Кіріспе

Сұйық кристалл кремнийде (LCoS немесе LCOS) – кремнийлік негізгі тіректегі сұйық кристалл қабатын қолданатын кішірейтілген, жарық шағылыстыратын белсенді матрицалық сұйық кристалл дисплейі немесе "микродисплей". Ол кеңістіктік жарық модулятор деп те аталады. LCoS бастапқыда проекциялық теледидарлар үшін әзірленген, бірақ содан бері толқын ұзындығын таңдап ауыстыру, құрылымдық жарықтандыру, көзге жақын дисплейлер және оптикалық импульсті қалыптастыру сияқты қосымша қолданыстар тапты. LCoS басқа LCD проектор технологияларынан өзгеше, олар жарық өңдеу блогы арқылы жарықты өткізіп жіберетін, транзиттік LCD-ны пайдаланады. LCoS көбірек DLP микроайналы дисплейлеріне ұқсас.

Технология

Hughes сұйық кристалл жарық клапаны (LCLV) жоғары интенсивті жарық сәулесін модуляциялау үшін, әлсіз жарық көзі арқылы жасалған; бұл тұжырымдама бойынша, күшейткіш электр сигналының амплитудасын арттыруға ұқсас. LCLV триодты вакуум түтігінің кең таралған атауымен аталған. Жоғары ажыратымды, төмен интенсивті жарық көзі (әдетте ЭКР) CdSlink=кадмий сульфид фотосенсор қабатына суретті "жазу" үшін қолданылды, ол мөлдір индий-қақта тотығы электродымен қуаттандырылады және шамамен 10 мВ жиіліктің айнымалы тогымен басқарылады. CdTelink=кадмий теллуридінен жасалған жарық тоқтату қабаты төмен интенсивті жазу жарығының құрылғы арқылы өтуіне кедері келтіреді; фотосенсор және жарық тоқтату қабаты бірлесіп түзету түйінін құрайды, сұйық кристалл қабатында тұрақты ток кернеуін тудырады, бұл суретті бұрылған нематикалық сұйық кристалдағы поляризацияның бұрылуын өзгерту арқылы шағылыстыратын бетке жеткізеді. Шағылыстыратын бетте, жоғары интенсивті поляризацияланған жарық көзі, фотосенсор басқаратын сұйық кристалдың ішіндегі поляризацияға сүйене отырып, диэлектрлік айнадан іріктеп шағылысады. Диэлектрлік айна сұйық кристалл материалының бағытталуын қамтамасыз ету үшін соңғы SiO2 қабаты ойылып, және қабаттарының кезектесіп бүрку арқылы жасалады. LCLV-нің кейінгі дамуы осы негізгі құрылымдарда ұқсас жартылай өткізгіш материалдарды пайдаланды. LCLV принципі LCoS цифрлық дисплей құрылымында жалғасады, онда әрқайсысы жеке LCLV-нің шағылыстыратын жағына тең пиксельдер массиві бар. LCoS құрылымындағы бұл пиксельдер LCLV-дегі төмен интенсивті "жазу жарығы" көзіне қарағанда, шағылысқан жарықтың интенсивтілігін модуляциялау үшін тікелей сигналдармен басқарылады. Мысалы, XGA ажыратымдылығы бар чипте 1024 × 768 пикселден тұратын массив болады, олардың әрқайсысы жеке басқарылатын транзистормен жабдықталған. LCoS құрылымында, толықтырылған металл-оксид-жартылай өткізгіш (CMOS) чипі, чип бетінің астында орналасқан шаршы алюминий электродтарының кернеуін басқарады, олардың әрқайсысы бір пикселді басқарады. Типтік чиптер шамамен шаршы пішіндес және шамамен қалыңдығы бар, пикселдер аралығы A-ға тең. Барлық пиксельдер үшін жалпы кернеу, жабын шынысының үстіндегі индий-қақта тотығынан жасалған мөлдір өткізгіш қабат арқылы беріледі.

Тарих

LCoS проекторларының тарихы 1972 жылдың маусым айына дейін, LCLV технологиясын алғаш рет Hughes Research Laboratories ғылымдарының ішкі зерттеу және әзірлеме жобасында жасауымен басталды. General Electric компаниясы 1970 жылдардың соңында төмен ажыратымдылықтағы LCoS дисплейін көрсетті. LCLV проекторлары көбінесе үлкен және ауыр болғандықтан, әскери ұшқыштарды дайындау симуляторларында қолданылды. 1992 жылы Hughes Electronics және JVC (Hughes JVC) бірлесіп, LCLV технологиясын ILA (Image Light Amplifier) таңбасымен коммерциялық кинотеатрлар үшін әзірлеу үшін құрылтай құрды. Мысалы, бір үлгісі 7 кВт ксенонды доғалық шамды пайдаланып, биік және салмақты болды. 1997 жылы JVC инженерлері Hughes LCLV негізінде D ILA (Direct Drive Image Light Amplifier) құрылғысын жасады, бұл үш чипті D ILA құрылғыларын қолдана отырып, кішкентай және қолжетімді LCoS цифрлық проекторларына әкелді. Бұл проекторлар кинотеатрлық ILA проекторларына қарағанда азырақ жарқырап, төмен ажыратымдылыққа ие болғанымен, олар көшпелірек болды. Олар "бейне жабысу" деп аталатын құбылыстан зардап шекті, онда сурет жойылғаннан кейін де экранда қалып қоятын. Бұл айналардың өз орнында қалғандығынан туындаған көлеңкелі эффектіге себеп болды. Дегенмен, өндірушілер технологияны жетілдіруді жалғастырды және қазіргі LCoS проекторлары бұл мәселені көбінесе шешіп алды. Sony 2004 жылы SXRD (Silicon Xtal Reflective Display) технологиясын ұсынды. SXRD – LCoS технологиясының дамуы, ол одан да кішкентай пиксельдерді және жоғары ажыратымдылықты қолданды, нәтижесінде одан да нақты сурет алынды. SXRD технологиясы Sony компаниясының жоғары сапалы үй кинотеатрлары проекторларында қолданылды және ол өте жақсы сурет сапасымен танымал болды. JVC 2006 жылы жаңартылған D ILA технологиясын енгізді, ол поляризациялық сүзгіні қажет етпейтін болды, нәтижесінде сурет жарқырап, көрікті болды. D ILA технологиясы үй кинотеатрына құмар адамдардың танымал таңдауына айналды. LCoS проекторлары 4K ажыратымдылық және HDR (Жоғары динамикалық диапазон) қолдауы сияқты мүмкіндіктерді қоса отырып, дамуын жалғастыруда. LCoS проекторлары қазір әртүрлі баға диапазонында қол жетімді, үй кинотеатрына арналған қолжетімді модельдерден бастап коммерциялық орналымдарда қолданылатын жоғары сапалы кәсіби модельдерге дейін. Жалпы алғанда, LCoS проекторларының тарихы – инновациялар мен жақсартулардың тарихы. Алғашқы кездері ауыр әскери және ғылыми жабдық ретінде пайдаланғаннан бастап, қазіргі заманғы сәнді және қолжетімді тұтынушылық модельдерге дейін LCoS проекторлары ұзақ жол жүрді. Олардың жоғары сапалы суреті, түстерді дәл беруі және басқа да артықшылықтары үй кинотеатрына құмар адамдар мен кәсіби мамандар үшін танымал таңдауға айналдырды.

Дисплейлік жүйе архитектурасы

LCoS дисплей технологиясы – жоғары бейне сапасымен және жоғары ажыратымдылықтағы кескіндерді көрсету мүмкіндігімен танымал микродисплейдің бір түрі. LCoS дисплей жүйелері әдетте үш негізгі компоненттен тұрады: LCoS панелі, жарық көзі және оптикалық жүйе. LCoS панелі дисплей жүйесінің негізгі бөлігі болып табылады. Ол торлы құрылымда орналасқан пиксельдер массивінен тұрады. Әрбір пиксель сұйық кристалдық қабаттан, жарық шағылыстыратын қабаттан және кремнийлік негізден құралған. Сұйық кристалдық қабат арқылы өтетін жарықтың поляризациясын басқарады, ал жарық шағылыстыратын қабат жарықты оптикалық жүйеге қайтарады. Кремнийлік негіз жеке пиксельдерді басқару үшін және LCoS панелін басқаруға қажетті электрониканы қамтамасыз ету үшін қолданылады. Жарық көзі LCoS панеліне қажетті жарық беру үшін пайдаланылады. LCoS дисплей жүйелерінде ең көп қолданылатын жарық көзі – жоғары қарқынды лампа. Бұл лампа кең спектрлі жарық шығарады, ол дисплей жүйесі үшін қажетті түс спектрін қамтамасыз ету үшін түстік дөңгелек немесе басқа оптикалық компоненттер арқылы сүзіледі. Оптикалық жүйе жарық көзінен жарықты LCoS панеліне бағыттап, нәтижедегі кескінді экранға немесе басқа бетке проекциялайды. Оптикалық жүйе дисплей жүйесі үшін қажетті ұлғайту, фокус және түс түзетуін қамтамасыз ету үшін мұқият жобаланған және калибрленген бірнеше линзалардан, айналардан және басқа оптикалық компоненттерден тұрады.

Үш панеллі конструкциялар

Ақ жарық үш құрамға (қызыл, жасыл және көк) бөлінеді, содан кейін 3 LCoS құрылғысымен модуляцияланғаннан кейін қайта біріктіріледі. Сәуле бөлушілер арқылы жарық қосымша поляризацияланады.

Бір панеллі конструкциялар

Toshiba және Intel компанияларының бір панельді LCOS дисплей бағдарламалары 2004 жылы тоқтатылды, тіпті бірде-бір құрылғы соңғы сатыдағы прототипке жетпеді. Бірақ өндірісте бір панельді LCoS дисплейлері болды: бірі Philips, екіншісі Microdisplay Corporation компанияларында. Forth Dimension Displays компаниясы QXGA, SXGA және WXGA ажыратымдалылығында Ferroelectric LCoS дисплей технологиясын (Time Domain Imaging деп аталады) ұсынуды жалғастыруда, ол бүгінде оқу-жаттығу, AOI үшін құрылымды жарық үлгісін проекциялау сияқты көзге жақын жоғары ажыратымды қолданулар үшін пайдаланылады. Citizen Finedevice (CFD) де FLCoS технологиясын (Ferroelectric Liquid Crystals) қолданатын бір панельді RGB дисплейлерді өндіруді жалғастыруда. Олар пикопроекторларда, жоғары сапалы цифрлық камералардың электрондық көру құралдарында және басқа орналасатын дисплейлерде қолданылатын әртүрлі ажыратымдар мен өлшемдердегі дисплейлерді шығарады.

Пикопроекторлар, көзге жақын және басына орнатылған дисплейлер

Бастапқыда үлкен экранды проекторлар үшін әзірленген LCoS дисплейлері, пико-проекторлар саласында тұтынушылардың назарына ілігіп, олардың кішкентай өлшемдері мен төмен қуат тұтынуы мұндай құрылғылардың талаптарына сай келеді. LCoS құрылғылары сондай-ақ цифрлық камералардың, кинокамералардың және басқа орналастырылатын дисплейлердің (HMD) электрондық көру іздегіштері сияқты көзге жақын қолдануда да қолданылады. Бұл құрылғылар жоғары сапалы кескіндерді жасау үшін басқа түрлерге қарағанда жылдамырақ ферроэлектрлік сұйық кристалдарды (осы технология FLCoS деп аталады) пайдаланып жасалады. Google компаниясының киеліп тозуға арналған компьютерлерге жасаған алғашқы қадамы – Google Glass та көзге жақын LCoS дисплейін қолданады. CES 2018 көрмесінде Гонконгтың қолданбалы ғылым және технология зерттеу институты (ASTRI) және OmniVision компаниялары 60 градус көру бұрышына (FoV) қол жеткізе алатын сымсыз толықтырылған шындық гарнитурасының үлгілік дизайнын ұсынды. Ол OmniVision-нан алынған 1080p LCOS дисплейі мен бейне сенсорын ASTRI-дың оптикалық және электрондық құрылғыларымен біріктірді. Гарнитура драйвер және жад буфері бар бір микросхемалық дизайнының арқасында басқалардан кішкентай және жеңіл болуы мүмкін.

Толқын ұзындығын таңдап алатын қосқыштар

LCoS толқын ұзындығы бойынша таңдамалы коммутаторда (WSS) коммутациялық механизм ретінде ерекше тартымды. LCoS негізіндегі WSS бастапқыда австралиялық Engana компаниясымен әзірленген, қазір Finisar компаниясының құрамында. LCoS әр пикселдегі жарықтың фазасын басқару үшін қолданылуы мүмкін, онда пикселдердің көп саны дерлік үздіксіз бағыттау мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Әдетте, жоғары тиімді және төмен кіріктіру шығындарына ие коммутатор құру үшін көптеген фазалық қадамдар қолданылады. Бұл қарапайым оптикалық конструкция поляризацияның әртүрлілігін, режимнің мөлшерін басқаруды және LCoS дисперсиялық осіндегі 4f толқын ұзындығы оптикалық бейнелеуді қамтиды, бұл интеграцияланған коммутациялау мен оптикалық қуатты басқаруды қамтамасыз етеді. Жұмыс істеу кезінде жарық талшықты массивтен поляризациялық бейнелеу оптикасы арқылы өтеді, ол физикалық түрде бөлінеді және дифракциялық тордың жоғары тиімді s поляризациялық күйінде болуы үшін ортогональды поляризациялық күйлерді сәйкестендіреді. Массивтің таңдалған талшығынан кіретін жарық бейнелеу айнысынан шағылысып, содан кейін Литроу жақын жағдайындағы тормен бұрыштық түрде таратылады, жарықты бейнелеу оптикасына қайта шағылыстырып, әр арнаны LCoS-тің әртүрлі бөлігіне бағыттайды. Әрбір толқын ұзындығы үшін жол LCoS-тен шағылысқанда қайталанады, ал LCoS-қа қолданылатын сәуле бағытын басқару бейнесі жарықты талшықты массивтің белгілі бір портына бағыттайды. Толқын ұзындығы арналары LCoS-те бөлінгендіктен, әрбір толқын ұзындығының ауысуы басқаларына тәуелсіз және басқа арналардағы жарыққа кедергі келтірмей ауыстырылуы мүмкін. Порттар арасындағы берілген жұптастыруға жету үшін, оның ішінде әлсірету немесе қуатты бөлу үшін тиімділігі төмен "бейнелер" сияқты көптеген әртүрлі алгоритмдерді жүзеге асыруға болады. MEMS және/немесе сұйық кристалдық технологияларға негізделген WSS әрбір арнаға бір коммутациялық элементті (пиксельді) бөледі, яғни әрбір арнаның жолақтығы мен орталық жиілігі өндірілген кезде бекітіледі және пайдалану кезінде өзгертілмейді. Сонымен қатар, бірінші буын WSS-тің көптеген конструкциялары (әсіресе MEMS технологиясына негізделгендері) осы конструкцияларға тән шектеулі спектрлік «толтыру коэффициенті» салдарынан әрбір арна арасындағы тарату спектрінде айқын төмендеуді көрсетеді. Бұл жапсарлас арналарды бір кең арнаны құру үшін қарапайым біріктіруге мүмкіндік бермейді. LCoS негізіндегі WSS, алайда, арна орталық жиілігі мен жолақтықты динамикалық басқаруға мүмкіндік береді. Арна параметрлерін басқару дәрежесі өте ұсақ болуы мүмкін, орталық жиілікті және 1 ГГц-тен жақсы ажыратылумен арнаның жоғарғы немесе төменгі жолақты шетін тәуелсіз басқаруға болады. Бұл өндіріс тұрғысынан тиімді, өйткені бір платформадан әртүрлі арна жоспарларын жасауға болады, тіпті әртүрлі жұмыс жолақтары (мысалы, C және L) бірдей коммутатор матрицасын пайдалануға болады. Сонымен қатар, құрылғы жұмыс істеп тұрған кезде арналарды қайта конфигурациялау мүмкіндігі бар. 50 ГГц арналар мен 100 ГГц арналар немесе арналардың қоспасы арасында ауысуға мүмкіндік беретін өнімдер енгізілді, бұл қолданыстағы трафикке қателер немесе «соқтығыстар» енгізбейді. Соңғы уақытта бұл ITU G.654.2 бойынша Flexible немесе Elastic желілерінің тұжырымдамасын Finisar-дің Flexgrid™ WSS сияқты өнімдер арқылы қолдау үшін кеңейтілді.

Оптикалық импульсті пішіндеу

LCoS негізделген WSS-тің жіберілетін сигналдың амплитудасын және фазасын тәуелсіз басқару қабілеті, оптикалық импульстің амплитудасын және/немесе фазасын Фурье домендік импульсті қалыптастыру процесі арқылы манипуляциялаудың кең мүмкіндіктерін ашады. Бұл процесс кіріс импульсінің уақыт және спектральдік домендерде толық сипатталуын талап етеді. Мысалы, LCoS негізделген Бағдарламаланатын Оптикалық Процессор (POP) режимдік құлыпталған лазердің шығысын 20 нм суперконтинуум көзіне дейін кеңейту үшін қолданылды, ал екінші құрылғы осы шығысты 400 фс-қа дейін қысып, түрлену шегіне жеткен импульстерге айналдырды. Талшықты лазерлердің пассивтік режимдік құлыпталуы жоғары қайталану жиілігінде демонстрацияланды, бірақ LCoS негізделген POP енгізу спектрінің фазалық құрамын өзгертуге мүмкіндік берді, соның нәтижесінде пассивтік режимде құлыпталған лазердің импульстік тізбегі жарық импульстерден қараңғы импульстерге ауыстырылды. Ұқсас тәсілмен оптикалық жиілік гребендерінің спектральдік пішінін өзгерту арқылы бірнеше импульстік тізбектер жасауға болады. Мысалы, 10 ГГц оптикалық жиілік гребені POP арқылы 1540 нм және 1560 нм ұзындықтағы қараңғы параболалық және Гаусс импульстерін жасау үшін қалыптастырылды.

Жеңіл құрылымдау

Тез ферроэлектрлік LCoS қолданылатын құрылымды жарық, 3D суперрезолюциялық микроскопия техникаларында және 3D автоматтандырылған оптикалық тексеру үшін жолақты проекцияда пайдаланылады.

Ғарыш бөлінісінде модульді коммутациялау

LCoS-тің қызықты қолданыстарының бірі – болашақта жоғары сыйымдылықты тарату жүйелерінің негізі ретінде ұсынылған, аздаған режимдік оптикалық талшықтар арасындағы түрлену мүмкіндігі. Сонымен қатар, LCoS көп өзекті талшықты тарату жүйелерінің таңдалған өзектеріне жарықты бағыттау үшін қолданылды, бұл да кеңістіктік бөлу мультиплекстеуінің (Space Division Multiplexing) бір түрі.

Туннерлі лазерлер

LCoS жартылай өткізгіш диодты және талшықты лазерлерде сүзгілеу әдісі ретінде, сондай-ақ реттеу механизмі ретінде қолданылған.