用于近眼顯示器的DLP技術

德州儀器DLP技術是一種利用數字微鏡器件(DMD)調節(jié)光線的微機電系統(tǒng)(MEMS)技術。DMD的每個微鏡都在屏幕上代表一個像素，并且獨立進行調節(jié)，與色序照明保持同步，從而打造令人驚嘆的顯示效果。DLP技術支持全球許多產品的顯示，從數字影院投影機到智能手機。2014年，一種基于突破性微鏡技術的全新DLP Pico芯片組問世，這種微鏡技術被稱為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技術一流的光學效率(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：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。而近眼顯示相當于顯示領域的耳機，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器件要大。

與傳統(tǒng)顯示器相比，近眼顯示有多個關鍵優(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產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，虛擬現實顯示器為90度以上。這些產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用：增強現實和智能眼鏡。增強現實近眼顯示的視場角通常為20度～60度，在用戶的現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用中。

采用DLP技術的近眼顯示器系統(tǒng)光學要素

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

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

● DMD—能夠智能地反射入射光，從而創(chuàng)建圖像;

● 一個光學系統(tǒng)—收集從DMD反射的光，并將這些光導入人眼。

圖4：光學系統(tǒng)概述。

有關近眼顯示器光學系統(tǒng)的一個常見誤區(qū)是，認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，人眼作為光學鏈路中的最后一個元件，在視網膜上將來自光瞳的光轉換為圖像。

基于波導的設計(圖5)特別有趣，因為這些設計具有透明顯示器和光瞳擴張功能。波導在輸入處采集光，然后把光傳送到人眼。它使微顯示器、光學系統(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，在人眼前面只留下相對較小且輕巧透明的波導光學元件。

圖5：采用DLP技術的基本波導光學系統(tǒng)(未展示照明光學器件)。

光學設計的權衡

近眼顯示系統(tǒng)的光學設計需要多方面的權衡，四個關鍵參數分別為視場角、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.光學系統(tǒng)的光圈值;③.波導輸入處的光瞳大小。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。關鍵參數包括：

● 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，進而由于光學系統(tǒng)較大而使系統(tǒng)尺寸增加。盡管D L P光學模塊的尺寸因系統(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、照明光學器件以及光瞳成形光學器件。

● 光學設計的光圈值——光學系統(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擴展量。然而，代價是增加了光學系統(tǒng)的尺寸。此外，光圈值降低會導致對比度降低。另一方面，光圈值較大的系統(tǒng)能夠產生更高的對比度，降低光學設計復雜性，并在犧牲視場角和光學擴展量/亮度的情況下，減少光學器件的大小。

● 波導輸入口的光瞳大小——通常情況下，如果用波導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系。

圖7：對于各種光瞳大小，光圈與視場角之間的關系。

照明方向如何影響光學布局和尺寸

5.4μm像素DMD的DLP TRP架構支持兩種可能的照明方向：側面照明或底部照明(圖8)。這兩種選擇提供了較大的光學布局靈活性，例如采用側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?？蛇M行多種光學布局，例如盒形、薄型或L形，具體取決于系統(tǒng)要求。例如，薄而長的光學模塊可能適用于基于波導的設計，對此，模塊位于頭部側面;而短而厚的光學設計可能適用于減少模塊的整體體積。

圖8：靈活的照明方向——側面或底部

圖9：側面照明方向和底部照明方向的光學設計示例

采用DLP技術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技術解決方案的近眼顯示器應用的典型系統(tǒng)框圖。

圖10：小型電路板設計示例

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視頻數據。前端處理器使用PROJ_ON信號控制DLP系統(tǒng)的上下電。PMIC/LED驅動器為控制器和DMD提供所有必需的電源，而集成式LED驅動器提供可配置的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設計，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?

近眼顯示器使用DLP技術有以下幾個關鍵優(yōu)勢：

● 光學效率高——DLP技術提供非常高的光學效率。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——DLP 技術能與包括LED、激光、激光熒光體和燈泡在內的任何光源一起使用。如果采用LED等非偏振光源，基于DLP的解決方案產生的光學系統(tǒng)效率高，因為它無需進行偏振轉換，可以彌補損耗。

光學效率的優(yōu)勢使得DLP技術尤其適合更高亮度的近眼顯示應用，如透視與更大視場應用。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，光學效率高的系統(tǒng)功耗也隨之降低

● 高對比度—在最佳光學設計中，DLP技術支持的對比度超過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技術是全球最快的顯示技術之一，每個微鏡每秒可以翻轉數千次。因此，色彩刷新率快、延遲低，這對于近眼顯示器應用尤為重要。

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用。

● 分辨率更高、尺寸更小——TRP的尺寸比前一代DLP像素技術大約小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可以支持側面照明和底部兩種照明方案，實現靈活的光學設計。

● 低功耗——TRP芯片組在設計時強調了節(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.內容自適應照明控制—動態(tài)地調整每個RGB LED，根據每幀的內容來優(yōu)化功率;2.局部區(qū)域亮度增強—根據環(huán)境照明條件，智能增強圖像較暗區(qū)域。

DLP技術是市場上最成熟的顯示技術之一。德州儀器現已售出數百萬計的DLP芯片，而且DLP影院是全球近90%的數字影院銀幕所選用的技術。面向近眼顯示器的DLP芯片組采用相同的核心技術，并將其轉換成微型顯示器，可在幾乎任何近眼顯示器應用中創(chuàng)建影院級圖像質量。