение.
• Быстродействие (срабатывание пикселя — 16 мкс).
• Безопасность работы оборудования. Инновации включают (рис. 2 е–к):
• 3D Ready. Технология 3D передачи изображений работает, передавая два изображения: одно для левого глаза, другое — для правого, человек видит их через активные очки, что и создает 3D-изображение. Но чип DLP также посылает дополнительные данные в перерыве между каждым кадром видео. Проектор взаимодействует с активными очками с применением технологии DLP Link без источников данных, что включает применение специальной системы синхронизации, встраиваемой в проектор 3D Ready DLP.
• Дизайн без ламп (некоторые DLP-проекторы имеют твердотельное освещение).
• Интерактивные проекторы (с применением специальных беспроводных интерактивных ручек, которые взаимодействуют с любой проецируемой поверхностью в режимах указания, кликов, прокрутки, навигации, записи, рисования и других функций, непосредственного (touch) или удаленного взаимодействия с экраном).
• Ультракороткие дистанции для размещения проекторов (несколько дюймов) для больших экранов (свыше 70 дюймов) с применением специальных оптических систем.
• DLP HD 1080p проекторы, HDTV-совместимые, обеспечивающие разрешение с использованием более 2 млн пикселей с высокой контрастностью (20 000:1) и применением технологий: DarkChip для получения истинно черного цвета и достижения цветовой точности, BrilliantColor — для получения более полной палитры и более живых цветов.
• Широкоформатное разрешение WXGA (1280×800) и WUXGA (1920×1200).
• Технология BrilliantColor — использование вместо трех до 6 базовых цветов для цветопередачи с улучшением цветовой точности и яркости.

Отдельного внимания заслуживает инновация в области DLP-технологии, которой является чипсет DLP Pico, представленный в 2009 году. Эта технология применена в линейке портативных пикопроекторов DLP — автономных устройств, помещаемых в ладони или являющихся частью сотовых телефонов.

Уже в 2009 году были анонсированы первые телефоны Samsung с проекторами (I7410 для европейского и W7900 — для корейского рынка), использующие DLP Pico Chipset.

Устройства для ношения в карманах или руке характеризуются временем работы от батареи до 2 ч. Разработаны специальные версии для ноутбуков и мультимедийные — для домашних развлечений. В зависимости от этого устройства отличаются возможностями подсоединения к смартфонам, компьютерам, камерам, iPod/iPod touch/iPhone и т. д. и дисплейными размерами получаемых изображений. Все они характеризуются светодиодным ламповым освещением со сроком службы 20 000 часов для «ручных» (handheld) устройств и предназначенных для ноутбуков и 30 000 часов — для мультимедийных. Контрастность «ручных» и мультимедийных — 1000:1, версий для ноутбуков — 2000:1.

Технология МОЭМС используется для одноэлементных аналоговых зеркал, разработанных для прецизионных лазерных систем. Аналоговые МЭМС-зеркала TI применяются для сканирования инфракрасного лазерного источника в пределах лазерной печатной машины, детектирования или проецирования информации в маломощных устройствах воспроизведения изображений или дисплеях и т. д.

Технология GLV Silicon Light Machines

Компания Silicon Light Machines [20] — лидер в производстве оптических МЭМС, а именно модулей Grated Light Valve (GLV), более 12 лет. Модули GLV используют дифракционную МЭМС-технологию (рис. 3) и находят применение:

• в высокоразрешающих и высокочетких (HD, High Definition) цифровых дисплеях;
• в high-end компьютерах для полиграфической печати с гравированных пластин (plate printing);
• в высокоскоростной безмасковой фотолитографии.

Рис. 3. Технологии модулей массивов дифракционных решеток Grated Light Valve Silicon Light Machines: а) базовая GLV-структура; б) сравнение технологий наклонных микрозеркал и дифракционной решетки; в) оптические принципы получения цветного и темного изображения; г) закорпусированная GLV-подсистема; д) простая дисплейная система для применения GLV-технологии; е) иллюстрация работы сканирующего линейного GLV-массива

Проецируемое изображение может создаваться посредством оптического сканирования линейного массива модулированных пикселей. Для этого необходим модулятор с быстрым переключением, способный также обрабатывать высокие оптические мощности.

Технология Grating Light Valve (GLV) является средством производства модуляторов SLM на поверхности кремниевого кристалла и включает последовательность микроскопических полосок (рис. 3а). В ее основе — простой оптический принцип, который варьирует интерференцию света для контроля дифракции (огибание волнами препятствий, отклонение от прямолинейного движения) на каждом GLV-пикселе. GLV функционирует как динамическая, настраиваемая дифракционная решетка, представляющая собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов) на кремниевой поверхности, которая может переключать, ослаблять и модулировать лазерный свет с высокой точностью (рис. 3б–в).

Типичный GLV-пиксель составлен из ряда параллельных полосок, поддерживаемых на каждом конце. Размеры пикселя являются масштабируемыми. Типичный дизайн пикселя на 25 мкм может включать 6 полосок, каждая шириной порядка 3 мкм, длиной — 100 мкм, толщиной — всего 120 нм. Эти полоски подвешены выше тонкого воздушного зазора (примерно 650 нм), что позволяет им перемещаться вертикально относительно поверхности, лежащей под ним.

Полоски удерживаются в напряжении так, что, когда они не отклоняются посредством электростатических сил, они формируют плоскую поверхность между двумя противоположными наборами якорей.

GLV-массив производится посредством стандартных CMOS-процессов, материалов и оборудования. Полоски изготавливаются из нитрида кремния — материала с высокой прочностью. Они покрываются тонким слоем алюминия, который функционирует как оптический рефлектор и электрический проводник. Затем GLV-массив собирается в мультикристальный модуль, способный работать в простой дисплейной системе (рис. 3г–д).

Когда пиксель не адресован, поверхности все вместе формируют плоское зеркало, которое отражает воздействующий свет назад к источнику. Когда GLV-пиксель адресован, чередующиеся полоски, отклоненные вниз, создают дифракционную решетку.

Приложение управляющего напряжения и, таким образом, глубины решетки на каждом пикселе контролирует пропорцию света, который отражается назад к источнику и подвергается дифракции.

Для адресации пикселя прикладывается напряжение между чередующимися алюминиевыми слоями и проводящим слоем субстрата. Разница потенциалов создает электростатическое притяжение, которое притягивает каждую пиксельную полоску вниз к субстрату, посредством чего создается квадратная дифракционная решетка. Точный контроль вертикального перемещения полоски может достигаться посредством балансирования этого электростатического привлечения против силы, восстанавливающей полоску, большее управляющее напряжение производит большее отклонение полосок.

Вследствие обратной пропорциональности электростатического воздействия квадрату расстояния между проводниками и также из-за того, что дистанции малы, могут быть достигнуты очень высокие значения силы и ускорения. Они уравновешиваются восстанавливающей силой упругости полосок. Созданная система характеризуется прочностью, однородностью, повторяемостью. Полоски с малыми массами вместе с малыми перемещениями и большими силами дают высокую скорость переключения пикселей от состояния On до Off — до 20 нс. Очень точные уровни серой шкалы достигаются посредством контролирования пропорций времени, в течение которых пиксели находятся в состоянии On или Off.

Производитель заявляет, что GLV-устройство превосходит другие МЭМС-решения SLM в отношении скорости (на три порядка), точности, надежности и с производственной точки зрения.

GLV-устройства могут работать в цифровом или аналоговом режимах, что допускает высокую гибкость в системном дизайне и оптимизацию продукта. В цифровом режиме пиксели находятся в состоянии Off, когда они не отклонены, и в состоянии On, когда они притянуты вниз, точно на одну четверть длины волны воздействующего света. В аналоговом режиме видеодрайверы точно контролируют отклонение полосок GLV между этими двумя состояниями, что создает переменную интенсивность градаций серого. Для ограничения отраженного и дифракционного света применяется Шлиренметод. Посредством блокирования отраженного и сбора дифракционного света достигается контрастность порядка 1000:1.

Эффективность световой модуляции GLV с идеальной решеткой — до 90%.

В так называемой сканирующей GLV-архитектуре (The Scanned или Scanning GLV Architecture) линейный массив GLV-пикселей используется для проецирования одного столбца изображения (рис. 3е). Столбец оптически сканируется на проекционный экран. При горизонтальном движении массива пиксели GLV формируют одно целое изображение. Для создания изображения 1920×1080 HDTV на ск рости обновления 100 Гц каждый столбец видеоданных отображается в пределах примерно 4,2 мкс, что требует времени переключения пикселей менее этого значения.

Такая архитектура дает производителю выигрыш в цене. Для создания изображения HDTV размерами 1920×1080 пикселей производится только линейный массив на основе 1080 пикселей с межсоединениями и адресацией, но другие компании (например, TI) должны производить, также с межсоединениями и адресацией, 2 млн пикселей, что отражается на цене устройства.

Помимо цены, преимущества технологии включают:

• высокие объемы производства;
• меньшую оптику;
• масштабируемость для достижения необходимого разрешения;
• высокие аспектовые соотношения;
• однородность вследствие малого пиксельного счета;
• способность проецировать цвет последовательной развертки без разложений;
• вследствие линейности массива — оптимальное сочетание с лазерными полосами;
• очень легкая интеграция драйверных схем и электроники на том же кристалле, где и оптическое устройство;
• полная интеграция трех линейных массивов на кристалле для создания недорогого и механически стабильного проекционного RGB-устройства;
• практически 100%-ный фактор заполнения за счет отсутствия границ между переключающими и ослабляющими элементами;
• практически полное отсутствие контактирования, эффектов прилипания и т. д.

GLV-технология изначально разрабатывалась для использования в высокоразрешающих цифровых дисплеях, где дифракционная МЭМС-технология могла обеспечить яркие, контрастные изображения и воспроизводство цветов. Точная пространственная световая модуляция давала изображения высокого качества, и Sony Corporation на лицензионной основе применила технологию Silicon Light Machines для разработки своих дисплейных продуктов следующего поколения, которые используют лазеры как источник света, включая системы цифровых проекторов и оборудование для домашних театров.

Технологию GLV отличают способности быстрого переключения и точного контроля дифракции, что было востребовано производителями оборудования Computer-to-Plate (CtP) для high-end рынка печати. CtP представляет собой метод печати, согласно которому изображение записывается непосредственно на носитель — алюминиевую плату с поддержкой горячей эмульсией, без маски. Метод обеспечивает высокое качество и производительность.

Технология GLV также находит применение в телекоммуникационном оборудовании WDM (Wavelength Division Multiplexing, мультиплексирование c делением по длине волны).

Она перспективна и для автомобильных дисплеев HUD (head-up displays). Ключевым компонентом архитектуры Scanning GLV Architecture является сканер, функции которого состоят в проведении модулированного света (горизонтально или вертикально) через целевую проекционную область.

В варианте системного дизайна для HUD компактный лазерный диодный источник генерирует последовательно развертываемый цветной дисплей, используя одиночный мультиплексированный во времени линейный массив GLV. В работе одиночная вертикальная дисплейная линия может освещаться вначале красным, затем зеленым и далее синим компонентом света, прежде чем сканер переместится к следующей дисплейной линии, и данный процесс повторяется.

Продолжение.