INTRODUZIONE

MEMS, questa sigla sta per Micro Electro-Mechanical Systems ed indica quello che allo stato attuale si avvicina di più al concetto di nanotecnologia. I micro sistemi elettromeccanici non sono altro che sistemi miniaturizzati che coniugano le proprietà elettriche degli integrati a semiconduttore con proprietà opto-meccaniche. In pratica si tratta di chip con minuscole parti mobili in funzione di segnali elettrici.

Le applicazioni di questi sistemi sono le più svariate, molte si basano su microscopici specchi o lenti oscillanti in versione singola o in array che vengono usati per realizzare complessi apparati opto-elettronici: commutatori per segnali laser, sensori per telescopi, lenti deformanti, proiettori e display avanzati ma anche sensori inerziali, accelerometri di precisione, scanner retinici, otturatori digitali, interferometri, sensori per misure sofisticate, etc...

Per farvi capire cosa sono i MEMS abbiamo scelto tre prodotti commerciali che usano queste tecnologie: i display a scansione retinica, le micro lenti deformanti e i digital light processor (DLP).

1. DISPLAY A SCANSIONE RETINICA

I Display a scansione retinica sono display virtuali capaci di proiettare l'immagine direttamente sulla cornea dell'occhio dell' osservatore. L'immagine viene generata da un fascio laser a bassa potenza che viene "spazzolato" sul campo visivo dell'osservato grazie a due dispositivi MEMS molto sensibili.

I dispositivi (di cui vediamo un esempio qui a sx) montano una microscopica lente la cui inclinazione è regolabile in base a segnali elettrici. I due specchietti possono quindi vibrare in maniera controllata lungo l'asse orizzontale e verticale e produrre una classica figura di scansione in modo analogo a quanto accade nelle comuni TV o nei comuni Monitor CRT per computer. Nello schema in alto è possibile vedere il principio di funzionamento. Mentre nelle altre immagini possiamo vedere il risultato. Queste tecnologie vengono tipicamente usate in sistemi di Augmented Reality e quindi l'immagine generata dai laser viene sovrapposta alla normale visione dell'occhio tramite uno specchio semi riflettente.

Un prodotto commerciale che sfrutta questi principi è il Nomad di Microvision (immagine a sinistra); Si tratta di un Head Mounted Display per applicazioni di Augmented Reality capace di funzionare perfettamente in ambienti discretamente illuminati. Il display è monocromatico, per contenere i costi, ma esiste anche il fratello maggiore Spectrum che offre invece una visione full-color. La risoluzione è di 800x600 con una field of vision di 30°, in pratica il risulatto fuinale è quello di un monitor a 17'' a un paio di piedi di distanza dagli occhi.

l grossi vantaggi della tecnologia a scansione retinica nella realizzazione di display HMD e HUD (da anni usati negli apparati militari) sono:

- Alta risoluzione e nitidezza d'immagine
- Alta luminosità e contrasto
- Basso consumo
- Leggerezza del display

Il prodotto può essere usato in molti contesti industriali e biomedicali dove avere sempre davanti alcuni parametri è di vitale importanza. Il display non è però certamente economico: 7500 Euro sono necessari per il Nomad e oltre 20.000 per lo Spectrum....non male.


2. LENTI A DEFORMAZIONE PROFRAMMABILE ED ALTRI APPARATI NANO OTTICI

Si tratta di uno specchio tipicamente piano sotto il quale esistono migliaia di elementi mobili capaci di deformarne la curvatura.

Hanno vari impieghi, spesso in ambito militare e/o aereospaziale per creare collimatori, puntatori e anche sensori laser. Per l'industria informatica si pensa possano essere utili per spingere al massimo le prestazioni dei lettori ottici.

Il principio di funzionamento è ben illustato in figura. Uno specchio che può avere le più disparate forma viene deformato in tempi brevissimi grazie a dei micro attuatori che permettono di riprogrammare la curvatura dello specchio per compensare aberrazioni di altri componenti ottici. Gli spostamenti si ottengono tipicamente sfruttando forze elettro-statiche ed effetti capacitivi.

Lo specchio deformabile può anche essere utile per compensare aberrazioni ottiche o fluttuazioni atmosferiche in sistemi di misura.

3. DIGITAL LIGHT PROCESSOR



Questa notevole tecnologia è stata ideata da Texas Instrument qualche anno fa ed ultimamente ha finalmente ottenuto i rusultati commerciali che sicuramente si merita. Si tratta sempre di un dispositivo MEMS, in particolare abbiamo questa volta non uno specchio oscillante ma un enorme array di microscopici specchi mobili che sono in grado di cambiare angolo di configurazione anche 15.000 volte al secondo.

Esistono vari DLP. Si parte da un array di 800x600 specchi per arrivare ai più recenti costituiti da 1280 x 1024 ossia 1.3Milioni di specchi comandabili singolarmente.

Quali possonoe essere gli utilizzi di un tale dispositivo? Be, i più attenti di voi non saranno sorpresi di sapere che gran parte dei proiettori dell'ultima generazione vengono creati con questa tecnologia.

Per realizzare la proiezione si procede nel segunete modo: il dispositvo viene illuminato da una luce bianca. Questa viene riflessa verso una lente di uscita se gli specchi si trovano in una certa configurazione (ON) mentre viene riflessa verso un assorbitore di luce se la configurazione degli specchi è un'altra (OFF). A questo punto, una configurazione statica degli specchi genererebbe un'immagine in soli due colori, bianco o nero. Applicando una modulazione impulsiva (PWM) agli specchi è però possibile ottenere una gradazione di grigio che risulta proporzionale al tempo in cui lo specchio rimane in posizione ON all'interno del duty-cycle.

Modulando opportunamente la vibrazione degli specchi e facendo passare la luce attraverso una color well che contiene i colori primari, si ottiene un' immagine a colori molto ben contarstata, nitida e luminosa. E' tranquillamente possibile ottenere immagini a 10bit per componente colore con refresh intorno ai 70 Hz con risultati enormemente migliori del classico proiettore LCD che assorbe maggiormente la luce, è meno "pronto" e genera maggiori artefatti intorno ai pixel.

Utilizzi più professionali prevedono l'impiego di tre dispositivi ad alta risoluzione, ciascuno per ogni colore, per la, creazione ad esempio, di proiettori cinematografici digitali. Altri produttori particolarmente estrosi hanno anche realizzato Display "Real 3D" usando i DLP come otturatori selettivi ad elevata frequenza.

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