MEMS微激光投影,技术解构及相关投资机会

文章介绍了三种代表性投影显示技术方案,特别讨论了MEMS微激光技术的优势及相关创业、创新机会。

1.四代投影显示技术与不同光源的特征

图1

图1左半部分的马蹄形是国际照明委员会(Commission Internationale de L'Eclairage)发布的色度图,包含了人眼可以看到的一切颜色。由于激光是线性光谱,自身颜色是单纯的光谱色,其构成的色度三角形面积最大,色域覆盖范围最广,也使激光投影显示拥有最高的饱和度(Saturation),色彩还原度可以达到92%;同时,使用激光光源可以显著提高投影的亮度,还可以实现超广角投影。

图2

图2对比了激光和其它光源更多方面的不同特征。可以认为,激光投影设备至少在发光效率、使用寿命和显示信息的保密性上优于使用其它光源的设备。激光器的寿命潜能为25,000小时,而超高压(Super High Pressure)汞灯的寿命只有10,000小时左右;保密性则是指防止显示的信息被用户之外的人看到。

激光更高的发光效率基本意味着在投影更高亮度画面的过程中,其消耗的能量可以低于白炽灯、LCD、LED等消耗的能量。这需要结合光度学中的光通量(luminous flux)、发光强度(Luminous Intensity)、照度(Illuminance)和亮度(Luminance)四个概念一起理解:

光通量是指光源在单位时间内,向四周空间辐射出的使人眼产生光感的能量,单位为流明(lm);发光强度是指光源在给定方向单位立体角内发射的光通量;照度是指投射在受照物体表面单位面积上的光通量(光通量相当于压力,照度相当于压强,想让投影画面看起来更“亮”,除了提高光通量,还可以使光线更加汇聚,投射的面积更小);亮度指的是人眼感受到单位面积的发光面或反射面有多“亮”,即视线方向单位投影面的发光强度,也可以是从单位投影面反射到人眼的光通量。

光源的发光效率是指光源在消耗单位能量的过程中辐射出光通量的多少,单位为流明/瓦(lm/W)。流明是衡量投影设备性能最重要的指标参数之一,流明有不止一个标准,最常见的是ANSI流明和ISO流明——ANSI即美国国家标准化协会(American National Standards Institute);ISO即国际标准化组织(International Organization for Standardization)。ANSI标准的流明效果相当于ISO标准流明效果的6倍,消费者需要注意。

2.两种面阵空间光调制式投影方案

从驱动的角度,所有投影显示技术方案可以分为两类:面阵空间光调制式投影显示、扫描式投影显示。目前最具有代表性的投影方案中,热光源+3LCD、LED+激光+DLP,这两种是应用

空间光调制器(Spatial Light Modulator)来实现投影的,它们的分辨率由空间光调制器的物理单元数目决定;光调制器也是设备体积的重要制约因素——DLP比LCD体积更小、重量更轻。

图3

图3是热光源+3LCD的投影方案。LCD即液晶显示(Liquid Crystal Display)。灯(Lamp)表示图中的热光源,光线通过2片分色镜(Dichroic Mirror)被分为红、绿、蓝(Red、Green、Blue)三基色,分别投射至3个LCD晶片(Chip);LCD晶片上有液态晶体且每一个可以不同程度独立开闭,3个分别属于红、绿、蓝晶片的晶体配合调制出要显示的单个像素点的颜色,拥有上百万晶体的3LCD可以调制出被认为清晰的图像,通过透镜(Lens)放大并投影到屏幕(Screen)上。

图4

图4是LED+激光+DLP的投影方案。LED即发光二极管(Light-Emitting Diodes);DLP即数字光处理(Digital Light Processing),是德州仪器研发的技术。图中有3个光源,由蓝色激光单元(Blue Laser Unit)发出的激光束通过荧光粉色环(Phosphor Color Wheel)被转为绿色,与红色和蓝色LED发出的光线一起构成RGB三基色,投射至聚光透镜(Condenser Lenses)和DLP®;DLP®的核心器件是由微镜片(精密、微型的反射镜)所组成的矩阵,称为DMD(Digital Micromirror Device),微镜片改变倾斜角度,使光线反射进入(开)或离开(关)投影光学系统(Projection Optical Screen),同时与RGB三基色协调,以及改变切换开关状态的频率,使反射的光线呈现不同颜色和深浅;每一个微镜片控制投影屏幕上的单个像素点。

3.MEMS微激光投影是怎样的技术?有哪些优势?

从光源的角度来说,激光光源可以显著提升整个设备的色彩表现能力。激光投影目前有三种主流方案:荧光粉+蓝光、LED+激光(图4)、三基色纯激光;前两种只是过渡方案,属于纯激光光源的技术中有一种叫做“MEMS微激光投影”,是将RGB三基色激光模组与微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)结合的投影显示技术方案。

从驱动的角度来说,MEMS微激光投影属于扫描式投影显示,应用微机电二维微型扫描振镜及RGB三基色激光,以激光扫描的方式成像,其输出分辨率取决于MEMS微镜的扫描频率。

当扫描式投影显示与激光结合时,还可以实现更快的画面刷新频率(帧率)。下面以全普光电公司应用于其终端移动产品的MEMS激光模组为例来分析这个技术。

图5

图5出自国际激光显示器协会(International Laser Display Association),表示人眼对不同波长的单色光的敏感程度。波长为555纳米(Nanometers)的光视见函数值为1,其它波长的可见光视见函数值小于1,不可见光的视见函数值为0。

全普光电综合考虑色域和人眼对不同波长的明视反应,采用波长为630nm的红光激光管、波长为530nm的绿光激光管和波长为450nm的蓝光激光管。激光管的输出功率只有几毫瓦,使整个设备在投影过程中的能耗远低于LCD和LED,充分发挥了激光的发光效率和色彩表现优势。

MEMS微激光投影很可能是目前为止综合性能最优的投影显示技术,在发光效率、使用寿命、色彩还原度、亮度(流明)、输出分辨率、设备体积/重量,这几个关键指标上都做到了领先水平。

4.MEMS微激光投影是如何实现的

图6

图6是MEMS微激光投影设备的结构,主要部件包括:核心器件MEMS激光模组(分为MEMS微镜、RGB激光管及其光学系统)、MEMS驱动、激光驱动、图像处理器等。激光模组中的RGB激光管通过内部光学系统产生单像素点激光束,投射至双轴MEMS微镜上,MEMS微镜以光栅形式扫描光束,根据扫描光束的位置同步调制3个激光管,控制单个像素点的颜色并产生投影画面。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,使投影画面总是聚焦、清晰的。MEMS微激光投影设备无需对焦。

图7
图8

图7和图8展示了扫描式投影显示的实现过程。MEMS驱动电路基于图像处理器为微镜提供驱动信号,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驱动电路实时接收激光模组的反馈信号,同步调节驱动信号以保持微镜衡幅共振运动。

MEMS微激光投影设备的核心能力是直接调制激光的能力。在全普光电的技术方案中,激光驱动可以实现横向的双向图像扫描(奇数行从左到右扫描,偶数行从右到左扫描),这样一方面减少了视频的消隐间隙,提高了激光光束的利用率,使得同一激光输出功率下,投影设备的流明最高;另一方面,通过提高MEMS微镜的扫描频率,提高了描式投影显示的输出分辨率。全普光电与美国微视(Microvision)公司多年合作,目前已经研制成功分辨率为1920×720的MEMS激光模组。这个模组的大小相当于一元人民币硬币,厚度为6.2mm,重量仅10g。

MEMS微激光投影由于核心器件体积小、重量轻,使得在智能手机、可穿戴设备等各类消费电子产品中都可以集成投影显示功能;其在高清分辨率的基础上,还可以达到更高的色彩还原度和亮度(流明)、更长的使用寿命,应用前景可能是最广阔的。

5.MEMS微激光技术带来哪些创业、创新机会?

我们认为MEMS微激光技术将至少为便携/可穿戴电子产业、智能汽车产业、人工智能和生物医学领域,以及照明、电影放映、户外广告展示带来变革。限于篇幅,下面仅举三个例子。

图9

图9展示了全普光电公司的激光投影手机的其中一个使用场景。

手机硬件的“随时随地大屏幕”显示功能创造大量全新的生活和工作场景,基于新出现并形成的用户操作习惯,有两个方向可能特别值得关注:

第一,文化娱乐内容和社交媒体平台,研发配套软件带给用户新的视听和互动体验;

第二,MEMS微激光投影技术为增强现实/虚拟现实(Augmented Reality / Virtual Reality)行业解决方案的创新进一步打开了空间,可以研发具有和依靠更高显示性能的增强现实硬件、系统软件和应用软件,解决具体场景中的问题。

图10
图11

图10和图11分别是基于LCD和基于MEMS微激光投影的两种汽车抬头显示器(Head-Up Display)的显示效果。汽车抬头显示可以让驾驶员更集中注意力于前方的道路,而不用低头看仪表盘,是提高驾驶安全性的增强现实解决方案。

图10中的投影画面在高亮显示前方一只动物的同时,剩余的投影区域都呈现出了一定亮度,整体像一张挡在前面的明信片,极有可能分散驾驶员的注意力,造成适得其反的结果。

LCD由于是面阵空间光调制式投影显示,画面中的暗像素需要空间光调制器折射开或吸收掉多余的光通量来产生,而光源无法完全被阻断,使得在夜间,不显示内容的投影区域只能比黑暗的背景亮度更高;MEMS微激光投影则属于扫描式投影显示,可以只扫描要显示内容的投影区域,在夜间做到如图11的效果。

这个对比揭示出显示技术的进步为高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistant System)及智能汽车产业的更多方面带来了创业和创新机会。

图12

图12是一种应用MEMS技术的人工视网膜系统,见于MEMS Journal在2011年刊登的文章。随着光学MEMS(Optical MEMS)、神经技术(Neurotechnology)及机器学习(Machine Learning)算法等技术进步,人工视网膜技术有望进一步发展为成熟的植入式脑机接口(Invasive Brain-Computer Interface),由激光扫描视见画面,将其转化成电化学脉冲,通过视神经传导到大脑,解码成图像。

投资前沿科技的一个风险是,在新技术实现商业化之前,随时可能有另一个属于看似不同领域的技术将它替代掉。

以MEMS微激光投影为代表的显示技术的进步,目前受资本关注的程度还无法与人工智能和生物医学相提并论,但与其相关的MEMS激光扫描(底层支持)、汽车抬头显示(上层应用),却可以切入到智能汽车、脑机接口等热门领域。脑机接口可能是智能手机,以及增强现实/虚拟现实之后的下一代人机交互方式,MEMS激光扫描则成为支持脑机接口视觉解决方案的核心技术。

本文作者王思宇,爱就投TMT、金融科技行业研究员、项目经理;都柏林大学迈克尔•斯莫菲特商学院项目管理硕士

wangsy@ijointoo.com

本文作者王思宇,爱就投TMT、金融科技行业研究员、项目经理;都柏林大学迈克尔•斯莫菲特商学院项目管理硕士;邮箱:wangsy@ijointoo.com

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