液晶空间光调制器.doc

在红外场景时代下的硅液晶空间光调制器摘要液晶空间光调制器正在成为一种可行的替代红外发射现场的投影显示引擎阵列。液晶空间光调制器的一些优点包括成本低，重量轻（使便携式测试发动机），无坏点无频闪场景生成。其他的优势，包括高效率的运作，可扩展体系结构体感温度高仿真和潜力。我们讨论了最近开发的高电压512x512液晶硅空间光调制器。设计的考虑和设备性能的实验数据进行了介绍。关键词：液晶，空间光调制器，红外场景投影1.简介外动态显示能力，主要是需要在专用硬件在环（半实物）场景模拟实验室，在红外传感器的特点和测试。红外光谱显示的目的是生成逼真的场景有足够的精度,不能分辨红外传感器的从自然场景仿真。迄今为止，红外设计系统巨大，价格昂贵，每种只有特定系统。但是，价格低廉，轻量级的便携的红外光谱场景投影系统使之成为可能。便携式检测系统将允许在该领域的光电和红外成像传感器，同时本身的运作平台上安装。图1.原型硅液晶（LCOS的）的空间光调制器（SLM）的发电系统的场景。 * ;电话1 303 604-0077，传真：1 303 604-0066; 为了满足这种需求，博尔德非线性系统（BNS）构建了一个原型的硅液晶（LCOS）的空间光调制器（SLM）为红外场景生成。SLM原型如图1。组件包括用于显示的液晶可持续红外场景生成器，周边驱动电路和冷却系统。液态晶体硅器件上结合了硅集成电路芯片的小型电子产品的液晶材料的光调制能力。 LCOS技术最早是出现在20世纪90年代初在消费市场的数码投影机。此外，这些设备已被证明可以轻松接近自己的眼睛，当摄像机和数码相机取景器。 LCOS的能力的规模，使其成为首选的高清晰度（HDTV）的投影系统。1.1红外显示技术在过去的二十年间，红外成像探测器在军事领域的使用不断增加。据要求测试社区，以配合这些发展的步伐。由于传感器的复杂性增加，因此需要能够模拟精度的红外显示自然红外环境。过去许多场景投影技术与之相关的优点和缺点。发射极电阻阵列，其中每个元素产生红外能量，是最普遍的技术。然而，然而这些设备可以只支持由单一供应商且非常昂贵，这主要是由于有限的红外场景投影机市场。由于这些设备只限于红外操作，是很难产生的多波段的场景。更令人不安的是，在（ 1000 ）的极端温度下的发射像素电阻材料变得不稳定，并最终熔化1。此外，像素是人为操控不了的。数字微反射镜器件（DMD），如在商业使用的可见场景投影机，是大批量生产，价格低廉。 LCOS显示一样，DMD的设备技术的支持，用于数字投影机和投影电视的巨大消费市场。然而，DMD的显示设备是二进制，因此必须在一个跳动脉冲编码调制方案用于生成灰度。这种运作模式是扫描传感器不能接受的。虽然这些设备的帧速率是优秀的，我们必须最终选择高帧速率和幅度分辨率（灰度级）。此外，DMD的像素间距小装置（15微米），他们因此在红外波段高衍射。在80年代末，很大的关注使用LC材料在红外与光寻址光阀(LCLVs)和可调的光谱过滤器2。在休斯研究实验室的科学家首次成功地表征休斯LC材料的红外吸收能力和发展了LC材料适宜的红外光谱3。这些器件证明了LC材料在红外的可行性。自那时起已经在液晶材料研究的液晶显示产业带动取得了巨大的进步。这导致了一套新型的高速液晶材料和结构套作为支持驱动电路和包装技术的增长。当克服其缺点从成本、性能和灵活性的角度看，我们主张液晶在半导体设备的最佳特征结合其他场景投影技术。底板的制造,使用同样的铸造厂用来制造计算机芯片制造来源,以保证可得到的永远是相同的。【超大规模集成电路系统输出的制作是多元的晶圆,或100的底板,导致极低的单位废弃成本。此外,创新由计算机产业,超大规模集成电路系统制造一些资金充足方案。】将来产品改进可以利用这些创新(更高的电压、小微影、更高的像素)与LCOS技术，输出光调制的硅底板相对独立的主要以一个数组的形式返回铝像素都作为镜子和电极。光学调制，而不是取决于使用的晶体液，其覆盖层的厚度和玻璃的类型。这意味着，一个共同的超大规模集成电路底板可对可见光，近红外，中波红外和长波红外显示引擎使用。同样的底板，也可使用的液晶材料在各种不同的调制方式造成的。这种灵活性对红外光谱是特别重要的，在许多LC材料可能被速度限制。1.2 LCOS显示建设一个典型的硅器件液晶是设计制造的第一个硅底板芯片。这就需要学习所有细节的具体工艺过程，因为没有两个过程是相同的。由于成本高，硅铸造部分该设计还必须进行模拟。这些费用主要是在为每个芯片层所需的高分辨率的遮罩生产。图 2.显示的组装LCOS断面美国BNS公司（Boulder Nonlinear Systems, Inc.）其主要产品是光学空间光调制器。收到他们放置到一个载波，如陶瓷支持柔性电路。陶瓷作为保障的柔性电路既是机电接口在硅芯片上。该芯片是连接到导线，因此电连接芯片。下一步是添加对齐图层到硅芯片和导电的盖玻片。盖玻片导电涂料通常是一个薄的透明金属氧化物涂层，图层面板强制提供了准直。提供一种力量的排列层排列所有的液晶分子进入同一方向。如果没有对齐层的液晶排列是随机的，因此没有提供有用的光调制。然后防护玻璃罩结合到硅芯片使用粘合剂和垫片。这些间隔器提供一致的差距在整个表面的芯片,是只有几个微米厚。这种装配单元放置在真空室。在真空状态下，该芯片被加热，均匀差距与理想的液晶材料填充。非真空状态，装置冷却到室温，一个电极导线连接到盖玻片。在这一点上，该设备是完整的（见图2）。液晶硅技术是特别适合用于投影显示系统，反射的配置便于使用薄层比在LC传输型配置,导致更快的反应时间。由于具有较大的填充因子LCOS的背板和相邻像素液晶模拟行为的可能，一个自然的“平稳”的图像效果。这直接对比的是易碎，怪怪的“屏幕门”的场景从机械设备产生的镜子。 LCOS元件很容易扩展到大容量高格式，并正成为大型格式HDTV投影机的首选技术。这是一种价格低廉而这些设备的高收益率是如此的吸引力考虑显示一个红外线的能力。一个LCOS投影背板设计灵活地定制不同光谱波段的另一个期望的特性。下文第2节，背板的发展进行了讨论，包括超大规模集成电路设计和晶片制造。第三节驱动器电子学的报告。第4节讨论液晶。该报告最后总结和建议作进一步调查。2超大规模集成电路开发底板图3显示了高水平的背板芯片布局。在512x512像素中心距37.5微米。芯片尺寸为23x23毫米。奇数和偶数移位寄存器有助于增加有效面积，虚拟像素沿底部只填写标线。所有允许晶圆组装结合区的顶部。 20 MHz的时钟提供了205微秒刷新率。这是一个20 V的过程，但早期的测试认定，保持电源电压V低于20底板，大大缓解底板和运算放大器热度。因此,应在此讨论使用一个18 V电压。图3.高压512x512底板布局图4. 底板设计2.1积体电路板的制造设计过程本质上是迭代的。一个根据设计合成了由晶片代工厂商提供的设计规则。这些设计规则都是基于铸造工艺。设计提交了好几次,一切才查出来制造可以开始了。图5显示了一个由设计软件描绘的像素结构图（一）旁边的一对的底板一名来自所铸造（二）本设计晶片制造的第一套照片。 图。 5。设计图纸（a）和背板照片（二）高压512x512 SLM在底板特点包括：对P -场效应管和N - FET的互补对每个像素（提供轨至轨操作）存储容量是通过共享最大化的N沟道FET的P阱和P - FET的N阱像素间只有3像素金属垫像元距为37.5微米，像素垫尺寸为35.1 x 35.1微米填充因子是87.6光屏蔽是由底层金属层2.2光学质量背板从第一个晶片的底板也表现出相当的高度变异有将近一垫面积内的像素微米像素级的变化。图6是由该晶圆铸造厂提供的轮廓数据。图6 第一片底板数据经与工厂讨论，BNS据悉，这一过程只用于特定的CMP（化学机械抛光）来沉积金属2层。因此，底板最终与那些符合结构存在于所有的像素金属片2，在1微米的表面粗糙度产生的任何给定的像素内垫。为了改善这一点，BNS从事另一原型晶片工厂运行，其中包括晶圆出发送到一个介电层金属后得到2层平坦化的第三方应用供应商。在第一次尝试额外平坦是一种进步，但第二轮最终需要生产光学质量底板。图7显示了与平坦的三个不同层次的底板照片。这些照片是在显微镜下。图 7.从晶圆照片与底板（一）unplanarized，（二）中级，以及（c）全面平坦。3驱动电子3.1 512x512高压控制器512 512高电压SLM程序的设计是基于模块化的卡堆的方法。在DVI控制器作为基础卡，并提供基本的数据接口和图像格式化功能，以及土地管理控制功能。 RAM的DAC的卡是为了堆放在顶部和控制器卡率数字数据提供2端口内存缓冲区匹配以及多台高速的D / A转换器。每个RAM - DAC的卡提供32个16位DAC输出通道。高电压放大器卡的目的是堆放在RAM的DAC的卡片上，或者在一个高速同轴带状电缆的一端进行远程安装作为一个光学头组件的一部分。该放大器卡提供基本电流到电压的转换和SLM控制信号为512x512高压适当SLM设备。同样，每个放大器卡提供32个模拟数据加上相关的SLM控制信号通道。最后，一个短刚性弹性电缆组件提供了最后从连接放大器到已安装好结合刚性弹性光空间调制器。图8说明了整体相对卡堆栈512x512高压驱动系统SLM的方向。图。 8。SLM驱动卡堆叠配置3.2 DVI数字控制器卡除了“基础”卡堆驱动系统，控制器卡提供了DVI所有的控制逻辑和数据格式化驱动系统的可持续的SLM。如图9所示，控制器卡提供外部控制接口，通过USB 2.0高速接口驱动系统。高速图像数据的接收，也是通过提供标准的DVI - D输入端口。物理接口的DVI是由Silicon Image公司提供的接口芯片，支持双通道高速（高清晰度）每DDWG规格，牧师1.0图像格式的输入。该接口还支持HDMI数字内容加密标准，虽然最初的实现（芯片的版本）不包括这一功能。在硅影像组件处理所有传入的TMDS转换同步和串行到并行的DVI通道的像素格式，数字数据路由到FPGA的直接控制和处理。该FPGA内部接收缓冲区的像素数据，并执行任何必要的像素重新排序及解复用，以便写入了2个端口缓冲器RAM的DAC的记忆卡位于阵列的图像数据。该FPGA还表现在每个16位像素值的可选的数据线性化功能，在数据传递到RAM - DAC的卡。所有的控制信号，并为撰写和读取数据的时间到/从外部2埠记忆也生成由控制的FPGA，以及控制信号和时序控制DAC功能和可持续SLM设备本身。图9. DVI接口控制卡框图3.3 DVI接口控制器的硅影像的VastLaneDVI接口被配置为双通道操作，以提供高达300万像素/高速视频输入秒。接收器被配置为全日制两个像素输出模式（至FPGA）。这意味着，即使像素数据（像素0，2，4，6等）是在主通道输出和奇数（像素1，3，5，7等）像素数据输出的次级输出通道输出，无论是实际接收的接口双通道DVI输入视频。由于SLM控制器不是一个传统的彩色视频显示设备，而是一个高解析度，高速单色显示屏，它是假设在DVI图像源将不会在VESA的“高彩”模式运作。这些模式利用DVI双通道功能来传输通道上的主DVI所有像素的MSB的和LSB的（即当超过8位每像素的颜色）在二级的DVI通道。相反，控制器设计假定16位每像素的位将被发送使用的是“红色”为LSB的的（位7-0）通道的组合和“绿色”通道MSB的（位15-8）各像素值。如果备用格式为未来实现理想，控制FPGA的设计可以随时修改，以适应他们。在常规视频格式VESA定义的范围内，硅影像的DVI接收器组件会自动检测视频格式（分辨率和帧速率）正在对传入的DVI视频信号和解码他们提供适当的数字像素数据，控制FPGA的使用同时接受基础和中等（奇数和偶数）数字输出。如前所述，接收器芯片配置为提供这种双通道“两个像素perclock”的输出，即使输入的视频信号是在单通道模式下运行低分辨率的视频格式。“原始”显示格式由DVI界面EDID EEPROM的DVI接口将在1千赫的帧速率，相当于SLM的512 512的显示能力。由于这不是一个传统的VESA标准显示格式并以规范标准的DVI细则相融，驱动器将接受一个“返回”640x480分辨率显示器的VGA格式的分辨率。在这个或任何其他标准VESA显示格式通过DVI接口后，将截断控制FPGA的接收图像上提取最左边的512 512的显示为SLM进入后续处理的图像区域的视频图像的像素。4.液晶液晶材料提供了一个有效的手段来调节光线。液晶是一个强大的和具有成本效益调制器，以及它的实用性已在多项产品的消费者从笔记本电脑到手机证明。在过去的20年里，一直在液晶材料的研究相当大的进步，无论在消费市场环境稳定材料的开发，并在高性能混合配方实验。向列型液晶是液体晶型消费产品中常见。向列液晶的电压依赖双折射，如图10所示。由于液晶偏振光进入液晶层，材料执行两个基本功能，波分和迟钝。也就是说，液晶分为单波，这是两个正交线偏振光偏振波，并诱导这些波之间的时间延迟。该时间延迟是因为液晶材料的晶体结构是这样的折射指数是不是在所有方向相同。两波之间的时间延迟产生的光的偏振变化。如果分析偏光镜后放置设备和两个波的相位，将不会有在偏振态变化，光强传输。如果这两个波的相异，偏振将旋转90 ，因此在光偏振封锁。两波之间的相位差，主要取决于三个方面：（1）双折射LC材料（或在两条路径的折射率差）（2）液晶层厚度，（3 ）波长的输入光。图10.双折射液晶调制器的电压。作为一个电场应用到LC液晶层，有一个在液晶材料双折射相应减少。变化引起的双折射在光的偏振变化。当与一个现有偏光分析，结果是灰度强度调制。一般来说，液晶响应时间的设备是一个液晶层厚度和驱动电压的函数。这就造成了与标准的超大规模集成电路背板困难高速运转，特别是在较长的波长，液晶层较厚的地方是必需的。因此，一个成功的红外设备既需要高电压背板和高双折射液晶材料。一个经常使用的液晶显示器体系结构是一种均匀排列LC型液晶显示器。为这类反射装置所需的LCOS液晶层的最小厚度为四分之一波长厚，在通过设备双通半波长的相位调制产生的。这使得偏振光的水平旋转到垂直方向。所需的厚度，D，能由下式确定：其中为入射光的波长和双折射是液晶的双折射。一个的LCOS器件的开关速度是高度依赖的液晶层厚度，D和依赖于物质的属性，如阈值电压（Vth），旋转粘度（1）和弹性常数（K）4。通常情况下，上升时间（毫秒）的速度远远超过了衰减时间（10-100毫秒），因此，在显示应用中，衰减时间是值得关注的。维持一个非常薄的液晶层交换的结果作为厚度的平方的速度下降可取的。例如，对于长波红外器件设计的2.75倍将作为中波红外器件厚，但减少的速度理论上应该由一个7.5的因素。尽可能让液晶材料的液晶层的双折射薄膜高的优先。作为512x512结果调节装置在接近200赫兹的中波操作中高双折射材料，按照单个像素速度为中红外（中波红外）和图11所示波跳空的可持续的SLM上进行测量。这些设备(温度控制、低粘度LC)的高双折射材料很容易达到这些设备应在中期波200赫兹帧频。在这一点上的瓶颈将是驱动器的DVI（180赫兹）的速度，除非自定义高帧频DVI接口驱动程序使用。图11.示波器为中波红外描绘作为一个像素操作设备的速度测量。5结论博