El cristal líquido sobre silicio ( LCoS o LCOS ) es una pantalla de cristal líquido de matriz activa reflectante miniaturizada o "micropantalla" que utiliza una capa de cristal líquido sobre una placa posterior de silicio. También se lo conoce como modulador de luz espacial . El 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 modelado 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 Hughes (LCLV) 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 de triodo . [1] Se utilizó una fuente de luz de alta resolución y baja intensidad (normalmente un CRT ) para "escribir" una imagen en la capa fotosensora de CdS , que se energiza mediante un electrodo de óxido de indio y estaño transparente , impulsado por una fuente de corriente alterna a aproximadamente 10 mV. 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 de bloqueo de luz juntos forman una unión rectificadora , que produce una polarización de voltaje de CC a través de la capa de cristal líquido , transfiriendo la imagen al lado reflectante [2] : 5 al cambiar la rotación de polarización en el cristal líquido nemático retorcido . En el lado reflectante, una fuente de luz de proyección polarizada de alta intensidad se refleja selectivamente desde el espejo dieléctrico en función de la polarización dentro del cristal líquido que controla el fotosensor. El espejo dieléctrico se forma pulverizando 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 aplica a un dispositivo de visualización digital LCoS, 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 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 de aluminio reflectantes cuadrados enterrados justo debajo de la superficie del chip, cada uno controlando un píxel. Los chips típicos tienen aproximadamente 1–3 cm (0,39–1,18 pulgadas) cuadrados y aproximadamente 2 mm (0,079 pulgadas) de espesor, con un paso de píxel tan pequeño como 2,79 μm (0,110 mils). [6] Un voltaje común para todos los píxeles es suministrado por una capa conductora transparente hecha de óxido de indio y estaño sobre el vidrio de cubierta.
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 fines de la década de 1970. [8] Los proyectores LCLV se utilizaron principalmente para simuladores de vuelo militares debido a su gran y voluminoso tamaño. [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 72,5 pulgadas (1840 mm) de alto y pesaba 1670 libras (760 kg), y usaba una lámpara de arco de xenón de 7 kW . [12]
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, utilizando dispositivos D-ILA de tres chips. [14] Aunque estos 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 tenían sus problemas. Sufrían de un fenómeno llamado "fijación de imagen", en el que la imagen permanecía en la pantalla después de que se suponía que debía haber desaparecido. Esto se debía a que los espejos se quedaban pegados en sus posiciones, lo que provocaba imágenes superpuestas en la pantalla. Sin embargo, los fabricantes siguieron 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 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 gama alta de Sony y rápidamente se ganó una reputación por su excepcional calidad de imagen.
En 2006, JVC introdujo una tecnología D-ILA actualizada que eliminó la necesidad de un filtro polarizador y 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 incorporado funciones como resolución 4K y compatibilidad con HDR ( alto rango dinámico ). Los proyectores LCoS ahora están disponibles en una variedad de rangos de precios, desde modelos asequibles para uso en cine en casa hasta modelos profesionales de alta gama que se utilizan 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. Está formado por una serie de píxeles dispuestos en una 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 pasa a través de ella, mientras que la capa reflectante refleja la luz de vuelta hacia el sistema óptico. El sustrato de silicio se utiliza para controlar los píxeles individuales y proporciona la electrónica necesaria para accionar el panel LCos.
La fuente de luz se utiliza para proporcionar la iluminación necesaria para el 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 es el encargado de dirigir la luz desde la fuente de luz hacia el panel LCos y proyectar la imagen resultante en 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 divide en tres componentes (rojo, verde y azul) y luego se combina nuevamente después de la modulación mediante los tres dispositivos LCoS. La luz se polariza adicionalmente mediante divisores de haz .
Tanto el programa de pantallas LCOS de un solo panel de Toshiba como el de Intel se suspendieron en 2004 antes de que ninguna unidad alcanzara la etapa final de prototipo. [16] Había 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, 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 . [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 bajo consumo de energía se adaptan bien a las limitaciones de dichos dispositivos.
Los dispositivos LCoS también se utilizan en aplicaciones cercanas a los ojos, como visores electrónicos para cámaras digitales, cámaras de película y pantallas montadas en la cabeza (HMD) . Estos dispositivos se fabrican utilizando cristales líquidos ferroeléctricos (por eso la tecnología se llama 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 a los ojos.
En el 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 que podría alcanzar un campo de visión (FoV) de 60 grados. Combinaba 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 el casco es más pequeño y liviano que otros debido a su diseño de un solo chip con controlador integrado y búfer de memoria. [20]
El 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 [21] , ahora parte de Finisar [22] . El LCoS se puede emplear para controlar la fase de la luz en cada píxel para producir dirección del haz [23] donde la gran cantidad de píxeles permite una capacidad de direccionamiento casi continua. Por lo general, se utiliza una gran cantidad de pasos de fase para crear un conmutador de baja pérdida de inserción y alta eficiencia como el que se muestra. Este diseño óptico simple incorpora diversidad de polarización, control del tamaño del modo y una imagen óptica de longitud de onda de 4 f en el eje dispersivo del LCoS que proporciona conmutación integrada y control de potencia óptica [24] .
En funcionamiento, la luz pasa desde un conjunto de fibras a través de la óptica de formación 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 elegida del conjunto se refleja desde el espejo de formación de imágenes y luego se dispersa angularmente por la rejilla que está cerca de la incidencia de Littrow , reflejando la luz de regreso a la óptica de formación de imágenes que dirige cada canal a una porción diferente del LCoS. Luego, se vuelve a trazar el camino para cada longitud de onda al reflejarse desde el LCoS, con la imagen de dirección del haz aplicada en el LCOS que 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 en otros canales. Hay muchos algoritmos diferentes que se pueden implementar para lograr un acoplamiento determinado entre puertos, incluidas "imágenes" menos eficientes para atenuación o división de potencia.
Los WSS basados en tecnologías MEMS [25] y/o de cristal líquido [26] 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 son fijos en el momento de la fabricación y no se pueden cambiar durante el servicio. Además, muchos diseños de WSS de primera generación (en particular los 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 impide la simple concatenación de canales adyacentes para crear un único canal más amplio.
Sin embargo, los WSS basados en LCoS permiten un control dinámico de la frecuencia central del canal y del 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 preciso, con un control independiente de la frecuencia central y del borde superior o inferior de la banda 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 canal desde una única plataforma e incluso se pueden utilizar diferentes bandas operativas (como C y L) con una matriz de conmutación idéntica. Además, es posible aprovechar esta capacidad para reconfigurar los 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 ningún error o "accidente" 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 de 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 fase de un pulso óptico a través de un proceso conocido como conformación de pulso de 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 ha utilizado un procesador óptico programable (POP) basado en LCoS para ampliar la salida de un láser bloqueado por modo en una fuente supercontinua de 20 nm, mientras que un segundo dispositivo de este tipo se utilizó para comprimir la salida a pulsos limitados por transformada de 400 fs. [28] Se ha demostrado el bloqueo pasivo de modo de los 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 cambiar el tren de pulsos de un láser bloqueado por modo pasivo de pulsos brillantes a oscuros. [29] 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 moldeado por el POP 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 inspección óptica automatizada 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 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.
LCoS se ha utilizado como técnica de filtrado y, por lo tanto, como mecanismo de ajuste, tanto para diodos semiconductores como para láseres de fibra. [32]