光器件微型化带来的机遇 光器件微型化带来的机遇 陈明宇 在好莱坞的大片中能看到这样的镜头:FBI的大 该产品全名 SHOW Pico Projector,是一种微型彩 腕带着很Cool的墨镜,而其中一支镜片里面显示的色投影仪,可以产生DVD质量(848x480)、10流明 不是眼前的画面,而是另一个微型摄像机传来的远程的投影图像,投影尺寸可达100英寸。该设备采用标 的实时图像。美国的一个小公司 Microvision就在为准ⅤGA或S- Video接口,由锂电池驱动,一次充电 军方生产这种微型的显示设备。你可能想不到的是,可以播放2.5小时影像,适合手机、数码相机、MP4 Microvision的显示不需要屏幕,而是直接将激光投影笔记本电脑等便携电子设备。而采用传统的液晶技术 到人眼的视网膜上,所生成的图像是浮在真实场景上的类似产品,只能做到30英寸的投影面积。 面的。 Microvision把他的核心技术称为 Picop显示引擎 Microvision采用的技术是一种称为单光线扫描 Picop解决了移动大屏幕显示的尺寸、功耗、成本等 ( single beam light- scanning)的技术。2004年IEE问题,具有非常诱人的应用前景。那么他背后的技术 spectrum杂志曾将这项技术评为未来十年最大胆的十究竟是什么呢? 项技术之一。在当时, Microvision还只能实现单色的 显示。但是,2008年在国际消费类电子展览会(CES 大会上, Microvision以一款手持式投影仪设备一鸣 惊人。 Combiner Optics 图2. PicOP显示原理 PicoP三个核心技术包括RGB单色激光器,基于 MEMS的光线扫描技术,Soc控制芯片。 首先, PicoP采用了激光显示源。激光定向性好 色彩纯正、发光效率高,是小功率实现大尺寸投影 图1.微型彩色投影仪 的关键。但是,微型的激光源是一个较难的技术,其 国糾字能补算技研定20年B月(双月刊·总第2期)
11 该产品全名 SHOW Pico Projector，是一种微型彩 色投影仪，可以产生 DVD 质量（848x480）、10 流明 的投影图像，投影尺寸可达 100 英寸。该设备采用标 准 VGA 或 S-Video 接口，由锂电池驱动，一次充电 可以播放 2.5 小时影像，适合手机、数码相机、MP4、 笔记本电脑等便携电子设备。而采用传统的液晶技术 的类似产品，只能做到 30 英寸的投影面积。 Microvision 把他的核心技术称为 PicoP 显示引擎。 PicoP 解决了移动大屏幕显示的尺寸、功耗、成本等 问题，具有非常诱人的应用前景。那么他背后的技术 究竟是什么呢？ 图 2. PicoP 显示原理 PicoP 三个核心技术包括 RGB 单色激光器，基于 MEMS 的光线扫描技术，Soc 控制芯片。 首先，PicoP 采用了激光显示源。激光定向性好、 色彩纯正、发光效率高，是小功率实现大尺寸投影 的关键。但是，微型的激光源是一个较难的技术，其 陈明宇 光器件微型化带来的机遇 光器件微型化带来的机遇 在好莱坞的大片中能看到这样的镜头：FBI 的大 腕带着很 Cool 的墨镜，而其中一支镜片里面显示的 不是眼前的画面，而是另一个微型摄像机传来的远程 的实时图像。美国的一个小公司 Microvision 就在为 军方生产这种微型的显示设备。你可能想不到的是， Microvision 的显示不需要屏幕，而是直接将激光投影 到人眼的视网膜上，所生成的图像是浮在真实场景上 面的。 Microvision 采用的技术是一种称为单光线扫描 (single beam light-scanning) 的技术。2004 年 IEEE spectrum 杂志曾将这项技术评为未来十年最大胆的十 项技术之一。在当时，Microvision 还只能实现单色的 显示。但是，2008 年在国际消费类电子展览会 (CES) 大会上，Microvision 以一款手持式投影仪设备一鸣 惊人。 图 1. 微型彩色投影仪
到w 中红光光源早已成熟,蓝光光源随着蓝光DVD的推理。图像在进入单像素检测器前,首先经过了一个由 出也已经大众化,最困难的是微型绿光光源。事实微透镜阵列组成的、随机生成的光栅,再聚焦到一个 上, Microvision的光线扫描技术已经提出了十年以点采样,相当于得到一个原图像的加权平均值。然 上,但 Microvision先后和美国 Corning, Novalux和德后,变换一下随机的光栅,再采样一个值,依次下 国 OSRAM等公司合作获得了实用微型绿光激光器技去…有人可能会说,如果这么采上几十万次,理 术后,才最终解决了三色激光光源的问题。 论上当然能恢复原来的图像了?!可一个严格的数学 其次, PicoP的核心是一个直径lmm左右、类似的结论是,对大多数日常的图像,只要几千个点就 电子枪功能的微型反射镜,通过纵横扫描分时地将一足够恢复原来的图像了。这是一个新的热门研究领域 幅图像投射到目标上。目前的主流投影仪采用的 LCD Compressed Sensing的研究结论 和DLP技术,是每个像素都要对应一个控制单元 一共要几十万个控制单元。而相比之下单光线扫描只 介绍完单光线扫描和单像素照相,我们的话题 需要一个控制点,这是它实现微型化的关键。这项技才真正开始了。这两项技术的共同点是什么呢?是我 术的另一个优势是不需要对焦,在弯曲的平面上仍然们都看到光和微镜MEMS?其实背后更重要的一个技 可以显示清晰的图像 术趋势是对光线的精细控制和处理。传统的光学器件 第三项技术Soc控制芯片,相对本文的读者来说给人的印象都是大块头,如灯泡、棱镜、透镜等等, 没什么新奇,不再赘述。 和我们崇尚微型化和集成理念的计算机行业距离太遥 远。真正和计算机相关的似乎只有能替代一段电缆传 你也许以为本文到这里该结束了,其实我们的话输的光纤。但是,现在光器件微型化的脚步正悄悄走 题才刚刚开始。让我们再看另一个还只在学术圈里讨来,无论是光源、波导还是镜片等光器件微型化的技 论的话题——单像素照相机。 大家都有数码相机,新的款式大概有700万像素 了吧?你能想象只有一个像素的照相机吗?开玩笑? 不,数学家会告诉你,这是可能的,而且Rice大学 已经做出了一个原型系统。 4 Single pixel camera developed by group at Rice University opial delio 图3.Rice大学单像素照相机的原型系统 如图,单像素照相机背后利用了复杂的数学原 图4.LBO利用相干全息特性的投影仪 国糾字能补算技研定20年B月(双月刊·总第2期)
12 【专家视点】 中红光光源早已成熟，蓝光光源随着蓝光 DVD 的推 出也已经大众化，最困难的是微型绿光光源。事实 上，Microvision 的光线扫描技术已经提出了十年以 上，但 Microvision 先后和美国 Corning，Novalux 和德 国 OSRAM 等公司合作获得了实用微型绿光激光器技 术后，才最终解决了三色激光光源的问题。 其次，PicoP 的核心是一个直径 1mm 左右、类似 电子枪功能的微型反射镜，通过纵横扫描分时地将一 幅图像投射到目标上。目前的主流投影仪采用的 LCD 和 DLP 技术，是每个像素都要对应一个控制单元， 一共要几十万个控制单元。而相比之下单光线扫描只 需要一个控制点，这是它实现微型化的关键。这项技 术的另一个优势是不需要对焦，在弯曲的平面上仍然 可以显示清晰的图像。 第三项技术 Soc 控制芯片，相对本文的读者来说 没什么新奇，不再赘述。 你也许以为本文到这里该结束了，其实我们的话 题才刚刚开始。让我们再看另一个还只在学术圈里讨 论的话题——单像素照相机。 大家都有数码相机，新的款式大概有 700 万像素 了吧？你能想象只有一个像素的照相机吗？开玩笑？ 不，数学家会告诉你，这是可能的，而且 Rice 大学 已经做出了一个原型系统。 图 3. Rice 大学单像素照相机的原型系统 如图，单像素照相机背后利用了复杂的数学原 理。图像在进入单像素检测器前，首先经过了一个由 微透镜阵列组成的、随机生成的光栅，再聚焦到一个 点采样，相当于得到一个原图像的加权平均值。然 后，变换一下随机的光栅，再采样一个值，依次下 去 ......。有人可能会说，如果这么采上几十万次，理 论上当然能恢复原来的图像了？！可一个严格的数学 的结论是，对大多数日常的图像，只要几千个点就 足够恢复原来的图像了。这是一个新的热门研究领域 Compressed Sensing 的研究结论。 介绍完单光线扫描和单像素照相，我们的话题 才真正开始了。这两项技术的共同点是什么呢？是我 们都看到光和微镜 MEMS ？其实背后更重要的一个技 术趋势是对光线的精细控制和处理。传统的光学器件 给人的印象都是大块头，如灯泡、棱镜、透镜等等， 和我们崇尚微型化和集成理念的计算机行业距离太遥 远。真正和计算机相关的似乎只有能替代一段电缆传 输的光纤。但是，现在光器件微型化的脚步正悄悄走 来，无论是光源、波导还是镜片等光器件微型化的技 图 4. LBO 利用相干全息特性的投影仪