文章從光源及投影顯示方案的角度介紹了第四代顯示。并且特別討論了MEMS微激光技術的優勢。

    1．四代投影顯示技術與不同光源的特征

    所有的投影設備都包含光源和驅動2個核心部分，從光源的角度可以將目前為止的所有投影顯示技術總結為四代，如圖1右下方。

圖1

    圖1左半部分的馬蹄形是國際照明委員會（Commission Internationale de L'Eclairage）發布的色度圖，包含了人眼可以看到的一切顏色。由于激光是線性光譜，自身顏色是單純的光譜色，其構成的色度三角形面積最大，色域覆蓋范圍最廣，也使激光投影顯示擁有最高的飽和度（Saturation），色彩還原度可以達到92%；同時，使用激光光源可以顯著提高投影的亮度，還可以實現超廣角投影。

圖2

    圖2對比了激光和其它光源更多方面的不同特征。可以認為，激光投影設備至少在發光效率、使用壽命和顯示信息的保密性上優于使用其它光源的設備。激光器的壽命潛能為25,000小時，而超高壓（Super High Pressure）汞燈的壽命只有10,000小時左右；保密性則是指防止顯示的信息被用戶之外的人看到。

    激光更高的發光效率基本意味著在投影更高亮度畫面的過程中，其消耗的能量可以低于白熾燈、LCD、LED等消耗的能量。這需要結合光度學中的光通量（luminous flux）、發光強度（Luminous Intensity）、照度（Illuminance）和亮度（Luminance）四個概念一起理解：

    光通量是指光源在單位時間內，向四周空間輻射出的使人眼產生光感的能量，單位為流明（lm）；發光強度是指光源在給定方向單位立體角內發射的光通量；照度是指投射在受照物體表面單位面積上的光通量（光通量相當于壓力，照度相當于壓強，想讓投影畫面看起來更“亮”，除了提高光通量，還可以使光線更加匯聚，投射的面積更小）；亮度指的是人眼感受到單位面積的發光面或反射面有多“亮”，即視線方向單位投影面的發光強度，也可以是從單位投影面反射到人眼的光通量。

    光源的發光效率是指光源在消耗單位能量的過程中輻射出光通量的多少，單位為流明/瓦（lm/W）。流明是衡量投影設備性能最重要的指標參數之一，流明有不止一個標準，最常見的是ANSI流明和ISO流明——ANSI即美國國家標準化協會（American National Standards Institute）；ISO即國際標準化組織（International Organization for Standardization）。ANSI標準的流明效果相當于ISO標準流明效果的6倍，消費者需要注意。

    2．兩種面陣空間光調制式投影方案

    從驅動的角度，所有投影顯示技術方案可以分為兩類：面陣空間光調制式投影顯示、掃描式投影顯示。目前最具有代表性的投影方案中，熱光源+3LCD、LED+激光+DLP，這兩種是應用空間光調制器（Spatial Light Modulator）來實現投影的，它們的分辨率由空間光調制器的物理單元數目決定；光調制器也是設備體積的重要制約因素——DLP比LCD體積更小、重量更輕。

圖3

    圖3是熱光源+3LCD的投影方案。LCD即液晶顯示（Liquid Crystal Display）。燈（Lamp）表示圖中的熱光源，光線通過2片分色鏡（Dichroic Mirror）被分為紅、綠、藍（Red、Green、Blue）三基色，分別投射至3個LCD晶片（Chip）；LCD晶片上有液態晶體且每一個可以不同程度獨立開閉，3個分別屬于紅、綠、藍晶片的晶體配合調制出要顯示的單個像素點的顏色，擁有上百萬晶體的3LCD可以調制出被認為清晰的圖像，通過透鏡（Lens）放大并投影到屏幕（Screen）上。

    圖4是LED+激光+DLP的投影方案。LED即發光二極管（Light-Emitting Diodes）；DLP即數字光處理（Digital Light Processing），是德州儀器研發的技術。圖中有3個光源，由藍色激光單元（Blue Laser Unit）發出的激光束通過熒光粉色環（Phosphor Color Wheel）被轉為綠色，與紅色和藍色LED發出的光線一起構成RGB三基色，投射至聚光透鏡（Condenser Lenses）和DLP®；DLP®的核心器件是由微鏡片（精密、微型的反射鏡）所組成的矩陣，稱為DMD（Digital Micromirror Device），微鏡片改變傾斜角度，使光線反射進入（開）或離開（關）投影光學系統（Projection Optical Screen），同時與RGB三基色協調，以及改變切換開關狀態的頻率，使反射的光線呈現不同顏色和深淺；每一個微鏡片控制投影屏幕上的單個像素點。

    3．MEMS微激光投影是怎樣的技術？有哪些優勢？

    從光源的角度來說，激光光源可以顯著提升整個設備的色彩表現能力。激光投影目前有三種主流方案：熒光粉+藍光、LED+激光（圖4）、三基色純激光；前兩種只是過渡方案，屬于純激光光源的技術中有一種叫做“MEMS微激光投影”，是將RGB三基色激光模組與微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）結合的投影顯示技術方案。

    從驅動的角度來說，MEMS微激光投影屬于掃描式投影顯示，應用微機電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光，以激光掃描的方式成像，其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。當掃描式投影顯示與激光結合時，還可以實現更快的畫面刷新頻率（幀率）。下面以全普光電公司應用于其終端移動產品的MEMS激光模組為例來分析這個技術。

圖5

    圖5出自國際激光顯示器協會（International Laser Display Association），表示人眼對不同波長的單色光的敏感程度。波長為555納米（Nanometers）的光視見函數值為1，其它波長的可見光視見函數值小于1，不可見光的視見函數值為0。

    全普光電綜合考慮色域和人眼對不同波長的明視反應，采用波長為630nm的紅光激光管、波長為530nm的綠光激光管和波長為450nm的藍光激光管。激光管的輸出功率只有幾毫瓦，使整個設備在投影過程中的能耗遠低于LCD和LED，充分發揮了激光的發光效率和色彩表現優勢。

    MEMS微激光投影很可能是目前為止綜合性能最優的投影顯示技術，在發光效率、使用壽命、色彩還原度、亮度（流明）、輸出分辨率、設備體積/重量，這幾個關鍵指標上都做到了領先水平。

    4．MEMS微激光投影是如何實現的？

圖6

    圖6是MEMS微激光投影設備的結構，主要部件包括：核心器件MEMS激光模組（分為MEMS微鏡、RGB激光管及其光學系統）、MEMS驅動、激光驅動、圖像處理器等。激光模組中的RGB激光管通過內部光學系統產生單像素點激光束，投射至雙軸MEMS微鏡上，MEMS微鏡以光柵形式掃描光束，根據掃描光束的位置同步調制3個激光管，控制單個像素點的顏色并產生投影畫面。單像素點光學系統的設計保證了激光束的高度空間相關性，使投影畫面總是聚焦、清晰的。MEMS微激光投影設備無需對焦。

    圖7和圖8展示了掃描式投影顯示的實現過程。MEMS驅動電路基于圖像處理器為微鏡提供驅動信號，包含一個MEMS的共振頻率分量（例如27kHz）和幀頻信號分量（例如60Hz）；MEMS驅動電路實時接收激光模組的反饋信號，同步調節驅動信號以保持微鏡衡幅共振運動。

    MEMS微激光投影設備的核心能力是直接調制激光的能力。在全普光電的技術方案中，激光驅動可以實現橫向的雙向圖像掃描（奇數行從左到右掃描，偶數行從右到左掃描），這樣一方面減少了視頻的消隱間隙，提高了激光光束的利用率，使得同一激光輸出功率下，投影設備的流明最高；另一方面，通過提高MEMS微鏡的掃描頻率，提高了描式投影顯示的輸出分辨率。全普光電與美國微視（Microvision）公司多年合作，目前已經研制成功分辨率為1920×720的MEMS激光模組。這個模組的大小相當于一元人民幣硬幣，厚度為6.2mm，重量僅10g。

    MEMS微激光投影由于核心器件體積小、重量輕，使得在智能手機、可穿戴設備等各類消費電子產品中都可以集成投影顯示功能；其在高清分辨率的基礎上，還可以達到更高的色彩還原度和亮度（流明）、更長的使用壽命，應用前景可能是最廣闊的。