淺析視網(wǎng)膜成像顯示技術(shù)

一說到視網(wǎng)膜顯示技術(shù)，大多數(shù)人往往想到早些年蘋果的視網(wǎng)膜屏。實際上視網(wǎng)膜屏是蘋果在iPhone4使用的一種液晶屏幕顯示技術(shù)，與我們今天所說的視網(wǎng)膜成像顯示技術(shù)有著本質(zhì)的不同。

視網(wǎng)膜屏(Retina Display)是一種具備超高像素密度的液晶屏，它可以將960×640的分辨率壓縮到一個3.5英寸的顯示屏內(nèi)。也就是說，該屏幕的像素密度達(dá)到326像素/英寸(ppi)。iPhone4使用的Retina Display 技術(shù)與上幾代iPhone相比，Retina屏幕的像素數(shù)擴(kuò)大了4倍，但屏幕尺寸并未變化，這就使得其像素密度實現(xiàn)翻番。iPhone 3GS的像素密度為163ppi，分辨率為480×320。與之進(jìn)行對比便可以很清楚地看出新款屏幕的優(yōu)勢所在。當(dāng)像素密度超過300ppi時，人眼就無法區(qū)分出單獨的像素。因此像素密度達(dá)到326ppi的iPhone 4具備非常優(yōu)秀的顯示功能，不會再出現(xiàn)顆粒感。

雖然移動互聯(lián)網(wǎng)的呼聲越來越高，顯示器也早已成為我們觀察這個世界最重要的窗口之一，但是顯示器便攜化的技術(shù)進(jìn)展，似乎一直都沒有什么太大的起色。日本的兄弟工業(yè)公司開發(fā)了一種外形看起來像是一副眼鏡的設(shè)備，可以用激光直接將圖像投射到使用者的視網(wǎng)膜上。這種的顯示技術(shù)不會阻擋使用者的視線，而是在真實景物前疊加了一層半透明的顯示效果。這種技術(shù)，被叫做“視網(wǎng)膜成像顯示”( Retina Scanning Display)。

視網(wǎng)膜成像顯示技術(shù)和我們過去使用的那種笨重的陰極射線管顯示器(CRT)異曲同工：利用人的視覺暫留原理，讓激光快速地按指定順序在水平和垂直兩個方向上循環(huán)掃描，撞擊視網(wǎng)膜的一小塊區(qū)域使其產(chǎn)生光感，人們就感覺到圖像的存在。

視網(wǎng)膜掃描顯示技術(shù)Retina Scanning Display(RSD)系統(tǒng)工作原理

Google公司公布的Project Glass 用到的的LCOS芯片投射技術(shù)：

這種技術(shù)的優(yōu)勢在于完全不用擔(dān)心顯示的亮度、可視角等問題，因為可以直接調(diào)節(jié)進(jìn)入眼球內(nèi)的光強，在光源有足夠色域的情況下可以實現(xiàn)非常出色的顯示效果。而最大的障礙就在于光源的小型化，因為這仍然是一種主動式發(fā)光技術(shù)。

Google Glass 3D透視圖

Google Glass 鏡頭工作原理圖

視網(wǎng)膜掃描顯示器的關(guān)鍵技術(shù)

與RSD相關(guān)的設(shè)計和制造技術(shù)涵蓋了光學(xué)工程、光學(xué)材料、光學(xué)涂層、電子制造技術(shù)和用戶交互界面設(shè)計等多個研究領(lǐng)域。

這里簡要地從光學(xué)工程的角度描述RSD設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。

光源

HMD 中采用的微型圖像源大都是平板顯示器，圖像受到光能利用率的限制其亮度通常很低而且無法調(diào)節(jié)， 很難在復(fù)雜光照環(huán)境下滿足使用要求 。RSD 中采用亮度可調(diào)的半導(dǎo)體激光器作為光源。能夠滿足晝夜不同光照條件的特殊使用要求。

光源模塊是RSD的重要組成部分，為了能夠顯示圖像。必須對光束的強度進(jìn)行調(diào)制。 ，調(diào)制方式可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。如果調(diào)制帶寬足夠，應(yīng)優(yōu)先考慮內(nèi)調(diào)制以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

按照經(jīng)典的顏色疊加理論，任意的顏色都可以采用不同權(quán)重的三原色進(jìn)行表示。當(dāng)系統(tǒng)需要實現(xiàn)彩色顯示時，光源可由三個不同基色的發(fā)光元件構(gòu)成.可采用二向色鏡進(jìn)行色光合成，將合成后的單束光作為一個像素通過掃描裝置進(jìn)行掃描，通過投影光學(xué)系統(tǒng)和人眼成像在視網(wǎng)膜上完成圖像顯示。

投影光學(xué)系統(tǒng)

投影光學(xué)系統(tǒng)用于將顯示圖像成像到用戶視網(wǎng)膜上，其結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的應(yīng)用具有不同的形式?？稍O(shè)計成完全沉浸型或交互顯示型。

完全沉浸型，目鏡設(shè)計較為簡單。觀察者通過目鏡觀察圖像，但無法觀察外部真實場景。交互顯示型，光束通過投影光學(xué)系統(tǒng)后用戶可以通過眼睛觀察掃描圖像。

出瞳擴(kuò)展方法

考慮到人眼瞳孔直徑會隨著不同光亮度而自動變化，并且在觀察不同視場時眼球會旋轉(zhuǎn)使視軸對準(zhǔn)觀察物體。為避免瞳孔和顯示系統(tǒng)出瞳的失對準(zhǔn)而造成圖像丟失，顯示系統(tǒng)的出瞳直徑應(yīng)保證在10-15mm范圍以上。由RSD系統(tǒng)的光瞳擴(kuò)展原理圖可知，由于激光束的發(fā)散角很小，目鏡出瞳直徑將受到總掃描角、視場角和鏡面直徑的限制，通常約為1-3mm。遠(yuǎn)小于頭戴顯示系統(tǒng)對于出瞳直徑的要求。

為增大目鏡的出瞳直徑，同時確保不會改變系統(tǒng)的視場角、掃描角和掃描直徑，可在中間像面處放置EPE將發(fā)散角放大。采用衍射光學(xué)元件、透鏡陣列、光纖面板或光散射器可以在不損失成像放大率和顯示分辨率的前提下實現(xiàn)對發(fā)散角的放大，從而使系統(tǒng)出瞳直徑得到擴(kuò)展。

視網(wǎng)膜屏幕的確帶來了更加清晰和細(xì)膩的顯示效果，但它對于設(shè)備的綜合使用體驗提升有限，只有在全神貫注對比的時候，用戶能夠感受到細(xì)微的差異。而在大多數(shù)常規(guī)使用情況下，相信用戶很難察覺。

隨著微光機電掃描器、新型調(diào)制技術(shù)、新型高效半導(dǎo)體激光光源和新一代光學(xué)器件(如全息波導(dǎo)器件、二元光學(xué)元件、自由曲面棱鏡等)的普及應(yīng)用和迅猛發(fā)展.視網(wǎng)膜掃描顯示器將會繼續(xù)朝著微型化、便攜化方向發(fā)展。

這項技術(shù)具有重要的實用價值.值得人們對其進(jìn)行更為廣泛和深入的研究，相信隨著研究的深入，必將帶來更多更有價值的研究成果及應(yīng)用。