Статьи

Дисплеи Mirasol: победа «ботаника с мечтой»

Евгений Лебеденко / 01.12.2011 / 10:00

Прогресс современных информационных технологий, который сегодня воспринимается потребителем как данность, словно смена времен года, в большей степени является заслугой корпораций, вкладывающих немалые средства в исследовательскую деятельность — основу движения вперед. Плоды этих трудов мы пожинаем, с завидной периодичностью меняя свои гаджеты на новые модели, характеристики которых заставили бы замереть наши сердца какую-нибудь пару лет назад.

Корпорации, опираясь на базовый технологический фундамент, оптимизируют его, выстраивая все более изящные и продуманные этажи небоскреба технологии. Но кто строит фундамент, на который опираются корпоративные достижения?

Для разных технологий ответы на этот вопрос разные, но в каждом из них есть очень важное слово: мечта. Именно благодаря ей невозможное становится возможным. Она способна преодолеть любые препятствия и поддержать в, казалось бы, безнадежных ситуациях.

Эта история о технологии и человеке, который ее разработал. О «ботанике с мечтой» (nerd with a dream), как он сам себя называет. А конкретнее — о «солнечных» дисплеях Mirasol и их изобретателе Марке Майлзе (Mark Miles). О его мечте, трудолюбии и упорстве.

Etalon для студента. Мечта о Mirasol

21 ноября нынешнего года крупнейший книготорговец Южной Кореи компания Kyobo совместно с признанным лидером в области телекоммуникаций, беспроводных и мобильных технологий компанией Qualcomm Incorporated анонсировали электронную книгу KYOBO eReader. Возможно, новинка затерялась бы среди вала разнообразных ридеров, которыми сегодня наводнили рынок производители, если бы не ее уникальный дисплей.

Новая корейская читалка может похвастаться тем, что является первым устройством, в котором нашла коммерческое воплощение технология IMOD (Interferometric Modulator), детище Mirasol Displays, подразделения компании Qualcomm MEMS Technologies, Inc.

Корейский книготорговец компания Kyobo первой решилась опробовать Mirasol-дисплей.

Справедливости ради стоит отметить, что технология IMOD пыталась закрепиться на рынке и ранее. Специально для ее апробирования в 2008 году компания Qualcomm выпустила вариант влагозащищенного MP3-плеера. Его небольшой экран использовал принцип IMOD и выгодно отличался от своих LCD-собратьев.

Первым небольшой дисплей Mirasol получил waterprof-плеер от компании Qualcomm.

Впрочем, экран MP3-плеера был скорее пробой пера. На всех форумах и выставках, посвященных мобильной электронике, Qualcomm демонстрировала прототип пятидюймового цветного IMOD-экрана, именуемого Mirasol Display. Экран Mirasol поражал воображение посетителей тем, что сохранял отличную яркость и контрастность картинки даже при самом ярком солнечном свете, от которого безнадежно «слепли» экраны технологий-конкурентов. При этом энергии новинка потребляла в разы меньше ТFT- и LED-экранов, приближаясь к экономичности «электронных чернил» E Ink. Но в отличие от них IMOD-дисплей без проблем воспроизводил видео с частотой 30 кадров в секунду и обладал потрясающей контрастностью.

Потребовалось более трех лет, чтобы этот прототип нашел свое коммерческое воплощение в книге KYOBO eReader. Глядя на нынешний успех технологии IMOD и ее очевидную коммерческую перспективность, трудно поверить, что у истоков ее создания стоит один-единственный человек. И что анонс корейской читалки — его сбывшаяся мечта, зародившаяся в далеком 1984 году.

Марк Майлз в то время был студентом Массачусетского технологического института.

Марк Майлз — «ботаник с мечтой».

Отрабатывая летнюю практику в тогда еще функционирующем авиационном концерне Хьюза (Hughes Aircraft), Майлз в одном из научных журналов находит статью о применении массива микроскопических управляемых зеркал, которыми может быть покрыт любой объект — для получения с их помощью электроэнергии. Именно тогда будущему создателю технологии IMOD пришла в голову концепция дисплея нового типа — использующего отраженный солнечный свет и не требующего дополнительной подсветки.

Чтобы проникнуться новизной идеи Марка Майлза, стоит вспомнить технологические принципы функционирования современных дисплеев. В зависимости от используемого принципа формирования картинки все дисплеи делятся на три типа.

Эмиссионные — экраны, формирующие картинку путем собственного свечения каждого пикселя. Например, почти забытые уже ЭЛТ и супермодные AMOLED-дисплеи являются эмиссионными.

Рефлективные — картинка на таких экранах формируется путем просвечивания матрицы пикселей специальной лампой подсветки. В подавляющем большинстве случаев TFT-дисплеи являются рефлективными.

Трансфлективные — экраны, являющиеся попыткой устранения энергетических проблем эмиссионных и рефлективных дисплеев (первые сами являются источником свечения, а вторые требуют постоянной подсветки). Зеркальная подложка трансфлективных экранов использует отраженный солнечный свет и способна отображать картинку без использования дополнительной подсветки.

Кроме способа формирования картинки, дисплеи разделяются на требующие регенерации и бистабильные. Первым необходимо постоянное обновление состояния каждого пикселя. Пиксели вторых способны находиться в двух стабильных состояниях, включенном и выключенном, без дополнительной энергетической подпитки. Хорошим примером бистабильного дисплея является электронная бумага E Ink.

Концепция дисплея, придуманного студентом Майлзом, объединяла в себе достоинства трансфлективных и бистабильных экранов. Дисплей его мечты для формирования цветной картинки использовал только солнечный свет (для помещений, куда они не достигают, — маломощную лампу подсветки) и при этом практически не потреблял электроэнергию за счет бистабильности его пикселей.

Каким же образом Марк хотел решить проблему формирования цветного изображения без применения светофильтров для субпикселей — непременного атрибута любых современных дисплеев? На мысль о принципе работы каждого пикселя его концептуального дисплея Майлза натолкнули... крылья бабочки. Переливающиеся всеми цветами радуги, эти творения природы на самом деле весьма невзрачны на вид и только кажутся нам радужными. Все дело в интерференции света, создаваемой мириадом зеркальных поверхностей, которые отражают свет, каждая со своей длиной волны. Именно поэтому глаз видит не зеркала, а цветной узор. Тот же эффект мы наблюдаем на сверкающей рыбьей чешуе и на поверхности мыльного пузыря. Даже цвет радужных оболочек наших глаз — дело рук интерференции.

Крылья бабочки — природный интерферометрический модулятор.

В поисках технологического аналога крыльев бабочки Майлз обнаружил прибор, давно известный оптикам и производителям лазеров. Интерферометр Фабри-Перо (Fabri-Perot) используется для формирования резонансной оптической волны, именуемой «стоячая».

В простейшем виде он состоит из пары обращенных лицевой стороной друг к другу полупрозрачных зеркал. Пучок света, попав через одно из них, начинает бесконечно отражаться между зеркальными поверхностями и выходит со стороны другого зеркала усиленным за счет явления интерференции (синфазного наложения световой волны).

Принцип работы интерферометра Фабри-Перо.

Вариант реализации интерферометра Фабри-Перо.

Цвет выходного светового потока, конечно же, зависит от расстояния между зеркалами интерферометра, соответствующего необходимой длине волны. За способность чрезвычайно точно передавать нужный цвет этот интерферометр частенько называют «эталон Фабри-Перо». Именно эффекта усиления потока солнечного света и хотел добиться Марк Майлз. Значит, решил он, каждый пиксель его дисплея будет миниатюрным интерферометром Фабри-Перо, настроенным на нужную длину волны.

Но как реализовать эту идею? Напомним, что за окном был 1984 год, и технологии, обыденные сегодня, в то время казались просто фантастическими. Тем не менее Марк не забросил практически неосуществимую в то время идею. Наоборот, он стал проводить активные исследования, целью которых являлся поиск технологии, позволяющей реализовать интерференционные пиксели дисплея его мечты. Для их финансирования он создал компанию с красноречивым названием Etalon, Inc. и начал привлекать инвесторов.

IMOD изнутри. Миниатюрная электромеханика

Etalon, Inc. вовсе не была финансовым мыльным пузырем или пирамидой. К 1996 году Майкл обнаружил механизм, который будет лежать в основе его дисплея — МЭМС (микроэлектромеханические системы).

Достижения фотолитографии в микроэлектронике позволили реализовать совершенно новый класс устройств — миниатюрные механические элементы, которые приводятся в движение электричеством.

Экспериментируя с окислами различных металлов, напыленных на кремниевую или стеклянную подложку, сотрудникам Etalon, Inc. удалось создать основной компонент нового дисплея — микроминиатюрный интерферометр, который был назван Interferometric Modulator. Именно благодаря ему и получила название сама технология IMOD.

Схема интерферометрического модулятора (из патента Майлза).

Модулятор IMOD представлял собой два миниатюрных электрода, на поверхность которых был напылен частично зеркальный слой. Один из электродов крепился к подложке, другой же располагался над ним на своеобразной пружине, которая стремилась сжать оба электрода-зеркала. Будучи сжатыми, электроды не могли создавать интерференцию, поэтому с точки зрения наблюдателя такой IMOD-элемент был черным. Кратковременный импульс напряжения заставлял электроды раздвигаться под действием электростатической силы, уравновешивающей действие пружины. Величина импульса «чтения» для элемента каждого цвета была подобрана так, чтобы расстояние между зеркалами усиливало свет только конкретной длины волны, подавляя другие волны.

Структура IMOD-элемента.

Были разработаны IMOD-элементы красного, зеленого и синего цветов. На их основе формировались субпиксели одного цвета. Три цветных субпикселя, собранные вместе, формировали IMOD-пиксель, способный отображать любой оттенок цвета.

Схема организации IMOD-пикселя.

Легко понять, что созданный Майлзом IMOD-элемент является бистабильным. Фактически он может находиться только в двух состояниях: открытом, в который его переводит импульс «чтения» и в котором он работает интерферометром Фабри-Перо, и схлопнутом (collapsed), в который его переводит импульс противоположной полярности. В обоих состояниях элемент может находиться сколь угодно долго. Схлопнутость поддерживается механикой пружины, а открытость — электростатической силой. Переход IMOD-элемента из состояния в состояние представляет собой вид петли гистерезиса — основы всех бинарных логических устройств.

Вариант петли гистерезиса при переходе IMOD-элемента из открытого состояния в закрытое.

Полученные Майлзом IMOD-пиксели могли создавать только контрастное изображение. Для передачи полутонов были разработаны две альтернативные технологии размытия (dithering), управляющие группами IMOD-элементов: пространственная и временная.

Пространственное размытие (spatial dithering) выделяло в каждом субпикселе три группы элементов, именуемые битами. Выключение того или иного бита или всех битов вместе приводило к формированию IMOD-пикселя, отображающего не базовый цвет, а его полутон.

Пространственное размытие выключает в каждом субпикселе ряд элементов-битов.

Временное размытие работало практически аналогично, с той лишь разницей, что группы элементов выключались в определенном порядке с частотой шестьдесят герц, что также формировало необходимый полутон. В конечном счете контроллер IMOD-пикселя заимел обе технологии размытия, используемые для различных случаев.

Временное размытие временно отключает IMOD-элементы с частотой в 60 герц.

Контроллер IMOD-пикселя управлял состоянием каждого элемента в его составе с невообразимой скоростью в единицы микросекунд. Она была на порядок выше скорости обновления пикселей в LCD-дисплеях и позволяла выводить видеоряд без характерного для жидкокристаллических технологий муара.

Свои успехи Марк Майлз зарегистрировал в одиннадцати патентах. Более того, стартап Etalon, Inc. в 1995 году был удостоен премии Национального фонда науки США и получил в качестве награды целых 64 918 долларов. Тогда-то на него и обратили внимание венчурные капиталисты. В 1997 году Etalon, Inc. исчезает, поскольку Майлз со своим напарником Эриком Ларсоном (Eric Larson) на венчурные средства создает компанию Iridigm Display Corporation. Цель ее создания — разработка действующего прототипа IMOD-дисплея, готового к коммерческому использованию.

Mirasol Display. Слияния и поглощения      

К 2000 году компания Iridigm полностью отработала технологический цикл производства пятидюймового IMOD-дисплея, получившего коммерческое название Mirasol (акроним из слов Mirror и Solar). Майлз начал активно искать рынок сбыта своего детища. К 2003-му стало очевидно, что проломить лед монополии производителей дисплеев традиционных технологий (в первую очередь LCD) маленькой компании  Iridigm не под силу. Несмотря на явные преимущества IMOD-дисплея, он продолжал выполнять роль выставочной диковины, которой все восхищались, но никто не покупал.

Никакой лампе подсветки и фильтрам не сравниться с мастерством солнечных лучей.

И тогда Марк Майлз решил пойти ва-банк. В 2004 году он отправил Эрика Ларсона в Сан-Франциско, где располагалась штаб-квартира компании Qualcomm. Именно она, по наблюдениям Майлза, проявляла наибольший интерес к IMOD-технологии. Однако переговоры завершились неудачей. Мечта всей жизни талантливого инженера и десятилетний труд по созданию дисплея нового типа оказались в неустойчивом состоянии, которое легко могло привести к технологическому забвению.

Однако удача оказалась на стороне компании. После двух месяцев настойчивых переговоров Qualcomm приобрела Iridigm за 107 миллионов долларов, демонстрируя тем самым прямую заинтересованность в продвижении IMOD-дисплеев на рынок. Сегодня инженеры Iridigm составляют костяк филиала компании Qualcomm, именуемый Qualcomm MEMS Technologies, Inс., а торговая марка Mirasol Display стала инновационной визитной карточкой технологического гиганта.

Анонс электронной книги KYOBO eReader лишний раз подтверждает серьезность планов Qualcomm продвигать дисплеи Mirasol и теснить на дисплейном рынке таких гигантов, как Samsung, LG и Sharp.

Mirasol Display. Из мечты в будущее

 Невообразимая идея-мечта Марка Майлза о солнечном дисплее, концепция которого позаимствована у крыльев бабочки, спустя пятнадцать лет и массу вложенного труда превратилась в реальность, более того — стала приносить прибыль. Невозможные технологически в 1984 году, дисплеи Mirasol лишний раз доказывают: вера в правоту своей идеи и неустанный поиск ее воплощения рано или поздно дадут положительный результат. Целеустремленность Марка Майлза является примером преданности изобретателя созданной им технологии.

Каково же ближайшее и отдаленное будущее IMOD-дисплеев? Смогут ли они стать «царем горы» дисплейного племени? Ответ будет, скорее всего, неоднозначным.

Уже сегодня производители электронных книг всерьез решили взяться за освоение Mirasol-технологии. И KYOBO eReader — лишь первая ласточка. Вопрос остается за пользовательскими предпочтениями. Если IMOD-технология и ее «смотрибельность» окажется по нраву большинству пользователей электронных читалок, то дисплеи Mirasol вполне могут шагнуть и дальше, от экранов ридеров к экранам планшетов и ноутбуков.

Преимущества IMOD-дисплеев перед технологией LCD очевидны. Дело осталось за рынком.

Будет ли это «холивар» (holy war) в мире дисплеев или ассимиляция новой технологии пройдет без шума, покажет время. А пока экраны Mirasol демонстрируют качество картинки, сформированной самым естественным из всех способов — солнечным светом.

blog comments powered by Disqus
Обратная связь
Имя
E-mail
Сообщение:

Отправить