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Dispositivo de microespejos digitales

Un chip DMD, utilizado en la mayoría de los proyectores y algunos televisores.

El dispositivo de microespejos digitales , o DMD , es el sistema microoptoelectromecánico (MOEMS) que constituye el núcleo de la tecnología de proyección de procesamiento de luz digital (DLP) registrada de Texas Instruments (TI). El dispositivo se utiliza en proyectores digitales y consta de una serie de millones de espejos microscópicos que pueden inclinarse individualmente miles de veces por segundo, creando así los píxeles de las imágenes proyectadas.

Historia

La tecnología se remonta a 1973, cuando Harvey C. Nathanson (inventor de MEMS alrededor de 1965) utilizó millones de espejos móviles microscópicamente pequeños para crear una pantalla de video del tipo que ahora encontramos en los proyectores digitales. [1]

El proyecto de Texas Instruments comenzó en 1977 con el dispositivo de espejo deformable, que utilizaba moduladores de luz analógicos micromecánicos. El DMD fue inventado por el físico de estado sólido y miembro emérito de TI, el Dr. Larry Hornbeck, en 1987. [2] El primer producto DMD analógico fue la impresora de billetes de avión TI DMD2000, que salió al mercado en 1990 y utilizaba un DMD en lugar de un escáner láser. [3]

Construcción y uso

Un chip DMD tiene en su superficie varios cientos de miles de espejos microscópicos dispuestos en una matriz rectangular que corresponden a los píxeles de la imagen que se va a mostrar. Los espejos y las estructuras mecánicas de soporte se construyen utilizando micromaquinado de superficie . [4] Los espejos se pueden rotar individualmente ±10-12°, a un estado encendido o apagado. En el estado encendido, la luz de la bombilla del proyector se refleja en la lente haciendo que el píxel aparezca brillante en la pantalla. En el estado apagado, la luz se dirige a otra parte (normalmente a un disipador de calor ), haciendo que el píxel aparezca oscuro. Para producir escalas de grises , el espejo se enciende y apaga muy rápidamente, y la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado determina el tono producido ( modulación binaria por ancho de pulso ). [5] Los chips DMD contemporáneos pueden producir hasta 1024 tonos de gris (10 bits). [6] Consulte Procesamiento de luz digital para obtener una discusión sobre cómo se producen las imágenes en color en sistemas basados ​​en DMD.

Diagrama de un microespejo digital que muestra el espejo montado en el yugo suspendido con el resorte de torsión que va de abajo a la izquierda a arriba a la derecha (gris claro), con las almohadillas electrostáticas de las celdas de memoria debajo (arriba a la izquierda y abajo a la derecha)

Los espejos están hechos de aluminio y tienen un diámetro de alrededor de 16 micrómetros. Cada espejo está montado sobre un yugo que, a su vez, está conectado a dos postes de soporte mediante bisagras de torsión flexibles . En este tipo de bisagra, el eje está fijo en ambos extremos y gira en el medio. Debido a la pequeña escala, la fatiga de la bisagra no es un problema, y ​​las pruebas han demostrado que incluso 1  billón (10 12 ) de operaciones no causan daños notables. Las pruebas también han demostrado que las bisagras no pueden dañarse por golpes y vibraciones normales, ya que son absorbidos por la superestructura del DMD. [7]

Dos pares de electrodos controlan la posición del espejo mediante atracción electrostática. Cada par tiene un electrodo a cada lado de la bisagra, uno de los cuales está posicionado para actuar sobre el yugo y el otro actúa directamente sobre el espejo. La mayoría de las veces, se aplican cargas de polarización iguales a ambos lados simultáneamente. En lugar de girar hacia una posición central como se podría esperar, esto en realidad mantiene al espejo en su posición actual. Esto se debe a que la fuerza de atracción en el lado del espejo que ya está inclinado es mayor, ya que ese lado está más cerca de los electrodos. [8]

Para mover los espejos, primero se carga el estado requerido en una celda SRAM ubicada debajo de cada píxel, que también está conectada a los electrodos. Una vez que se han cargado todas las celdas SRAM, se elimina el voltaje de polarización, lo que permite que prevalezcan las cargas de la celda SRAM, moviendo el espejo. Cuando se restablece la polarización, el espejo se mantiene nuevamente en su posición y se puede cargar el siguiente movimiento requerido en la celda de memoria.

El sistema de polarización se utiliza porque reduce los niveles de voltaje necesarios para direccionar los píxeles de modo que puedan ser controlados directamente desde la celda SRAM, y también porque el voltaje de polarización se puede eliminar al mismo tiempo para todo el chip, de modo que cada espejo se mueve al mismo tiempo. Las ventajas de este último son una sincronización más precisa y una imagen en movimiento más cinematográfica .

Un chip DMD roto que muestra los "puntos blancos" que aparecen en la pantalla como "píxeles blancos".

El modo de falla descrito en estos es causado por contaminación interna, generalmente debido a una falla del sello que corroe los soportes del espejo. Una falla relacionada fue el pegamento utilizado entre 2007 y 2013, bajo el cual el calor y la luz se degradan y liberan gases: esto normalmente causa empañamiento dentro del vidrio y, finalmente, píxeles blancos/negros. Esto generalmente no se puede reparar, pero los chips DMD defectuosos a veces se pueden usar para proyectos menos críticos que no necesitan patrones que cambien rápidamente si los píxeles defectuosos existentes se pueden hacer parte de la imagen proyectada o mapear de otra manera, incluido el escaneo 3D. [9]

Aplicaciones

Referencias

  1. ^ Patente estadounidense 3746911, Nathanson et al, "Válvulas de luz deflectables electrostáticamente para pantallas de proyección", expedida el 17 de julio de 1973 
  2. ^ "Larry Hornbeck, dispositivo de microespejos digitales, patente estadounidense n.º 5.061.049, incluido en 2009", "Salón de la fama de los inventores nacionales"
  3. ^ Johnson, R. Colin (29 de enero de 2007). "Investigador de TI sobre DLP: lo hicimos con espejos". EE Times . Consultado el 29 de mayo de 2021 .
  4. ^ Sasaki, M. (2021). Micromaquinado de superficies metálicas. En 3D e integración de circuitos de MEMS, M. Esashi (Ed.). https://doi.org/10.1002/9783527823239.ch6
  5. ^ Brennesholtz, Matthew; Stupp, Edward H. (15 de septiembre de 2008). "Capítulo 5 Dispositivos microelectromecánicos". Pantallas de proyección . John Wiley & Sons. págs. 57–69. ISBN 978-0-470-77091-7.
  6. ^ Akride, Mike; Butler, Tim J.; Moss, Graham H. (1 de agosto de 1999). "El microespejo digital produce una gama brillante de colores". Laser Focus World . Consultado el 7 de junio de 2021 .
  7. ^ Douglass, MR (1998). "Estimaciones de vida útil y mecanismos de falla únicos del dispositivo de microespejos digitales (DMD)". Actas del Simposio Internacional de Física de la Confiabilidad IEEE de 1998, 36.° año (PDF) . págs. 9-16. doi :10.1109/RELPHY.1998.670436. ISBN . 0-7803-4400-6. Número de identificación del sujeto  33779816.
  8. ^ Horenstein, Mark N.; Pappas, Seth; Fishov, Asaf; Bifano, Thomas G. (2002). "Microespejos electrostáticos para subapertura en un sistema de óptica adaptativa" (PDF) . Journal of Electrostatics . 54 (3–4): 321–332. doi :10.1016/S0304-3886(01)00159-0. Archivado desde el original (PDF) el 23 de septiembre de 2021 . Consultado el 29 de mayo de 2021 .
  9. ^ Schirmer, Eric. "Explicación de la falla del chip DLP: ¿puntos blancos y neblina blanca?". Productos DLP® - Foro de productos DLP . Texas Instruments Inc . Consultado el 19 de diciembre de 2019 .
  10. ^ "Firma de Plano Cinema abrirá sala con proyección digital y snacks de autoservicio". Texas Business . Old Mesquite LLC. 2010-10-25. Archivado desde el original el 2012-01-26 . Consultado el 2011-10-24 .
  11. ^ Barreto, Raul (13 de mayo de 2011). "Uso de kits de desarrollo DLP® para sistemas de metrología óptica 3D" (PDF) (Informe de aplicación). DLPA026. Texas Instruments . Consultado el 29 de mayo de 2021 .
  12. ^ Heath, Daniel J; Feinaeugle, Matthias; Grant-Jacob, James A; Mills, Ben; Eason, Robert W (1 de mayo de 2015). "Conformación dinámica de pulsos espaciales a través de un dispositivo de microespejos digitales para transferencia hacia delante inducida por láser con patrones de películas de polímeros sólidos" (PDF) . Optical Materials Express . 5 (5): 1129. Bibcode :2015OMExp...5.1129H. doi : 10.1364/ome.5.001129 . ISSN  2159-3930.
  13. ^ Liu et al., 2015 "Imágenes 3D en medios de dispersión volumétrica utilizando mediciones de espacio de fase"
  14. ^ Georgieva, Alexandra; Belashov, Andrei; Petrov, Nikolay V. (11 de mayo de 2022). "Optimización de la modulación independiente de amplitud y fase basada en DMD mediante el análisis del frente de onda complejo objetivo". Scientific Reports . 12 (1): 7754. arXiv : 2010.00955 . Bibcode :2022NatSR..12.7754G. doi : 10.1038/s41598-022-11443-x . ISSN  2045-2322. PMC 9095630 . PMID  35546600. 
  15. ^ Lee, Kyeoreh; Kim, Kyoohyun; Kim, Geon; Shin, Seungwoo; Park, Yong-Keun (28 de febrero de 2017). "Iluminación estructurada multiplexada en el tiempo utilizando un DMD para tomografía de difracción óptica". Optics Letters . 42 (5): 999–1002. arXiv : 1612.00044 . Bibcode :2017OptL...42..999L. doi :10.1364/OL.42.000999. ISSN  0146-9592. PMID  28248352. S2CID  46878533.
  16. ^ "Tecnología de iluminación de última generación". Optogenética y fotoestimulación con resolución celular poligonal . Mightex Systems . Consultado el 28 de mayo de 2021 .

Enlaces externos