Жидкий кристалл на кремнии - Liquid crystal on silicon

"LCOS" перенаправляется сюда. Для метрики экономики энергетики см. нормированная стоимость хранения.

Жидкий кристалл на кремнии (LCoS или LCOS) представляет собой миниатюрный отражающий жидкокристаллический дисплей с активной матрицей или "микродисплей" с помощью жидкокристаллический слой поверх кремниевой объединительной платы. Его также называют пространственный модулятор света. LCoS изначально был разработан для проекционных телевизоров, но теперь используется для селективное переключение по длине волны, структурированное освещение, окулярные дисплеи и формирование оптических импульсов. Для сравнения некоторые LCD проекторы использовать трансмиссивный ЖК-дисплей, позволяя свету проходить через жидкий кристалл.

В ЖК-дисплее чип CMOS управляет напряжением на квадратных отражающих алюминиевых электродах, расположенных прямо под поверхностью чипа, каждый из которых управляет одним пикселем. Например, микросхема с разрешением XGA будет иметь пластины 1024x768, каждая с независимо адресуемым напряжением. Типичные ячейки имеют размер около 1–3 квадратных сантиметров и толщину около 2 мм. шаг пикселя всего 2,79 мкм.[1] Общее напряжение для всех пикселей обеспечивается прозрачным проводящим слоем из оксида индия и олова на покровном стекле.

Дисплеи

История

Концептуальная схема проектора LCoS.
Проектор JVC "D-ILA" LCos

General Electric впервые продемонстрировала LCoS-дисплей с низким разрешением в конце 1970-х годов.[2] Начиная с конца 1990-х годов ряд компаний пытались разработать продукты как для ближнего глаза, так и для проекционных приложений.

В 2004 году CES, Intel объявила о планах масштабного производства недорогих микросхем LCoS для использования в плоских дисплеях. Эти планы были отменены в октябре 2004 года. Sony вышла на рынок (декабрь 2005 г.) с проектором Sony-VPL-VW100 или "Ruby", использующим SXRD, 3 микросхемы LCoS, каждый с родное разрешение 1920 × 1080, с заявленным Контрастность 15 000: 1 с использованием динамической диафрагмы.[нужна цитата ]

В то время как технология LCoS изначально рекламировалась как технология, позволяющая создавать широкоэкранные телевизоры с высокой четкостью и обратной проекцией с очень высоким качеством изображения при относительно низких затратах, развитие ЖК-дисплей и плазма плоская панель отображает устаревшие телевизоры обратной проекции. По состоянию на октябрь 2013 года проекционные телевизоры на базе LCoS больше не производятся.

Коммерческие реализации технологии LCoS включают: Sony с Отражающий дисплей Silicon X-tal (SXRD) и JVC цифровой усилитель изображения с прямым приводом (D-ILA /). Каждая компания, которая производит и продает телевизоры с обратной проекцией LCoS, использует трехпанельную технологию LCoS,[нужна цитата ]. Sony и JVC производят и продают дисплеи с фронтальной проекцией, в которых используются три панели LCoS, а также Canon с проекторами XEED и REALiS.

К разработчикам и производителям, которые покинули рынок обработки изображений LCoS, относятся: Intel, Philips, MicroDisplay Corporation (единственная компания, которая успешно вывела на рынок одноканальный телевизор LCoS.[3] ), S-Vision, Colorado Microdisplay, Spatialight, Синтаксис-Brillian.

Архитектура системы отображения

Есть две широкие категории дисплеев LCoS: трехпанельные и однопанельные. В трехпанельном дизайне на каждый цвет приходится по одной микросхеме дисплея, и изображения объединяются оптически. В однопанельных конструкциях одна микросхема дисплея последовательно отображает красные, зеленые и синие компоненты, а глаза наблюдателя должны объединять цветовой поток. Поскольку каждый цвет представлен, цветовое колесо (или RGB ВЕЛ array) освещает дисплей только красным, зеленым или синим светом. Если частота цветных полей ниже примерно 540 Гц[нужна цитата ]наблюдается эффект, называемый расщеплением цвета, когда ложные цвета кратковременно воспринимаются, когда изображение или глаз наблюдателя находятся в движении. В то время как однопанельные проекторы менее дорогие, требуются высокоскоростные элементы отображения для обработки всех трех цветов в течение одного кадра, а необходимость избегать разрыва цвета предъявляет дополнительные требования к скорости технологии отображения.

Трехпанельные конструкции

Белый свет разделяется на три компонента (красный, зеленый и синий), а затем объединяется обратно после модуляции тремя устройствами LCoS. Свет дополнительно поляризованный к светоделители.

Однопанельные конструкции

Однопанельные дисплеи LCOS и Toshiba, и Intel были прекращены в 2004 году до того, как какие-либо устройства достигли финальной стадии прототипа.[4] В производстве были однопанельные дисплеи LCoS: Philips и один от Microdisplay Corporation. Отображение четвертого измерения продолжает предлагать Сегнетоэлектрик Технология отображения LCoS (известная как Time Domain Imaging) доступна в QXGA, SXGA и WXGA разрешений, которые сегодня используются для приложений для наблюдения за глазами с высоким разрешением, таких как обучение и моделирование, структурированная проекция светового рисунка для АОИ. Citizen Finedevice (CFD) также продолжает производить однопанельные RGB-дисплеи с использованием технологии FLCoS (сегнетоэлектрические жидкие кристаллы). Они производят дисплеи различных разрешений и размеров, которые в настоящее время используются в пикопроекторы, электронные видоискатели для цифровых фотоаппаратов высокого класса, и налобные дисплеи.[5]

Пико-проекторы, окулярные и налобные дисплеи

Первоначально разработанные для проекторов с большим экраном, дисплеи LCoS нашли свою потребительскую нишу в области пикопроекторы, где их небольшой размер и низкое энергопотребление хорошо сочетаются с ограничениями таких устройств.

Устройства LCoS также используются в таких приложениях, как электронные видоискатели для цифровых фотоаппаратов, пленочных фотоаппаратов и налобные дисплеи (HMD). Эти устройства сделаны с использованием сегнетоэлектрических жидких кристаллов (поэтому технология получила название FLCoS), которые по своей сути быстрее, чем другие типы жидких кристаллов, для получения изображений высокого качества.[6] Первый набег Google на носимые компьютеры, Google Glass,[7] также использует дисплей LCoS, закрывающий глаз.

В CES 2018, Гонконгский научно-исследовательский институт прикладных наук и технологий Company Limited (АСТРИ ) и OmniVision продемонстрировал эталонный дизайн для беспроводной гарнитуры дополненной реальности, которая может достигать 60 градусов поле зрения (FoV). Он сочетал в себе однокристальный дисплей LCOS 1080p и датчик изображения от OmniVision с оптикой и электроникой ASTRI. Говорят, что гарнитура меньше и легче других из-за ее однокристальной конструкции со встроенным драйвером и буфером памяти.[8]

Селективные по длине волны переключатели

LCoS особенно привлекателен в качестве механизма переключения в селективный переключатель длины волны (WSS). WSS на основе LCoS были первоначально разработаны австралийской компанией Engana,[9] теперь часть Finisar.[10] LCoS можно использовать для управления фазой света в каждом пикселе для управления лучом.[11] где большое количество пикселей обеспечивает возможность почти непрерывной адресации. Как правило, для создания показанного высокоэффективного переключателя с низкими вносимыми потерями используется большое количество фазовых ступеней. Эта простая оптическая конструкция включает в себя поляризационное разнесение, управление размером моды и оптическое отображение с длиной волны 4 f на дисперсионной оси LCoS, обеспечивающее интегрированное переключение и управление оптической мощностью.[12]

Во время работы свет проходит от матрицы волокон через оптическую систему формирования изображения поляризации, которая физически разделяет и выравнивает состояния ортогональной поляризации, чтобы они находились в высокоэффективном состоянии s-поляризации дифракционной решетки. Входящий свет из выбранного волокна матрицы отражается от зеркала изображения и затем рассеивается по углу решеткой, которая находится на расстоянии около Заболеваемость Литтроу, отражая свет обратно к оптике формирования изображения, которая направляет каждый канал в разные части LCoS. Затем путь для каждой длины волны восстанавливается при отражении от LCoS, при этом изображение управления лучом применяется к LCOS, направляя свет к конкретному порту массива волокон. Поскольку каналы длин волн разделены на LCoS, переключение каждой длины волны не зависит от всех других и может переключаться, не мешая свету 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 МЭМС[13] и / или жидкий кристалл[14] Технологии выделяют один переключающий элемент (пиксель) каждому каналу, что означает, что полоса пропускания и центральная частота каждого канала фиксированы во время производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Кроме того, многие конструкции WSS первого поколения (особенно те, которые основаны на технологии MEM) демонстрируют явные провалы в спектре передачи между каждым каналом из-за ограниченного спектрального «коэффициента заполнения», присущего этим конструкциям. Это предотвращает простую конкатенацию соседних каналов для создания единого более широкого канала.

Однако WSS на основе LCoS позволяет динамически управлять центральной частотой канала и полосой пропускания посредством модификации массивов пикселей на лету с помощью встроенного программного обеспечения. Степень управления параметрами канала может быть очень точной, с независимым управлением центральной частотой и верхним или нижним краем канала с возможным разрешением лучше 1 ГГц. Это выгодно с точки зрения технологичности, поскольку разные планы каналов могут быть созданы на одной платформе, и даже разные рабочие диапазоны (например, C и L) могут использовать идентичную матрицу переключения. Кроме того, можно воспользоваться этой возможностью для перенастройки каналов во время работы устройства. Были представлены продукты, позволяющие переключаться между каналами 50 ГГц и каналами 100 ГГц или смесью каналов без внесения каких-либо ошибок или «попаданий» в существующий трафик. Совсем недавно это было расширено для поддержки всей концепции гибких или эластичных сетей в соответствии с ITU G.654.2 с помощью таких продуктов, как Finisar's Flexgrid ™ WSS.

Другие приложения LCoS

Формирование оптического импульса

Способность WSS на основе LCoS независимо управлять как амплитудой, так и фазой передаваемого сигнала приводит к более общей способности манипулировать амплитудой и / или фазой оптического импульса посредством процесса, известного как формирование импульса в Фурье-области.[15] Этот процесс требует полной характеристики входного импульса как во временной, так и в спектральной областях.

Например, программируемый оптический процессор (POP) на основе LCoS был использован для расширения выходного сигнала лазера с синхронизацией мод до источника суперконтинуума 20 нм, в то время как второе такое устройство использовалось для сжатия выходного сигнала до 400 фс, ограниченных преобразованием импульсов. .[16] Пассивная синхронизация мод волоконных лазеров была продемонстрирована при высоких частотах повторения, но включение POP на основе LCoS позволило изменить фазовый состав спектра, чтобы переключить последовательность импульсов лазера с пассивной синхронизацией мод с ярких на темные импульсы. .[17] Подобный подход использует спектральное формирование гребенок оптических частот для создания нескольких последовательностей импульсов. Например, гребенка оптической частоты 10 ГГц была сформирована POP для генерации темных параболических импульсов и гауссовых импульсов на 1540 нм и 1560 нм соответственно.[18]

Легкое структурирование

Структурированный свет с использованием быстрого сегнетоэлектрика LCoS используется в 3D-сверхразрешение методы микроскопии и в бахрома для 3D-автоматизированный оптический контроль.

Модальная коммутация в мультиплексированных оптических системах связи с пространственным разделением каналов

Одним из интересных приложений LCoS является возможность преобразования между режимами многомодовых оптических волокон.[19] которые были предложены в качестве основы для систем передачи более высокой мощности в будущем. Аналогичным образом LCoS использовался для направления света в выбранные ядра многожильных волоконных систем передачи, снова как тип мультиплексирования с пространственным разделением.

Настраиваемые лазеры

LCoS использовался в качестве метода фильтрации и, следовательно, механизма настройки как для полупроводниковых диодных, так и для волоконных лазеров.[20]

Рекомендации

  1. ^ Составная фотоника. «Продукция Комплексной Фотоники». Архивировано из оригинал 18 октября 2014 г.. Получено 13 октября, 2014.
  2. ^ Armitage, D. et al. (2006) Введение в микродисплеи, Wiley, ISBN  978-0-470-85281-1
  3. ^ Чин, Спенсер. «Панель MicroDisplay LCoS занимает менее дюйма». EE Times.
  4. ^ Хахман, Марк. «Обновление: Intel отменяет планы на использование микросхем LCOS». 415.992.5910. Экстремальные технологии. Получено 17 июня, 2011.
  5. ^ Домашняя страница MDCA, дочерней компании Citizen Finedevice
  6. ^ Коллингс, Н. (2011). «Применение и технология фазового жидкого кристалла на кремниевых устройствах». Журнал IEEE по дисплейным технологиям. 7 (3): 112–119. Дои:10.1109 / JDT.2010.2049337.
  7. ^ Очки Гугл. google.com
  8. ^ «Эта гарнитура AR превосходит поле зрения HoloLens, но вы все равно не будете носить ее в общественных местах». Следующая реальность. Получено 23 июня, 2020.
  9. ^ Бакстер, Г. и др. (2006) «Высоко программируемый селективный переключатель по длине волны на основе жидкого кристалла» на конференции по оптоволоконной связи, 2006 г., и на Национальной конференции инженеров по оптоволокну в 2006 г.
  10. ^ ROADM и управление длиной волны. finisar.com
  11. ^ Джонсон, К. М. (1993). «Умные пространственные модуляторы света с использованием жидких кристаллов на кремнии». IEEE J. Quantum Electron. 29 (2): 699–714. Дои:10.1109/3.199323.
  12. ^ Каминов, Ли и Вильнер (ред.). «Глава 16». Оптоволоконные телекоммуникации VIA. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-396958-3.
  13. ^ Маром, Д. М. и др. (2002) «Селективный по длине волны переключатель 1 × 4 для 128 каналов WDM с интервалом 50 ГГц» в Proc. Оптоволоконная связь), Анахайм, Калифорния, Postdeadline Paper FB7, стр. FB7-1 – FB7-3.
  14. ^ 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.
  15. ^ Вайнер, А. (2000). «Формирование фемтосекундных импульсов с использованием пространственных модуляторов света» (PDF). Rev. Sci. Instrum. 71 (5): 1929–1960. Дои:10.1063/1.1150614.
  16. ^ А. М. Кларк, Д. Г. Уильямс, М. А. Ф. Роленс, М. Р. Э. Ламонт и Б. Дж. Эгглтон, «Формирование параболических импульсов для улучшенной генерации континуума с использованием селективного переключателя длины волны на основе LCoS», на 14-й конференции по оптоэлектронике и связи (OECC) 2009.
  17. ^ Шредер, Йохен Б. (2010). "Темный и яркий импульсный лазер с пассивной синхронизацией мод с внутрирезонаторным формирователем импульсов". Оптика Экспресс. 18 (22): 22715–22721. Дои:10.1364 / OE.18.022715. PMID  21164610.
  18. ^ Ng, T. T. et al. (2009) «Полные временные оптические преобразования Фурье с использованием темных параболических импульсов» на 35-й Европейской конференции по оптической связи.
  19. ^ Сальси, Массимилиано; Кебеле, Клеменс; Сперти, Донато; Тран, Патрис; Мардоян, Айк; Бриндел, Патрик; Биго, Себастьян; Бутин, Орелиен; Верлюиз, Фредерик; Силлард, Пьер; Астрюк, Марианна; Провост, Лайонел; Шарле, Габриэль (2012). «Мультиплексирование с разделением по модам каналов 2 × 100 Гбит / с с использованием пространственного модулятора на основе LCOS». Журнал технологии световых волн. 30 (4): 618. Дои:10.1109 / JLT.2011.2178394.
  20. ^ Сяо, Фэн (2009). "Перестраиваемый одномодовый волоконный лазер на основе опто-СБИС". Оптика Экспресс. 17 (21): 18676–18680. Дои:10.1364 / OE.17.018676. PMID  20372600.

внешняя ссылка