Spiegeltje spiegeltje; Chips met duizenden microspiegeltjes manipuleren licht

Het Amerikaanse bedrijf Texas Instruments tovert videobeelden op schermen van groot formaat. Sleutel tot deze heldere projecties zijn chips met een miljoental kleine spiegeltjes.

IN DE SCHOOLBANKEN heeft iedereen wel eens een straal uit het binnenvallende zonlicht geplukt en zo met een horlogeglas of een ander spiegelend voorwerp een vlekje licht door het klaslokaal laten dansen. Doe je dit met een mooi vlak spiegeltje en teken je daar met een dikke merkstift een poppetje op, dan wordt dat figuurtje in spiegelbeeld in de projectie op de muur zichtbaar.

Onderzoekers van Texas Instruments maakten met behulp van dit principe een video-projector. Dit apparaat projecteert een bundel licht via een spiegel naar een scherm. Het reflecterende onderdeel is in werkelijkheid een chip waarop ongeveer een miljoen minuscule spiegeltjes zitten. Dit digital micromirror device (DMD) kan elk van die microspiegels vliegensvlug omklappen en zo de lichtintensiteit in elk beeldelement op het projectiescherm zeer nauwkeurig doseren. De spiegeltjes bewegen in miljoenste delen van een tel, rap genoeg om tientallen plaatjes per seconde te projecteren. Net als bij de tv houden DMD's onze ogen voor de gek, we lijken bewegende beelden te zien.

Larry Hornbeck bedacht het principe van beweegbare spiegeltjes op een chip. Eind jaren zeventig ontwikkelde hij het idee bij TI's Central Research Laboratories in Dallas, samen met zijn collega Ed Nelson. Ze ontwikkelden de spiegeltjes in eerste instantie voor toepassing in elektrofotografische printerkoppen. De spiegeltjes reflecteren licht, in de vorm van letters, op een statisch geladen drukrol. Daar waar het licht op de rol valt wordt het kunststof ontladen. Alleen op die plaatsen blijft het fijne inktpoeder plakken. De rol draait vervolgens langs het papier. De commerciële printers die met dit principe werden gebouwd, zijn door onder andere Northwest Airlines en KLM gebruikt voor het printen van vliegtickets.

Later zag Hornbeck ook mogelijkheden voor video. Eind jaren tachtig lukte het hem om 128 bij 128 spiegeltjes op één chip te zetten. Enkele jaren geleden demonstreerde hij DMD's met 1,3 miljoen (1280x1024) vierkante spiegeltjes. De beweeglijke microreflectoren hebben zijdes van slechts 16 duizendste millimeter lang, minder dan de dikte van een shag-vloeitje. De beeldkwaliteit van video met deze DMD is buitengewoon goed. Texas Instruments heeft al verschillende malen gedemonstreerd dat videobeelden op groot formaat schermen (zo'n drie bij vijf meter) er met spiegelprojectoren prachtig uitziet.

Voor Texas Instruments is de productie van DMD's uitgegroeid tot een geldverslindend project. Tom Engibous, de nieuwe topman van TI, gaf enkele maanden geleden toe dat het DMD-project meer R&D-gelden heeft opgeslokt dan enig andere technologie uit de geschiedenis van het bedrijf. Men schat dat TI er intussen 1 miljard dollar in heeft geïnvesteerd.

TE DUUR

Tot nu toe heeft het echter weinig opgeleverd. De wonderlijke instrumentjes slaan niet aan bij tv-fabrikanten. De chips zijn duur en de projectorlampen vreten te veel energie om het systeem te laten uitgroeien tot een tv voor de consumentenmarkt. Sommige analisten geloven nog steeds dat tv's en projectoren op basis van DMD's rond de eeuwwisseling een markt van 1 miljard dollar kunnen genereren. Andere waarnemers geven DMD's nog hooguit een jaar om zich te bewijzen.

Tot overmaat van ramp zijn er het laatste jaar twee jonge bedrijven op het toneel verschenen die ook projectie-tv willen maken met spiegelchips. Silicon Light Machines (SLM) uit Sunnyvale, Californië, en Iridigm Display uit Boston, Massachusetts, bedachten beide een afwijkend principe om met spiegelchips films te draaien. Ze beweren dat hun versies goedkoper zijn te maken dan DMD's in een eenvoudiger fabricageproces. SLM zegt bovendien dat de afzonderlijke spiegel-elementen op zijn chips in 20 miljardste seconden 'aan' en 'uit' zijn te zetten. Dat is 500 keer sneller dan de spiegeltjes op de DMD's van TI.

Silicon Light Machines past ongeveer hetzelfde principe toe als de techniek waarmee onderzoekers van de groep Elektronische Instrumentatie op de TU Delft al ruim zes jaar experimenteren. Boven het oppervlak van een chip spanden zij een uiterst dun velletje siliciumnitride met een reflecterende laag aluminium. De dikte is in totaal 0,7 duizendste millimeter, vijftig keer dunner dan aluminium huishoudfolie. Een stukje onder dit vlies, op de chip, zijn elektrodes aangebracht. Die kunnen het membraan met elektrostatische krachten naar beneden trekken. Zo kan de spiegel een holle vorm krijgen.

Bedenker van de Delftse spiegelchip is dr. Simon Middelhoek, die onlangs met emeritaat ging. Middelhoek heeft een groot deel van zijn leven onderzoek gedaan aan sensoren en actuatoren op silicium, het materiaal waarvan ook chips worden gemaakt. “Op chips integreren we sensoren en micromechanische structuurtjes. We voeren er zelfs chemische analyses op uit. Zes jaar geleden dacht ik dat er ook wel plaats zou zijn voor optische functies”, aldus de oud-hoogleraar.

BARCODE SCANNERS

Toepassingen als video komen er op korte termijn niet. Maar voor de vervormbare spiegel in zijn meest elementaire vorm liggen al allerlei vernuftige toepassingen in het verschiet. Middelhoek: “Het heeft ons verbaasd hoeveel mensen die spiegeltjes willen hebben.”

Met aanpasbare spiegels zijn bijvoorbeeld zeer flexibele barcode-scanners te maken. Het grootste deel van de huidige laserscanners werkt met een starre holle spiegel. Daardoor is de afstand waarop ze streepjescodes kunnen lezen beperkt. De scanners aan de kassa zien slechts enkele decimeters diep. Met een eenvoudige verstelbare spiegelchip kan zo'n barcode-scanner echter accommoderen, net als onze ogen. Hij zou de streepjescodes van enkele centimeters tot een 'oneindige' afstand kunnen lezen. Het Nederlandse bedrijf Scantech uit Amersfoort werkt aan de ontwikkeling van een scanner waarin een optische chip is opgenomen. Ook researchmedewerkers van Sick AG in Freiburg, een bedrijf dat scanners en optische sensoren maakt, zijn enthousiast over de Delftse spiegels.

De Russische onderzoeker dr. Gleb Vdovin werkt bij de groep Elektrische Instrumentatie van de TUD aan een bril waarvan de sterkte elektronisch te regelen is. De spiegels zijn hierin als sandwiches ingebouwd (een beeld reflecteert eerst via de ene spiegel, dan via de andere spiegel op het netvlies). Door de spanning op de sandwiches te veranderen, is de sterkte van de bril aan te passen. Middelhoek: “Het prototype dat hij heeft gemaakt ziet er verschikkelijk uit, maar het principe werkt aardig. Hij heeft het op mij uitgeprobeerd en het was verbazingwekkend.”

Vdovin ziet ook veel in verstelbare spiegels voor autofocus- en videocamera's. “Het idee is simpel”, legt hij uit. “Het lenzenstelsel in een camera is zwaar en volumineus. De mechanica heeft al snel 1 seconde nodig om automatisch te focusseren. Adaptieve reflectie is lichter en sneller. Een instelbare holle spiegel kan in een milliseconde scherpstellen.” De groep Elektronische Instrumentatie heeft al een videocamera gedemonstreerd die kan scherpstellen voor elk van de 25 beelden die het instrument per seconde opneemt, over een bereik van een halve meter tot oneindig. Vdovin: “Daarmee heb je nooit wazige beelden.”

Amateur-sterrenkundigen zouden met de goedkope spiegels net als hun wetenschappelijke collega's kunnen beschikken over adaptieve optica in hun ruimtelescopen. Bezien door de goedkopere kijkers dansen de sterren soms door het beeld als gevolg van luchtstromingen in de atmosfeer. Met een aanpasbare spiegel is dit trillende beeld te bevriezen. Maar zelfs de professionele wereld toont interesse. De TU Delft gaat voor ESA een proefmodel spiegel maken voor een satelliet-telescoop.

Met de spiegelchip uit Delft is ook een videoprojector te maken. Dat kan bijvoorbeeld door het vlies met een raamwerk te ondersteunen. Net als de spiegeltjes op de DMD wordt de beweegbare spiegel dan onderverdeeld in beeldelementen die je afzonderlijk kunt aansturen. In Delft loopt momenteel een project om de technische mogelijkheden hiervan af te tasten. Vdovin denkt daarbij niet aan tv, maar aan een digitale bioscoop. “Met een spiegelchip ter grootte van een pakje sigaretten kun je kristalheldere en scherpe bioscoopbeelden projecteren.” Vdovin staat er voorlopig echter alleen voor. Hij realiseert zich dat hij hoge hordes moet nemen als hij deze technologie zou willen perfectioneren: “Larry Hornbeck van TI heeft me verteld dat de problemen gigantisch zijn. Elk miniem probleempje is als een bezemsteel die je door de spaken van een fietswiel steekt.”

Duizenden reflecterende vlakjes

Hoe werkt de spiegelprojector van Texas Instruments? Een bundel licht komt via een chip met beweegbare reflecterende vlakjes op het scherm terecht. Elk van de duizenden spiegeltjes kan twee posities innemen. In de ene stand weerkaatsten ze het licht uit de lichtbundel naar een vast beeldpunt. In de andere stand zorgen ze ervoor dat het licht dit pixel juist niet bereikt. Als alle spiegeltjes 'aan' staan, dan zien we gewoon een wit scherm. Staat één microspiegeltje 'uit', dan geeft dat een donker puntje op het scherm.

Het omklappen gaat vliegensvlug. Elk spiegeltje heeft slechts 10 miljoenste seconden nodig om een andere stand aan te nemen. Dat maakt het mogelijk om de intensiteit van het licht in één beeldpunt te regelen, zonder dat onze ogen er iets van merken. Om bewegende beelden te maken moeten er in één seconde dertig of meer plaatjes worden geprojecteerd. Daar is tijd genoeg voor. Voor het afspelen van video volgens de Amerikaanse standaard NTSC moeten 60 beelden elkaar per seconde volgen. Dat betekent dat de spiegel 16,7 milliseconden de tijd heeft voor elke stilstaande projectie.

In een van de systemen worden drie lichtbundels (rood, groen en blauw) via drie DMD-chips naar het scherm gestuurd. De kleuren worden over elkaar geprojecteerd. Er is ook een goedkopere uitvoering met een draaiend driekleurenfilter. Hierin treffen elke 16,7 milliseconden drie kleuren na elkaar de chip. Elk spiegeltje doseert de helderheid van elke kleur in 5,6 milliseconden.