High-Definition-TV von Ihrem Handy

Ein Handy, das ein hochauflösendes Fernsehbild projizieren kann, könnte bald möglich sein, sagen Forscher der Cornell University, die ein neues mikroelektromechanisches System (MEMS) entwickelt haben, um mit einem Laser schnell weite Bereiche abzutasten. Ein auf dem Gerät basierender Projektor wäre etwa so groß wie ein Cent und könnte ein meterbreites Bild auf eine nur einen halben Meter entfernte Fläche werfen.

Ein an Kohlefasern aufgehängter Siliziumspiegel kann sehr schnell vibrieren und einen Laser schnell genug über eine Oberfläche scannen, um hochauflösende Bilder zu zeichnen. (Bild: Michael Thompson, Cornell University)

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Der Schlüssel ist ein kleiner Spiegel von etwa einem halben Millimeter Durchmesser, der an Kohlefasern aufgehängt ist – aufgerollte Platten aus kristallinem Kohlenstoff, die üblicherweise zur Verstärkung von Materialien verwendet werden. Die Fasern verstärken die Schwingungen eines piezoelektrischen Motors und bewegen den Spiegel. Diese Bewegung lenkt einen Laser in verschiedenen Winkeln ab und lässt ihn über eine Oberfläche hin und her streichen. Während das aktuelle Gerät den Laser nur von einer Seite zur anderen bewegt, können die Forscher es leicht auf einem Tisch montieren, der sich nach oben und unten neigen lässt, damit das Gerät nacheinander jede Zeile eines Bildes zeichnen kann, wobei eine komplexe Elektronik verwendet wird, die den Laser einschaltet und aus, wenn es über den Bildschirm geleitet wird, um die hellen und dunklen Pixel zu erzeugen. Ein Vollfarbdisplay würde Licht von roten, grünen und blauen Lasern mischen.



MEMS-basierte Displays gibt es bereits in kommerziellen Produkten. Texas Instruments mit Sitz in Dallas, TX, hat beispielsweise einen Chip entwickelt, der Millionen winziger Spiegel verwendet, von denen jeder Pixel ein- und ausschaltet, indem er sich entweder auf eine Lichtquelle zu oder von ihr weg dreht (siehe May the Micro Force Be with You ). Dieser Chip wird heute in einer Vielzahl von Fernsehgeräten und Filmprojektoren verwendet. Ein anderes Unternehmen, Microvision, in Redmond, WA, verwendet ein Single-Spiegel-MEMS-Bauelement, das dem von Cornell entwickelten ähnlich ist, jedoch ohne die Kohlefasern. Das Unternehmen entwickelt ein Vollfarbdisplay.

Die Cornell-Forscher sagen, was ihr Gerät auszeichnet, ist die hohe Scangeschwindigkeit des Spiegels in Kombination mit seiner Fähigkeit, über einen weiten Winkel zu scannen. Der weite Winkel des Systems wird ermöglicht, sagt Michael Thompson, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und einer der Forscher des Projekts, weil sich die Kohlefasern stark biegen können, ohne zu brechen, was dem Spiegel eine große Bewegungsfreiheit verleiht. Zudem sind die Fasern sehr steif, wodurch sie sehr schnell hin und her federn können. Hochgeschwindigkeitsvibrationen sind für die Erstellung hochauflösender Bilder unerlässlich. Die Forscher berichten von Spiegelschwingungsfrequenzen von 35.000 Zyklen pro Sekunde – genug, um ein Bild mit einer Auflösung von etwa 1280 mal 768 Pixeln etwa 60 Mal pro Sekunde abzutasten. Sie sagen, diese Auflösung sei mit einigen hochauflösenden Fernsehern vergleichbar, obwohl diese Bildwiederholfrequenz unter bestimmten Bedingungen ein erkennbares Flimmern aufweisen kann.

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Ming Wu, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California, Berkeley, sagt, dass die Auflösung eines Bildes neben den hohen Scangeschwindigkeiten auch von der Größe des verwendeten Spiegels abhängt. In der Vergangenheit seien Spiegel, die groß genug seien, um qualitativ hochwertige Bilder im Maßstab von wenigen Millimetern zu erzeugen, eine Herausforderung gewesen: Es sei schwierig, die Spiegel schnell genug zum Schwingen zu bringen, ohne die Apparatur zu zerstören. Thompson sagt, dass die robusten Kohlefasern es ihnen ermöglicht haben, einen Spiegel mit einem Durchmesser von einem halben Millimeter zu verwenden, bereits in der erforderlichen Größenskala. Er fügt hinzu, dass die Cornell-Forscher erwarten, durch die Verwendung von mehr Carbonfasern die Größe noch weiter erhöhen zu können.

Eine zentrale Herausforderung für die faserbasierten Systeme wird darin bestehen, die Herstellungskosten niedrig zu halten. In der Vergangenheit haben Forscher typischerweise versucht, solche Vorrichtungen ausschließlich aus Silizium herzustellen, um die Vorteile einer kostengünstigen Herstellung zu nutzen.

Das Hinzufügen von Carbonfasern zum Mix könnte die Kosten erhöhen. Vor diesem Hintergrund entwickelten Thompson und Shayaan Desai, ein Doktorand bei Cornell, der maßgeblich an der Entwicklung des Geräts beteiligt war, eine Herstellungsmethode, die bis zu den letzten Schritten die traditionelle Siliziumherstellung verwendet und die Kohlefasern erst am Ende des Prozesses einführt.

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Für die Massenfertigung ist das Verfahren jedoch noch nicht zuverlässig genug. (Im Demonstrationssystem wurden die Fasern manuell platziert). Wu sagt, dass der Erfolg davon abhängen wird, wie viel neue Infrastruktur Hersteller installieren müssen, um die Fasern zu integrieren.

Thompson sagt, dass ein Prototyp-Projektor innerhalb eines Jahres fertig sein sollte, wobei kommerzielle Produkte, die von ihrem Startup Mesmeriz in Ithaca, NY, entwickelt wurden, wahrscheinlich in drei bis fünf Jahren möglich sein werden.

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