用于近眼显示器的DLP技术

时间：2015-05-20 15:04:41

关键字： dlp 近眼显示器

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[导读] 德州仪器DLP技术是一种利用数字微镜器件(DMD)调节光线的微机电系统(MEMS)技术。DMD的每个微镜都在屏幕上代表一个像素，并且独立进行调节，与色序照明保持同步，从而打造令人惊叹的显示效果。DLP技术支持全球许多产品

德州仪器DLP技术是一种利用数字微镜器件(DMD)调节光线的微机电系统(MEMS)技术。DMD的每个微镜都在屏幕上代表一个像素，并且独立进行调节，与色序照明保持同步，从而打造令人惊叹的显示效果。DLP技术支持全球许多产品的显示，从数字影院投影机到智能手机。2014年，一种基于突破性微镜技术的全新DLP Pico芯片组问世，这种微镜技术被称为DLP TRP(参见图1)。

德州仪器DLP TRP芯片组的像素间距仅为5.4μm，偏转角度增加到了17度，分辨率更高、功耗更低，并增强了图像处理功能，同时依然保持了DLP技术一流的光学效率(图1)。德州仪器TRP芯片组非常适用于任何在紧凑尺寸下要求以低功耗提供高分辨率和高亮度的显示系统。

图1：德州仪器DLP TRP技术：更小、更亮、功耗更低。

什么是近眼显示器?

近眼显示器(NED) 也称为头戴式显示器(HMD)或可穿戴显示器，在一只眼睛或两只眼睛的视野范围内创建一个虚拟图像。从人眼角度来看，虚拟图像看起来在一段距离以外，比创建图像所用的相对较小的显示板和光学器件要大。为了更好地了解近眼显示器所提供的体验，先来看另一种媒体：音频(图2)。

图2：媒体从大型和共享到便携和个人化的演变。

传统音箱体积大，不便于携带，并且打造的是共享的听觉体验。而耳机和耳塞体积小，便于携带，打造的是个人化的听觉体验。同样，电视和显示器体积大，不便于携带，打造的是共享的视觉体验。而近眼显示相当于显示领域的耳机，打造的是小巧、便携式、个人化的观看体验。

什么是近眼显示器?

近眼显示器(NED) 也称为头戴式显示器(HMD)或可穿戴显示器，在一只眼睛或两只眼睛的视野范围内创建一个虚拟图像。从人眼角度来看，虚拟图像看起来在一段距离以外，比创建图像所用的相对较小的显示板和光学器件要大。

与传统显示器相比，近眼显示有多个关键优势：

● 尺寸小、重量轻、便于携带;

● 功耗极低;

● 可透视。

大屏幕电视体积很大，然而近眼显示可在小巧、可穿戴尺寸的封装内产生看起来与大屏幕电视类似的虚拟图像。

近眼显示器大致可分为两大类：沉浸式和透视式(参见图3)：

图3：近眼显示器的两大类别。

● 沉浸式近眼显示器阻挡用户的现实世界视野，打造大视场角图像，通常，影院眼镜为30度～60度，虚拟现实显示器为90度以上。这些产品可作为用户的个人影院或游戏环境。

● 透视式近眼显示器使用户的现实世界视场处于开放状态，创建透明的图像或非常小的不透明图像，只阻挡用户的小部分周边视觉。透视式类别可分为两种应用：增强现实和智能眼镜。增强现实近眼显示的视场角通常为20度～60度，在用户的现实世界视场之上覆盖信息和图形。智能眼镜(如谷歌眼镜)的视场角通常更小，用户会定期看几眼而不是连续地浏览显示器。

近眼显示器可用于工业控制和消费电子市场的多种应用中(表1)。

表1：近眼显示器可用于工业控制和消费电子市场的多种应用中。

采用DLP技术的近眼显示器系统光学要素

DLP 技术兼容多种近眼显示光学系统(图4)。通常情况下，采用DLP技术的光学系统必须包含：

● 一个照明系统— 包含光源( 通常为RGB LED)和照明光学器件，把光引导到DMD上;

● DMD—能够智能地反射入射光，从而创建图像;

● 一个光学系统—收集从DMD反射的光，并将这些光导入人眼。

图4：光学系统概述。

有关近眼显示器光学系统的一个常见误区是，认为显示是由一个小型投影模块在一个半透明的表面(如眼镜镜片)上投放图像来产生的。这样并不可行，因为眼睛无法将焦点放在离它很近的物体上。实际上，近眼显示器光学系统与传统的投影系统存在很大差别—近眼显示器不在某个表面创建真实的图像，而是形成光瞳，人眼作为光学链路中的最后一个元件，在视网膜上将来自光瞳的光转换为图像。

基于波导的设计(图5)特别有趣，因为这些设计具有透明显示器和光瞳扩张功能。波导在输入处采集光，然后把光传送到人眼。它使微显示器、光学系统和照明可以放在人眼范围以外的地方，例如在头部的一侧，在人眼前面只留下相对较小且轻巧透明的波导光学元件。

图5：采用DLP技术的基本波导光学系统(未展示照明光学器件)。

光学设计的权衡

近眼显示系统的光学设计需要多方面的权衡，四个关键参数分别为视场角、分辨率、对比度和系统尺寸。

控制视场角的因素主要有三个：①.DMD尺寸;②.光学系统的光圈值;③.波导输入处的光瞳大小。图6显示了光瞳直径为5mm时，各种DMD尺寸下光圈值与对角线视场角的对比。关键参数包括：

● DMD尺寸——视场角和分辨率要求是DMD对角线尺寸需求的推动因素。视场角越大需要的DMD就越大，进而由于光学系统较大而使系统尺寸增加。尽管D L P光学模块的尺寸因系统要求而不同，但它的尺寸可以缩小至几立方厘米，包括LED、DMD、照明光学器件以及光瞳成形光学器件。

● 光学设计的光圈值——光学系统的光圈值表示镜头焦距长度与入射光瞳直径之比。通常情况下，光圈值较低的系统支持更大的视场角和更大的光学扩展量。然而，代价是增加了光学系统的尺寸。此外，光圈值降低会导致对比度降低。另一方面，光圈值较大的系统能够产生更高的对比度，降低光学设计复杂性，并在牺牲视场角和光学扩展量/亮度的情况下，减少光学器件的大小。

● 波导输入口的光瞳大小——通常情况下，如果用波导扩大光瞳及增加窥视窗(eye box)的大小，5mm光瞳直径便足够了。对于相同的DMD对角线来说，光瞳越大视场角就越小(图7)。

图6：对于各种DMD尺寸，光圈与视场角之间的关系。

图7：对于各种光瞳大小，光圈与视场角之间的关系。

照明方向如何影响光学布局和尺寸

5.4μm像素DMD的DLP TRP架构支持两种可能的照明方向：侧面照明或底部照明(图8)。这两种选择提供了较大的光学布局灵活性，例如采用侧面照明的较长但较薄的布局，以及采用底部照明的较短但较厚的布局，如图9所示。可进行多种光学布局，例如盒形、薄型或L形，具体取决于系统要求。例如，薄而长的光学模块可能适用于基于波导的设计，对此，模块位于头部侧面;而短而厚的光学设计可能适用于减少模块的整体体积。

图8：灵活的照明方向——侧面或底部

图9：侧面照明方向和底部照明方向的光学设计示例

采用DLP技术的近眼显示器在系统和电子电路方面的注意事项

DLP Pico芯片组配备了小型、高效的控制器和支持集成式可靠系统的PMIC/LED驱动器，具有尺寸小、功耗低的特点。控制器仅为7mm×7mm，PMIC仅为3.4mm×3.2mm(参见图10，电路板布局示例)。DMD与控制器组合的典型功耗为150mW~300mW，具体取决于阵列大小和分辨率。图11显示了采用DLP技术解决方案的近眼显示器应用的典型系统框图。

图10：小型电路板设计示例

图11：系统框图示例

DLP控制器通过I2C与前端处理器通信，并通过并行接口接收24位RGB视频数据。前端处理器使用PROJ_ON信号控制DLP系统的上下电。PMIC/LED驱动器为控制器和DMD提供所有必需的电源，而集成式LED驱动器提供可配置的RGB LED电流。

表2中的芯片组非常适合近眼显示器应用。

表2，适合近眼显示器的芯片组

最大视场角: (1)假定为5mm光瞳直径的理想光学设计，且TRP为F/1.7，VSP DMD为F/2.5

为何为近眼显示器选择DLP技术?

近眼显示器使用DLP技术有以下几个关键优势：

● 光学效率高——DLP技术提供非常高的光学效率。微型铝微镜可将入射光的绝大部分反射出来，能以更低的照明功率创造更明亮的近眼显示。

● 与偏振无关——DLP 技术能与包括LED、激光、激光荧光体和灯泡在内的任何光源一起使用。如果采用LED等非偏振光源，基于DLP的解决方案产生的光学系统效率高，因为它无需进行偏振转换，可以弥补损耗。

光学效率的优势使得DLP技术尤其适合更高亮度的近眼显示应用，如透视与更大视场应用。随着亮度的增加，DLP系统的功耗优势也更加明显(图12)。

图12：随着亮度的增加，光学效率高的系统功耗也随之降低