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 и количество 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 гибкого МЕМ8 -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?