Мікроспігелактор

Мікроспігелактор
Mikrospiegelarray (Цифрове мікродзеркало DMD) від Texas Instruments

Мікроспігелактор – цифровий мікродзеркальний пристрій з мікро-електромеханічними компонентами для динамічної модуляції світла. Мікроспігелактор використовують в мікродзеркальних приводах між мікросканерами і просторовими модуляторами світла. Завдяки мініатюризованій структурі та її електричним, механічним та оптичним властивостям мікроспігелактор належить до групи мікроелектромеханічних систем (MEMS). Застосування – проектування зображення проекторів, особливо проекторів DLP.

Просторові модулятори світла Digital Micromirror Device складають технологічну базу продуктів Digital Light Processing (DLP) і є торговою маркою Texas Instruments (TI), що застосовуються в кінотеатрах з цифровими проекторами.

DLP Micromirror – це оптичний напівпровідниковий цифровий пристрій, є основою технології DLP-проекції. Перші пристрої DMD (Digital Micromirror Device) були розроблені доктором Ларрі Хорнбеком і доктором Вільямом Ед Нельсом в 1987 році в TI (Texas Instruments) на принципі мікродзеркальних приводів, зазвичай розташованих у вигляді матриці з окремими елементами.

Мікродзеркала на DMD-чипі мають довжину ребра близько 16 мікрон, це становить менше ніж 1/5 товщини людської волосини. Рух викликається силою електростатичних полів. Кожне мікродзеркало можна регулювати індивідуально.

Мікроспігелактор
Мініатюрні мікродзеркала, одна зі старих матриць з розміром осередку 16х16 мікрон

Ця технологія вже давно використовується в DLP-проекторах. У тому числі для особливо потужних відеопроекторів і в задніх проекційних екранах їх можна використовувати для 2D дзеркала-сканера, наприклад, в банкоматах.

Мікродзеркальні приводи для управління освітленням в майбутньому можна застосовувати в будівлі: дзеркало, що встановлено між двома шибками склопакетів, може бути включене електростатично. Тобто освітлення в кімнаті (сила і напрямок) буде залежати від положення дзеркала.

Мікроспігелактор
DMD-чип в зборі, порівняно з іншим MEMS пристрій досить великий

DMD-проект починався ще в 1977 році в якості пристрою з дзеркалом, що деформується з мікромеханічними аналоговими модуляторами світла. Перший аналоговий DMD-продукт був у вигляді авіаквитків принтера TI DMD 2000, що використовував DMD замість лазерного сканера.

DMD-чип має на своїй поверхні кілька сотень тисяч мікроскопічних дзеркал, розташованих у прямокутній таблиці, здатний відображати світловий потік, що надходить, і змінювати його напрямок. Дзеркала можуть індивідуально повертатися на ± 10-12°.

Мікроспігелактор
Принцип дії відхилення світла Mikrospiegelaktors або принцип DMD

У включеному стані світло від лампи проектора відображається в об’єктиві і робить піксельний екран яскравішим. У вимкненому стані світло спрямовано до радіатора і піксель здається темним.

Для отримання відтінків сірого, дзеркало вмикають-вимикають дуже швидко. Ставка на час до відключення визначає відтінок, що утворюється в двійковій широтно-імпульсній модуляції. Сучасні DMD-чипи можуть виробляти до 1024 відтінків сірого (10 біт). Видима цифрова обробка світла як кольору зображення виробляється в основах системи DMD.

Мікроспігелактор
Два мікродзеркала, одне в «чорному» положенні, інше – в «білому». Середнє «горизонтальне» положення дзеркала займають тільки в припаркованому стані, коли проектор вимкнено

Самі дзеркала зроблені із крихітних алюмінієвих пластинок, близько 16 мікрометрів в поперечнику. Кожне з них встановлено на коромислі, яке в свою чергу, з’єднано з двома опорними стійками, відповідно до торсійних шарнірів. У цьому типі шарніра вісь фіксується на обох кінцях і в буквальному сенсі закручується в середині.

Для любителів копнути глибше, схема роботи мікродзеркала. Дзеркало кріпиться на відносно масивному майданчику, який прикріплено до більш тонкої і більш гнучкої, ніж інші деталі системи, смужки–підвісу, натягнутій між опорами. У двох інших кутах основи, не зайнятих опорами, розташовані електроди, які за рахунок кулонівської сили можуть притягувати один з країв дзеркала. Тому дзеркало може нахилятися в одну чи в іншу сторону на кут близько 10-12 градусів.

Мікроспігелактор
Так влаштовано кожен з мільйонів елементів мікродзеркальної матриці

В одному з цих двох положень дзеркальце відображає світло, що потрапляє на нього в сторону лінзи і далі на екран. В іншому положенні – направляє світловий потік в іншу сторону, на тепловідвід. У першому випадку на екрані з’являється біла точка, в другому – чорна. В результаті злагодженої дії всієї матриці створюється картинка, що складається з двох кольорів: чорного і білого. Оскільки напівпрозорість, на відміну від РК-матриць, тут використовувати не можна, світло доводиться відміряти механічно. Для цього дзеркальце «блимає» з великою частотою. Ці «підморгування» здатні забезпечити до 1024 градацій сірого, що в 16 разів більше, ніж у середньостатистичної ЖК-матриці.

Мікроспігелактор
Доволі просте коліщатко, в ньому є світлофільтри тільки 3-х стандартних кольорів, RGB
Мікроспігелактор
Зустрічаються і більш складні колеса
Мікроспігелактор
Загальний принцип роботи стандартного DLP-проектора з одним DMD-чипом

Щоб додати зображенню колірної складової використовується колесо з декількома секторами, кожен з яких представляє собою світлофільтр. До базових червоного, синього і зеленого для більшої яскравості зображення зазвичай додається ще й прозорий сектор. Іноді для більш акуратної передачі напівтонів використовуються додаткові світлофільтри – як додаткові ванночки з чорнилом у фотопринтерів.

Мікроспігелактор
DMD чип в роботі

Колесо обертається, знову-таки, дуже-дуже швидко, і мікродзеркальна матриця видає для кожного світлофільтру свій кадр. В результаті дзеркалам доводиться «підморгувати» кілька тисяч разів в секунду: для забезпечення градацій сірого, по повному «сірому» кадру на кожну з колірних складових, і все це помножити на необхідну кількість кадрів в секунду. Вся ця механіка мініатюрна настільки, що навіть на кінчику голки поміщається кілька десятків елементів матриці.

Мікроспігелактор
Відразу досить трудно адекватно оцінити розмір в 10 мікронів. Інша справа – фото в масштабі
Мікроспігелактор
Лапка мурашки. На фото зображена досить стара модель DMD-чипа, сучасні мікродзеркала Texas Instruments мініатюрніше
Мікроспігелактор
Мікродзеркальна матриця розробки Фраунгоферовського інституту напівпровідникових технологій

Мікродзеркальні матриці – окремий різновид оптичних мікроелектромеханічних систем (МЕМС). Але є і багато інших мікросистем, що працюють зі світлом. Наприклад, в астрономії існує досить важлива проблема боротьби зі спотвореннями, що виникають при проходженні світла через неоднорідне середовище – атмосферу. Та ж проблема актуальна і для мікроскопії. Завдання вирішується за допомогою адаптивної оптики – зокрема, дзеркал із змінною геометрією. Зрозуміло, існують і макроскопічні пристрої такого роду.

Мікроспігелактор
Дзеркало зі змінною геометрією, що складається з 93 елементів
Мікроспігелактор
Готовий чип на основі тієї ж системи (розмір 5 на 5 см) на тлі більшого знімка поверхні дзеркала

МЕМС, звичайно, сприяє зниженню ціни і значно збільшує компактність. Якщо для телескопів останнє не так уже і важливо, то для мікроскопів це навіть актуально. Такі МЕМСи складаються з масиву мікродзеркал, які можуть нахилятися, підлаштовуючи форму поверхні масиву для запобігання спотворень.

Мікроспігелактор
Дзеркало зі змінною геометрією, що складається з 1020 елементів. Розробка Boston Micromachines Corporation

Ще один цікавий варіант використання мікродзеркал – комутація оптоволоконних мереж, де дзеркала, що задіяні в складних системах, вміють повертатися не навколо однієї осі, як в DMD-чипі, а відразу навколо двох осей. Це дозволяє створювати комутатори з великою кількістю обслуговуваних каналів.

Мікроспігелактор
Один з варіантів пристрою двовісного мікродзеркала

Через малий масштаб втома однієї петлі не є проблемою. Тести показали, що навіть 1 трлн (10 в 12 ступені) операцій не викликають помітного збитку. Також дізналися, що петлі не можуть бути пошкоджені через звичайні удари або вібрації.

Дві пари електродів контролюють положення дзеркала за допомогою електростатичного тяжіння. Кожна пара має один електрод на кожній стороні шарніра з однією з пар, а інший діє безпосередньо на дзеркало. Велику частину часу рівне зміщення зарядів застосовується до обох сторін одночасно – дзеркало тримається в своїй поточній позиції – сила тяжіння вже на більшій стороні нахиленого дзеркала, тому ця сторона знаходиться ближче до електродів.

Для переміщення дзеркал завантажуються також SRAM-комірки (static random access memory – напівпровідникову оперативну пам’ять, розташовану під кожним пікселем, яку також підключено до електродів). Після того як всі SRAM-комірки завантажені, напруга зміщення видаляється, що дозволяє зарядам від SRAM-комірок переміщати дзеркало.

Коли зміщення відновлюється, дзеркало знову утримується на місці, а для наступного руху інформація може бути завантажена вже з комірки пам’яті. Використовується система зсуву, це зменшує рівень напруги, необхідний для задоволення пікселів, тому ними можна керувати безпосередньо зі SRAM-комірки і напруга зсуву може бути видалена одразу для всього чипа. Так рухається кожне дзеркало або, точніше сказати, утворюється кінематографічне рухоме зображення.

Саме в мікродзеркальних приводах є відмінність між мікросканерами і просторовими модуляторами світла (SLM). Мікросканерна модуляція пучка здійснюється на кожному дзеркалі, яке безперервно рухається. Світло на проекції або при скануванні може керуватися.

Мікросканери використовуються в проекційних дисплеях, сканерах штрих-кодів, ендоскопії, спектроскопії та багатьох інших додатках. В просторових модуляторах світла модуляція світла відбувається над дзеркалом матриці. Окремі рівні посилюються з часом в дискретних відхиленнях (відхилення часткових променів і фазозсувного ефекту).

Мікроспігелактор
Принцип роботи колеса зі світлофільтрами

Найпростіша конструкція – з трьома світлофільтрами основних кольорів (червоний, зелений, синій). Проте для кращого отримання білого кольору та інших колірних відтінків використовувалися більш складні конструкції коліс, з кількістю світлофільтрів від чотирьох до шести.

Механічні колеса з кольоровими світлофільтрами. Механічне колесо, що природно є синхронізованим, обертається зі швидкістю до 9000 оборотів за хвилину (до 150 Гц), забезпечуючи забарвлення світлового потоку від лампи в кожен з кольорів світлофільтрів. DMD мікродзеркальний чип поперемінно віддзеркалює кожен з цих кольорових потоків і проектує їх через оптику на екран, а частину – в поглинач. Тобто зображення в кожному кольорі, згідно відповідному світлофільтрові на колесі, виводяться поперемінно. Завдання ж очей і мозку – зліпити їх в кольорову картинку.

Принцип роботи колеса зі світлофільтрами. Не зважаючи на високу яскравість, контрастність, чіткість та гарну передачу кольору одержуваного зображення, для наших очей – це додаткове навантаження. Вони звикли бачити кольорову картинку відразу, а ми показуємо їм різнобарвну підробку, тому вони все одно помічають кольорові шлейфи і веселки на зображенні. Також постійне мерехтіння теж не сприяє збереженню зору. Можна використовувати 3-чипову конструкцію, щоб зменшити кількість миготіння (за аналогією з 3LCD), але таке рішення приводить до помітного подорожчання кінцевого продукту в 2-3 рази.

Проектор на світлофільтрах. Основна проблема всіх проекторів – лампа, яка перегрівається, тому потрібен потужний і досить гучний вентилятор для відведення тепла. Крім того строк експлуатації лампи при активній експлуатації проектора біля 200 годин, а коштує вона до половини ціни проектора.

Мікроспігелактор
Лазерно-світлодіодні DLP-проектори

Лазерно-світлодіодні DLP-проектори. Проблеми недовговічності, великого енергоспоживання та необхідність постійного серйозного охолодження ламп вирішувала фірма Casio, представивши на ринок лазерно-світлодіодні DLP-проектори. Замість лампи, використовувався червоний світлодіод і синій лазер. Зелений колір виходив завдяки відбиттю лазерного променя від механічного обертового колеса, частина якого (1/3) була покрита спеціальним фосфором.

Лазерно-світлодіодні DLP-проектори. Така конструкція істотно знижувала енергоспоживання, але ефект мерехтіння, завдяки механічному колесу все ж мав місце.

Мікроспігелактор
Лазерні DLP-проектори

Лазерні DLP-проектори. Лазерні проекційні системи не мають ні ламп, ні світлодіодів. Джерело світла Necsel, представлене на малюнку, виглядає як комбінація зеленого, червоного і синього лазерів, які здатні проектувати потужні пучки світла прямо на мікродзеркала чипа.

Лазерні DLP-проектори. Даний блок має масу переваг: не потрібно поляризувати світло для його подальшого розкладання, ніяких механічних коліс і світлофільтрів, низьке енергоспоживання і збільшений термін служби. Вбудований комутатор сам вмикає і вимикає лазер потрібного кольору, але зображення, що проектуються на екран, неповнокольорові. Вони, як і раніше, червоні, зелені і сині. Тому завдання для очей знову зібрати все воєдино залишається актуальним.

Мікроспігелактор
3-матрична система з незалежними лазерами

DLP-проектор. 3-матрична система з незалежними лазерами, в цьому випадку ефект мерехтіння зведено до мінімуму – лазер кожного кольору працює безпосередньо на свою мікродзеркальну матрицю.

Мікроспігелактор
Піко-проектори

Піко-проектор – це проектор кишенькового розміру, який може бути вбудований в камеру, мобільний і навіть годинник. В 2003 році ізраїльська фірма Explay оголосила про намір розробити проектор кишенькового формату, а перша демонстрація продукції відбулася в 2006.

Піко-проектор, вбудований в мобільний пристрій, можна використовувати для перегляду фотографій, відео в розширенні більшому, ніж це дозволяє екран пристрою. Проектори працюють на світлодіодному джерелі світла.

Струменеві принтери. Сучасні принтери оперують з краплями фарби об’ємом близько піколітра. А що ж таке піколітр? Це кулька діаметром близько 13 мікрон. В одному кубічному міліметрі таких крапельок поміщається з десяток тисяч! Для того щоб сформувати такий малий обсяг рідини і сформувати його строго в потрібний момент, необхідна найтонша механіка. Так що і тут працює MEMS. Відбувається це в такий спосіб. Головка, що друкує, являє собою масив з безлічі мікроотворів. Під отворами розуміють мініатюрні порожнини, в які чорнило надходить з основного резервуара картриджа. Самі собою чорнила через сопла не виливаються: діаметр отворів настільки малий, що сила поверхневого натягу не дає рідині просто так витекти назовні. Фарбу необхідно видавити примусово. Для цього можна скористатися кількома різними технологіями.

Мікроспігелактор
Краплі чорнила на папері
Мікроспігелактор
Крупний план однієї дюзи друкувальної головки струменевого принтера

Наприклад, можна розмістити в мікропорожнині п’єзоелемент. Приблизно такий же, як ті, що використовуються в запальничках. Тільки процес в даному випадку йде у зворотний бік. У запальничках п’єзоелемент виробляє електрику від деформації (яка наступає від натискання кнопки) кристала. У друкувальну головку принтера на п’єзокристал подається струм, внаслідок чого кристал збільшується в об’ємі і штовхає мембрану, яка, в свою чергу, виштовхує фарбу назовні.

Мікроспігелактор
Принцип роботи п’єзоструйної друкувальної головки

Саме такий метод використовує компанія Epson. Більш популярний підхід, який практикують компанії HP, Canon і Lexmark: термоструйний друк. У порожнині розміщується нагрівальний елемент, який миттєво нагріває чорнило до дуже високої температури. Рідина закипає, збільшується в об’ємі і вихлюпується з порожнини на поверхню.

Мікроспігелактор
Принцип роботи термоструйної друкувальної головки

Що цікаво, струменевий друк може служити не тільки кінцевою метою виробництва MEMS, а й проміжним етапом. При сучасному рівні розвитку технологій струменевого друку, вона цілком підходить для виготовлення мікроструктур. Говорячи по-простому, за допомогою струменевих принтерів можна друкувати ті чи інші мікроелектронні або мікроелектромеханічні пристрої. Просто для цього треба використовувати не звичайне чорнило, а розчини тих речовин, з яких можна виготовити потрібну структуру. Але є й технологічні обмеження: в класичних методах струминного друку не можна отримати краплю за розміром меншою, ніж діаметр отвору, з якого вона витікає (при таких розмірах правильніше буде сказати видавлюється).

Мікроспігелактор
У головках, що друкують, використовуються дюзи різних розмірів
Мікроспігелактор
Одна зі стільників друкувальної головки HP 60 в розрізі
Мікроспігелактор
«Пайку» контактів на цьому знімку зроблено за допомогою п’єзострумного друку
Мікроспігелактор
Мікроскопічний логотип Texas Instruments надруковано краплями діаметром 60 мікрон
Мікроспігелактор
Форма поверхні рідини

Втім, якщо є бажання отримати дуже маленьку краплю, то вихід є. Якщо капіляр з провідною рідиною помістити в електричне поле, то форма поверхні рідини буде відрізнятися від нормальної форми, що обумовлює поверхневий натяг. У міру збільшення напруги вона буде все ближче до конусу (так званому конусу Тейлора), а при досягненні якогось порогового значення напруги з кінця цього конуса почнуть відриватися дрібні краплі – їх розмір буде значно меншим, ніж діаметр капіляра.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*