El cristal líquido sobre silicio ( LCoS o LCOS ) es una pantalla o "micropantalla" de cristal líquido de matriz activa reflectante miniaturizada que utiliza una capa de cristal líquido encima de una placa posterior de silicio. También se le conoce como modulador de luz espacial . LCoS se desarrolló inicialmente para televisores de proyección , pero desde entonces ha encontrado usos adicionales en conmutación selectiva de longitud de onda , iluminación estructurada , pantallas cercanas al ojo y conformación de pulsos ópticos.
LCoS se diferencia de otras tecnologías de proyectores LCD que utilizan LCD transmisivo , lo que permite que la luz pase a través de las unidades de procesamiento de luz. LCoS es más similar a las pantallas de microespejos DLP .
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, conceptualmente similar a cómo 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 del fotosensor CdS , que es energizada por un electrodo transparente de óxido de indio y estaño , impulsado por una fuente de corriente alterna en aproximadamente 10mV. Una capa de bloqueo de luz de CdTe evita que la luz de escritura de baja intensidad brille a través del dispositivo; El fotosensor y la capa bloqueadora de luz forman juntos una unión rectificadora , produciendo una polarización de voltaje de CC a través de la capa de cristal líquido , transfiriendo la imagen al lado reflectante [2] : 5 cambiando la rotación de polarización en el cristal líquido nemático retorcido . En el lado reflectante, una fuente de luz de proyección polarizada de alta intensidad refleja selectivamente desde el espejo dieléctrico basándose en la polarización dentro del cristal líquido que controla el fotosensor. El espejo dieléctrico está formado por pulverización de capas alternas de TiO. 2y SiO2, con el SiO final
2capa grabada para alinear el material de cristal líquido. [3] : 10–12 El desarrollo posterior del LCLV utilizó materiales semiconductores similares dispuestos en las mismas estructuras básicas. [4] : 10
El principio LCLV se lleva a cabo en un dispositivo de visualización digital LCoS, que presenta una matriz de píxeles , cada uno equivalente al lado reflectante de un único LCLV. Estos píxeles en el dispositivo LCoS son impulsados directamente por señales para modular la intensidad de la luz reflejada, en lugar de una fuente de "luz de escritura" de baja intensidad 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 semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) controla el voltaje en electrodos cuadrados de aluminio reflectantes enterrados justo debajo de la superficie del chip, cada uno de los cuales controla un píxel. Los chips típicos tienen aproximadamente 1 a 3 cm (0,39 a 1,18 pulgadas) cuadrados y aproximadamente 2 mm (0,079 pulgadas) de espesor, con un tamaño de píxel tan pequeño como 2,79 μm (0,110 mils). [6] Una capa conductora transparente de óxido de indio y estaño situada sobre el cubreobjetos suministra una tensión común para todos los píxeles.
La historia de los proyectores LCoS se remonta a junio de 1972, cuando la tecnología LCLV fue desarrollada por primera vez por científicos de Hughes Research Laboratories que trabajaban en un proyecto interno de investigación y desarrollo. [7] General Electric demostró una pantalla LCoS de baja resolución a finales de los años 1970. [8] Los proyectores LCLV se utilizaron principalmente para simuladores de vuelo militares debido a su tamaño grande y voluminoso. [9] En 1992 se fundó una empresa conjunta entre Hughes Electronics y JVC (Hughes-JVC) [10] para desarrollar tecnología LCLV para salas de cine comerciales bajo la marca ILA (Image Light Amplifer). [11] Un ejemplo medía 1.840 mm (72,5 pulgadas) de alto y pesaba 760 kg (1.670 libras), utilizando una lámpara de arco de xenón de 7 kW . [12]
En 1997, los ingenieros de JVC desarrollaron el D-ILA (amplificador de luz de imagen de accionamiento directo) del Hughes LCLV, [10] [13], lo que condujo a proyectores LCoS digitales más pequeños y asequibles, utilizando dispositivos D-ILA de tres chips. [14] Aunque no eran tan brillantes y tenían menos resolución que los proyectores ILA de cine, eran más portátiles, a partir de 33 lb (15 kg). [15]
Los primeros proyectores LCoS tuvieron sus desafíos. Sufrieron un fenómeno llamado "imagen pegada", en el que la imagen permanecía en la pantalla después de que se suponía que debía desaparecer. Esto se debió a que los espejos se atascaron en sus posiciones, lo que provocó imágenes 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 introdujo su tecnología SXRD (Silicon X-tal reflectante Display) en 2004. SXRD fue una evolución de la tecnología LCoS que utilizaba píxeles aún más pequeños y una resolución más alta, lo que daba como resultado una imagen aún más precisa. La tecnología SXRD se utilizó en los proyectores de cine en casa de alta gama de Sony y rápidamente ganó reputación por su excepcional calidad de imagen.
JVC introdujo una tecnología D-ILA actualizada en 2006, que eliminó la necesidad de un filtro polarizador, lo que dio como resultado una imagen más brillante y vibrante. Desde entonces, la tecnología D-ILA se ha convertido en una opción popular para los entusiastas del cine en casa.
Los proyectores LCoS han seguido evolucionando y los fabricantes han introducido funciones como resolución 4K y compatibilidad con HDR ( alto rango dinámico ). Los proyectores LCoS ahora están disponibles en una variedad de precios, desde modelos asequibles para uso en cine en casa hasta modelos profesionales de alta gama utilizados en instalaciones comerciales.
La tecnología de visualización 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 visualización LCos suelen constar de tres componentes principales: el panel LCos, la fuente de luz y el sistema óptico.
El panel LCos es el corazón del sistema de visualización. Consiste en una serie de píxeles dispuestos en un patrón de cuadrícula. Cada píxel está formado por 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 refleja la luz hacia el sistema óptico. El sustrato de silicio se utiliza para controlar los píxeles individuales y proporciona la electrónica necesaria para controlar el panel LCos.
La fuente de luz se utiliza para proporcionar la iluminación necesaria al panel LCos. La fuente de luz más común utilizada en los sistemas de visualización LCos es una lámpara de alta intensidad. Esta lámpara emite un amplio espectro de luz que se filtra a través de 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 de luz hacia el panel LCos y proyectar la imagen resultante sobre una pantalla u otra superficie. El sistema óptico consta de una serie de lentes, espejos y otros componentes ópticos que están cuidadosamente diseñados y calibrados para proporcionar la ampliación, el enfoque y la corrección de color necesarios para el sistema de visualización.
La luz blanca se separa en tres componentes (rojo, verde y azul) y luego se combina nuevamente después de la modulación por los 3 dispositivos LCoS. La luz se polariza además mediante divisores de haz .
Tanto el programa de pantalla LCOS de panel único de Toshiba como el de Intel se suspendieron en 2004 antes de que alguna unidad alcanzara la etapa final de prototipo. [16] Había pantallas LCoS de panel único en producción: una de Philips y otra de Microdisplay Corporation. Forth Dimension Displays continúa ofreciendo una tecnología de visualización Ferroeléctrica LCoS (conocida como Time Domain Imaging) disponible en resoluciones QXGA , SXGA y WXGA que hoy se utiliza para aplicaciones de alta resolución cercanas al ojo, como entrenamiento y simulación, proyección de patrones de luz estructurados para AOI . Citizen Finedevice (CFD) también continúa fabricando pantallas RGB de panel único utilizando tecnología FLCoS (Cristales líquidos ferroeléctricos). Fabrican pantallas en múltiples resoluciones y tamaños que se utilizan actualmente en picoproyectores , visores electrónicos para cámaras digitales de alta gama y pantallas montadas en cascos . [17]
Aunque inicialmente se desarrollaron para proyectores de pantalla grande, las pantallas LCoS han encontrado un nicho de consumo en el área de los picoproyectores , donde su pequeño tamaño y su bajo consumo de energía se adaptan bien a las limitaciones de dichos 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 están fabricados con cristales líquidos ferroeléctricos (por eso la tecnología se denomina FLCoS) que son inherentemente más rápidos que otros tipos de cristales líquidos para producir imágenes de alta calidad. [18] La incursión inicial de Google en la informática portátil, Google Glass, [19] 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 inalámbrico de realidad aumentada que podría alcanzar un campo de visión (FoV) de 60 grados. Combinó una pantalla LCOS de 1080p de un solo chip y un sensor de imagen de OmniVision con la óptica y la electrónica de ASTRI. Se dice que los auriculares son más pequeños y livianos que otros debido a su diseño de chip único con controlador integrado y memoria intermedia. [20]
LCoS es particularmente atractivo como mecanismo de conmutación en un interruptor selectivo de longitud de onda (WSS). Los WSS basados en LCoS fueron desarrollados inicialmente por la empresa australiana Engana, [21] ahora parte de Finisar. [22] El LCoS se puede emplear para controlar la fase de la luz en cada píxel para producir una dirección del haz [23] 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 interruptor altamente eficiente y de baja pérdida de inserción, como se muestra. Este diseño óptico simple incorpora diversidad de polarización, control del tamaño del modo y una imagen óptica de longitud de onda 4-f en el eje dispersivo del LCoS que proporciona conmutación integrada y control de potencia óptica. [24]
En funcionamiento, la luz pasa desde una matriz de fibras a través de la óptica de imágenes de polarización que separa físicamente y alinea los estados de polarización ortogonal para estar 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 desde el espejo de imágenes y luego se dispersa angularmente por la rejilla que tiene una incidencia cercana a Littrow , reflejando la luz de regreso a la óptica de imágenes que dirige cada canal a una porción diferente del LCoS. Luego, la ruta para cada longitud de onda se traza tras la reflexión del LCoS, y la imagen de dirección del haz aplicada en el LCOS dirige la luz a un puerto particular del conjunto de fibras. Como los canales de longitud de onda están separados en el LCoS, la conmutación de cada longitud de onda es independiente de todas las demás y se puede cambiar sin interferir con la luz de otros canales. Hay muchos algoritmos diferentes que se pueden implementar para lograr un acoplamiento determinado entre puertos, incluidas "imágenes" menos eficientes para la atenuación o la división de potencia.
WSS basado en tecnologías MEMS [25] y/o cristal líquido [26] asigna un único elemento de conmutación (píxel) a cada canal, lo que significa que el ancho de banda y la frecuencia central de cada canal se fijan en el momento de la fabricación y no se pueden cambiar en servicio. . Además, muchos diseños de WSS de primera generación (particularmente aquellos basados en tecnología MEM) muestran pronunciadas caídas en el espectro de transmisión entre cada canal debido al limitado "factor de relleno" espectral inherente a estos diseños. Esto evita la simple concatenación de canales adyacentes para crear un único canal más amplio.
Sin embargo, el WSS basado en LCoS permite el control dinámico de la frecuencia central del canal y el ancho de banda mediante la modificación sobre la marcha de las matrices de píxeles mediante software integrado. El grado de control de los parámetros del canal puede ser muy fino, siendo posible un control independiente de la frecuencia central y del borde de banda superior o inferior de un canal con una resolución mejor que 1 GHz. Esto es ventajoso desde una perspectiva de capacidad de fabricación, ya que se pueden crear diferentes planes de canales desde una única plataforma e incluso diferentes bandas operativas (como C y L) pueden utilizar una matriz de conmutación idéntica. Además, es posible aprovechar esta capacidad para reconfigurar canales mientras el dispositivo está en funcionamiento. Se han introducido productos que permiten cambiar entre canales de 50 GHz y canales de 100 GHz, o una combinación de canales, sin introducir errores o "aciertos" en el tráfico existente. Más recientemente, esto se ha ampliado para admitir todo el concepto de redes flexibles o elásticas según ITU G.654.2 a través de productos como Flexgrid™ WSS de Finisar.
La capacidad de un WSS basado en LCoS para controlar de forma independiente tanto la amplitud como la fase de la señal transmitida conduce a la capacidad más general de manipular la amplitud y/o la fase de un pulso óptico a través de un proceso conocido como conformación de pulso en el dominio de Fourier. [27] Este proceso requiere una caracterización completa del pulso de entrada tanto en el dominio temporal como en el espectral.
Como ejemplo, se utilizó un procesador óptico programable (POP) basado en LCoS para ampliar una salida de láser de modo bloqueado a una fuente supercontinua de 20 nm, mientras que se usó un segundo dispositivo de este tipo para comprimir la salida a 400 fs, pulsos de transformación limitada. . [28] Se ha demostrado el bloqueo de modo pasivo de láseres de fibra con altas tasas de repetición, pero la inclusión de un POP basado en LCoS permitió cambiar el contenido de fase del espectro para cambiar el tren de pulsos de un láser de modo bloqueado pasivamente de brillante. a pulsos oscuros. [29] Un enfoque similar utiliza la conformación espectral de peines de frecuencia óptica para crear múltiples trenes de pulsos. Por ejemplo, el POP dio forma a un peine de frecuencia óptica de 10 GHz para generar pulsos parabólicos oscuros y pulsos gaussianos, a 1540 nm y 1560 nm, respectivamente. [30]
La luz estructurada que utiliza un LCoS ferroeléctrico rápido se utiliza en técnicas de microscopía de superresolución 3D y en proyección de franjas para la inspección óptica automatizada en 3D .
Una de las aplicaciones interesantes de LCoS es la capacidad de transformar entre modos de fibras ópticas de pocos modos [31] que se han propuesto como base de 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.
LCoS se ha utilizado como técnica de filtrado y, por tanto, como mecanismo de sintonización, tanto para láseres de fibra como de diodo semiconductor. [32]