Бедный ЖК-дисплей…
 |
| Рис. 1 |
Прежде всего рассмотрим еще раз устройство обыкновенной ЖК-панели (рис. 1). Она состоит из стеклянной защитной пластины, а также пластин с нанесенными полупрозрачными электродами из окисла индия, поляризационных фильтров (верхнего и нижнего), полимерных пленок с микроскопическими направляющими бороздками, прозрачной подложки со слоем аморфного кремния и, наконец, мощной галогенной лампы. Правильную ориентацию молекулам придают направляющие бороздки на полимерных пленках. А ориентировать молекулы необходимо, поскольку они имеют лишь одну ось симметрии, вдоль которой и надо направить свет, чтобы его поляризация изменилась. Первоначальное расположение молекул соответствует пассивному состоянию, когда свет проходит сквозь слой ЖК неизмененным. Чтобы скорректировать поляризацию света, пропускаемого через определенный пиксел, следует избирательно подать напряжение на полупрозрачные электроды, отвечающие за его формирование. Для этого и существует слой аморфного кремния, в котором расположены управляющие транзисторы, числом равные количеству активных пикселов.
Узнав об этих свойствах жидких кристаллов, несложно догадаться, зачем нужен верхний поляризационный фильтр — он пропускает свет лишь определенной поляризации. Подали напряжение на ячейку панели — и поляризация изменилась, а точка на экране погасла.
| Технические характеристики технологий |
Функция нижнего фильтра тоже очевидна, если вспомнить, что поляризация света, излучаемого лампой, является случайной и практически не контролируется. Чтобы верхний, ближний к пользователю, фильтр был эффективен (ведь он поглощает только свет с каким-то одним направлением поляризации), необходимо убрать все типы поляризации, кроме одного-единственного. Поскольку основное состояние компьютерного дисплея — это свечение, для экономии электроэнергии поляризационные фильтры выбирают так, чтобы пассивное состояние ЖК-ячейки соответствовало пропусканию, а включенное — блокированию. Пикселы цветного изображения формируются с помощью трех отдельных ЖК-ячеек, снабженных светофильтрами.
В чем "беда" жидкокристаллических мониторов? В них так много слоев, что пропускаемый сквозь этот "сандвич" свет существенно ослабляется. Мы видим яркое и четкое изображение лишь благодаря мощной галогенной лампе, расположенной с тыльной стороны монитора. Лампа греется, тратит уйму электроэнергии и постепенно "садится", т. е. яркость ее со временем падает. Вдобавок ко всему на дневном свету никакая лампа не поможет — все равно ничего не будет видно. Другая проблема ЖК-технологии — управляющие транзисторы. Нанести огромное их количество на подложку 15-дюймовой панели современного монитора без брака практически невозможно.
Анатомия LCOS
LCOS позволяет одним махом решить все проблемы, навалившиеся на индустрию ЖК-дисплеев.
 |
| Рис. 2 |
 |
| Рис. 3 |
Начнем с названия. Из него следует, что для изготовления устройства никакого аморфного кремния, громоздких панелей и больших хрупких стекол не требуется. Хотя конструкция LCOS-дисплея почти такая же, что и традиционного LCD, за исключением размера и способа отображения (рис. 2, 3). Пакет из двух пластин с ориентирующими бороздками и жидким кристаллом: на верхнюю нанесен общий (сплошной слой) электрод из окисла индия, а на нижнюю — зеркальный слой, разделенный на отдельные электроды-ячейки. Нижние электроды подключены к матрице обыкновенных транзисторов, которые ими управляют. Свет попадает на пакет сверху через один поляризационный фильтр, отражается от зеркального слоя и уходит обратно, но немного под другим углом. Как раз под таким, чтобы пройти через другой поляризационный фильтр. Если какая-либо ЖК-ячейка была под напряжением, значит, пиксел, за который она отвечает, поменяет состояние: например, с "включено" на "выключено".
Таким образом, LCOS-дисплей работает на отражение, следовательно, при естественном дневном освещении проблем не возникнет. Однако тут закрадываются два подозрения: виной тому присутствие в описании словосочетания "обыкновенный кремний" и отсутствие любых упоминаний о светофильтрах. Итак, все это правда — в "естественном" виде LCOS-монитор имеет размер с ноготок младенца (хотя и достаточно "взрослое" разрешение, например 1024 x 768) и способен формировать изображение только в градациях серого. Однако есть предостаточно способов отобразить с помощью такого миниатюрного чипа нормальную полноразмерную картинку. Например, проекция на экран или, что еще более заманчиво, прямо на сетчатку глаза. Последняя методика отлично подходит для конструирования мобильных устройств: сотовых телефонов, PDA, портативных DVD-плееров.
 |
| Рис. 4 |
 |
| Рис. 5 |
 |
| Рис. 6 |
В коктейле пока не хватает единственного компонента — цвета. Самый простой способ сделать цветной LCOS-дисплей состоит в организации быстро переключающегося цветного освещения. К примеру, китайская компания China Display Digital Imaging Technology является приверженцем схемы с переключающимся трехцветным диодом (рис. 4). Чтобы у человека появилась иллюзия цветного изображения, необходимо синхронно обновлять изображение на панели и цвет свечения диода в несколько раз быстрее, чем происходит смена кадровой частоты. Аналогичным образом функционирует и вращающийся секционный светофильтр (рис. 5). Синхронизировав вращение со сменой картинки на панели, можно добиться точно такого же эффекта. И наконец, наиболее совершенна, однако и более громоздка реализация схемы трех панелей (рис. 6). Система включает в себя три LCOS-панели, установленные параллельно трем граням воображаемого куба, называемого еще "цветовым кубом" (color cube). Сначала единый поток света разбивается на три луча с помощью системы призм, а затем, после отражения от панелей, снова собирается в единый пучок. Единственный вариант, который не нашел применения в случае LCOS, — наложение светофильтров непосредственно на ячейки панели, как это делается при изготовлении обычных ЖК-дисплеев. Естественно, при этом количество ячеек должно в три раза превосходить число пикселов.
Существует два типа чипов LCOS: сформированные на подложке из поликристаллического кремния и однокристальные, сделанные по CMOS-технологии, известной как SOI (Silicon-on-Insulator). Именно последняя методика дает возможность добиться достаточно быстрого переключения состояния ячеек для реализации схемы с вращающимися светофильтрами. К поликристаллическому кремнию склоняются японские компании, а к SOI — американские. Этот факт объясняет некоторые различия между техническими параметрами конечной продукции евро-американских и японских альянсов.
Чтобы все окончательно стало понятно, приведем сравнительную таблицу современных дисплейных технологий.
Проблемы
Конечно же, не все так просто, как может показаться сразу, и за 7 лет, в течение которых шли разработки, технология LCOS была вынуждена преодолеть немало проблем. Например, как осветить миниатюрную панель поляризованным светом так, чтобы он прошел сквозь слой ЖК, отразился от алюминиевых зеркальных электродов и вернулся к зрителю? Для этого применяли поляризационные делители лучей (polarizing beam splitter), которые сами по себе стоят немало. Потом возникла еще более фундаментальная проблема: галогенная лампа имеет довольно большую площадь свечения. Согласно законам оптики, на конечных расстояниях невозможно сфокусировать свет от неточечного источника в пятно меньше определенного диаметра. Увы, галогенные лампы, как правило, имеют значительный зазор между электродами, и генерируемый разряд обладает довольно большими геометрическими размерами, а LCOS-дисплей столь миниатюрен, что эффективность освещения (доля света, попадающего на панель, а не мимо) получается невысокой. Пришлось заняться конструированием специальных галогенных ламп с уменьшенным расстоянием между электродами.
Малые размеры матрицы не самым лучшим образом отражаются и на контрастности и яркости конечного изображения. Потеря яркости при "масштабировании" достигает 70%. Иногда, помимо низкой контрастности и яркости, наблюдается "эффект призмы", который описывают как появление "ярких трехцветных точечных источников света" в поле изображения.
Хочу купить!
Вполне реализуемое желание. Уже имеются компании, выпускающие LCOS-чипы, и фирмы, производящие на их основе устройства для потребителей. Например, американская Three Five System, один из первопроходцев этого рынка, выпускает микродисплей MD1280 SXGA, генерирующий изображение разрешением 1280 x 1024 пиксела. На его основе спроектирован 25-дюймовый монитор толщиной всего 30 см, что, конечно, больше, чем у традиционных ЖК-дисплеев, но все же существенно меньше габаритов обычного CRT-дисплея.
В 2001 г. Thomson представила 50-дюймовый проекционный телевизор HDTV RCA L50000, обеспечивающий изображение разрешением 1280 720 точек. "Сердце" устройства — три чипа от упомянутой выше Three Five System и, соответственно, трехпанельная методика генерации цвета. Толщина телевизора составила 45 см, а масса — 45 кг. Цена на RCA L50000 в онлайновых магазинах сегодня держится в районе 7 тыс. долл.
 |
| Рис. 7 |
JVC начала поставки первых 50-дюймовых мониторов на базе LCOS-панелей еще в 1999 г. (правда, только в Японии). Для формирования цветного изображения JVC использует голографические фильтры, а особая архитектура чипов даже запатентована под названием D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier). Идея заключается в многослойной организации управляющих транзисторов, электродов и прочих схем (рис. 7). Это ликвидирует межпиксельные промежутки, характерные для обычной "плоской" конфигурации. Последние чипы JVC содержат матрицу 3,2 см, состоящую из 3,2 млн. элементов (2048 1536). В таких проекторах применяется не галогенная, а ксеноновая лампа. Для того чтобы сформировать достаточный световой поток, мощность ее должна быть примерно в 2—3 раза выше, чем в случае ламп для LCD- или DLP-устройств. В настоящий момент японская корпорация имеет целую линейку проекторов, выпускаемых под кодом DLA-x.
Philips объявила о намеченном на второй квартал текущего года старте продаж в США телевизора DD720, использующего единственный чип LCOS и некую фирменную технологию получения цвета scrolling color. Фокус состоит в применении четырех призм: одна разделяет свет на красную, голубую и зеленую составляющие, три другие вращаются, за счет чего происходит "сканирование" цветными лучами поверхности единственной LCOS-матрицы. Образуются три бегущие цветные полосы, вслед за перемещением которых по матрице соответствующим образом изменяется изображение. В опытной установке использовался обыкновенный двигатель от жесткого диска, обеспечивший частоту полного цикла сканирования 180 Hz. Плюс технологии — высокая эффективность, поскольку в схеме отсутствуют светофильтры, снижающие мощность светового потока на 2/3. В целом патентованная система, сделавшая возможными достижение контрастности 1000:1 и разрешения 1280 768, носит название engaze. Диагональ собственно микродисплея составляет всего 3 см. Первоначально компания не планировала самостоятельно изготовлять продукты на основе scrolling color, а собиралась продавать лицензии для покупателей матриц LCOS. Однако желающих, видимо, не нашлось, и Philips пришлось подать личный пример.
Компания Microdisplay Report разделила рынок микродисплеев, к которым относятся и устройства, основанные на технологии LCOS, на 6 секторов: развлекательный, презентационный, дисплейный, видоискателей, встроенных дисплеев близкого поля зрения (Near-Eye Dispays) и носимых мониторов (Headsets). Около 20 компаний занимаются разработками в этой области, однако, к сожалению, по мнению наблюдателей, зарождающейся индустрии не хватает явного лидера, который бы инвестировал значительные средства в создание полной производственной цепочки.
Впрочем, пока никто из вышеозначенных корпораций не горит желанием занять место "дирижера" и помочь "сыграться оркестру" LCOS. Существует достаточное количество тайваньских и китайских фирм, готовых приступить к выпуску дешевых телевизоров и проекторов, но им требуется готовое производственное решение и поставщики дешевых компонентов: некий конструктор "лего", из кубиков которого можно быстро собирать изделия. Большинство азиатских компаний не имеют инженерных ресурсов для проектирования собственных устройств с нуля, им необходим "альбом выкроек", также ощущается острая потребность в стандартизации. Этот пробел собрался восполнить образованный в 2001 г. альянс LCOS Strategic Partnership, куда вошли наиболее известные проектировщики чипов Тайваня и США.
Проблемой стала и абсурдная технологическая гонка: спроектированные дисплеи успевают устареть прежде, чем разворачивается массовое производство. Размеры кристаллов уменьшаются, а сложность управляющих схем растет при том, что предыдущие поколения устройств так и не успели принести прибыли.
Некоторую надежду вселяет факт создания JVC нового дисплея с диагональю 1,78 см, обеспечивающего разрешение 1365 1024. Здесь вызывает интерес то, что впервые корпорация поставила во главу угла не рекордные технические показатели, а снижение стоимости конечного продукта. На 2003 год запланирован еще более радикальный "реверанс" в сторону массового потребителя: устройство с диагональю 1,25 см и разрешением 1280 720, призванное послужить основой для проекционных телевизоров HDTV.
Сенсацию обещают пресс-релизы японской корпорации Sony, рассказывающие о технологии SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) (itc.ua/12606). Блестящий результат ее применения — спроектированный 0,78-дюймовый чип, отражающий 65% падающего света и генерирующий картинку 1920 1080 с контрастностью 3000:1. Процесс производства максимально упрощен, а небольшие размеры чипа позволяют увеличить количество дисплеев, получаемых из одной кремниевой пластины. Столь выдающихся характеристик удалось добиться за счет множества технологических новшеств: вертикальной ориентации молекул (VAN, Vertically Aligned Nematic, аналогичная конфигурация используется в JVC D-ILA), уменьшенного межпиксельного расстояния (0,35 мкм), новой методики равномерного регулирования толщины жидкокристаллической прослойки. Однако реальных систем еще никто не видел, поэтому достоинства SXRD пока более чем виртуальны.
Продолжающиеся технологические улучшения дают основания многим компаниям твердо верить в успех LCOS. В частности, тайваньская TSMC в ноябре прошлого года сделала заявление о расширении инвестиций в полупроводниковое производство, направленных на увеличение разрешающей способности литографического процесса. Президент компании д-р Рик Цай (Rick Tsai) говорит: "Поскольку LCOS имеет отличный потенциал как технология для выпуска HDTV-приемников с большим экраном, мы считаем ее серьезным кандидатом на загрузку 0,35/0,25-микронных мощностей". В настоящее время TSMC уже принимает активное участие в этом бизнесе, поставляя микросхемы для американской фирмы eLCOS из Сан-Хосе.
Плод упомянутого сотрудничества вскоре появится на прилавках: им станет телевизор с диагональю 50 дюймов фирмы Taiwan Kolin, который собран на базе LCOS-системы, спроектированной другим тайваньским производителем — Cinetron Technology, специализирующимся на продвижении LCOS. Цена на телевизор ожидается вполне разумной — всего около $2850. Цветность обеспечивается трехпанельной проекционной схемой. Контрастность используемых панелей достигает 750:1, но в конечном итоге на телеэкране она будет порядка 400:1. Глубина устройства 42 см, а масса — 45 кг.
В начале 2003 года на подножку "поезда" LCOS-индустрии запрыгнула Toshiba, представив 57-дюймовый телевизор 57HLX82 на трех микродисплеях. Разрешение каждой из трех 0,9-дюймовых жидкокристаллических панелей составляет 1920 1080 пикселов, контрастность 1700:1, проекционную систему собирает фирма Nikon из чипов Hitachi. У Toshiba есть планы и по выпуску LCOS-проекторов для домашних кинотеатров.
Еще один дебютант на этом рынке — Texas Instruments. Компания, давно и успешно работавшая на ниве DLP-систем, наконец решилась и на выставке ShoWest показала чип LCOS собственной разработки. 1,2-дюймовый микродисплей с разрешением по вертикали 1080 пикселов и показателями контрастности на уровне 1700:1. Не слишком впечатляюще, но это лишь первый опыт.
На развитие производства LCOS, несомненно, должны оказать влияние программы дотации продаж HDTV-телеприемников на территории США. Определенный правительством десятилетний переходный период к цифровому телевидению подходит к концу: вот-вот должны начаться аукционы по продаже лицензий на вещание, доходы от которых уже введены в бюджет. Учитывая, что американский рынок всегда являлся приоритетным для международной торговли, сегодня складывается наиболее оптимальная ситуация для внедрения различных решений, ориентированных на устройства отображения с большим экраном и большим разрешением.