Жидкий кристалл на кремнии
Тип технологии отображения

Жидкий кристалл на кремнии ( LCoS или LCOS ) — это миниатюрный отражающий активно-матричный жидкокристаллический дисплей или «микродисплей», использующий жидкокристаллический слой поверх кремниевой задней панели. Он также известен как пространственный модулятор света . Первоначально LCoS был разработан для проекционных телевизоров , но с тех пор нашел дополнительные применения в селективном переключении длины волны , структурированном освещении , дисплеях около глаза и формировании оптических импульсов.

LCoS отличается от других технологий ЖК-проекторов , которые используют пропускающий ЖК-дисплей , позволяющий свету проходить через блок(и) обработки света. LCoS больше похож на микрозеркальные дисплеи DLP .

Технологии

Схема Hughes LCLV

Жидкокристаллический световой клапан Хьюза (LCLV) был разработан для модуляции светового луча высокой интенсивности с использованием более слабого источника света, концептуально аналогично тому, как усилитель увеличивает амплитуду электрического сигнала; LCLV был назван в честь общего названия для триодной вакуумной трубки . [1] Высокоразрешающий источник света низкой интенсивности (обычно ЭЛТ ) использовался для «записи» изображения в слое фотосенсора CdS , который питается прозрачным электродом из оксида индия и олова , приводимым в действие источником переменного тока примерно в 10 мВ. Светоблокирующий слой CdTe предотвращает прохождение света записи низкой интенсивности через устройство; фотосенсор и светоблокирующий слой вместе образуют выпрямляющий переход, создавая смещение постоянного напряжения через слой жидкого кристалла , перенося изображение на отражающую сторону [2] : 5  путем изменения вращения поляризации в скрученном нематическом жидком кристалле. На отражающей стороне высокоинтенсивный поляризованный проекционный источник света селективно отражается от диэлектрического зеркала на основе поляризации внутри жидкого кристалла, контролируемой фотодатчиком. Диэлектрическое зеркало формируется путем распыления чередующихся слоев TiO
2и SiO
2, с конечным SiO
2слой, протравленный для выравнивания жидкокристаллического материала. [3] : 10–12  Более поздняя разработка LCLV использовала аналогичные полупроводниковые материалы, организованные в те же базовые структуры. [4] : 10 

Схема Hughes-JVC D-ILA

Принцип LCLV переносится в цифровое устройство 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 из 1024×768 пикселей, каждый из которых имеет независимо адресуемый транзистор. [5] В устройстве LCoS комплементарный чип металл-оксид-полупроводник (КМОП) управляет напряжением на квадратных отражающих алюминиевых электродах, скрытых прямо под поверхностью чипа, каждый из которых управляет одним пикселем. Типичные чипы имеют площадь приблизительно 1–3 см (0,39–1,18 дюйма) и толщину приблизительно 2 мм (0,079 дюйма), с шагом пикселя всего 2,79 мкм (0,110 мил). [6] Общее напряжение для всех пикселей обеспечивается прозрачным проводящим слоем из оксида индия и олова на покровном стекле.

Дисплеи

История

История проекторов LCoS восходит к июню 1972 года, когда технология LCLV была впервые разработана учеными из Hughes Research Laboratories, 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 летных симуляторов из-за их большого и громоздкого размера. [9] Совместное предприятие Hughes Electronics и JVC (Hughes-JVC) было основано в 1992 году [10] для разработки технологии LCLV для коммерческих кинотеатров под брендом ILA (Image Light Amplifer). [11] Один из примеров имел высоту 72,5 дюйма (1840 мм) и весил 1670 фунтов (760 кг), используя ксеноновую дуговую лампу мощностью 7 кВт . [12]

Концептуальная схема проектора LCoS

В 1997 году инженеры JVC разработали D-ILA (усилитель изображения с прямым приводом) на основе Hughes LCLV, [10] [13], что привело к созданию более компактных и доступных цифровых проекторов LCoS, использующих трехчиповые устройства 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 ранних проекторов LCoS были свои проблемы. Они страдали от явления, называемого «залипание изображения», когда изображение оставалось на экране после того, как оно должно было исчезнуть. Это было связано с залипанием зеркал в своих позициях, что приводило к появлению ореолов на экране. Однако производители продолжали совершенствовать технологию, и сегодняшние проекторы LCoS в значительной степени преодолели эту проблему.

Sony представила свою технологию SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) в 2004 году. SXRD была развитием технологии LCoS, которая использовала еще меньшие пиксели и более высокое разрешение, что приводило к еще более точному изображению. Технология SXRD использовалась в высококачественных проекторах для домашних кинотеатров Sony и быстро завоевала репутацию благодаря своему исключительному качеству изображения.

Проектор JVC "D-ILA" LCoS

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 для любителей домашнего кинотеатра.

Проекторы LCoS продолжают развиваться, и производители внедряют такие функции, как разрешение 4K и поддержка HDR ( High Dynamic Range ). Проекторы LCoS теперь доступны в различных ценовых категориях: от недорогих моделей для домашнего кинотеатра до высококлассных профессиональных моделей, используемых в коммерческих инсталляциях.

Архитектуры систем отображения

Технология отображения LCoS — это тип микродисплея, который приобрел популярность благодаря высокому качеству изображения и возможности отображать изображения с высоким разрешением. Системы отображения LCos обычно состоят из трех основных компонентов: панели LCos, источника света и оптической системы.

Панель LCos является сердцем системы отображения. Она состоит из массива пикселей, которые расположены в виде сетки. Каждый пиксель состоит из жидкокристаллического слоя, отражающего слоя и кремниевой подложки. Жидкокристаллический слой управляет поляризацией проходящего через него света, в то время как 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 необходимого освещения панели LCos. Наиболее распространенным источником света, используемым в системах отображения LCos, является лампа высокой интенсивности. Эта лампа излучает широкий спектр света, который фильтруется через цветовое колесо или другие оптические компоненты для обеспечения необходимой цветовой гаммы 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 спроектированы и откалиброваны для обеспечения необходимого увеличения, фокусировки и цветовой коррекции для системы отображения.

Трехпанельные конструкции

Белый свет разделяется на три компонента (красный, зеленый и синий), а затем снова объединяется после модуляции тремя устройствами LCoS. Свет дополнительно поляризуется светоделителями .

Однопанельные конструкции

Программа однопанельных дисплеев LCOS от Toshiba и Intel была прекращена в 2004 году до того, как какие-либо устройства достигли финальной стадии прототипа. [16] В производстве находились однопанельные дисплеи LCoS: один от Philips и один от Microdisplay Corporation. Forth Dimension Displays продолжает предлагать технологию отображения Ferroelectric LCoS (известную как Time Domain Imaging), доступную в разрешениях QXGA , SXGA и WXGA, которая сегодня используется для приложений с высоким разрешением вблизи глаза, таких как обучение и моделирование, проекция структурированного светового рисунка для AOI . Citizen Finedevice (CFD) также продолжает производить однопанельные дисплеи RGB с использованием технологии FLCoS (ферроэлектрические жидкие кристаллы). Они производят дисплеи с несколькими разрешениями и размерами, которые в настоящее время используются в пикопроекторах , электронных видоискателях для цифровых камер высокого класса и дисплеях, монтируемых на голове . [17]

Пикопроекторы, дисплеи, крепящиеся на голове и вблизи глаз

Первоначально дисплеи LCoS были разработаны для проекторов с большим экраном, однако впоследствии нашли свою потребительскую нишу в области пикопроекторов , где их небольшой размер и низкое энергопотребление хорошо соответствуют ограничениям таких устройств.

Устройства LCoS также используются в приложениях, расположенных около глаз, таких как электронные видоискатели для цифровых камер, пленочных камер и головных дисплеев (HMD) . Эти устройства изготавливаются с использованием сегнетоэлектрических жидких кристаллов (поэтому технология называется FLCoS), которые по своей природе быстрее других типов жидких кристаллов для создания высококачественных изображений. [18] Первоначальный набег Google на носимые компьютеры, Google Glass, [19] также использует дисплей LCoS, расположенный около глаз.

На выставке CES 2018 компания Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited ( ASTRI ) и OmniVision представили эталонный дизайн беспроводной гарнитуры дополненной реальности, которая могла бы достигать 60-градусного поля зрения (FoV). Она объединила однокристальный дисплей LCOS 1080p и датчик изображения от OmniVision с оптикой и электроникой ASTRI. Говорят, что гарнитура меньше и легче других из-за своей однокристальной конструкции со встроенным драйвером и буфером памяти. [20]

Переключатели, селективные по длине волны

LCoS особенно привлекателен в качестве механизма переключения в переключателе, селективном по длине волны (WSS). WSS на основе LCoS изначально были разработаны австралийской компанией Engana, [21] теперь являющейся частью Finisar. [22] LCoS может использоваться для управления фазой света в каждом пикселе для создания управления лучом [23] , где большое количество пикселей обеспечивает возможность почти непрерывной адресации. Обычно большое количество фазовых шагов используется для создания высокоэффективного переключателя с низкими вносимыми потерями, показанного на рисунке. Эта простая оптическая конструкция включает в себя поляризационное разнообразие, управление размером моды и оптическую визуализацию с длиной волны 4-f на дисперсионной оси LCoS, обеспечивая интегрированное переключение и управление оптической мощностью. [24]

В процессе работы свет проходит от волоконной матрицы через поляризационную оптику формирования изображения, которая физически разделяет и выравнивает ортогональные состояния поляризации, чтобы они находились в высокоэффективном состоянии s-поляризации дифракционной решетки. Входной свет от выбранного волокна матрицы отражается от зеркала формирования изображения, а затем рассеивается под углом решеткой, которая находится под углом падения Литтроу , отражая свет обратно в оптику формирования изображения, которая направляет каждый канал в другую часть LCoS. Затем путь для каждой длины волны восстанавливается при отражении от LCoS, при этом изображение управления лучом применяется к LCOS, направляя свет в определенный порт волоконной матрицы. Поскольку каналы длин волн разделены на LCoS, переключение каждой длины волны не зависит от всех других и может переключаться без помех для света на других каналах. Существует множество различных алгоритмов, которые могут быть реализованы для достижения заданной связи между портами, включая менее эффективные «изображения» для ослабления или разделения мощности.

WSS на основе технологий MEMS [25] и/или жидких кристаллов [26] выделяют один коммутационный элемент (пиксель) для каждого канала, что означает, что полоса пропускания и центральная частота каждого канала фиксируются на момент изготовления и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Кроме того, многие конструкции WSS первого поколения (особенно те, которые основаны на технологии MEM) показывают выраженные провалы в спектре передачи между каждым каналом из-за ограниченного спектрального «фактора заполнения», присущего этим конструкциям. Это препятствует простому объединению соседних каналов для создания одного более широкого канала.

Однако WSS на основе LCoS допускает динамическое управление центральной частотой канала и полосой пропускания посредством оперативной модификации пиксельных массивов с помощью встроенного программного обеспечения. Степень управления параметрами канала может быть очень мелкозернистой, с независимым управлением центральной частотой и верхней или нижней границей полосы канала с разрешением лучше 1 ГГц. Это выгодно с точки зрения технологичности, поскольку различные планы каналов могут быть созданы с одной платформы, и даже различные рабочие диапазоны (например, C и L) могут использовать одинаковую матрицу коммутатора. Кроме того, можно воспользоваться этой возможностью перенастраивать каналы во время работы устройства. Были представлены продукты, позволяющие переключаться между каналами 50 ГГц и каналами 100 ГГц или смесью каналов, не внося никаких ошибок или «ударов» в существующий трафик. Совсем недавно эта возможность была расширена для поддержки всей концепции гибких или эластичных сетей в соответствии с ITU G.654.2 с помощью таких продуктов, как Flexgrid™ WSS компании Finisar.

Другие приложения LCoS

Формирование оптического импульса

Способность WSS на основе LCoS независимо управлять как амплитудой, так и фазой передаваемого сигнала приводит к более общей возможности манипулировать амплитудой и/или фазой оптического импульса посредством процесса, известного как формирование импульса в области Фурье. [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 в источник суперконтинуума 20 нм, в то время как второе такое устройство использовалось для сжатия выходного сигнала до 400 фемтосекундных импульсов с ограничением по преобразованию. [28] Пассивная синхронизация мод волоконных лазеров была продемонстрирована при высоких частотах повторения, но включение POP на основе LCoS позволило изменить фазовое содержимое спектра, чтобы перевернуть последовательность импульсов пассивно синхронизированного лазера с ярких на темные импульсы. [29] Похожий подход использует спектральное формирование оптических частотных гребенок для создания нескольких последовательностей импульсов. Например, оптическая частотная гребенка 10 ГГц была сформирована POP для генерации темных параболических импульсов и гауссовых импульсов на 1540 нм и 1560 нм соответственно. [30]

Структурирование света

Структурированный свет с использованием быстрого сегнетоэлектрика LCoS применяется в методах 3D-микроскопии сверхвысокого разрешения и в проекции полос для автоматизированного 3D-оптического контроля .

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. Аналогично LCoS использовался для направления света в выбранные ядра многоядерных волоконных систем передачи, опять же как тип пространственного разделения мультиплексирования.

Перестраиваемые лазеры

LCoS использовался в качестве метода фильтрации и, следовательно, механизма настройки как для полупроводниковых диодных, так и для волоконных лазеров. [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Beard, TD; Bleha, WP; Wong, SY (1 февраля 1973 г.). "Жидкокристаллический световой клапан переменного тока". Applied Physics Letters . 22 (3): 90–92. Bibcode : 1973ApPhL..22...90B. doi : 10.1063/1.1654574.
  2. ^ Смит, Дж. Линн (12 июня 1978 г.). Применение жидкокристаллического светового клапана для обработки изображений (отчет). Технологическая лаборатория, арсенал Редстоун . Получено 16 января 2024 г.
  3. ^ Якобсон, А.Д.; Блеха, В.П. (апрель 1977 г.). Разработка жидкокристаллического светового клапана переменного тока с цветовой символикой (отчет). Hughes Research Labs . Получено 16 января 2024 г.
  4. ^ Эфрон, У.; Винер-Авнер, Э.; Гринберг, Дж.; Браатц, ПО; Литтл, МДж; Шварц, РН (июль 1982 г.). Разработка кремниевого жидкокристаллического светового клапана для многомодового режима работы (отчет). Hughes Research Labs . Получено 16 января 2024 г.
  5. ^ "D-ILA: Технология для создания идеальных изображений" (PDF) . JVC. Июнь 2000 г. Получено 16 января 2024 г.
  6. ^ Compound Photonics. "Продукты Compound Photonics". Архивировано из оригинала 18 октября 2014 г. Получено 13 октября 2014 г.
  7. ^ Якобсон, А.Д. (май 1975 г.). Разработка жидкокристаллического светового клапана с отражательным режимом (отчет). Hughes Research Labs . Получено 16 января 2024 г.
  8. ^ Армитидж, Дэвид; Андервуд, Ян; Ву, Шин-Тсон (2006). Введение в микродисплеи . Wiley. ISBN 978-0-470-85281-1.
  9. ^ Howard, Celeste M. (июнь 1989). Display Characteristics of Example Light-Valve Projectors (Report). Исследовательский институт Дейтонского университета . Получено 17 января 2024 г.
  10. ^ ab "JVC консолидирует операции по проекторам с поглощением Hughes-JVC" (пресс-релиз). JVC Professional. 16 декабря 1999 г. Получено 16 января 2024 г.
  11. ^ Стерлинг, RD; Блеха, WP «Электронное кино с использованием технологии проектора ILA» (PDF) . Hughes-JVC Technology Corporation . Получено 16 января 2024 г.
  12. ^ "Проектор ILA-12K". JVC Professional . Получено 16 января 2024 г.
  13. ^ Накано, Ацуши; Хонма, Акира; Накагаки, Синтаро; Дои, Кейитиро (1998). Отражающий активно-матричный ЖК-дисплей: D-ILA . Photonics West / Electronic Imaging. Сан-Хосе, Калифорния: Общество инженеров фотооптической аппаратуры. doi :10.1117/12.305518.
  14. ^ Блеха, Уильям П.; Стерлинг, Родни Д. (2003). Технология D-ILA для проекционных дисплеев высокого разрешения . AeroSense. Орландо, Флорида: Общество инженеров фотооптического приборостроения. doi :10.1117/12.497532.
  15. ^ «Проектор D-ILA: DLA-G11» (PDF) . JVC Профессионал. Ноябрь 1999 года . Проверено 16 января 2024 г.
  16. ^ Хачман, Марк. "Обновление: Intel отменяет планы по выпуску чипов LCOS". 415.992.5910 . Extreme Tech . Получено 17 июня 2011 г. .
  17. ^ Домашняя страница MDCA, дочерней компании Citizen Finedevice
  18. ^ Коллингс, Н. (2011). «Применение и технология фазовых жидких кристаллов на кремниевых устройствах». Журнал IEEE по технологии отображения . 7 (3): 112–119. Bibcode : 2011JDisT...7..112C. doi : 10.1109/JDT.2010.2049337. S2CID  34118772.
  19. ^ Google Glass. google.com
  20. ^ «Эта гарнитура дополненной реальности превосходит поле зрения HoloLens, но вы все равно не будете носить ее на публике». Next Reality . 11 января 2018 г. . Получено 23 июня 2020 г. .
  21. ^ Бакстер, Г. и др. (2006) «Высокопрограммируемый селективный переключатель длины волны на основе жидких кристаллов», на конференции по оптоволоконной связи, 2006 г. и на Национальной конференции инженеров по оптоволокну 2006 г.
  22. ^ ROADM и управление длиной волны. finisar.com
  23. ^ Джонсон, К. М. (1993). «Умные пространственные модуляторы света с использованием жидких кристаллов на кремнии». IEEE J. Quantum Electron . 29 (2): 699–714. Bibcode : 1993IJQE...29..699J. doi : 10.1109/3.199323.
  24. ^ Каминов, Ли и Вильнер (ред.). "Гл. 16". Оптоволоконные телекоммуникации VIA . Academic Press. ISBN 978-0-12-396958-3.
  25. ^ Маром, Д.М. и др. (2002) «Селективный по длине волны переключатель 1×4 для 128 каналов WDM с интервалом 50 ГГц», в Proc. Optical Fiber Communications), Анахайм, Калифорния, Postdeadline Paper FB7, стр. FB7-1–FB7-3
  26. ^ Кондис, Дж. и др. (2001) «Жидкие кристаллы в оптических переключателях DWDM и спектральных эквалайзерах на основе объемной оптики», стр. 292–293 в Proc. LEOS 2001, Пискатауэй, Нью-Джерси.
  27. ^ Weiner, AM (2000). "Формирование фемтосекундных импульсов с использованием пространственных модуляторов света" (PDF) . Rev. Sci. Instrum . 71 (5): 1929–1960. Bibcode :2000RScI...71.1929W. doi :10.1063/1.1150614.
  28. ^ AM Clarke, DG Williams, MAF Roelens, MRE Lamont и BJ Eggleton, «Формирование параболических импульсов для улучшенной генерации континуума с использованием селективного переключателя длины волны на основе LCoS», на 14-й конференции по оптоэлектронике и коммуникациям (OECC) 2009 г.
  29. ^ Шредер, Йохен Б. (2010). «Темный и яркий импульсный пассивный лазер с синхронизацией мод с внутрирезонаторным формирователем импульсов». Optics Express . 18 (22): 22715–22721. Bibcode : 2010OExpr..1822715S. doi : 10.1364/OE.18.022715 . PMID  21164610.
  30. ^ Нг, ТТ и др. (2009) «Полные временные оптические преобразования Фурье с использованием темных параболических импульсов», 35-я Европейская конференция по оптической связи.
  31. ^ 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.
  32. ^ Сяо, Фэн (2009). «Настраиваемый одномодовый волоконный лазер на основе опто-СБИС». Optics Express . 17 (21): 18676–18680. Bibcode : 2009OExpr..1718676X. doi : 10.1364/OE.17.018676 . PMID  20372600.
  • Бивер, Селеста. «Intel inside» приходит в телевизоры с плоским экраном (9 января 2004 г. – больше не планируется к разработке) New Scientist
  • Все, что вам нужно знать о телевизионных технологиях от Hardware Secrets
  • Проекторы LCoS на Projectors Pick
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Жидкий_кристалл_на_кремнии&oldid=1253367426"