CC BY
237МОЭМС —
доступные технологии генерации и сканирования оптической информации
В статье представлен обзор современных коммерческих дисплейных технологий МОЭМС — дисплеев и проекторов, реализованных с применением одно- или двумерных массивов микрозеркал или дифракционных решеток, сканирующих одиночных или двойных микрозеркал, а также лазерных технологий.
Окончание. Начало в № 8 2010
Светлана СЫСОЕВА
Микрозеркальные технологии Microvision
Компания Microvision разработала свою технологию светового сканирования, согласно которой для проецирования или отображения изображений на различные поверхности применяется одиночный световой луч и одно-единственное зеркало (рис. 4).
Технология реализована на основе кремниевого МЭМС (МОЭМС) устройства, в центре которого размещается микроскопическое сканирующее зеркало, подсоединенное к малым изгибным опорам, позволяющим ему колебаться (рис. 4а).
Разработаны исполнения с одной и с двумя степенями свободы колебаний зеркала. Двумерный сканер 2D MEMS колеблется вертикально и горизонтально, что необходимо для попиксельного воспроизведения или захвата изображения. 1D MEMS устройство колеблется в направлении только одной оси и выполняет функции захвата штрихкодов в сканере ROV.
Патентованные МЭМС-сканеры Microvision являются ядром каждого дисплейного устройства (инструмента, средства или машины — engines) следующего уровня отображения информации.
Примеры изделий на основе 2D MEMS-сканера включают дисплейное проекционное устройство PicoP (рис. 4б-г) — ультрамалый проекционный дисплейный модуль, встраиваемый в продукты следующего уровня (рис. 4д, з): пикопроекторные дисплейные устройства (Pico Projector Displays, встраиваемые (embedded) и автономные (accessory), включая SHOWWX Accessory Pico Projector), носимые дисплеи (Wearable Displays), дисплеи транспортных средств (Vehicle Displays). Также было разработано сканирующее дисплейное устройство для использования в 1D
сканерах ROV Scanner — для сканирования штрихкодов продуктов (рис. 4и).
Для освещения в зеркале Microvision применяется лазерная технология, преимущества которой состоят в получении монохроматического светового луча — постоянной длины волны/частоты, когерентного, узкого и направленного, интенсивность которого может программно варьироваться. Для применения в системах генерации изображений лазеры обладают теми преимуществами, что допускают миниатюризацию устройства освещения с получением более ярких изображений без рассеивания и цветовых фильтров.
Недавно Microvision представила лазерный пикопроектор SHOWWX — первый в мире. Устройство позволяет получать яркие, широкоэкранные (16:9), резкие изображения с разрешением WVGA (848x480) без регулировки фокусировки на расстоянии от 15 см до более чем 50 м. Тонкое устройство помещается в руке и питается от батареи порядка 90-120 мин. Возможности его подключения к различным устройствам широкие — от iPod до ноутбуков.
Дисплейное устройство PicoP display engine Microvision, которое используется в пикопроекторах телефонов, автомобильных и носимых дисплеях, — лазерное, в нем реализованы все три цвета лазеров. Текущий показатель яркости — порядка 10 лм, но этот параметр повышается (см. далее о сотрудничестве Microvision с компанией Corning).
Устройство PicoP display engine использует единственный луч света для создания изображения и одно сканирующее зеркало. Процесс горизонтального и вертикального сканирования пикселей непрерывно продолжается до того, пока все изображение не будет спроецировано на проекционную поверхность. В носимых дисплеях дополнительная оптика встраивается в очки, и проецирова-
ние осуществляется на глаза пользователя. В 2010 году был анонсирован субконтракт с Lockheed Martin Corporation в рамках программы DARPA ULTRA-Vis, по которому Microvision будет разрабатывать дисплеи, носимые на очках для обеспечения солдат тактической информацией в реальном времени.
Поскольку сканирующее зеркало в Microvision одно, оно производится на кремниевом кристалле по недорогой МЭМС-технологии, сходной с технологиями производства ИС и дающей высокий уровень функциональности и надежности.
Ультраминиатюрное устройство PicoP включает 4 функциональных блока (рис. 4г):
• электронику;
• лазерные источники света;
• оптику для комбинирования цветов;
• сканирующее микрозеркало для попик-
сельной развертки изображения.
Каждый RGB-лазер оснащен линзой на выходе лазера, предназначенной для сбора света от каждого лазерного источника и обеспечения очень узкого луча, с малой числовой апертурой (NA, или Numerical Aperture — безразмерное число, характеризующее диапазон углов, в пределах которых оптическая система способна принимать и излучать свет). Свет от трех лазеров затем комбинируется в один белый луч, который направляется на биаксиальное сканирующее МЭМС-зеркало, предназначенное для растрирования паттерна. Проецируемое изображение получается посредством модуляции лазерных источников синхронно с положением сканирующего луча.
Управляющая электроника PicoP display engine получает и обрабатывает сигналы от источников данных для контроля и синхронизации смешения цветов в пределах индивидуальных пикселей.
Каждый цветовой пиксель генерируется посредством комбинирования модулированных
^ ш
Рис. 4. Технологии Microvision на основе сканирующего микрозеркала в комбинации с лазерным освещением — иллюстрация и применение (Photo Courtesy of Microvision Inc): а) основа технологии — сканирующее MЭMС-зеркало; б—д) примеры изделий на основе 2D MEMS-сканера:
б—г) модуль PicoP display engine на основе комбинации MЭMС-зеркала с лазером: б) внешний вид; в) устройство и работа;
г) основные функциональные блоки PicoP display engine: 1 — электроника; 2 — лазерные источники света; 3 — комбинирующая оптика; 4 — сканирующее MЭMС-зеркало; д) лазерный пикопроектор SHOWWX; е, ж) носимая оптика: е — вид снаружи; ж — вид изнутри;
з) автомобильные дисплеи HUD;
и) одномерные сканеры штрихкодов ROV
лазерных источников света трех основных цветов — красного, зеленого, синего. Для генерации законченной палитры цветов и тонов интенсивность каждого светового источника варьируется. PicoP display engine в сборе имеет высоту 7 мм, что позволяет встраивать его во многие мобильные устройства.
Сканирующее МЭМС-зеркало в корпусе пикопроектора перенаправляет луч света к проекционной поверхности или в других применениях — к дополнительной опти-
ке, внешней по отношению к устройству PicoP. Например, подобным образом функционируют оптические системы автомобильных дисплеев HUD.
Лазерные сканеры штрихкодов Microvision также выполнены на основе сканирующей зеркальной технологии МЭМС в комбинации с лазерной технологией.
Продукты под названием ROV Scanner представляют собой одномерные (1D), удерживаемые в руке устройства с возможно-
стью подключения к компьютеру через последовательный или ШВ-порт с В1ие^оЛ-функциональностью для подключения к мобильным устройствам с различными операционными системами.
Лазерный метод считывания штрихкодов по сравнению с другими технологиями дает следующие преимущества: большее расстояние сканирования, считывание больших штрихкодов, сниженная подверженность воздействиям окружающего света, способ-
ASIC
Рис. S. Технологии Maradin — полностью интегрированное чипсет-решение на основе сканирующего MЭMС-зеркала, объединенного с ASIC, для использования с лазерами:
а) сканирующий MЭMС-модуль — «сердце» лазерной проекционной системы;
б) прототип лазерного пикопроектора на основе технологии Miniaturized Laser-diode Projector (MLP)
ность прочитывать нерегулярные поверхности — при более высокой надежности и низкой цене устройства и производства.
Таким образом, технология микрозеркал в комбинации с лазерами трех цветов Microvision позволяет не только создавать большие, яркие, резкие изображения, используя устройства в малых корпусах, но и выполнять другие функции. Она также сравнительно безопасна, что наиболее важно для носимой оптики, но не исключает важность этого аспекта и в других применениях.
Согласно лазерной классификации International Electrotechnical Commission (IEC) (стандарт IEC 60825-1, Safety of Laser Products — Equipment Classification and Requirements), предусматривающей деление лазеров по длине волны и мощности на 4 класса, Microvision ROV Laser Bar Code Scanner относится к классу 1, а PicoP — к классу 2.
В дополнение ко всем стандартным преимуществам признаком сканирующей технологии, основанной на МЭМС, является повышенная надежность. По данным производителя, целостность МЭМС-устройства не деградирует даже после 1 млн циклов сканирования, так как колеблющееся зеркало — малое и легкое, что снижает его подверженность вибрациям и ударам, типичную для портативных устройств. Многие устройства могут быть размещены на одной кремниевой подложке, допускаются высокие объемы производства.
Microvision разработала и запатентовала систему и метод 3D-проецирования, включающую оптический проектор, перенаправляющий оптический сигнал на экран, на котором он рассеивается и передается к глазам смотрящего через систему очков [21-22]. Дисплейный экран сохраняет состояние поляризации сигнала изображения.
Эта разработка важна по следующим причинам. Существует общая тенденция перехода от 2D- к 3D-проецированию, и многие производители предлагают свои разработки отображения в 3D.
Один из методов состоит в создании двух монохроматических изображений, но специалисты Microvision отмечают, что воспроизведение цветов изображений при таком методе недостаточно: фильтрация не позволяет блокировать смежное изображение, видимое глазами смотрящего, и на изображении появляется ореол (ghosting). Оборудование, которое требуется для проецирования, слишком большое и не мобильное.
Второй метод состоит в проецировании отдельных изображений с различными состояниями поляризации.
Этот метод предлагает лучшее цветовое воспроизведение, но проекционные дисплеи, используемые при таком методе, дороги, стационарны, слишком большие и менее оптически эффективны, так как половина света теряется.
В отличие от этого метода, проекторы PicoP могут быть портативными. Планы Microvision для пикопроекторов на следующие несколько лет — переход к HD (1280x720) и затем к 3D-проецированию.
Сканирующая микрозеркальная технология Maradine
Технологии Maradin Technologies, Ltd. также направлены на осуществление миниатюрных лазерных микрозеркальных проекционных систем, эффективных с точки зрения получения высокого качества изображений с малым потреблением мощности, а также снижения цены [23].
Для миниатюрных лазерных проекционных систем Maradin разрабатывает сканирующий модуль — полностью интегрированное чипсет-решение со сканирующим 2D MEMS-зеркалом и ASIC (рис. 5а). Как и у Microvision, технология Maradin основана на одном сканирующем зеркале, выполняющем функции отражения лазерного луча. Сканирующая архитектура МЭМС базируется на зеркале (эллиптической формы, размерами 1x1,1 мм),
подвешенном с двумя несвязанными актюа-торами, каждый из которых допускает степени свободы по отдельным осям. Для оси сканирования X используется электростатический резонансный актюатор, для оси Y — электромагнитный. Коэффициент отражения — выше 90%.
Функции ASIC состоят в контроле и перемещении микрозеркала, цветовой интенсивности светового RGB-источника и синхронизации видеосигнала. Частота модуляции лазеров — 50-100 МГц.
Модуль Maradin допускает возможность как чересстрочного (interlaced), так и прогрессивного сканирования видео и изображений с разрешением SVGA/WVGA. Аспектовые соотношения (4:3 для SWGA или 16:9 для WVGA) и число пикселей (800 или 854 по горизонтали и 600/480 по вертикали) программируются ASIC. Включены механизмы программной коррекции оптических искажений и 2D обратной связи в режиме замкнутого цикла.
Компоненты закорпусированы на уровне пластины (WLP), что позволяет уменьшить фут-принт и снизить цену при производстве в массовых объемах. МЭМС-сканер интегрирован с ASIC в мультикристальный пластиковый защитный корпус с оптической апертурой для зеркала. Этот формат разработан для достижения очень малого (5x15x4,3 мм) корпуса, что облегчает его интеграцию в смартфоны и подобные им устройства.
Модуль Maradin отличает малое энергопотребление, высокая оптическая эффективность (>85%) и масштабируемость для различных рынков.
Помимо уже перечисленных (невзаимосвязанные X-Y актюаторы для более высокого качества изображений, упрощение технологии производства), уникальные признаки технологии включают функцию Step and Scan для вертикального сканирования, дающую более высокое качество изображения, и чересстрочное двунаправленное горизонтальное сканирование для снижения частоты модуляции лазеров и потребляемой мощности. Разработана уникальная схема контроля производственных допусков.
Спектр применений, который компания видит для своих устройств, широкий — мобильные телефоны, камеры, медиаплееры, камкордеры, пикопроекторы, USB-диски, игровые консоли и HUD-дисплеи.
Несколько ранее, еще в 2009 году, Maradin разработала дисплейную систему и технологию под названием Miniaturized Laser-diode Projector (MLP), а также прототип пикопроектора с использованием лазерного источника освещения (рис. 5б). Начать продажи этого устройства компания надеется в 2010 году.
В 2009 году было объявлено о сотрудничестве Maradin и iView Limited (IVL), гонконгской компании — производителя дисплейных световых процессоров (light engine), с целью разработки лазерного светового устройства
н
ВыКЖОСКОрОСТЖИ Г5|ЖЗен™^0е ежа к^рсни и в
Медленное
ерш-.'ЭПЫНОе
анидовакле
Рис. 6. Технологии bTendo — лазерное сканирование на основе двух одноаксиальных зеркал:
а) сканирующий лазерный проектор bTendo;
б) сравнение основных механизмов отклонения лазеров: посредством биаксиального зеркала и двух одноаксиальных;
в) электростатический актюатор;
г) PinCushion — эффект булавочной подушки, свойственный биаксиальному методу и отсутствующий в технологии bTendo;
д) companion-исполнение микропроекционных модулей myPro bTendo;
е) основные рабочие подсистемы myPro
для следующего поколения высокоразрешающих портативных приборов [24].
Есть и альтернатива — метод на основе конфигурации из двух зеркал. Его применяет компания bTendo.
Сканирующая МЭМС-технология ЬТе^о
Технология bTendo основана на принципе лазерного растрового сканирования — так называемого рендеринга (воспроизведения) изображений посредством пары сканирующих МЭМС-зеркал, которые на высоких частотах отражают три видимых, оптически объединенных лазерных луча — красный, зеленый, синий (рис. 6а). Одноосные зеркала (каждое с одной степенью свободы) приводятся в действие посредством маломощных электростатических актюаторов.
Одно зеркало выполняет быстрое сканирование по горизонтальной оси, второе — медленное сканирование по вертикальной оси.
Специалисты компании считают, что двухзеркальный метод обладает многими преимущественными признаками в сравнении с биаксиальным однозеркальным дизайном (рис. 6б), когда одно биаксиальное зеркало отклоняется по ортогональным осям с использованием механизма двух ортогональных подвесов. Согласно методу bTendo, для перемещений по ортогональным осям сконфигурирована пара двух одноосных зеркал. Горизонтальное сканирование осуществляется посредством зеркала, присоединенного к пружине, совершающего гармоническое движение с учетом согласования собственной резонансной частоты со скоростью сканирования. Вертикальное сканирование является более медленным и осуществляется сходным образом — с линейными шагами или гармонически.
Микрозеркала МЭМС-типа bTendo могут активироваться линейно или входить в резонансное состояние посредством 4 типов актюаторов: тепловых, пьезоэлектрических, электростатических и электромагнитных. Электростатические и электромагнитные ак-тюаторы позволяют достичь требуемого разрешения, но электромагнитные потребляют значительный ток, рассеивают тепло и приводят к увеличению размера и веса устройств. Поэтому в системном дизайне микрозеркал для проецирования были использованы электростатические актюаторы, которые производятся вместе с зеркалами на той же подложке (пластине) в одном технологическом процессе (рис. 6в).
Электростатический механизм возбуждения предпочтителен ввиду малого энергопотребления (минимального тока), массы, рассеяния тепла, простоты производства, низкой цены. Но в биаксиальном дизайне все преимущества этого механизма не могут быть использованы. В биаксиальной системе электростатический актюатор, напри-
мер, необходим для оси с быстрым движением и используется в паре с другим — электростатическим и электромагнитным.
Двухзеркальный метод устраняет отсутствие вертикальных искажений, свойственных методам с двухосным одиночным зеркалом (PinCushion — эффект булавочной подушки) (рис. 6г).
Эффект PinCushion состоит в сферическом проецировании на плоскую поверхность и дает кривые линии по обеим осям. С дизайном на основе двух зеркал bTendo горизонтальный эффект искривления практически отсутствует, а вертикальный корректируется посредством модуляции лазеров. Лазерные источники по левому и правому краю линии изображения выключаются. Специалисты компании bTendo считают, что с биаксиаль-
ным дизайном эффективность дисплейной системы ниже, так как блокировка разрушенных областей потребуется по 4 краям. С их точки зрения, биаксиальный дизайн менее предпочтителен и по ряду других причин.
Разрешение — важный фактор получения высокого качества изображения проектора. Эффективный размер лазерных точек на экране и эффективное разрешение проектора зависят главным образом от размера сканирующего зеркала и максимальных углов наклона/сканирования. Больший размер зеркала дает больший диаметр луча и допускает меньшие пиксели на экране. Больший угол сканирования дает высокое разрешение.
С биаксиальным подходом изменение дизайна для получения требуемого разрешения осуществить сложнее, так как размер зерка-
ла и производственные погрешности могут оказывать влияние на обе оси.
Более высокая плоскостность зеркала, что также легче достигается с двумя различными элементами, открывает возможности получения меньших экранных точек. Плоскостность зеркала прямо связана с его отражательной способностью, поверхностные деформации и аберрации (погрешности изображения в оптической системе) вследствие отклонения луча дают смаз изображения и низкий контраст.
Выделяют деформацию плоскостности статического и динамического типа. Источник статической деформации — в процессе производства и качестве пластины, а динамическая деформация возникает вследствие наклонного движения зеркала, механической структуры и параметров.
Поперечные динамические эффекты в би-аксиальном зеркальном механизме будут наводить дополнительные деформации вследствие корреляции по обеим осям.
Динамическая жесткость увеличивается при снижении размера зеркала, но для повышения разрешения размер зеркала требуется увеличивать. Оптимизация лучше обеспечивается с одноаксиальным дизайном.
На основе своей технологии фаблесс-компания bTendo разработала так называемые микропроекционные модули (micro-projection modules) (то же самое, что пикопроекторы, но с другим названием) для устройств, удерживаемых в руке (handheld), и мобильных устройств — в автономном (companion) или встраиваемом (embedded) исполнении.
Дисплейная технология лазерного сканирования, на которой основана линейка модулей myPro для персонального проецирования, обладает преимуществами малого форм-фактора, потребления мощности и качества изображений. Поэтому myPro рекомендуются прежде всего как встраиваемое решение для handheld-устройств типа сотовых телефонов и КПК.
Проекционный модуль состоит из трех основных элементов:
• оптической машины (устройства, optical engine), включая RGB-лазеры, оптику и два МЭМС-зеркала;
• драйверов для контроля лазеров и МЭМС-зеркал;
• входных интерфейсов.
Проекционные модули bTendo myPro включают 4 рабочие подсистемы (рис. 6е), собранные в оптомеханическую гибкую структуру:
• Электронная подсистема (аппаратная и программная части), контролирующая внутреннюю функциональность myPro, интерфейсы с хост-устройством (для встраиваемых систем) или с внешним устройством при совместной (companion) работе. Электроника включает еще три субкомпонента:
- цифровую схему (для форматирования и настройки цветов, интенсивности, разрешения при проецировании контента),
- аналоговую схему (управление и модулирование лазерных источников, контроль перемещения зеркал);
- ПО (контроль и синхронизация).
• Подсистема формирования луча Beam Shaping на основе трех лазерных диодов, каждый из которых дополнен линзами.
• Подсистема формирования луча Beam forming, объединяющая три модулированных источника в один RGB-луч.
• Подсистема пространственной модуляции (Spatial modulator subsystem) — ключевая в осуществлении технологии bTendo и представляющая собой оптическое устройство (optical engine) на основе пары одноосных сканирующих МЭМС-зеркал. Подсистема попиксельно сканирует изображения в ортогональных (горизонтальном, вертикальном) направлениях, с нужным шагом и углами.
Все вместе реализованные технологические признаки позволяют myPro потреблять меньше мощности, достигать высокого качества, разрешения, яркости цветовой гаммы изображений.
Яркость — это важная проблема пикопроекторов. Лазерная технология допускает повышение яркости проецированных изображений с одновременным снижением потребления мощности. Специалисты bTendo поставили перед собой цель повысить яркость от 10 до 15-20 лм, что достаточно высокий показатель для портативных МЭМС/МОЭМС-устройств. Яркость порядка 100 лм в настоящее время для пикопроекторов еще недосягаема. В компании bTendo также уверены, что технология лазерного сканирования, несомненно, будет иметь более широкое применение и позволит достичь значительного снижения цены.
Продукты bTendo классифицируются согласно стандарту IEC 60825-1 класс 2M. На сайте компании имеется довольно убедительная информация по аспектам безопасности разработанных устройств, а также сравнение технологий сканирующих микрозеркал с микродисплейными технологиями LCOS, DLP, LCD [25]. Обсуждение преимуществ и безопасности лазеров в дисплейных применениях — это тема, заслуживающая отдельного рассмотрения.
О преимуществах, безопасности и перспективах лазерной технологии проецирования
Преимущества лазеров включают:
• малый оптический путь;
• малые размеры проекторов;
• высокую оптическую эффективность;
• высокую эффективность (малое энергопотребление, возможность подзарядки);
• не требуется фокусировка,
• снижение цены;
• высокую яркость,
• высокую контрастность изображений;
• точную цветопередачу;
• широкую цветовую гамму;
• высокую резкость, четкость;
• не требуются цветовые фильтры, дополнительная оптика (коллиматоры и т. д.);
• достаточную безопасность.
Обзор показывает, что все разработчики дисплейных технологий стремятся использовать освещение естественными цветами вместо белого источника (лампы) с системой цветовых фильтров, для чего могут использоваться как обычные светодиоды, так и лазеры, которыми называются устройства, дающие лазерный луч — монохроматический, узкий, направленный, когерентный. Лазерная технология обеспечивает более высокую оптическую эффективность, точность цветопередачи, высокое разрешение и малые пространственные погрешности.
Лазерные технологии применяются при отражении от малых микрозеркальных поверхностей или в массивах дифракционных решеток. Линейные массивы дифракционных решеток сочетаются с лазерными полосами. Лазерные световые источники применяются для освещения в домашних кинотеатрах и пикопроекторах, проецирования на автомобильные дисплеи HUD и глаза человека (носимая оптика).
Возникает закономерный вопрос: насколько же применение лазеров в дисплейных применениях безопасно для человеческого зрения?
Дело в том, что лазерный или другой источник освещения высокой интенсивности, узкий и мощный, может проникать в зрачок и вызывать необратимые тепловые, фотохимические патологические эффекты, результатом которых становится нарушение зрения, слепота, катаракта. Большинство лазеров, используемых в офисной и другой потребительской технике, — цветные, в основном красные. Они сравнительно безопасны, так как люди инстинктивно стараются на них не смотреть, как, например, на Солнце. Но существуют и разрабатываются устройства с невидимым ИК лазерным освещением, эти устройства в меньшей степени безопасны. Тем не менее для человеческого зрения представляют собой опасность не только лазеры, но и проекторы с ртутными или га-логеновыми лампами высокой интенсивности, особенно на небольшом расстоянии воздействия. Поэтому многие изделия сопровождаются метками с информацией о том, что не рекомендуется пристально смотреть на свет включенного проектора.
Все эти устройства классифицируются Международной электротехнической комиссией (IEC) в соответствии с классами безопасности.
Для лазеров IEC разработала стандарт IEC 60825-1, согласно которому установлены 4 первичных класса безопасности лазеров. Классификацию лазеров по безопасности стали применять в 1970-х годах, и изначаль-
Таблица. Характеристики классов безопасности лазеров
Класс безопасности лазера Характеристики лазеров Примеры
1 Маломощные источники видимого и невидимого света. Безопасные устройства в предвидимых условиях, в том числе и при непрерывном взгляде, так как источник заключен в корпус прибора CD, DVD, лазерные принтеры, ROV Microvision
1M Устройства класса 1, представляющие опасность, если пользователь применяет оптические инструменты
2 Маломощные источники видимого света (400-700 нм; до 1 мВт, если время воздействия непрерывной волны 0,25 с или более с меньшим временем воздействия). Защита глаза достигается посредством реакции отвращения (прищуривания, закрытия глаз) Пикопроекторы, лазерные сканеры, пойнтеры
2M Устройства класса 2, представляющие опасность, если пользователь применяет оптические инструменты Микропроекторы bTendo
3R Источники видимого и невидимого света средней мощности (до 5 мВт для видимого света). Диффузное отражение безопасно, прямая визуализация (взгляд вовнутрь луча) может быть опасной. Риск травмы ограничен при встраивании источника в безопасные пределы Лазерные пойнтеры (указки)
3B Источники видимого и невидимого света средней мощности (для непрерывно излучающих лазеров с длиной волны от 315 нм до FIR (far-infrared) мощность ограничена 500 мВт). Диффузное отражение безопасно, прямая визуализация (взгляд вовнутрь луча) опасна. Необходимы защитные лазерные очки. Малый или сфокусированный луч может иметь травмирующее действие Медицинские лазеры
4 Источники видимого и невидимого света высокой мощности (выше 500 мВт). Опасны для глаз и кожи. Необходимы лазерные очки и защита кожи Промышленные лазеры (резка, сварка металла), лабораторные лазеры (спектроскопия)
но она была основана на делении лазеров по длине волны и мощности (4 базовых класса), затем классификация была расширена.
Классы безопасности согласно стандарту IEC 60825-1. Safety of Laser Products-Equipment Classification and Requirements [26] приведены в таблице. В США действуют аналогичные документы: Florida Administrative Code (FAC) Chapter 64E-4, The Code of Federal Regulations (CFR) Title 21 Part 1040.10 [27], American National Standard for the Safe Use of Lasers (ANSI Z136.1).
Более полную информацию по классам лазерной безопасности можно почерпнуть из названной или другой специальной литературы.
Биологические эффекты воздействия на глаз лазерного света зависят от его длины волны и частоты, мощности. Механизмы разрушения различны для лазеров непрерывного и импульсного действия, что учтено в классификации по классам безопасности. Как видно, для лазеров непрерывного и импульсного действия значения также отличаются.
Коротковолновые (синие) и ультракороткие (УФ) лазеры приводят к преимущественно фотохимическим патологическим эффектам, а ИК-излучение вызывает нагрев и тепловые механизмы нарушения зрения. Ультрафиолетовый свет стремится абсорбироваться в передней части глаза (линзе и хрусталике), а видимый и NIR (near-infrared) лазерный свет воздействует на сетчатку.
Лазеры импульсного действия более разрушительны, чем непрерывно воздействующие той же энергии. Лазеры импульсного действия (продолжительностью менее 1 мкс) также вызывают нагрев глаза, ультракороткие импульсы разрушают его фокусировку.
Но лазер не может разрушить глазную ткань, если он ее не достигает и световая энергия не абсорбируется. На этом основана заявленная безопасность устройств класса 1.
Сканер штрихкодов ROV, например, отнесен к 1 классу, то есть к тем применениям лазерной технологии, которые исключают прямое воздействие на глаза и беспокойства не вызывают: лазерные принтеры, сканеры (офисные и сканеры штрихкодов), проигрыватели компакт-дисков, лазерные мыши и т. д.
Но проникающие лазерные лучи опасны для сетчатки, причем при пристальном взгляде энергия лазера, воздействующая на сетчатку, значительно усиливается. Область сетчатки с наибольшей остротой зрения, или область с самым высоким разрешением (желтое пятно), с центральной ямкой размером в доли квадратного миллиметра — наиболее чувствительное место, которое необходимо предохранять от длительного экспонирования.
Естественным образом для классов лазеров 1 или 2 защита достигается за счет закрытия глаз, прищуривания, морганий. Проекционные продукты Microvision и bTendo определены в классы 2 и 2M соответственно. Это означает, что смотреть на ис-
точник освещения не рекомендуется, но, если взгляд наблюдателя не пристальный, вреда для глаз не будет.
Однако более мощные лазеры (классов 3B и 4) могут вызывать разрушение передней части глаза (роговицы и хрусталика) даже без достижения сетчатки, поэтому очки необходимы.
Персональное защитное оборудование оператора, контроль номинальной зоны опасности и области действия лазера (специальные комнаты) как средства уменьшения негативных последствий воздействий лазера применяются, как правило, только для классов лазеров 3 и 4.
И все же очевидна полезность различных очков, предлагаемых сегодня в комплекте с дисплейными системами и как средства 3D-визуализации, и как персонального защитного оборудования в будущих системах. При эксплуатации лазеров любых классов безопасности будет полезным соблюдение некоторого безопасного расстояния при эксплуатации, оптический контроль апертурной области лазера в системном дизайне продукта для ограничения степени экспонирования на глаза.
Но, несмотря на предупреждение в связи с ограничениями по безопасности, лазерные технологии имеют большие перспективы распространения в повседневной жизни, что теперь включает недорогие дисплейные технологии.
Microvision, Lemoptix, bTendo, Maradin, Mezmeriz — все эти компании имеют разработки на основе сканирующей лазерной микрозеркальной технологии.
Компания Lemoptix также разработала свою сканирующую лазерную микрозер-кальную технологию [28].
Технология Mezmeriz уникальна тем, что интегрирует для создания микрозеркальных сканирующих модулей углеродные оптические волокна со специальными свойствами [29]. Оптическая эффективность — выше 90%.
Пикопроекторы, основанные на лазерах, разрабатывает National Semiconductor. Компания TI также связывает перспективы своего развития с коммерческими сканирующими лазерными технологиями.
Лазерная технология у каждого разработчика МЭМС (МОЭМС) технологий может быть не только своя. Существует альтернатива сотрудничества с производителями лазерных источников. Компания Microvision, например, сотрудничает с Corning. Зеленые лазеры G-1000 — это ключевые компоненты модулей PicoP.
Перспективы лазерной технологии Yole Development связывает с пикопроекторами, а ограничение роста этого сегмента рынка — с зелеными лазерами [30].
В 2009 году было продано не более 300 тыс. шт. первых LED-пикопроекторов, что специалисты Yole объяснили плохой яркостью (порядка 10 лм) при относительно высокой цене. Но ожидается, что в 2016 году рынок зеленых лазерных диодов достигнет в денежном выражении порядка $500 млн, а в количественном — 45 млн устройств автономных проекторов.
Старт рынка зеленых лазерных светодиодов начинается в 2010 году с объемов продаж около 0,5-1 млн единиц, как правило, с high-end устройств (Samsung “Android”...). В течение первой фазы большинство проекторов будут основаны на LED, но Yole прогнозирует, что уже в 2011 году на лазерах будут построены 10-20% пикопроекторов, и данное соотношение увеличится до 50-75% в 2016 году.
По данным Yole, технология зеленых лазерных диодов перемещается от нелинейных кристаллов SHG к источникам непосредственного излучения.
Чтобы понять суть этих технологий и разницу между ними, необходимо вспомнить, что лазер — это усиление света посредством вынужденного излучения (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), или процесс усиления и излучения сгенерированных фотонов.
Поэтому все лазеры имеют три базовых компонента: активную среду, источник энергии и резонансную полость. Активная среда обеспечивает источник света, источник энергии — стимуляцию, резонансная полость — усиление и излучение.
Рис. 7. Современные технологии зеленых лазерных диодов:
а) архитектура SHG лазерных модулей Corning;
б) зеленый лазерный модуль Corning G-1000;
в) зеленый лазерный модуль Corning G-2000 с повышенными рабочими характеристиками; г-д) лазер на квантовых точках QD Laser: г) внешний вид; д) технология и применение
обусловленные частотной полосой, также на 20% лучше (со 125 до 150 МГц: более высокая скорость модуляции, быстродействие). SHG зеленые лазеры Corning определяются по мощности в класс 3B, то есть как представляющие опасность устройства.
Зеленые лазеры на квантовых точках QD laser (рис. 7в, г) на 1064 нм выполняются из материалов GaAs с распределенной обратной связью (Distributed FeedBack, DFB) [37-39].
Но специалисты Yole находят, что кор-пусирование лазеров перечисленных выше компаний является сложным, и поэтому им будет трудно достичь приемлемой цены [30].
В ближайшем будущем ожидается вход на рынок лазеров непосредственного излучения. В пикопроекторах полупроводниковые лазеры, непосредственно излучающие свет, планируется применять в 2011-2012 гг. Компании Sumitomo SEI, KAAI (UCSB) и OSRAM — наиболее сильные игроки в этом сегменте рынка.
OSRAM Opto Semiconductors, например, имеет разработанное решение на основе материала InGaN, характеризующееся оптическим выходом в 50 мВт, излучающее зеленый свет с длиной волны 515 нм [40]. Согласно информации, представленной производителем, зеленые лазеры с непосредственным излучением более компактны, имеют более высокую температурную стабильность, легче контролируются и обладают более высокой модуляционной способностью, чем нелинейные лазеры.
Диапазон длин волн, в котором функционируют лазеры, — от ультрафиолетового до инфракрасного.
Выделяются три технологии зеленых лазеров:
1. DPSS: Diode pumped Solid State Laser (твердотельный лазер с диодной накачкой) — на основе красного (808 нм) лазерного диода из материала GaAs, который накачивает активный лазерный кристалл из материала Nd: YVO4 или Nd: YAG (допированно-го неодимом кристаллического ортова-надата иттрия или алюмо-иттриевого граната, дающих выход на 1060 (1064) нм, проходящий через нелинейные кристаллы (LiNbO3, LiB3O5) для удвоения частоты).
2. SHG: Second Harmonic Generation (нелинейный оптический процесс преобразования двух фотонов в один) — на основе лазерного диода на 1064 нм с нелинейными кристаллами в качестве волновода.
3. Источники непосредственного излучения в диапазоне длин волн свыше 520 нм на основе материала GaN (GaInN).
В настоящее время на рынке представлены зеленые SHG лазерные диоды компаний Corning, OSRAM и QD Laser — второго типа (рис. 7).
Зеленые лазеры Corning построены на лазерном источнике с распределенным рефлек-
тором Брэгга DBR (Distributed Bragg Reflector) (рис. 7а) [31-34]. Выход лазера на 1064 нм проходит через нелинейные кристаллы из периодически вызываемого ниобата лития (periodically poled lithium niobate (PPLN) LiNbO3), удваивающими частоту и преобразующими свет в зеленый. Архитектура Corning Green Laser обеспечивает 8%-ную эффективность wall-plug efficiency (WPE), представляющую собой отношение выходной мощности зеленого лазерного света к входной электрической мощности. Это чрезвычайно важный параметр, влияющий на длительность работы устройства от батареи без подзарядки от сети. Но с возможностью такой подзарядки, в полном соответствии с этимологией и исходным значением термина (wall — стена, plug — подключение) [35], например при нахождении и эксплуатации устройств в помещении, функционирование зеленых лазеров оказывается достаточно эффективным.
Компания Corning сотрудничает с Microvision и Opus Microsystems (разработчик 1D и 2D MEMS сканирующих микрозеркальных пикопроекторов) [36]. G-1000 (рис. 7б) — базовое устройство модулей PicoP. В 2010 году представлены лазеры следующего поколения G-2000 с выходом 80 мВт и яркостью порядка 20 лм — на 30% ярче, на 60% эффективнее, чем лазеры G-1000. Их характеристики,
Другие перспективные дисплейные технологии
Рассмотренные МЭМС-технологии микрозеркал позволяют создавать рефлективные дисплейные устройства, то есть отражающие воздействующий на них свет. Но известны и другие типы устройств, причем некоторые из них также могут быть классифицированы как решения на основе МОЭМС-технологий, и именно с МОЭМС связываются будущие перспективы эффективных дисплейных технологий.
Перечень дисплейных технологий включает: эмиссионные, трансмиссионные, трансрефлективные, а также просветного типа [4-5, 7, 10].
Суть типов понятна из названий. Органические светоизлучающие диоды (Organic Light-Emitting Diodes, OLED), например, прямо излучают свет, а трансмиссионные LCD работают с приложением задней подсветки и напряжения для модуляции света посредством жидкого кристалла, размещенного между двумя субстратами. Трансмиссионные ЖК потребляют значительную мощность и требуют быстрого обновления видеоданных, чтобы модуляция на ЖК не была утеряна.
В рефлективных LCD (LCoS) один из субстратов — рефлективный, задняя подсветка
не применяется. Хотя это позволяет экономить мощность, тем не менее модуляцию окружающего света также выполняет жидкий кристалл, а для поддержания его в требуемом состоянии необходима высокая скорость обновления видеоинформации.
Бистабильные рефлективные устройства не требуют непрерывного обновления изображения на дисплее, каждый пиксель бистабильного устройства может находиться в состоянии On или Off с минимальной энергией, прикладываемой для удержания его в этом состоянии. Некоторые ЖК, EPD (ElectroPhoretic Displays) и дисплеи с оригинальным названием Qualcomm's mirasol displays являются примерами бистабильных устройств.
Рефлективные микрозеркальные технологии зависимы от внешнего источника света, его яркости, положения, рассеивают воздействующий на них свет и дают лучшие результаты с лазерными источниками.
Дальнейшие перспективы дисплейных технологий МОЭМС связаны с технологиями, допускающими значительную независимость от источников освещения.
Например, рефлективные дисплеи (примером являются дисплеи Qualcomm) хорошо работают при солнечном свете, но в условиях с низким освещением их достоинства не проявляются.
Но этот недостаток теоретически можно преодолеть, добавляя внешний световой источник с трансмиссионным зеркалом. Это один из примеров реализации трансрефлективных дисплейных технологий, представляющих собой гибрид трансмиссионных и рефлективных технологий.
Следующим примером являются просвет-ные технологии на основе МЭМС-массивов микрозатворов, блокирующих (отражающих) или пропускающих воздействующий на них свет.
Просветные технологии микрооптических переключателей Transmissive Microoptical Switch (TMOS) позволяют рекуперировать световой поток, отраженный от затворов. Свет, отраженный в специальной оптической системе, которая у каждого разработчика своя, вновь воздействует на массив затворов, и в том случае, когда затвор открыт, это увеличивает яркость пикселя. Оптическая эффективность с этими технологиями повышается, а потребление мощности устройством снижается, поэтому к источникам света предъявляются меньшие требования в отношении яркости.
Технологии просветного типа разработаны фирмами Microsoft Research, Pixtronics, UniPixel [5]. Первые две компании применяют механические затворы. Компания UniPixel использует пленочные затворы, и разработанная ею технология является наиболее многообещающей. Технологию специалисты UniPixel классифицируют как квази-МЭМС (Quasi-MEMS), так как затвор
не механический, но, определенно, — это микрооптическая электронная система, оперирующая с оптическими сигналами. Также специалисты UniPixel классифицируют свою дисплейную технологию как трансмиссионную, но ввиду того, что, в отличие, например, от трансмиссионных ЖК с задней подсветкой, применяется система многократного отражения света, будет еще более точным классифицировать ее как трансрефлективную.
Подробнее о TMOS UniPixel
Технология Time Multiplexed Optical Shutter (TMOS) компании UniPixel основана на эффекте нарушения полного внутреннего отражения от границы раздела двух сред (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR) за счет пленок Opcuity [41-43]. Фундаментальным документом, в котором описывается дисплейная система на основе принципа FTIR, является патент США 5,319,491 [43]. Согласно этому принципу, свет, входящий с одного из краев в тонкий прозрачный планарный световод, отражается от других краев, оставаясь внутри световода. Это и есть так называемое полное внутреннее отражение. Чтобы оно имело место, необходимо, во-первых, чтобы волна падала на границу раздела двух сред из среды, в которой скорость ее распространения меньше (из оптически более плотной, с большим показателем преломления), и, во-вторых, подобрать соответствующий угол падения выше некоторого значения.
Полное внутреннее отражение является объяснением, например, блеска алмазов и ювелирных камней, что достигается специальной огранкой.
Полное внутреннее отражение можно разрушить, помещая за вторым третий материал с более высоким показателем преломления, чем у второго, с контактом или без, но с условием близости ко второму материалу порядка нескольких длин волн. В технологии UniPixel оптическая фрустрация достигается за счет электростатического привлечения пленок Opcuity. В том месте, где она происходит, свет выходит за границу раздела двух сред. Таким образом, на каждом пикселе формируется затвор (рис. 8а).
Дисплейная архитектура TMOS представляет собой набор подсистем и включает тонкие слои материала (рис. 8б, в). Слои включают световод (стекло или пластик), прозрачный проводящий слой, слой TFT — задний план на основе тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor, TFT), активный пленочный слой (Active Layer Film).
Световод — это первая подсистема. С края дисплейной поверхности неколлимирован-ный RGB-свет входит в световод, каждый цветовой цикл в строгой последовательности реализуется в малый промежуток времени.
Отражение света от зеркал по краям дает однородное распределение через световод.
Свет входит в световод под углами полного внутреннего отражения, для сохранения которого коэффициенты преломления на границах слоев и TFT-структуры, размещенной на световоде, выбираются приближенно те же, что и у воздуха. Подсистема освещения выполняется на основе RGB-светодиодов. К ним может быть добавлен ИК источник света — для применения в системах ночного видения.
Следующая подсистема — это механизм затвора для индивидуальных пикселей.
На верхней части световода строится простая конденсаторная структура, функционирующая как оптический затвор на каждом пикселе. Слой прозрачного проводника на световоде — это первая обкладка, затем поверх TFT прикрепляется разделяющий stand-off слой в виде паттернов для предотвращения касания TFT и микрооптической структуры. Все слои на поверхности световода в сумме дают не более 12 мкм.
Между световодом и пленкой имеется малый воздушный зазор, активный слой удерживается выше TFT-элементов.
Поверхность в пределах активной пленки выступает как вторая обкладка конденсатора. Их заряд и разряд сопровождается локальной деформацией пленки. При противоположном заряде двух проводящих слоев они притягиваются друг к другу, что приближает ми-крооптическую структуру через воздушный зазор к световоду. Согласно новому дизайну прототипов под названием Simple Matrix, проводники на световоде и активном слое выполняются как полосы.
Таким образом, между двумя прозрачными проводниками формируется микроопти-ческая структура типа сандвича линза/затвор. Когда активный слой касается световода, пиксель активируется, и наблюдается эффект нарушения полного внутреннего отражения (FTIR).
Следующая подсистема дисплейной архитектуры UniPixel — это управляющая схема системного уровня.
TFT-элементы осуществляют контроль каждого пикселя. Посредством контроля длительности заряда/разряда контролируется открытие/закрытие затвора. На данном пикселе длительность определяет цветовую интенсивность.
Каждый пиксель обрабатывает все цвета, без RGB-субпикселей. Отсюда и термин unicellular pixel, и название UniPixel. Аналоговые настройки для контроля пикселей не применяются, выполняется только цифровое включение/выключение (on/off) пикселей и метод последовательной генерации цвета Field Sequential Color.
Технология UniPixel основана на временном добавлении цветов. Согласно этому методу, короткие RGB-импульсы быстро освещают одну пиксельную точку, чтобы человеческий глаз воспринимал ее как один цвет. Для получения тонов и оттенков использу-
Пиксель выключен Свет отсутствует
Пиксель выключен Свет включен
Пиксель включен Свет включен
Рис. 8. Трансрефлективная дисплейная «квази-МЭМС» технология UniPixel: а) явление нарушения полного внутреннего отражения и формирование затвора; б) фрагмент конструкции дисплейного экрана; в) конструкция активного слоя пленки; г—д) сравнение технологии производства LCD и TMOS
ются различные длительности RGB-освещения. Использование этого метода отличает TMOS от других дисплейных технологий, где может применяться пространственная цветовая модуляция, когда близко расположенные точки отображают RGB различной интенсивности, а человеческий глаз воспринимает их как единое целое за счет близости точек.
Рабочие напряжения UniPixel TFT-TMOS снижены менее чем до 12 В, что дает возможность производителям TFT-панелей использовать существующие процессы для разработки слоев TFT-TMOS backplane. Скорость работы затвора и переключение пикселей — порядка 2 мкс, что позволяет достигать частоты кадров видеовыхода 150 кадров в секунду.
Эта технология, в сравнении с LCD, OLED, плазменной и другими дисплейными технологиями, как показано на рис. 8г-д, способствует сокращению количества производственных этапов (например, технология LCD включает порядка 128 таких этапов), а также снижению материальной цены производства до 60% (сокращение спецификации материалов, bill of materials). Все это предлагается вместе с одновременным улучшением многих характеристик, включая основные: снижение потребляемой мощности и увеличение яркости.
UniPixel разработала план разработок усовершенствований TMOS, согласно которому будут применяться различные световые источники, в том числе невидимые, алгоритмы смягчения цветовых разрывов и другие системные усовершенствования.
В перспективе дисплеи UniPixel могут работать не только с инфракрасными источниками освещения, но и быть гибкими (с радиусом кривизны, до 20 раз превышающим толщину), давать переменное разрешение (зуммирование отдельных участков).
Заявленные рабочие характеристики высоки: например, яркость — свыше 385 лм на 13,2 Вт, контрастность — от 31:1 до >160:1, SNR
3200:1 [5, 42]. Рабочие температуры-------40...+90 °C, надежность
MBTF — 100 000 часов.
Известно, что с целью реализации преимуществ технологии TMOS в новом поколении дисплеев компании Samsung и UniPixel заключили контракт о совместной работе, и ожидалось, что в скором времени Samsung начнет производство дисплеев на основе данной технологии. А недавно было объявлено о приобретении TMOS-технологии UniPixel компанией Rambus.
Заключение
Дисплейные технологии — важнейшее применение МОЭМС. В настоящее время дисплейные технологии МЭМС становятся более доступными, эффективными и недорогими, но некоторые из них все еще ожидают своей коммерциализации. Дополнительная информация о технологиях за пределами рассмотренных в статье доступна на сайтах [1, 44].
Конечно, у дисплейных МЭМС/МОЭМС есть конкуренты, но преимущества, которые дают рассматриваемые технологии (высокое качество изображения, яркость, независимость от источников освещения, малая мощность, низкая цена и т. д.), позволяют утверждать, что и в дисплейных применениях технологии МЭМС/МОЭМС — это еще один ключ к двери в 3D^^ будущего. ■
Литература
21. www.microvision.com
22. Three-Dimensional Image Projection System and Method. US Patent Application 20090079941 — http://www.freepatentsonlme.com/y2009/ 0079941.html
23. www.maradin.co.il
24. http://iview.apaci.com.hk/en/index.php
25. www.btendo.com
26. http://www.iec.ch/cgi-bin/procgi.pl/www/iecwww.p?wwwlang= E&wwwprog=cat-detp&progdb=db1&wartnum=037864
27. http://ecfr.gpoaccess.gov/cgi/t/text/text-idx?c=ecfr&sid=fb5cf6aec968b4bd22 a6f9f62d16da6b&rgn=div8&view=text&node=21:8.0.1.3.44.0.1.1&idno=21
28. www.lemoptix.com
29. www.mesmeriz.com
30. http://www.i-micronews.com/reports/Green-Laser-Marketfor-Projection-
Devices/139/
31. http://www.corning.com/r_d/emerging_technologies/green_laser.aspx
32. http://spie.org/x39284.xml?highlight=x2408&ArticleID=x39284
33. http://www.rp-photonics.com/distributed_bragg_reflector_lasers.html
34. http://www.rp-photonics.com/bragg_mirrors.html
35. http://www.rp-photonics.com/wall_plug_efficiency.html
36. www.opusmicro.com.tw
37. www.qdlaser.com
38. http://www.qdlaser.com/news/20090929_PR_eng.pdf
39. http://www.rp-photonics.com/distributed_feedback_lasers.html
40. www.osram.com
41. www.unipixel.com
42. www.unipixel.com/assets/unipixel_whitepaper_20070717.pdf
43. Optical display. US Patent 5,319,491. Selbrede, Continental Typographics, Inc. June 7, 1994.
44. www.sysoeva.com/news.htm
