Лазерный микропроектор со спиральной разверткой

В микропроекторах для синтеза изображения можно использовать две базовые схемы: на основе двумерного пространственного модулятора (просветные LCD, LCOS, DMD) или же с узлом механического сканера, обеспечивающего позиционирование (развертку) одного луча от монохромного или цветного источника.

ЖК–панели малоэффективны с точки зрения использования ограниченного ресурса батарей или аккумуляторов в мобильных устройствах, поскольку бóльшая часть световой энергии задерживается на модуляторе. Для модуляции нужен поляризованный свет. Если просто использовать пленочные поляризационные фильтры, то только на них будет потеряно более 60% световой энергии. Да и размер проекционной системы получается большой, несмотря на то, что в настоящее время имеются компактные микродисплейные модуляторы с размером экрана 0,7 дюйма и разрешением 1280×1024 пикселя. Большой объем занимают также оптика и источники подсвета. Известны и голографические проекторы. Но оборудование для их реализации довольно сложное, дорогое и громоздкое. В настоящее время нет перспектив для использования голографических систем в мобильных устройствах.

Проекторы с механической разверткой в плане экономичности более предпочтительны. Действительно, в процессе развертки источник света работает в импульсном режиме и обеспечивает подсветку только светящихся пикселей. При этом небольшая доля энергии расходуется на электронику привода. Сам привод потребляет очень мало энергии, поскольку механические подвижные детали очень малы, и мала амплитуда их перемещения. В качестве источников могут использоваться лазерные светодиоды или твердотельные лазеры, которые имеют довольно большую эффективность излучения: 10–20%. Сейчас освоен серийный выпуск относительно недорогих, компактных и эффективных лазерных светодиодов и твердотельных лазеров. В частности, разработаны модули RGB лазерных излучателей OSRAM (рис. 1), которые предназначены для микропроекторных систем.

Сканирующие лучевые системы имеют преимущество: их разрешение практически не зависит от размера устройства сканера. Разрешение определяется лишь частотой движения механического сканера и возможностью модуляции источника света.

Одно из таких устройств — двухкоординатный зеркальный сканер. Двухкоординатные MEMS зеркальные сканеры в настоящее время широко используются в качестве сканеров изображения, в 2D–считывателях штрихкодов, а также в проекционных системах. В их конструкцию входит единственное микрозеркало, которое обеспечивает развертку лазерного луча по координатам X и Y. На рис. 2 показана оптическая схема модуляции лазерного луча MEMS–сканером.

Фирма Microvision выпускает модули MEMS–сканеров, которые используются как в лазерных считывателях штрихкодов, так и в развертке дисплейных устройств (рис. 3).

Размер зеркала для монохромного сканера Microvision составляет 1,4 мм. Коэффициент отражения зеркала — 85–90%. Углы поворота зеркала: по горизонтали 6,7°, а по вертикали — 4,7°. Частота сканирования по строкам — 19 200 Гц, по кадрам — 60 Гц.

Микрозеркало имеет две степени свободы. Оно может поворачиваться вместе с первой рамкой вокруг одной оси, а внутри второй рамки — вокруг другой оси, направление которой перпендикулярно первой оси. Механическое отклонение зеркала модулятора может осуществляться актуаторами, в которых используются силы электростатического и электромагнитного полей или же пьезоэффект. Развертка производится в декартовых координатах. Применяется режим механического резонанса и коррекция нелинейности движения за счет использования механизмов обратной связи и формирования сигналов управления приводом встроенным сигнальным процессором. Применяется также буферизация и предкоррекция видеоизображения.

Однако компактность микропроекторов на основе сканера Microvision существенно ограничена необходимостью использования оптической системы для формирования выходного светового потока. Оптика занимает внушительную часть пространства проектора.

Сканирующее устройство со спиральной разверткой

На факультете инженерной механики Вашингтонского университета разработана новая перспективная конструкция микропроектора. Микропроектор имеет две исключительных особенности, которые отличают его в ряду других проекторов с механической разверткой луча. Первое — это уникальные размеры: головка сканера (рис. 4) имеет форму цилиндра диаметром всего 1,07 мм и длиной 13 мм!

Вторая ключевая особенность конструкции сканера — спиральная развертка луча, а если точнее, по спирали Архимеда. При таких малых размерах обеспечивается довольно широкий угол сканирования — около 100°. В других устройствах для достижения такого широкого угла потребовалась бы дополнительная оптика и приличный объем пространства. Пока что был разработан монохромный прототип проектора (рис. 5).

Выходная яркость проектора невысока, но и мощность потребления очень низкая — всего несколько мВт. Данный тип микропроектора не предназначен для формирования ярких изображений большого формата. Основные его достоинства — суперкомпактность и экономичность, что немаловажно при низком ресурсе источника питания.

Кантиливера (продолговатый подвижный элемент (полоска, трубка), закрепленный с одного конца) крепится к торцу трубки пьезопривода (материал PZT 5A). Внутри трубки проходит оптоволокно, через которое передается модулированный поток света от лазерного светодиода (рис. 6). Светоизлучающий кончик световодного волокна выполняет движение по спирали. Сигнал изображения, поступающий в обычном формате растровой развертки, буферизуется в видео–ОЗУ (рис. 7). Для модуляции лазерного светодиода формируется другой выходной видеопоток данных, представленных уже в полярных координатах. Структура проектора содержит следующие компоненты:

• формирователь сигналов изображения (преобразователь карты изображения из декартовых в полярные координаты);
• лазерный излучатель с усилителем;
• оптоволокно;
• пьезопривод;
• кантиливеру сканера;
• схему управления сканирующим приводом;
• оптику выходного объектива;
• корпус (трубку).

Для управления пьезоприводом на одну систему электродов подаются сигналы синуса, а на другую — косинуса. Амплитуда сигналов — ±15 В. Сигналы имеют временную модуляцию по амплитуде. В результате воздействия сигналов торец пьезотрубки двигается по круговой траектории с изменяемой амплитудой.

Конструкция нового проектора появилась в результате проведения на факультете университета работ над двумя проектами. Первый проект был нацелен на разработку компактного дисплея для носимой электроники (wearable Electronics) c невысоким разрешением. Этот дисплей предназначен для визуализации изображения для пользователей с пониженным зрением. Дисплей имел обычную растровую развертку и разрешение 100×39 пикселей. Второй проект факультета был посвящен разработке новой системы эндоскопа со сканированием. Более подробно результаты этой работы будут рассмотрены далее.

В результате реализации этих двух проектов и была разработана конструкция нового типа механического сканера для микропроектора, который может быть использован для сектора мобильной аппаратуры (рис. 8).

В сканере использовалась гибкая кантиливера на основе стеклянного оптоволокна диаметром 125 мкм и длиной 4,3 мм. Для развертки применялся режим механического резонанса. В этом случае небольшие исходные механические смещения пьезоактуатора, передаваемые на ось кантиливеры, усиливались в сотни раз на ее кончике! Угол отклонения кончика кантиливеры достигает 100°. Частота резонанса — 5 кГц. Кольцевая развертка содержит 250 колец. Изображение имеет разрешение, эквивалентное разрешению 500×500 линий растрового дисплея.

Как и в любой механической, для спиральной развертки есть фаза обратного хода возврата луча в центр спирали. Возврат луча производится по спирали с более крутым шагом. То есть полезная фаза содержит 250 витков спирали, а фаза обратного хода (retrace) состоит из 83 колец. Фаза обратного хода не подсвечивается светодиодом. Для каждого витка используется одинаковое число пикселей — 2000. Частота дискретизации пикселей — 10 МГц. Длительность фазы полезной развертки — 50 мс. Частота развертки — 15 Гц (прямой + обратный ход спирали).

В качестве источника света используется лазерный мощный красный светодиод Mells Griot 57ICS 072/S в одномодовом режиме. Скорость и угол развертки, а также разрешение являются конфигурируемыми параметрами и могут определяться пользователем в зависимости от текущей задачи приложения.

Поскольку это всего только прототип, изображение имеет некоторые артефакты, связанные с нелинейностью модуляции и движения. Однако этот вопрос можно решить введением специальной коррекции управляющих сигналов.

Архимедова спираль — спираль, плоская кри вая, траектория точки M (рисунок), которая рав номерно движется вдоль луча OV с началом в O, в то время как сам луч OV равномерно вращает ся вокруг O. Другими словами, расстояние ρ = OM пропорционально углу поворота φ луча OV. Пово роту луча OV на один и тот же угол соответствует одно и то же приращение ρ.

Уравнение Архимедовой спирали в полярной системе координат записывается так:

ρ = kφ,

где k — смещение точки M по лучу r, при поворо те на угол, равный одному радиану.

Рисунок. Форма архимедовой спирали

Долговечность и надежность

Прототип сканера непрерывно проработал в течение 3377 часов, после чего его развертка была остановлена, а элементы конструкции тщательно осмотрены. В результате осмотра не было обнаружено никаких механических повреждений или наличия механической усталости. Конструкция подвижных частей сканера — пьезопривод и подвижное оптоволокно сканера — имеют достаточный потенциал ресурса и надежности для применения в серийных изделиях.

Потенциальные возможности технологии сканера

Для повышения разрешения до уровня HDTV или частоты развертки для передачи видеоизображения высокого качества требуется увеличить частоту резонанса кантиливеры сканера. Очевидно, что резонансная частота кантиливеры определяется ее длиной и гибкостью. Гибкость зависит от диаметра оптоволокна. Следовательно, для увеличения резонансной частоты достаточно использовать оптоволоконную кантиливеру меньшего диаметра и с меньшей длиной. Например, при использовании кантиливеры диаметром 80 мкм и длиной 2,4 мм можно получить резонансную частоту на уровне 10 кГц. Работая на данной частоте, можно получать частоту развертки 30 Гц при том же разрешении 500 линий или же повысить разрешение до 1000 линий, но снизить кадровую частоту развертки до 15 Гц.

Синтез цветного изображения

Цветность изображения, получаемого с помощью спирального сканера, определяется только типом используемых источников света. Источники света, подходящие для проектора, должны иметь достаточную мощность и эффективность, быть компактными и недорогими, а также должны иметь возможность для управления модуляцией по яркости. В настоящее время имеется широкий выбор лазерных светодиодов красного и голубого света, например Thor Labs LPS–635 (красный 635 нм) или Nichia NDHB510APAEI (440 нм голубой). Однако нет мощных лазерных светодиодов, работающих в диапазоне зеленого спектра. Поэтому в качестве источника зеленого излучения используются твердотельные лазеры, например производства Corning и Novalux. Источники сопрягаются с одномодовым оптоволокном, а затем их потоки объединяются с помощью оптического сплиттера–комбайнера, например такого, который выпускает фирма SIFAM Fibre Optics Ltd. (635/532/460 RGB combiner).

Использование сканера со спиральной разверткой в эндоскопии

Эндоскопы классического типа представляют собой жгут, состоящий из множества стеклянных оптоволоконных нитей. Основные производители медицинских эндоскопов — две японские фирмы, Pentax и Olympus, известные также как производители фотокамер и другого оптического оборудования. Центральные волокна обеспечивают пиксельную «доставку» изображения, а через периферийные волокна, расположенные по окружности оптоволоконного жгута, осуществляется подсветка зоны наблюдения от внешнего источника света. Чем тоньше жгут, тем более он удобен в медицинских приложениях. Разрешение эндоскопа определяется числом волокон в центральной части жгута. Передача изображения производится по системе: один пиксель — одно оптоволокно. Толщина жгута зависит от разрешения.

Недостатки классических эндоскопов:

• для большего разрешения нужен жгут большого диаметра;
• полученное изображение имеет ярко выраженную «сотовую» структуру с темными границами;
• эндоскопы с большим числом оптоволокон не имеют достаточной гибкости;
• высокая цена;
• хрупкая конструкция.

Для преодоления этих недостатков сотрудники факультета инженерной механики Вашингтонского Университета разработали альтернативную архитектуру эндоскопа на основе одного сканирующего оптоволокна — SFE (Scanning Fiber Endoscope).

Вместо связки волокон для передачи изображения в нем используется всего одно сканирующее оптоволокно. Толщина всей конструкции жгута эндоскопа становится существенно меньше. На рис. 10 показано сравнение структур классического (рис. 10а) и SFE–эндоскопа (рис. 10б).

Вместо центрального ядра из множества волокон в SFE используется та же сканирующая головка, которая уже была рассмотрена. В отличие от классической схемы подсветка объекта обеспечивается сканером, а прием света — через периферийные волокна, расположенные по кругу жгута. Работа над проектом была начата еще в 2000 году. Конструкция сканирующей головки со спиральной разверткой для проектора была впервые использована в SFE–эндоскопе, только в другом качестве. На рис. 11 показана структура блока электроники — базовая станция управления SFE–эндоскопом.

Для получения цветного изображения используются три RGB источника света. Общая мощность источников подсвета в эндоскопе — всего 5 мВт.

С помощью сплиттера свет от трех источников объединяется и согласуется с оптоволокном. Затем RGB световой поток по световолокну поступает на сканер. Отраженный от объекта свет попадает в апертуры световодов фотоприемников и «доставляется» по отдельным RGB–каналам фотоприемников. В качестве приемников использовались лавинные фотодиоды Hamamatsu, C5460Si.

В схеме интерфейса пользователя применялась ПЛИС и быстродействующие видео–АЦП. Для простоты обработки и синтеза использовалась последовательная по кадрам цветовая подсветка. Синтез изображения осуществлялся программно (рис. 12).

Преимущества SFE–эндоскопа:

• высокое разрешение, эквивалентное использованию жгута, состоящего из 30 000 оптоволокон;
• гибкость эндоскопа гораздо выше — радиус изгиба жгута может быть меньше в 10 раз, чем у эквивалентного по разрешению классического эндоскопа;
• нет ячеистой структуры изображения;
• для подсвета необходимо энергии меньше в десятки раз.

Литература

1. Schowengerdt B. T., Kundrat M. J., Lee C. M., Johnston R. S., Melville C. D., Reinhall P. G., Seibel E. J. Miniature Wide–Throw–Angle Scanning Fiber Projection Display. Department of Mechanical Engineering, University of Washington, Seattle, WA, USA.
2. Seibel E. J., Johnston R. S., Melville C. D. A full–color scanning fiber endoscope. Department of Mechanical Engineering and Human Interface Technology Laboratory, University of Washington, Seattle, WA, USA.
3. Самарин А. Дисплейные микропроекторы для мобильных приложений // Электронные компоненты. 2006. № 10.
4. Gruger H., Heberer A., Gerwig C., Nauber P., Scholles M., Lakner H. MOEMS Laser Projector for Handheld Devices Featuring Motion Compensation. Digest SID’07.
5. Самарин А. В. Проекционные дисплейные технологии, представленные на SID’07 // Современная электроника. 2007. № 7.