Световой клапан с дифракционной решеткой

Фирмой Silicon Light Machines, был представлен прототип цифрового проектора, на основе микроэлек­тромеханической (MEM) технологии с использова­нием светового затвора с дифракционной решет­кой GLV. В основе новой схемы передачи сигнала лежит способ управления световым потоком, выходящим из трех полупроводниковых лазеров, таким образом, чтобы на любой гладкой поверхности, в том числе стене или экране, получалось проекционное высококачест­венное изображение любого формата - 4:3,16:9, 2,31:1 и т.д.

Три лазерных луча, (красный, зеленый и синий), модулируются в световом затворе по интенсивности с использованием принципа дифракции. Модулированные лучи совмещаются и образуют единый луч при помощи фильтра Фурье. Сканирующее зеркало обеспечивает развертку лазерных лучей и формирует экранное изображение.

Световой затвор устроен следующим образом. Цвет каждого пиксела, составляющего изображе­ние, создается группами подвижных лент, образую­щих световой затвор и дифракционные решетки. Каждая группа состоит из шести параллельных лент нитрида кремния, покрытых отражающим слоем и за­крепленных на кремниевой основе. Группа является управляемой дифракционной решеткой. Управление осуществляется посредством изменения количества отклоняющих лент в зависимости от нуж­ной интенсивности светового потока, создающего изображение.

Чип GLV является устройством, в котором отражаю­щие ленточки крепятся на поверхности кремниевого чипа. Каждая ленточка имеет длину 100 нм и ширину 3 нм, а их толщина составляет 3 фм. Ленточки нахо­дятся над чипом с воздушным зазором около 650 нм; к ним прикладывается постоянное растягивающее усилие, и если электростатические силы не действуют, то ленты имеют ровную поверхность.

Под воздействием управляющего электрического поля ленточки деформируются, смеща­ясь в направлении чипа на часть длины волны пада­ющего света, создавая, таким образом, дифракционную решетку, которая отклоняет световой луч в заданном направлении. Чем выше прикладываемое напряжение, тем больше отклонение ленточки. Ленточки изго­тавливаются из нитрида кремния - керамического материала, выбранного из-за своей высокой механи­ческой прочности и долговечности, и покрываются тонким слоем алюминия, выполняющего роль опти­ческого отражателя и электропроводника.

Из-за того, что сила электростатического притяже­ния обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое относительно мало, можно получить очень большие силы притяжения и, соответственно, большое ускорение. Механические силы, возникающие при этом, уравновешивается значительными растягивающими силами восстановления равновесного состояния, приложенными к ленточкам. Основными достоинст­вами конструкции являются долговечность, однород­ность и повторяемость. Сочетание низкой массы, малого отклонения (порядка 1/800 длины ленточки) и больших сил притяжения и восстановления приво­дит к очень высокой скорости переключения. При этом обеспечивается высокое быстродействие всей системы. При отсутствии управляющего сигнала поверхность неотклоненных ленточек образуют плоское зеркало, отражаю­щее световые лучи в специальный поглотитель. Если GLV-пиксел имеет адресное отклонение, ленточки смещаются вниз, создавая дифракцион­ную решетку с элементами квадратной формы. Отражение света такой решеткой составляет 20%, горизонтальное разрешение - 1920 элементов и частота обновления - 100 Гц. Каждый вертикальный столбик видеодан­ных отображается за 4,2 мс, при этом скорость обновления пикселов составляет 250 Гц..

GLV-устройства могут работать как в цифровом, так и в аналоговом режиме. Каждый пиксел в строке способен воспроизводить прецизионные величины шкалы серого со скоростью несколько миллионов раз в секунду, что в несколько тысяч раз быстрее, чем при любом другом способе модуляции. При этом можно получить 10-разрядную серую шкалу со скоростью обновления 150 – 200 кадров/с. Для формирования вертикальной строки изображения, GLV-пикселы выстраивают в верти­кальный столбик, составленный из 1080 пикселов. Свет из трех лазеров (красного, зеленого и синего) падает на этот столбик, и отраженное 1D изображение сканирует­ся зеркалом со скоростью 60 кадров/с. Так формируется полный кадр изображения. При этом фиксированным остается только вертикальное разрешение, а столбик из вертикальных элемен­тов изображения развертывается в горизонтальном направлении до формата 4:3,16:9 или 2,35:1, обеспечивая соответствующую горизонтальную разрешающую способность кадра изображения.

Главным достоинством такой технологии является то, что 1080 элементов изображения могут сформи­ровать стандартный кадр 1920x1080 и не приводить к видимой дискретности изображения: не будет видно границ пик­селов на строке изображения благодаря тому, что в направлении сканирования соблюдается непрерывность сканирования.

В GLV модуляторе отсутствуют горизон­тальные промежутки между ленточками, отражающими свет, при этом чип имеет очень высокую плотность заполнения отражающим покрытием (95%). Таким образом, возможные тепловые потери от нагрева падающим светом в чипе GLV минимизированы.

Таким образом, GLV-технология может являет­ся средством для получения пространственного светового модулятора с высокими эксплуатационны­ми характеристиками.

Для изго­товления GLV-устройства используются стандартное оборудование и обычный КМОП - материал (КМОП - комплементарный металло-оксидный полупровод­ник), благодаря чему стоимость реализации GLV- технологии относительно невелика.

Дата добавления: 2014-01-04