Зеленый свет в дорожной карте лазерных сканирующих дисплейных технологий

Введение

Летом 2012 года мир дисплейных технологий пикопроекторов и HUD пережил в своем развитии очередной эволюционный этап, суть которого выражена в коммерциализации лазерных сканирующих технологий для массовых — автомобильного и мобильного — сегментов рынка. Лазерные сканирующие технологии — одни из наиболее перспективных дисплейных технологий для способа отображения контента за пределами физических корпусов устройств в удобном для восприятия (большом) формате: обычно в виде виртуальных объектов дополненной реальности с динамически переменной актуальной информацией (рис. 1). Такой контент может называться, в зависимости от контекста, мобильным или виртуальным.

Рис. 1. Спектр применений дисплейных решений для мобильного отображения контента/дополненной реальности:
а) HUD-дисплей в реактивном истребителе Eurofighter (источник: BMW); б) HUD Thales на самолете Airbus A350-XWB;
в–ж) текущие и будущие применения HUD-дисплеев в автоэлектронике (источники: BMW, Pioneer, Volvo):
в) стандартный вид современного HUD-дисплея: дорожные знаки, скорость и т. п. (BMW); г) первое применение HUD c дополненной реальностью для навигации (Pioneer); д) HUD для защиты пешеходов: иллюстрация работы функции распознавания пешеходов в Volvo V40; е, ж) концепция дополненной реальности с виртуальными объектами, интегрированными в реальную среду (BMW); з) нашлемные авиационные системы Elbit Systems JHMCS (технология HMD); и) мобильный проектор 3M MP410 в офисе; к) пикопроекторы в ресторане (источник: Microvision); л) Samsung Galaxy Beam — первый смартфон, имеющий встроенный пикопроектор; м) виртуальное дисплейное тач-окно AAXA GB46

Под мобильностью контента понимается способность к быстрому и удобному транспортированию информации из любых точек доступа. Мобильные проекционные дисплеи — одна из новых технологий информационного переноса, доступа и обмена, предшественником которой была технология HUD — классический пример крупноформатного дисплейного отображения мобильного контента, исторически известный из авиации (рис. 1а, б) [1].

История HUD-дисплеев ведет отсчет с начала 1940 годов, когда была впервые сформулирована концепция применения HUD в военной авиации. С 1960-х гг. HUD уже массово применяется в военной, а в 1990-х — и в гражданской авиации. С конца 1980-х HUD стали использовать и в автоэлектронике (рис. 1в–ж).

Технология HMD (Helmet/Head Mounted Display) создания дисплеев дополненной реальности, устанавливаемых на шлеме/голове, снимает пространственные ограничения видимости HUD при движении головы летчика (рис. 1з) и незаменима для мотоциклистов или солдат. Мобильные пикопроекторы, пришедшие на смену стационарным проекторам и известные только последние несколько лет, стали использовать те же самые, по сути, технологии HUD, но для отображения мобильного контента [2].

Посредством так называемого пикопроектора на любой, даже необязательно вполне подходящей для этого поверхности создается мобильный проекционный дисплей, а в качестве источника данных выступает мобильное устройство — смартфон или ноутбук (рис. 1и–л). Это реальная возможность оборудовать малое мобильное устройство виртуальными дисплеями большого формата, основное применение которых — показ контента другим пользователям и формирование изображений преимущественно в месте расположения физических поверхностей.

Понятие мобильного отображения контента распространяется и на традиционные стационарные дисплеи, которые имеют специальную дисплейную поверхность и используются в сфере бизнеса, образования и зрелищных мероприятий, то есть в качестве коммерческих или публичных дисплеев (рис. 1м).

В зависимости от специфики применения виртуальное дисплейное изображение, сформированное посредством виртуальных элементов, можно увидеть поверх физических поверхностей или как висящее, парящее в воздухе перед глазами наблюдателя, наложенное поверх реальной сцены (дисплеи дополненной реальности). С этими технологиями связываются перспективы мобильного отображения информации крупным планом, контекстной осведомленности, дополненной реальности, интерактивных тач-интерфейсов, 3D-визуализации контента, приложений с полным визуальным погружением в виртуальную реальность. Расширенные дисплейные опции включают сенсорный тач-интерфейс с виртуальными кнопками и клавиатурой, они функционируют точно так же, как виртуальная клавиатура на сенсорном экране мобильного устройства, и в перспективе даже будут вызывать тактильные ощущения.

Для пикопроекторов и HUD, представляющих собой массовые сегменты рынка сбыта таких технологий, одним из наиболее перспективных дисплейных решений являются лазерные сканирующие микрозеркальные МЭМС-технологии, которые могут обеспечить всегда сфокусированное, высокочеткое виртуальное изображение, высокую яркость и контрастность изображения, а также низкое потребление мощности, размер, вес и цену устройства. Начавшемуся этапу коммерциализации лазерных сканирующих технологий для массовых рынков (автомобильного и мобильного) предшествовало значительное повышение характеристик ключевых осветительных компонентов — непосредственно излучающих зеленый свет лазерных диодов: яркости (выхода светового потока) и эффективности. При этом произошло уменьшение форм-фактора и объема используемых компонентов — вместе с одновременным снижением цены при массовых объемах производства.

Рынок мобильного проецирования и HUD: общее будущее благодаря зеленым лазерам непосредственного действия

С середины прошлого века технологии HUD-дисплеев пережили трансформацию от ЭЛТ до светодиодных источников освещения. Для HUD сейчас широко используется зеркальная технология отражения изображения, сформированного с помощью обычного светодиодного источника освещения или дисплея, обеспечивающего достаточно яркие и полноцветные изображения для широкого круга применений (Continental (www.conti-online.com), BMW (www.bmw.com), Audi (www.audi.com), Denso (www.globaldenso.com)) [1].

Хотя ведущие поставщики зеркальных систем HUD (например, Continental) добились значительного повышения характеристик и качества виртуальных изображений, перспективы HUD связываются с лазерными технологиями — как лазерной голографии с использованием оптических волноводов (Delphi, http://delphi.com), так и лазерной сканирующей МЭМС-технологии (Pioneer, http://pioneer.jp). Лазерные сканирующие MEMS HUD считаются наиболее «продвинутыми» продуктами, которые могут проецировать изображение с лучшим разрешением и большей четкостью, чем это возможно с другими технологиями.

Лазерная сканирующая технология основана на применении (для формирования полного набора цветов и теней) комбинаций трех базовых цветов — красного, синего и зеленого — от лазерных диодов соответствующего цвета.

Лазерные диоды, непосредственно излучающие красный и синий свет, уже были представлены на рынке пикопроекторов, и только непосредственно излучающие зеленые лазеры все еще не были коммерциализованы. Вместо них использовались синтетические методы удвоения частоты лазерных диодов, генерирующих излучение, близкое к инфракрасному. Именно отсутствие на рынке непосредственно излучающих зеленых лазеров ограничивало характеристики видимости, цену и массовые (мобильные и автомобильные) применения лазерных технологий [2].

Как и HUD, мобильные пикопроекторы не получили широкого распространения — в связи с тем, что сложно было получить достаточную яркость по цене, приемлемой для массовых рынков. Это относится не только к лазерной, но и к светодиодной технологии освещения, доминирующей на рынке пикопроекторов. Аналитики Yole Development (www.yole.fr) оценили, что в 2009 году было продано не более 300 тыс. единиц первых светодиодных проекторов, характеризующихся яркостью 10 лм при цене от $300.

Наибольшие ограничения имелись для развития технологий именно мобильного проецирования. Одним из ограничений является необходимость достаточного времени работы без подзарядки: оно должно быть порядка 1,5–2 ч. И особые ограничения существуют для того вида мобильного проецирования, когда проекторное устройство встраивается непосредственно в смартфон или другое мобильное устройство. Смартфон включает много других компонентов, расходующих мощность. К этому добавляются ограничения по компактности проекторного устройства. Кроме того, число и вес компонентов напрямую связаны с ценой технологии проецирования. Чем больше объем используемых компонентов — тем выше цена технологии для массового производства.

В настоящее время ситуация меняется — благодаря усилиям по улучшению характеристик компонентов для проецирования вместе с одновременным снижением их веса, размера, цены со стороны ключевых разработчиков и поставщиков. Качество изображений пикопроекторов повысилось, а MEMS-пикопроекторы достаточно компактны, чтобы их можно было разместить в малом пространстве.

Уровень развития технологии пикопроекторов могут охарактеризовать следующие примеры: лазерный пикопроектор Microvision SHOWWX+ показывает яркость 15 лм, Samsung Galaxy Beam интегрирует DLP-проектор с яркостью в 15 лм. Optoma PK201 — пикопроектор следующего поколения для устройств iPod, iPhone, iPad или Mac яркостью 20 лм, а Optoma PK301 DLP Pico Projector — карманное устройство яркостью 50 лм для бизнеса. Яркость Optoma PK 320 составляет 100 лм, а время работы всех пикопроекторов Optoma от штатного аккумулятора — порядка 1,5–2 ч и до 5 ч с дополнительным аккумулятором. Время работы Microvision SHOWWX+ — около 2 ч. Яркость портативного проектора ASUS P1 достигает 200 лм, но это устройство уже не работает от аккумулятора. Стандартная яркость Acer C120 — 100 лм, при питании от USB — 60 лм. Чем выше яркость и другие характеристики, тем больше размеры портативных устройств отличаются от карманных, а цена таких пикопроекторов почти вдвое выше ($450 вместо $250).

Большинство пикопроекторов основано на MEMS-технологии DLP TI, причем они могут обеспечивать высокую яркость, перекрывая с точки зрения потребителя преимущества лазерных проекторов (за исключением отсутствия необходимости в фокусировке), которые в полной мере проявятся в будущем (широкая цветовая гамма, яркость, контрастность, компактность, малая мощность, низкая цена). AAXA P3 основан на дисплейной технологии LCoS (жидкие кристаллы на кремнии), его яркость составляет порядка 50 лм, время работы от батареи — 65 мин. Яркость пикопроектора AAXA P4 достигает 100 лм, время работы от батареи — свыше 75 мин.

Согласно данным 2012 года Pacific Media Associates (PMA, www.pacificmediaassociates.com), мировой рынок пикопроекторов достигнет 58 млн единиц в 2015 году (в 2011 году было продано только 3 млн единиц). В 2011 году лишь 36% пикопроекторов в виде подключаемых аксессуаров (companion) давали выход светового потока 30 лм или выше, но в 2015 году уже 62% пикопроекторов будут давать выход свыше 30 лм — и это предполагаемые значения для миниатюрных гаджетов, а 16% моделей будут вырабатывать свыше 150 лм. При этом в 2011 году только 29% устройств продавались по цене $199 или меньше, но это количество устройств удвоится и достигнет 60% в 2015 году.

Global Industry Analysts, Inc. (www.strategyr.com) прогнозирует, что в 2017 году рынок пикопроекторов достигнет 97,5 млн единиц, или $10 млрд в денежном выражении. Аналитики GIA находят, что этот рынок будет расти в связи со встраиванием пикопроекторов в мобильные (смартфоны) и портативные устройства (камеры, лэптопы, медиа-плееры, игровые устройства и т. п.).

GIA выделяет следующих ключевых игроков в сегменте пикопроекторов-аксессуаров: 3M Company (www.3m.com), AAXA Technologies Inc. (www.aaxatech.com), Acer, Inc. (www.acer.com), Aiptek, Inc. (www.aiptek.com), Optoma Corp. (www.optoma.com), Samsung Electronics Co. Ltd. (www.samsung.com), Toshiba Corp. (www.toshiba.com) и WowWee Group Ltd. (www.wowwee.com). Лидирующие производители модулей и чипсетов — bTendo Ltd. (www.btendo.com), Lemoptix SA (www.lemoptix.com), Light Blue Optics (http://lightblueoptics.com/), Luminus Devices, Inc. (www.luminus.com), Maradin Ltd. (http://maradin.co.il/), Mezmeriz, Inc. (www.mezmeriz.com), Micron Technology, Inc. (www.micron.com), MicroVision, Inc. (www.microvision.com), Opus Microsystems Corp. (www.opusmicro.com), Syndiant, Inc. (www.syndiant.com) и Texas Instruments, Inc. (www.ti.com).

GIA сообщает, что кремниевые ЖК-микродисплеи (Liquid Crystal on Silicon, LCoS) с цветными фильтрами использовались для пикопроекторов в 2008 и 2009 годах. В настоящее время в пикопроекторах используются технологии LCoS, Digital Light Processing (DLP), Laser Beam Steering (LBS), сканеры MEMS и некоторые другие. DLP и LCoS достигли наибольшей рыночной доли использования, а сканирующая МЭМС-технология характеризуется наибольшим ростом.

В 2011 году как источники освещения доминировали светодиоды, но с коммерческой доступностью непосредственно излучающих лазеров всех базовых цветов, включая зеленый, ситуация может измениться. Благодаря усилиям ведущих разработчиков и производителей лазерной сканирующей МЭМС-технологии — MicroVision, bTendo, ST, Lemoptix, Hamamatsu (www.hamamatsu.com), Maradin, института IPMS им. Фраунгофера (www.ipms.fraunhofer.de) и других, устройства, построенные на основе лазерной технологии, теперь могут производить насыщенные цвета в широкой цветовой гамме и работать без фокусировки, имеют повышенную эффективность и высокое разрешение. И все это при снижении потребления мощности, размера и цены. Поэтому лазеры являются перспективным световым источником для пикопроекторов, а поставщики зеленых лазеров непосредственного действия сейчас вплотную подошли к стадии коммерциализации своих разработок. Наибольших коммерческих успехов на данном этапе добилась компания MicroVision, которая интегрировала в разработанные ею модули пикопроекторов лазеры, излучающие зеленый свет на соответствующей длине волны.

Японская компания Pioneer (www.pioneer.jp), работающая в сотрудничестве с MicroVision, анонсировала выпуск первого в мире коммерческого решения с использованием дисплея HUD на основе лазерной технологии и непосредственно излучающих зеленых лазеров яркостью порядка 25 лм. Летом 2012 года началась разработка пикопроекторов и HUD на основе технологии MicroVision. К осуществлению таких проектов приступили и специалисты других компаний — разработчиков альтернативных технологий для виртуальных дисплеев следующего поколения.

Например, технология LinScan в комбинации с резонансным сканером, разработанная в институте им. Фраунгофера, позволяет получать компактные пикопроекторы для встраивания в смартфоны с разрешением SVGA (800×600).

Новые методы проецирования, к которым относятся лазерные сканирующие MEMS-технологии, востребованы и в мобильном, и в автомобильном сегменте. И благодаря распространению в этих сегментах должны снизиться цены на пикопроекторы и HUD. Массовые рынки благодаря высоким объемам выпуска продукции в состоянии обеспечить дальнейшее развитие технологий дисплеев дополненной реальности и отдельных направлений, и в недалеком будущем эти технологии уже в новом качестве можно будет использовать в авионике.

Впрочем, производители конкурирующих дисплейных решений не торопятся сдавать свои позиции. Для HUD, помимо лазерной сканирующей технологии, используется также технология зеркального отражения изображения, сформированного с помощью обычного светодиодного источника или дисплея. Яркость зеркальных HUD также высока, а спектр применений в составе автомобильных систем безопасности производители хорошо отработали. Поэтому светодиодная технология — конкурент лазеров в сегменте не только пикопроекторов, но и сканирующих HUD. Но обширный набор применений, разработанных для HUD на основе светодиодной технологии, позволяет считать ее фундаментом для введения новых технологий, а конкуренцию технологий — стимулом для повышения характеристик новых решений и построения новых концепций.

К ним относятся дополненная реальность, распознавание голоса, контроль жестов, 3D-визуализация — те новые направления, которые привлекают пользователей мобильных устройств и актуальны для HUD. Кроме того, это все взаимосвязано: например, мобильные устройства в перспективе смогут подключаться к автомобильным HUD в кабине или к другим специальным дисплеям и системам. И для HUD, и для мобильных устройств прослеживается общая тенденция ухода от автономности и использования данных других систем и устройств.

Предшествующее развитие мобильной и автомобильной дисплейной технологии создало предпосылки для введения ультрасовременных полноцветных и ярких МЭМС и лазерных технологий, которые в 2012 году вышли на массовый рынок HUD. Его глобальный объем по последним данным близок к $1 млрд и увеличивается ежегодно почти на четверть, как считают аналитики MarketsandMarkets (www.marketsandmarkets.com).

Первый в мире коммерческий лазерный сканирующий MEMS-блок HUD, проецирующий на ветровое стекло информацию дополненной реальности посредством непосредственно излучающих лазеров всех трех цветов, включая зеленый, в недавнем времени появился в Японии.

Зеленый свет лазерной HUD-навигации с дополненной реальностью. Pioneer Cyber Navi

Корпорация Pioneer (www.pioneer.jp) выпустила первую в мире автомобильную GPS навигационную систему на основе технологии MicroVision с дополненной реальностью (рис. 2) [1]. Cyber Navi поставляется с блоком AR HUD — первым в мире HUD, проецирующим информацию дополненной реальности (Augmented Reality, AR) на ветровом стекле.

Рис. 2. Pioneer Cyber Navi — первая в мире навигационная система, имеющая блок AR-HUD (HUD-дисплей с дополненной реальностью) и первый в мире HUD, основанный на лазерах:
а) применение навигационной системы Cyber Navi; б) основные компоненты навигационной системы в кабине: LCD-дисплей и блок AR-HUD на ветровом стекле; в) AR-HUD в работе; г) демонстрация AR-HUD на CEATEC Japan 2011: лазерный световой источник (слева) и проекторный модуль (справа)

Pioneer анонсировала выпуск последней версии Cyber Navi для японского рынка в июле 2012 года в двух моделях: AVIC-VH99HUD — high-end класса в двойном 1-DIN блоке и AVIC-ZH99HUD в блоке 2-DIN. Обе модели основаны на лазерных блоках HUD и технологии PicoP от MicroVision, дублирующих важную информацию малого LCD-экрана в центральной консоли на лобовом стекле (рис. 2б).

Проекторный модуль AR-HUD устанавливается в положение противосолнечного козырька сбоку от сиденья водителя. Head-up дисплей обычно представляет собой лист прозрачного пластика, который крепится в поле зрения водителя напротив лобового стекла, а 37-дюймовый виртуальный дисплей (с размерами диагонали порядка 37″) находится на расстоянии порядка 3 м от глаз водителя (рис. 2в). Виртуальные элементы HUD формируются посредством сканирующих МЭМС-зеркал проектора, проецирующих лазерные лучи трех базовых цветов пространства RGB, дающих полноцветное изображение с высоким уровнем контрастности.

Демонстрация Cyber Navi состоялась осенью 2011 года на японском мероприятии CEATEC (рис. 2г). 19-дюймовое изображение разрешением до 720p проецировалось на расстояние 1,5 м. В то время модуль лазерного светового источника размерами 12,8×13,4×40 мм давал выход светового потока в 10 лм, яркость (удельная сила света) составляла 10 000 кд/м². Новая технология PicoP Gen2 с использованием зеленых лазеров непосредственного действия обещает световой поток до 25 лм и выше. С тем же разрешением в 2012 году яркость этого устройства достигла 12 000 кд/м². Управляющая частота — 20–24 Гц.

Навигационная система Cyber Navi включает многие новые функции [1].

Например, функция AR-HUD View отображает в блоке AR HUD информацию о маршруте и расстояние до автомобиля, идущего впереди. Функция Parking Watcher загружает в реальном времени информацию о скоплении автомобилей в месте парковки и показывает ее на навигационном экране. Имеется также функция, которая обнаруживает и отображает знаки ограничения скорости со звуковым уведомлением. Система позволяет получать последние данные карт, вместе с обновлениями карт — без дополнительной платы в первые три года.

Функция Road Creator автоматически генерирует дорожные данные при вождении на дорогах, которые не представлены в списке на картах, а затем использует данные для навигации.

Если автомобиль имеет камеру, то еще больше деталей будет показано поверх маршрута, включая действующие знаки ограничения скорости. Система также включает привод DVD, iPhone/iPod-проигрыватель и встроенный ТВ-тюнинг. Pioneer планировала выпустить обе модели в конце июля 2012 года со стартовой ценой $3,77 для 1-DIN и $4,021 для 2-DIN модели. Эта цена достаточно высока для автомобилей низкой и средней ценовой категории. Отдельно разработан HUD, совместимый с некоторыми существующими навигаторами. Цена блока HUD составляет примерно 105 000 иен, или $1300.

Сейчас Pioneer сосредоточила внимание на повышении стоимости и уровня автомобильной навигации, добавляя новые признаки и разнообразные функции к своим новым продуктам, что позволяет повысить комфортабельность вождения. Но в дальнейшем цена технологии лазерных HUD однозначно будет снижаться.

С июля HUD-дисплеи стали доступны для японских автомобилистов, которые смогут использовать Cyber Navi — первую в мире коммерческую навигационную систему с дополненной реальностью.

Важнейшим поставщиком технологии является компания MicroVision.

MicroVision. Мобильность плюс видимость — цель и результат лазерной сканирующей МЭМС-технологии

Компания MicroVision, Inc. акцентирует внимание посетителей сайта www.microvision.com на том, что разработанное ею дисплейное решение открывает новые возможности, доступные посредством расширенной видимости, и ассоциирует это с собственным названием (Mobility+Visibility = MVIS, MicroVision).

Благодаря непрерывным исследованиям и разработкам и большому вкладу в создание интеллектуальной собственности (IP) MicroVision стала лидером в области технологий пикопроекторов. IP-портфолио MicroVision отмечено IEEE в глобальном рейтинге топ-20 компаний, занятых в сфере электроники. IEEE также выделила MicroVision как топ-компанию США.

MicroVision предлагает возможности лицензирования дисплейной технологии PicoP для OEM, которые разрабатывают свои модули с компонентами MicroVision (MEMS и ASIC) и других поставщиков. Согласно этому решению каждый OEM-производитель может разрабатывать применение дисплейной машины PicoP в своих продуктах.

Ядро дисплейной технологии PicoP MicroVision — запатентованный МЭМС-сканер (рис. 3а), связанный с RGB лазерными источниками света. Дисплейная машина PicoP состоит из двух ключевых модулей — интегрированного фотонного модуля (IPM) (рис. 3б–г), модуля электронной платформы (EPM) (рис. 3б, в) и четырех основных функциональных блоков: МЭМС-зеркала, RGB-лазеров, оптики и управляющей электронной схемы. Вместе это позволяет создавать проекционные изображения. Каждый цветной пиксель формируется в результате комбинирования модулированного красного, зеленого и синего лазерного светового источника. Это обеспечивает управляющая электронная схема, которая также является частью дисплейной технологии MicroVision PicoP (рис. 3б).

Рис. 3. Дисплейная технология PicoP от MicroVision — в основе пикопроекторов и HUD-дисплеев следующего поколения:
а) МЭМС-сканер+RGB-лазеры — основа дисплейной технологии PicoP: принцип работы интегрированного фотонного модуля (IPM);
б) основные модули дисплейной технологии PicoP (блок-диаграмма): интегрированный фотонный модуль (Integrated Photonics Module, IPM) и модуль электронной платформы (Electronics Platform Module, EPM);
в) основные модули дисплейной технологии PicoP: пример физической реализации на плате для OEM;
г) демонстрация технологии PicoP Gen2 на CES 2012: лазерная дисплейная машина с высокими характеристиками в малом корпусе

Управляющая электроника получает и обрабатывает сигналы от источника данных для контроля и синхронизации смешения цветов и расположения отдельных пикселей. Например, для получения красных пикселей требуется, чтобы красные лазеры были включены, а синий и зеленый выключены. Для пурпурных пикселей должны быть включены красные и синие источники, а зеленые выключены. Интенсивность каждого светового источника может различаться, что позволяет генерировать полную палитру цветов и теней.

Дисплейная технология PicoP допускает видимость за пределами корпуса дисплейного устройства благодаря периодическому микрозеркальному сканированию.

Сканирующее MEMS-зеркало направляет луч света от пикопроектора к проекционной поверхности (рис. 3а) или от проектора HUD-дисплея — к оптике, внешней по отношению к дисплейной машине PicoP engine, которая обеспечивает видимость изображений в поле зрения водителя.

Пиксели упорядочиваются посредством повторяющегося горизонтального и вертикального движения сканера, который размещает пиксели в строки и перемещает световой луч вверх и вниз. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся область не будет заполнена изображением, видимым пользователем. Дисплейная технология MicroVision PicoP позволяет создавать высокочеткие HD-изображения без увеличения фут-принта или мощности устройства.

Дисплейная технология PicoP сейчас представлена уже во втором поколении (PicoP Gen2), для которого сканирующий лазерный луч дисплея обеспечивает высокие характеристики и высокоэффективную оптическую машину со следующими признаками:

• Батарейное питание.
• HD 720p изображение.
• Использование передовой технологии зеленых лазерных диодов GaN для производства дисплеев со световым потоком до 25 лм и выше.
• Сканирующие лазерные дисплеи соответствуют стандартам безопасности использования.
• Сфокусированное изображение поддерживает высокомобильных пользователей.

Модули, основанные на лазерной технологии PicoP Gen2 HD (рис. 3г) и имеющие яркость порядка 15–25 лм, были представлены на международном мероприятии CES (Consumer Electronics Show) 2012 года, где MicroVision также раскрыла свое видение будущих применений лазерной дисплейной машины PicoP Gen2 HD для мобильной проекционной технологии. MicroVision считает, что новое поколение лазерных пикопроекторных модулей кардинально изменит будущее мобильных дисплейных применений благодаря высокому разрешению, низкой потребляемой мощности, малому размеру (рис. 3г) и сниженной цене для OEM, разрабатывающих потребительскую, коммерческую и автомобильную электронику. Зеленые лазеры непосредственного действия и новые MEMS-зеркала позволили значительно повысить характеристики PicoP, что делает технологию PicoP привлекательным решением для продуктов и применений, разрабатываемых OEM.

Компактные мобильные устройства уже используются для просмотра видео, игр, фотографий. MicroVision PicoP предлагает OEM дисплейное решение без ограничений размера встроенного экрана — критичного фактора для совместного просмотра контента. Например, цифровые видео- или фотокамеры с проекционным блоком воспроизведения позволяют выполнять просмотр изображений в большом формате сразу же после съемок.

HD-технология следующего поколения может быть ядром пикопроектора малых размеров или встраиваться в клиентские электронные устройства.

Физические аспекты дисплейной машины PicoP Gen2 — малый форм-фактор и малое энергопотребление — дают возможность OEM-производителям встраивать PicoP Gen2 в мобильные устройства без увеличения размера потребительского устройства или оттока мощности батареи. Это ключевые аспекты для применения технологии в мире мобильных устройств, но и другие отличительные характеристики — яркость изображения и HD-разрешение — также выгодно выделяют технологию MicroVision на фоне конкурентов. Помимо этого, дисплейная технология PicoP Gen2 имеет уникальный набор признаков, которые допускают дополненную реальность, интерактивные средства касания и множество 3D-приложений для спроецированного изображения.

MicroVision еще более расширила границы свободы использования виртуальных экранов, продемонстрировав два дисплейных приложения PicoMagic: интерактивные тач- и 3D-дисплеи. Интерактивные PicoMagic тач-дисплеи будут позволять пользователям взаимодействовать со спроецированным изображением на любой поверхности. 3D-технология PicoMagic допускает 3D-визуализацию.

MicroVision запатентовала технологию 3D-проекторов, которые смогут проецировать 3D-изображения [3]. MicroVision 3D PicoP использует вместе с лазерной сканирующей технологией метод, согласно которому для каждого глаза обеспечивается скорость кадров в 60 Гц, что вместе с пассивными 3D-очками допускает разработку недорогого мобильного решения карманного размера. Это выгодно отличает разработку MicroVision от конкурирующих, использующих два изображения или более, а также объемные и дорогие активные очки. Коммерциализация этого решения связана со вторым поколением технологии PicoP на основе зеленых лазеров непосредственного действия и ожидается во второй половине 2012 года.

В начале сентября текущего года MicroVision и Intersil объявили о партнерстве в разработке дисплейного решения PicoP, оптимизированного для мобильных применений, а более конкретно — о сотрудничестве в разработке «продвинутых» интегрированных чипсетов (ASIC) для высокочеткой дисплейной технологии MicroVision PicoP.

Intersil Corp. (www.intersil.com) — лидер в сфере разработки и производства полупроводниковых компонентов: аналоговых и со смешиванием сигнала. Согласно условиям соглашения Intersil будет инвестировать в разработку ASIC, предназначенных для поддержки решения на основе референсного дизайна MicroVision.

Цель сотрудничества — прогресс проекта PicoP, упрочение позиций технологии и развитие бизнеса посредством:

• интегрирования «продвинутых» признаков — виртуальных тач-функций и детектирования приближения;
• повышения яркости;
• снижения потребления мощности и размера компонентов;
• снижения системной цены дисплейного решения.

Повышенная яркость, HD-разрешение всегда сфокусированного изображения вместе со сниженным потреблением мощности и малым размером компонентов дают высокоэффективное проекционное решение на основе дисплейной технологии PicoP, предназначенное для встраивания в мобильные устройства.

Так как дисплейная технология MicroVision PicoP в настоящее время представлена во втором поколении (PicoP Gen2), то OEM и ODM смогут получать образцы дисплейных машин PicoP Gen2. Один из признаков дисплейной технологии PicoP, состоящий в возможности интерактивных тач-функций, стимулирует разработку приложений для мобильных устройств в бизнесе и для развлечений.

Дисплейная машина MicroVision PicoP позволяет размещать яркие и информационно-плотные дисплеи фактически любой формы и размера, в частности, на автомобильном ветровом стекле и в ограниченном пространстве в кабине. MicroVision работает с автомобильными поставщиками, разрабатывающими автомобильные дисплеи следующего поколения — лазерные дисплеи HUD и дисплеи комбинации приборов.

MicroVision поставляет для них сканирующую подсистему, основанную на дисплейной машине PicoP. MicroVision PicoP display engine автомобильного уровня исполнения позволяет формировать высококонтрастные и яркие изображения, пригодные для обозрения на HUD в дневное и ночное время суток. Ультраминиатюрная дисплейная машина MicroVision PicoP дает возможность разрабатывать head-up дисплеи, дисплеи приборной панели или комбинации приборов, которые размещают актуальную визуальную информацию там, где водитель сможет использовать ее с максимальной быстротой и удобством. С динамически обновляемой информацией полноцветные дисплеи могут быть размещены повсюду в кабине, что одновременно повышает уровень/качество вождения и безопасность.

Преимущества дисплейной машины PicoP сведены производителем в таблицу.

Таблица. Сравнение возможностей технологии MicroVision с альтернативными решениями конкурентов

Дисплеи комбинации приборов
	Технология MicroVision PicoP	LCD-технологии конкурентов
Контраст (отсутствие свечения)	+	–
Яркость	+	–
Читабельность в дневное и ночное время	+	–
Цветовая насыщенность	+	–
Качество изображения	+	–
Недорогая инсталляция	+	–
Рабочий температурный диапазон	+	–

В текущем году MicroVision получила заказ объемом свыше $4 млн от Pioneer для продуктов на основе технологии PicoP Gen2 и зеленых лазеров непосредственного действия.

MicroVision уже поставляет компоненты Pioneer для HUD, которые продаются на вторичном рынке в Японии с июля 2012 года. Pioneer комбинирует MEMS и электронику от MicroVision с красными, синими и зелеными лазерами от своих поставщиков, создавая оригинальные оптические машины на основе дизайна MicroVision PicoP.

Зеленые лазеры непосредственного действия — ключ к развитию технологий мобильного отображения виртуального контента (PicoP Gen2 и других)

Зеленые лазеры непосредственного действия — один из важнейших аспектов применения технологии PicoP Gen2 от MicroVision в модулях HUD навигационных систем Pioneer. Это первые зеленые лазеры (Direct Green Lasers, DGL), коммерциализованные в данном проекте.

В RGB-наборе первичных цветов непосредственно излучающие лазерные диоды синего и красного цветов были коммерчески доступны уже некоторое время, и только зеленые лазерные диоды с высоким выходом оставались проблемой, ограничивающей разработку лазерных проекторов и дисплейных устройств с высокими характеристиками. До настоящего времени проблема решалась следующим образом: зеленые лазерные диоды создавались на основе ИК лазерного светового источника с помощью специальных оптических материалов для удвоения частоты [2]. Так называемые синтезированные или синтетические зеленые лазеры (Synthetic Green Lasers, SGL) были больше по размеру, чем красные и синие, и цена их также оставалась высокой.

MicroVision в конце 2011 года предоставила информацию, что три компании — Nichia (www.nichia.co.jp), Osram (www.osram-os.com) и Soraa (http://soraa.com/) — запланировали выпуск коммерческих версий DGL начиная с середины 2012 года. К этому времени MicroVision уже интегрировала образцы от всех трех производителей DGL, прошедших предварительную квалификацию, в опто-механические модули от Pioneer. MicroVision добавила к модулям электронику и создала полностью завершенные прототипы новой дисплейной машины HD PicoP.

Согласно ожиданиям MicroVision, первым OEM-клиентом, использующим разработанную дисплейную машину, в середине 2012 года должна была стать компания Pioneer, разработавшая HUD-продукт для вторичного рынка. Поэтому вновь разработанные образцы HD PicoP engine MicroVision поставила компании Pioneer — для тестирования и оценивания. С первого квартала 2012 года MicroVision развертывает аналогичную работу и с другими потенциальными клиентами и, основываясь на полученных оценках, налаживает обратную связь с производителями DGL и другими поставщиками компонентов для новой дисплейной машины HD PicoP.

Коммерческие версии зеленых лазеров непосредственного действия должны пройти полную квалификацию на соответствие заявленным в спецификациях характеристикам, иметь подтвержденные показатели надежности и технологичность в условиях массового производства.

Согласно информации MicroVision, в условиях производства в массовых объемах зеленые лазеры непосредственного действия будут проще, легче и технологичнее с точки зрения производства, меньше по размеру, дешевле, а объемы их выработки могут быть выше, чем их предшественников — синтетических зеленых лазеров (SGL).

Еще в 2009 году MicroVision заключила с компанией Corning, Inc. (www.corning.com) договор о поставке SGL-лазеров G-1000 как ключевого компонента проекторов MicroVision PicoP. В том же году MicroVision заключила многолетний договор с OSRAM на поставку зеленых и синих лазеров (SGL-лазеры показаны на рис. 3а).

В 2010 году компания Corning представила следующее поколение зеленых лазеров G-2000, продолжающее технологию G-1000. Эти лазеры имели на 30% более высокую яркость (световой поток свыше 10 лм) и на 20% более широкую частотную полосу, они также были на 60% более эффективны. Но затем в ноябре 2010 года компания Corning приостановила производство и отказалась от дальнейшей разработки технологии SGL-лазеров как неперспективной в сравнении с непосредственно излучающими DGL-лазерами.

MicroVision акцентирует внимание на следующих фактах, касающихся DGL:

•  DGL будут иметь стандартный размер (подобно красным и синим диодам), и размер этот меньше, чем у синтетических зеленых лазеров. SGL-лазеры, используемые в коммерческих PicoP-устройствах, значительно отличаются в характеристиках и форм-факторе, что вынуждает компанию разрабатывать разные версии модулей PicoP при работе с различными производителями. Стандартные корпуса DGL обещают независимость технологии MicroVision от производителя DGL, а компенсировать отличия в характеристиках может аппаратно-программная часть машины PicoP.
• DGL будут существенно дешевле, чем SGL, которые компания приобретала в 2010–2011 гг.
• DGL будут производиться в более высоких объемах, чем SGL. MicroVision ожидает, что более высокая технологичность позволит дать более высокие объемы выработки, сходные с теми, что обеспечиваются для непосредственно излучающих синих и красных лазерных диодов.

MicroVision использовала время в ожидании коммерциализации DGL для дальнейшего совершенствования своей технологии, участвуя в других проектах, в частности, совместно с Intel (www.intel.com), Microsoft (www.microsoft.com) и укрепляя свое положение в плане патентной защиты своей интеллектуальной собственности. Так, Microvision приобрела патентное портфолио дочерней компании Motorola Symbol Technologies, Inc. (www.motorola.com). В итоге MicroVision сейчас владеет более чем 500 патентами.

В течение 2012 года MicroVision планирует переход к бизнес-модели Image by PicoP, что позволит другим клиентам создавать продукты на основе дисплейной технологии PicoP. Это освобождает компанию от разработки инфраструктуры, необходимой для проектирования и продажи продуктов для конечного пользователя, и позволит MicroVision сфокусировать ресурсы на инновациях в области технологии PicoP. По этим причинам компания осуществляет стратегию укрепления технологии, которую OEM смогут использовать через налаженную сеть дистрибуции.

Тем временем, пока зеленые лазеры непосредственного действия проходят первый этап своей коммерциализации в продуктах компаний Pioneer и MicroVision, от ключевых поставщиков поступают другие новости, также имеющие прямое отношение к развитию технологий мобильного отображения виртуального контента. Первый в мире «истинно зеленый» (непосредственно излучающий) лазерный диод в июне 2012 года представили компании Sumitomo Electric и Sony (рис. 4). Важнейшей новостью для мобильных проекторов с обычным (не лазерным) светодиодным освещением стал недавний выпуск зеленого светодиода — проект Osram Ostar Projection Cube (рис. 5). Оба компонента, как характеризуют их производители, обладают удвоенной системной яркостью, но первый из них в контексте данной статьи заслуживает особого внимания.

Рис. 4. Первый в мире «истинно зеленый» полупроводниковый лазерный диод с выходом 100 мВт, разработанный Sumitomo Electric и Sony: а) внешний вид полупроводникового лазерного компонента; б) компонент в работе: истинно зеленое излучение; в) схематическое изображение устройства лазерного диода зеленого цвета и полупроводниковой структуры

Рис. 5. Osram Ostar Projection Cube LED — новый зеленый светодиод для мобильного проецирования, отличающийся высокой яркостью и эффективностью

Первый в мире «истинно зеленый» лазерный диод

В июне 2012 года Sumitomo Electric (http://global-sei.com/) и Sony (www.sony.net) объявили об успешной совместной разработке первого в мире «истинно зеленого» полупроводникового лазерного диода с выходом 100 мВт на длине волны 530 нм (рис. 4). Этот лазерный диод можно устанавливать в лазерные проекторы и другие дисплейные устройства. Ключевым признаком нового компонента названа в два раза более высокая яркость в сравнении с зелеными лазерными диодами на основе GaN. Цветовая гамма согласно стандарту NTSC (CIE 1976) расширена на 182% (в комбинации нового зеленого лазерного диода с красными и синими лазерными диодами). В результате ожидается значительное повышение характеристик проекторов и других дисплейных устройств, способных воспроизводить яркие и живые цвета видео и цифровых изображений.

Зеленые лазеры из материала GaN на длине волны 520 нм или ниже давали выход только порядка десятков мВт. Sumitomo Electric и Sony значительно повысили яркость зеленого лазера, используя GaN-подложку, технологии наращивания кристаллов и обработки пластин от Sumitomo Electric вместе с лазерной технологией GaN Sony для разработки Blu-ray. Эти методы и совместные работы по улучшению полупроводникового процесса производства лазеров позволили получить выход оптической мощности зеленого лазера порядка 100 мВт и добиться эффективности работы без подзарядки (wall-plug efficiency) выше 8%.

Sumitomo Electric и Sony продолжат разработку технологии зеленых полупроводниковых лазерных диодов для повышения выхода, эффективности и качества лазерных компонентов, а сейчас они занимаются разработкой применений технологии, важнейшим из которых являются проекторы.

Объективно пока не ожидается, что новый лазерный компонент сможет конкурировать с более развитыми технологиями светодиодного освещения в мобильных проекторах. И тем не менее это событие имеет особое значение, так как представлен первый непосредственно излучающий зеленый лазерный компонент, коммерчески доступный для любых OEM, заинтересованных в применении лазерной технологии для мобильного отображения виртуального контента.

Следующим важнейшим событием лета 2012 года для этого сегмента рынка стал выход в нишу мобильного отображения виртуального контента компании ST — непревзойденного лидера в объемах производства и продаж МЭМС-компонентов для массовых рынков.

ST входит на рынок мобильных лазерных пикопроекторов

В начале августа 2012 года STMicroelectronics (www.st.com) завершила приобретение интеллектуальной собственности компании bTendo (www.btendo.com) — инноватора в сфере лазерной проекционной технологии МЭМС.

STMicroelectronics сделала важный шаг к тому, чтобы начать свое позиционирование в возникающем рыночном сегменте технологий совместного просмотра видеоконтента смартфонов и других потребительских устройств, разработка которых ранее была начата совместно с компанией bTendo. ST объявила о приобретении IP (intellectual property) и привлечении наемного персонала израильской компании для ускорения внедрения и распространения технологии.

Цель совместной разработки — объединение инновационной технологии сканирующей лазерной проекционной машины (Scanning Laser Projection engine) bTendo с опытом ST в сфере технологий MEMS, ноу-хау в области видеообработки и полупроводниковых технологических процессов. Уже получены оценочные образцы малого размера с низким потреблением мощности. Образцы представлены потенциальным клиентам для интеграции в следующее поколение смартфонов, цифровых камер и лэптопов.

Сканирующая лазерная проекционная машина (рис. 6) производит высокоразрешающий выход, не требующий фокусировки, что позволяет пользователям отображать видео, изображения и презентации практически везде. Инновационное решение bTendo обеспечивает малый фут-принт, высокую эффективность и соответствует требованиям дизайна мобильных устройств с ограниченным пространством. Проекционный модуль объемом менее 1,7 см³ и высотой менее чем 5 мм соответствует требованиям, предъявляемым при создании смартфонов и других портативных устройств.

Рис. 6. Сканирующая лазерная проекционная машина (Scanning Laser Projection engine) bTendo для применения в мобильных пикопроекторах: а) мобильное отображение контента посредством пикопроектора; б) компоненты пикопроектора; в) основные сканирующие подсистемы

Исполнительный вице-президент подразделения ST Analog, MEMS and Sensors Бенедетто Вигна (Benedetto Vigna) высказал мнение о том, что объединение IP, технического опыта ST и технологии bTendo Scanning Laser Projection engine позволит соответствовать требованиям возникающего рынка встроенных пикопроекторов в следующем поколении портативных потребительских устройств (смартфонов, камер, лэптопов). Пока же ведется подготовка к открытию новых рынков.

Приобретение IP компании bTendo позволит использовать достигнутый технологический прогресс и усилить позиции ST в этом рыночном сегменте. Опыт ST, продемонстрированный в сфере технологий МЭМС, предвещает вывод технологии МЭМС-пикопроекторов на рынок в короткие сроки и по низкой цене и распространение лазерных сканирующих дисплейных технологий среди пользователей.

Заключение

Для дальнейшего движения технологий проекционных дисплеев на массовые рынки автомобильных HUD и мобильных пикопроекторов был необходим «зеленый свет» или, другими словами, появление ярких, компактных, недорогих и коммерчески доступных зеленых лазеров — ключевых источников освещения наиболее перспективной лазерной сканирующей технологии МЭМС.

Рассмотренные в статье факты свидетельствуют о том, что долгожданный выход на рынок непосредственно излучающих зеленых лазерных (DGL) диодов можно считать состоявшимся. Достижениями лета текущего года стали повышение яркости (выхода светового потока) — порядка 25 лм, эффективности (WPE) — порядка 8% для зеленых лазерных компонентов, но главным из них стала собственно коммерциализация технологий DGL-лазеров и применений на их основе. Ожидается новая волна разработок коммерческих дисплейных решений с высокими характеристиками и по более низкой цене — как на основе лазерной сканирующей МЭМС-технологии, так и на основе конкурирующих технологий (использующих светодиодные, дисплейные источники освещения, массивы микрозеркал) для мобильного отображения контента, которое становится для потребителей более доступным и привлекательным.