Ждкокристаллические панели на кремнии: принцип работы и применение.

Введение

Обзор технологии жидких кристаллов на кремнии

Жидкий кристалл на кремнии (LCoS или LCOS) – это миниатюрный отражающий активный матричный жидкокристаллический дисплей, или "микродисплей", использующий слой жидких кристаллов поверх кремниевой подложки. Он также известен как пространственный световой модулятор. LCoS изначально был разработан для проекционных телевизоров, но впоследствии нашёл дополнительные применения в селективном переключении длин волн, структурированном освещении, дисплеях ближнего действия и формировании оптических импульсов. LCoS отличается от других технологий LCD-проекторов, использующих просвечивающие жидкокристаллические дисплеи, позволяющие свету проходить через светообрабатывающие элементы. LCoS больше похож на микрозеркальные дисплеи DLP.

Технология

Световой клапан Hughes с жидкими кристаллами (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; название LCLV было дано по аналогии с распространенным названием триодной вакуумной лампы. Источник света с высоким разрешением и низкой интенсивностью (обычно ЭЛТ) использовался для "записи" изображения в слое фотосенсора CdSlink=Кадмиевый сульфид, который питается от прозрачного электрода из оксида индия-олова, управляемого источником переменного тока приблизительно 10 мВ. Слой CdTelink=Теллурид кадмия блокирует свет, предотвращая прохождение низкоинтенсивного записывающего света сквозь устройство; фотосенсор и слой блокировки света вместе образуют выпрямляющий переход, создавая постоянное напряжение на слое жидких кристаллов, передавая изображение на отражающую сторону путем изменения вращения поляризации в скрученном нематическом жидком кристалле. На отражающей стороне источник света высокой интенсивности, поляризованный проекционный свет, избирательно отражается от диэлектрического зеркала в зависимости от поляризации в жидком кристалле, контролируемой фотосенсором. Диэлектрическое зеркало формируется путем последовательного напыления чередующихся слоев и , при этом финальный слой SiO2 подвергается травлению для выравнивания материала жидких кристаллов. В последующих разработках LCLV использовались аналогичные полупроводниковые материалы, расположенные в тех же базовых структурах. Принцип LCLV реализован в цифровом устройстве отображения LCoS, которое содержит массив пикселей, каждый из которых эквивалентен отражающей стороне одного LCLV. Эти пиксели в устройстве LCoS управляются непосредственно сигналами для модуляции интенсивности отраженного света, в отличие от источника "записывающего света" низкой интенсивности в LCLV. Например, чип с разрешением XGA имеет массив из 1024×768 пикселей, каждый из которых оснащен независимо адресуемым транзистором. В устройстве LCoS комплементарный металл-оксид-полупроводниковый (CMOS) чип контролирует напряжение на квадратных отражающих алюминиевых электродах, расположенных непосредственно под поверхностью чипа, каждый из которых управляет одним пикселем. Типичные чипы имеют приблизительно квадратную форму и приблизительно толщину, с шагом пикселей до A. Общее напряжение для всех пикселей подается через прозрачный проводящий слой из оксида индия-олова на стеклянной подложке.

The Hughes liquid crystal light valve (LCLV) was designed to modulate a high intensity light beam using a weaker light source, conceptually similar to how an amplifier increases the amplitude of an electrical signal; LCLV was named after the common name for the triode vacuum tube. A high resolution, low intensity light source (typically a CRT) was used to "write" an image in the CdSlink=Cadmium sulfide photosensor layer, which is energized by a transparent indium tin oxide electrode, driven by an alternating current source at approximately 10 mV. A CdTelink=Cadmium telluride light blocking layer prevents the low intensity writing light from shining through the device; the photosensor and light blocking layer together form a rectifying junction, producing a DC voltage bias across the liquid crystal layer, transferring the image to the reflecting side by changing the rotation of polarization in the twisted nematic liquid crystal. On the reflecting side, a high intensity, polarized projection light source reflects selectively from the dielectric mirror based on the polarization within the liquid crystal being controlled by the photosensor. The dielectric mirror is formed by sputtering alternating layers of and , with the final SiO2 layer etched to align the liquid crystal material. Later development of the LCLV used similar semiconductor materials arranged in the same basic structures. The LCLV principle is carried forward in a digital LCoS display device, which features an array of pixels, each equivalent to the reflecting side of a single LCLV. These pixels on the LCoS device are driven directly by signals to modulate the intensity of reflected light, rather than a low intensity "writing light" source in the LCLV. For example, a chip with XGA resolution has an array of 1024×768 pixels, each with an independently addressable transistor. In the LCoS device, a complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) chip controls the voltage on square reflective aluminium electrodes buried just below the chip surface, each controlling one pixel. Typical chips are approximately square and approximately thick, with pixel pitch as small as A common voltage for all the pixels is supplied by a transparent conductive layer made of indium tin oxide on the cover glass.

История

История проекторов LCoS начинается в июне 1972 года, когда технология LCLV была впервые разработана учеными из исследовательских лабораторий Hughes, работавшими над внутренним проектом исследований и разработок. Компания General Electric продемонстрировала дисплей LCoS с низким разрешением в конце 1970-х годов. Проекторы LCLV использовались преимущественно для военных авиационных тренажеров из-за их больших габаритов и громоздкости. В 1992 году Hughes Electronics и JVC основали совместное предприятие (Hughes JVC) для разработки технологии LCLV для коммерческих кинотеатров под брендом ILA (Image Light Amplifier). Один из таких проекторов был высоким и весил , используя ксеноновую дуговую лампу мощностью 7 кВт. В 1997 году инженеры JVC разработали D ILA (Direct Drive Image Light Amplifier) на основе Hughes LCLV, что привело к созданию более компактных и доступных цифровых проекторов LCoS с использованием трехчиповых устройств D ILA. Хотя они были не такими яркими и имели меньшее разрешение, чем кинопроекторы ILA, они были более портативными, начиная с . Ранние проекторы LCoS имели ряд проблем. Они страдали от явления, известного как «задержание изображения», когда изображение оставалось на экране после того, как должно было исчезнуть. Это было связано с тем, что зеркала застревали в своих положениях, что приводило к появлению «призраков» на экране. Однако производители продолжали совершенствовать технологию, и современные проекторы LCoS в значительной степени решили эту проблему. В 2004 году компания Sony представила технологию SXRD (Silicon Xtal Reflective Display). SXRD была эволюцией технологии LCoS, которая использовала еще более мелкие пиксели и более высокое разрешение, что обеспечивало еще более точное изображение. Технология SXRD использовалась в высококлассных домашних кинопроекторах Sony и быстро завоевала репутацию благодаря исключительному качеству изображения. В 2006 году JVC представила обновленную технологию D ILA, которая устранила необходимость в поляризационном фильтре, что позволило получить более яркое и насыщенное изображение. С тех пор технология D ILA стала популярным выбором для энтузиастов домашнего кинотеатра. Проекторы LCoS продолжают развиваться, производители внедряют такие функции, как разрешение 4K и поддержка HDR (High Dynamic Range). Сегодня проекторы LCoS доступны в широком ценовом диапазоне – от доступных моделей для домашнего кинотеатра до высококлассных профессиональных моделей, используемых в коммерческих установках. В целом, история проекторов LCoS – это история инноваций и улучшений. Пройдя путь от громоздкого военного и научного оборудования до современных элегантных и доступных потребительских моделей, проекторы LCoS добились значительного прогресса. Высокое качество изображения, точная цветопередача и другие преимущества сделали их популярным выбором как для любителей домашнего кинотеатра, так и для профессионалов.

The history of LCoS projectors dates back to June 1972, when LCLV technology was first developed by scientists at Hughes Research Laboratories working on an internal research and development project. General Electric demonstrated a low resolution LCoS display in the late 1970s. LCLV projectors were used primarily for military flight simulators due to their large and bulky size. A joint venture between Hughes Electronics and JVC (Hughes JVC) was founded in 1992 to develop LCLV technology for commercial movie theaters under the branding ILA (Image Light Amplifer). One example was tall and weighed , using a 7 kW Xenon arc lamp. In 1997, engineers at JVC developed the D ILA (Direct Drive Image Light Amplifier) from the Hughes LCLV, which led to smaller and more affordable digital LCoS projectors, using three chip D ILA devices. Although these were not as bright and had less resolution than the cinema ILA projectors, they were more portable, starting at
The early LCoS projectors had their challenges. They suffered from a phenomenon called "image sticking," where the image would remain on the screen after it was supposed to be gone. This was due to the mirrors sticking in their positions, which resulted in ghosting on the screen. However, manufacturers continued to refine the technology, and today's LCoS projectors have largely overcome this issue. Sony introduced its SXRD (Silicon X tal Reflective Display) technology in 2004. SXRD was an evolution of LCoS technology that used even smaller pixels and a higher resolution, resulting in an even more accurate image. The SXRD technology was used in Sony's high end home theater projectors, and it quickly gained a reputation for its exceptional picture quality. JVC introduced an updated D ILA technology in 2006, which eliminated the need for a polarizing filter, resulting in a brighter and more vibrant image. The D ILA technology has since become a popular choice for home theater enthusiasts. LCoS projectors have continued to evolve, with manufacturers introducing features like 4K resolution and HDR (High Dynamic Range) support. LCoS projectors are now available at a range of price points, from affordable models for home theater use to high end professional models used in commercial installations. Overall, the history of LCoS projectors is one of innovation and improvement. From their early days as bulky military and scientific equipment to today's sleek and affordable consumer models, LCoS projectors have come a long way. Their high image quality, accurate color reproduction, and other advantages have made them a popular choice for home theater enthusiasts and professionals alike.

Архитектура систем отображения

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 является сердцем системы отображения. Она состоит из массива пикселей, расположенных в виде сетки. Каждый пиксель состоит из жидкокристаллического слоя, отражающего слоя и кремниевой подложки. Жидкокристаллический слой управляет поляризацией света, проходящего через него, а отражающий слой отражает свет обратно в оптическую систему. Кремниевая подложка используется для управления отдельными пикселями и обеспечивает необходимую электронику для работы панели LCos. Источник света обеспечивает необходимое освещение панели LCos. Наиболее распространенным источником света 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 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 системы отображения.

Трехпанельные конструкции

Белый свет разделяется на три составляющие (красный, зеленый и синий), а затем вновь объединяется после модуляции тремя жидкокристаллическими устройствами LCoS. Дополнительно свет поляризуется разделителями луча.

Проекты с одной панелью

Программы разработки однопанельных LCOS-дисплеев компаний Toshiba и Intel были закрыты в 2004 году, до того как какие-либо устройства достигли стадии финального прототипа. В производстве существовали однопанельные LCoS-дисплеи: один от Philips и один от Microdisplay Corporation. Компания Forth Dimension Displays продолжает предлагать технологию Ferroelectric LCoS (известную как Time Domain Imaging), доступную в разрешениях QXGA, SXGA и WXGA, которая сегодня используется в приложениях с высоким разрешением, предназначенных для ближнего просмотра, таких как обучение и моделирование, а также для проекции структурированных световых паттернов в системах автоматического оптического контроля (AOI). Citizen Finedevice (CFD) также продолжает производить однопанельные RGB-дисплеи, использующие технологию FLCoS (жидкие кристаллы на основе ферроэлектриков). Они выпускают дисплеи различных разрешений и размеров, которые в настоящее время применяются в пикопроекторах, электронных видоискателях высококлассных цифровых камер и шлемах виртуальной реальности.

Пикопроекторы, дисплеи для зрения вблизи и для головы

Первоначально разработанные для проекторов с большим экраном, дисплеи LCoS нашли потребительскую нишу в области пикопроекторов, где их малый размер и низкое энергопотребление хорошо соответствуют ограничениям таких устройств. Устройства LCoS также используются в приложениях ближнего действия, таких как электронные видоискатели для цифровых и пленочных камер, а также шлемы (HMD). Эти устройства изготавливаются с использованием ферроэлектрических жидких кристаллов (поэтому технология называется FLCoS), которые по своей природе быстрее других типов жидких кристаллов, что позволяет создавать изображения высокого качества. Первое устройство Google в области носимых вычислений, Google Glass, также использует дисплей LCoS ближнего действия. 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, обеспечивающей поле зрения (FoV) в 60 градусов. В нем объединены однокристальный дисплей LCOS 1080p и датчик изображения от OmniVision с оптикой и электроникой ASTRI. Утверждается, что гарнитура меньше и легче других благодаря своей одночиповой конструкции с интегрированным драйвером и буфером памяти.

Выключатели с выбором длины волны

LCoS особенно привлекателен в качестве механизма переключения в выборочном переключателе длины волны (WSS). WSS на основе LCoS были первоначально разработаны австралийской компанией Engana, в настоящее время входящей в Finisar. LCoS может использоваться для управления фазой света на каждом пикселе для создания отклонения луча, где большое количество пикселей обеспечивает практически непрерывное адресование. Обычно для создания высокоэффективного переключателя с малыми потерями вставки используется большое количество фазовых шагов. Эта простая оптическая конструкция включает в себя разнесение по поляризации, контроль размера моды и 4f-оптическое изображение по длине волны в дисперсионной оси LCoS, обеспечивающее интегрированное переключение и управление оптической мощностью. В процессе работы свет проходит от волоконной решетки через поляризационную оптику, которая физически разделяет и выравнивает ортогональные поляризационные состояния, переводя их в высокоэффективное s-поляризационное состояние дифракционной решетки. Входящий свет из выбранного волокна решетки отражается от формирующего зеркала, а затем угловым образом рассеивается решеткой, находящейся вблизи условия Литтроу, отражая свет обратно в формирующую оптику, которая направляет каждый канал в различную область LCoS. Путь для каждой длины волны затем восстанавливается при отражении от LCoS, при этом изображение отклонения луча, приложенное к LCoS, направляет свет к определенному порту волоконной решетки. Поскольку каналы длин волн разделены на LCoS, переключение каждой длины волны независимо от всех остальных и может быть выполнено без влияния на свет в других каналах. Существует множество различных алгоритмов, которые могут быть реализованы для достижения заданного соединения между портами, включая менее эффективные "изображения" для ослабления или разделения мощности. WSS на основе MEMS и/или жидкокристаллических технологий выделяют один элемент переключения (пиксель) для каждого канала, что означает, что полоса пропускания и центральная частота каждого канала фиксируются на момент производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Кроме того, многие конструкции WSS первого поколения (особенно на основе технологии MEMS) демонстрируют выраженные провалы в спектре пропускания между каналами из-за ограниченного спектрального "коэффициента заполнения", присущего этим конструкциям. Это препятствует простому объединению соседних каналов для создания одного более широкого канала. Однако WSS на основе LCoS обеспечивает динамическое управление центральной частотой и полосой пропускания канала посредством модификации массивов пикселей "на лету" с помощью встроенного программного обеспечения. Степень контроля параметров канала может быть очень тонкой, с независимым управлением центральной частотой и либо верхней, либо нижней границей полосы канала с разрешением лучше 1 ГГц. Это выгодно с точки зрения технологичности, поскольку различные планы каналов могут быть созданы на одной платформе, и даже различные рабочие диапазоны (например, C и L) могут использовать идентичную коммутационную матрицу. Кроме того, можно воспользоваться этой возможностью для переконфигурации каналов во время работы устройства. Были представлены продукты, позволяющие переключаться между каналами 50 ГГц и 100 ГГц или их комбинацией, не вызывая ошибок или "потерь" в существующем трафике. В последнее время это было расширено для поддержки всей концепции гибких или эластичных сетей в соответствии с ITU G.654.2 посредством таких продуктов, как Flexgrid™ WSS от Finisar.

LCoS is particularly attractive as a switching mechanism in a wavelength selective switch (WSS). LCoS based WSS were initially developed by Australian company Engana, now part of Finisar. The LCoS can be employed to control the phase of light at each pixel to produce beam steering where the large number of pixels allow a near continuous addressing capability. Typically, a large number of phase steps are used to create a highly efficient, low insertion loss switch shown. This simple optical design incorporates polarisation diversity, control of mode size and a 4 f wavelength optical imaging in the dispersive axis of the LCoS providing integrated switching and optical power control. In operation, the light passes from a fibre array through the polarisation imaging optics which separates physically and aligns orthogonal polarisation states to be in the high efficiency s polarisation state of the diffraction grating. The input light from a chosen fibre of the array is reflected from the imaging mirror and then angularly dispersed by the grating which is at near Littrow incidence, reflecting the light back to the imaging optics which directs each channel to a different portion of the LCoS. The path for each wavelength is then retraced upon reflection from the LCoS, with the beam steering image applied on the LCOS directing the light to a particular port of the fibre array. As the wavelength channels are separated on the LCoS the switching of each wavelength is independent of all others and can be switched without interfering with the light on other channels. There are many different algorithms that can be implemented to achieve a given coupling between ports including less efficient "images" for attenuation or power splitting. WSS based on MEMS and/or liquid crystal technologies allocate a single switching element (pixel) to each channel which means the bandwidth and centre frequency of each channel are fixed at the time of manufacture and cannot be changed in service. In addition, many designs of first generation WSS (particularly those based on MEMs technology) show pronounced dips in the transmission spectrum between each channel due to the limited spectral ‘fill factor’ inherent in these designs. This prevents the simple concatenation of adjacent channels to create a single broader channel. LCoS based WSS, however, permit dynamic control of channel centre frequency and bandwidth through on the fly modification of the pixel arrays via embedded software. The degree of control of channel parameters can be very fine grained, with independent control of the centre frequency and either upper or lower band edge of a channel with better than 1 GHz resolution possible. This is advantageous from a manufacturability perspective, with different channel plans being able to be created from a single platform and even different operating bands (such as C and L) being able to use an identical switch matrix. Additionally, it is possible to take advantage of this ability to reconfigure channels while the device is operating. Products have been introduced allowing switching between 50 GHz channels and 100 GHz channels, or a mix of channels, without introducing any errors or "hits" to the existing traffic. More recently, this has been extended to support the whole concept of Flexible or Elastic networks under ITU G.654.2 through products such as Finisar's Flexgrid™ WSS.

Формирование оптических импульсов

Способность WSS на основе LCoS независимо контролировать амплитуду и фазу передаваемого сигнала обеспечивает более широкие возможности для манипулирования амплитудой и/или фазой оптического импульса посредством процесса, известного как формирование импульсов в частотной области. Этот процесс требует полной характеризации входного импульса как во временной, так и в спектральной областях. Например, программируемый оптический процессор (POP) на основе LCoS был использован для расширения выходного сигнала импульсно-заблокированного лазера до сверхширокого спектра шириной 20 нм, а второе подобное устройство – для сжатия этого сигнала до 400 фс, формируя импульсы, ограниченные по времени. Пассивная модуляция волоконных лазеров была продемонстрирована при высоких частотах повторения, однако включение POP на основе LCoS позволило изменить фазовый состав спектра и переключить режим работы пассивно модулированного лазера с генерации ярких импульсов на генерацию темных импульсов. Аналогичный подход использует спектральное формирование оптических гребенчатых спектров для создания нескольких импульсных последовательностей. Например, оптический гребенчатый спектр с частотой повторения 10 ГГц был сформирован с помощью POP для генерации темных параболических и гауссовых импульсов на длинах волн 1540 нм и 1560 нм соответственно.

Легкая конструкция

Структурированный свет, использующий быстрый ферроэлектрический LCoS, применяется в методах 3D-микроскопии сверхвысокого разрешения и в фринговой проекции для 3D-автоматизированной оптической инспекции.

Модальное переключение в многоконтактных системах оптической связи пространственного разделения

Одним из интересных применений LCoS является возможность переключения между модами оптических волокон с малым числом мод, которые предлагаются в качестве основы для систем передачи данных повышенной пропускной способности в будущем. Кроме того, LCoS использовался для направления света в отдельные ядра многоядерных волоконных систем передачи, что также является одним из видов пространственного мультиплексирования.

Лазеры с регулируемым режимом

LCoS использовался в качестве метода фильтрации и, следовательно, механизма настройки для полупроводниковых диодных и волоконных лазеров.