Microvision PicoP光器件微型化帶來的機遇

Microvision PicoP光器件微型化帶來的機遇(1)

    在好萊塢的大片中能看到這樣的鏡頭：FBI的大腕帶著很Cool的墨鏡，而其中一支鏡片里面顯示的不是眼前的畫面，而是另一個微型攝像機傳來的遠程的實時圖像。美國的一個小公司Microvision就在為軍方生產(chǎn)這種微型的顯示設(shè)備。你可能想不到的是，Microvision的顯示不需要屏幕，而是直接將激光投影到人眼的視網(wǎng)膜上，所生成的圖像是浮在真實場景上面的。

    Microvision采用的技術(shù)是一種稱為單光線掃描(single beam light-scanning)的技術(shù)。2004年IEEE spectrum雜志曾將這項技術(shù)評為未來十年最大膽的十項技術(shù)之一。在當時，Microvision還只能實現(xiàn)單色的顯示。但是，2008年在國際消費類電子展覽會(CES)大會上，Microvision以一款手持式投影儀設(shè)備一鳴
驚人。
 
    該產(chǎn)品全名SHOW Pico Projector，是一種微型彩色投影儀，可以產(chǎn)生DVD質(zhì)量（848x480）、10流明的投影圖像，投影尺寸可達100英寸。該設(shè)備采用標準VGA或S-Video接口，由鋰電池驅(qū)動，一次充電可以播放2.5小時影像，適合手機、數(shù)碼相機、MP4、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備。而采用傳統(tǒng)的液晶技術(shù)的類似產(chǎn)品，只能做到30英寸的投影面積。

    Microvision把他的核心技術(shù)稱為PicoP顯示引擎。PicoP解決了移動大屏幕顯示的尺寸、功耗、成本等問題，具有非常誘人的應(yīng)用前景。那么他背后的技術(shù)究竟是什么呢？

    PicoP三個核心技術(shù)包括RGB單色激光器，基于MEMS的光線掃描技術(shù)，Soc控制芯片。

    首先，PicoP采用了激光顯示源。激光定向性好、色彩純正、發(fā)光效率高，是小功率實現(xiàn)大尺寸投影的關(guān)鍵。但是，微型的激光源是一個較難的技術(shù)，其中紅光光源早已成熟，藍光光源隨著藍光DVD的推出也已經(jīng)大眾化，最困難的是微型綠光光源。事實上，Microvision的光線掃描技術(shù)已經(jīng)提出了十年以上，但Microvision 先后和美國Corning，Novalux和德國OSRAM等公司合作獲得了實用微型綠光激光器技術(shù)后，才最終解決了三色激光光源的問題。

    其次，PicoP的核心是一個直徑1mm左右、類似電子槍功能的微型反射鏡，通過縱橫掃描分時地將一幅圖像投射到目標上。目前的主流投影儀采用的LCD和DLP技術(shù)，是每個像素都要對應(yīng)一個控制單元，一共要幾十萬個控制單元。而相比之下單光線掃描只需要一個控制點，這是它實現(xiàn)微型化的關(guān)鍵。這項技術(shù)的另一個優(yōu)勢是不需要對焦，在彎曲的平面上仍然可以顯示清晰的圖像。

    第三項技術(shù)Soc控制芯片，相對本文的讀者來說沒什么新奇，不再贅述。

    你也許以為本文到這里該結(jié)束了，其實我們的話題才剛剛開始。讓我們再看另一個還只在學術(shù)圈里討論的話題——單像素照相機。

    大家都有數(shù)碼相機，新的款式大概有700萬像素了吧？你能想象只有一個像素的照相機嗎？開玩笑？不，數(shù)學家會告訴你，這是可能的，而且Rice大學已經(jīng)做出了一個原型系統(tǒng)。

Microvision PicoP光器件微型化帶來的機遇(2)

    如圖，單像素照相機背后利用了復(fù)雜的數(shù)學原理。圖像在進入單像素檢測器前，首先經(jīng)過了一個由微透鏡陣列組成的、隨機生成的光柵，再聚焦到一個點采樣，相當于得到一個原圖像的加權(quán)平均值。然后，變換一下隨機的光柵，再采樣一個值，依次下去......。有人可能會說，如果這么采上幾十萬次，理論上當然能恢復(fù)原來的圖像了？！可一個嚴格的數(shù)學的結(jié)論是，對大多數(shù)日常的圖像，只要幾千個點就足夠恢復(fù)原來的圖像了。這是一個新的熱門研究領(lǐng)域Compressed Sensing的研究結(jié)論。
 
    介紹完單光線掃描和單像素照相，我們的話題才真正開始了。這兩項技術(shù)的共同點是什么呢？是我們都看到光和微鏡MEMS？其實背后更重要的一個技術(shù)趨勢是對光線的精細控制和處理。傳統(tǒng)的光學器件給人的印象都是大塊頭，如燈泡、棱鏡、透鏡等等，和我們崇尚微型化和集成理念的計算機行業(yè)距離太遙遠。真正和計算機相關(guān)的似乎只有能替代一段電纜傳輸?shù)墓饫w。但是，現(xiàn)在光器件微型化的腳步正悄悄走來，無論是光源、波導還是鏡片等光器件微型化的技術(shù)近年來都獲得飛速的發(fā)展。光器件微型化，結(jié)合計算機對復(fù)雜信息系統(tǒng)的處理能力能給我們帶來什么新的變化呢？

    以往光信號在信息處理中，基本上只用到了光路傳輸這一基本特性，甚至連電信號傳輸中常見的波形控制到了光信號中也只剩下開和關(guān)絕對0和1的世界了。光的很多特性還遠遠未被挖掘出來。翻開物理教科書可見的折射、干涉、衍射、偏振等等以前離我們還遙遠的光特性，已經(jīng)開始走入了與計算機處理相結(jié)合的領(lǐng)域。

    電影《星球大戰(zhàn)》里面出現(xiàn)的三維全息影像，其想象的基礎(chǔ)就是光干涉的全息原理。那看得見摸不著的三維影像也許離我們就不遠了。英國的一家Light Blue Optic公司正在利用LCOS（類似LCD）和相干激光全息技術(shù)實現(xiàn)一種微型投影儀PVPro，其產(chǎn)品與Microvison有一拼。

    美國的LightFleet公司去年推出的corowave全廣播光交換機，利用的是光的散射和空間不相干的特性：通過光散射實現(xiàn)廣播，通過對焦實現(xiàn)特定光信號的接收。理論上，它可以解決電交換里面All-to-All數(shù)據(jù)交換的難題。雖然自由空間交換的概念早就提出過，但這次是以一種Startup公司產(chǎn)品的形式出現(xiàn)了。

    更早些的2003年，以色列的lenslet公司曾利用光透過光柵的卷積原理實現(xiàn)每秒8萬億次FFT運算的光處理器。設(shè)想一下，如果我們利用計算機控制中間的光柵動態(tài)變化，能變換出多少種應(yīng)用出來？雖然現(xiàn)在這個公司好像已經(jīng)從人間蒸發(fā)了，但這條技術(shù)路線隨著光器件的微型化一定會越走越寬。

    光器件微型化的腳步還在繼續(xù)深入著。最后讓我們以一個新的研究結(jié)果來結(jié)束本文。圖7來自IBM的硅納米光研究小組。他們從2002年開始研究硅納米光技術(shù)，取得了一系列成果，包括1μm的SOI光波導、5μm半徑90°轉(zhuǎn)彎波導、0.7db微分光器，慢光控制技術(shù)以及2007年底發(fā)布的100μm硅光調(diào)制器等。此圖是他們設(shè)想的芯片內(nèi)的全光交換。2008年3月他們剛剛發(fā)布了最新的μm級光開關(guān)。

    集成電路微型化，也就是摩爾定律的40多年給世界帶來的巨大的變化。光器件的微型化會帶來什么? 我們拭目以待。