[科普中国]-虚拟显示器

简介

虚拟显示器是一种人们通过其中的光学系统来观看图像的显示器。用虚拟显示器观看图像与我们通常观看CRT或LCD等显示器的方式截然不同。常规显示器的显示画面可供多人观看. 人们以通常的观看方式即可看到图像; 而人们在观看虚拟显示器时, 必须在近距离采用向内观看的观察方式。

虚拟显示器的基本元件有：由几百个微型LEDs组成的一个线性矩阵，一个放大透镜和一个扫描镜。见图l。通过透镜。LEDs矩阵的高度星14°，对应于一个单一的象素列扫描镜垂直运动使虚拟图像产生水平运动。由此扫出一个宽22°的矩形光栅显示区。LEDs与扫描镜运动同步发生接通/关断动作，形成所需的图象。

基本技术从理论上讲。用类似的扫描技术可得到全尺寸显示。确实，当LED矩阵长度接近全屏幕尺寸时，就不再需要

透镜了。以此为基础，已有过多种实验型样机的报导。遗憾的是，当扩展到全尺寸显示器时，这种扫描技术会丧失很多优势，当矩阵尺寸有稍许增加时，显示器的功耗和重量会增大许多，即后者随着前者增加而呈指数增长。随着尺寸变大，成本呈线性增长，问题在于。大型扫描显示器没有与CRT技术竞争的可能。反之。显示器的尺寸越小，这种扫描技术的效果就越明显，其优势也更为爽出。当显示器为微型装置时，其成本、功耗和重量都下降许多。1这里主要展示个人虚拟显示器（MVD）的基本技术及元件。

扫描MVD由于MVD的发光区仅要求一个一维短阵，所以扫描技术对于MVD是非常适用的。在一维矩阵中只要用几百个有源元件就能够产生高分辨率显示图象，而要形成二维矩阵则需要采用几十万个有源元件。结果。在生产MVD的过程中可得到相当高的成品率。大量的事实已经充分证明了这一点。如果我们假定分立的LED的成品率为99.9%，那么280个LEDs构成的一维矩阵的成品率为75%。这一数值反映了目前的实际生产状况。但是，在分立LED成品率相当的条件下，如果我们要制备含有280×720个LEDs的二维矩阵，那么，在10n个产品中仅有一个是完美无缺的。已经制造出一些LED-维矩阵，但由于成品率和安装复杂性等因素曲限制，其分辨率低于100*100。

在扫描MVD，由于发光区矩阵不是二维的，因此，分辨率仅与发光元件的组成有关，二者有线性关系，发光元件愈多，分辨率愈高。未发现有对比度降低等问题。1

LED矩阵在首次生严隔个人用虚拟显示器中，8.4mm的模片上共有280个LEDs，每个分立的LED的尺寸为30μm*15μm。tmx1。5l‘m。每个LED都有各自的电流驱动器，这些驱动器制备在分立的硅模片上，LED的两侧各有一个硅模片，这种技术与LED打印机类似。由于间隙极其微小，所以在LED的每一侧各有两行导线束，这样，在任一给定的行中，导线束的间距为120m。这袖LED矩阵与LED打印极的矩淬基本相同，但LED的密集程度要高于打印机。MVD矩阵的几何缮构为850dpi（点/英寸)，而商品化LED打印条矩阵结构为300-400dpl。很多公司正在研制打印机用LED矩阵，促进了这一技术的发展，结果使得这种LED矩眸的价格更为低廉。

扫描MVD的分辨率主要受LED发光体尺寸的限制。目前，光刻技术的局限性使LED最小只能达到5一10微米。但是，在实际应用中，由于要把LEDs连到驱动器芯片上，所以其尺寸最小只能达到l5微米。因此，LED的尺寸主要是受显示器结构尤其是驱动器的限制，如果这一问题能够得解决，LED还可减小5—1O微米。目前，常规的多行导线束仍是最紧凑的互接手段。LED芯片的每侧各有三行导线束，允许LED的间距达到15微米。因此，用常规的导线束可使显示器的分辨率达到1000×1000。正在开发中的，用于超大规模集成电路(VLSI)多芯片组件的工艺可使接线密度进一步提高。将来；在硅衬底上集成GaAsLED发光体得以实用，即可不再使用芯外分立的引线束，这样可使虚拟显示器的分辨辜提高到4000×4000。1

放大透镜放大透镜是一种双元件装置，它是用塑料注射成型技术制成的，透镜的聚焦长度为33.6mm。对应于放大倍数7.6。采用了两个非球面表面，光学系统非常简单.尽管光路非常简单，但整个系统(包括观察者的眼睛在内)是受衍射限制的。聚焦调节范围为-1——+3屈光度，相当于使虚拟图象由250mm的近距离移至超出无穷远的1个屈光度。聚焦调节对于使用者来说是非常重要的，利用这一装置使用者能够舒适地观看MVD。

所需的透镜孔径根据视场、视力和出口光孔调整。例如，个人用显示器放大透镜的对角线清晰孔径为33mm。这可以使透镜的聚焦长度保持在尽可能短韵距离内，从而使显示器封壳的机拭尺寸减至最小。但是，如果透镜的聚焦长度远小于透镜的对角线，其光学性能就会变得极差，这就是说，很难使一个透镜快于F1.0。总之，这些具有约束性的条件限定了LED矩阵的最小长度。由于透镜的聚焦度变短，LED矩阵的尺寸也应福应变小。这样就降低显示器的功耗，根据是。在给定向亮度下。功耗正比于发射体尺寸的平方。我们已经知道，光学放大系统不会使光源的固有亮度发生改变。1

扫描镜扫描部分仅由极少几个部件组成，大部分是塑料注射成型的。扫描镜其基座为轴而旋转，没有采用往的以中心轴旋转的方式。由于这种差别，就可以使用较小的扫描镜。镜面的振动频率为50Hz，由一个微型音频电机驱动。虽然镜面端点移动的弧度长大于8mm，但电机的驱动功耗小于10mW。音频线圈电机的磁铁部分也安装在挠性装置上。旋转后其共振频率与镜面匹配。镜面与磁铁一起形成。协调音叉结构，这样就可以抵消镜面快速运动而产生的阻力。镜面背部的一个薄片在IRLED和光敏晶体管之间运动，使LED刊与镜面同步运动。光敏晶体管的信号还输入到镜面驱动伺服系统。1

电路系统图3给出了显示器的电路结构。屏幕由缓冲存储器产生的50Hz信号连续刷新。可以以高达30帧/秒范围内的任意速率输入新的画面。图像数据以比特图形式由主处理机输至显示装置，可以输入完整的比特图形或任意局部图形。在适当的时刻读出常规的6000门矩阵座标以与镜面的正弦运动相匹MVD的电路框图。1

灰度个人用虚拟显示器具有单一比特画面缓冲器，同时，LEn在整个列时间内接通。结合复台式比特一每个象索(bit—per—pixe1)比特图形技术，就可以利用时间分配多路传输来控制灰度。1

颜色这一技术还可以进一步扩展以制备彩色显示器。方法是附加绿色和蓝色发光体的线性矩阵。基于扫描显示器的工作原理，有可能以三位一体的形式实现三色象素的完全重叠，这对于尖端显示器是非常重要的。彩色图象的质量要远优于其它虚拟显示技术。

虽然LED矩阵是一种理想的矩阵技术，但绿色和蓝色的单色LED矩阵尚需一段时间才能实现。同时。其它技术一如光阀也会用于全色虚拟显示器。目前，我们正在开发不采用LED的彩色技术。有希望实现分其中用微型CRT作显示源的数以百万计。这种取景器中使用的管子分辨率相当低，分辨率的管子过于昂贵。1

液晶显示器LCDs是一种可以显示全尺寸画面的、优良的显示器，每个分立像素的面积为几百平方微米。然而， 对于微型虚拟显示器的应用来说，要求像素素的尺寸大大减小，这是一个难以解决的问题。AM LCDs所存在的问题是当像素尺寸减小时，图象质星变差原因像素的无效部分占了整个像素的很犬部分。 STN LCD静显示区没有有源元件，但是像素的间隙越大。1

发展历史产生背景20世纪中期，由美国National Instrument公司提出“虚拟仪器”的概念，虚拟仪器的基本系统构架包括功能强大的软件)模块化的测量硬件以及标准化的商业科技产品（如个人电脑和英特网）随着计算机软硬件技术、电子技术、总线（计算机总线和测试领域扩展总线）技术的快速发展，虚拟仪器系统以传统仪器无可比拟的速度迅猛发展，在电子、石化、冶金、机械、航空航天、能源、科研和教学等领域得到了广泛应用。2

研发历史世界上最先开发出虚拟显示屏技术的Lumus公司成立于2000年， 目前该公司已开发出两种靠近眼睛的产品，一种是头戴式显示器(HeadWom Display)，这是一个又轻又小的透视式显示装置，可以附加到头盔上或像佩戴眼镜一样佩戴；另一种是可佩戴的智能终端(Wearable SmartTermina1)，是一种可以与外部装置(如计算机、手机、PDA等)直接相连，或通过无线方式与外部装置相连的头戴式显示器，可以用于移动或室外情况。目前该公司的产品只面向高端用户，如医疗、安全保卫和军事方面的行业用户。除了这项产品之外，该公司还开发了具备无线传输(如蓝牙、Wi-Fi)功能的可戴式智慧影像输出装置(WearableSmart Terminal，WST)，电脑或手机中的影像可以透过无线传输的方式， 传入这个头部装置， 将投影放大在自己面前。

值得一提的是， 无独有偶，在Lumus公司开发出虚拟显示屏的同时，韩国SunyangDNT公司也推出了类似的投影设备。Sunyang DNT是开发手机摄像头的一家IT厂商，但在2006年5月也发布了一款为手机研制的便携式平视显示器(Head Up Display，HUD)产品— — 便携式平视显示投影仪。这款投影仪可以放大手机、便携式个人多媒体播放器(PMP)、数字多媒体广播(DMB)等装置中LCD屏幕上的画面，而投影仪本身则可以显示12—13英寸的画面。这种产品在2006年9月已进入量产阶段。3

应用前景虚拟显示屏技术有着极广泛的应用前景，它可以应用到军事、安全保卫、卫生医疗、娱乐、教育、金融证券、企业内部管理和通信、家庭成员间交流等多个方面。例如，外科医生可以利用这一产品来辅助做手术；安全保卫人员可以在观察身边的同时观看来自监控闭路电视的实时视频图像，从而全面掌握监控区域的动态。而士兵可以在搜索新区域的同时收看来自高空卫星传来的地图和空中摄影直升机、预警机等平台发送的实时视频和图片， 以便对周围的危险做出最快的反应，及时躲避危险，更好地消灭敌人。这些都有赖于虚拟显示器的普及和应用。4

据媒体报道，Lumus公司计划在未来的两年内再推出两款革命性的产品， 其中一款是眼镜头部成像装置(Head Mounted Display，HMD)，这款产品是将原本的头部装置整合到新型的眼镜内部，使用者只需要戴上眼镜，就可以直接在眼镜的镜片上成像。另外一款产品是手机投影装置(Hand HeldDevice，HHD)，该产品采用与HMD同样的技术，但是直接利用手机在周围环境做投影。该公司声称用户只要透过1．5cm大小的镜头，便可在空气中投影出大约1 5英寸大小的画面。有了这项技术，相当于随身携带了一台小型投影仪。届时，美国经典影片《星球大战》里对话的双方通过先进的通信设备进行面对面似地立体图像交流将不再是科学幻想。3

想象一下有一天众多的消费者可以边走路边戴着眼镜看DVD或者在网上冲浪的情景吧。只需对着眼镜就可以在人声鼎沸的商场里旁若无人地直接操作手机买卖股票，或是在鸟语花香的公园里一个人躺在长椅上欣赏自己喜欢的电影或电视节目， 或是在公共场所与亲友进行私密的通话⋯ ⋯ 科技，就是这样改变着我们的生活，让我们的生活更丰富多彩，更快捷便利。4