基于二維MEMS器件的微型投影技術(shù)

江 倫，宋志化,2，安 巖

（1.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

引言

微型投影技術(shù)主要是指采用發(fā)光二極管（LED，light emitting diode）為光源,以液晶顯示器（LCD，liquid crystal display）或數(shù)字微鏡元件（DMD，digital micromirror device）作為顯示單元并借助投影系統(tǒng)光路成像的一種現(xiàn)代顯示技術(shù)，現(xiàn)已有許多方面的研究成果并實現(xiàn)了商業(yè)化[1]。微機電系統(tǒng)（MEMS，micro electro mechanical system）便是DMD 的主要組成元件[2]，但在DMD 中使用的是一維偏轉(zhuǎn)MEMS。隨著超精密加工技術(shù)的進一步發(fā)展，現(xiàn)有MEMS 掃描振鏡可實現(xiàn)二維偏轉(zhuǎn)并可進行投影顯示[3-6]。激光二極管（LD，laser diode）與LED 相比單色性更好、光功率高，可實現(xiàn)亮度高、色域廣、節(jié)能的圖像顯示。雖然LD 方向性較好，但有一定發(fā)散角，光強呈高斯分布，使用在微型投影領(lǐng)域需要進行光束整形處理。車載平視顯示系統(tǒng)（HUD，head up display）可將導(dǎo)航圖像，車輛行駛狀況等信息顯示在擋風(fēng)玻璃上，近年來發(fā)展迅速，已有多方面研究成果[7]在部分車型上得到了應(yīng)用[8]。然而大部分都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電能利用率不高等問題[9]。

隨著激光二極管、MEMS 掃描振鏡等器件性能的不斷提高，發(fā)展日益成熟，二維MEMS 器件可用作激光雷達系統(tǒng)[10]，也有學(xué)者提出使用激光掃描MEMS 投影系統(tǒng)作為HUD 系統(tǒng)的顯示器件[11]，圖像被逐個像素點投射在顯示區(qū)域，實現(xiàn)以時間為順序的圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎S目視圖像，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、電效率高等優(yōu)點，然而鮮有關(guān)于此結(jié)構(gòu)的光學(xué)部分系統(tǒng)設(shè)計。本文依據(jù)現(xiàn)有激光二極管光源的參數(shù)特性，MEMS 掃描振鏡性能作為光學(xué)系統(tǒng)初始條件，采用物鏡后掃描系統(tǒng)，設(shè)計了光束成形結(jié)構(gòu)，通過全視場點列圖，幾何圈入能量等參數(shù)評估投影畫面性能。設(shè)計結(jié)果可用在小型投影設(shè)備，例如HUD 中，也可為類似光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 投影技術(shù)對比分析

基于LCD 投影技術(shù)的顯示器件是液晶面板，原理是用電信號控制液晶單元的透過率實現(xiàn)成像，屬于投射式。像素需要點亮的部分透過率較高，不需要點亮的的部分透過率低，但光不能被完全阻擋，這就是為什么液晶顯示器不能顯示完美的黑色，表現(xiàn)在HUD 上面就是背景不能做到完全透明，圖像對比度低，如圖1（a）所示?；贒MD投影技術(shù)的顯示器件是微振鏡，用電信號控制成千上萬個振鏡反射入射光線來顯示所需要的像素，屬于反射式。像素需要點亮的部分光線能到達，不需要點亮的部分光線被反射到視野之外或被阻擋，因此在HUD 中背景可以做到透明，對比度較高，如圖1（b）所示[12-13]。以上兩種顯示技術(shù)中無論多少像素需要被點亮，光源都必須照射到整個像素陣列（LCD 或DMD）上，光能很大一部分都被浪費了，電能利用率低。

圖1 不同顯示元件的顯示效果對比示意圖Fig.1 Comparison of display effects with different display elements

基于MEMS 器件的車載平視顯示系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。它也是屬于反射式，背景能做到完全透明，由于激光二極管的單色性好，可以實現(xiàn)更廣的色域顯示，如圖1（c）所示。同時在激光掃描MEMS 投影中，僅在像素需要被點亮的部分，激光二極管才被施以電脈沖開始工作，大大減小了電能需求。由于該結(jié)構(gòu)相對比較簡單，投影系統(tǒng)的尺寸也能做到更小。國內(nèi)外有學(xué)者進行過類似的設(shè)計研究，例如，李昭等[14]使用兩片一維的掃描振鏡，投影所得為李薩如圖形；林俊國等[15]利用MEMS 設(shè)計了激光掃描視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)。以上系統(tǒng)大都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖像分辨率不理想的情況。

激光掃描MEMS 投影系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)投影系統(tǒng)的部分缺點,有發(fā)展?jié)摿?，技術(shù)性能對比如表1所示。

圖2 基于MEMS 器件的車載平視顯示器工作原理Fig.2 Schematic diagram of working principle of vehicle head-up displayer based on MEMS devices

表1 不同投影系統(tǒng)性能對比Table 1 Comparison of projection technology performance

2 投影系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計分析

根據(jù)產(chǎn)品調(diào)研結(jié)果，確定光學(xué)系統(tǒng)初始參數(shù)。首先選擇發(fā)光亮度滿足要求的激光二極管，根據(jù)激光二極管的性能參數(shù)來決定光學(xué)系統(tǒng)的光源類型，以便后續(xù)的整形處理。確定MEMS 器件的相關(guān)性能指標(biāo)，例如MEMS 器件鏡面大小，最大掃描角度、掃描頻率等。表2 為本系統(tǒng)擬采用歐司朗公司的PL-520B 激光光源，OPUS 公司的OP-6200MEMS 器件的基本參數(shù)，圖3 為元器件照片。

表2 激光光源和MEMS 器件的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of laser source and MEMS device

從表2 中可看出，激光二極管封裝尺寸小，出射光束發(fā)散角也較小，光場類型為高斯模式，同時由于橫向、縱向發(fā)散角不同，出射光束橫截面為橢圓形，這都給激光光束的直接投影應(yīng)用帶來困難。二維MEMS 器件采用柵式掃描，高速軸通過脈沖寬度調(diào)制（PWM，pulse width modulation）電壓信號驅(qū)動，低速軸可由特定電壓波形控制運動軌跡。鏡面尺寸較小，激光光束需要盡可能多地入射到此鏡面上，又由于技術(shù)限制，慢軸掃描角度和掃描速度并不相同，設(shè)計時需要考慮這些限制。綜上所述，設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時需要將激光二極管的光束和MEMS 器件相匹配，以提高光束利用率，同時合理利用MEMS 器件的偏轉(zhuǎn)特性，達到最好的顯示效果。

圖3 激光光源和MEMS 器件照片F(xiàn)ig.3 Photos of laser source and MEMS device

2.2 設(shè)計方法

在以上初始條件約束下，為了滿足激光掃描MEMS 投影系統(tǒng)要求，本文設(shè)計了綠光的整形、匯聚及準(zhǔn)直光束的光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直端結(jié)構(gòu)，保證了入射到MEMS 器件的光斑尺寸在1 mm 以內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。系統(tǒng)包含3 片透鏡，分別為雙錐面透鏡，偶次非球面透鏡，雙錐面透鏡，投影距離為100 mm。優(yōu)化過程是：首先約束激光光源快軸的發(fā)散角，使出射面為圓形，再利用非球面透鏡進行縮束，在合適距離處放置最后一片雙錐面透鏡使光束平行出射，優(yōu)化過程中為便于后期組裝第一面和最后一面為平面，保證玻璃、空氣厚度適中以便于加工，用DMLT 操作數(shù)約束像面幾何半徑，REAX、REAY、RSCH 等操作數(shù)約束像面坐標(biāo)；RAID 操作數(shù)約束出射光束發(fā)散角。設(shè)計過程中MEMS 用反射鏡代替，始終保證像面尺寸小于MEMS 的尺寸。對應(yīng)的像面點列圖如圖4 所示。從圖4 可見，光強分布較為均勻，而且近似為圓形。系統(tǒng)的能量分布圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，80%能量集中在幾何半徑約為128 μm 的圓內(nèi)，可作為單個像素點顯示。

圖4 綠光光源光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Optical system structure of green light source

圖5 像面點列圖Fig.5 Spot diagram of image plane

圖6 幾何圈入能量分布Fig.6 Geometric encircled energy

要實現(xiàn)全彩顯示，就要加入RGB 三色激光光源。因為紅光，綠光，藍光的波長差別較大，直接套用綠光的結(jié)構(gòu)無法達到使用要求，需要重新進行優(yōu)化。如果采用全新的結(jié)構(gòu)，藍光和紅光光源采用的透鏡都不相同，會明顯增加后期的加工成本。因此本文在現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變光束波長，重新優(yōu)化透鏡參數(shù)，消除因光源波長改變帶來的影響，使光束質(zhì)量達到要求，但同時要盡量少改變參數(shù)。最終通過改變中間偶次非球面透鏡的參數(shù)及第2 片透鏡到第3 片透鏡的距離，實現(xiàn)了與綠光相似的整形效果，大大減小了后期的加工成本，具有較好的實用價值。3 套光學(xué)系統(tǒng)出射光束尺寸一致，再經(jīng)過3 片反射鏡進行整合，共用一路輸出。RGB 三色光源光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 RGB 三色光源光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 RGB three-color source optical system structure

將MEMS 器件應(yīng)用到系統(tǒng)中，并加入偏轉(zhuǎn)角度，如圖8 所示。按照目前主流顯示器的顯示比例將像面尺寸比例定為16:9，將MEMS 器件的橫向偏轉(zhuǎn)角度定為15°，縱向偏轉(zhuǎn)角度約為8°，借助MEMS 器件的二維掃描特性，根據(jù)角度控制每個像素點的位置，使像面形狀規(guī)則。得到最終成像面的9 點圖，如圖9 所示。

圖8 整體結(jié)構(gòu)三維布局圖Fig.8 Three-dimensional layout diagram of overall structure

圖9 像面9 點圖（單位：μm）Fig.9 Nine-point diagram of image plane (unit: μm)

基于MEMS 器件的微型投影光學(xué)系統(tǒng)中，單個準(zhǔn)直端尺寸約為5 mm×5 mm×8 mm，整體光學(xué)結(jié)構(gòu)的投影端的尺寸約為5 mm×10 mm×30 mm，與基于DMD 投影技術(shù)的光學(xué)投影端的尺寸20 mm×50 mm×80 mm[9]相比大大減小。此設(shè)計利用了激光二極管和MEMS 器件的特性，采用物鏡后掃描系統(tǒng)，每種顏色的光源整形僅用3 片透鏡，簡化了投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時滿足投影的要求。

3 結(jié)果驗證

3.1 成像質(zhì)量驗證

評價成像質(zhì)量主要依據(jù)9 點圖和像面像素點的大小，通過9 點圖的坐標(biāo)可得到像面尺寸，畸變大小。表3 為9 點圖中9 個參考像素點的坐標(biāo)位置（以標(biāo)號5 的位置為偏轉(zhuǎn)原點）。

表3 9 點圖坐標(biāo)位置Table 3 Coordinate position of nine-point diagram

式中：DH,DV為橫向、縱向畸變；H1為1 點到3 點的距離；H2為7 點到9 點的距離；H3為4 點到6 點的距離；V1為1 點到7 點的距離；V2為3 點到9 點的距離；V3為2 點到8 點的距離。

根據(jù)（1）式和（2）式計算橫向、縱向像面畸變分別為0.2%和0.1%，可見像面形狀規(guī)則，無明顯畸變。同時可得像面尺寸約為104 mm×59 mm，可作為車載平視顯示系統(tǒng)的顯示屏，不會遮擋駕駛員視線。

下面分析像面9 點單個像素的大小。由于采用物鏡后掃面系統(tǒng)像面會發(fā)生場曲，并且MEMS器件的偏轉(zhuǎn)也會造成像差，最終造成中心像素點幾何尺寸最小，形狀規(guī)則，邊緣像素點會出現(xiàn)不同程度的變形，幾何尺寸也會變大，9 個參考點的點列圖如圖10 所示。

圖10 像面9 個點的點列圖Fig.10 Spot diagram of nine-point on image plane

3.2 掃描方式分析

為了使像素密度足夠高，同時保證每個像素點的能量得到充分利用，并且人眼對圖像邊緣的亮度衰減和圖像質(zhì)量退化不是很敏感，通過分析幾何圈入能量，取圈入能量為80%時的光斑半徑為單個像素點半徑，得到的結(jié)果如表4 所示。

表4 9 點圖的像素半徑Table 4 Pixel radius of nine-point diagram

由于RGB 三色光源的像素半徑不盡相同，此像素半徑明顯比綠光單色光源時的像素半徑大。由表4 可得7 點和9 點像素半徑最大為186 μm，用0.5 d 表示。若像素是正方形排列，如圖11（a），橫向、縱向像素間隔相同，根據(jù)橫向、縱向尺寸中可以容納的像素個數(shù)，便可得到像面的分辨率為279×158 pixel。若像素是正六邊形排列，如圖11（b）所示，橫向像素間隔是0.5 d，縱向像素間隔是0.87 d，根據(jù)橫向、縱向尺寸可得到像面的實際分辨率為558×182 pixel。由上述分析可知，正六邊形的像素排列比正方形像素的排列分辨率要高，故此像面采用正六邊形排列[16]。因為像面尺寸比例為16:9，與實際分辨率比例并不匹配，會造成圖像發(fā)生變形，后期視頻信號處理時可以直接以558×314 pixel的分辨率輸出畫面。

圖11 像素的兩種排列方式Fig.11 Two ways of arranging pixels

我們分析圖像所能實現(xiàn)的幀率。根據(jù)分辨率要求，實現(xiàn)一幀畫面的顯示，激光光源需要變換的頻率為558×182=0.1 MHz，MEMS 器件在2 個方向上分別需要掃描558 次和182 次。為了實現(xiàn)人眼對動態(tài)畫面的要求，每秒需要掃描30 幀畫面，對激光光源的調(diào)制頻率要求約為3 MHz，遠小于上文列出的激光光源調(diào)制頻率。MEMS 器件在2 個方向需要的掃描頻率為16.7 kHz 和5.5 kHz。掃描方式為柵式，原理如圖12 所示。光束從畫面左上角開始，向右掃描一條直線，然后迅速掃到右下行的位置，再向左掃第二條水平線，照此固定路徑及順序掃下去，直到光束到達右下角。

圖12 柵式掃描原理圖Fig.12 Schematic diagram of grid-type scanning

4 設(shè)計結(jié)果

表5 列出了光源和MEMS 器件需要滿足的最低要求和最終實現(xiàn)的圖像效果。如果采用更高標(biāo)準(zhǔn)的元件，也能實現(xiàn)更好的效果。該投影系統(tǒng)分辨率超過WQVGA 標(biāo)準(zhǔn)，足以顯示車況基本信息，30 幀/s 的畫面也可以顯示動態(tài)圖片，在HUD 中能夠滿足及時顯示導(dǎo)航，車速等信息要求。

表5 設(shè)計結(jié)果參數(shù)Table 5 Parameters of design results

5 結(jié)論

本文設(shè)計了用于激光掃描MEMS 投影技術(shù)的光束成形系統(tǒng)，給出了整體系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并對成像結(jié)果、掃描方式進行優(yōu)化分析，最終的像面尺寸為104 mm×59 mm，分辨率為558×314 pixel,可以30 幀/s 畫面顯示。和傳統(tǒng)投影技術(shù)相比，基于MEMS器件的微型投影系統(tǒng)尺寸更小，功耗更低，同時結(jié)構(gòu)也相對簡單，可減少制作加工成本，比較適合用在HUD 系統(tǒng)中，是一種新型投影方式，具有一定的商業(yè)發(fā)展?jié)摿?。同時本系統(tǒng)也存在一些不足，主要是像面尺寸偏小，分辨率低，造成應(yīng)用范圍窄，可通過技術(shù)改進或是采用多個微型投影系統(tǒng)組合使用來解決。