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微显示器(microdisplay)应用:头盔显示器、头戴显示器、视频眼镜
2009/8/8 16:33:45    产通学院,365pr NET

目前,网上经常出现一些关于微显示器(microdisplay)的应用名词,例如头盔显示器(Head Mounted Display,HMD)、头戴显示器(Head Mounted Display,HMD)、视频眼镜(iWear、video glasses)、眼镜影院(eyescreen、iTheater)等。其实,这些形形色色、拥有时尚外观的便携式数码产品所指的是同一技术——微显示器(microdisplay),也正是它推动着头盔显示产品的演进,一步步发展成头戴式、眼镜式,即目前大家看到的视频眼镜等。


微显示器定义


按定义,微显示器是指3.3cm以下的显示器,它把显示图像或视频的全部像素集成到单片集成电路模块上。该模块分为两大类:一类用于投影显示系统,一类用于虚拟显示系统。其中,视频眼镜产品采用的是虚拟大屏幕成像技术,将来自便携式设备的视频信号快速生成由红、绿和蓝(RGB)图像组成的高帧速率序列,然后由人眼合成为完整的彩色图像,这些图像出现在观察器的内部,观看者在观察器内部某处可看到与实物显示屏相同的虚像,但看起来非常之大,好象身临其境地观看超大屏幕电视一样。

按照显示模块工艺的不同,我们可以将微显示器分为LCD、LCoS、OLED和MEMS四种。

其中,AMLCD微显示技术属于透射型微显示技术,其背光源发出的光在经过每一像素时受到液晶单元的调制,而液晶单元受显示屏上晶体管的控制。这种微显示器有用多晶硅晶体管的,也有用单晶硅晶体管的。AMLCD是一种成熟的显示技术,其工艺与目前的CMOS兼容,微显示方案供应商有美国高平公司(Kopin),合作企业有深圳东方景等公司、日本Scalar公司、Tekom、三菱电机、奥林巴斯(Olympus)公司、美国Microoptical公司、Yello Mosquito公司等。

LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是将半导体与LCD技术相结合的反射式液晶投影新技术,最大特色在于基底的材质是单晶硅,因此拥有良好的电子移动率,而且单晶硅可形成较细的线路,是比较容易实现高分辨率的投影结构,反射式成像也不会因光线穿透面板而大幅降低光利用率,因此提升了光效率。基于LCoS器件的显示技术是最近关注的重点之一,如JVC公司的D-ILA(Direct-drive Image Light Amplifier)芯片、台湾微型影像股份有限公司(Taiwan MicroDisplay)、台湾Himax公司、Varitronix、HOLOEYE Systems公司,以及FLCoS方案供应商Displaytech公司等。

OLED在头戴显示器应用领域有非常大的优势,是头戴式显示器发展的一大推动力。例如,四川虹视显示技术有限公司的HMD-481E、HMD-481ED、HMD-321E头戴显示器就采用了OLED微显示技术,其驱动芯片采用晶门科技的SSD13XX、SES114、LDS517等驱动IC。

OLED显示器可以使用小有机分子或聚合物。其中,聚合物技术(Polymer OLED,简称P-OLED)允许制造更大屏幕尺寸的显示器,也可在更低的电压下工作,而且比基于小分子的显示器功耗更低,因为它无需真空淀积处理所需的遮蔽掩模,如Micro Emissive Displays(MED)公司推出的eyescreen技术。

同时,一种新技术——主动矩阵有机发光二极管(AMOLED)能在硅基片上用淀积法生成有机发光层已经出现,可以实现完全透明的眼镜型设计,不过尚处于商业化生产的初期阶段,主要开发商有美国eMagin公司。

微机电系统(MEMS)技术已经在硅基片上构成了完整的微显示器,无须制造附加的上层结构。从定义即可看出,MEMS内部可以包含微型的可动的机械部件,这些部件由控制电压操作。


军用头盔显示器的演变


视频眼镜又称眼镜显示器,属于军事用途中的头盔显示器(Head Mounted Display,HMD)的新一代民用产品,能够接收各种控制源信号,包括手机、PMP播放器、数码相机、游戏机等多媒体设备输出之视频信号,并在近眼的微显示器(Microdisplay)上产生一种虚拟图像,这种虚拟图像可在眼睛前面一个固定的距离内变化,看上去相当于一个大屏幕电视;配合适当的校准光学组件,更可以提高清晰度和配戴舒适度,使用户完全沉浸在播放的图像中,不会受到任何外部光线的干扰。

早在1968年,世界上第一个军用头盔显示器由美国信息处理技术办公室(ARPA)开发成功,它能显现二维图像,没有浸沉感,用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。1984年,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)创建了并不昂贵的三维立体HMD,随后NASA继续发展三维立体HMD工程,并于同年创建了由操作者位置、声音和手势控制,带有广角立体显示的头盔式显示系统。1997年,美国高平公司(Kopin)推出用于数字士兵的CyberDisplay微显示技术,并民用化于Fujifilm、JVC、Kodak、Olympus、Samsung和SANYO等公司的消费电子产品中。

由于视频眼镜起源于军事,所以美国和以色列在技术和军事应用上都是最强的。美国是目前世界上主要的微显示器技术方案供应者,如高平公司(Kopin)基于AMLCD技术的CyberDisplay微显示技术,Displaytech公司基于FLC材料的LightView微显示技术,eMagin公司的AMOLED微显示技术。

值得注意的是,日本在自由曲面棱镜(free-shaped prism lens)的设计制造、HMD结构设计乃至加工量产技术上及商业应用上也走在世界前列,日系厂商生产的主要是光学分辨率(Optical Super Resolution,OSR)的视频眼镜产品:将小型显示器上的影像通过自由曲面棱镜变成大银幕般的视觉效果,OSR组件则置于LCD与自由曲面棱镜之间。如奥林巴斯(Olympus)公司头戴式显示器Eye-Trek FMD-250W就是利用光学分辨率组件使18万像素的LCD产生了相当于72万像素,水平分辨率500条以上的画质效果;Scalar公司的Teleglass T3 -F也采用了独特的机械结构;三菱电机的有意识头戴式显示器则采用了由白色LED,以及上下左右散射特性各异的二维光学系统所组成的低发散角光源。

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