Устройства отображения с микроэлектромеханическими системами
Устройства с микроэлектромеханическими системами так же, как и жидкокристаллические дисплеи, не являются устройствами эмиссионного типа, а реализуют различные принципы управления потоком излучения источника или внешнего света.
Микроэлектромеханические системы (MEMS — micro electromechanical systems) —термин, обозначающий множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические процессы микроэлектроники (микросистемные технологии — microsystem technology). Микромеханическое производство стало стремительно развиваться с конца 1990-х годов.
Микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Сегодня MEMS-устройства применяются в различных областях техники в качестве миниатюрных деталей (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера), микроинструментов (скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров), микромашин (моторы, насосы, турбины), микророботов, микродатчиков, устройств для СВЧ-применений (катушки индуктивности, коммутаторы, резонаторы) и т. д.
В технологии отображения информации используются микроэлектромеханические системы двух типов: цифровые мультизеркаль-ные устройства и интерференционные модуляторы.
Цифровое мультизеркальное устройство(DMD — digital micro-mirror device), изобретенное Л. Хорнбеком (L. Hombeck, 1987), является основой видеопроекторов с цифровой обработкой света (DLP — digital light processing, компания Texas Instruments).
DMD-чип—это матрица высокой точности, состоящая из большого количества (до миллиона и более) микрозеркал (размером 16x16 мкм) и осуществляющая цифровое преобразование света. Каждое микрозеркало матрицы соответствует пикселу воспроизводимого на экране изображения. По сути, DMD-чип представляет собой полупроводниковую микросхему, каждая ячейка которой (точнее, ее содержимое) определяет положение соответствующего микрозеркала, размещенного на поверхности подложки.
Миниатюрные электромеханические приводы управляющей ячейки позволяют изменять положение каждого из микрозеркал, меняя тем самым направление, в котором будет распространяться отраженный от него свет источника. Как и соответствующая управляющая ячейка, каждое микрозеркало имеет два состояния, отличающиеся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала (рис. 3.12): «включено» или «выключено».
В первом положении микрозеркала отраженный им свет попадает в объектив и соответствующий ему пиксел изображения на экране становится белым («включенным»). Во втором положении — отраженный свет попадает на свегопоглощающую «ловушку», а не в объектив, и соответствующий ему пиксел будет на экране черным («выключенным»).
Для формирования полугонов применяется дизеринг— переключение микрозеркала из одного состояния в другое с большой частотой. Таким образом происходит регулирование необходимого количества света: чем дольше микрозеркало будет находиться во «включенном» состоянии, тем более светлый оттенок будет отображен данным пикселом. Используя дизеринг, с помощью ЭМО-матрицы можно формировать черно-белое полутоновое изображение.
Для того чтобы получить цветное изображение, в проекторах с цифровой обработкой света на базе одной ЭМО-матрицы применяется вращающийся с высокой скоростью цветоделительный диск. Диск разделен по крайней мере на три сектора, т. е. состоит из трех светофильтров (фильтров-сегментов), каждый из которых пропускает-лишь определенную составляющую цвета: красную, зеленую или синюю.
Поток белого света источника проходит через цветоделительный диск, попадает на светоотражающую ОМЭ-матрицу, а затем через проекционную оптику на экран (рис. 3.13). Таким образом, в каждый момент времени на БМО-матрицу падает отфильтрованный сектором цвето-делительного диска свет только одного из основных цветов. Это позволяет формировать на экране изображение соответствующего цвета — субкадр. Последовательное чередование трех цветных субкадров с высокой частотой позволяет наблюдателю воспринимать цветное изображение. Здесь используется принцип сложения цветов во времени, хотя, на самом деле, наблюдаемых поочередно. В современных моделях частота вращения светофильтра достигает 11 тыс. об./мин.
Рис. 3.13. Схема проектора с цифровым мультизеркальным утройством: 1 — лампа, 2 — конденсор, 3— цветоделительный диск, 4 — выравнивающая линза, 5 — ОМР-матрица, 6 — об-ьектив. 7 — экран. 8 — плата памяти. 9 — процессор
Во многих моделях ОЬР-проекторов на базе одной ОМО-матрицы используется светофильтр не с тремя, а с четырьмя секторами. Помимо трех основных цветов аддитивного синтеза применяется дополнительный белый сектор. Такое решение позволяет повысить уровень светового потока и увеличить контрастность изображений.
Для оптимизации показателей яркости и контрастности, а также для повышения точности цветопередачи, в некоторых моделях используются светофильтры с пятью секторами: красным, зеленым, синим, желтым и белым, а кроме того, используются светофильтры с разновеликими секторами.
В последнее время все больше моделей проекторов с цифровой обработкой света оснащаются светофильтром с шестью секторами (парами красных, зеленых и синих). Это позволяет вдвое увеличить частоту чередования субкадров, а следовательно, сделать менее заметным эффект «расслоения» цветов при сохранении прежней скорости вращения светофильтра.
Проекторы с одной матрицей не лишены недостатков. Во-первых, свет от источника используется в лучшем случае на треть. Во-вторых, использование сегментированных светофильтров уменьшает время экспозиции каждой цветовой составляющей, а следовательно, уменьшает разрядность цифрового представления цвета иколичество результирующих цветов, воспроизводимых на экране.
DLP-проекторы с одним DMD-чипом используются в офисах и в домашних, кинотеатрах. Их достоинствами в сравнении с проекторами других типов являются компактные размеры, высокий уровень контрастности и менее заметная структура изображения.
Проекторы с тремя DMD-матрицами и тремя независимыми светофильтрами применяются в цифровых кинотеатрах, в больших аудиториях. Они обеспечивают больший цветовой охват (количество воспроизводимых цветов) и более точное цветовоспроизведение, однако требуют использования более сложной оптики и систем управления, в силу чего отличаются высокой стоимостью.
Дисплей на основе интерферометрической модуляции(IMOD — Interferometric MODulation) основан на технологии формирования цветного изображения методом интерференции световых волн.
Субпиксел IMOD-матрицы представляет собой интерференционный модулятор (interference modulator) — образец микроэлектромеханической системы (MEMS). Он состоит из полупрозрачной пленки на стеклянной подложке, способной частично отражать, а частично пропускать свет, и гибкой отражающей металлической мембраны (рис. 3.14а). Мембрана может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом.
Рис. 3.14. Схема интерференционного модулятора (а) и пиксела (б) дисплея на основе интерферометрической модуляции: 1 — стеклянная основа, 2 — полупрозрачная пленка, 3 — воздушный зазор, 4 — отражающая мембрана, 5 — падающий свет (внешний), б — свет, отраженный пленкой, 7' — свет, отраженный мембраной, 8, 9, 10 — соответственно «красный», «зеленый» и «синий» субпикселы
В первом случае между ней и пленкой есть воздушный зазор, во втором — зазор отсутствует. Переход из одного состояния в другое осуществляется за счет электростатического взаимодействия, возникающего в результате приложения внешнего напряжения различной полярности. При этом после снятия напряжения мембрана сохраняет приобретенную конфигурацию.
Когда пленка и мембрана разделены воздушным зазором, отразившиеся от пленки световые волны интерферируют с волнами, прошедшими сквозь нее и затем отразившимися от мембраны, в результате чего выделяется излучение определенного цвета. Если же зазор отсутствует, то интерференции не происходит. Варьируя величину зазора, можно получить три основных цвета: при наибольшей толщине воздушной прослойки — красный, при средней — зеленый и при наименьшей — синий. Черный цвет субпиксела формируется при закрытом состоянии модулятора.
Размеры одного интерференционного модулятора имеют порядок десятков микрометров. Один пиксел дисплея из трех субпикселов — «красного», «зеленого» и «синего», каждый из которых образован несколькими рядами модуляторов (рис. 3.146). При этом управляющие схемы располагаются по краям дисплея.
Особенность IMOD-дисплеев заключается в том, что они используют для формирования изображения свет окружающей среды. Необходимость в дополнительной подсветке возникает только в случаях чрезвычайно низкой освещенности или при ее полном отсутствии.
К числу достоинств данной технологии можно отнести: хорошее качество изображения (экран хорошо отображает информацию даже под прямым воздействием яркого солнечного света), очень малый уровень энергопотребления (что является оптимальным для мобильных устройств), малое время отклика (10 мкс). Поскольку lMOD-технология не предполагает использования колорантов для цветового синтеза, дисплеи на ее основе со временем не утрачивают яркость и насыщенность цветов.
IMOD-технология применима для создания плоских экранов практически для любых устройств: от мобильныхтелефоновдо широкоформатных мониторов. На сегодня лидером в этом секторе рынка яляется компания Qualcomm MEMS Technologies (ОМТ, США), торговая марка дисплеев — Mirasol. Компания подготовила производство 2,2-, 5- и 5,7-дюймовых дисплеев с дискретными размерами соответственно 384x288 (разрешение 223 пиксела на дюйм), 720x960 (242), 1024x768 (220) с частотой обновления 30 кадров/с.
Pис. 3.15. Схема гибкого МЕМЬ-дисплея:
I — основа, 2 — интерференционная Плевка {оксид кремния), 3 — мембрана, 4 — подсвектка, 5 — свет
Планируется их использование для разного рода мобильных устройств, трЗ-плееров, электронных книг, планшетных компьютеров.
Принцип действия гибкогоМЕМ8-дисплея(разработка Токийского университета) также основан на интерферометрической модуляции. Он состоит из отражающей алюминиевой основы, поверх которой расположена интерференционная пленка из оксида кремния на пластиковом носителе (рис. 3.15). С помощью микроскопических «опор» между ней и тонкой верхней мембраной создается слой из микроскопических пустот. Эта конструкция работает, как интерференционный светофильтр. Подаваемое на электрод напряжение деформирует мембрану, что приводит к изменению параметров фильтра. Внешне это изменение воспринимается, как изменение цвета соответствующего субпиксела. В отсутствие напряжения участок выглядит серым.
В качестве одного из возможных применений дисплеев названы рекламные носители большого размера, устанавливаемые в окнах зданий и транспортных средств.
Для изготовления таких гибких МЕМБ-дисплеев используют рулонную печать на пластиковых пленках с формированием необходимых микроструктур, что позволяет существенно снизить стоимость дисплеев.
Контрольные вопросы
1. По каким признаками каким образом классифицируют устройства отображения информации?
2. Какие устройства отображения информации относят к эмиссионным?
3. В чем заключается сущность растрового способа описания изображения?
4. Какими параметрами характеризуется изображение, описанное растровым способом?
5. В чем заключается сущность векторного способа описания изображения?
6. Что такое разрешение устройства отображения информации ?
7. Каким образом воспроизводится изображение на экране электронно-лучевой трубки?
8. Какие виды развертки используются в ЭЛТ?
9. Каковы принципы воспроизведения цвета электронно-лучевыми трубками?
10. В чем сходство и в чем различие между ЭЛТ и дисплеями с автоэлектронной эмиссией?
11. Каким образом устроена ячейка (пиксел) плазменной панели?
12. За счет чего регулируется яркость свечения субпикселов газоразрядного матричного экрана ?
13. Какие методы используются для увеличения яркости, контраста ичеткости изображения, воспроизводимого плазменными панелями?
14. В чем заключаются преимущества плазменных панелей перед другими устройствами отображения?
15. Как устроены светодиодные модули?
16. Каковы преимущества светодиодных панелей и экранов перед другими устройствами отображения?
17. Что подразумевают под 01_ЕО-технологиями?
18. Какие схемы цветовоспроизведения используются в дисплеях на основе органических светодиодов?
19. Какие светоизлучающие материалы применяют для изготовления дисплеев на основе органических светодиодов?
20. Можно ли отнести жидкокристаллические дисплеи к эмиссионным устройствам отображения информации и почему?
21. Как устроены сегментные монохромные жидкокристаллические дисплеи?
22. Каковы принципы регулирования интенсивности свечения элементои (субпикселов) жидкокристаллического экрана?
23. В чем заключаются недостатки жидкокристаллических дисплеев?
24. Какие методы применяют для увеличения угла обзора ЖК-экранов ?
25. Что понимают под микроэлектромеханическими системами?
26. Что такое БМО-матрица и каково ее устройство?
27. Каковы принципы действия проектора на основе цифрового мультизеркального устройства ?
28. В чем заключается принцип действия дисплеев на основе интерферометрической модуляции?
29. Как устроен интерференционный модулятор?