用于近眼顯示器的DLP技術(shù)

德州儀器DLP技術(shù)是一種利用數(shù)字微鏡器件(DMD)調(diào)節(jié)光線的微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。DMD的每個微鏡都在屏幕上代表一個像素，并且獨立進行調(diào)節(jié)，與色序照明保持同步，從而打造令人驚嘆的顯示效果。DLP技術(shù)支持全球許多產(chǎn)品的顯示，從數(shù)字影院投影機到智能手機。2014年，一種基于突破性微鏡技術(shù)的全新DLP Pico芯片組問世，這種微鏡技術(shù)被稱為DLP TRP(參見圖1)。

德州儀器DLP TRP芯片組的像素間距僅為5.4μm，偏轉(zhuǎn)角度增加到了17度，分辨率更高、功耗更低，并增強了圖像處理功能，同時依然保持了DLP技術(shù)一流的光學(xué)效率(圖1)。德州儀器TRP芯片組非常適用于任何在緊湊尺寸下要求以低功耗提供高分辨率和高亮度的顯示系統(tǒng)。

圖1：德州儀器DLP TRP技術(shù)：更小、更亮、功耗更低。

什么是近眼顯示器?

近眼顯示器(NED) 也稱為頭戴式顯示器(HMD)或可穿戴顯示器，在一只眼睛或兩只眼睛的視野范圍內(nèi)創(chuàng)建一個虛擬圖像。從人眼角度來看，虛擬圖像看起來在一段距離以外，比創(chuàng)建圖像所用的相對較小的顯示板和光學(xué)器件要大。為了更好地了解近眼顯示器所提供的體驗，先來看另一種媒體：音頻(圖2)。

圖2：媒體從大型和共享到便攜和個人化的演變。

傳統(tǒng)音箱體積大，不便于攜帶，并且打造的是共享的聽覺體驗。而耳機和耳塞體積小，便于攜帶，打造的是個人化的聽覺體驗。同樣，電視和顯示器體積大，不便于攜帶，打造的是共享的視覺體驗。而近眼顯示相當(dāng)于顯示領(lǐng)域的耳機，打造的是小巧、便攜式、個人化的觀看體驗。

什么是近眼顯示器?

近眼顯示器(NED) 也稱為頭戴式顯示器(HMD)或可穿戴顯示器，在一只眼睛或兩只眼睛的視野范圍內(nèi)創(chuàng)建一個虛擬圖像。從人眼角度來看，虛擬圖像看起來在一段距離以外，比創(chuàng)建圖像所用的相對較小的顯示板和光學(xué)器件要大。

與傳統(tǒng)顯示器相比，近眼顯示有多個關(guān)鍵優(yōu)勢：

● 尺寸小、重量輕、便于攜帶;

● 功耗極低;

● 可透視。

大屏幕電視體積很大，然而近眼顯示可在小巧、可穿戴尺寸的封裝內(nèi)產(chǎn)生看起來與大屏幕電視類似的虛擬圖像。

近眼顯示器大致可分為兩大類：沉浸式和透視式(參見圖3)：

圖3：近眼顯示器的兩大類別。

● 沉浸式近眼顯示器阻擋用戶的現(xiàn)實世界視野，打造大視場角圖像，通常，影院眼鏡為30度～60度，虛擬現(xiàn)實顯示器為90度以上。這些產(chǎn)品可作為用戶的個人影院或游戲環(huán)境。

● 透視式近眼顯示器使用戶的現(xiàn)實世界視場處于開放狀態(tài)，創(chuàng)建透明的圖像或非常小的不透明圖像，只阻擋用戶的小部分周邊視覺。透視式類別可分為兩種應(yīng)用：增強現(xiàn)實和智能眼鏡。增強現(xiàn)實近眼顯示的視場角通常為20度～60度，在用戶的現(xiàn)實世界視場之上覆蓋信息和圖形。智能眼鏡(如谷歌眼鏡)的視場角通常更小，用戶會定期看幾眼而不是連續(xù)地瀏覽顯示器。

近眼顯示器可用于工業(yè)控制和消費電子市場的多種應(yīng)用中(表1)。

表1：近眼顯示器可用于工業(yè)控制和消費電子市場的多種應(yīng)用中。

采用DLP技術(shù)的近眼顯示器系統(tǒng)光學(xué)要素

DLP 技術(shù)兼容多種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)(圖4)。通常情況下，采用DLP技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)必須包含：

● 一個照明系統(tǒng)— 包含光源( 通常為RGB LED)和照明光學(xué)器件，把光引導(dǎo)到DMD上;

● DMD—能夠智能地反射入射光，從而創(chuàng)建圖像;

● 一個光學(xué)系統(tǒng)—收集從DMD反射的光，并將這些光導(dǎo)入人眼。

圖4：光學(xué)系統(tǒng)概述。

有關(guān)近眼顯示器光學(xué)系統(tǒng)的一個常見誤區(qū)是，認(rèn)為顯示是由一個小型投影模塊在一個半透明的表面(如眼鏡鏡片)上投放圖像來產(chǎn)生的。這樣并不可行，因為眼睛無法將焦點放在離它很近的物體上。實際上，近眼顯示器光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)存在很大差別—近眼顯示器不在某個表面創(chuàng)建真實的圖像，而是形成光瞳，人眼作為光學(xué)鏈路中的最后一個元件，在視網(wǎng)膜上將來自光瞳的光轉(zhuǎn)換為圖像。

基于波導(dǎo)的設(shè)計(圖5)特別有趣，因為這些設(shè)計具有透明顯示器和光瞳擴張功能。波導(dǎo)在輸入處采集光，然后把光傳送到人眼。它使微顯示器、光學(xué)系統(tǒng)和照明可以放在人眼范圍以外的地方，例如在頭部的一側(cè)，在人眼前面只留下相對較小且輕巧透明的波導(dǎo)光學(xué)元件。

圖5：采用DLP技術(shù)的基本波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)(未展示照明光學(xué)器件)。

光學(xué)設(shè)計的權(quán)衡

近眼顯示系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計需要多方面的權(quán)衡，四個關(guān)鍵參數(shù)分別為視場角、分辨率、對比度和系統(tǒng)尺寸。

控制視場角的因素主要有三個：①.DMD尺寸;②.光學(xué)系統(tǒng)的光圈值;③.波導(dǎo)輸入處的光瞳大小。圖6顯示了光瞳直徑為5mm時，各種DMD尺寸下光圈值與對角線視場角的對比。關(guān)鍵參數(shù)包括：

● DMD尺寸——視場角和分辨率要求是DMD對角線尺寸需求的推動因素。視場角越大需要的DMD就越大，進而由于光學(xué)系統(tǒng)較大而使系統(tǒng)尺寸增加。盡管D L P光學(xué)模塊的尺寸因系統(tǒng)要求而不同，但它的尺寸可以縮小至幾立方厘米，包括LED、DMD、照明光學(xué)器件以及光瞳成形光學(xué)器件。

● 光學(xué)設(shè)計的光圈值——光學(xué)系統(tǒng)的光圈值表示鏡頭焦距長度與入射光瞳直徑之比。通常情況下，光圈值較低的系統(tǒng)支持更大的視場角和更大的光學(xué)擴展量。然而，代價是增加了光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。此外，光圈值降低會導(dǎo)致對比度降低。另一方面，光圈值較大的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更高的對比度，降低光學(xué)設(shè)計復(fù)雜性，并在犧牲視場角和光學(xué)擴展量/亮度的情況下，減少光學(xué)器件的大小。

● 波導(dǎo)輸入口的光瞳大小——通常情況下，如果用波導(dǎo)擴大光瞳及增加窺視窗(eye box)的大小，5mm光瞳直徑便足夠了。對于相同的DMD對角線來說，光瞳越大視場角就越小(圖7)。

圖6：對于各種DMD尺寸，光圈與視場角之間的關(guān)系。

圖7：對于各種光瞳大小，光圈與視場角之間的關(guān)系。

照明方向如何影響光學(xué)布局和尺寸

5.4μm像素DMD的DLP TRP架構(gòu)支持兩種可能的照明方向：側(cè)面照明或底部照明(圖8)。這兩種選擇提供了較大的光學(xué)布局靈活性，例如采用側(cè)面照明的較長但較薄的布局，以及采用底部照明的較短但較厚的布局，如圖9所示。可進行多種光學(xué)布局，例如盒形、薄型或L形，具體取決于系統(tǒng)要求。例如，薄而長的光學(xué)模塊可能適用于基于波導(dǎo)的設(shè)計，對此，模塊位于頭部側(cè)面;而短而厚的光學(xué)設(shè)計可能適用于減少模塊的整體體積。

圖8：靈活的照明方向——側(cè)面或底部

圖9：側(cè)面照明方向和底部照明方向的光學(xué)設(shè)計示例

采用DLP技術(shù)的近眼顯示器在系統(tǒng)和電子電路方面的注意事項

DLP Pico芯片組配備了小型、高效的控制器和支持集成式可靠系統(tǒng)的PMIC/LED驅(qū)動器，具有尺寸小、功耗低的特點?？刂破鲀H為7mm×7mm，PMIC僅為3.4mm×3.2mm(參見圖10，電路板布局示例)。DMD與控制器組合的典型功耗為150mW~300mW，具體取決于陣列大小和分辨率。圖11顯示了采用DLP技術(shù)解決方案的近眼顯示器應(yīng)用的典型系統(tǒng)框圖。

圖10：小型電路板設(shè)計示例

圖11：系統(tǒng)框圖示例

DLP控制器通過I2C與前端處理器通信，并通過并行接口接收24位RGB視頻數(shù)據(jù)。前端處理器使用PROJ_ON信號控制DLP系統(tǒng)的上下電。PMIC/LED驅(qū)動器為控制器和DMD提供所有必需的電源，而集成式LED驅(qū)動器提供可配置的RGB LED電流。

表2中的芯片組非常適合近眼顯示器應(yīng)用。

表2，適合近眼顯示器的芯片組

最大視場角: (1)假定為5mm光瞳直徑的理想光學(xué)設(shè)計，且TRP為F/1.7，VSP DMD為F/2.5

為何為近眼顯示器選擇DLP技術(shù)?

近眼顯示器使用DLP技術(shù)有以下幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：

● 光學(xué)效率高——DLP技術(shù)提供非常高的光學(xué)效率。微型鋁微鏡可將入射光的絕大部分反射出來，能以更低的照明功率創(chuàng)造更明亮的近眼顯示。

● 與偏振無關(guān)——DLP 技術(shù)能與包括LED、激光、激光熒光體和燈泡在內(nèi)的任何光源一起使用。如果采用LED等非偏振光源，基于DLP的解決方案產(chǎn)生的光學(xué)系統(tǒng)效率高，因為它無需進行偏振轉(zhuǎn)換，可以彌補損耗。

光學(xué)效率的優(yōu)勢使得DLP技術(shù)尤其適合更高亮度的近眼顯示應(yīng)用，如透視與更大視場應(yīng)用。隨著亮度的增加，DLP系統(tǒng)的功耗優(yōu)勢也更加明顯(圖12)。

圖12：隨著亮度的增加，光學(xué)效率高的系統(tǒng)功耗也隨之降低

● 高對比度—在最佳光學(xué)設(shè)計中，DLP技術(shù)支持的對比度超過2000:1，能夠為沉浸式顯示器提供深黑色，為增強現(xiàn)實顯示器提供高度透明的背景(參見圖13)。

圖13：低對比度(左)與高對比(右)

● 高速——低延遲：DLP技術(shù)是全球最快的顯示技術(shù)之一，每個微鏡每秒可以翻轉(zhuǎn)數(shù)千次。因此，色彩刷新率快、延遲低，這對于近眼顯示器應(yīng)用尤為重要。

此外，德州儀器的TRP芯片組還有一些額外的特性，使其特別適合近眼顯示器應(yīng)用。

● 分辨率更高、尺寸更小——TRP的尺寸比前一代DLP像素技術(shù)大約小50%，相同的陣列尺寸可獲得2倍的像素。例如，采用TRP的0.3”陣列對角線能支持1280×720像素，而采用上一代像素技術(shù)的0.3”陣列對角線僅支持854×480像素。

● 靈活的照明方向——TRP可以支持側(cè)面照明和底部兩種照明方案，實現(xiàn)靈活的光學(xué)設(shè)計。

● 低功耗——TRP芯片組在設(shè)計時強調(diào)了節(jié)能。例如，TRP 0.2“WVGA(854×480)芯片組的功耗比上一代WVGA芯片組大約低50%，0.3”720p芯片組的功耗比上一代720p芯片組大約低80%。

● 先進的圖像處理算法——DLP IntelliBright算法套件執(zhí)行兩個重要功能：1.內(nèi)容自適應(yīng)照明控制—動態(tài)地調(diào)整每個RGB LED，根據(jù)每幀的內(nèi)容來優(yōu)化功率;2.局部區(qū)域亮度增強—根據(jù)環(huán)境照明條件，智能增強圖像較暗區(qū)域。

DLP技術(shù)是市場上最成熟的顯示技術(shù)之一。德州儀器現(xiàn)已售出數(shù)百萬計的DLP芯片，而且DLP影院是全球近90%的數(shù)字影院銀幕所選用的技術(shù)。面向近眼顯示器的DLP芯片組采用相同的核心技術(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成微型顯示器，可在幾乎任何近眼顯示器應(yīng)用中創(chuàng)建影院級圖像質(zhì)量。