基于二维MEMS器件的微型投影技术 下载: 592次
1 引言
微型投影技术主要是指采用发光二极管(LED,light emitting diode)为光源,以液晶显示器(LCD,liquid crystal display)或数字微镜元件(DMD,digital micromirror device)作为显示单元并借助投影系统光路成像的一种现代显示技术,现已有许多方面的研究成果并实现了商业化[1]。微机电系统(MEMS,micro electro mechanical system)便是DMD的主要组成元件[2],但在DMD中使用的是一维偏转MEMS。随着超精密加工技术的进一步发展,现有MEMS扫描振镜可实现二维偏转并可进行投影显示[3-6]。激光二极管(LD,laser diode)与LED相比单色性更好、光功率高,可实现亮度高、色域广、节能的图像显示。虽然LD方向性较好,但有一定发散角,光强呈高斯分布,使用在微型投影领域需要进行光束整形处理。车载平视显示系统(HUD,head up display)可将导航图像,车辆行驶状况等信息显示在挡风玻璃上,近年来发展迅速,已有多方面研究成果[7]在部分车型上得到了应用[8]。然而大部分都存在结构复杂,电能利用率不高等问题[9]。
随着激光二极管、MEMS扫描振镜等器件性能的不断提高,发展日益成熟,二维MEMS器件可用作激光雷达系统[10],也有学者提出使用激光扫描MEMS投影系统作为HUD系统的显示器件[11],图像被逐个像素点投射在显示区域,实现以时间为顺序的图像信号转变为二维目视图像,具有尺寸小、结构简单、电效率高等优点,然而鲜有关于此结构的光学部分系统设计。本文依据现有激光二极管光源的参数特性,MEMS扫描振镜性能作为光学系统初始条件,采用物镜后扫描系统,设计了光束成形结构,通过全视场点列图,几何圈入能量等参数评估投影画面性能。设计结果可用在小型投影设备,例如HUD中,也可为类似光学系统设计提供参考。
1 投影技术对比分析
基于LCD投影技术的显示器件是液晶面板,原理是用电信号控制液晶单元的透过率实现成像,属于投射式。像素需要点亮的部分透过率较高,不需要点亮的的部分透过率低,但光不能被完全阻挡,这就是为什么液晶显示器不能显示完美的黑色,表现在HUD上面就是背景不能做到完全透明,图像对比度低,如图1(a)所示。基于DMD投影技术的显示器件是微振镜,用电信号控制成千上万个振镜反射入射光线来显示所需要的像素,属于反射式。像素需要点亮的部分光线能到达,不需要点亮的部分光线被反射到视野之外或被阻挡,因此在HUD中背景可以做到透明,对比度较高,如图1(b)所示[12-13]。以上两种显示技术中无论多少像素需要被点亮,光源都必须照射到整个像素阵列(LCD或DMD)上,光能很大一部分都被浪费了,电能利用率低。
图 1. 不同显示元件的显示效果对比示意图
Fig. 1. Comparison of display effects with different display elements
基于MEMS器件的车载平视显示系统工作原理如图2所示。它也是属于反射式,背景能做到完全透明,由于激光二极管的单色性好,可以实现更广的色域显示,如图1(c)所示。同时在激光扫描MEMS投影中,仅在像素需要被点亮的部分,激光二极管才被施以电脉冲开始工作,大大减小了电能需求。由于该结构相对比较简单,投影系统的尺寸也能做到更小。国内外有学者进行过类似的设计研究,例如,李昭等[14]使用两片一维的扫描振镜,投影所得为李萨如图形;林俊国等[15]利用MEMS设计了激光扫描视网膜投影显示系统。以上系统大都存在结构复杂,图像分辨率不理想的情况。
激光扫描MEMS投影系统克服了传统投影系统的部分缺点,有发展潜力,技术性能对比如表1所示。
图 2. 基于MEMS器件的车载平视显示器工作原理
Fig. 2. Schematic diagram of working principle of vehicle head-up displayer based on MEMS devices
表 1. 不同投影系统性能对比
Table 1. Comparison of projection technology performance
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2 投影系统光学设计
2.1 设计分析
根据产品调研结果,确定光学系统初始参数。首先选择发光亮度满足要求的激光二极管,根据激光二极管的性能参数来决定光学系统的光源类型,以便后续的整形处理。确定MEMS器件的相关性能指标,例如MEMS器件镜面大小,最大扫描角度、扫描频率等。表2为本系统拟采用欧司朗公司的PL-520B激光光源,OPUS公司的OP-6200MEMS器件的基本参数,图3为元器件照片。
表 2. 激光光源和MEMS器件的基本参数
Table 2. Basic parameters of laser source and MEMS device
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从表2中可看出,激光二极管封装尺寸小,出射光束发散角也较小,光场类型为高斯模式,同时由于横向、纵向发散角不同,出射光束横截面为椭圆形,这都给激光光束的直接投影应用带来困难。二维MEMS器件采用栅式扫描,高速轴通过脉冲宽度调制(PWM,pulse width modulation)电压信号驱动,低速轴可由特定电压波形控制运动轨迹。镜面尺寸较小,激光光束需要尽可能多地入射到此镜面上,又由于技术限制,慢轴扫描角度和扫描速度并不相同,设计时需要考虑这些限制。综上所述,设计光学系统时需要将激光二极管的光束和MEMS器件相匹配,以提高光束利用率,同时合理利用MEMS器件的偏转特性,达到最好的显示效果。
2.2 设计方法
在以上初始条件约束下,为了满足激光扫描MEMS投影系统要求,本文设计了绿光的整形、汇聚及准直光束的光学系统准直端结构,保证了入射到MEMS器件的光斑尺寸在1 mm以内,具体结构如图4所示。系统包含3片透镜,分别为双锥面透镜,偶次非球面透镜,双锥面透镜,投影距离为100 mm。优化过程是:首先约束激光光源快轴的发散角,使出射面为圆形,再利用非球面透镜进行缩束,在合适距离处放置最后一片双锥面透镜使光束平行出射,优化过程中为便于后期组装第一面和最后一面为平面,保证玻璃、空气厚度适中以便于加工,用DMLT操作数约束像面几何半径,REAX、REAY、RSCH等操作数约束像面坐标;RAID操作数约束出射光束发散角。设计过程中MEMS用反射镜代替,始终保证像面尺寸小于MEMS的尺寸。对应的像面点列图如图4所示。从图4可见,光强分布较为均匀,而且近似为圆形。系统的能量分布图如图6所示。从图6可以看出,80%能量集中在几何半径约为128 μm的圆内,可作为单个像素点显示。
要实现全彩显示,就要加入RGB三色激光光源。因为红光,绿光,蓝光的波长差别较大,直接套用绿光的结构无法达到使用要求,需要重新进行优化。如果采用全新的结构,蓝光和红光光源采用的透镜都不相同,会明显增加后期的加工成本。因此本文在现有的光学系统结构基础上,改变光束波长,重新优化透镜参数,消除因光源波长改变带来的影响,使光束质量达到要求,但同时要尽量少改变参数。最终通过改变中间偶次非球面透镜的参数及第2片透镜到第3片透镜的距离,实现了与绿光相似的整形效果,大大减小了后期的加工成本,具有较好的实用价值。3套光学系统出射光束尺寸一致,再经过3片反射镜进行整合,共用一路输出。RGB三色光源光学系统结构如图7所示。
将MEMS器件应用到系统中,并加入偏转角度,如图8所示。按照目前主流显示器的显示比例将像面尺寸比例定为16:9,将MEMS器件的横向偏转角度定为15°,纵向偏转角度约为8°,借助MEMS器件的二维扫描特性,根据角度控制每个像素点的位置,使像面形状规则。得到最终成像面的9点图,如图9所示。
基于MEMS器件的微型投影光学系统中,单个准直端尺寸约为5 mm×5 mm×8 mm,整体光学结构的投影端的尺寸约为5 mm×10 mm×30 mm,与基于DMD投影技术的光学投影端的尺寸20 mm×50 mm×80 mm[9]相比大大减小。此设计利用了激光二极管和MEMS器件的特性,采用物镜后扫描系统,每种颜色的光源整形仅用3片透镜,简化了投影系统的结构,同时满足投影的要求。
3 结果验证
3.1 成像质量验证
评价成像质量主要依据9点图和像面像素点的大小,通过9点图的坐标可得到像面尺寸,畸变大小。表3为9点图中9个参考像素点的坐标位置(以标号5的位置为偏转原点)。
表 3. 9点图坐标位置
Table 3. Coordinate position of nine-point diagram
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式中:
根据(1)式和(2)式计算横向、纵向像面畸变分别为0.2%和0.1%,可见像面形状规则,无明显畸变。同时可得像面尺寸约为104 mm×59 mm,可作为车载平视显示系统的显示屏,不会遮挡驾驶员视线。
下面分析像面9点单个像素的大小。由于采用物镜后扫面系统像面会发生场曲,并且MEMS器件的偏转也会造成像差,最终造成中心像素点几何尺寸最小,形状规则,边缘像素点会出现不同程度的变形,几何尺寸也会变大,9个参考点的点列图如图10所示。
3.2 扫描方式分析
为了使像素密度足够高,同时保证每个像素点的能量得到充分利用,并且人眼对图像边缘的亮度衰减和图像质量退化不是很敏感,通过分析几何圈入能量,取圈入能量为80%时的光斑半径为单个像素点半径,得到的结果如表4所示。
表 4. 9点图的像素半径
Table 4. Pixel radius of nine-point diagram
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由于RGB三色光源的像素半径不尽相同,此像素半径明显比绿光单色光源时的像素半径大。由表4可得7点和9点像素半径最大为186 μm,用0.5 d表示。若像素是正方形排列,如图11(a),横向、纵向像素间隔相同,根据横向、纵向尺寸中可以容纳的像素个数,便可得到像面的分辨率为279×158 pixel。若像素是正六边形排列,如图11(b)所示,横向像素间隔是0.5 d,纵向像素间隔是0.87 d,根据横向、纵向尺寸可得到像面的实际分辨率为558×182 pixel。由上述分析可知,正六边形的像素排列比正方形像素的排列分辨率要高,故此像面采用正六边形排列[16]。因为像面尺寸比例为16:9,与实际分辨率比例并不匹配,会造成图像发生变形,后期视频信号处理时可以直接以558×314 pixel的分辨率输出画面。
我们分析图像所能实现的帧率。根据分辨率要求,实现一帧画面的显示,激光光源需要变换的频率为558×182=0.1 MHz,MEMS器件在2个方向上分别需要扫描558次和182次。为了实现人眼对动态画面的要求,每秒需要扫描30帧画面,对激光光源的调制频率要求约为3 MHz,远小于上文列出的激光光源调制频率。MEMS器件在2个方向需要的扫描频率为16.7 kHz和5.5 kHz。扫描方式为栅式,原理如图12所示。光束从画面左上角开始,向右扫描一条直线,然后迅速扫到右下行的位置,再向左扫第二条水平线,照此固定路径及顺序扫下去,直到光束到达右下角。
4 设计结果
表5列出了光源和MEMS器件需要满足的最低要求和最终实现的图像效果。如果采用更高标准的元件,也能实现更好的效果。该投影系统分辨率超过WQVGA标准,足以显示车况基本信息,30帧/s的画面也可以显示动态图片,在HUD中能够满足及时显示导航,车速等信息要求。
表 5. 设计结果参数
Table 5. Parameters of design results
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5 结论
本文设计了用于激光扫描MEMS投影技术的光束成形系统,给出了整体系统的光学结构,并对成像结果、扫描方式进行优化分析,最终的像面尺寸为104 mm×59 mm,分辨率为558×314 pixel,可以30帧/s画面显示。和传统投影技术相比,基于MEMS器件的微型投影系统尺寸更小,功耗更低,同时结构也相对简单,可减少制作加工成本,比较适合用在HUD系统中,是一种新型投影方式,具有一定的商业发展潜力。同时本系统也存在一些不足,主要是像面尺寸偏小,分辨率低,造成应用范围窄,可通过技术改进或是采用多个微型投影系统组合使用来解决。
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