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Cristal líquido sobre silicio

La tecnología de cristal líquido sobre silicio ( LCoS o LCOS ) es una pantalla de cristal líquido reflectante de matriz activa miniaturizada , o "micropantalla", que utiliza una...

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La tecnología de cristal líquido sobre silicio ( LCoS o LCOS ) es una pantalla de cristal líquido reflectante de matriz activa miniaturizada , o "micropantalla", que utiliza una capa de cristal líquido sobre un sustrato de silicio. También se la conoce como modulador espacial de luz . Inicialmente, la tecnología LCoS se desarrolló para televisores de proyección , pero desde entonces ha encontrado aplicaciones adicionales en conmutación selectiva de longitud de onda , iluminación estructurada , pantallas de visualización cercana y conformación de pulsos ópticos.

El desarrollo de LCoS por parte de JVC se denomina Amplificador de Luz de Imagen de Accionamiento Directo ( D-ILA ), mientras que el desarrollo propio de Sony se denomina Pantalla Reflectiva de Cristal de Silicio ( SXRD ).

LCoS se diferencia de la tecnología de proyección LCD , que utiliza paneles LCD transmisivos que bloquean o permiten el paso de la luz. LCoS es más similar a las pantallas DLP .

Tecnología

Esquema del LCLV de Hughes

La válvula de luz de cristal líquido (LCLV) de Hughes fue diseñada para modular un haz de luz de alta intensidad utilizando una fuente de luz más débil, de forma conceptualmente similar a como un amplificador aumenta la amplitud de una señal eléctrica; LCLV recibió su nombre del nombre común del tubo de vacío triodo . [ 1 ] Se utilizó una fuente de luz de alta resolución y baja intensidad (típicamente un CRT ) para "escribir" una imagen en la capa fotosensora de CdS , que es energizada por un electrodo transparente de óxido de indio y estaño , impulsado por una fuente de corriente alterna a aproximadamente 10 mV. Una capa bloqueadora de luz de CdTe impide que la luz de escritura de baja intensidad brille a través del dispositivo; el fotosensor y la capa bloqueadora de luz juntos forman una unión rectificadora , produciendo una polarización de voltaje CC a través de la capa de cristal líquido , transfiriendo la imagen al lado reflectante [ 2 ] : 5 cambiando la rotación de la polarización en el cristal líquido nemático retorcido . En el lado reflectante, una fuente de luz de proyección polarizada de alta intensidad se refleja selectivamente en el espejo dieléctrico en función de la polarización dentro del cristal líquido, controlada por el fotosensor. El espejo dieléctrico se forma mediante la pulverización catódica de capas alternas de TiO 2 ySiO2 , con elSiO2 capas grabadas para alinear el material de cristal líquido. [ 3 ] : 10–12El desarrollo posterior del LCLV utilizó materiales semiconductores similares dispuestos en las mismas estructuras básicas. [ 4 ] : 10

Esquema D-ILA de Hughes-JVC

El principio LCLV se aplica a un dispositivo de visualización LCoS digital, que cuenta con una matriz de píxeles , cada uno equivalente al lado reflectante de un único LCLV. Estos píxeles en el dispositivo LCoS son controlados directamente por señales para modular la intensidad de la luz reflejada, en lugar de una fuente de "luz de escritura" de baja intensidad como en el LCLV. Por ejemplo, un chip con resolución XGA tiene una matriz de 1024 × 768 píxeles, cada uno con un transistor direccionable de forma independiente. [ 5 ] En el dispositivo LCoS, un chip de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) controla el voltaje en electrodos cuadrados reflectantes de aluminio enterrados justo debajo de la superficie del chip, cada uno controlando un píxel. Los chips típicos son aproximadamente de 1 a 3 cm (0,39 a 1,18 pulgadas) cuadrados y de aproximadamente 2 mm (0,079 pulgadas) de espesor, con un paso de píxel de tan solo 2,79 μm (0,110 mils) . [ 6 ] Una tensión común para todos los píxeles es suministrada por una capa conductora transparente hecha de óxido de indio y estaño en el vidrio de cubierta.     

Pantallas

Historia

La historia de los proyectores LCoS se remonta a junio de 1972, cuando científicos de Hughes Research Laboratories desarrollaron por primera vez la tecnología LCLV en un proyecto interno de investigación y desarrollo. [ 7 ] General Electric demostró una pantalla LCoS de baja resolución a finales de la década de 1970. [ 8 ] Los proyectores LCLV se utilizaron principalmente para simuladores de vuelo militares debido a su gran tamaño y volumen. [ 9 ] En 1992 se fundó una empresa conjunta entre Hughes Electronics y JVC (Hughes-JVC) [ 10 ] para desarrollar la tecnología LCLV para salas de cine comerciales bajo la marca ILA (Image Light Amplifer). [ 11 ] Un ejemplo medía 1840 mm (72,5 pulgadas) de alto y pesaba 760 kg (1670 libras) , utilizando una lámpara de arco de xenón de 7 kW . [ 12 ]     

Diagrama conceptual de un proyector LCoS

En 1997, los ingenieros de JVC desarrollaron el D-ILA (Direct-drive Image Light Amplifier) ​​a partir del Hughes LCLV, [ 10 ] [ 13 ] lo que dio lugar a proyectores LCoS digitales más pequeños y asequibles, que utilizaban dispositivos D-ILA de tres chips. [ 14 ] Aunque estos no eran tan brillantes y tenían menor resolución que los proyectores ILA de cine, eran más portátiles, con un peso inicial de 33 lb (15 kg) . [ 15 ]  

Los primeros proyectores LCoS presentaban algunos problemas. Sufrían de un fenómeno llamado "imagen persistente", en el que la imagen permanecía en la pantalla después de haber desaparecido. Esto se debía a que los espejos se atascaban en su posición, lo que provocaba un efecto fantasma en la pantalla. Sin embargo, los fabricantes continuaron perfeccionando la tecnología y los proyectores LCoS actuales han superado en gran medida este problema.

Sony presentó su tecnología SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) en 2003, con resolución Full HD . [ 16 ] SXRD fue una evolución de la tecnología LCoS que utilizaba píxeles aún más pequeños y una resolución más alta, lo que resultaba en una imagen aún más precisa. Los paneles 4K SXRD se desarrollaron al año siguiente. [ 17 ] La tecnología SXRD se utilizó en los proyectores de cine en casa de gama alta de Sony, [ 16 ] y rápidamente se ganó una reputación por su excepcional calidad de imagen.

Un proyector JVC D-ILA

En 2006, JVC presentó una versión actualizada de la tecnología D-ILA que eliminó la necesidad de un filtro polarizador, lo que se tradujo en una imagen más brillante y nítida. Desde entonces, la tecnología D-ILA se ha convertido en una opción popular entre los aficionados al cine en casa.

Los proyectores LCoS han seguido evolucionando, y los fabricantes han incorporado funciones como la resolución 4K y la compatibilidad con HDR ( Alto Rango Dinámico ). Actualmente, los proyectores LCoS están disponibles en una amplia gama de precios, desde modelos asequibles para cine en casa hasta modelos profesionales de alta gama utilizados en instalaciones comerciales.

Arquitecturas de sistemas de visualización

La tecnología de pantallas LCoS es un tipo de micropantalla que ha ganado popularidad debido a su alta calidad de imagen y su capacidad para mostrar imágenes de alta resolución. Los sistemas de pantallas LCoS suelen constar de tres componentes principales: el panel LCoS, la fuente de luz y el sistema óptico.

El panel LCoS es el componente principal del sistema de visualización. Consta de una matriz de píxeles dispuestos en una cuadrícula. Cada píxel se compone de una capa de cristal líquido, una capa reflectante y un sustrato de silicio. La capa de cristal líquido controla la polarización de la luz que la atraviesa, mientras que la capa reflectante la refleja de vuelta hacia el sistema óptico. El sustrato de silicio se utiliza para controlar los píxeles individualmente y proporciona la electrónica necesaria para el funcionamiento del panel LCoS.

La fuente de luz se utiliza para proporcionar la iluminación necesaria al panel LCoS. La fuente de luz más común en los sistemas de visualización LCoS es una lámpara de alta intensidad. Esta lámpara emite un amplio espectro de luz que se filtra mediante una rueda de color u otros componentes ópticos para proporcionar la gama de colores necesaria para el sistema de visualización.

El sistema óptico se encarga de dirigir la luz de la fuente luminosa hacia el panel LCoS y proyectar la imagen resultante sobre una pantalla u otra superficie. Este sistema consta de varias lentes, espejos y otros componentes ópticos diseñados y calibrados con precisión para proporcionar la ampliación, el enfoque y la corrección cromática necesarios para el sistema de visualización.

Diseños de tres paneles

La luz blanca se separa en tres componentes (rojo, verde y azul) y luego se vuelve a combinar tras la modulación mediante los tres dispositivos LCoS. La luz se polariza adicionalmente mediante divisores de haz .

Diseños de un solo panel

Los programas de pantallas LCoS de un solo panel de Toshiba e Intel se interrumpieron en 2004 antes de que ninguna unidad alcanzara la fase final de prototipo. [ 18 ] Existían pantallas LCoS de un solo panel en producción: una de Philips y otra de Microdisplay Corporation. Forth Dimension Displays continúa ofreciendo una tecnología de pantalla LCoS ferroeléctrica (conocida como Time Domain Imaging) disponible en resoluciones QXGA , SXGA y WXGA, que hoy se utiliza para aplicaciones de alta resolución cerca del ojo, como entrenamiento y simulación, y proyección de patrones de luz estructurada para AOI . Citizen Finedevice (CFD) también continúa fabricando pantallas RGB de un solo panel utilizando tecnología FLCoS (cristales líquidos ferroeléctricos). Fabrican pantallas en múltiples resoluciones y tamaños que actualmente se utilizan en picoproyectores , visores electrónicos para cámaras digitales de alta gama y pantallas montadas en la cabeza . [ 19 ]

Proyectores pico, pantallas de visualización cercana al ojo y pantallas montadas en la cabeza

Aunque inicialmente se desarrollaron para proyectores de gran formato, las pantallas LCoS han encontrado un nicho de mercado en el ámbito de los picoproyectores , donde su pequeño tamaño y bajo consumo energético se adaptan bien a las limitaciones de este tipo de dispositivos.

Los dispositivos LCoS también se utilizan en aplicaciones cercanas al ojo, como visores electrónicos para cámaras digitales, cámaras de película y pantallas montadas en la cabeza (HMD) . Estos dispositivos se fabrican con cristales líquidos ferroeléctricos (de ahí que la tecnología se denomine FLCoS), que son intrínsecamente más rápidos que otros tipos de cristales líquidos para producir imágenes de alta calidad. [ 20 ] La incursión inicial de Google en la informática portátil, Google Glass, [ 21 ] también utiliza una pantalla LCoS cercana al ojo.

En CES 2018, Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited ( ASTRI ) y OmniVision presentaron un diseño de referencia para un casco de realidad aumentada inalámbrico con un campo de visión (FoV) de 60 grados. Este diseño combinaba una pantalla LCOS de 1080p y un sensor de imagen de OmniVision con la óptica y la electrónica de ASTRI. Se afirma que el casco es más pequeño y ligero que otros gracias a su diseño de chip único con controlador y búfer de memoria integrados. [ 22 ]

Interruptores selectivos de longitud de onda

LCoS es particularmente atractivo como mecanismo de conmutación en un conmutador selectivo de longitud de onda (WSS). Los WSS basados ​​en LCoS fueron desarrollados inicialmente por la empresa australiana Engana, [ 23 ] ahora parte de Finisar. [ 24 ] El LCoS se puede emplear para controlar la fase de la luz en cada píxel para producir direccionamiento de haz [ 25 ] donde la gran cantidad de píxeles permite una capacidad de direccionamiento casi continua. Normalmente, se utiliza una gran cantidad de pasos de fase para crear un conmutador de alta eficiencia y baja pérdida de inserción, como se muestra. Este sencillo diseño óptico incorpora diversidad de polarización, control del tamaño del modo y una imagen óptica de longitud de onda 4f en el eje dispersivo del LCoS, lo que proporciona conmutación integrada y control de potencia óptica. [ 26 ]

En funcionamiento, la luz pasa desde una matriz de fibras a través de la óptica de imagen de polarización, que separa físicamente y alinea los estados de polarización ortogonales para que se encuentren en el estado de polarización s de alta eficiencia de la rejilla de difracción. La luz de entrada de una fibra seleccionada de la matriz se refleja en el espejo de imagen y luego se dispersa angularmente por la rejilla, que se encuentra a una incidencia cercana a la de Littrow , reflejando la luz de vuelta a la óptica de imagen, que dirige cada canal a una porción diferente del LCoS. La trayectoria para cada longitud de onda se traza de nuevo tras la reflexión en el LCoS, con la imagen de direccionamiento del haz aplicada en el LCoS dirigiendo la luz a un puerto específico de la matriz de fibras. Como los canales de longitud de onda están separados en el LCoS, la conmutación de cada longitud de onda es independiente de las demás y puede realizarse sin interferir con la luz en otros canales. Existen muchos algoritmos diferentes que se pueden implementar para lograr un acoplamiento determinado entre puertos, incluyendo "imágenes" menos eficientes para atenuación o división de potencia.

Los WSS basados ​​en tecnologías MEMS [ 27 ] y/o de cristal líquido [ 28 ] asignan un único elemento de conmutación (píxel) a cada canal, lo que significa que el ancho de banda y la frecuencia central de cada canal están fijos en el momento de la fabricación y no se pueden modificar durante su funcionamiento. Además, muchos diseños de WSS de primera generación (en particular los basados ​​en tecnología MEMS) presentan caídas pronunciadas en el espectro de transmisión entre cada canal debido al limitado factor de llenado espectral inherente a estos diseños. Esto impide la simple concatenación de canales adyacentes para crear un único canal más ancho.

Los conmutadores WSS basados ​​en LCoS permiten un control dinámico de la frecuencia central y el ancho de banda del canal mediante la modificación en tiempo real de las matrices de píxeles a través de software integrado. El grado de control de los parámetros del canal puede ser muy preciso, con control independiente de la frecuencia central y del borde superior o inferior de la banda de un canal con una  resolución superior a 1 GHz. Esto resulta ventajoso desde el punto de vista de la fabricación, ya que se pueden crear diferentes planes de canal a partir de una única plataforma e incluso diferentes bandas de operación (como C y L) pueden utilizar una matriz de conmutación idéntica. Además, es posible aprovechar esta capacidad para reconfigurar los canales mientras el dispositivo está en funcionamiento. Se han presentado productos que permiten la conmutación entre  canales de 50 GHz y 100  GHz, o una combinación de canales, sin introducir errores ni interrupciones en el tráfico existente. Más recientemente, esto se ha ampliado para dar soporte al concepto de redes flexibles o elásticas según la norma ITU G.654.2 mediante productos como el conmutador WSS Flexgrid™ de Finisar .

Otras aplicaciones de LCoS

conformación de pulsos ópticos

La capacidad de un WSS basado en LCoS para controlar de forma independiente tanto la amplitud como la fase de la señal transmitida permite, de manera más general, manipular la amplitud y/o la fase de un pulso óptico mediante un proceso conocido como conformación de pulsos en el dominio de Fourier. [ 29 ] Este proceso requiere una caracterización completa del pulso de entrada tanto en el dominio temporal como en el espectral.

Como ejemplo, se ha utilizado un procesador óptico programable (POP) basado en LCoS para ampliar la salida de un láser de bloqueo de modos a una  fuente de supercontinuo de 20 nm, mientras que un segundo dispositivo similar se utilizó para comprimir la salida a pulsos de 400 fs, limitados por la transformada. [ 30 ] Se ha demostrado el bloqueo de modos pasivo de láseres de fibra a altas tasas de repetición, pero la inclusión de un POP basado en LCoS permitió cambiar el contenido de fase del espectro para invertir el tren de pulsos de un láser de bloqueo de modos pasivo de pulsos brillantes a oscuros. [ 31 ] Un enfoque similar utiliza la conformación espectral de peines de frecuencia óptica para crear múltiples trenes de pulsos. Por ejemplo, un  peine de frecuencia óptica de 10 GHz fue conformado por el POP para generar pulsos parabólicos oscuros y pulsos gaussianos, a 1540  nm y 1560  nm, respectivamente. [ 32 ]

Estructuración de la luz

La luz estructurada mediante un LCoS ferroeléctrico rápido se utiliza en técnicas de microscopía de superresolución 3D y en la proyección de franjas para la inspección óptica automatizada 3D .

Una de las aplicaciones interesantes de LCoS es la capacidad de transformar entre modos de fibras ópticas de pocos modos [ 33 ] , que se han propuesto como base para sistemas de transmisión de mayor capacidad en el futuro. De manera similar, LCoS se ha utilizado para dirigir la luz hacia núcleos seleccionados de sistemas de transmisión de fibra multinúcleo, nuevamente como un tipo de multiplexación por división espacial.

Láseres sintonizables

LCoS se ha utilizado como técnica de filtrado y, por lo tanto, como mecanismo de sintonización, tanto para láseres de diodo semiconductores como para láseres de fibra. [ 34 ]

Véase también

Referencias

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