2020年9月21日 星期一

技術筆記:微型結構光源

微型結構光源的產生方式可以分為下列幾種。

投影顯示:LCD

LCD是常見的顯示技術,原理是透過兩片玻璃基板間的電路導通與否,控制中間液晶層元件轉動角度,進而控制光線是否能穿透,最後達到成像效果。所以沒有背光模組的LCD元件,就僅是片能穿透或遮蔽光線的塑料板。但若將此LCD放置在平面式背光模組前,就成為了常見的顯示器,若是放在發出高亮度的鎢絲燈前,即是此處討論的投影機。

上述概念僅單片LCD系統,結構雖然簡單,但光線經過濾光片後,透明度不足,光線滲透率可能只有4~6%,至多至10%,如此一來便限制了其畫面成像的亮度,色差並不清晰,甚至是模糊。因此便需要提高光源輸出強度提高畫面亮度。但如此一來,高強度光源便會燒壞 LCD 液晶面板的粒子,一段時間後便會覺得色彩飽和度降低、畫面品質大幅下降

高階的商用機以此為基礎,發展出數種解決方案。首先,由單片式改為無濾光片三片式LCD,每單元僅負責R G B三者之一的影像。顏色是由R G B三種顏色光源產生,三色LCD是效果最好的LCD方式,每片LCD負責(遮住)一個顏色,背景色為R G B三原色,混色結果就是美好的顏色,影片範例(連結)。

第二種改良是,為了提升亮度,將光源從高亮鎢絲燈,改為功率較高的雷射,但是雷射因為會傷害液晶中的有機物質,要配合選用不含有機質的原料。

LCD技術成熟且成本低,但體積實在太大,並不適合口掃機使用。參考市售小尺寸LCD與解低度對應關係,0.96 inch應該是機構的極限,但實體解低度僅為160X80應該無法達到結構光需要的影像品質(需要實驗)。雖然如此,LCD仍可當成實驗用方案。

實驗過程中,自己拆了台廉價單片LCD機,打開檢查結構,依序是,LED光源->梯形放大->平滑面菲涅耳透鏡(Fresnel lens)凹凸面(連結)->隔熱玻璃->LCD(投影面積小解析度僅320X240)->凹凸面菲涅耳透鏡平滑面,然後經過45度角反射鏡和連續兩片凹凸鏡片投射向外。透鏡離本體越遠成像越近,反之則越遠。



因為對透鏡原理認識太淺薄,竟突發奇想想要嘗試移除右下方透鏡,希望能發射出小面積平行光束,直接讓結構光源投射到物件上,但結果是一片模糊,過程中也是首次真實接觸到菲涅耳透鏡,感覺對光學的認識實在太淺薄。

投影顯示:LCOS

LCOS(連結)投影是一種全新的成像技術,它採用半導體CMOS集成電路晶片作為反射式LCD的基片,CMOS晶片上塗有薄薄的一層液晶矽,控制電路置於顯示裝置的後面,可以提高透光率,從而實現更大的光輸出和更高的解析度。簡單的說就是體積小旦解析度更高。但因為必須要多次經過半穿反透鏡,功耗高,一般使用是無法和LCD競爭。

七八年前穿戴式投影技術風行時,掌握此小型化投影技術的立景HiMax甚至得到Google入股,成為當紅炸子雞。目前則由尚立裝配(連結)。整體市場隨著穿戴式的式微,是有減少的趨勢。

但以口掃機來說,3X3cm機構就能投影出640X480解析度畫面,小型化的優勢很高。目前詢問到樣品方案是V44B的4.5cmX3.5cm,但是控制資料是AV OUT板。

投影顯示:DLP

DLP成像原理完全不同,光線耗損小,畫面亮麗。面積和解低度上,因為DMD是半導體製程都能達到口掃機要求,目前BENQ的口掃機就是以DLP為主。新一代的DLP投影機則是採用三片反射鏡(連結 連結)。

DLP LightCrafter Display 2000 EVM為入門設備(連結),若真進行,或許要考慮掃描頻率是否會影響影像擷取。

投影顯示:MEMS Scanning Micromirror

文章Hybrid 3D Shape Measurement Using the MEMS Scanning Micromirror內容,利用MEMS平台反射雷射光,可以達到同樣結構光型,詳細內容要多參考內文(連結)。與DLP相比,功耗低,體積小,流明度也堪用。實際產品如台灣ultimems(連結),Opus(連結),中國大陸(連結)  賣家(連結 連結 連結  連結 )。

投影顯示:MINI / MACRO LED 未成熟

物理實現:光柵和滑台

金屬中心就是以這個方式進行提案。不過只要是動件,不免就會有維護維修等等的問題。

Ronchi Ruling 1"X1" (20 lp/mm), Ronchi Ruling #58-777, Edmund Optics, Barrington, NJ, USA $145 連結 連結

piezo stage (Q-522, Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany) in steps of (50/3) um across (100/3) 應用方式(連結)