ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР
OPTICAL MODULATOR

Изобретение относится к области обработки информации: к конструкции оптических модуляторов, являющихся составной частью экранов, «электронной бумаги» и оптических коммутаторов-преобразователей (коммутация с одновременной модуляцией), и, в частности, к конструкции их средств считывания и записи.
Известны экраны, в которых изображение формируется сканированием светового луча с помощью микрозеркал, приводимых в движение микроэлектромеханическими приводами (актюаторами) [U.S. Pat. No. 6856445, 7116462, 7102808, 7016099, RU 2276774, 2277265]. Они нуждаются в освещении зеркал источниками направленного света с высокочастотным регулированием его интенсивности и манипулированием цветом, также высокочастотным. Процессы формирования динамического и статического изображения в них не отличаются.
Известен экран, в котором изображение формируется переворачивающимися заслонками в виде флажков с закрепленной осью вращения, перекрывающих или открывающих микроотверстия для прохождения света [US 20040080484 A1]. Недостатком его является необходимость регулирования яркости каждого пикселя в отдельности с помощью дополнительного устройства.
Известен экран, каждый пиксель которого содержит оптический микроэлектромеханический регулятор в виде заслонки, перемещающейся благодаря неодинаковому удлинению двух консолей при неодинаковом их нагреве и перекрывающей при этом частично или полностью световой поток через отверстие [U.S. Pat. No. 6775048, 6967761, 7151627].
Недостатком его является сложность конструкции и технологии изготовления, необходимость создания трехмерных микроэлектромеханических структур и микроэлектронных структур в составе каждого пикселя, потеря изображения при отключении питания, сложность совмещения системы линз подсветки, фокусирующей весь световой поток на множестве микроотверстий, и подобной же системы линз для формирования изображения после прохождения светом оптических регуляторов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого оптического модулятора является экран [Пат. РФ №2473935, WO/2010/114417], содержащий оптические регуляторы, соответствующие каждому пикселю, отличающийся тем, что оптической регулятор выполнен в виде двух наложенных друг на друга плоских поляризаторов, один из которых неподвижен, второй имеет площадь, перекрывающую площадь пикселя, и выполнен с возможностью поворота относительно первого вокруг нормальной к их плоскостям фиксированной оси, а также содержит средства для осуществления такого поворота. Экран имеет средства для считывания, обработки и передачи информации о положении подвижных элементов регуляторов в виде блока контроля емкостей между неподвижными электродами и электродами, нанесенными на подвижные поляризаторы. Описан также вариант экрана, у которого подвижные поляризаторы намагничены. В качестве одного из средств формирования изображения на описанном экране предложено перо с постоянным магнитом или электромагнитом, создающее в области пишущего конца локальное магнитное поле, параллельное плоскости экрана.
Недостатком прототипа, а именно недостатком его средства считывания, содержащего множество емкостных электродов (обкладок конденсаторов) на каждый пиксель, является необходимость электронного опроса большого числа емкостных датчиков и связанные с этим затраты времени и энергии. Другим недостатком является технологическая сложность точного позиционирования создаваемых контактов, что связано с малыми размерами контактов и высокими требованиями к их взаиморасположению.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик экрана и повышение технологичности.
Указанная цель достигается тем, что каждый пиксель (субпиксель) оптического модулятора (далее - пиксель) содержит наложенные друг на друга неподвижный плоский поляризатор и подвижный плоский поляризатор, выполненный намагниченным в плоскости поляризатора под заданным углом к плоскости пропускания поляризатора и с возможностью поворота вокруг перпендикулярной поляризаторам оси (реальной или воображаемой), а также содержит средства считывания, обеспечивающие определение направления намагниченности подвижного поляризатора каждого пикселя. Оптический модулятор может также содержать средства записи (формирования) изображения.
Считывание информации о степени открытия оптических затворов (пикселей) оптического модулятора основано на том, что яркость каждого пикселя определяется углом поворота подвижного поляризатора относительно неподвижного. Благодаря тому, что подвижный поляризатор имеет намагниченность в направлении, перпендикулярном его оси вращения, по направлению магнитного поля подвижного поляризатора можно судить о величине угла между его плоскостью пропускания и плоскостью пропускания неподвижного поляризатора. Для определения направления магнитного поля (направления вектора магнитной индукции поля) подвижного поляризатора может быть использован любой известный датчик магнитного поля, позволяющий судить о направлении вектора магнитной индукции этого поля. В варианте предлагаемого изобретения в качестве датчиков направления магнитного поля подвижных поляризаторов служат датчики, сопротивление которых зависит от направления и/или величины магнитного, в том числе с сенсорами, действие которых основано:
- либо на магниторезистивном эффекте [Hari Singh Nalwa Handbook of thin film materials: Nanomaterials and magnetic thin films. - Academic Press, 2002. - Vol.5. - P.514. - 633 p. - ISBN 9780125129084; РФ №2279737],
- либо на гигантском магниторезистивном эффекте [The Nobel Prize in Physics 2007 (англ.). The Official Web Site of the Nobel Prize; Никитин С.A. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский обогревательный журнал. - 2004. - Т.8. - №2. - С.92-98. US 5159513; WO 00/79298; EP 0905523],
- либо на колоссальном магниторезистивном эффекте [Colossal Magnetoresistance, Charge Ordering and Related Properties of Manganese Oxides / Ed. by C. N. R. Rao and B. Raveau. - World Scientfic Publishing Co., 1998. - P.1-2. - 356 p.- ISBN 978-981-02-3276-4],
- либо на туннельном магниторезистивном эффекте [S.S.P. Parkin, С. Kaiser, A. Panchula, P.М. Rice, В. Hughes, М. Samant, S.-H. Yang, Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers, Nat. Mat. 3: 862-867 (2004); РФ №2392697].
Датчики расположены в зоне действия магнитного поля подвижного поляризатора так, чтобы действие полей соседних подвижных поляризаторов не влияло на сигнал датчика или влияло в минимальной степени. Эта зона определяется для каждого конкретного случая, с учетом степени намагниченности подвижных поляризаторов и чувствительности датчиков, теоретическим путем, экспериментально или сочетанием этих подходов.
Выводы каждого датчика соединены - непосредственно или через элементы электрической развязки цепей - с соответствующими проводящими шинами (с шинами «столбцов» и «строк», «адресной» и «битовой», с адресной шиной и шиной данных), соединенными, в свою очередь, с электронным блоком средства считывания. Использование матриц адресных и битовых шин широко используется в матрицах памяти, в том числе оперативной, в жидкокристаллических экранах и т.п. [например, US 6531371 B2]. Недостатком их является возможное размытие адресности за счет, например, растекания тока: проникновения сигнала записи за пределы узла, которому сигнал адресован, за счет большого количества межсоединений между шинами. Известно средство гальванической развязки узлов в виде полевого транзистора, включаемого последовательно с опрашиваемым узлом [US 6462388 B1; A stackable cross point phase change memory. DerChang Kau et al. Intel Corporation, Technology and Manufacturing Group, SC9-09, 2200 Mission College Blvd, Santa Clara, CA 95054 USA §: Numonyx B.V., R&D - Technology Development, 2550 N. 1st Street, Suite 250, San Jose, CA 95131]. Недостатком последнего средства является необходимость многочисленных операций по изготовлению транзисторов и ограниченность миниатюризации конструктивными особенностями транзисторов.
Для исключения растекания тока по матрице шин в предлагаемом оптическом модуляторе последовательно с датчиками магнитного поля каждого пикселя включен диод. При этом во время считывания любой другой путь для тока, кроме пути через выбранные адресную и битовую шины и датчик в их пересечении, исключаются встречно включенными диодами. Развязывающий цепи элемент не является обязательным для использования в предлагаемом устройстве, но, при определенных конструктивных параметрах устройства, может существенно улучшить точность считывания. Возникающая при этом зависимость от радиации не является критической, т.к. под воздействием радиации лишь возрастает обратная проводимость диодов (и то - лишь в момент прохождения ионизирующей частицы через данный диод), что лишь теоретически уменьшает эффективность повышения точности, но не препятствует считыванию. (Соответствующие электронные блоки считывания и формирования изображения предполагаются выполненными по интегральной технологии, т.е., в отличие от оптического модулятора, имеют малые размер, к тому же их необязательно видеть, поэтому они допускают защиту от радиации путем помещения, например, в свинцовый корпус.)
В варианте изобретения подвижный поляризатор выполнен с возможностью поворота вокруг своей оси в пределах 90°, а магниторезистивный сенсор выполнен в виде расположенной вблизи поверхности подвижного поляризатора неподвижной полоски, пересекающей, в плане, область подвижного поляризатора, и соединен своими выводами - непосредственно или через элемент электрической развязки цепей - с соответствующими проводящими шинами, причем датчик ориентирован так, чтобы в одном крайнем положении подвижного поляризатора направление его вектора намагниченности было параллельно направлению максимальной чувствительности датчика поля, а при другом крайнем его положении - перпендикулярно. Полоска может содержать дополнительные вспомогательные слои (адгезионные, изоляционные, трибостойкие и т.п.).
Для исключения или уменьшения влияния магниторезистивных считывающих полосок на оптическое пропускание они могут быть выполнены или прозрачными, или частично прозрачными, или полосчатыми, или/и в виде меандра, ориентированного вдоль или поперек полоски, образующей сенсор. При использовании последнего варианта (меандра) может быть увеличена чувствительность датчика. Чтобы не допустить критического снижения оптического пропускания (обычный критерий - изменение в е раз) при использовании непрозрачных сенсоров их ширина, если они имеют форму пересекающей площадь пикселя полоски, не должна превышать третьей части диаметра подвижного поляризатора, а при использовании датчиков другой топологии площадь сенсора не должна превышать третьей части площади пикселя.
В варианте предлагаемого экрана средство записи, т.е. средства для поворота подвижных поляризаторов, и считывания содержат блок сравнения сигналов записи с сигналами о положении подвижных поляризаторов и выдает в систему записи сигналы, корректирующие положение соответствующих подвижных поляризаторов в тех случаях, когда коррекция требуется, и не выдает, если не требуется.
Средство записи изображения, кроме варианта с использованием актюаторов с электронным управлением, может быть выполнено в виде внешнего источника магнитного поля: либо локального (магнитный стилус), либо сканирующего, либо распределенного заданным образом. Использование магнитного стилуса обеспечивает возможность письма-стирания или рисования на экране, система считывания позволяет сохранить созданное на экране изображение. Изображение на экране может создаваться путем сканирования управляемым источником магнитного поля по экрану или одновременным воздействием на экран магнитным полем заданной конфигурации (рисунка) - это варианты, создающие удобство тиражирования изображений в варианте электронной бумаги (как это делают с помощью принтеров или фотопечати).
Подвижные магнитные поляризаторы могут содержать - для обеспечения магнитных свойств - магнитные включения в объеме подвижного поляризатора, магнитные покрытия на поверхности или на поверхностях подвижного поляризатора (либо частично или полностью прозрачные, либо занимающие лишь часть поверхности подвижного поляризатора и т.п.), магнитные элементы, закрепленные на поверхности подвижного поляризатора, либо иные известные средства обеспечения намагниченности (например, поляризатор из материала, одновременно являющегося магнетиком).
Экран может содержать и другие общеизвестные компоненты и узлы, например: конструктивные стенки; конструкции для облегчения и обеспечения вращения подвижных поляризаторов; конструкции для задания распределения подвижных поляризаторов по поверхности; матрицу пигментных или дихроичных светофильтров, расположенных в заданном порядке в соответствии с расположением цветных субпикселей; подсветку (заднюю или переднюю); задний диффузный или зеркальный отражатель; маску для перекрытия областей вне пикселей; слои для уменьшения трения между трущимися поверхностями; слои для уменьшения износа трущихся элементов; упрочняющие слои; слои для защиты внешних поверхностей от механических воздействий; просветляющие и антибликовые слои; элементы для задания дистанции между слоями; слои однослойного или многослойного монтажа; узлы совмещения слоев; узлы крепления и/или области склеивания с клеящим слоем и другие.
На Фиг.1 схематично изображены основные элементы предлагаемого устройства в просветном варианте (не показаны неподвижный поляризатор, а также вспомогательные слои и узлы, в том числе элементы для ограничения поворота в пределах 90° и для задания зазоров между слоями).
На Фиг.2 показан фрагмент предлагаемого устройства, соответствующий одному пикселю, в разрезе.
Цифрами на Фиг.1 и Фиг.2 обозначены:
1 - слой с гнездами для подвижных поляризаторов, который также может быть поляризатором;
2 - подвижный намагниченный поляризатор;
3 - сенсор направления магнитного поля;
4 - адресная шина;
5 - битовая шина;
6 - диод;
7 - направление вектора намагниченности подвижного поляризатора при одном из возможных его положений (показано лишь для наглядности);
8 - неподвижный поляризатор;
9 - прозрачные твердые или гибкие стенки, на одной из которых сформированы магниторезистивные сенсоры и шины считывания.
x
x
Примером конкретного исполнения в варианте «электронной бумаги» (для записи стилусом, например, и считывания) может служить экран размером 10 дюймов формата 600×800 пикселей, неподвижный поляризатор которого выполнен в виде поляризующего полосчатого серебряного покрытия (поляризатор фирмы Optiva) толщиной 2 мкм на полимерной гибкой непрозрачной задней стенке толщиной 0,2 мм. Подвижные поляризаторы диаметром 20 мкм и толщиной 5 мкм находятся, с зазором в 1 мкм, в гнездах того же листа поляризатора, в состав которого входят ферромагнитные частицы с одинаковым направлением намагниченности. «Адресные» и «битовые» шины выполнены толщиной 0,5 мкм напылением хрома (покрытого CrO для уменьшения отражения) на поверхность неподвижного поляризатора, обращенную к подвижным поляризаторам. Магниторезистивный сенсор выполнен из антимонида индия в виде полоски толщиной 0,5 мкм и шириной 3 мкм, пересекающей область над подвижным поляризатором, и соединен одним концом с «адресной» шиной, а другой - через диод - с «битовой» шиной. Пленочный диод с размерами в плане 3×3 мкм толщиной 0,5 мкм выполнен полимерным [РФ №2214651]. Дистанцирующие элементы выполнены напылением CrO. Слои скреплены точечным склеиванием. Наружные стенки выполнены из прозрачного гибкого пластика толщиной 200 мкм и покрыты слоем нитрида титана толщиной 0,5 мкм для предохранения от царапин. Электронные блоки средств записи и считывания выполнены в интегральном кремниевом исполнении.
Экран позволяет использовать его в качестве электронной бумаги, демонстрационных досок (с возможностью считывания и сохранения информации), для изготовления многостраничной тетради, а при использовании средства записи, например, в виде актюаторов, то и в качестве многостраничного дисплея с сенсорным экраном. Он не требует питания для сохранения изображения, при рассмотрении изображения (чтении) и внесении и сохранении заметок от руки. Внесенные магнитным стилусом от руки заметки могут быть считаны электронным путем как в ходе записи, так и позднее.
Предложенный оптический модулятор сохраняет все преимущества прототипа: энергонезависимость, относительную простоту технологии изготовления (по сравнению, например, с жидкокристаллическими, светодиодными или газоразрядными экранами), возможность регулирования насыщенности тона при использовании стилуса (в отличие от экранов на «электронных чернилах»), большие пределы допустимых температур, высокую радиационную стойкость (благодаря отсутствию полупроводниковых активных и пассивных элементов в составе оптических регуляторов пикселей), высокую надежность, отсутствие жидкости в экране (повышается, в частности, морозостойкость, устойчивость к механическим повреждениям, надежность, расширяется возможность применения) и др., а также дополнительные преимущества: простота и быстрота считывания, отсутствие необходимости в генерировании и анализе переменного сигнала (в прототипе он используется для считывания изображения путем анализа емкости между соответствующими электродами).
Предлагаемый оптический модулятор, как и прототип, содержит все средства, необходимые для коммутации оптических сигналов, поэтому может быть использован в качестве коммутатора. Для сохранения уже установленной коммутации он не нуждается в питании. Он создает также возможность одновременно с коммутацией сигнала модулировать его.
При формировании подвижных изображений предлагаемый оптический модулятор позволяет не подавать ненужные управляющие сигналы на пиксели, уже находящиеся в требуемом состоянии, что приводит к уменьшению мерцания изображения и экономии энергии.