微光機電系統不斷增長的應用潛力

在考慮面向光學市場的半導體元件時, 我們大多數人想到的或許是由砷化鎵或氮化鎵 (GaN) 製成的LED, 或者可能是基於CMOS的映像感測器. 然而, 微機電系統 (MEMS) 器件在某些應用中的價值變得越來越明顯, 該領域的領先製造商不斷創新, 意味著微光機電系統 (MOEMS) 技術的時代已經悄然到來.

電信和數據中心領域帶動了對微機械 (micro-machined) 解決方案 (整合了CMOS訊號處理器件) 的需求, 其目的是用來進行切換和控制任務. 早期階段, 在電信行業中得到廣泛應用的一項技術是用於互連目的的光纖精確對準, 通過套管 (ferrules) 或蝕刻在矽襯底表面上的V形槽來實現. 通過精確蝕刻, 可以實施選擇性幹涉, 從而能夠在波分複用 (WDM) 系統中實現濾除和分離通道. 由於基於矽片的微組件其機電特性可以調節, 這種濾波器不需要有固定頻率, 通過調節大約幾十納米的位移足以將濾波器調諧到有效光纖通信所需的波長. 通常, 濾波器光柵被分為相應的固定和移動兩部分, 移動部分具有懸臂 (cantilever) 結構, 並且隨著位於其正下方電路中的電荷增多和減少而相應地以靜電 (electrostatically) 方式移動. 較大規模的懸臂已經整合到光開關器件, 其中鏡子被確定在特定位置, 能夠將從源通道發出的光反射到分配的接收器通道.

德州儀器 (TI) 開發的數字光投影儀 (DLP) 產品在MOEMS基礎上實現了更高層次的發展, 在過去十年左右的時間裡這種技術獲得市場的歡迎. 每個DLP產品都包含多個微鏡 (尺寸不到人頭髮直徑的五分之一) , 它們排列組成笛卡爾 (Cartesian) 網格結構. 同樣是採用懸臂機構, 這些鏡子中的每一個都可以通過靜電吸引和排斥而旋轉. 在一個方向上調整鏡子的角度, 可以將光源反射到目標表面上的特定XY軸坐標位置. 將光源轉移到另一個方向上則意味著光線反射到吸收表面, 而不是目標上, 這樣就可有效地關閉當時鏡子所代表的'像素'. 為了呈現不同的亮度, 鏡子可以從一種狀態快速切換到另一種狀態, 開啟時間與關閉時間的比率決定了所產生的亮度.

DLP在影劇院中實現電影的數字播放方面發揮了不可或缺的作用, 並且是家庭中越來越普遍的投影電視的基礎. DLP技術在家用環境中的應用範圍並不止於此. 通過利用DLP技術, 有源顯示器也可以內置在那些缺少布置傳統顯示器表面區域的家庭自動化設備中. 例如, 通過使用超短投影光學系統, 安全系統或恒溫器等相關的控制面板 (通常具有非常有限的空間進行用戶交互) 能夠利用附近的任何牆壁空間以充當人機界面. 協同工作的攝像頭以及合適的手勢識別軟體能夠理解用戶的手部動作, 並激活所需的控制功能. 通過由此實現的更先進人機界面, 可以提供更好的用戶體驗.

基於DLP的系統能夠在出現問題時通知用戶. 例如, 當設置家庭安全警報時, 顯示器可以顯示所有門窗的當前狀態, 如果其中一個沒有關好, 會通知警告用戶. 如果DLP安裝在廚房工作檯面上方, 則可以在食物準備期間提供幫助. 食譜和烹飪說明能夠顯示在用戶面前, 他們就可以獲得所需要的資訊, 這種獲得資訊的方式非常方便, 不會分散他們太多的工作注意力. 相比之下, 如果要查看參考烹飪書則很麻煩, 這是由於為了保持潔淨, 這些書往往放置得離實際烹調區域很遠. 洗碗機和洗衣機可以直接在地板上顯示其運行狀態的詳細資訊, 因此, 這些家用設備的控制面板不必包含那些能夠破壞廚房器具美觀的顯示器. 可以通過攝像頭或紅外 (IR) 接近感測器, 在靠近這些設備的地方通過簡單手勢 (例如手的揮動) , 就可以開啟或關閉投影.

此外, DLP技術還可以應用在3D印表機領域, 設備能夠操控形成目標物體過程中所用的雷射. DLP在虛擬現實 (VR) 環境中也有許多新的潛在應用, 它們可以提供頭盔 (headsets) 所需的高解析度, 低延遲映像, 並可在汽車平視顯示器 (HUD) 中扮演類似的角色.

為了滿足DLP技術開始展現的多種應用需求, TI現在提供廣泛的設備解析度範圍, 從用於簡單人機界面的640x360到高端智能家居所需的1920x1080, 其中許多設備都支援IntelliBright等演算法, 可以自動調整亮度, 對比度和其他參數, 以適應不同的環境光照條件和投影表面等需求.

MOEMS可能只佔整個光電市場相對較小的比例, 但它在光的操控方面所表現出的應用潛力正變得越來越明顯. 家庭自動化領域已經開始收穫這項技術帶來的回報, 在未來幾年, 可穿戴設備, 醫療保健以及與物聯網 (IoT) 相關的各個領域肯定會有更多商機出現.

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