シリコン上の液晶

液晶オンシリコン( LCoSまたはLCOS ) は、シリコン バックプレーンの上に液晶層を使用した小型反射型アクティブ マトリックス液晶ディスプレイ、または「マイクロディスプレイ」です。空間光変調器とも呼ばれます。LCoS は当初、プロジェクション テレビ用に開発されましたが、その後、波長選択スイッチング、構造化照明、ニア アイ ディスプレイ、光パルス成形にも使用されるようになりました。

LCoS は、透過型LCD を使用し、光が光処理ユニットを通過できるようにする他のLCD プロジェクター技術とは異なります。LCoS は、 DLPマイクロミラー ディスプレイに似ています。

ヒューズ液晶ライトバルブ（LCLV）は、より弱い光源を使用して高強度の光線を変調するように設計されました。概念的には、増幅器が電気信号の振幅を増大させる方法に似ています。LCLVは、三極 真空管の一般名にちなんで名付けられました。^[1]高解像度で低強度の光源（通常はCRT ）を使用して、 CdS 光センサー層に画像を「書き込み」ます。CdS光センサー層は、約10 mVの交流電源で駆動される透明なインジウムスズ酸化物電極によって通電されます。CdTe光遮断層は、低強度の書き込み光がデバイスを通過するのを防ぎます。光センサーと光遮断層は一緒に整流接合を形成し、液晶層全体にDC電圧バイアスを生成して、画像を反射側に転送します^{[2] : 5}ツイストネマティック液晶の偏光の回転を変更することによって。反射側では、高強度の偏光投影光源が、光センサーによって制御される液晶内の偏光に基づいて、誘電体ミラーから選択的に反射します。誘電体ミラーは、 TiOの交互層をスパッタリングすることによって形成されます。
₂およびSiO
₂、最終的なSiO
₂液晶材料を整列させるためにエッチングされた層。^{[3] : 10–12} LCLVのその後の開発では、同じ基本構造に配置された同様の半導体材料が使用されました。^{[4] : 10}

LCLV の原理は、LCLV の反射面に相当するピクセルの配列を備えたデジタル LCoS ディスプレイ デバイスに引き継がれています。LCoS デバイス上のこれらのピクセルは、LCLV の低強度の「書き込み用光源」ではなく、反射光の強度を変調する信号によって直接駆動されます。たとえば、XGA 解像度のチップには 1024×768 ピクセルの配列があり、各ピクセルには独立してアドレス指定可能なトランジスタがあります。^[5] LCoS デバイスでは、相補型金属酸化物半導体(CMOS) チップが、チップ表面のすぐ下に埋め込まれた正方形の反射アルミニウム電極の電圧を制御し、各電極が 1 つのピクセルを制御します。一般的なチップは、約 1～3 cm (0.39～1.18 インチ) の正方形で、厚さは約 2 mm (0.079 インチ) で、ピクセル ピッチは2.79 μm (0.110 ミル) と小さくなります。^[6]全てのピクセルに共通の電圧は、カバーガラス上のインジウムスズ酸化物で作られた透明導電層によって供給されます。

LCoSプロジェクターの歴史は、1972年6月にヒューズ研究所の科学者が社内研究開発プロジェクトでLCLV技術を初めて開発した時に遡ります。^[7]ゼネラルエレクトリックは1970年代後半に低解像度のLCoSディスプレイを実演しました。^[8] LCLVプロジェクターは大きくてかさばるため、主に軍のフライトシミュレーターに使用されていました。 ^[9]ヒューズエレクトロニクスとJVCの合弁会社（ヒューズ-JVC）は1992年に設立され^[10]、 ILA（Image Light Amplifer）というブランド名で商業映画館向けのLCLV技術を開発しました。^[11] 1つの例は高さ72.5インチ（1,840 mm）、重さ1,670ポンド（760 kg）で、7kWのキセノンアークランプを使用していました。^[12]

1997年、JVCのエンジニアはヒューズLCLVからD-ILA（ダイレクトドライブイメージライトアンプ）を開発し、^{[10] [13]、} 3チップD-ILAデバイスを使用した、より小型で手頃な価格のデジタルLCoSプロジェクターを実現しました。^[14]これらはシネマILAプロジェクターほど明るくなく、解像度も低かったものの、重量は33ポンド（15kg）からと、より持ち運びに便利でした。^[15]

初期の LCoS プロジェクターには課題がありました。消えるはずの映像が画面上に残る「イメージ スティッキング」という現象に悩まされていました。これはミラーが所定の位置に固着して画面にゴーストが発生することが原因でした。しかし、メーカーは技術の改良を続け、今日の LCoS プロジェクターではこの問題はほぼ克服されています。

ソニーは 2004 年に SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) 技術を発表しました。SXRD は LCoS 技術の進化版で、さらに小さなピクセルと高解像度を使用し、より正確な画像を実現しました。SXRD 技術はソニーの高級ホームシアター プロジェクターに使用され、その優れた画質ですぐに評判を得ました。

JVC は 2006 年に改良された D-ILA テクノロジーを導入しました。これにより偏光フィルターが不要になり、より明るく鮮明な画像を実現しました。それ以来、D-ILA テクノロジーはホームシアター愛好家の間で人気の選択肢となっています。

LCoS プロジェクターは進化を続けており、メーカーは4K 解像度や HDR (ハイダイナミックレンジ) サポートなどの機能を導入しています。LCoS プロジェクターは現在、ホームシアター用の手頃な価格のモデルから、商業施設で使用されるハイエンドのプロフェッショナルモデルまで、さまざまな価格帯で提供されています。

LCoS ディスプレイ技術は、高画質と高解像度画像の表示能力により人気を博しているマイクロディスプレイの一種です。LCos ディスプレイ システムは通常、LCos パネル、光源、光学系の 3 つの主要コンポーネントで構成されます。

LCos パネルはディスプレイ システムの心臓部です。グリッド パターンで配列されたピクセルのアレイで構成されています。各ピクセルは液晶層、反射層、シリコン基板で構成されています。液晶層は通過する光の偏光を制御し、反射層は光を光学系に反射します。シリコン基板は個々のピクセルを制御するために使用され、LCos パネルを駆動するために必要な電子機器を提供します。

光源は、LCos パネルに必要な照明を提供するために使用されます。LCos ディスプレイ システムで使用される最も一般的な光源は、高輝度ランプです。このランプは、カラー ホイールまたはその他の光学コンポーネントを通してフィルタリングされる広範囲のスペクトルの光を放射し、ディスプレイ システムに必要な色域を提供します。

光学システムは、光源からの光を LCos パネルに導き、その結果得られた画像をスクリーンまたはその他の表面に投影する役割を担います。光学システムは、ディスプレイ システムに必要な倍率、フォーカス、および色補正を提供するために慎重に設計および調整された多数のレンズ、ミラー、およびその他の光学コンポーネントで構成されています。

白色光は 3 つの成分 (赤、緑、青) に分離され、3 つの LCoS デバイスによって変調された後、再び結合されます。光はさらにビーム スプリッターによって偏光されます。

東芝とインテルのシングルパネルLCOSディスプレイプログラムは、いずれも最終段階のプロトタイプに到達する前に2004年に中止されました。^[16]シングルパネルLCoSディスプレイは、フィリップス製とマイクロディスプレイコーポレーション製の2種類が生産されていました。Forth Dimension Displaysは、 QXGA、SXGA、WXGA解像度で利用可能な強誘電LCoSディスプレイ技術（タイムドメインイメージングとして知られる）を提供し続けており、これは現在、トレーニングやシミュレーション、 AOIの構造化光パターン投影などの高解像度の近眼アプリケーションに使用されています。シチズンファインデバイス（CFD）も、FLCoS技術（強誘電液晶）を使用したシングルパネルRGBディスプレイの製造を続けています。同社は、現在ピコプロジェクター、ハイエンドデジタルカメラの電子ビューファインダー、ヘッドマウントディスプレイで使用されているさまざまな解像度とサイズのディスプレイを製造しています。^[17]

LCoS ディスプレイは当初は大画面プロジェクター向けに開発されましたが、小型で消費電力が低いため、このようなデバイスの制約によく適合し、ピコプロジェクターの分野で消費者のニッチ市場を開拓しました。

LCoSデバイスは、デジタルカメラ、フィルムカメラ、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）の電子ビューファインダーなどの近眼アプリケーションにも使用されています。これらのデバイスは強誘電性液晶（このため、この技術はFLCoSと名付けられています）を使用して作られており、他の種類の液晶よりも本質的に高速で高品質の画像を生成します。^[18] Googleのウェアラブルコンピューティングへの最初の進出であるGoogleグラス^[19]も、近眼LCoSディスプレイを使用しています。

CES 2018で、香港応用科学技術研究院有限公司（ASTRI）とオムニビジョンは、60度の視野角（FoV）を実現できるワイヤレス拡張現実ヘッドセットのリファレンスデザインを展示しました。これは、オムニビジョンのシングルチップ1080p LCOSディスプレイとイメージセンサーを、ASTRIの光学系と電子機器と組み合わせたものです。このヘッドセットは、ドライバーとメモリバッファーを統合したシングルチップ設計のため、他のヘッドセットよりも小型で軽量と言われています。^[20]

LCoS は、波長選択スイッチ(WSS)のスイッチング メカニズムとして特に魅力的です。LCoS ベースの WSS は、当初オーストラリアの企業 Engana によって開発されましたが、^[21]現在は Finisar の一部です。^[22] LCoS は、各ピクセルで光の位相を制御してビーム ステアリングを生成するために使用できます^[23]。この場合、多数のピクセルによってほぼ連続的なアドレス指定が可能になります。通常、多数の位相ステップを使用して、図に示すように、高効率で挿入損失の少ないスイッチが作成されます。このシンプルな光学設計には、偏光多様性、モード サイズの制御、および LCoS の分散軸の 4-f 波長の光イメージングが組み込まれており、統合スイッチングと光パワー制御が提供されます。^[24]

動作中、光はファイバー アレイから偏光イメージング オプティクスを通過し、このオプティクスは直交偏光状態を物理的に分離して整列させ、回折格子の高効率 s 偏光状態にします。アレイの選択されたファイバーからの入力光はイメージング ミラーで反射され、次にリトロー入射に近いグレーティングによって角度分散され、光はイメージング オプティクスに反射され、各チャネルが LCoS の異なる部分に向けられます。各波長のパスは LCoS からの反射時に再びトレースされ、LCOS に適用されたビーム ステアリング イメージによって光がファイバー アレイの特定のポートに向けられます。波長チャネルは LCoS 上で分離されているため、各波長の切り替えは他のすべての波長とは独立しており、他のチャネルの光に干渉することなく切り替えることができます。減衰またはパワー分割用の効率の低い「イメージ」を含む、ポート間の特定の結合を実現するために実装できるさまざまなアルゴリズムがあります。

MEMS ^[25]や液晶^[26]技術に基づく WSS では、各チャネルに単一のスイッチング要素 (ピクセル) が割り当てられるため、各チャネルの帯域幅と中心周波数は製造時に固定され、使用中に変更することはできません。さらに、第 1 世代の WSS の多くの設計 (特に MEMS 技術に基づくもの) では、これらの設計に固有の限られたスペクトルの「フィル ファクター」により、各チャネル間の伝送スペクトルに顕著な低下が見られます。これにより、隣接するチャネルを単純に連結して単一の広いチャネルを作成することができません。

ただし、LCoS ベースの WSS では、組み込みソフトウェアを介してピクセル アレイをオンザフライで変更することで、チャネルの中心周波数と帯域幅を動的に制御できます。チャネル パラメータの制御レベルは非常に細かく設定でき、中心周波数とチャネルの上限または下限の帯域エッジを 1 GHz 以上の解像度で個別に制御できます。これは製造性の観点から有利で、単一のプラットフォームからさまざまなチャネル プランを作成でき、異なる動作バンド (C や L など) でも同一のスイッチ マトリックスを使用できます。さらに、この機能を利用して、デバイスの動作中にチャネルを再構成することもできます。既存のトラフィックにエラーや「ヒット」を発生させることなく、50 GHz チャネルと 100 GHz チャネル、またはチャネルの混合を切り替えることができる製品が導入されています。最近では、Finisar のFlexgrid™ WSS などの製品を通じて、ITU G.654.​​2 に基づくフレキシブル ネットワークまたはエラスティック ネットワークの概念全体をサポートするように拡張されています。

LCoSベースのWSSは送信信号の振幅と位相の両方を独立して制御できるため、フーリエ領域パルス成形と呼ばれるプロセスを通じて光パルスの振幅や位相を操作するより一般的な機能が得られます。^[27]このプロセスでは、時間領域とスペクトル領域の両方で入力パルスの完全な特性評価が必要です。

一例として、LCoSベースのプログラマブル光プロセッサ（POP）を使用して、モードロックされたレーザー出力を20 nmのスーパーコンティニューム光源に広げ、2番目の同様のデバイスを使用して出力を400 fsの変換制限パルスに圧縮しました。^[28]ファイバーレーザーのパッシブモードロックは高い繰り返し率で実証されていますが、LCoSベースのPOPを含めることで、スペクトルの位相内容を変更して、パッシブモードロックされたレーザーのパルス列を明るいパルスから暗いパルスに反転できるようになりました。^[29]同様のアプローチでは、光周波数コムのスペクトル成形を使用して複数のパルス列を作成します。たとえば、10 GHzの光周波数コムは、POPによって成形され、それぞれ1540 nmと1560 nmの暗い放物線パルスとガウスパルスを生成します。^[30]

高速強誘電体 LCoS を使用した構造化光は、3D超解像顕微鏡技術や3D自動光学検査の縞投影に使用されます。

LCoSの興味深い応用例の1つは、将来の大容量伝送システムの基礎として提案されている少数モード光ファイバー^[31]のモード間の変換能力です。同様に、LCoSは、空間分割多重方式の一種として、マルチコアファイバー伝送システムの選択されたコアに光を導くために使用されています。

LCoSはフィルタリング技術として、また半導体ダイオードレーザーとファイバーレーザーの両方のチューニング機構として使用されている。^[32]

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