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Development of a DVI-Compatible VGA Projector Engine Based on Flexible Reflective Analog Modulators

  • Francis Picard
  • François Duchesne
  • Michel Jacob
  • Carl Larouche
  • Carl Vachon
  • Keith K. Niall
Conference paper

Abstract

The development of a Digital Video Interface (DVI) - compatible VGA projector engine based on Flexible Reflective Analog Modulator (FRAM) is reported. The FRAM technology development began a few years ago in response to a need for a new projection technology allowing the achievement of ultrahigh resolution for high fidelity simulations. This technology relies on simple micromirrors produced using typical Micro Opto Electro Mechanical System (MOEMS) manufacturing processes. It has the advantages of offering a simple fabrication process (three masking layers), a quick response time (5 µs) and to be wavelength insensitive over large spectral ranges. Additionally, the light modulation with these microdevices does not require the achievement of a very high quality optically flat state of the micromirrors which is typically difficult to obtain yet necessary for other MOEMS modulation technologies.

Testing and FRAM array selection for packaging: One challenge of the projector engine development was the packaging of the FRAM dies presenting a high number of input signals (480). For the packaging of such dies, the die-on-board approach was selected. 480 × 1 FRAM arrays appropriate for this packaging approach have been designed, fabricated and tested. Very large arrays (4000 × 1) were also produced within the fabrication run therefore confirming the feasibility of such arrays. Testing in itself represented a challenge. Actually, it was critical to select a 480 × 1 FRAM array with a pixel functionality percentage as high as possible to minimize the presence of dead rows in the projected image. Reaching this goal implied that the fabricated FRAM arrays should be carefully inspected and tested. In practice, testing all FRAMs of many 480 × 1 arrays before packaging is not straightforward. The difficulty here is that the time and cost required for such testing must remain reasonable. This requires many FRAMs to be activated and tested at once. Activation of many FRAMs (60) was achieved with a customized probe card combined to a probe station. The response of the activated FRAMs was observed with an optical test bench integrated to the probe station. This test bench was a small and slightly modified version of the optical system used in a projector. A line of light illuminated a number of FRAMs and the light reflected by the FRAMs passed through Schlieren optics to produce pixels in the image plane located at the exit of an optical relay. A camera and a CRT produced a magnified image of the pixels. This provided a convenient method for assessing the functionality of thousands of FRAMs relatively quickly by observing the pixels intensity changes as the voltage applied to the FRAMs was varied.

FRAM array packaging: One 480 × 1 FRAM array has been selected for final packaging using this method combined with complementary interferometric microscope measurements. A flex board/metallic package assembly has been used to implement the selected die-on-board packaging approach. Within the assembly, each FRAM is electrically connected to the flexible PCB using wire bonding. A housing placed over the FRAM array and clamped to the board provides an hermetic enclosure allowing operation of the FRAM array in an inert atmosphere of dry nitrogen. It also provides mechanical protection to the array. It is equipped with an optical window. Small closable inlet and outlet openings allow regeneration of the inert atmosphere if necessary.

Control electronics, software and final assembly: The link between the die-on-board packaging assembly and the control electronics is insured by standard high pin count connectors. This customized control electronics and the associated control software have been developed to allow the transfer of image data to the modulator array. The control electronics includes a DAC board, a FPGA board and a power supply board. The designed electronics and the associated software are compatible with the Digital Video Interface standard. This allows the projection of a variety of images including still images and animated sequences. With the resulting projector engine, images with VGA resolution can be displayed at a frame rate of 60 Hz. Part of the control electronics and the package assembly are mounted on positioning supports. These supports allow a precise optical alignment of the FRAM array. Full functionality of the engine has been verified by integrating it into an existing optical test bench and projecting still images and animations.

Keywords

Control Electronic Actuation Voltage Projector Engine FPGA Board Interferometric Microscope 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Sommaire

Le développement d’un engin de projection de format VGA basé sur les Modulateurs Analogues Réflectifs Flexibles (FRAM) et compatible avec le standard DVI est rapporté. La technologie FRAM a été développée il y a quelques années. Cette technologie repose sur des micro-miroirs simples produits en utilisant des procédés typiques pour la fabrication des MOEMS. Elle a l’avantage d’offrir un procédé de production simple (3 niveaux de masquage), un temps de réponse rapide (moins de 5 µs) et d’être insensible à la longueur d’onde d’opération sur de grandes plages spectrales. De plus, la modulation de la lumière avec ces micro-dispositifs ne demande pas de réaliser des micro-miroirs présentant un état plan de très haute qualité optique difficile à obtenir mais nécessaire pour d’autres technologies de modulation basées sur les MOEMS.

Tests et sélection de barrettes de FRAM pour la mise en boîtier: Un défi du développement de l’engin de projection était la mise en boîtier de puces FRAM présentant un grand nombre de signaux d’entrée (480). Pour la mise en boîtier de telles puces, l’approche puce-sur-carte a été sélectionnée. Des barrettes de FRAM 480 × 1 appropriées pour cette approche de mise en boîtier ont été conçues, fabriquées et testées. De très grandes barrettes (4000 × 1) ont aussi été produites durant la période de fabrication ce qui a confirmé la faisabilité de telles barrettes. Les tests en eux-mêmes représentaient un défi. En effet, il était critique de sélectionner une barrette de FRAM 480 × 1 avec un pourcentage de fonctionnement des pixels aussi haut que possible. Atteindre ce but impliquait que les barrettes de FRAM fabriquées devaient être inspectées et testées avec soin. En pratique, tester tous les FRAM de plusieurs barrettes 480 × 1 avant la mise en boîtier n’est pas simple. La difficulté ici est que le temps et le coût requis pour ces tests doivent demeurer raisonnables. Ceci requiert que plusieurs FRAM soient activés et testés en même temps. L’activation de plusieurs FRAM (60) a été réalisée avec une carte à pointes conçue sur mesure combinée à une station de test. La réponse des FRAM activés était observée à l’aide d’un banc de test optique intégré à la station de test. Ce banc de test était une version réduite et légèrement modifiée du système optique utilisé dans un projecteur. Une ligne de lumière illuminait plusieurs FRAM et la lumière réfléchie par les FRAM passait à travers une optique Schlieren pour produire des pixels dans le plan image localisé à la sortie d’un relai optique. Une caméra et un moniteur produisaient une image agrandie des pixels. Ceci fournissait une façon commode pour vérifier le fonctionnement de milliers de FRAM relativement vite en observant les changements d’intensité des pixels quand le voltage appliqué aux FRAM était varié.

Mise en boîtier d’une barrette de FRAM: Une barrette de FRAM 480 × 1 a été sélectionnée pour la mise en boîtier finale en utilisant cette méthode combinée à des mesures complémentaires réalisées avec un microscope interférométrique. Un assemblage carte flexible/boîtier métallique a été utilisé pour implémenter l’approche de mise en boîtier puce-sur-carte sélectionnée. A l’intérieur de l’assemblage, chaque FRAM est connecté électriquement à la carte de circuit imprimé flexible par microcâblage. Un boîtier placé par-dessus la barrette de FRAM et serré sur la carte fournit une enceinte hermétique permettant l’opération de la barrette de FRAM dans une atmosphère inerte d’azote sec. Il procure aussi une protection mécanique à la barrette. Il est équipé d’une fenêtre optique. De petites ouvertures d’entrée et sortie refermables permettent la régénération de l’atmosphère inerte si nécessaire.

Electronique, logiciel de contrôle et assemblage final: Le lien entre l’assemblage puce-sur-carte et l’électronique de contrôle est assuré par des connecteurs standards présentant un nombre élevé de broches de raccordement. Cette électronique de contrôle sur mesure et le logiciel de contrôle associé ont été développés pour permettre le transfert des données des images vers la barrette de modulateurs. L’électronique de contrôle comprend une carte DAC, une carte FPGA et une carte d’alimentation. L’électronique conçue et le logiciel associé sont compatibles avec le standard Digital Vidéo Interface (DVI). Cela permet la projection d’une variété d’images incluant des images fixes et des séquences d’animation. Avec l’engin de projection résultant, des images de définition VGA peuvent être affichées à une cadence de 60 Hz. Une partie de l’électronique de contrôle et le boîtier sont montés sur des supports de positionnement. Ces supports permettent un alignement optique précis de la barrette de FRAM. Le plein fonctionnement de l’engin a été vérifié en l’intégrant à un banc de test existant et en projetant des images fixes et des animations.

References

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Copyright information

© Springer Science+Business Media, LLC 2010

Authors and Affiliations

  • Francis Picard
    • 1
  • François Duchesne
    • 1
  • Michel Jacob
    • 1
  • Carl Larouche
    • 1
  • Carl Vachon
    • 1
  • Keith K. Niall
    • 2
  1. 1.INO, Québec (siège social)QuébecCanada
  2. 2.Defence Research and Development Canada, Embassy of CanadaWashingtonUSA

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