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就在為軍方生產這種微型的顯示設備。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膜上，所生成的圖像是浮在真實場景上面的。

    Microvision采用的技術是一種稱為單光線掃描(single beam light-scanning)的技術。2004年IEEE spectrum雜志曾將這項技術評為未來十年最大膽的十項技術之一。在當時，Microvision還只能實現單色的顯示。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備一鳴
驚人。
 
    該產品全名SHOW Pico Projector，是一種微型彩色投影儀，可以產生DVD質量（848x480）、10流明的投影圖像，投影尺寸可達100英寸。該設備采用標準VGA或S-Video接口，由鋰電池驅動，一次充電可以播放2.5小時影像，適合手機、數碼相機、MP4、筆記本電腦等便攜電子設備。而采用傳統的液晶技術的類似產品，只能做到30英寸的投影面積。

    Microvision把他的核心技術稱為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，具有非常誘人的應用前景。那么他背后的技術究竟是什么呢？

    PicoP三個核心技術包括RGB單色激光器，基于MEMS的光線掃描技術，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、發光效率高，是小功率實現大尺寸投影的關鍵。但是，微型的激光源是一個較難的技術，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的光線掃描技術已經提出了十年以上，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，是每個像素都要對應一個控制單元，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，這是它實現微型化的關鍵。這項技術的另一個優勢是不需要對焦，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圈里討論的話題——單像素照相機。

    大家都有數碼相機，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，數學家會告訴你，這是可能的，而且Rice大學已經做出了一個原型系統。

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雜的數學原理。圖像在進入單像素檢測器前，首先經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，理論上當然能恢復原來的圖像了？！可一個嚴格的數學的結論是，對大多數日常的圖像，只要幾千個點就足夠恢復原來的圖像了。這是一個新的熱門研究領域Compressed Sensing的研究結論。
 
    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趨勢是對光線的精細控制和處理。傳統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距離太遙遠。真正和計算機相關的似乎只有能替代一段電纜傳輸的光纖。但是，現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近年來都獲得飛速的發展。光器件微型化，結合計算機對復雜信息系統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，已經開始走入了與計算機處理相結合的領域。

    電影《星球大戰》里面出現的三維全息影像，其想象的基礎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實現一種微型投影儀PVPro，其產品與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：通過光散射實現廣播，通過對焦實現特定光信號的接收。理論上，它可以解決電交換里面All-to-All數據交換的難題。雖然自由空間交換的概念早就提出過，但這次是以一種Startup公司產品的形式出現了。

    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每秒8萬億次FFT運算的光處理器。設想一下，如果我們利用計算機控制中間的光柵動態變化，能變換出多少種應用出來？雖然現在這個公司好像已經從人間蒸發了，但這條技術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深入著。最后讓我們以一個新的研究結果來結束本文。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，取得了一系列成果，包括1μm的SOI光波導、5μm半徑90°轉彎波導、0.7db微分光器，慢光控制技術以及2007年底發布的100μm硅光調制器等。此圖是他們設想的芯片內的全光交換。2008年3月他們剛剛發布了最新的μm級光開關。

    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。