Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №8

LCoS-микродисплеи и их применение

Самарин Александр


LCoS (Liquid Crystal on Silicon — жидкий кристалл на кремнии) — это технология ЖК-микродисплеев отражательного типа, использующая активную кремниевую подложку (backplane), на которой сформирована схема управления дисплеем. Схема управления пикселем в данной технологии находится под светоотражающими электродами пикселей и не создает препятствий для отражения света. В результате достигается очень высокий коэффициент использования полезной площади модуляции (fill factor). Изображение, сформированное LCoS-микродисплеями, имеет меньшую дискретность по сравнению изображением, полученным с помощью дисплеев просветного типа. Технология LCoS-микродисплеев по комплексу характеристик (разрешение, размеры, легкость применения, высокое качество и низкая цена) при реализации многих приложений может превосходить другие дисплейные технологии. При реализации backplane LCoS-микродисплеев используется стандартный КМОП-процесс.

В настоящее время LCoS–микродисплеи широко используются в электронных видоискателях цифровых камер, персональных нашлемных дисплеях, в мультимедийных проекторах с фронтальной проекцией, а также в HDTV с задней проекцией. LCoS–устройства, по сравнению с аналогичными по формату устройствами, в которых используются ЖК–модуляторы просветного типа, обеспечивают гораздо лучшие параметры как для проекционных приложений, так и для окологлазных дисплеев.

С каждым годом улучшаются качественные параметры LCoS–микродисплейных модуляторов, совершенствуется технология производства, уменьшаются цены, растет процент выхода годных. В настоящее время, например, с одной пластины (150 мм, КМОП–процесс, 0,35 мкм) получается свыше 70 годных базовых кристаллов (backplane) для LCoS–микродисплеев формата QXGA 2048 1536 пикселей и с диагональю 0,82 дюйма.

Объем производства только одной фабрики фирмы Brillian Corp. (SyntaxBrillian) составляет до 400 000 SVGA–микродисплеев в месяц. Или же 100 000 микродисплеев формата SXGA. Общий годовой объем производства LCoS–микродисплеев в мире составляет около 10 млн штук. В данном секторе работают десятки фирм. Однако далеко не все из них имеют большие объемы выпуска и значительный сектор потребления на рынке. В секторе производителей LCoS–микродисплеев доминируют всего несколько компаний: американские фирмы Displaytech, Brillian Corp. (SyntaxBrillian) и IBM, а также японские JVC и Sony. Изменение баланса на рынке крупноформатных телевизоров в пользу ЖК–телевизоров заставило покинуть недавно сектор LCoS–микродисплеев таких гигантов, как Philips и Intel, внесших в свое время значительный вклад в развитие данной технологии. Вынуждена была покинуть рынок, не найдя устойчивого сектора потребления, американская фирма MicroDisplay Corp. Также вышли из игры две шотландские фирмы: CLR Opto, которая занимала несколько лет назад лидирующие позиции в секторе LCoS–микродисплеев высокого разрешения для проекционных телевизоров и проекторов, и компания MicroVue.

В октябре 2007 года компания Brillian Corp. решила продать свой бизнес по производству LCoS–микродисплеев английской компании Compound Photonics Ltd. (Кембридж) и переключила свои активы на производство готовой продукции с использованием проекционных систем, в частности проекционных HDTV–телевизоров. Пока о планах развития микродисплейного бизнеса компанией Compound Photonics Ltd. ничего не известно. Продолжают удерживать свои позиции в секторе LCoS–микродисплеев для проекционных телевизоров фирмы JVC и Sony. В секторе микродисплеев для видоискателей, окологлазных и нашлемных дисплеев укрепляет свои позиции фирма Displaytech, разрабатывая линейку микродисплеев нового поколения.

Технологии LCoS микродисплеев

В настоящее время все производители используют одну из двух технологий для производства своих микродисплеев. Первая основана на применении ЖК–кристаллов нематического типа( VAN–режим, с вертикальной ориентацией кристаллов ЖК–материала) и аналоговым способом синтеза шкалы серого. В другой технологии используется ЖКматериал ферроэлектрического типа с бинарным управлением и цифровым синтезом шкалы серого. В таблице 1 приведено сравнение двух базовых технологий, нашедших широкое применение в LCoS–модуляторах.

Таблица 1. Сравнение двух технологий, используемых в LCoS модуляторах
  Нематик (NLC) Ферроэлектрик (FLC)
Оптическая схема Для модулятора требуется предполяризация светового пучка
Скорость переключения От 1–2 мс Единицы мкс
Режим работы Аналоговый Цифровой
Метод управления RMS сигнал управления Полярность сигнала управления
Баланс по постоянному току Требуется с периодом от 1 до 100 мс
Технология модуляции по цветам Пространственная модуляция одной панелью
или тремя отдельными по цветам
Временная цветокадровая модуляция
Технология синтеза шкалы серого Аналоговая Цифровая, временная модуляция
Линейность синтеза шкалы Линейная с предварительной коррекцией сигнала Линейная без коррекции

Технология на базе ферроэлектрического ЖК–материала (FLCoS) применяется в микродисплеях фирм Displaytech и Sony. Другие же фирмы (Brillian, JVC, Canon, IBM) применяют VAN–режим и ЖК нематического типа. Каждая из технологий имеет свои недостатки и преимущества. Явного доминирования одной из них пока нет. С одной стороны, FLCoS обеспечивает большое быстродействие, оно значительно выше, чем у дисплеев на основе нематических ЖК–кристаллов. Но, с другой стороны, для синтеза шкалы серого без артефактов требуется использовать сложные цифровые методы.

История разработок LCoS микродисплеев

Первый образец LCoS–микродисплея Displaytech форматом 256 256 пикселей с цветокадровой модуляцией был продемонстрирован еще в 1993 году. В 1996 году фирма разработала просветный ЖК–дисплей с последовательной покадровой светодиодной подсветкой. В 1997–м JVC сообщила о разработке микродисплея форматом 1365 1024 по технологии d–ILA (direct–drive Image Light Amplifier). В нем использовался аналоговый однотранзисторный пиксель, с металлической светозащитной затворной крышкой. Высокий контраст технологии d–ILA достигался за счет использования режима VAN (vertically aligned nematic). В то же самое время IBM сообщила о разработке LCoS–микродисплея формата 2048 2048, в котором использовались три панели — для получения 28–дюймового изображения задней проекции. В LCoS–микродисплее реализованы пиксели с шагом 17 мкм, а также твистнематический ЖК–материал, спейсеры были получены методом фотолитографии. В 2000 году Sony разработала FLCoS–микродисплей форматом 1920 1200 пикселей с цветокадровой последовательной модуляцией и светодиодной подсветкой. Применялся цифровой синтез шкалы серого, обеспечивающий 10 разрядов на цвет. В то время как FLCoS–устройства компаний Displaytech и Sony использовали цифровой синтез шкалы серого, JVC и IBM производили нематические LCoS–устройства, в которых использовался аналоговый метод синтеза полутонов. В 2004–м JVC изменила тактику и разработала полностью цифровой нематический LCoS–микродисплей для телевизоров задней проекции, в котором также применила схему послойной модуляции шкалы серого. JVC начала массовый выпуск RPTV в том же году. В следующем, 2005 году Sony разработала версию LCoS–панелей SXRD с разрешениями 1920 1080 и 4096 2160. И снова в панелях использовался режим VAN и аналоговый метод модуляции.

Конструкция модуля LCoS–микродисплея

Модуль состоит из следующих компонентов:

  • LCoS–микродисплей со шлейфом;
  • плата графического контроллера;
  • модуль светодиодной подсветки с контроллером;
  • оптическая схема согласования «микродисплей–глаз».

В свою очередь LCoS–микродисплей состоит из двух компонентов — матричного ЖКмодулятора и схемы управления на кремниевой подложке (backplane). Многие фирмы — разработчики модулей — не имеют своих производственных мощностей и заказывают производство кристаллов backplane на кремниевых фабриках.

Технология сборки LCoS–микродисплеев

Сборка микродисплеев также может быть заказная и осуществляется на специализированных производствах. В процессе сборки модуля микродисплея обеспечивается:

  • формирование контурного слоя спейсеров;
  • склейка верхней стеклянной подложки с противоэлектродом;
  • заливка ЖК–материала;
  • приклейка интерфейсного шлейфа;
  • монтаж соединений с платой управления.

Интеграция производства микродисплеев

В секторе производства микродисплеев широко используется схема fabless. Компании — разработчики микродисплеев — привлекают для разработки backplane, контроллера микродисплея и оптических модулей компании, специализированные в данных областях. Заказы на изготовление микросхем размещаются на кремниевых фабриках, в основном на Тайване. Также широко используется заказное изготовление и сборка микродисплейных модулей для fabless–компаний. В частности, заказную сборку микродисплейных модулей проводят корейская фирма Amic (www.amic.co.kr), американская фирма Hana Microdisplay Technologies, Inc. (www.hanaoh.com), японская фирма Myiota (производственное подразделение корпорации Citizen — cfm.citizen.co.jp).

Световые схемы применения LCoS–микродисплеев

Для проекционных систем и окологлазных дисплеев используются различные оптические схемы. На рис. 1, 2 показаны оптические схемы для двух основных типов приложений микродисплеев.

Рис. 1. Оптическая схема применения микродисплеев в оклоглазных (near to eye) дисплеях
Рис. 1. Оптическая схема применения микродисплеев в оклоглазных (near to eye) дисплеях
Рис. 2. Оптическая схема применения микродисплеев в проекционных системах
Рис. 2. Оптическая схема применения микродисплеев в проекционных системах

Требования к параметрам микродисплеев, предназначенных для применения в проекционных системах и окологлазных дисплейных системах, также отличаются (табл. 2).

Таблица 2. Ключевые параметры для двух технологий применения микродисплеев
Технология Проекционные Окологлазные
Ключевые
параметры
Высокое разрешение Низкое потребление
Высокая яркость Малый вес
Высокий контраст Малые габариты
Широкая цветовая палитра Низкая цена

При разработке как самого микродисплея, так и оптической схемы должны использоваться различные критерии для оптимизации выходных параметров системы, с целью увеличения световой эффективности, экономичности, а также уменьшения цены.

Структура проектора на базе LCoS–микродисплеев

На рис. 3 показана типовая структура проектора на базе трех LCoS–микродисплейных модуляторов.

Рис. 3. Схема проектора на LCoS-микродисплейных модуляторах
Рис. 3. Схема проектора на LCoS–дисплеевмикродисплейных модуляторах

Входной немодулированный и неполяризованный пучок света поступает на грань поляризующего расщепителя (PBS–призма). При отражении пучок света становится преимущественно поляризованным в плоскости S. Эффект поляризации обеспечивается за счет многослойной оптически анизотропной пленки, нанесенной на грань призмы–поляризатора. Далее отраженный поляризованный пучок света проходит через слой ЖК–материала, отражается от зеркальных электродов пикселя и проходит снова через слой ЖКматериала, который является динамическим поляризатором и локально изменяет направление вектора S–поляризации входящего пучка света на направление P–типа в зависимости от приложенного напряжения. В результате пучок света становится пространственно поляризованным. Для визуализации изображения на выходе модулятора стоит второй поляризационный фильтр (анализатор) с направлением P–вектора поляризации. Через него проходит только та часть пучка света, которая имеет тот же P–вектор поляризации. То есть в исходном состоянии с выключенным питанием экран микродисплея, работающий на отражение, имеет темное состояние.

В цветоделительном кубе блока модуляторов происходит разделение цветовых компонент и распределение в плоскости трех микродисплейных модуляторов. Отраженные модулированные световые потоки затем проходят через светорасщепительную призму в проекционный объектив.

Секторы применения микродисплеев (рис. 4):

Рис. 4. Секторы применения мультимедийных очков на базе LCoS-микродисплеев
Рис. 4. Секторы применения мультимедийных очков на базе LCoS–микродисплеев
  • мониторы и телевизоры задней проекции;
  • окологлазные дисплеи и очки;
  • проекторы;
  • пикопроекторы;
  • проекционная аппаратура для цифрового кинематографа.

Микродисплеи фирмы Displaytech

Американская фирма Displaytech, Inc. специализируется на разработке быстродействующих, низкопотребляющих микродисплеев по технологии Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon (FLCoS). Фирма образована в 1985 году для коммерческого освоения технологии ЖКдисплеев ферроэлектрического типа. Первые 10 лет фирма имела штат, состоящий всего из 20–дисплеев30 человек, работающих по контракту. В то время компания имела очень маленькие объемы выпуска изделий. В основном это были быстродействующие оптические затворы и заказные модуляторы. Перелом произошел в 1990 году, когда фирма сумела получить госконтракт на разработку дисплеев для нашлемных применений (рис. 5). В качестве партнера для сборки микродисплеев была выбрана японская фирма Citizen Miyota, которая затем успешно наладила массовый выпуск микродисплейных модулей по технологии FLCoS. И уже в 1995 году завод в Miyota начал выпускать ежемесячно более 100 000 FLCoS–микродисплеев Displaytech. С тех пор произведено свыше 18 млн устройств отображения информации для различных производителей бытовой электронной техники, таких как Citizen, HewlettPackard, JVC, Kyocera, Konica–Minolta и Olympus. Фирма имеет свыше 100 патентов и ряд наград за выдающиеся достижения в технологии. Особенностью технологии FLCoS по сравнению с технологией обычных (нематического типа) ЖК–дисплеев является очень высокое быстродействие — десятки микросекунд. Первой задачей фирмы была разработка надежного ЖК–материала, обеспечивающего работу в широком температурном диапазоне. В 1999 году был начат промышленный выпуск микродисплеев серии LightView для электронных видоискателей фото- и видеокамер. C разработкой новых серий микродисплеев большего разрешения фирма расширила и сферу применения своей продукции — это микропроекторы, дисплеи мобильных устройств, нашлемные дисплеи.

Рис. 5. Прогресс в развитии FLCoS-технологии
Рис. 5. Прогресс в развитии FLCoS–технологии

Линейка микродисплейных модулей Displaytech

Фирма Displaytech разработала серию микродисплейных модулей разного разрешения для различных областей применения (табл. 3). Модули предназначены для использования в окологлазных дисплеях.

Таблица 3. Основные параметры микродисплеев Displaytech
Разрешение LV–QVGA LV–VGA LV–WVGA LV–SVGA
Тип устройства Display Module Display Panel Display Panel Display Panel
Модель LDM–0201–E3 LDP–VGA LDP–WVGA LDP–SVGA
Формат, пикселей 300×224 640×480 852×480 800×600
Цветовая палитра, разрядов 24 24 24 24
Потребляемая мощность, мВт 80 100 100 100
Габариты, мм 15,2×11,3×9,2 11,5×19,0×3,7 11,5×19,0×3,7 11,5×19,0×3,7
Видеоинтерфейсы Digital CCIR 601/656,
8–bit RGB–serial data
24–bit digital RGB,
24–bit YCrCb 4:4:4,
16–bit YCrCb 4:2:2
24–bit digital RGB,
24–bit YCrCb 4:4:4,
16–bit YCrCb 4:2:2
24–bit digital RGB,
24–bit YCrCb 4:4:4,
16–bit YCrCb 4:2:2

SVGA микродисплейная панель LightView LDP–SVGA

Это последняя разработка Displaytech. Модуль уже нашел широкое применение в системах ночного зрения, а также в других портативных оптических системах военного назначения. После сравнительных испытаний в отдельных приложениях эта модель превзошла по своим параметрам OLED–микродисплей фирмы eMagin.

Основные характеристики микродисплейного модуля LDP–SVGA:

  • технология: Ferroelectric Liquid Crystal (FLC);
  • оптическая схема: на отражение;
  • разрешение: 880×600 пикселей, цветное изображение;
  • потребление: 100 мВт;
  • кадровая частота: 60 Гц (360 Гц RGB–частота цветовых полей);
  • подстраиваемая гамма–коррекция;
  • диагональ активной площади экрана: 11,75 мм (0,463″);
  • шаг пикселя: 11,75×11,75 мкм;
  • апертура пикселя: 91,7%;
  • глубина цвета: 24–разрядное кодирование RGB;
  • частота кадров: 60 Гц (NTSC), 50 Гц (Pal);
  • контрастное отношение: 100:1;
  • размеры модуля: 19,0×11,5×3,7 мм;
  • рабочий температурный диапазон: −10…70 °C;
  • температура хранения: −30…85 °C;
  • ориентировочная цена: $600.

Архитектура пикопроекторов Displaytech

Сегодня одним из ключевых направлений для использования микродисплеев с высоким разрешением (свыше 800 600 пикселей) стали микропроекторы для мобильной аппаратуры (сотовых телефонов, PDA, iPod), так называемые пикопроекторы. Рынок еще только формируется, но Displaytech намерена занять в этом секторе доминирующее положение. Прогнозируется, что рынок пикопроекторов к 2012 году должен достигнуть объема 30 млн штук/год. Пикопроектор имеет достаточно малые размеры для интеграции в мобильные устройства, например в сотовый телефон.

Пикопроекторы подразделяются, в зависимости от сектора применения, на три класса:

  • встроенные;
  • входящие в комплект устройства;
  • автономные (stand alone).

Для встроенных проекторов главный критерий — потребляемая мощность и малые габариты. Встроенные пикопроекторы имеют световую эффективность 6 лм/Вт. Выходная яркость — до 110 лм. Для автономных проекторов важно иметь и большую выходную оптическую мощность. Для входящих в комплект есть свой источник питания, и они обладают интерфейсом с основным устройством. Для них габариты и выходная мощность имеют меньшее значение.

Задачи, решаемые при проектировании пикопроекторов:

  • выбор эффективных источников света;
  • эффективная сборка цветовых потоков в один пучок;
  • апертурное согласование с оптикой поляризатора;
  • эффективная предполяризация потока;
  • согласование пучка с апертурой модулятора.

В Displaytech были разработаны две базовые архитектуры для реализации пикопроекторов трех классов. Было также изготовлено несколько прототипов пикопроекторов и проведены их испытания.

На рис. 6а представлена простая схема пикопроектора, который имеет низкую стоимость, малую мощность светодиодов подсветки и меньшие габариты. Во второй схеме используются более мощные светодиодные излучатели, а также система поляризационного рекуператора PCS (Polarization Conversion System), за счет которой достигается большая световая эффективность. При использовании схемы с обычным поляризатором (prepolarizer в схеме 1) 50% светового потока теряется. Конверсионный поляризатор обеспечивает не только поляризацию входящего светового потока, но и изменение вектора поляризации для 50% той части светового потока, вектор которого не совпадает с вектором поляризатора. За счет этого и повышается световая эффективность.

Рис. 6. Две архитектуры пикопроектора
Рис. 6. Две архитектуры пикопроектора

Цена реализации схемы 2 (рис. 6б) выше: довольно дорогой оптический блок PCS и дихроичная призма для объединения световых потоков. На рис. 6а показана простая схема источников света, однако для получения однородности требуется голографический рассеиватель, на котором теряется часть энергии светового пучка. Во вторую схему входит более мощный световой излучатель. Для сборки световых потоков применяется иная оптическая схема, гарантирующая бóльшую эффективность и равномерность пучка.

Система линз Fly' eye («глаз мухи») обеспечивает эффективное трансформирование входного светового пучка в квадратную апертуру стержня поляризационного интегратора системы PCS.

Ключевые компоненты проекторов:

  • светодиодный источник;
  • модулятор;
  • поляризатор;
  • светоделительная призма–поляризатор;
  • www.
  • дихроичная призма;
  • оптика — выходной объектив.

Методы повышения оптической эффективности пикопроектора

Оптическая эффективность — главный параметр для нового класса миниатюрных проекторов. Оптическая эффективность определяется параметрами как модулятора, так и источника подсветки. Ведутся интенсивные работы по улучшению всех компонентов, чтобы увеличить оптическую эффективность. В первую очередь необходимо предотвратить неэффективное использование светового пучка. Этого можно достичь согласованием формы светового пучка с апертурами оптических компонентов.

Для увеличения световой яркости LCoSмодулятора был разработан новый принцип управления (рис. 7). Для синтеза шкалы серого в технологии FLCoS используется бинарная модуляция. Яркость пропорциональна нахождению затвора в состоянии "On", то есть «включено». Для баланса по постоянной составляющей, как и для всех ЖК–модуляторов, традиционно используется подача напряжения противоположной полярности. В этой фазе модулятор находится в выключенном состоянии. Соответственно, максимальная яркость уменьшается вдвое. Здесь был скрыт потенциальный ресурс для улучшения яркости за счет сокращения чисто «технологической» фазы управления.

Рис. 7. Схемы управления FLCoS PWM: a) обычный метод управления с фазой темного состояния для достижения баланса по постоянному току; б) импульсное управление с внутренней балансировкой по постоянному току и с бистабильным FLC без фазы темного состояния
Рис. 7. Схемы управления FLCoS PWM: a) обычный метод управления с фазой темного состояния для достижения баланса по постоянному току; б) импульсное управление с внутренней балансировкой по постоянному току и с бистабильным FLC без фазы темного состояния

Специалистами фирмы Densitron был разработан новый бистабильный ферроэлектрический материал, который наряду с высоким быстродействием «обычного» ферроэлектрического ЖК–материала обладает еще и свойством «памяти»: сохраняет оптическое состояние в отсутствие напряжения. В этом случае отпадает необходимость использовать «темную» фазу, увеличивать эффективное время модуляции и, следовательно, увеличивать яркость почти в два раза. А баланс по постоянной составляющей поддерживается за счет подачи коротких импульсов разной полярности внутри цикла адресации.

Светоделительная PBS–система (призма–поляризатор)

В настоящее время известны три технологии для реализации этой функции:

  1. Диэлектрические многослойные пленки с разными коэффициентами преломления света (MacNeille).
  2. Микропроволочные решетчатые дифракционные массивы (wire–grid arrays) фирмы Moxtek.
  3. Стек пленок с двулучепреломлением, например от фирмы 3M, фильтры MOF (multi–layer optical film).

Все три метода обеспечивают хорошие свойства и небольшую зависимость от углов и спектра. В прототипах были опробованы все три типа технологий, которые показали примерно одинаковые результаты.

О фирме Luminus Devices

Luminus Devices, Inc. (www.luminus.com, www.phlatlight.com) разрабатывает и произво дит высококачественные твердотельные источ ники света для различных областей применения, включая телевизоры высокой четкости, видео проекторы, дисплеи для авионики, а также сис темы освещения. Патентованная технология PhlatLight® (Photonic Lattice) для светодиодных излучателей обеспечивает в настоящее время са мую высокую эффективность и мощность излу чения среди всех известных твердотельных ис точников света. Штаб квартира Luminus Devices и основная производственная база находятся в городке Биллерика (Billerica), штат Массачусетс (Massachusetts), США.

Модуль подсветки

В модуле подсветки используется три светодиодных RGB–излучателя. Для получения цветного изображения требуется производить отдельную модуляцию трех RGB цветовых компонентов пучка света. Используется временная поочередная модуляция каждой цветовой компоненты потока одним LCoSмикродисплеем. Интегрирование цветного изображения проводится зрительной системой наблюдателя. Период цветового кадра (модуляция всех трех компонент RGB) — 8,33 мс. Для первого типа схемы применялся четырехкристальный светодиодный излучатель OSRAM Ostar со структурой RGGB (два зеленых и по одному красному и синему светодиоду). Для схемы 2 использовались более мощные светодиодные излучатели с оптическими концентраторами, формирующими пучок света, согласованный с апертурой цветового куба.

Зеленый светодиодный излучатель имеет самую большую эффективность и мощность излучения (табл. 4). Синий светодиод имеет эффективность излучения ниже в три раза (табл. 4). Цветовой баланс можно поддерживать двумя способами — за счет регулирования выходной мощности светодиодов или же за счет регулирования цветовых фаз модуляции. При первом можно было поднять мощность синего, но при этом пропорционально возрастет потребление, да и цена более мощного излучателя будет выше. Второй способ обеспечивает получение большей световой эффективности за счет определенного запаса по быстродействию модулятора. В Displaytech изменяются длительности фаз модуляции для RGB–потоков. Управление длительностью фаз и током светодиодных излучателей осуществляет микросхема контроллера светодиодной подсветки, который синхронизирует свою работу в соответствии с кадровой частотой развертки.

Таблица 4. Сравнительные параметры эффективности светодиодных источников подсветки для пикопроектора
Параметры Тип светодиодов
Osram OSTAR (RGGB) Lumileds Rebel Osram Diamond Dragon Luminus PT39 Luminus PT54
Излучаемая площадь, мм2 4,4 2,3 4,4 3,9 5,4
Скважность модуляции по цветам R:G:B 33\33\33 30\40\30 27\50\23 34\38\29 34\38\29
Мощность потребления подсветки, Вт 2,14 1,42 4,2 14,3 4,2
Оптическая система 1 2 2 2 2
Интегральная яркость белого, лм 45 47 129 245 795

Для каждого из трех классов пикопроекторов (табл. 5) необходимо оптимизировать параметры источника светодиодной подсветки. Встроенные микропроекторы должны обеспечивать яркость 150 кд/м2 на экране с 8–дюймовой диагональю (около 20 см).

Таблица 5. Базовые параметры пикопроекторов
Сегмент рынка,
класс проектора
Характеристика Выходная яркость,
люмен
Мощность,
Вт
Эффективность,
лм/Вт
Диагональ, проецируемого
изображения, дюймов
A — встроенный Компактный 7,5 2,1 3,5 7,2
B — встроенный Эффективный 9,0 1,4 6,3 7,8
D — комплектный Яркий 17,8 4,4 4,1 11
E — автономный Суперъяркий 110 42 2,6 27

Автономный проектор должен при размере изображения 27 дюймов (68 см) обеспечивать тот же уровень яркости.

Светодиодные излучатели PhlatLight фирмы Luminus Devices

В 2007 году компания Luminus Devices на симпозиуме SID'07 по итогам прошедшего года получила серебряный приз за разработку уникальной технологии PhlatLight мощного светодиодного интегрального излучателя (табл. 6), предназначенного для использования как в стационарной, так и в мобильной проекционной аппаратуре.

Таблица 6. Основные параметры светодиодных излучателей PhlatLight
Чипсет Размер площади излучения, мм Рабочий ток, А Яркость, лм R Яркость, лм G Яркость, лм B
PT54 2,7×2,19 8,1 400 950 190
PT85 2,7×2,0 21 625 1500 300
PT120 4,6×2,6 18 825 2100 400

Прогресс в области повышения яркости светодиодных излучателей обусловлен тремя факторами:

  • улучшением технологических параметров мощных RGB–светодиодов в целом;
  • конструкцией излучателя в соответствии с требованиями микродисплейных модуляторов;
  • разработкой технологии Photonic Lattice.

Патентованная технология PhlatLight, разработанная Luminus Devices, базируется на применении специальной микроструктурной оптической решетки. Формируемая структура «светодиоды + решетка» обладает повышенной эффективностью светового потока. Решетка предотвращает проникновение испускаемого светового потока внутрь светодиодной структуры и уменьшает потери за счет поглощения. Для того чтобы достигнуть требуемой высокой яркости, была разработана специальная конструкция излучателя. Фотонная решетка (Photonic Lattices) создана на основе регулярной встроенной периодической структуры на диэлектрике или же полупроводниковом материале. Период структуры решетки согласован с длиной волны света и имеет размеры меньше 100 нм. Периодическая структура задает оптическую ширину запрещенной зоны, которая предотвращает распространение с определенными частотами и направлениями и, следовательно, может фундаментально изменить характер распространения света в базовом материале. Патентованная структура фотонной решетки PhlatLight подавляет боковое распространение света через квантовые стенки. Свет, таким образом, фокусируется в направлении, перпендикулярном подложке излучателя. Светодиод PhlatLight не имеет краевого паразитного излучения — все излучение производится с поверхности.

PhlatLight–светодиод может работать с высокими плотностями рабочих токов (8–20 А), существенно большими, чем ток для традиционных сверхъярких светодиодов (0,5–3 А).

Основные преимущества технологии PhlatLight:

  • высокая эффективность излучения за счет использования структуры Photonic Lattice;
  • высокие уровни яркости;
  • высокая однородность излучения;
  • коллимированый световой пучок, согласованный с апертурой микродисплейного модулятора;
  • широкая цветовая палитра;
  • эффективная конструкция теплоотвода, позволяющая работать с высокой мощностью;
  • большой ресурс.

Для использования в проекционной аппаратуре различного класса и назначения была разработана линейка модулей светодиодных излучателей PTxx, обеспечивающая различные диапазоны яркости.

В прототипах пикопроекторов Displaytech использовались излучатели серии PT54 (рис. 8).

Рис. 8. Модули РТ54 светодиодных излучателей Luminus
Рис. 8. Модули РТ54 светодиодных излучателей Luminus

Характеристики излучателей серии PT54:

  • размеры модулей: 26×16 мм;
  • площадь излучения: 5,4 мм2 (2,7×2 мм);
  • встроенный термистор для защиты от токовой перегрузки;
  • ток постоянный: 8,1 А;
  • пиковый: 13,5 А;
  • рабочие спектры излучения:
    • RED 624 нм;
    • GREEN 528 нм;
    • BLUE 462 нм.

Микродисплеи фирмы Brillian Corp (бывшая Tree Five Systems)

Американская компания Brillian Corp (www.brilliancorp.com) — один из пионеров внедрения LCOS–микродисплеев, а на настоящий момент один из лидеров производства нового поколения LCoS GEN II микродисплеев. Основные секторы применения микродисплеев Brillian — проекционные мониторы и телевизоры, проекторы, мультимедийные проекционные устройства. Выпускаются модели микродисплеев и для использования в нашлемных дисплеях и бинокулярных портативных устройствах. Проекционные системы, созданные на базе микродисплейных модулей Brillian, обеспечивают кристально чистое, без теней и артефактов изображение фотографического качества, имеющее расширенную палитру цветов. Фирма осуществляет выпуск OEM–модулей для проекционных HDTV–телевизоров других фирм, а также готовые модули электронных видоискателей высокого разрешения. Относительно недавно по инициативе Brillian был образован альянс с несколькими фирмами для производства и дистрибуции собственных моделей проекционных устройств, в первую очередь HDTV–телевизоров. Альянс SyntaxBrillian (http://www.syntaxbrillian.com/home.html) сейчас выпускает модели проекционных телевизоров с диагоналями 32″, 37″ и 42″.

В настоящее время фирма наладила производство нескольких базовых моделей микродисплеев, которые предназначены для применения как в проекционной технике, так и в нашлемных дисплеях. В микродисплеях Brillian Corp. используется синтез шкалы серого и цветовая модуляция аналогового типа (ЖК–материал нематического типа, режим VAN, нормальный черный). Интерфейс — цифровой. Специально для управления своими микродисплейными модулями серии Z86D–3 фирма Brillian разработала микросхемы контроллера цифрового интерфейса — CMD8XDDI (рис. 9) и микросхему контроллера для управления светодиодной подсветкой — CMD3XLB.

Рис. 9. Структурная схема чипсета для управления микродисплеем Brillian CMD8X6DDI
Рис. 9. Структурная схема чипсета для управления микродисплеем Brillian CMD8X6DDI

Микродисплейные модули для проекционных HDTV–телевизоров

Специально для применения в проекционных HDTV–телевизорах (рис. 10) фирмой разработана серия микродисплейных модулей BR768HC, BR1080HC, BR1920HC (с разрешениями 1280×768, 1920×1080, 1920×1200 соответственно), которые обеспечивают высокое качество изображения с параметрами:

Рис. 10. Микродисплейный модуль Brillian для проекционных HDTV-телевизоров
Рис. 10. Микродисплейный модуль Brillian для проекционных HDTV–телевизоров
  • контраст: 1800:1;
  • быстродействие: 7 мс;
  • эффективность площади модулятора (fill factor): 92%;
  • ресурс: свыше 20 000 часов;
  • частота кадровой развертки: 120 Гц;
  • шаг пикселя: от 8,5 мкм (BR1920HC) до 12 мкм (BR768HC);
  • потребляемая мощность: менее 250 мВт.

Для управления микродисплейными модуляторами данной серии разработана заказная микросхема видеоконтроллера, которая поставляется вместе с комплектом модуляторов.

Микродисплейный модуль Brillian Z86D–3

Модуль предназначен в первую очередь для использования в окологлазных дисплейных системах (рис. 11).

Рис. 11. Микродисплей Brillian Z86D-3 без оптики, подсветки и шлейфа
Рис. 11. Микродисплей Brillian Z86D–3 без оптики, подсветки и шлейфа

Основные параметры Brillian Z86D–3:

  • разрешение: 800×600 пикселей;
  • контраст: 100:1;
  • поле изображения: 9,6×7,2 мм (диагональ 12 мм, или 0,47 дюйма);
  • цветовая палитра: 18 бит;
  • размер пикселя: 12×12 мкм;
  • вес: 1,2 г;
  • габариты модуля: 18×14 мм или 16×3,1 мм;
  • апертура: 93%;
  • цифровой RGB–интерфейс (LVDS) в FVS×формате;
  • частота кадровой развертки: 120 Гц;
  • диапазон рабочих температур: −20…+70 °С;
  • питание: +5/+6 В;
  • наработка на отказ MTTF: около 175 000 часов.

История фирмы Brillian

1985 — фирма National Semiconductor создала подразделение Three–Five для разработки ЖК–дисплеев.

1995 —разработана миниатюрная дисплейная панель для проекционных систем.

1997 —образовано подразделение Brillian в Three–Five Systems, Inc.

1998 —разработка первой контрактной проекционной системы с блоком электроники.

2000 —разработана промышленная модель XGA–микродисплея для систем задней проекции.

2001 — линейка микродисплейных продуктов получила бренд Brillian.

2002 —разработка промышленного OEM микродисплейного модуля для проекционных телевизоров.

2003 —образование самостоятельной фирмы Brillian Corp. для производства микродисплейной про дукции. Альянс ADO, Brillian и OCLI проводит совместную разработку линейки микродисплеев нового поколения.

2004 — дистрибьюторское соглашение с фирмой интегратором HOLOEYE.

2005 —производство проекционных HDTV–телевизоров.

2005 —образование альянса SyntaxBrillian с фирмой Syntax для совместного производства проекционных HDTV–телевизоров под брендом Olevia с производством в Китае.

2006 —корпорация расширилась за счет приобретения небольшой компании Vivitar (цифровые камеры, фотовспышки, аксессуары к фотокамерам).

2006 —партнерство с фирмами Premier (цифровые камеры) и FoxConn (крупнейший производитель и организатор сервисного обслуживания электронной бытовой аппаратуры).

Области применения Brillian Z86D–3:

  • видоискатели для фото– и видеокамер;
  • системы ночного зрения;
  • нашлемные окологлазные дисплеи;
  • игровые мультимедийные очки.

На базе микродисплеев Brillian выпускаются видеоочки (рис. 12) для использования с портативными устройствами, i–Pod, медиаплееры, компьютерные игровые интерфейсы.

Рис. 12. Видеоочки на базе микродисплея Brillian
Рис. 12. Видеоочки на базе микродисплея Brillian

Brillian BR86M30–1 — модуль видоискателя с разрешением 800×600 пикселей

Фирма Brillian выпускает готовые микродисплейные модули электронных видоискателей, предназначенных для применения в цифровых фото– и видеокамерах, а также в приборах ночного зрения и другой спецаппаратуре (рис. 13).

Рис. 13. Готовый электронный видоискатель BR86M30-1 с оптикой
Рис. 13. Готовый электронный видоискатель BR86M30–1 с оптикой

Основные характеристики модуля видоискателя:

  • микродисплейный модуль: Brillian Z86D–3 LCoS SVGA;
  • фокусное расстояние: 28 мм;
  • площадь проецируемого изображения: 10×8 мм;
  • область изображения микродисплея: 9,6×7,2 мм (12 мм диагональ);
  • габариты модуля: 26,0×27,0×37,5 мм;
  • площадь подсветки: 15×15 мм;
  • поле зрения изображения: 30°;
  • контраст: 80:1;
  • режим цветовой схемы: цветокадровая модуляция;
  • частоты кадровой развертки: 300–360 Гц;
  • мощность светодиодной подсветки: 50 мВт;
  • вес: 17 г.

Базовые модели видоискателя:

  • BR86MA30–1 модуль с оптикой и подсветкой;
  • BR86M30–1 модуль без оптики и подсветки.

Оценочный микродисплейный набор Brillian Z86D–3 SVGA

Для ускорения разработки и освоения микродисплея Brillian Z86D–3 фирма продает оценочные наборы (рис. 14).

Рис. 14. Структурная схема оценочного набора
Рис. 14. Структурная схема оценочного набора

Оценочный набор содержит:

  • модуль микродисплея с оптикой и подсветкой;
  • плату видеоконтроллера;
  • плату сопряжения с компьютером;
  • набор кабелей;
  • источник питания;
  • программное обеспечение на CD;
  • полный комплект документации.

На плате видеоконтроллера находится:

  • микросхема цифрового дисплейного интерфейса CMD8X6DDI;
  • микросхема контроллера подсветки CMD3XLA;
  • дополнительная электроника с контроллером подсветки — CMD3XLB.

LCoS микродисплеи Canon

В 2008 году компания Canon Inc., известный производитель проекционной аппаратуры, разработала свои модели LCoS–микродисплейных модулей для мультимедийных проекторов. Canon создала два типа панелей LCoS: 0,71–дюймовую панель с разрешением WUXGA (1920×1200 пикселей) и 0,55–дюймовую панель с разрешением SXGA+ (1400×1050 пикселей). В 2004 году эта компания выпустила серию мультимедийных офисных проекторов высокого разрешения, оснащенных панелями LCoS. Кроме общего применения в коммерческих и образовательных целях, эти проекторы получили признание пользователей в таких специализированных областях, как дизайн, моделирование и медицина. Помимо панелей LCoS Canon самостоятельно разрабатывает все необходимые компоненты для своих высокопроизводительных проекторов, включая систему AISYS, проекционные линзы, которые минимизируют искажение изображения, и контроллер управления панелями. В частности, недавно разработанная панель Canon с разрешением WUXGA (1920×1200 пикселей) не только делает возможной проекцию изображения высокой четкости (Full HD), но и, поддерживая такие уровни разрешения, какие обеспечивают современные компьютеры, способствует развитию нового рынка проекторов для коммерческого использования.

Фирмы интеграторы LCoS микродисплеев

Применение микродисплейных модулей требует наличия определенного опыта в проектировании электронных и оптических узлов и точного согласования характеристик. В настоящее время на рынке применений эффективно работают множество компанийинтеграторов, которые разрабатывают заказные проекты оптико–электронной аппаратуры на базе микродисплейных модулей. Среди них фирмы Accuscene, BBS Bildsysteme, Compound Photonics, Daeyang, Gain Micro Optics, HOLOEYE, i–O Display systems, Liteye, MicroOptical, Trivisio, Wavien. Направление деятельности компаний–интеграторов можно проанализировать на примере компании HOLOEYE Systems Inc.

Фирма HOLOEYE Systems Inc. (HSI) была создана для разработки и дистрибуции готовых OEM LCoS–микродисплейных модулей, а также оптических и интерфейсных компонентов микродисплеев специально для автомобильной, аэрокосмической и оборонной индустрии. Фирма HSI обеспечивает заказные разработки микродисплейных модулей, а также размещение производства этих изделий. HSI поддерживает стратегические партнерские отношения с ведущими производителями LCoS–микродисплеев, а также с дистрибьюторами и поставщиками различных оптических и конструктивных компонентов для сборки дисплейных модулей. Типичными устройствами, в которые фирме пришлось интегрировать микродисплеи, стали нашлемные дисплеи (Head Mounted Displays, HMD), козырьковые дисплеи (Heads–up–Displays, HUD), оптические метрологические системы, оптические безопасные системы хранения данных с динамическим доступом, а также оптические маршрутизаторы (рис. 15).

Рис. 15. Модуль HSI_K02 HOLOEYE для окологлазных дисплеев на базе Brillian's Z86D-3
Рис. 15. Модуль HSI_K02 HOLOEYE для окологлазных дисплеев на базе Brillian's Z86D–3

Фирма HOLOEYE Systems предоставляет услуги и помощь в разработке OEM LCoS–микродисплеев, включая базовые представление и составление спецификации для приложений. HOLOEYE Systems разрабатывает спецификации схемы управления в соответствии с требованиями заказчика и в расчете на низкую оптимальную цену при массовом производстве. Позиция HOLOEYE Systems — подготовка для заказчика готового «под ключ» решения для внедрения на рынок, будь то сектор обороны (рис. 16), медицины или аэрокосмическая индустрия. HOLOEYE Systems использует в своих разработках LCoS–микродисплеи с размером экрана от 0,55″ до 0,72″ и разрешением от 1280×768 (WXGA) до 1920×1080 (HDTV). Основной поставщик микродисплейных модулей — фирма Brillian Corp.

Рис. 16. Система ночного зрения, разработанная фирмой HOLOEYE на базе микродисплея Brillian Z86D-3 с разрешением 800x600 пикселей
Рис. 16. Система ночного зрения, разработанная фирмой HOLOEYE на базе микродисплея Brillian Z86D–3 с разрешением 800×600 пикселей

Литература

  1. Самарин А. ЖК–микродисплеи, использующие технологию LCoS // Электронные компоненты. 2005. № 3–4.
  2. Handschy M. A., Dallas J. Scalable Sequential–Color Display Without ASICs. Displaytech, Inc., Longmont, CO 80503 USA Digest SID '07.
  3. Vermandel M., Wouwer D. D., Coosemans T., Doorselaer G. A Novel 0.82″ QXGA Analog LCoS Micro Display for Professional Applications GEMIDIS nv., Belgium Digest SID '07.
  4. Brillian Z86D–3 SVGA Microdisplay Chipset Evaluation Kit.
  5. LightView™ SVGA Digital Display Panel Model LDP–SVGA Datasheet Displaytech.
  6. Vermandel M., Wouwer D. D., Coosemans T., Doorselaer G. A Novel 0.82″ QXGA Analog LCoS Micro Display for Professional Applications. GEMIDIS nv., Belgium Digest SID'07.
  7. O'Callaghan M. J., Ferguson R., Vohra R., Thurmes W., Harant A.W., Pecinovsky C. S., Zhang Y., Yang S., O'Neill M., Handschy M. A. Bistable FLCoS Devices for Doubled–Brightness Micro–Projectors. Displaytech, Inc., Longmont, Colorado, USA.
  8. Darmon D., McNeil J. R., Handschy M. A. LEDIlluminated Pico Projector Architectures. Displaytech, Inc., Longmont, Colorado, USA.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке