Союз микроэлектроники и
жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом
изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из
этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в
нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а
затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых
литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства
преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того,
насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы,
которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от
точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше
уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических
жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и
позволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением.
Не менее полезным оказалось
применение жидких кристаллов (теперь уже нематических) на стадии контроля
качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с
протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика,
а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в
поляризованном свете картина " вытравленных окон отчетливо
визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по
размерам неточности и дефекты литографических работ, протяженность которых
всего 0,01 мкм.
Некоторое время тому назад
необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства,
получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т.е. практически каждая взрослая женщина имела это
ювелирное изделие. Что же привлекло внимание любители
бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим
свойством реагировать на настроение его владельца.
Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца,
пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового. Вот это сочетание
таинственного свойства угадывать настроение, декоративность перстня, обеспечиваемая
яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех
перстню настроения.
Пожалуй, именно тогда впервые
широкие массы столкнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в
том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за
настроением. Однако ничего толком не было известно, говорилось, только, что
камешек перстня сделан на жидком кристалле - на холестерическом
жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными
оптическими свойствами.
Продолжением развития перстня
на жидких кристаллах явилось производство медицинских приборов, использующих
данный эффект. В первую очередь это относится к измерителям температуры тела
человека. Градусники приобрели безопасную форму игрушки, для измерения
температуры тела маленьких детей.
Во время эпидемии атипичной
пневмонии, когда определяющим признаком заболевания человека является
температура его тела, использовались быстродействующие жидкокристаллические
термометры. Достаточно одного легкого прикосновения к жидкокристаллическому
датчику в виде полоски и с высокой точностью определяется температура тела
человека.
Создание телевизоров с
жидкокристаллическими экранами стало новой исторической вехой применения жидких
кристаллов (LCD). Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей,
потому что происходит регулярно снижении цен, из-за совершенствования технологий
производства.
Экран LCD – это экран
просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны
лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB – красный, зеленый, синий),
расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не
пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно
поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно
заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных
моделях разнится от 15 мс (миллисекунды, 1мс – одна тысячная секунды) до 40 мс и
зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется
изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.
Время работы лампы для
большинства LCD-панелей почти на начальной яркости – 60 000 часов (этого хватит
примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день). Для сравнения:
у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а
для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог – 15000-20 000 часов
(приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.
Примером совершенства может
служить экран LCD телевизора LG RZ-23LZ20 который передает около 17
миллионов цветов, с высоким разрешением 1280х768 пикселей, с контрастностью
400:1 и яркостью в 450 кд/м. Это – прекрасный образец жидкокристаллической
технологии.
Угол обзора у жидкокристаллических
телевизоров последних моделей достигает 160-170 градусов по вертикали и
горизонтали, а это делает проблему гораздо менее острой, чем она была несколько
лет назад.
Недостатком
жидкокристаллических экранов является наличие неработающих пикселей.
Неработающие пиксели – пиксели, которые постоянно включены в каком-то одном
состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. Разные производители
допускают различное количество неработающих пикселей на экране, о чем пишут в
инструкциях по использованию товара. Например, в инструкции может быть
написано "если на панели вы обнаружили не более четырех неработающих
пикселей, то панель считается полностью работоспособной". В жидкокристаллических
мониторах вообще не допускается наличие неработающих пикселей, так как на
монитор мы смотрим с гораздо более близкого расстояния, чем на телевизор, и
сразу можем разглядеть этот "мусор".
Многие
оптические эффекты в жидких кристаллах, уже освоены техникой и используются в
изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на
жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются
для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор. Тут уже даже
трудно сказать, как назвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но
это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад
подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных применений
жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтому стоит рассмотреть некоторые
технические идеи применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы,
но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств,
которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются персональные
компьютеры.
Рассмотрим
пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических
экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов
телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких
кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического
характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов
продемонстрирована, однако, а связи со сложностью их производства при
современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому
возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых
изображение, получено на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы
быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это
происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства
могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые
структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой
фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле,
осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света.
Принцип записи изображения
очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень
мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды
оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника,
падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического
слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника
его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные
носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит
перераспределение электрических напряжений в ячейке – теперь практически все
напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности,
его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного
напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического
слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть
использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практически,
конечно, выбор электрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве,
называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми
оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами.
Важно, что в описываемом
транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя
происходит локально – в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие
транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем
информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на
транспаранте размерами менее 1х1 см2.
Описанный способ записи
изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он
делает ненужной сложную систему коммутации, т.е. систему подвода
электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на
жидких кристаллах.
Управляемые оптические
транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного
устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с
преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями
развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических
каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем
передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких
кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом
случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света
(ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы применения ПВМС в устройствах
обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние
характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону
достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения
быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также
диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Как
уже отмечалось, одна из основных проблем – это проблема быстродействия
жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики
модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут
значительное место в системах обработки оптической информации.
Прежде всего, отметим высокую
чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая
характеризуется интенсивностью светового потока. Кроме того, достигнуто
высокое пространственное разрешение сигнала – около 300 линий на 1 мм.
Спектральный диапазон работы модуляторов, выполненных на различных
полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиолетового до
ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в
модуляторах фотополупроводников удается улучшить временные характеристики
устройств по сравнению с быстродействием собственно жидких кристаллов. Так,
модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистрировать
оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение
оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происходит
с запаздыванием, т.е. более медленно, в соответствии с временем изменения
оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии)
электрического поля.
Какие же, кроме уже
обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем
подборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на
него изображения. Если контур перемещается, то можно визуализировать его движение.
При этом существенно, что длина волны записывающего изображения излучения и
считывающего излучения могут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют,
например, визуализировать инфракрасное излучение, или с помощью видимого света
модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображение в
инфракрасном диапазоне длин волн.
В другом режиме работы
модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освещению.
В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только
перемещающиеся по изображению световые точки, или мерцающие его участки.
Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света. В связи же с
их высокой пространственной разрешающей способностью их использование
оказывается эквивалентным усилителю с очень большим числом каналов.
Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают основание
использовать их в многочисленных задачах обработки оптической информации,
таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный и
корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм в
реальном масштабе времени, и т. Д. Насколько широко перечисленные
возможности жидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежные
технические устройства, покажет ближайшее будущее.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|