|  Микродисплеи |
Несмотря на то, что конкурирующие технологии
типа DMD или поликремниевых просветных МД также ориентированы на эти рынки,
только LCOS МД хорошо подходят сразу для всех перечисленных применений.
Наиболее наглядно это видно на примере наиболее быстроразвивающегося рынка
видеопроекционной техники с прямой проекцией изображения. Так как все
перечисленные виды технологий способны обеспечить требуемый уровень яркости или
контраста, основное внимание стали уделять другим параметрам - массогабаритным
характеристикам, возможности создания дополнительных сервисных функций и, конечно,
стоимости устройства. По последнему параметру LCOS МД, безусловно, выигрывают.
Кроме того, они позволяют создавать различные классы устройств на базе серии МД
одного геометрического размера и, следовательно, использующих одну и ту же
оптическую систему, но разного разрешения.
Сравнительная оценка рассмотренных
конструктивно-технологических вариантов просветных и отражательных
микродисплеев может быть сделана на основе анализа данных, приведенных в
таблице 6.
Таблица 6. Характеристики МД
|
|
Технология, Параметр К тип АМ
|
Фирма
|
Инф.
емкость, млн. пикс.
|
Диагональ, см
|
Шаг пикселей, мкм
|
Числовая апертура, %
|
Интеграция ИС
|
|
a-Si ТПТ 0,008
|
NEC
|
1,3
|
10,7
|
65 x 65
|
35
|
нет
|
|
SiN ТПД 0,008
|
Philips
|
0,42
|
7,1
|
77 x 75
|
46
|
нет
|
|
a-Si ТПТ 0,008
|
Honeywell
|
0,12
|
4,2
|
85 x 85
|
56
|
нет
|
|
a-Si ТПТ, отр. 0,031
|
Un.Stutt gart
|
0,4
|
4,7
|
55 x 50
|
84
|
нет
|
|
p-Si ТПТ, 0,033
|
Sharp
|
1,31
|
4,8
|
34 x 24
|
27
|
да
|
|
p-Si ТПТ, 0,041
|
Sony
|
0,18
|
1,8
|
18 x 47
|
35
|
да
|
|
p-Si ТПТ, 0,077
|
Seiko Epson
|
1,47
|
4,6
|
22 x 28
|
47
|
да
|
|
ISE МОП 0,069
|
Kopin
|
0,31
|
1,9
|
24 x 24
|
40
|
да
|
|
DMD,отр. 0,315
|
Texas Instruments
|
0,42
|
1,6
|
17 x17
|
91
|
да
|
Чтобы сравнить различные технологические
решения с точки зрения эффективности использования светового потока вводится
интегральный параметр К, определяемый отношением числовой апертуры в процентах
к произведению SxSy, где Sx и Sy - шаг пикселей по столбцам и строкам,
соответственно. Такой параметр связывает воедино такие разнородные
характеристики ЖК-дисплея, как предельно достижимая яркость и световая
эффективность, сложность и стоимость оптических элементов, технологические
возможности и стоимость производства активной матрицы. Результаты вычисления
параметра К приведены в табл.6. Следует подчеркнуть, что при расчетах
предполагалось использование одного и того же электрооптического эффекта, а при
использовании поляроидных эффектов полученные цифры необходимо уменьшить в 2-3
раза, если не используются специальные оптические схемы.
Видно, что в наиболее совершенных a-Si
ТПТ-дисплеях величина К не превышает 0,008 для просветных ЖК МД и 0,031 для
отражательных, в то время как для просветных poly-Si ТПТ-дисплеев она повышается
от 0,033 до 0,077.
В
таблицу 6 включены два перспективных варианта, разрабатываемые американскими
фирмами Kopin Corp. и Texas Instruments. Еще в 1992 г. фирма Kopin впервые
продемонстировала высокоплотную АМ с полной интеграцией драйверов управления, а
в 1995 г. выпустила в продажу компактный видеопроектор Pocket Pro весом всего
0,5 кг и стоимостью ниже $2000. Возможности этой технологии можно оценить по
результатам разработки просветного АМ ЖК МД с рекордным разрешением (1280 x
1024 пикселя размером 24 x 24 мкм). Исследовалось также поведение тестовых
элементов размером 12 x 12 мкм в матрице 256 x 256 пикселей, спроектированных
по 1-мкм нормам. Числовая апертура составляла 36%. В настоящее время эта фирма
достигла наибольших объемов производства - до 200 000 микродисплеев в месяц.
Наибольшее значение К достигнуто при
использовании технологии DMD (Digital Micromirror Devices). На выставке SID'95
в Орландо был продемонстрирован полноцветный вариант видеопроектора формата
16:9 HDTV (3 канала по 2048 x 1152 пикселей) с выходным потоком 1500 Лм и
контрастом 60:1, разработанный совместно с фирмой Sony.
Таким образом, становятся очевидными
преимущества использования отражательных вариантов с АМ на кремниевой подложке,
в которых достигается наибольшая величина К, что означает их значительно
большую эффективность. При уменьшении размеров пикселей до 10 x 10 мкм и
сохранении числовой апертуры на уровне 80% (в этом случае требуется 1-мкм
технология) представляется возможным увеличение К до уровня 0,5 и выше.
Другим важным преимуществом использования
кремниевой подложки является возможность полной интеграции высокоскоростных
КМОП-драйверов и решения проблем контактирования к высокоплотной АМ с мелким
шагом.
4 Светоизлучающие МД
В принципе, светоизлучающие МД имеют наиболее
простую структуру, поскольку не требуют внешнего источника излучения и сложной
оптики (см. рис. 2), однако их низкая яркость и световая эффективность
ограничивают пока области применения виртуальными устройствами. В таблице 7
приведены примеры таких МД.
Таблица 7. Некоторые сведения о
светоизлучающих МД
|
Фирма-изготовитель
|
Тип
МД
|
Применение
|
Стадия
развития
|
|
Planar Systems, USA
|
AMEL
|
virtual
|
production
|
|
Micron, USA
|
FED
|
virtual
|
pre-production
|
|
eMagin/Kodak, USA
|
OEL/x-Si
|
virtual
|
pre-production
|
|
DRL, USA
|
VF on Si
|
virtual
|
R&D
|
|
Ise, Japan
|
VF on Si
|
virtual
|
R&D
|
|
IBM, USA
|
OEL
|
virtual
|
R&D
|
|
Sanyo/Kodak, Japan
|
OEL/LTPS
|
virtual
|
pre-production
|
В активно-матричных
электролюминесцентных МД фирмы Planar Systems используется тонкопленочная
технология для последовательного нанесения металлических и диэлектрических
слоев, а также слоев люминофоров в сочетании с АМ от фирмы Kopin. Были продемонстрированы
образцы МД с диагональю 0,7 дюйма и разрешением 640 x 480 и 1280 x 1024 ЭО.
Основные их недостатки связаны с высокими рабочими напряжениями (до 80 В АС) и
необходимостью изоляции высоковольтных сигналов от невыбранных ЭО и логики, а
также низкой эффективностью синих люминофоров и, следовательно, проблемами при
формировании полноцветного изображения.
FED МД - это вакуумные приборы, содержащие
матрицу эмиттеров электронов (холодных катодов), которые ускоряются по направлению
к стеклянной подложке с нанесенными на нее люминофорами и вызывают их свечение.
VF МД также используют вакуумированный объем и
катодолюминесценцию под действием электронного пучка. Одно из преимуществ таких
приборов связано с использованием катодолюминесценции - одного из наиболее
эффективных на сегодня способов преобразования электрической энергии в световую
в видимом диапазоне. Кроме того, обеспечиваются широкий диапазон рабочих
температур, большая яркость свечения, широкие углы обзора, высокое
быстродействие и аналоговая серая шкала, т.е. полная гамма цветов.
Наибольшую перспективу
имеют АМ OEL МД ввиду их низковольтности и малого энергопотребления, простой
технологии и потенциальной дешевизны. Так, например, фирма eMagin
продемонстрировала недавно полноцветный АМ МД с разрешением 852 x 600 и диагональю
15,6 мм (0,61 дюйма) и яркостью более 100 Кд/м2, а японская фирма
SEL - 6-битовый МД VGA-формата, управляемого активной матрицей поликремниевых
транзисторов.
5
Проекционные устройства
на
основе микродисплеев
На сегодняшний день покупателю, приобретающему
крупноформатный полноцветный телевизор или монитор, предлагается на выбор
несколько вариантов, различающихся качеством и стоимостью. В числе предлагаемых
аппаратов плоские плазменные панели с диагональю 50…60” по цене $14 000…20 000;
проекционные устройства на основе трех высокояркостных ЭЛТ по цене $6 000…50
000, на основе микродисплейных DMD (Digital Micromirror Device) – $6000…20 000
или ЖК-технологий – $3500…10 000. Снижая цены на подобные системы, можно
сделать их более доступными для среднего класса потребителей. Само же снижение
цены не возможно без уменьшения энергопотребления и массогабаритных характеристик.
МД (микродисплеи), как основной
компонент перспективных видеопроекционных устройств и систем, должны иметь
максимальное разрешение и обеспечивать максимально высокий контраст и однородность
изображения при длительном воздействии повышенных температур и мощных световых
потоков. На данный момент прослеживается доминирование МД просветного типа,
однако, ожидается увеличение потребности в использовании отражательных МД
(рис.10).
Рис. 10.
При этом будет наблюдаться заметный рост
продаж портативных и сверхпортативных видеопроекционных устройств (рис.11).
Рис. 11.
Конструктивное исполнение современных
видеопроекторов достаточно разнообразно. Некоторые наиболее распространенные
схемы конструкций представлены на рис.12.
Рис. 12 а)
Рис. 12 б)
Рис. 12 в)
Рис. 12 г)
Как правило, в разработке и производстве
видеопроекционных устройств участвуют сразу несколько специализированных
компаний, которые условно можно разделить на 3 основные группы:
1.
Полупроводниковые
компании, которые разрабатывают и производят микросхемы и, в частности,
кремниевые кристаллы для МД (Motorola, National Semiconductor, HP и др).
2.
Компании, разрабатывающие
и производящие МД как продукцию для продажи (Kopin, Hana Microdisplay
Technologies, Three-Five Systems и др.).
3.
Компании, обеспечивающие
весь цикл от разработки МД до выпуска на их основе конечного продукта (Sharp,
Texas Instruments, Philips, Hitachi, Sanyo, Toshiba, Sony, Matsushita и др.).
Первая группа компаний разрабатывает и
выпускает кремниевые кристаллы с активной матрицей, интегрированными драйверами
строк и столбцов и планаризованными зеркальными отражателями. Эти компании
поставляют их в виде отдельных кристаллов или нескрайбированных 150-мм или
200-мм пластин компаниям второй группы.
Компании второй группы производят сборку и
тестирование МД как законченного продукта. Конструкция МД кроме надежных
электрических контактов, эффективного экранирования АМ (активно-матричные
ЖК-дисплеи) от внешней засветки и высокой тепло- и фотохимической стойкости
должна обеспечить требуемые параметры изображения (передачу цветов и полутонов,
разрешение, углы обзора и др.) в составе тщательно выверенной оптической схемы.
Также от конструкции МД требуется сопряжение с электронным интерфейсом,
обеспечивающим преобразование и форматирование входного информационного сигнала,
гамма–коррекцию, синхронизацию и усиление, температурную компенсацию и т.д.
И, наконец, третья группа компаний производит
и продает конечную продукцию.
Комбинированные усилия компаний всех трех
групп приносят быстрый эффект. Например, 1,3-дюймовые поликремниевые ЖК МД
фирмы Sony используются в видеопроекторах, производимых не только фирмой Sony,
но и других (CTX, Sharp, Lightware, Hitachi, Sanyo, Toshiba,…). Фирмы Epson,
InFocus, ASK, NEC, Panasonic, JVC, Philips производят проекторы на основе
аналогичных МД фирмы Epson. DMD МД, выпускаемые фирмой Texas Instruments,
применяют продукцию фирмы In Focus, Davis, Proxima, Electro-home, ASK, а LCOS
МД фирмы IBM – APTI и Electrohome.
Подобно случаю с ноутбуками, которые за
короткое время трансформировались от 4…5 килограммовых дорогих «чемоданчиков» в
значительно более дешевые, легкие и сверхтонкие устройства с недостижимыми
ранее функциональными возможностями, для видеопроекторов наблюдается похожий
сценарий. На смену дорогим, большим и тяжелым системам раннего поколения
приходят более совершенные устройства. Предсказывается наиболее быстрый рост
рынка (с 750 000 шт. в 1999 г. до 2 500 000 шт. в 2004 г.) именно для портативных
видеопроекторов весом менее 4…5 кг.
Это же
относится и к цифровому телевидению. В декабре 2000 г. в Японии началось
вещание высококачественных телепрограмм в цифровом формате. При этом резко
увеличился спрос на телевизионные проекционные системы. В 2000 г. в Японии было
продано 700 000 таких устройств, что составило около 7% объема продаж
телевизоров всех типов. В 2001 г. – 1,5 млн. аппаратов, а в 2002 г. – 2,3 млн.
шт. При этом наиболее популярной будет модель с 36-дюймовым экраном, которая
должна продаваться не более чем за 400 000 йен.
Кардинальным способом улучшения
эксплутационных свойств видеопроекторов является использование бесполяроидных
или однополяроидных электрооптических эффектов в ЖК-микродисплеях отражательного,
а не просветного типа. В принципе, в таких МД можно применять несколько
различных типов электооптических эффектов, однако наиболее часто используются
капсулированные полимером жидкие кристаллы (КПЖК, PDLC). Впервые КПЖК были
описаны в 1986 году. КПЖК-ячейка под действием электрического поля переходит из
состояния рассеивания (при использовании специальной проекционной оптики черная
точка на экране) в состояние пропускания (белая точка на экране). При правильно
подобранной оптике контрастное отношение между обоими состояниями может быть
очень большим. В последние годы появились сообщения по капсулированию других
типов ЖК-материалов в полимерной матрице: холестериков, смектиков.
На первом этапе развития КПЖК-панелей с
активно-матричной адресацией использовались капсулированные в полимерной
матрице ЖК-материалы с управляющими напряжениями выше 40 В, которые не
управлялись аналоговыми ИС строчных и столбцовых драйверов. Поэтому задача состояла
в том, чтобы снизить управляющие напряжения до уровня ниже 10 В, сохраняя при
этом контрастное отношение на уровне не ниже 40:1.
Первое сообщение об использовании
низковольтного КПЖК в комбинации с активной матрицей появилось в 1992 г. О
возможности создания отражательного АМ КПЖК дисплея с отображением черных
знаков на белом фоне докладывалось на 13-й международной конференции по
дисплейной технологии в Страссбурге в 1993 г. При управляющих напряжениях 10…15
В обеспечивался контраст выше 10:1 и времена включения–выключения на уровне 35
мс. На этой же конференции специалисты фирмы Sharp представили новый подход к
разработке КПЖК на основе фторированных ЖК с высоким значением оптической анизотропии,
обеспечивающих одновременно низкое значение гистерезиса (<0,1 В), высокий контраст
(>100:1) и быстродействие (40 мс) при управляющих напряжениях на уровне 5 В.
А исследовательская группа профессора Е. Людера из Штуттгартского университета
за счет оптимизации состава и технологии получения КПЖК получили следующие
параметры: контрастное отношение – до 200:1, времена включения и выключения –
11,4 и 17,9 мс соответственно при зазоре 10,5 мкм и управляющих напряжениях на
уровне 12 В.
Первый промышленный образец японской фирмы
Asahi Glass представлял собой отражательный АМ КПЖК-видеопроектор с контрастом
100:1 и эффективностью более 4 лм/Вт. При обычной АМ-адресации КПЖК достигаются
худшие параметры – 50:1 и 3 лм/Вт.
Высокие параметры проекционной
системы фирмы Hitachi (XGA разрешение, оптическая эффективность 8 лм/Вт,
контраст 70:1 при световом потоке 1000 лм с использованием 120-ваттной лампы)
были достигнуты благодаря использованию бесполяроидного варианта «PDLC-on-MOS
Si chip». Размер МД с разрешением 1025х769 элементов составлял 1,4 дюйма по
диагонали при размере элемента отображения 27х27 мкм и числовой апертуре 94%.
Аналогичный подход использовали
специалисты фирмы National Semiconductor (США), которые модифицировали
0,8-микронную EEPROM –технологию для изготовления планаризованного МД с
числовой апертурой 85% для пикселей размером 12х12 мкм.
Специалисты фирмы IBM разработали два варианта
1,3-дюймовых микродисплеев SXGA и UXGA-формата с шагом элементов отображения 20
и 15 мкм соответственно. МД изготовлены по LCOS-технологии и 45-градусной
TN-моды. Значительные преимущества такой технологии сразу легко просматриваются:
·
в случае использования
капсулированных ЖК-материалов отсутствуют поляроидные пленки, поглощающие
основную долю модулируемого излучения;
·
отсутствуют слои для
ориентации ЖК;
·
числовая апертура модулятора
может достигать 90% и выше;
·
стоимость
одного кристалла может быть невелика (стоимость 150-мм пластины после технологического
процесса не превышает $2000, а при числе годных кристаллов 100% – каждый из них
стоит не дороже $20);
·
обеспечивается полная интеграция
на кристалле активной матрицы с микросхемами адресации строк и столбцов;
·
резко снижаются требования
к источнику света;
·
используются оптические
элементы значительно меньшего диаметра, следовательно, более дешевые.
Среди других разновидностей видеопроекторов на
основе МД-технологий можно отметить следующие: на выставке SID-2000 корейская
фирма Samsung продемонстрировала высококачественный 43-дюймовый телевизор
стандарта HDTV на основе трех LCOS микродисплеев фирмы Displaytech. Первый однокристальный
вариант проекционной системы появился в 1999 г. Это результат совместной работы
фирмы Samsung с японской фирмой Fuji Photo Optical. Его улучшенная версия
обеспечивает яркость изображения 120 кд/м2 на экране с диагональю 35
дюймов при контрасте 150:1. В ближайшем будущем планируется увеличить
разрешение МД до 1920 х 1200 и снизить продажную цену проекционных систем до
$1500…2000. Аналогичные разработки проводит фирма Philips совместно с корейской
фирмой Hansol Electronics.
Фирма Sony в своих проекционных системах также
использует смектический LCOS МД с разрешением 1920 х 1080.
25-дюймовые компьютерные мониторы и
телевизоры с обратной проекцией изображения фирмы Nikon изготавливаются на базе
0,78-дюймовых LCOS МД фирмы Three-Five Systems.
Фирма Aurora Systems (США) представила в 2000
г. 24-дюймовый монитор с обратной проекцией толщиной всего 9 дюймов, контрастом
450:1 и яркостью на экране 350 кд/м2. Примечательно, что эта модель
использует только цифровые технологии для обработки сигналов и адресации
нематического LCOS МД SXGA- или XGA-форматов.
Фирма Victor Company of Japan (JVC)
организовала массовое производство 0,9-дюймовых LCOS МД с разрешением 1365 х
1024 и шагом ЭО 13,4 мкм для компактных видеопроекторов с прямой и обратной
проекцией изображения. JVC в январе 2001 г. была готова приступить к
производству другого МД типа DILA-SX070 с диагональю 0,72 дюйма SVGA-формата
(1400 х 1050 ЭО) и шагом ЭО 10,4 мкм. Оба МД в комплекте с двумя управляющими
микросхемами планировалось продавать по цене $1500 при единичных поставках и
значительно дешевле для оптовых партий. Дополнительно разрабатывался
1,3-дюймовый МД с разрешением 2048 х 1536 (QXGA-формат) для цифрового
телевидения, конкурентоспособный по отношению к DMD МД с аналогичными
параметрами.
Фирма NEC – единственная в мире компания,
выпускающая ультрапортативные видеопроекторы с использованием двух различных МД
технологий – DMD и LCD.
LCD SVGA-видеопроекторы с выходным потоком
1200 лм TLP470 (3,5 кг, $4995) и TLP471 (4,5 кг, $5 995), выпускаемые фирмой
Toshiba, также относятся к классу портативных устройств. Они отличаются от
других моделей наличием встроенной цифровой камеры для показа на экране любых
предметов, фото, документов и пр.
На основе приведенных примеров можно сделать
вывод о жесткой конкуренции различных типов МД-технологий в области
видеопроекционной техники. При этом потребители МД, несомненно, только
выигрывают.
6. Виртуальные
устройства
на основе
микродисплеев
Оптическая схема виртуального устройства на
основе МД отражательного типа представлена на рис.13.
Рис. 13.
Рис. 14.
В последнее время наблюдается особенно быстрое
развитие областей применения микродисплеев, связанных с цифровыми фотокамерами
и камкордерами (рис.14), мобильными телефонами и DVD-плеерами. Особенно
впечатляет дисплей типа Shades headset, разработанный фирмой Inviso (США) на
основе пары МД SVGA-формата.
В настоящее время в США реализуется концепция
обучения и воспитания детей – Magic Book, которая предполагает использование
бинокулярного виртуального устройства на базе МД для формирования трехмерного
цветного изображения из электронной библиотеки как реального, так и
синтезированного компьютером. Имея такое устройство, можно выбрать любую
электронную книгу, игру или музейную экспозицию по адресу
www.hitl.washington.edu/magicbook. Дальнейшее развитие такой сети в общемировом
масштабе потребует огромного количества МД-виртуальных устройств, которые будут
востребованы лишь в случае приемлемой для покупателя цены.
МД для виртуальных устройств должны иметь
быстродействие, достаточное для использования FSC-принципа формирования цветов.
Для мобильных систем с батарейным питанием уровень энергопотребления становится
ключевым фактором. Например, полноцветный АМ ЖК-экран с лампой подсветки,
потребляющей несколько ватт, может непрерывно работать без подзарядки около 9
часов, 0,5-дюймовая ЭЛТ – менее 5 часов, а 0,7-дюймовый МД – 44 часа.
Фирма Colorado MicroDisplay продает самый
маленький LCOS МД типа CMD3X2A QVGA-формата. Характеристики прибора приятно
удивляют: 0,19 дюймов диагональ, масса 14 г, габаритные размеры 26 х 23 х 22
мм, энергопотребление менее 90 мВт. Микродисплей включает матрицу
RGB-светодиодов со специальным контроллером, который обеспечивает отображение
более 16 млн. цветовых оттенков с контрастом более 100:1. МД предназначен для
применения в видоискателях перспективных цифровых фотокамер и камкордеров.
Аналогичный модуль разработала фирма
Displaytech (США) в кооперации с фирмами MegaChips (Япония) и Applied Image
Group (США). Японская фирма отвечает за разработку и производство кристалла
видеопроцессора с производительностью до шести трехмегапиксельных изображений в
секунду или 60 изображений VGA-формата в секунду. Фирма Applied Image Group
является признанным мировым лидером в области дешевых пластиковых оптических
компонентов. Кроме МД и видеопроцессора, модуль содержит также и ПЗС-камеру,
обеспечивая законченный цикл «image-capture-to-image-display», готовый к дальнейшей
интеграции. Девиз фирмы Displaytech – «мы в состоянии поставлять нашим заказчикам
дисплейную продукцию с качеством профессиональных студий, но по цене карманных
фотокамер». Действительно, в конце 2000 г. в продаже появились две модели таких
цифровых фотокамер ценой $350…800.
Из небольшого обзора рассмотренных конкретных
приборов и устройств видно, что данное направление дисплейных технологий уже
вышло за пределы научно-исследовательских лабораторий и интенсивно осваивается
промышленностью.
Заключение
Представленная в настоящей работе
научно-техническая и коммерческая информация позволяет сделать следующие
выводы:
·
во всех промышленно
развитых странах мира ведутся интенсивные исследования различных
конструктивно-технологических вариантов создания микродисплейной техники,
широкое внедрение которой ожидается уже в самое ближайшее время практически во
все сферы человеческой деятельности;
·
доминирующей технологией
является активно-матричная ЖК-технология, обеспечивающая наилучшее соотношение
разнообразных факторов (качество изображения, цена, эксплуатационные параметры
и пр.);
·
к наиболее перспективным
технологическим вариантам активно-матричых ЖК-микродисплеев относятся
высокоапертурные LCOS МД отражательного типа, сформированные на кремниевой
подложке одновременно с микросхемами драйверов строк и столбцов;
·
разработка LCOS МД для
видеопроекционной техники и виртуальных устройств возможна при наличии, как
минимум, трех условий: развитой полупроводниковой КМОП-технологии; специалистов,
владеющих знаниями и практическим опытом работы с ЖК-материалами; разработчиков
с опытом проектирования сложных оптических и электронных устройств.
Список
источников
1. #"#">#"#">#"_Hlt81364632">
4.
#"#">#"#">#"#">http://www.625-net.ru/archive/0902/r1.htm
Страницы: 1, 2, 3
|
© 2009 Все права защищены.
Наверх