好文推荐 | 视网膜成像显示技术

贸泽电子设计圈 2019-09-18 08:00

一说到视网膜显示技术,大多数人往往想到早些年苹果的视网膜屏。实际上视网膜屏是苹果在iPhone4使用的一种液晶屏幕显示技术,与我们今天所说的视网膜成像显示技术有着本质的不同。



视网膜屏Retina Display)是一种具备超高像素密度的液晶屏,它可以将960×640的分辨率压缩到一个3.5英寸的显示屏内。也就是说,该屏幕的像素密度达到326像素/英寸ppi)。iPhone4使用的Retina Display 技术与上几代iPhone相比,Retina屏幕的像素数扩大了4倍,但屏幕尺寸并未变化,这就使得其像素密度实现翻番。iPhone 3GS的像素密度为163ppi,分辨率为480×320。与之进行对比便可以很清楚地看出新款屏幕的优势所在。当像素密度超过300ppi时,人眼就无法区分出单独的像素。因此像素密度达到326ppi的iPhone 4具备非常优秀的显示功能,不会再出现颗粒感。



虽然移动互联网的呼声越来越高,显示器也早已成为我们观察这个世界最重要的窗口之一,但是显示器便携化的技术进展,似乎一直都没有太大的起色。日本的兄弟工业公司开发了一种外形看起来像是一副眼镜的设备,可以用激光直接将图像投射到使用者的视网膜上。这种显示技术不会阻挡使用者的视线,而是在真实景物前叠加了一层半透明的显示效果。这种技术叫做“视网膜成像显示”(Retina Scanning Display


视网膜成像显示技术和我们过去使用的那种笨重的阴极射线管显示器CRT异曲同工:利用人的视觉暂留原理,让激光快速地按指定顺序在水平和垂直两个方向上循环扫描,撞击视网膜的一小块区域使其产生光感,人们就感觉到图像的存在。



视网膜成像显示技术Retina Scanning DisplayRSD)系统工作原理



Google公司公布的Project Glass用到的是LCOS芯片投射技术:



这种技术的优势在于完全不用担心显示的亮度、可视角等问题,因为可以直接调节进入眼球内的光强,在光源有足够色域的情况下可以实现非常出色的显示效果。而最大的障碍就在于光源的小型化,因为这仍然是一种主动式发光技术。


Google Glass 3D透视图

Google Glass 镜头工作原理图


视网膜成像显示器的关键技术


与RSD相关的设计和制造技术涵盖了光学工程、光学材料、光学涂层、电子制造技术和用户交互界面设计等多个研究领域。


这里简要地从光学工程的角度描述RSD设计中的关键技术。
光源

HMD中采用的微型图像源大都是平板显示器,图像受到光能利用率的限制,其亮度通常很低而且无法调节,很难在复杂光照环境下满足使用要求。RSD中采用亮度可调的半导体激光器作为光源,能够满足昼夜不同光照条件的特殊使用要求。


光源模块是RSD的重要组成部分。为了能够显示图像,必须对光束的强度进行调制。调制方式可分为内调制和外调制两种。如果调制带宽足够,应优先考虑内调制以降低系统的复杂性。


按照经典的颜色叠加理论,任意颜色都可以采用不同权重的三原色进行表示。当系统需要实现彩色显示时,光源可由三个不同基色的发光元件构成。可采用二向色镜进行色光合成,将合成后的单束光作为一个像素通过扫描装置进行扫描,通过投影光学系统和人眼成像在视网膜上完成图像显示。
投影光学系统

投影光学系统用于将显示图像成像到用户视网膜上,其结构根据不同的应用具有不同的形式。可设计成完全沉浸型或交互显示型。


完全沉浸型的目镜设计较为简单。观察者通过目镜观察图像,但无法观察外部真实场景。在交互显示型中,光束通过投影光学系统后,用户可以通过眼睛观察扫描图像。


出瞳扩展方法

考虑到人眼瞳孔直径会随着不同光亮度而自动变化,并且在观察不同视场时眼球会旋转,使视轴对准观察物体。为避免瞳孔和显示系统出瞳发生失对准而造成图像丢失,显示系统的出瞳直径应保证在10-15mm范围以上。由RSD系统的光瞳扩展原理图可知,由于激光束的发散角很小,目镜出瞳直径将受到总扫描角、视场角和镜面直径的限制,通常约为1-3mm,远小于头戴显示系统对于出瞳直径的要求。


为增大目镜的出瞳直径,同时确保不会改变系统的视场角、扫描角和扫描直径,可在中间像面处放置EPE将发散角放大。采用衍射光学元件、透镜阵列、光纤面板或光散射器可以在不损失成像放大率和显示分辨率的前提下放大发散角,从而扩大系统出瞳直径。



视网膜屏幕的确带来了更加清晰和细腻的显示效果,但它对于设备的综合使用体验提升有限,只有在全神贯注对比的时候,用户才能够感受到细微差异。而在大多数常规使用情况下,用户恐怕很难察觉这种差异。



随着微光机电扫描器、新型调制技术、新型高效半导体激光光源和新一代光学器件(如全息波导器件、二元光学元件、自由曲面棱镜等)的普及应用和迅猛发展,视网膜成像显示器将会继续朝着微型化、便携化方向发展。


这项技术具有重要的实用价值,值得人们对其进行更为广泛和深入的研究,相信随着研究的深入,必将带来更多更有价值的研究成果及应用。

本文转载自:传感器技术(作者:毛富利

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