Микродисплеи

Введение

В последние годы на рынке электронных компонентов все заметнее доля относительно нового их вида - микродисплеев.

До настоящего времени, как видно из таблицы 1, наиболее универсальным устройством отображения информации были электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), принципиальные недостатки которых хорошо известны (высокие управляющие напряжения и энергопотребление, низкие массо-габаритные характеристики, наличие вакуумированного обьема и др.) и трудноустранимы. Вряд ли в ближайшей перспективе удастся значительно улучшить контрастность и разрешение ЭЛТ, уменьшить их энергопотребление и вес. Из-за этого в последнее время ведутся интенсивные исследования альтернативных устройств отображения информации плоского типа, работающих на других физических принципах:

·                электролюминесцентных;

·                газоразрядных;

·                светодиодных;

·                жидкокристаллических и др.

Таблица 1. Динамика рынка устройств отображения информации

По прогнозам специалистов, суммарный объем их продаж превысит объем продаж ЭЛТ уже в 2005 г.

В последнее время возникла и бурно развивается новая область электронной техники, связанная с микроминиатюрными устройствами отображения информации - микродисплеи. Микродисплеи - это новая фаза в развитии дисплейных технологий, способная как существенно изменить внешний вид существующих устройств, так и создать целый класс новых с расширенными функциональными возможностями типа мобильных телекоммуникационных систем с возможностью отображения полноформатных страниц текста или графики, беспроводных компьютерных интерфейсных систем и др., что до появления микродисплеев было невозможным. Кроме того, может быть решена вечная проблема, существующая в области электронной техники, когда поддается комплексной микроминиатюризации все, кроме дисплеев.

Согласно прогнозам американской фирмы Display Search доля электронной техники на основе микродисплеев, которая оценивается на уровне более 0,5 млрд. в 2000 г., увеличится к началу 2004 г. до 2,3 млрд., т.е. практически в 5 раз. Самым крупным потребителем микродисплеев могут стать производители мобильных телефонов с возможностью их беспроводного подключения к сети Интернет.

К числу других наиболее перспективных применений микродисплеев относят проекционные устройства различного класса и назначения, нашлемные индикаторы типа "Head-Mounted-Display", а также тренажеры и электронные игры с эффектами виртуальной реальности. Кроме этого, уже в самое ближайшее время предполагается переоснащение кинотеатров спутниковыми приемниками и высококачественными цифровыми видеопроекторами, что резко снизит стоимость проката при одновременном улучшении качества и расширении ассортимента фильмов (кинопленка стандартного фильма стоит более 20000 долларов и обеспечивает только 10-кратное повторное качественное воспроизведение).

1 Классификация и области

применения микродисплеев

Микродисплеями (МД) (microdisplays) принято называть микроминиатюрные устройства отображения буквенно-цифровой, графической или телевизионной информации с диагональю от 0,5 до 4,5 см, содержащих от несколько десятков или сотен тысяч до нескольких миллионов элементов отображения (пикселей).

По конструкции и принципу действия МД можно условно разделить на три большие группы (рис. 2):

·         просветные МД, формирующие изображение за счет модуляции проходящего через них света в соответствии с управляющими электрическими сигналами;

·        

·         светоизлучающие МД, непосредственно генерирующие видимое глазом изображение.

Понятно, что изображение на МД так мало, что для практического использования оно должно быть увеличено либо с помощью специальной оптики, либо методами проекции изображения.

По методу проецирования изображения микродисплеи делятся на устройства с прямой (фронтальной) и обратной проекцией изображения, а по виду отображаемой информации - на монохромные и цветные, графические и телевизионные.

По способу адресации элементов отображения (пикселей) различают пассивные и активно-матричные микродисплеи. В пассивных дисплеях реализуется так называемое мультиплексное управление (импульсный режим с разделением во времени). В активно-матричных МД последовательно с каждым элементом отображения формируется двух- или трехэлектродный элемент (чаще всего диод или транзистор), выполняющий функции электронного ключа и позволяющий независимую аналоговую или цифровую адресацию каждого элемента отображения (ЭО). Например, при аналоговой адресации с более чем 256 градациями серой шкалы (полутонов) воспроизводится более 16 млн. цветовых оттенков. При 6-битовой информации на один основной цвет и 64 градациях серой шкалы отображается 262144 цвета, а при 8-битовой и 256 градациях - 16777216 цветов.

По разрешающей способности микродисплеи можно разделить на несколько групп (табл.2).

Таблица 2. Классификация дисплеев по разрешающей способности

Хотя существует мнение, что чем выше разрешение дисплея, тем лучше, на самом деле, согласно прогнозам ведущих специалистов, даже в 2003 г. более 50% проекционных устройств будут использовать микродисплеи не выше XGA формата.

В зависимости от архитектуры построения устройств и систем на основе МД и областей их применения можно выделить 2 большие группы, а именно, видеопроекционные устройства и системы группового типа, в которых изображение с МД методами прямой или обратной проекции переносится на экран больших размеров и считывается наблюдателем или группой наблюдателей с достаточно большого расстояния, желательного большего, чем 5-кратная высота экрана (рис. 3а, б). В виртуальных устройствах и системах персонального типа (virtual microdisplays, NTE = Near-to-the-Eye Displays) изображение МД увеличивается оптической системой и проецируется непосредственно на сетчатку глаза наблюдателя. Изображение, формируемое во втором случае, находится от глаза дальше, чем сам объект ("виртуальное" изображение) и отличается от "реального", наблюдаемого на экране монитора или телевизора (рис. 3в).

Как видеопроекционные, так и виртуальные устройства и системы должны строиться с учетом особенностей восприятия изображения человеком, т.е. характеризоваться световыми (фотометрическими) параметрами, а не энергетическими, как это часто практикуется в зарубежных публикациях. Основные световые параметры - световой поток, сила света, светимость, яркость и освещенность - применяются только в видимом диапазоне спектра и учитывают различную чувствительность человеческого глаза как приемника излучения. Как известно, она максимальна в зеленой области спектра при l = 555 нм и падает практически до нуля на границах видимого диапазона при l = 380 и 780 нм. Для точечного источника света, размеры которого значительно меньше расстояния от него до точки наблюдения, световой поток Ф в люменах определяется мощностью излучения в заданном телесном угле W, измеряемом в стерадианах. Сила света I в данном направлении, измеряемая в канделах, равна отношению светового потока к телесному углу. Если источник света излучает равномерно во все стороны, то сила света определится как I = Ф/4p. Для неточечных источников света вводятся такие параметры как светимость и яркость, которые связаны с площадью излучающей поверхности и измеряются соответственно в Лм/м² и Кд/м² (в зарубежных публикациях часто используют единицу измерения фут-ламберт fL, 1 fL = 3,4 Кд/м²). Для комфортного наблюдения яркость экрана должна быть в пределах 30:300 Кд/м² для кинотеатров и офисов.

Для проекционных устройств важно также знать освещенность в заданной точке экрана, которая измеряется в люксах (1 лк = 1 Лм/м²) и определяется как отношение светового потока к площади освещаемой поверхности. Хотя размерность единицы освещенности и светимости одинаковы, физическая сущность этих параметров совершенно различна.

Несмотря на то, что прямых методов измерения величины светового потока на экране не существует, она может быть легко рассчитана из результатов измерения освещенности экрана, например, люксметром, помещенном вместо экрана. Признанный в настоящее время ANSI-стандарт предполагает измерение в 9 различных точках экрана и вычисление средней величины, которая, как правило, оказывается ниже, чем для одной центральной точки. Для наблюдателя важен также контраст изображения, определяемый отношением освещенности белой и черной точки. При контрасте 3:1 считываются цифры и буквы, контраст 10:1 обеспечивает комфортное считывание информации, а 100:1 - не требует дополнительной адаптации человеческого глаза. Как правило, контраст изображения для фронтальных проекторов значительно больше зависит от внешней засветки, чем для проекторов с обратной проекцией.

Глаз человека в условиях комфортного наблюдения способен разрешать детали изображения с угловыми размерами около 1/60 градуса или 0,4 мрад. В таблице 3 приведены основные параметры изображений различного типа, наблюдаемых в нормальных условиях.

Таблица 3. Основные параметры изображений разного типа

Из табл. 3 видно, что если для первых трех типов изображений угол разрешения находится в пределах 1,7:1,9 мрад, что вполне приемлемо, то в случае микродисплея изображение не "читается" и должно быть увеличено оптикой, как минимум, в 10 раз. Следует отметить, что улучшить "читаемость" за счет приближения МД к глазу не удается, т.к. минимально возможное фокусное расстояние глаза составляет порядка 25 см. Это означает, что фокальное расстояние линзовой системы 10Х, располагаемой непосредственно вблизи глаза, должно быть не менее 25 мм, а ее диаметр - не менее 20 мм.

Важное значение имеет и поле зрения, т.е. угол наблюдения всего изображения по диагонали, напрямую зависящий от разрешения глаза, умноженного на количество ЭО по диагонали. Так, например, поле зрения для МД QVGA-формата (320 x 240 ЭО) составляет 13°, для МД VGA - (640 x 480 ЭО), SVGA - (800 x 600) и XGA - (1024 x 768) форматов - соответственно 26°, 34° и 43°. Слишком малое значение поля зрения означает недостаточное увеличение изображения, а слишком большое приводит к необходимости постоянного движения и перефокусировки глаза, особенно в условиях бинокулярного наблюдения. Если возможности адаптации глаза ограничены, то часть изображения, особенно по углам, будет не в фокусе, что у большинства наблюдателей вызывает симптомы усталости типа напряжения в глазах (у 7 из 10 испытуемых), потускнения картинки (у 5 испытуемых), появление головной боли (у 3 испытуемых). Кроме того, при долговременном наблюдении могут проявляться психологические эффекты, известные под названием синдрома софита (включающие в себя сонливость, повышенную возбудимость или хроническую усталость), клаустрофобию и др.

Обычно приемлемым считается движение глаза в пределах 24° по вертикали и горизонтали, т.е. 34° по диагонали. На рис. 4 как раз представлена архитектура такого виртуального МД-устройства, которая и определит его минимально возможные геометрические размеры.

При необходимости подсветки микродисплеев от внешнего источника чаще всего используют оптическую схему, изображенную на рис. 5.

В качестве альтернативного варианта, позволяющего обеспечить "глубину" устройства менее фокусного расстояния увеличительной оптической системы, возможно использование безаберационных конфокальных зеркал с расширенным полем зрения (рис. 6).

Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что расчет и изготовление оптической части виртуального МД-устройства является непростой задачей, поскольку должен быть найден компромисс между разрешением и размером МД, геометрическими размерами устройства, параметрами оптической системы с учетом особенностей восприяти я изображений человеческим глазом и др.

2 Микродисплеи просветного типа

Микродисплеи просветного типа строятся на базе ЖК-микродисплеев с активной матрицей тонкопленочных транзисторов из аморфного или поликристаллического кремния, а также МОП-транзисторов, изготовленных по технологии "монокремний-на-стекле" (табл. 4).

Таблица 4. Производители разнообразных типов МД просветного типа

Все эти дисплеи находятся в производстве и широко применяются в проекционных устройствах.

Основной проблемой при использовании просветных МД является низкая эффективность использования исходного светового потока. Большие потери света обусловлены, в основном, двумя причинами:

·         низкой числовой апертурой ЖК МД, определяемой отношением рабочей (пропускающей) площади элемента отображения к его общей площади;

·         использованием электрооптических эффектов, требующих применения поляроидов и матричных цветных фильтров (теоретически ЖК-ячейка с идеальным цветным фильтром пропускает только одну шестую часть падающего света - поляроиды поглощают половину, а цветные фильтры - две трети оставшегося).

Решение первой проблемы достигается за счет использования ЖК МД с активной матрицей поликремниевых транзисторов вместо транзисторов на аморфном кремнии, характеризуемых значительно меньшими геометрическими размерами, высокими быстродействием и электрическими параметрами, хорошо отработанной технологией, схожей с стандартной КМОП-технологией. Наиболее совершенные ЖК МД такого класса с интегрированными драйверами имеют следующие параметры: число элементов отображения - 1440 x 1024, размер элемента отображения - 28 x 22 мкм, числовая апертура - 47,5%, диагональ - 4,6 см (1,8 дюйма).

Если совсем недавно наибольшей популярностью пользовались МД с диагональю 1,3 дюйма, соответствующие 35-мм слайду и позволяющие использовать оптическую систему обычных слайд-проекторов, то в настоящее время наблюдается тенденция уменьшения их размеров до 0,9 и даже 0,7 дюймов, что выгоднее прежде всего с точки зрения выхода годных и стоимостных параметров МД.

Более перспективным считается техпроцесс получения микродисплеев, разработанный недавно фирмой Sharp и использующий поликремний типа Continuous Grain Silicon с очень высокой подвижностью носителей, близкой к монокристаллическому состоянию. На основе этого материала была разработана активная матрица тонкопленочных транзисторов для МД с разрешением 1280 x 1024, размером пикселей 45 x 32 мкм при числовой апертуре 63%. Хроническим недостатком высокотемпературных HTPS-технологий считается необходимость использования дорогих кварцевых подложек.

В технологии "Silicon-on-Glass", разработанной специалистами фирмы Kopin Corp.(США), сначала методом ISE (Isolated Silicon Epitaxy) на кремниевой подложке наращивают толстый слой монокремния, в котором стандартными технологическими приемами формируется высокоплотная матрица МОП-транзисторов вместе со строчными и столбцовыми ИС драйверами. Затем этот слой отделяют от кремниевой подложки и переносят на стеклянную подложку (рис. 7). На последней стадии осуществляют сборку ЖК МД. Несмотря на то, что ISE-процесс достаточно сложен и дорог, выигрыш в повышении числовой апертуры для матриц высокого разрешения несомненен. Последняя разработка фирмы Kopin - миниатюрный АМ-модуль с диагональю 1,5 дюйма, содержащий 2560 x 2048 ЭО с интегрированными драйверами столбцов и строк для нашлемных проекционных устройств. Уровень производства МД по данной технологии на конец 2000 г. составлял около 20 000 в месяц.

Особый интерес вызывает низкотемпературная LTPS-технология, развиваемая фирмой Sanyo и позволяющая перейти от кварцевых к более дешевым стеклянным подложкам. Первый МД на основе такой технологии с диагональю 0,5 дюйма имел разрешение 521 x 218 ЭО.

3 МД отражательного типа

Как правило, микродисплейные устройства такого типа содержат светомодулирующее устройство отражательного типа, выполненное по технологии LCOS (Liquid Crystal-on-Silicon, ЖК-на-кремнии) или MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems, микроэлектромеханические системы) и содержащие интегрированные на кристалле схемы адресации строк и столбцов, а также интерфейсную плату сопряжения, блок подсветки и оптическую систему.

Три вида MEMS-технологий конкурируют в настоящее время:

1. DMD МД (Digital Micromirror Device, цифровые микрозеркальные приборы), разработанные фирмой Texas Instruments более 15 лет назад и представляющие собой сложную КМОП ИС со множеством микроминиатюрных зеркал, меняющих свою ориентацию в пространстве под действием электрических сигналов и таким образом способных модулировать падающий на них свет. Первые подобные МД с разрешением 1024 x 768 ЭО появились на рынке в 1998 г., в 1999 г. их разрешение увеличилось до 1280 x 1024, а в 2000 г. - до 1920 x 1080. В настоящее время это практически единственная технология, используемая в проекционных системах HDTV-формата.

2. АМА МД (Actuated Mirror Array), разработанная американской фирмой Aura Systems в начале 90-х годов и усовершенствованная корейской фирмой Daewoo Electronics "под именем TMA" (Thin Film Micromirror Array). Данная технология очень похожа на предыдущую по принципу действия и архитектуре. Разница лишь в том, что для отклонения микрозеркал используют пьезоэлектрический эффект с возможностью более простого и дешевого аналогового принципа формирования градаций серой шкалы. На конференции "Asia Display-98" в Сеуле был продемонстрирован экспериментальный образец VGA-формата с микрозеркалами размером 97 x 97 мкм со световым потоком 5000 Лм. На следующий год разрешение МД было увеличено до XGA - (размер микрозеркал 49 x 49 мкм, размер МД - 2,54 дюйма) и SXGA-форматов. При этом числовая апертура составляет максимальную из опубликованных данных величину в 94%.

3. CLV МД (Grating Light Valve), изготавливаемые американской фирмой Silicon Light Machines, основаны на использовании микроминиатюрной отражательной дифракционной решетки в виде линейки параллельных резиновых полосок 100 x 3 мкм толщиной 100 нм, которые могут очень быстро, за время порядка 20 нс, изменять свое положение в пространстве под действием электростатических сил и таким образом модулировать падающий на нее свет. Для формирования изображения нужно обеспечить вертикальное сканирование. Действующая проекционная система на основе красного, синего и зеленого лазеров и 1080 полосок формирует высококачественное изображение с разрешением 1920 x 1080.

LCOS микродисплеи представляют собой сверхминиатюрные активно-матричные ЖК-дисплеи отражательного типа. От обычных TFT активно-матричных дисплеев прямого видения они отличаются тем, что одна из стеклянных подложек с поляроидом заменена на кристалл из монокремния, в котором формируется матрица МОП-транзисторов, каждый из которых управляет "своим" ЭО (рис. 8). Как правило, размер ЭО составляет от 7 x 7 до 20 x 20 мкм, поэтому даже при их числе более 1 млн. МД может иметь размеры менее 0,5 дюйма по диагонали.

Выбор электрооптического эффекта и ЖК-материала определяется уровнем рабочего напряжения, обеспечиваемого активной матрицей, требуемым контрастом, быстродействием, типом ориентирующего слоя и др. Возможные варианты используемых электрооптических эффектов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Особенности используемых электрооптических эффектов

В качестве основных рассматриваются варианты с использованием нематических и смектических ЖК, а также капсулированных полимером ЖК. Так, например, американская фирма Hana Micro-display Technologies, используя нематические ЖК, планирует увеличить производство МД до 1,5 млн. штук уже в 2001 г. Другая американская фирма Displaytech разработала и производит с 1997 г. целую серию цветных LCOS МД с диагональю до 0,5 дюйма, разрешением 256 x 256, 640 x 480, 1280 x 1024, числовой апертурой 75% и шагом ЭО менее 8 мкм на основе смектических ЖК с быстродействием менее 35 мкс.

Градации серой шкалы (или полутона) в нематических МД обеспечиваются прямой модуляцией управляющего напряжения, т.к. ЖК-материал обладает пропорциональной и воспроизводимой вольт-контрастной характеристикой (ВКХ). Это означает, что каждый ЭО может адресоваться один раз в течение кадра на каждый цвет в однокристальном варианте и один раз в течение кадра - в трехкристальном. Смектические ЖК имеют ВКХ с гистерезисом, что сильно затрудняет реализацию серой шкалы и, следовательно, полноцветного изображения. Поскольку МД в этом случае должен адресоваться несколько раз в течение кадра, скорость загрузки данных и энергопотребление резко возрастают. Меняется также и архитектура активно-матричной КМОП-ячейки: от однотранзисторной типа DRAM в случае нематических МД на многотранзисторную типа SRAM для смектических МД.

LCOS МД обеспечивают цветное изображение несколькими путями:

1.      В проекционных устройствах используют 3 одинаковых МД, на каждом из которых формируется красная, зеленая и синяя картинки, которые сводятся на экране с помощью специального проекционного объектива. Для выделения RGB спектральных компонент от немонохроматического источника света используются дихроичные зеркала.

2.      В проекционных устройствах используют 1 МД с матричными RGB фильтрами.

3.      В проекционных устройствах используют 1 МД и вращающиеся RGB фильтры. Более современные немеханические системы используют технологии Сolor Switch американской фирмы Color Link и ASIF (Appli-cation Specific Integrated Filter) фирмы Digi Lens. Последняя основана на использовании электрически переключаемой Брэгговской решетки, изготовленной на основе голографического PDLC-материала.

4.      В виртуальных дисплеях используется 1 МД и система RGB-светодиодов, каждый из которых последовательно освещает красную, зеленую и синюю картинки (технология FSC = Field Sequentional Color).

Первый LCOS МД, появившийся в 1997 г., был изготовлен фирмой IBM и JVC. Фирма Pioneer также продемонстрировала прототип видеопроектора на основе LCOS МД, однако, не сумела довести его до стадии массового производства. За прошедшие несколько лет более 30 компаний занимались разработкой данной технологии, продемонстрировав целую серию МД с разрешением от 320 x 240 до 2048 x 2048 ЭО, а также устройств и систем различного класса и назначения на их основе. Параллельно совершенствовались и удешевлялись все сопутствующие электронные и оптические компоненты, необходимые для проекционных и виртуальных устройств и систем.

Считается, что идеальным применением для LCOS-технологии являются широкоформатные (16:9) РС-мониторы и телевизоры с обратной проекцией изображения с диагональю 28:32 дюйма и разрешением до 2560 x 1440 (100 dpi). В ближайшей перспективе ожидается резкое увеличение спроса на цифровые телевизионные приемники стандарта HDTV (1920 x 1080 ЭО). Т.к. среднее расстояние до экрана будет составлять порядка 3 м, то при угле наблюдения 0,3 мрад минимально наблюдаемый размер ЭО составит 1 мм, что соответствует размеру экрана 58 дюйма по диагонали для формата 720 р и 87 дюймов - для формата 1080 р. Изображение с такими параметрами могут обеспечить, только проекционные системы, и это еще один дополнительный довод в пользу LCOS-технологии.

Виртуальные или NTE дисплеи персонального типа на основе LCOS МД применяются в видоискателях цифровых фотокамер и камкордеров, высокоинформативных устройствах отображения информации мобильных телефонов и беспроводных телекоммуникационных системах и др. Так как требуемый выходной поток света на порядки меньше, чем в проекционных устройствах, то вместо высокояркостных ламп можно использовать экономичные светодиодные источники света и однокристальный вариант, обеспечивая одновременно высокое разрешение, минимальные размеры, вес и энергопотребление при низкой стоимости.

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

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

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.      http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&i_izd=elcomp&i_num=2001_02&i_art=02

2.       http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&i_izd=elcomp&i_num=2001_03&i_art=03

3.       http://www.leater.com/press.php?id=22&c=12

4.       http://www.elcp.ru/titles/elcomp/2002_01/12/ec_2002_01_12.zip

5.       http://mp.ustu.ru/Users/Vlad/Default.php

6.       http://mp.ustu.ru/Users/Monitors/Monitor%20.php

7.       http://www.625-net.ru/archive/0902/r1.php