Если совсем недавно наибольшей популярностью пользовались МД с диагональю 1,3 дюйма, соответствующие 35-мм слайду и позволяющие использовать оптическую систему обычных слайд-проекторов, то в настоящее время наблюдается тенденция уменьшения их размеров до 0,9 и даже 0,7 дюймов, что выгоднее прежде всего с точки зрения выхода годных и стоимостных параметров МД.
Более перспективным считается техпроцесс получения микродисплеев, разработанный недавно фирмой Sharp и использующий поликремний типа Continuous Grain Silicon с очень высокой подвижностью носителей, близкой к монокристаллическому состоянию. На основе этого материала была разработана активная матрица тонкопленочных транзисторов для МД с разрешением 1280 x 1024, размером пикселей 45 x 32 мкм при числовой апертуре 63%. Хроническим недостатком высокотемпературных HTPS-технологий считается необходимость использования дорогих кварцевых подложек.
В технологии "Silicon-on-Glass", разработанной специалистами фирмы Kopin Corp.(США), сначала методом ISE (Isolated Silicon Epitaxy) на кремниевой подложке наращивают толстый слой монокремния, в котором стандартными технологическими приемами формируется высокоплотная матрица МОП-транзисторов вместе со строчными и столбцовыми ИС драйверами. Затем этот слой отделяют от кремниевой подложки и переносят на стеклянную подложку (рис. 7). На последней стадии осуществляют сборку ЖК МД. Несмотря на то, что ISE-процесс достаточно сложен и дорог, выигрыш в повышении числовой апертуры для матриц высокого разрешения несомненен. Последняя разработка фирмы Kopin - миниатюрный АМ-модуль с диагональю 1,5 дюйма, содержащий 2560 x 2048 ЭО с интегрированными драйверами столбцов и строк для нашлемных проекционных устройств. Уровень производства МД по данной технологии на конец 2000 г. составлял около 20 000 в месяц.
Особый интерес вызывает низкотемпературная LTPS-технология, развиваемая фирмой Sanyo и позволяющая перейти от кварцевых к более дешевым стеклянным подложкам. Первый МД на основе такой технологии с диагональю 0,5 дюйма имел разрешение 521 x 218 ЭО.
3 МД отражательного типа
Как правило, микродисплейные устройства такого типа содержат светомодулирующее устройство отражательного типа, выполненное по технологии LCOS (Liquid Crystal-on-Silicon, ЖК-на-кремнии) или MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems, микроэлектромеханические системы) и содержащие интегрированные на кристалле схемы адресации строк и столбцов, а также интерфейсную плату сопряжения, блок подсветки и оптическую систему.
Три вида MEMS-технологий конкурируют в настоящее время:
1. DMD МД (Digital Micromirror Device, цифровые микрозеркальные приборы), разработанные фирмой Texas Instruments более 15 лет назад и представляющие собой сложную КМОП ИС со множеством микроминиатюрных зеркал, меняющих свою ориентацию в пространстве под действием электрических сигналов и таким образом способных модулировать падающий на них свет. Первые подобные МД с разрешением 1024 x 768 ЭО появились на рынке в 1998 г., в 1999 г. их разрешение увеличилось до 1280 x 1024, а в 2000 г. - до 1920 x 1080. В настоящее время это практически единственная технология, используемая в проекционных системах HDTV-формата.
2. АМА МД (Actuated Mirror Array), разработанная американской фирмой Aura Systems в начале 90-х годов и усовершенствованная корейской фирмой Daewoo Electronics "под именем TMA" (Thin Film Micromirror Array). Данная технология очень похожа на предыдущую по принципу действия и архитектуре. Разница лишь в том, что для отклонения микрозеркал используют пьезоэлектрический эффект с возможностью более простого и дешевого аналогового принципа формирования градаций серой шкалы. На конференции "Asia Display-98" в Сеуле был продемонстрирован экспериментальный образец VGA-формата с микрозеркалами размером 97 x 97 мкм со световым потоком 5000 Лм. На следующий год разрешение МД было увеличено до XGA - (размер микрозеркал 49 x 49 мкм, размер МД - 2,54 дюйма) и SXGA-форматов. При этом числовая апертура составляет максимальную из опубликованных данных величину в 94%.
3. CLV МД (Grating Light Valve), изготавливаемые американской фирмой Silicon Light Machines, основаны на использовании микроминиатюрной отражательной дифракционной решетки в виде линейки параллельных резиновых полосок 100 x 3 мкм толщиной 100 нм, которые могут очень быстро, за время порядка 20 нс, изменять свое положение в пространстве под действием электростатических сил и таким образом модулировать падающий на нее свет. Для формирования изображения нужно обеспечить вертикальное сканирование. Действующая проекционная система на основе красного, синего и зеленого лазеров и 1080 полосок формирует высококачественное изображение с разрешением 1920 x 1080.
LCOS микродисплеи представляют собой сверхминиатюрные активно-матричные ЖК-дисплеи отражательного типа. От обычных TFT активно-матричных дисплеев прямого видения они отличаются тем, что одна из стеклянных подложек с поляроидом заменена на кристалл из монокремния, в котором формируется матрица МОП-транзисторов, каждый из которых управляет "своим" ЭО (рис. 8). Как правило, размер ЭО составляет от 7 x 7 до 20 x 20 мкм, поэтому даже при их числе более 1 млн. МД может иметь размеры менее 0,5 дюйма по диагонали.
Выбор электрооптического эффекта и ЖК-материала определяется уровнем рабочего напряжения, обеспечиваемого активной матрицей, требуемым контрастом, быстродействием, типом ориентирующего слоя и др. Возможные варианты используемых электрооптических эффектов приведены в таблице 5.
Таблица 5. Особенности используемых электрооптических эффектов
Электрооптический эффект
Принцип действия
Зависимость от длины волны света
Примечание
TN
Изменение
поляризации
Ахроматическая
Нормально черное, нормально белое изображение
ECB
Изменение
поляризации
Зависит
Ограниченная
цветопередача
Birefringent mode
Изменение
поляризации
Ахроматическая
OCB, VA, FLC
GH
Поглощение
Опр.красителем
-
PSCT
Отражение
Зависит
Бистабильность, память
PDLC
Рассеяние
Ахроматическая
-
Holographic PDLC
Отражение
Сильно зависит
Объемный эффект
В качестве основных рассматриваются варианты с использованием нематических и смектических ЖК, а также капсулированных полимером ЖК. Так, например, американская фирма Hana Micro-display Technologies, используя нематические ЖК, планирует увеличить производство МД до 1,5 млн. штук уже в 2001 г. Другая американская фирма Displaytech разработала и производит с 1997 г. целую серию цветных LCOS МД с диагональю до 0,5 дюйма, разрешением 256 x 256, 640 x 480, 1280 x 1024, числовой апертурой 75% и шагом ЭО менее 8 мкм на основе смектических ЖК с быстродействием менее 35 мкс.
Градации серой шкалы (или полутона) в нематических МД обеспечиваются прямой модуляцией управляющего напряжения, т.к. ЖК-материал обладает пропорциональной и воспроизводимой вольт-контрастной характеристикой (ВКХ). Это означает, что каждый ЭО может адресоваться один раз в течение кадра на каждый цвет в однокристальном варианте и один раз в течение кадра - в трехкристальном. Смектические ЖК имеют ВКХ с гистерезисом, что сильно затрудняет реализацию серой шкалы и, следовательно, полноцветного изображения. Поскольку МД в этом случае должен адресоваться несколько раз в течение кадра, скорость загрузки данных и энергопотребление резко возрастают. Меняется также и архитектура активно-матричной КМОП-ячейки: от однотранзисторной типа DRAM в случае нематических МД на многотранзисторную типа SRAM для смектических МД.
LCOS МД обеспечивают цветное изображение несколькими путями:
1. В проекционных устройствах используют 3 одинаковых МД, на каждом из которых формируется красная, зеленая и синяя картинки, которые сводятся на экране с помощью специального проекционного объектива. Для выделения RGB спектральных компонент от немонохроматического источника света используются дихроичные зеркала.
2. В проекционных устройствах используют 1 МД с матричными RGB фильтрами.
3. В проекционных устройствах используют 1 МД и вращающиеся RGB фильтры. Более современные немеханические системы используют технологии Сolor Switch американской фирмы Color Link и ASIF (Appli-cation Specific Integrated Filter) фирмы Digi Lens. Последняя основана на использовании электрически переключаемой Брэгговской решетки, изготовленной на основе голографического PDLC-материала.
4. В виртуальных дисплеях используется 1 МД и система RGB-светодиодов, каждый из которых последовательно освещает красную, зеленую и синюю картинки (технология FSC = Field Sequentional Color).
Первый LCOS МД, появившийся в 1997 г., был изготовлен фирмой IBM и JVC. Фирма Pioneer также продемонстрировала прототип видеопроектора на основе LCOS МД, однако, не сумела довести его до стадии массового производства. За прошедшие несколько лет более 30 компаний занимались разработкой данной технологии, продемонстрировав целую серию МД с разрешением от 320 x 240 до 2048 x 2048 ЭО, а также устройств и систем различного класса и назначения на их основе. Параллельно совершенствовались и удешевлялись все сопутствующие электронные и оптические компоненты, необходимые для проекционных и виртуальных устройств и систем.
