全普光电:引领MEMS微激光投影和照明

全普光电科技(上海)有限公司坐落在上海嘉定区南翔镇沪宜公路1185号,成立于2013年1月,注册资本3亿元人民币。注册前公司已用4年时间集全球精英之力潜心技术研发和产品开发,将微激光技术与微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical-System)完美地结合在一起,并将其应用于终端移动产品。全普光电是全球MEMS微激光投影技术的领军者。

全普光电的MEMS微激光投影核心技术突破性地创造了“随时随地大视屏”的全新生活体验。近期由全普光电推出的全新MEMS微激光投影智能手机集手机功能和投影功能为一体,引发了一场视觉革命。全普光电的技术必将颠覆传统,引领现代多种移动互联网终端应用及未来的虚拟世界。依靠雄厚的技术力量及一流的软硬件开发团队,全普光电将把企业打造成为国内极具实力的移动互联网终端微激光投影产品的研发,生产及销售厂商,为移动终端行业和终端用户提供极具竞争力的光电产品,技术及方案。

全普光电的技术研发及产品开发始于2009年。通过与美国微视公司(Microvision LLC)结成战略伙伴,全普光电将MEMS微激光显示系统的技术进一步提升。2011年,分辨率为600x480的MEMS微激光投影模组研制成功;2013年后,分辨率提升至960x640及1080x720。目前分辨率已达1920x720,是现今市场上最具竞争力的微激光投影模组。与此同时,光学模组的设计和改进一直在日本东京光学实验室开展,以不断优化光学系统的体积、激光束空间相关性、光路损耗、及制作工艺。目前MEMS微激光投影技术已完成产业化,成功地应用于微型投影仪及投影智能手机当中。

全普光电的全球合作伙伴有来自美国,日本,韩国及欧洲的各大知名企业,包括:美信(Maxim),微视(Microvision),德州仪器(TI),博通(Broadcom),高通(Qualcomm),康宁(Corning),索尼(Sony),日立(HITACHI),住友电工(Sumitomo),夏普(Sharp);三星(Samsang),现代(Hyundai),乐金(LG);欧司朗(OSRAM);意法半导体(ST),莱卡(Leica),蔡司(Zeiss),等。

全普光电的MEMS微激光投影技术结构主要有两大部分。一是由激光模组中的红绿蓝三基色(RGB)激光管通过内部光学系统产生一颜色光强可变且具有高度空间相关性的单像素点激光束,以实现无需调焦投影。二是将单像素点激光束投射至同步扫描的双轴MEMS微镜上,利用像素阵列扫描模式的微镜运动将图像一点一点地“画”在投影屏上。

与传统投影设备中的卤化物灯相比,激光是一种非常高效的光源。卤化物灯只将光线能量的一小部分(2%~3%)进行转化,其余的都变成热量浪费了。而且卤化物灯价格昂贵,易损耗,亮度衰减迅速,对震动非常敏感。而激光投影系统的机械部件很少,激光束可以通过镜面进行偏转,系统稳定性好。运行时间长达1万多个小时。

各像素点激光的颜色及亮度受图像信号调制,在每个像素点上可产生1600万种颜色(24位真彩)。这样产生出来的图像具有极其鲜亮的色彩。激光管可关可开。这样的系统功耗小且图像对比度高。传统投影显示系统中光源总是处于连续照明状态。暗光像素点的产生依赖于空间光调制器(Spatial Light Modulator SLM)将多余的光折射开或吸收掉。由于不能关闭光源,光利用率低,功耗高。另外,传统投影显示系统不能产生全黑图像,所以其图像对比度较差。

单像素点光学系统的设计保证了激光束的高度空间相关性,所以投影出来的图像总是聚焦的,清晰的。换言之,全普光电的MEMS微激光投影无需对焦。不管是以垂直或倾斜角度投影到平面上,还是投到任意三维体的表面,图像都是清晰的,是真正意义上的随时随地,随心所欲的投影技术。截至目前为止,市面上所有的投影设备当投影距离改变时都需要对焦,给便携投影体验带来困扰。

以上简单的光学机械设计给电子电路设计带来挑战。显示的复杂性要求电路设计人员精确控制像素点位置并以像素率准确调制激光。可以集成诸多复杂功能的电子电路使得投影显示便携式电子消费产品的小型化成为可能。

综上所述,MEMS微激光投影技术结构简单、体积小,光路损耗小(约3%的损耗)、功耗低、色彩范围广、对比度大、分辨率高,无需对焦。

MEMS微激光投影技术的主要部件有MEMS激光模组(包括MEMS微镜和RGB微激光管及其光学系统),MEMS驱动电路,激光驱动电路,图像处理控制电路,如下图所示。

MEMS微镜

MEMS微镜是单晶硅通过微电子工艺结合其它特殊工艺制造而成。典型的工艺步骤包括氧化,光刻,离子注入,干法刻蚀,湿法刻蚀,化学气相沉积,物理气相沉积,电镀,溅射,键合,高宽深比深槽刻蚀,激光划片等等。

微镜反射面直径大约为1毫米。微镜通过微镜臂与框架连接,微镜以微镜臂为旋转轴的最大转角(横向投影角)为43度。框架通过框架臂与硅基板连接。框架以框架臂为旋转轴的最大转角(纵向投影角)为24度。微镜系统的质量,质量分布以及转动轴的刚度决定了MEMS微镜的共振频率,最终决定了扫描所得图像的分辨率。

二维扫描器芯片尺寸为4.65mm *7.55mm。整个MEMS芯片与小型磁铁一起封装在MEMS模组里。磁铁提供的磁场方向与MEMS的双轴都成45角度。单一驱动线圈坐落在框架上,接受外来双频率复合驱动信号,在磁场中产生力矩,导致微镜作二维转动。一个频率相同于MEMS微镜共振频率的正弦信号用来驱动微镜的快速横向扫描,另一个频率与帧频相同的锯齿波信号用来驱动微镜的慢速纵向扫描。压阻感测机制为MEMS驱动电路提供反馈信号(确定微镜的位置和运动)。

MEMS微镜的优点在于体积小,重量轻,性能稳定,重复性好,功耗小。

MEMS 驱动

MEMS驱动电路在闭环控制下为MEMS线圈提供一个驱动信号。信号包含一个MEMS的共振频率分量(例如27kHz)和帧频信号分量(例如60Hz)。MEMS驱动电路通过接受MEMS的反馈信号调节驱动信号以保持微镜的衡幅共振运动。

两维图像是通过微镜来回扫描激光束而产生的。横向用微镜系统的共振频率信号驱动微镜,所需的功耗极小。双向图像扫描减少视频的消隐间隙,最大化激光效率。同一激光输出功率的情况下,投影仪的流明度会有所提高。

纵向扫描通常是标准的锯齿波形。图像从上到下匀速扫描每帧结束后迅速回到顶部重新开始。此过程同样是在闭环控制下进行以保持平滑和线性的轨迹。锯齿波频率一般在50-60Hz左右,在低分辨率情况下可以相对提高。

微激光模组

激光显示技术是以红、绿、蓝,三基色(RGB)连续可见波激光为光源的显示技术,最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩,提供更具震撼的表现力。激光的优点是色域空间广,色彩丰富,色饱和度高,对比度高,因此激光显示被称为“人类视觉史上的革命”,是未来显示领域竞争的焦点。

色域是指一台显示设备能够显示出的颜色的范围。色域覆盖率是可以达到人眼所能识别色彩空间的百分比数。在显示设备上这个百分比越高越好,越高说明该设备显示的颜色越多。激光光源的色域高于90%,而液晶(LED)的色域是27%,等离子(PDP)的色域是32%。

色彩数是能显示的颜色的个数。色彩越多越能显示复杂的图像,画面的层次也越丰富。目前最高的为1677万色(24位真彩)。激光的色彩就具有24位真彩。

色饱和度表示光线的彩色深浅度或鲜艳度,取决于彩色中的白色光含量,白光含量越高,即彩色光含量就越低,色彩饱和度即越低。其数值为百分比,介于0 - 100%之间。当这个值为0的时候。则是黑白灰等无色色彩,当色彩的饱和度低时,就会发白, 而纯彩色光的饱和度则为100%。激光的色饱和度很高。

对比度是指投影图像最亮和最暗之间的区域之间的比率,比值越大,从黑到白的渐变层次就越多,从而色彩表现越丰富,图像越清晰醒目,色彩也越鲜明艳丽;而对比度小,则会让整个画面都灰蒙蒙的。激光的对比度可高达80000:1。

激光波长的选择基于两个考虑。一是人眼对波长的明视反应。这个反应通常是高斯曲线形状,峰值在绿光波长上,红光及蓝光波长上略低些。形成白光所需的红光,蓝光的功率随波长的变化而迅速变化。例如红光波长从650nm变到635nm,人眼的明视反应增加一倍。所以红光激光管的功率减少一半依然可以达到同样所需的明视反应,使得系统更加低功耗。同样的道理,蓝色激光管的频率应该尽量选择长波长。目前市面上蓝激光管波长在440-445nm之间。今后应该考虑选择即将上市的460-470nm波长的蓝激光管。

第二个考虑是色域。因为明视反应在绿光波长上达到峰值,以绿光波长的选择达到最好的颜色展示为准。530nm的绿光就是不错的选择,可以最大程度地优化色域。

全普光电采用波长为630微米的红光激光管, 波长为530微米的绿光激光管和波长为450微米的蓝光激光管。激光管功耗都在毫瓦级。

RGB微激光管发出的三色激光束通过棱镜系统获取3%的光能量(下图中粗箭头光束)作为光控制系统的反馈信号,让其余97%的光能量透射或反射至一处,三束光会合形成一束白光或一束红光,或一束绿光或一束蓝光。三色激光管及相关的光学系统一起被封装在激光模组中。

激光驱动

直接调制激光的能力是系统设计的核心。激光驱动与传统的CRT驱动有很多不同之处。首先,CRT扫描中,横向线从左边开始扫描到右边,然后飞快地返回左边进行下一条线的扫描。MEMS激光显示系统中,利用现代先进的电子电路技术,奇数行的扫描可以从左到右,偶数行的扫描可以从右到左。其次,横扫描线上像素点位置所需的时序变化也不相同。MEMS微镜的运动在起振和转向时都应有加(减)速度,但是由于微镜的惯性,微镜在两极端处反而速度减慢,造成恒定像素时钟发出的信号在端点处聚积在一起。不修正的话,两端图像会变形变亮。解决方案之一是产生一个虚拟像素集。在扫描线的中间微镜速度最高,每个虚拟视频时钟对应一个像素点。在扫描线的两端,每3-5个虚拟视频时钟周期对应于一个像素点。这样使得扫描线上像素点分布均匀。

控制每个高速激光像素,需要电路能够迅速开启关闭像素及高层次的接口,资源和功能块。由于激光的高电容高电感负载,关闭激光像素具有一定的挑战性。用美国美信的特有像素关闭协助功能块,像素下降沿速可达1ns。另外,一个三通道DAC运行在250MHz保证了视频的高清分辨率。

LCD,DLP等背投技术在夜间会因为背光泄露而产生阴影和幽灵图像。MEMS微激光显示不会有类似的问题,因为它是前光照射技术。激光束是一个像素点一个像素点加上去的,大部分图像显示时激光管不是百分之百地开启。全黑图像时激光管可以完全关闭,功耗只有80mW。MAX3601中的乘法DAC可以安全可靠地将光强度从黑夜的1流明调制到明媚阳光下的30流明。

激光的颜色受到连续监控以确保在各种温度下颜色的一致性,并确保安全的激光条件。也采用颜色传感器在白天,阴影,夜间条件下进行亮度补偿。

图像处理

视频处理器可以接受RGB或YUV输入。使用视频缓冲区允许无伪扫描转换的视频输入。伽马校正和色彩空间转换的应用使输入颜色准确的映射到宽广的激光色域上。缩放引擎可供转换分辨率较低的视频内容。

一个独有的虚拟像素合成(Virtual Pixel Synthesis,VPS)引擎使用一个高分辨率插值输入将像素点映射到正弦水平轨迹上。VPS是电子电路功能取代复杂光学功能最好的展示。它非常有效地将输入像素映射到高分辨率的虚拟坐标网格上。除了以高像素精度将视频信息定位到正弦扫描上,VPS引擎还能优化图像质量。VPS引擎通过调整控制显示器的整体亮度图中的系数来达到亮度均匀性。

光学畸变,包括梯形、平行四边形、和某些类型的枕形畸变可以采用VPS引擎调整像素点位置来弥补。VPS引擎还允许每个颜色像素位置的独立调整。即使激光模组组装过程中三基色激光束没有完全对齐,红绿蓝色像素位置可通过电路独立调整使得视频图像完美对准。这个功能还可以用来修正MEMS激光显示在大型光学系统中的色像差。

数字视频到激光驱动的映射由自适应激光驱动器(Adaptive Laser Driver, ALD)来完成。 ALD是一个利用各激光器的光反馈,积极补偿激光特性随温度及老化变化的闭环系统。这确保了最佳的亮度,颜色显示和灰度性能。

MEMS激光模组

结合激光模组和MEMS微镜模组所形成的MEMS激光模组的尺寸与一元人民币相当。厚度6.2mm,重量仅10g。

全普光电现有三款产品:激光智能控制器,微型投影仪,和MEMS激光投影手机。

激光智能控制器是虚拟键盘, 线飞鼠, 3D 动作捕捉,激光指示器4合1的便携产品,是一个即插即用的微型接收器,兼容USB1.1和USB2.0;激光控制器外形时尚,飞鼠+激光键盘,可持续工作两小时;设计感强,线体流畅;重量适中,玩体感游戏时更有感觉。手握激光鼠标,拥有时尚科技。

微型投影仪是一个装在口袋的私人影院。采用最新的MEMS微激光投影技术,这款小体积便携投影仪使得随时随地的大屏幕显示成为现实。这款微型投影仪支持1080高清画质;亮度40流明;不插电可运作3-4小时,配上移动电源能全天运作;光源寿命2万小时;激光成像,无需对焦,对比度80000:1。最佳投影距离0.3m-3m,投影尺寸:10-200寸;11.5mm的轻薄机身;自带安卓4.4.2版,内置内存32G,蓝牙4.0,WIFI2.5G/5G(支持WIFI热点,WIFI显示),喇叭功率1W。

微型投影仪一机制霸:办公投影,家庭影院,户外商演,三大场景!

最新出产的MEMS激光投影手机是手机+会议室+游戏室+娱乐室+家庭影院+展览厅。这款激光投影手机将MEMS微激光投影技术优势与安卓手机系统完美地结合起来,承载了多项全普公司专利技术和发明成果,成为新一代时尚新潮的投影手机。

整机尺寸仅有148×70×11mm。手机具有像素高、功耗低、功能强大、结构简单、色彩范围广,该机使用了目前最好的显示屏,分辨率达1080P,其色彩还原度达95%,与其它产品相比,色彩还原度高出同类产品的25%以上,从而使得手机分辨率更高,画面更清晰。同时该手机也是一部拍照手机,前置摄像头达500万像素,后置则达1300万像素。

投影部分,采用了世界最先进的MEMS微激光技术。亮度:35流明,对比度:80000:1,分辨率:1920*720,投影尺寸:200寸(视环境而定);投影尺寸比例:16:9;激光成像,无需对焦;可投影文件格式:办公文档(ppt,pdf,Word,Excel),视频(mp4,3gp,mov,mkv,avi,flv,mpeg),图片(jpg,bmp,gif,png)。

全普光电的MEMS微激光投影技术效率高、体积小、寿命长、可靠性高、图像色彩范围广、对比度大、分辨率高,无需对焦,有着极其广泛的应用前景。下面介绍的是全普光电正在研发的产品及不久将来的产品,技术方案构想。