Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ технологии производства высокоскоростных микро-приборов на основе интегральной структуры "Смектический жидкий кристалл на кремнии" для применения в трехмерных дисплеях, в голографии и адаптивной оптике

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
смектический жидкий кристалл, сегнетоэлектрик, непрерывная серая шкала, модуляция фазы света, модуляция светорассеяния, интегральная кремниевая схема, структура lcos, микродисплей

Цель проекта:
Целью проекта является проведение исследований, направленных на разработку и создание опережающих современный уровень микродисплеев и др. приборов на основе пространственного модулятора света со структурой смектический «жидкий кристалл на кремнии» (сокращенно СЖКнК), обладающей сверхвысоким быстродействием (оптический отклик менее 100 мкс, частота кадров не менее 1 кГц) при малом управляющем напряжении (до ± 3 В), отсутствием гистерезиса и способностью визуализировать непрерывную шкалу серого. Задачи проекта: 1) создание СЖК-материалов с заданными свойствами, изготовление и исследование электрооптической ячейки с СЖК, 2) моделирование электронных алгоритмов питания и управления СЖК- ячейкой и разработка схемы управления в кремниевой пластине; 3) изготовление управляющей кремниевой пластины, сборка и тестирование структуры СЖКнК, 4) разработка и исследование экспериментального образца микро дисплея на основе структуры СЖКнК.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Результаты исследования механизмов деформации СЖК и переориентации директора в электрическом поле;
2) Результаты исследования модуляции рассеяния света в электрооптических ячейках;
3) Результаты исследования фазовой модуляции света в электрооптических ячейках;
4) Композиции СЖК и экспериментальные ячейки с СЖК, оптимизированные для структуры СЖКнК и обеспечивающие непрерывную безгистерезисную серую шкалу при минимальном управляющем напряжении на повышенных частотах модуляции света (не менее 1 кГц);
5) Схема адресации структуры СЖКнК и микро-дисплея в режиме 1 кГц;
6) Описание технологии изготовления компонентов и сборки СЖК-ячеек;
7) Действующие экспериментальные образцы структуры СЖКнК и микро-дисплея;
8) Экспериментально обоснованные результаты разработки новых методов отображения в системах с микродисплеями на основе СЖКнК и рекомендации по их развитию и применению;
9) Научные статьи и доклады, новые объекты интеллектуальной собственности.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт - микродисплеи и др. приборы на основе пространственного модулятора света со структурой смектический «жидкий кристалл на кремнии» (СЖКнК), обладающей сверхвысоким быстродействием (оптический отклик менее 100 мкс, частота кадров не менее 1 кГц) при малом управляющем напряжении (до ± 3 В), отсутствием гистерезиса и способностью визуализировать непрерывную шкалу серого.
Ключевая инновация состоит в том, что известная структура ЖКнК с обычно используемым нематическим жидким кристаллом, т. е. НЖКнК, технологически перестраивается на использование нового смектического жидкого кристалла (СЖК), обладающего сегнетоэлектрическими свойствами и способного обеспечить в микро-дисплее не только в несколько раз более высокую скорость переключения оптических свойств, но и более высокое качество изображения. В России оба типа структур (НЖКнК и СЖКнК) и приборы на их основе не производятся.
Сопоставление ожидаемых результатов с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень, показывает, что без повышения управляющего напряжения быстродействие новой структуры превысит достигнутое в зарубежных структурах НЖКнК в 8 раз, а в структурах с бистабильным СЖК – как минимум в 3 раза.
Разработка базируется на российских и международных патентах, авторами и правообладателями которых являются участники проекта. Принципиальных (физических) ограничений на достижение результата не имеется, что показало в последние три десятилетия широкое использование нематических ЖК и структур НЖКнК в более, чем в 70% всех дисплейных устройств, при том, что свойства и технологии применения НЖК и СЖК весьма близки. Возможными мерами (на основании фундаментальных исследований), повышающими вероятность реализации предлагаемого решения, являются расширение температурного интервала работы СЖК (в первую очередь, в область температур, ниже комнатных), повышение устойчивости ориентации молекул СЖК к механическим и температурным воздействиям, дальнейшая разработка материаловедческие методик и подходов к созданию композиций СЖК, позволяющих управлять их свойствами. Препятствия организационного и юридического плана на пути решения данной задачи предлагаемым способом отсутствуют.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты работы перспективны для использования в микродисплеях FLCOS с управляющей кремниевой матрицей; в проекционных ТВ и в пикопроекторах на основе микродисплея; в активно-матричных экранах смарт-дисплеев; в трехмерных системах, в том числе с объемным экраном (волъюметрических); в пространственных модуляторах света, в том числе в фазо-модулирующих и в бесполяроидных инфракрасных; в многоканальных переключателях света, сенсорах, в фазированных антенных решётках, устройствах адаптивной оптики и голографии; в скоростных системах обработки, кодирования и распознавания данных.
Для доведения ожидаемых результатов работы до потребителя целесообразно быстрее сделать лабораторный и затем опытный действующий прототип структуры CЖКнК и микро дисплея на её основе. Конкурентные преимущества новой СЖК- технологии таковы, что независимо от национальных границ многие компании в мире будут заинтересованы в ее освоении для производства систем 3D визуализации, смартфонов, проекторов и др.
Кроме отображения информации, новые дисплейные СЖК- материалы обещают в приборах и системах новые функциональные свойства, например:
1) Сверх-быстрый видео-проектор уже с разрешением 2Кх1К и 8 битами цвета при частоте кадров 2,5 кГц сможет обеспечить рекордную производительность обработки и распознавания данных – более 1012 б./s, что позволит быстро менять согласованные фильтры в оптоэлектронных корреляторах, идентифицирующих (опознающих) сигналы и изображения по их схожести с эталоном; быстро переустанавливать данные для запроса и ответа в системах «свой-чужой»; выполнять высокопроизводительное кодирование-декодирование массивов информации (включая массивы сигналов и изображения); вести сверхбыстрое распознавание целей или сравнение отпечатков пальцев и изображений лиц в охранных системах; участвовать в сверхточном наведении и многое другое.
2) Тот же сверх-быстрый видео-проектор может вводить изображения сечений 3D объекта или сцены в объёмный (волъюметрический) экран 3D дисплея, состоящий из пакета быстродействующих светорассеивающих СЖК- модуляторов, на которых эти сечения визуализируются в реальном времени как единое целое, без использования стерео-очков и для всех наблюдателей одновременно; такая разработка перспективна для применения в 3Д тренажерах, авиа- и космической навигации, при диспетчерском управлении пилотируемыми объектами, в томографии, при визуализации и моделировании 3Д физических процессов и полей, при 3D конструировании и др.
3) Возможно создание мульти-программных и мульти-пользовательских очковых и безочковых систем 3D видения;
4) Дисплейная стена с множеством изображений может быть сформирована единственным проекционным СЖК- дисплеем;
5) Одно-элементная СЖК- ячейка может служить в качестве деспеклера, т.е. разрушать способность лазерного пучка к интерференции, ответственной за спекл-шум в формируемых лазером изображениях.
Работа по проекту состоит из двух связанных и взаимно дополняющих друг друга частей, а именно, предусматривает подготовку СЖК-материала (в основном, выполняет российская сторона) и процедуру изготовления структур LCoS с СЖК (в основном, выполняет британская сторона). Разработанная иностранным партнёром технология создания структур LCoS, в силу заинтересованности британской стороны в уникальных российских СЖК, будет обязательно освоена в России. В дальнейшем возможно совместное производство СЖК- микродисплеев.
От такой кооперации выиграют не только обе стороны, но и научно-технический прогресс в целом, поскольку совместное исследование позволит сформировать базу для нового поколения высокоскоростных микро-дисплеев, в том числе цветных, трехмерных, проекционных, а также фазовых и светорассеивающих модуляторов излучения (в том числе инфракрасного) для применений в системах отображения данных, голографии, адаптивной оптики и телекоммуникационных применений.

Текущие результаты проекта:
- тестовые образцы СЖК- материалов и СЖК- электрооптических ячеек для модуляции свето-рассеяния и фазо-амплитудной модуляции;
- теоретическое обоснование и графики моделирования процесса ориентации СЖК при движении солитонных волн;
- графики экспериментальных зависимостей оптического отклика СЖК от амплитуды и частоты возбуждающих биполярных импульсов, иллюстрирующие быстродействие СЖК и солитонный механизм ориентации молекул в электрическом поле;
- осциллограммы оптического отклика, в том числе в бистабильном режиме.