虛擬顯示器

虛擬顯示器是一種人們通過其中的光學系統來觀看圖像的顯示器。用虛擬顯示器觀看圖像與我們通常觀看CRT或LCD等顯示器的方式截然不同。常規顯示器的顯示畫面可供多人觀看. 人們以通常的觀看方式即可看到圖像; 而人們在觀看虛擬顯示器時, 必須在近距離採用向內觀看的觀察方式。

虛擬顯示器的基本元件有：由幾百個微型LEDs組成的一個線性矩陣，一個放大透鏡和一個掃描鏡。見圖l。通過透鏡。LEDs矩陣的高度星14°，對應於一個單一的象素列掃描鏡垂直運動使虛擬圖像產生水平運動。由此掃出一個寬22°的矩形光柵顯示區。LEDs與掃描鏡運動同步發生接通/關斷動作，形成所需的圖象。

從理論上講。用類似的掃描技術可得到全尺寸顯示。確實，當LED矩陣長度接近全屏幕尺寸時，就不再需要

透鏡了。以此為基礎，已有過多種實驗型樣機的報導。遺憾的是，當擴展到全尺寸顯示器時，這種掃描技術會喪失很多優勢，當矩陣尺寸有稍許增加時，顯示器的功耗和重量會增大許多，即後者隨着前者增加而呈指數增長。隨着尺寸變大，成本呈線性增長，問題在於。大型掃描顯示器沒有與CRT技術競爭的可能。反之。顯示器的尺寸越小，這種掃描技術的效果就越明顯，其優勢也更為爽出。當顯示器為微型裝置時，其成本、功耗和重量都下降許多。 ^[1]  這裏主要展示個人虛擬顯示器（MVD）的基本技術及元件。

由於MVD的發光區僅要求一個一維短陣，所以掃描技術對於MVD是非常適用的。在一維矩陣中只要用幾百個有源元件就能夠產生高分辨率顯示圖象，而要形成二維矩陣則需要採用幾十萬個有源元件。結果。在生產MVD的過程中可得到相當高的成品率。大量的事實已經充分證明了這一點。如果我們假定分立的LED的成品率為99.9%，那麼280個LEDs構成的一維矩陣的成品率為75%。這一數值反映了目前的實際生產狀況。但是，在分立LED成品率相當的條件下，如果我們要製備含有280×720個LEDs的二維矩陣，那麼，在10ⁿ個產品中僅有一個是完美無缺的。已經制造出一些LED-維矩陣，但由於成品率和安裝複雜性等因素曲限制，其分辨率低於100*100。

在掃描MVD，由於發光區矩陣不是二維的，因此，分辨率僅與發光元件的組成有關，二者有線性關係，發光元件愈多，分辨率愈高。未發現有對比度降低等問題。 ^[1] 

在首次生嚴隔個人用虛擬顯示器中，8.4mm的模片上共有280個LEDs，每個分立的LED的尺寸為30μm*15μm。tmx1。5l‘m。每個LED都有各自的電流驅動器，這些驅動器製備在分立的硅模片上，LED的兩側各有一個硅模片，這種技術與LED打印機類似。由於間隙極其微小，所以在LED的每一側各有兩行導線束，這樣，在任一給定的行中，導線束的間距為120m。這袖LED矩陣與LED打印極的矩淬基本相同，但LED的密集程度要高於打印機。MVD矩陣的幾何繕構為850dpi（點/英寸)，而商品化LED打印條矩陣結構為300-400dpl。很多公司正在研製打印機用LED矩陣，促進了這一技術的發展，結果使得這種LED矩眸的價格更為低廉。

掃描MVD的分辨率主要受LED發光體尺寸的限制。目前，光刻技術的侷限性使LED最小隻能達到5一10微米。但是，在實際應用中，由於要把LEDs連到驅動器芯片上，所以其尺寸最小隻能達到l5微米。因此，LED的尺寸主要是受顯示器結構尤其是驅動器的限制，如果這一問題能夠得解決，LED還可減小5—1O微米。目前，常規的多行導線束仍是最緊湊的互接手段。LED芯片的每側各有三行導線束，允許LED的間距達到15微米。因此，用常規的導線束可使顯示器的分辨率達到1000×1000。正在開發中的，用於超大規模集成電路(VLSI)多芯片組件的工藝可使接線密度進一步提高。將來；在硅襯底上集成GaAsLED發光體得以實用，即可不再使用芯外分立的引線束，這樣可使虛擬顯示器的分辨辜提高到4000×4000。 ^[1] 

放大透鏡是一種雙元件裝置，它是用塑料注射成型技術製成的，透鏡的聚焦長度為33.6mm。對應於放大倍數7.6。採用了兩個非球面表面，光學系統非常簡單.儘管光路非常簡單，但整個系統(包括觀察者的眼睛在內)是受衍射限制的。聚焦調節範圍為-1——+3屈光度，相當於使虛擬圖象由250mm的近距離移至超出無窮遠的1個屈光度。聚焦調節對於使用者來説是非常重要的，利用這一裝置使用者能夠舒適地觀看MVD。

所需的透鏡孔徑根據視場、視力和出口光孔調整。例如，個人用顯示器放大透鏡的對角線清晰孔徑為33mm。這可以使透鏡的聚焦長度保持在儘可能短韻距離內，從而使顯示器封殼的機拭尺寸減至最小。但是，如果透鏡的聚焦長度遠小於透鏡的對角線，其光學性能就會變得極差，這就是説，很難使一個透鏡快於F1.0。總之，這些具有約束性的條件限定了LED矩陣的最小長度。由於透鏡的聚焦度變短，LED矩陣的尺寸也應福應變小。這樣就降低顯示器的功耗，根據是。在給定向亮度下。功耗正比於發射體尺寸的平方。我們已經知道，光學放大系統不會使光源的固有亮度發生改變。 ^[1] 

掃描部分僅由極少幾個部件組成，大部分是塑料注射成型的。掃描鏡其基座為軸而旋轉，沒有采用往的以中心軸旋轉的方式。由於這種差別，就可以使用較小的掃描鏡。鏡面的振動頻率為50Hz，由一個微型音頻電機驅動。雖然鏡面端點移動的弧度長大於8mm，但電機的驅動功耗小於10mW。音頻線圈電機的磁鐵部分也安裝在撓性裝置上。旋轉後其共振頻率與鏡面匹配。鏡面與磁鐵一起形成。協調音叉結構，這樣就可以抵消鏡面快速運動而產生的阻力。鏡面背部的一個薄片在IRLED和光敏晶體管之間運動，使LED刊與鏡面同步運動。光敏晶體管的信號還輸入到鏡面驅動伺服系統。 ^[1] 

圖3給出了顯示器的電路結構。屏幕由緩衝存儲器產生的50Hz信號連續刷新。可以以高達30幀/秒範圍內的任意速率輸入新的畫面。圖像數據以比特圖形式由主處理機輸至顯示裝置，可以輸入完整的比特圖形或任意局部圖形。在適當的時刻讀出常規的6000門矩陣座標以與鏡面的正弦運動相匹MVD的電路框圖。 ^[1] 

個人用虛擬顯示器具有單一比特畫面緩衝器，同時，LEn在整個列時間內接通。結合復台式比特一每個象索(bit—per—pixe1)比特圖形技術，就可以利用時間分配多路傳輸來控制灰度。 ^[1] 

這一技術還可以進一步擴展以製備彩色顯示器。方法是附加綠色和藍色發光體的線性矩陣。基於掃描顯示器的工作原理，有可能以三位一體的形式實現三色象素的完全重疊，這對於尖端顯示器是非常重要的。彩色圖象的質量要遠優於其它虛擬顯示技術。

雖然LED矩陣是一種理想的矩陣技術，但綠色和藍色的單色LED矩陣尚需一段時間才能實現。同時。其它技術一如光閥也會用於全色虛擬顯示器。目前，我們正在開發不採用LED的彩色技術。有希望實現分其中用微型CRT作顯示源的數以百萬計。這種取景器中使用的管子分辨率相當低，分辨率的管子過於昂貴。 ^[1] 

LCDs是一種可以顯示全尺寸畫面的、優良的顯示器，每個分立像素的面積為幾百平方微米。然而， 對於微型虛擬顯示器的應用來説，要求像素素的尺寸大大減小，這是一個難以解決的問題。AM LCDs所存在的問題是當像素尺寸減小時，圖象質星變差原因像素的無效部分佔了整個像素的很犬部分。 STN LCD靜顯示區沒有有源元件，但是像素的間隙越大。 ^[1] 

20世紀中期，由美國National Instrument公司提出“虛擬儀器”的概念，虛擬儀器的基本系統構架包括功能強大的軟件)模塊化的測量硬件以及標準化的商業科技產品（如個人電腦和英特網）隨着計算機軟硬件技術、電子技術、總線（計算機總線和測試領域擴展總線）技術的快速發展，虛擬儀器系統以傳統儀器無可比擬的速度迅猛發展，在電子、石化、冶金、機械、航空航天、能源、科研和教學等領域得到了廣泛應用。 ^[2] 

世界上最先開發出虛擬顯示屏技術的Lumus公司成立於2000年， 目前該公司已開發出兩種靠近眼睛的產品，一種是頭戴式顯示器(HeadWom Display)，這是一個又輕又小的透視式顯示裝置，可以附加到頭盔上或像佩戴眼鏡一樣佩戴；另一種是可佩戴的智能終端(Wearable SmartTermina1)，是一種可以與外部裝置(如計算機、手機、PDA等)直接相連，或通過無線方式與外部裝置相連的頭戴式顯示器，可以用於移動或室外情況。目前該公司的產品只面向高端用户，如醫療、安全保衞和軍事方面的行業用户。除了這項產品之外，該公司還開發了具備無線傳輸(如藍牙、Wi-Fi)功能的可戴式智慧影像輸出裝置(WearableSmart Terminal，WST)，電腦或手機中的影像可以透過無線傳輸的方式， 傳入這個頭部裝置， 將投影放大在自己面前。

值得一提的是， 無獨有偶，在Lumus公司開發出虛擬顯示屏的同時，韓國SunyangDNT公司也推出了類似的投影設備。Sunyang DNT是開發手機攝像頭的一家IT廠商，但在2006年5月也發佈了一款為手機研製的便攜式平視顯示器(Head Up Display，HUD)產品— — 便攜式平視顯示投影儀。這款投影儀可以放大手機、便攜式個人多媒體播放器(PMP)、數字多媒體廣播(DMB)等裝置中LCD屏幕上的畫面，而投影儀本身則可以顯示12—13英寸的畫面。這種產品在2006年9月已進入量產階段。 ^[3] 

虛擬顯示屏技術有着極廣泛的應用前景，它可以應用到軍事、安全保衞、衞生醫療、娛樂、教育、金融證券、企業內部管理和通信、家庭成員間交流等多個方面。例如，外科醫生可以利用這一產品來輔助做手術；安全保衞人員可以在觀察身邊的同時觀看來自監控閉路電視的實時視頻圖像，從而全面掌握監控區域的動態。而士兵可以在搜索新區域的同時收看來自高空衞星傳來的地圖和空中攝影直升機、預警機等平台發送的實時視頻和圖片， 以便對周圍的危險做出最快的反應，及時躲避危險，更好地消滅敵人。這些都有賴於虛擬顯示器的普及和應用。 ^[4] 

據媒體報道，Lumus公司計劃在未來的兩年內再推出兩款革命性的產品， 其中一款是眼鏡頭部成像裝置(Head Mounted Display，HMD)，這款產品是將原本的頭部裝置整合到新型的眼鏡內部，使用者只需要戴上眼鏡，就可以直接在眼鏡的鏡片上成像。另外一款產品是手機投影裝置(Hand HeldDevice，HHD)，該產品採用與HMD同樣的技術，但是直接利用手機在周圍環境做投影。該公司聲稱用户只要透過1．5cm大小的鏡頭，便可在空氣中投影出大約1 5英寸大小的畫面。有了這項技術，相當於隨身攜帶了一台小型投影儀。屆時，美國經典影片《星球大戰》裏對話的雙方通過先進的通信設備進行面對面似地立體圖像交流將不再是科學幻想。 ^[3] 

想象一下有一天眾多的消費者可以邊走路邊戴着眼鏡看DVD或者在網上衝浪的情景吧。只需對着眼鏡就可以在人聲鼎沸的商場裏旁若無人地直接操作手機買賣股票，或是在鳥語花香的公園裏一個人躺在長椅上欣賞自己喜歡的電影或電視節目， 或是在公共場所與親友進行私密的通話⋯ ⋯ 科技，就是這樣改變着我們的生活，讓我們的生活更豐富多彩，更快捷便利。 ^[4]