文章從光源及投影顯示方案的角度介紹了第四代顯示。并且特別討論了MEMS微激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

    1．四代投影顯示技術(shù)與不同光源的特征

    所有的投影設(shè)備都包含光源和驅(qū)動(dòng)2個(gè)核心部分，從光源的角度可以將目前為止的所有投影顯示技術(shù)總結(jié)為四代，如圖1右下方。

圖1

    圖1左半部分的馬蹄形是國(guó)際照明委員會(huì)（Commission Internationale de L'Eclairage）發(fā)布的色度圖，包含了人眼可以看到的一切顏色。由于激光是線性光譜，自身顏色是單純的光譜色，其構(gòu)成的色度三角形面積最大，色域覆蓋范圍最廣，也使激光投影顯示擁有最高的飽和度（Saturation），色彩還原度可以達(dá)到92%；同時(shí)，使用激光光源可以顯著提高投影的亮度，還可以實(shí)現(xiàn)超廣角投影。

圖2

    圖2對(duì)比了激光和其它光源更多方面的不同特征。可以認(rèn)為，激光投影設(shè)備至少在發(fā)光效率、使用壽命和顯示信息的保密性上優(yōu)于使用其它光源的設(shè)備。激光器的壽命潛能為25,000小時(shí)，而超高壓（Super High Pressure）汞燈的壽命只有10,000小時(shí)左右；保密性則是指防止顯示的信息被用戶之外的人看到。

    激光更高的發(fā)光效率基本意味著在投影更高亮度畫(huà)面的過(guò)程中，其消耗的能量可以低于白熾燈、LCD、LED等消耗的能量。這需要結(jié)合光度學(xué)中的光通量（luminous flux）、發(fā)光強(qiáng)度（Luminous Intensity）、照度（Illuminance）和亮度（Luminance）四個(gè)概念一起理解：

    光通量是指光源在單位時(shí)間內(nèi)，向四周空間輻射出的使人眼產(chǎn)生光感的能量，單位為流明（lm）；發(fā)光強(qiáng)度是指光源在給定方向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量；照度是指投射在受照物體表面單位面積上的光通量（光通量相當(dāng)于壓力，照度相當(dāng)于壓強(qiáng)，想讓投影畫(huà)面看起來(lái)更“亮”，除了提高光通量，還可以使光線更加匯聚，投射的面積更小）；亮度指的是人眼感受到單位面積的發(fā)光面或反射面有多“亮”，即視線方向單位投影面的發(fā)光強(qiáng)度，也可以是從單位投影面反射到人眼的光通量。

    光源的發(fā)光效率是指光源在消耗單位能量的過(guò)程中輻射出光通量的多少，單位為流明/瓦（lm/W）。流明是衡量投影設(shè)備性能最重要的指標(biāo)參數(shù)之一，流明有不止一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，最常見(jiàn)的是ANSI流明和ISO流明——ANSI即美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（American National Standards Institute）；ISO即國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization）。ANSI標(biāo)準(zhǔn)的流明效果相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)流明效果的6倍，消費(fèi)者需要注意。

    2．兩種面陣空間光調(diào)制式投影方案

    從驅(qū)動(dòng)的角度，所有投影顯示技術(shù)方案可以分為兩類(lèi)：面陣空間光調(diào)制式投影顯示、掃描式投影顯示。目前最具有代表性的投影方案中，熱光源+3LCD、LED+激光+DLP，這兩種是應(yīng)用空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator）來(lái)實(shí)現(xiàn)投影的，它們的分辨率由空間光調(diào)制器的物理單元數(shù)目決定；光調(diào)制器也是設(shè)備體積的重要制約因素——DLP比LCD體積更小、重量更輕。

圖3

    圖3是熱光源+3LCD的投影方案。LCD即液晶顯示（Liquid Crystal Display）。燈（Lamp）表示圖中的熱光源，光線通過(guò)2片分色鏡（Dichroic Mirror）被分為紅、綠、藍(lán)（Red、Green、Blue）三基色，分別投射至3個(gè)LCD晶片（Chip）；LCD晶片上有液態(tài)晶體且每一個(gè)可以不同程度獨(dú)立開(kāi)閉，3個(gè)分別屬于紅、綠、藍(lán)晶片的晶體配合調(diào)制出要顯示的單個(gè)像素點(diǎn)的顏色，擁有上百萬(wàn)晶體的3LCD可以調(diào)制出被認(rèn)為清晰的圖像，通過(guò)透鏡（Lens）放大并投影到屏幕（Screen）上。

    圖4是LED+激光+DLP的投影方案。LED即發(fā)光二極管（Light-Emitting Diodes）；DLP即數(shù)字光處理（Digital Light Processing），是德州儀器研發(fā)的技術(shù)。圖中有3個(gè)光源，由藍(lán)色激光單元（Blue Laser Unit）發(fā)出的激光束通過(guò)熒光粉色環(huán)（Phosphor Color Wheel）被轉(zhuǎn)為綠色，與紅色和藍(lán)色LED發(fā)出的光線一起構(gòu)成RGB三基色，投射至聚光透鏡（Condenser Lenses）和DLP®；DLP®的核心器件是由微鏡片（精密、微型的反射鏡）所組成的矩陣，稱(chēng)為DMD（Digital Micromirror Device），微鏡片改變傾斜角度，使光線反射進(jìn)入（開(kāi)）或離開(kāi)（關(guān)）投影光學(xué)系統(tǒng)（Projection Optical Screen），同時(shí)與RGB三基色協(xié)調(diào)，以及改變切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)的頻率，使反射的光線呈現(xiàn)不同顏色和深淺；每一個(gè)微鏡片控制投影屏幕上的單個(gè)像素點(diǎn)。

    3．MEMS微激光投影是怎樣的技術(shù)？有哪些優(yōu)勢(shì)？

    從光源的角度來(lái)說(shuō)，激光光源可以顯著提升整個(gè)設(shè)備的色彩表現(xiàn)能力。激光投影目前有三種主流方案：熒光粉+藍(lán)光、LED+激光（圖4）、三基色純激光；前兩種只是過(guò)渡方案，屬于純激光光源的技術(shù)中有一種叫做“MEMS微激光投影”，是將RGB三基色激光模組與微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）結(jié)合的投影顯示技術(shù)方案。

    從驅(qū)動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，MEMS微激光投影屬于掃描式投影顯示，應(yīng)用微機(jī)電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光，以激光掃描的方式成像，其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。當(dāng)掃描式投影顯示與激光結(jié)合時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)更快的畫(huà)面刷新頻率（幀率）。下面以全普光電公司應(yīng)用于其終端移動(dòng)產(chǎn)品的MEMS激光模組為例來(lái)分析這個(gè)技術(shù)。

圖5

    圖5出自國(guó)際激光顯示器協(xié)會(huì)（International Laser Display Association），表示人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的單色光的敏感程度。波長(zhǎng)為555納米（Nanometers）的光視見(jiàn)函數(shù)值為1，其它波長(zhǎng)的可見(jiàn)光視見(jiàn)函數(shù)值小于1，不可見(jiàn)光的視見(jiàn)函數(shù)值為0。

    全普光電綜合考慮色域和人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的明視反應(yīng)，采用波長(zhǎng)為630nm的紅光激光管、波長(zhǎng)為530nm的綠光激光管和波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光激光管。激光管的輸出功率只有幾毫瓦，使整個(gè)設(shè)備在投影過(guò)程中的能耗遠(yuǎn)低于LCD和LED，充分發(fā)揮了激光的發(fā)光效率和色彩表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

    MEMS微激光投影很可能是目前為止綜合性能最優(yōu)的投影顯示技術(shù)，在發(fā)光效率、使用壽命、色彩還原度、亮度（流明）、輸出分辨率、設(shè)備體積/重量，這幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都做到了領(lǐng)先水平。

    4．MEMS微激光投影是如何實(shí)現(xiàn)的？

圖6

    圖6是MEMS微激光投影設(shè)備的結(jié)構(gòu)，主要部件包括：核心器件MEMS激光模組（分為MEMS微鏡、RGB激光管及其光學(xué)系統(tǒng)）、MEMS驅(qū)動(dòng)、激光驅(qū)動(dòng)、圖像處理器等。激光模組中的RGB激光管通過(guò)內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生單像素點(diǎn)激光束，投射至雙軸MEMS微鏡上，MEMS微鏡以光柵形式掃描光束，根據(jù)掃描光束的位置同步調(diào)制3個(gè)激光管，控制單個(gè)像素點(diǎn)的顏色并產(chǎn)生投影畫(huà)面。單像素點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證了激光束的高度空間相關(guān)性，使投影畫(huà)面總是聚焦、清晰的。MEMS微激光投影設(shè)備無(wú)需對(duì)焦。

    圖7和圖8展示了掃描式投影顯示的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。MEMS驅(qū)動(dòng)電路基于圖像處理器為微鏡提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包含一個(gè)MEMS的共振頻率分量（例如27kHz）和幀頻信號(hào)分量（例如60Hz）；MEMS驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)接收激光模組的反饋信號(hào)，同步調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以保持微鏡衡幅共振運(yùn)動(dòng)。

    MEMS微激光投影設(shè)備的核心能力是直接調(diào)制激光的能力。在全普光電的技術(shù)方案中，激光驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)橫向的雙向圖像掃描（奇數(shù)行從左到右掃描，偶數(shù)行從右到左掃描），這樣一方面減少了視頻的消隱間隙，提高了激光光束的利用率，使得同一激光輸出功率下，投影設(shè)備的流明最高；另一方面，通過(guò)提高M(jìn)EMS微鏡的掃描頻率，提高了描式投影顯示的輸出分辨率。全普光電與美國(guó)微視（Microvision）公司多年合作，目前已經(jīng)研制成功分辨率為1920×720的MEMS激光模組。這個(gè)模組的大小相當(dāng)于一元人民幣硬幣，厚度為6.2mm，重量?jī)H10g。

    MEMS微激光投影由于核心器件體積小、重量輕，使得在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等各類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品中都可以集成投影顯示功能；其在高清分辨率的基礎(chǔ)上，還可以達(dá)到更高的色彩還原度和亮度（流明）、更長(zhǎng)的使用壽命，應(yīng)用前景可能是最廣闊的。