目前,網(wǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)一些關(guān)于微顯示器(microdisplay)的應用名詞,例如頭盔顯示器(Head Mounted Display,HMD)、頭戴顯示器(Head Mounted Display,HMD)、視頻眼鏡(iWear、video glasses)、眼鏡影院(eyescreen、iTheater)等。其實,這些形形色色、擁有時尚外觀的便攜式數(shù)碼產(chǎn)品所指的是同一技術(shù)——微顯示器(microdisplay),也正是它推動著頭盔顯示產(chǎn)品的演進,一步步發(fā)展成頭戴式、眼鏡式,即目前大家看到的視頻眼鏡等。
微顯示器定義
按定義,微顯示器是指3.3cm以下的顯示器,它把顯示圖像或視頻的全部像素集成到單片集成電路模塊上。該模塊分為兩大類:一類用于投影顯示系統(tǒng),一類用于虛擬顯示系統(tǒng)。其中,視頻眼鏡產(chǎn)品采用的是虛擬大屏幕成像技術(shù),將來自便攜式設(shè)備的視頻信號快速生成由紅、綠和藍(RGB)圖像組成的高幀速率序列,然后由人眼合成為完整的彩色圖像,這些圖像出現(xiàn)在觀察器的內(nèi)部,觀看者在觀察器內(nèi)部某處可看到與實物顯示屏相同的虛像,但看起來非常之大,好象身臨其境地觀看超大屏幕電視一樣。
按照顯示模塊工藝的不同,我們可以將微顯示器分為LCD、LCoS、OLED和MEMS四種。
其中,AMLCD微顯示技術(shù)屬于透射型微顯示技術(shù),其背光源發(fā)出的光在經(jīng)過每一像素時受到液晶單元的調(diào)制,而液晶單元受顯示屏上晶體管的控制。這種微顯示器有用多晶硅晶體管的,也有用單晶硅晶體管的。AMLCD是一種成熟的顯示技術(shù),其工藝與目前的CMOS兼容,微顯示方案供應商有美國高平公司(Kopin),合作企業(yè)有深圳東方景等公司、日本Scalar公司、Tekom、三菱電機、奧林巴斯(Olympus)公司、美國Microoptical公司、Yello Mosquito公司等。

LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是將半導體與LCD技術(shù)相結(jié)合的反射式液晶投影新技術(shù),最大特色在于基底的材質(zhì)是單晶硅,因此擁有良好的電子移動率,而且單晶硅可形成較細的線路,是比較容易實現(xiàn)高分辨率的投影結(jié)構(gòu),反射式成像也不會因光線穿透面板而大幅降低光利用率,因此提升了光效率;贚CoS器件的顯示技術(shù)是最近關(guān)注的重點之一,如JVC公司的D-ILA(Direct-drive Image Light Amplifier)芯片、臺灣微型影像股份有限公司(Taiwan MicroDisplay)、臺灣Himax公司、Varitronix、HOLOEYE Systems公司,以及FLCoS方案供應商Displaytech公司等。
OLED在頭戴顯示器應用領(lǐng)域有非常大的優(yōu)勢,是頭戴式顯示器發(fā)展的一大推動力。例如,四川虹視顯示技術(shù)有限公司的HMD-481E、HMD-481ED、HMD-321E頭戴顯示器就采用了OLED微顯示技術(shù),其驅(qū)動芯片采用晶門科技的SSD13XX、SES114、LDS517等驅(qū)動IC。
OLED顯示器可以使用小有機分子或聚合物。其中,聚合物技術(shù)(Polymer OLED,簡稱P-OLED)允許制造更大屏幕尺寸的顯示器,也可在更低的電壓下工作,而且比基于小分子的顯示器功耗更低,因為它無需真空淀積處理所需的遮蔽掩模,如Micro Emissive Displays(MED)公司推出的eyescreen技術(shù)。
同時,一種新技術(shù)——主動矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED)能在硅基片上用淀積法生成有機發(fā)光層已經(jīng)出現(xiàn),可以實現(xiàn)完全透明的眼鏡型設(shè)計,不過尚處于商業(yè)化生產(chǎn)的初期階段,主要開發(fā)商有美國eMagin公司。
微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已經(jīng)在硅基片上構(gòu)成了完整的微顯示器,無須制造附加的上層結(jié)構(gòu)。從定義即可看出,MEMS內(nèi)部可以包含微型的可動的機械部件,這些部件由控制電壓操作。
軍用頭盔顯示器的演變
視頻眼鏡又稱眼鏡顯示器,屬于軍事用途中的頭盔顯示器(Head Mounted Display,HMD)的新一代民用產(chǎn)品,能夠接收各種控制源信號,包括手機、PMP播放器、數(shù)碼相機、游戲機等多媒體設(shè)備輸出之視頻信號,并在近眼的微顯示器(Microdisplay)上產(chǎn)生一種虛擬圖像,這種虛擬圖像可在眼睛前面一個固定的距離內(nèi)變化,看上去相當于一個大屏幕電視;配合適當?shù)男使鈱W組件,更可以提高清晰度和配戴舒適度,使用戶完全沉浸在播放的圖像中,不會受到任何外部光線的干擾。

早在1968年,世界上第一個軍用頭盔顯示器由美國信息處理技術(shù)辦公室(ARPA)開發(fā)成功,它能顯現(xiàn)二維圖像,沒有浸沉感,用戶只能看到的線框圖疊加在真實環(huán)境之上。1984年,美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)創(chuàng)建了并不昂貴的三維立體HMD,隨后NASA繼續(xù)發(fā)展三維立體HMD工程,并于同年創(chuàng)建了由操作者位置、聲音和手勢控制,帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統(tǒng)。1997年,美國高平公司(Kopin)推出用于數(shù)字士兵的CyberDisplay微顯示技術(shù),并民用化于Fujifilm、JVC、Kodak、Olympus、Samsung和SANYO等公司的消費電子產(chǎn)品中。
由于視頻眼鏡起源于軍事,所以美國和以色列在技術(shù)和軍事應用上都是最強的。美國是目前世界上主要的微顯示器技術(shù)方案供應者,如高平公司(Kopin)基于AMLCD技術(shù)的CyberDisplay微顯示技術(shù),Displaytech公司基于FLC材料的LightView微顯示技術(shù),eMagin公司的AMOLED微顯示技術(shù)。
值得注意的是,日本在自由曲面棱鏡(free-shaped prism lens)的設(shè)計制造、HMD結(jié)構(gòu)設(shè)計乃至加工量產(chǎn)技術(shù)上及商業(yè)應用上也走在世界前列,日系廠商生產(chǎn)的主要是光學分辨率(Optical Super Resolution,OSR)的視頻眼鏡產(chǎn)品:將小型顯示器上的影像通過自由曲面棱鏡變成大銀幕般的視覺效果,OSR組件則置于LCD與自由曲面棱鏡之間。如奧林巴斯(Olympus)公司頭戴式顯示器Eye-Trek FMD-250W就是利用光學分辨率組件使18萬像素的LCD產(chǎn)生了相當于72萬像素,水平分辨率500條以上的畫質(zhì)效果;Scalar公司的Teleglass T3 -F也采用了獨特的機械結(jié)構(gòu);三菱電機的有意識頭戴式顯示器則采用了由白色LED,以及上下左右散射特性各異的二維光學系統(tǒng)所組成的低發(fā)散角光源。