淺談2D MEMS顯示器的應(yīng)用

投影顯示器的優(yōu)勢在于其靈活的物理規(guī)格。這種靈活性的早期示例發(fā)生在1942年，當(dāng)時英國皇家空軍制造出首個“平視顯示器” （HUD），讓飛行員能夠直接在視線范圍內(nèi)看到雷達(dá)信息。該設(shè)計里程碑利用了投影顯示器的一個基本特點，即將幾乎任何表面轉(zhuǎn)換成顯示器的能力。此外，它還能利用小體積打造大圖像，預(yù)示著投影顯示器能夠產(chǎn)生重大影響。這些特點相結(jié)合，將“顯示器”這一概念從獨立的組件轉(zhuǎn)變?yōu)榭呻S處按需進(jìn)行整合的集成式功能，預(yù)示著投影顯示器將帶來許多可能。

盡管這個軍用顯示器示例早在幾十年前便已推出，但直到最近，隨著微型顯示器和固態(tài)照明源的商用，制造商們才得以完全發(fā)揮出投影顯示器在廣泛工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。家居自動化、數(shù)字標(biāo)牌、人機界面（HMI） / 浸入式技術(shù)等應(yīng)用都受益于一種現(xiàn)實技術(shù)，該技術(shù)在不使用時會被隱藏，可將任何尺寸或形狀的表面轉(zhuǎn)變?yōu)轱@示器，如果需要的話，甚至能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ斤@示器。與此類似，近眼顯示器需要能夠適用于緊湊型工業(yè)設(shè)計的高品質(zhì)顯示技術(shù)。

對于今天的開發(fā)人員、品牌和系統(tǒng)集成商來說，將投影技術(shù)融入到新興和現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品中需要經(jīng)過3個基本步驟：確定關(guān)鍵投影要求、選擇合適的投影技術(shù)，以及選擇供應(yīng)鏈。

要求-平衡練習(xí)

平衡優(yōu)勢（特性和功能）與限制（成本、尺寸、重量、能耗等）是成功開發(fā)產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。實現(xiàn)這種平衡的第一步是了解基本要求。對于投影顯示器來說，這意味著了解所需的分辨率、色域、亮度及對比度。因此，本文的重點是介紹一些設(shè)計考量，將其作為把pico投影集成到工業(yè)顯示應(yīng)用時確定必要要求的一個步驟。

技術(shù)-選擇的盛宴

當(dāng)今的設(shè)計人員可從3種投影顯示技術(shù)中進(jìn)行選擇：即2D MEMS陣列、掃描鏡（包括單軸和雙軸）和LCD/LCoS。最適合特定應(yīng)用的技術(shù)取決于具體的產(chǎn)品要求。本文將對每種技術(shù)進(jìn)行評論，并探討分辨率、色域、亮度和對比度等方面。

供應(yīng)鏈-至關(guān)重要的最后一步

如果無法投入生產(chǎn)，那么最優(yōu)雅的設(shè)計也毫無價值。因此，處理選擇合適的投影技術(shù)外，設(shè)計人員還必須考慮可用供應(yīng)鏈。本文未提供詳細(xì)的供應(yīng)鏈分析，但應(yīng)該考慮的要素包括成品解決方案的供貨情況、定制設(shè)計機會、交貨時間以及技術(shù)支持等。

所需分辨率- 細(xì)看

人類視覺系統(tǒng)（HVS）的分辨敏銳度是非常有用的路標(biāo)，可用于確定給定顯示系統(tǒng)所需的分辨率。

普通的觀察者可分辨每弧度50線對，而一個線對包含與白線相鄰的黑線，從而構(gòu)成高對比度特性。由此得出以下關(guān)系：

借助這些公式確定投影機分辨率要求取決于如何使用顯示器。例如，這些公式直接確定某個交互式顯示器的目標(biāo)分辨率，一次觀看整個顯示器。但是對于按需顯示器來說，信息一次只覆蓋投影顯示區(qū)域的一部分，則需要更高的投影分辨率。

分辨率與技術(shù)

2D MEMS和LCoS/LCD已廣泛用于常見的視頻和圖形分辨率（VGA、XGA、WXGA、720p、1080p等）中。

從理論上來說，掃描鏡技術(shù)能夠打造出任何想要的分辨率。在實踐中，分辨率受到激光光斑尺寸（光斑尺寸越小，分辨率極限就越高）的限制，假定鏡掃描速率和激光脈沖速率都足夠高。此外，激光光斑尺寸是光束質(zhì)量的函數(shù)（M2），光束質(zhì)量越高通常成本也越高。

所需顏色-廣泛的選擇

對于第一階，顯示系統(tǒng)以類似于HVS感知色彩的方式產(chǎn)生顏色。人眼包含3個顏色受體（錐），其中每個受體響應(yīng)不同的波長范圍。這些波長范圍大致相當(dāng)于紅色、綠色和藍(lán)色。投影顯示器以類似的方式使用紅色、綠色和藍(lán)色原色的混合產(chǎn)生廣泛的顏色選擇。

影響屏幕上再現(xiàn)的顏色質(zhì)量的因素有很多。光引擎的因素包括它能夠產(chǎn)生的色域，這取決于原色的飽和度。事實上，激光產(chǎn)生的飽和度最高，其次是LED，然后是過濾后的白色光源（如燈或白色LED）。

1976 CIE色度圖（圖1）幫助實現(xiàn)了色域范圍的可視化。在該圖中，外曲線邊界（光譜軌跡）表示可見單色光的全部范圍，圖內(nèi)的點表示HVS能夠感知的所有顏色。

圖1 – CIE u’v’色度圖

現(xiàn)已規(guī)定了各種標(biāo)準(zhǔn)色域，如 Rec.601 （NTSC）和Rec.709 （sRGB）色域（圖1）。這些色域是傳達(dá)顯示系統(tǒng)色域相對“大小”有用的參考點。一種常見方式是計算顯示器色域三角形（在u’v’空間）的面積，以及與特定標(biāo)準(zhǔn)色域三角形的比。例如，“70% NTSC”的色域足夠做出質(zhì)量合理的顯示器，而100% NTSC的色域能夠提供感知性更好的顏色。

除了色域外，選擇光源時需要考慮的因素還包括成本、尺寸、能耗和與所選顯示技術(shù)的兼容性。對于這方面的討論，我們將專注于后者。

顏色與技術(shù)

開發(fā)人員首先應(yīng)該考慮目標(biāo)色域，然后再考慮實現(xiàn)該色域所需的光源，最后考慮光源與投影顯示技術(shù)之間的兼容性。

2D MEMS和LCD/LCoS設(shè)備能夠與目前可用的任何光源（LED、激光、燈）結(jié)合使用。因此，每種技術(shù)都能實現(xiàn)類似的色域。區(qū)別在于可實現(xiàn)的系統(tǒng)光學(xué)效率。這個問題將在“亮度”部分進(jìn)行討論。

掃描鏡需要單模激光照明;因此它們能夠?qū)崿F(xiàn)非常大的色域。但也需考慮散斑的繼發(fā)效應(yīng)和激光器的成本。

所需的亮度-多亮才夠？

顯示器的亮度通常以多種方式量化：流明和尼特。流明（坎德拉*球面度）是光通量的SI單位，表示從顯示器發(fā)出的光的總量。尼特（坎德拉/ 平方米）是亮度度量（每立體角、每投影源區(qū)域的光能），與感知亮度有關(guān)。

用戶不會從尼特的角度來討論，但尼特是他們所體驗到的：從顯示器區(qū)域發(fā)射出（或反射）的亮度。由于投影機制造商通常不控制顯示屏，因此他們通常指標(biāo)明光引擎流明輸出。

表1提供了一些尼特參考點。

表1 – 尼特參考點

一旦確定了亮度（尼特）要求，就能夠根據(jù)以下關(guān)系確定所需的屏幕增益和系統(tǒng)光學(xué)效率：

屏幕增益是屏幕設(shè)計的一個特點。增益為1的屏幕有兩個獨特的特點。首先，它是朗伯型，這意味著從所有觀看角度來看，亮度似乎都一樣。其次，它沒有吸收。通過減少屏幕吸收和/或重定向更多光到向軸上視角，可增加屏幕增益（這意味著在軸上角度的觀眾看來，屏幕似乎更亮）。

系統(tǒng)光效率表示從光源輸出到最后一個光學(xué)元件的輸出的傳輸效率。對于2D MEMS或LCoS/LCD面板來說，最后一個光學(xué)元件可能是投影透鏡的一部分。對于掃描鏡，最后一個光學(xué)元件可能是反射鏡本身。

亮度與技術(shù)

屏幕增益與投影技術(shù)無關(guān)，但組件的光學(xué)效率與投影技術(shù)密切相關(guān)，因為它取決于特定的光引擎設(shè)計，而每種技術(shù)光引擎設(shè)計的架構(gòu)都完全不同。

在光學(xué)效率方面，有4個組件級因素：反射損耗、吸收損耗、衍射損耗和幾何損失。反射損耗包括在每個光接口反射損失的光，用抗反射涂層幾乎能夠完全消除反射損耗。

吸收損耗是指被每種光學(xué)元件的疏松物質(zhì)吸收的光，對于常用與投影機中的光學(xué)材料來說非常這種損耗非常少。

衍射損耗源自于光波本質(zhì)，導(dǎo)致光線在遇到邊緣和小物體時會轉(zhuǎn)移，其中“小”基于波長階次。衍射損耗因技術(shù)而異。

幾何損耗源自光路上集光率失配。在投影系統(tǒng)中，最常見的幾何損耗是光源與顯示面板的集光率失配。如果光源的集光率大于顯示面板的集光率，那么顯示面板就無法捕捉光源產(chǎn)生的所有光。

開發(fā)人員應(yīng)盡量選擇擁有較高的固有光學(xué)效率，并且能夠打造元件數(shù)量最少、與光源的集光率最匹配的光系統(tǒng)架構(gòu)的顯示技術(shù)。

2D MEMS提供最大的靈活性，原因是它們擁有良好的光學(xué)效率，并且能夠匹配任何光源的集光率。

借助LCD/LCoS，偏振光源（激光）可實現(xiàn)最高的系統(tǒng)光學(xué)效率。也可以使用LED和燈，但是系統(tǒng)光學(xué)效率會比較低。

掃描鏡需要高度準(zhǔn)直的光源，受此限制，它們只能與激光器配套使用。

所需對比度-無名英雄

對比度是閃亮顯示器的秘訣，但具有諷刺意味的是，黑色是最重要的顏色。顯示器能夠創(chuàng)造的黑色質(zhì)量為各種其他強度和顏色設(shè)定了的基準(zhǔn)。

投影系統(tǒng)黑色亮度取決于兩個因素：顯示系統(tǒng)的內(nèi)在對比度和環(huán)境光亮度。系統(tǒng)設(shè)計人員有時能夠控制環(huán)境光亮度，有時又無法控制（具體取決于應(yīng)用），而光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在對比度取決于多個系統(tǒng)因素，其中有些因素是設(shè)計人員能夠控制的。

量化顯示系統(tǒng)的對比度有兩種常見方式。全開/全關(guān)（FOFO）對比度方法，該方法先測量全白和全黑的光輸出，然后計算對比度。

ANSI對比度方法首先顯示ANSI 棋盤（16塊的黑色和白色圖案），先測量所有白色盒子的亮度，然后測量所有黑色盒子的亮度。ANSI對比度是指白色亮度的平均值除以黑色亮度的平均值得出的比率。

人們可能會認(rèn)為這兩種方法能夠得出相同的對比度，但事實并非如此。要理解這一現(xiàn)象，需要把“對比度”作為“雜散光”的測量指標(biāo)。然后，把每種方法看做是從系統(tǒng)的不同部分來測量雜散光。具體而言，F(xiàn)OFO評估顯示面板產(chǎn)生的雜散光，而ANSI則評估光學(xué)系統(tǒng)的其余部分所產(chǎn)生的雜散光。

數(shù)學(xué)運算可帶來更深入的洞察。公式3展示了整體系統(tǒng)對比度（S）、顯示面板的內(nèi)在對比度（P）及光學(xué)系統(tǒng)其余部分的內(nèi)在對比度（K）這三者之間的關(guān)系。

從公式3可衍生出公式4。

（4）

公式4顯示，S等于“P乘以一個比例因數(shù)”，其中比例因數(shù)取決于P/K比。圖2顯示了系統(tǒng)對比度（S）如何隨著光對比度（K）而變化，為方便起見，假定P=1。圖2表明，隨著光對比度的提高，系統(tǒng)對比度逐漸接近顯示面板對比度。此外，還顯示了“收益遞減點”，那就是當(dāng)光對比度是顯示面板對比度的4到9倍時。

圖2-系統(tǒng)對比度與光學(xué)系統(tǒng)對比度

公式5顯示了環(huán)境光亮度對所顯示的對比度 （CRDISPLAYED） 的影響。

（5）

如果沒有環(huán)境光（環(huán)境光=0），則將本機投影機對比度 （CRPROJ_NATIVE） 作為WhitePROJECTED/BlackPROJECTED，得出以下結(jié)論： 1） 當(dāng)Ambient = BlackPROJECTED時，隨著CRPROJ_NATIVE的增加，CRDISPLAYED逐漸接近0.5 * CRPROJ_NATIVE;2）。 隨著Ambient逐漸接近WhitePROJECTED，CRDISPLAYED逐漸接近2，會產(chǎn)生非常糟糕的顯示效果。

對比度與技術(shù)

在理想情況下，應(yīng)選擇具有最高內(nèi)在對比度的顯示技術(shù)，并根據(jù)需要優(yōu)化系統(tǒng)對比度，以達(dá)到目標(biāo)整體對比度。

2D MEMS的內(nèi)在面板對比度取決于從MEMS結(jié)構(gòu)散發(fā)出來的光的數(shù)量。將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為采用較大的（較慢的）光圈系數(shù)，可減少光散射，此外還能減小系統(tǒng)光學(xué)元件的尺寸，降低其成本，但會損失一些亮度。

LCD/LCoS的內(nèi)在對比度基本上取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉(zhuǎn)到“關(guān)”位置，這種能力因面板設(shè)計而異。

掃描鏡的對比度與激光驅(qū)動電子器件能否完全關(guān)閉激光器息息相關(guān)。

結(jié)束語

本文探討了對顯示分辨率、色域、亮度和對比度等方面的要求。此外，還討論了當(dāng)前可用的顯示技術(shù)是否能夠滿足這些要求。

掃描鏡顯示器通過使用激光器獲得了較高的分辨率、色域、亮度和對比度，但代價是犧牲色斑，另外激光器的成本也較高。

LCD/LCoS顯示器借助顯示面板的內(nèi)在分辨率實現(xiàn)較高的分辨率，從光源（LED、激光器、燈）獲得色域。其亮度取決于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)的效率，當(dāng)使用LED和燈時，會受到所選偏振技術(shù)的限制。其對比度取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉(zhuǎn)到“關(guān)”位置。

2D MEMS顯示器借助顯示面板的內(nèi)在分辨率實現(xiàn)較高的分辨率，而2D MEMS面板能夠提供常見分辨率（VGA、XGA、WXGA、720p、1080p等），從光源（LED、激光器、燈）獲得色域。同樣，該顯示器的亮度基于光學(xué)系統(tǒng)的效率，但沒有偏振限制。2D MEMS的內(nèi)在對比度源自于MEMS結(jié)構(gòu)的散射，可借助較大的（較慢的）光圈光設(shè)計來減少這一影響。目前領(lǐng)先的2D MEMS技術(shù)的一個非常獨特的特性是，能夠采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可增強感知亮度和對比度，或配置為降低能耗。