Scanning fiber microdisplay: design, implementation, and comparison to MEMS mirror-based scanning displays

Abstract

Dans cette étude, nous proposons un micro-affichage de fibre de balayage compact et léger vers des applications de réalité virtuelle et augmentée. Notre conception qui est adaptée comme un affichage porté sur la tête consiste simplement en un actionneur à tube piézoélectrique à quatre quadrants à travers lequel un câble de fibre optique est étendu et actionné, et une surface ellipsoïdale réfléchissante (ou semi-réfléchissante) qui relaie la pointe mobile de la fibre sur la rétine du spectateur. L'affichage proposé offre des avantages significatifs en termes de simplicité architecturale, de facteur de forme, de complexité de fabrication et de coût par rapport à d'autres homologues de scanner de fibre et de miroir MEMS vers la réalisation pratique. Nous démontrons l'affichage de divers motifs avec une résolution VGA et fournissons en outre des formules analytiques pour les contraintes mécaniques et optiques pour comparer les performances du micro-affichage de fibre de balayage proposé avec celles des micro-affichages à base de miroir MEMS. Nous discutons également des étapes de la route vers l'amélioration des performances du micro-affichage de fibre de balayage proposé vers des formats vidéo haute définition (tels que HD1440), ce qui est au-delà de ce qui a été réalisé par les affichages à balayage laser à base de miroir MEMS.En este estudio, proponemos una micropantalla de fibra de escaneo compacta y liviana hacia aplicaciones de realidad virtual y aumentada. Nuestro diseño que se adapta como una pantalla para llevar en la cabeza simplemente consiste en un actuador de tubo piezoeléctrico de cuatro cuadrantes a través del cual se extiende y acciona un cable de fibra óptica, y una superficie elipsoidal reflectante (o semirreflectante) que transmite la punta móvil de la fibra a la retina del espectador. La pantalla propuesta ofrece ventajas significativas en términos de simplicidad arquitectónica, factor de forma, complejidad de fabricación y costo sobre otros escáneres de fibra y contrapartes de espejo MEMS hacia la realización práctica. Demostramos la visualización de varios patrones con resolución ~VGA y además proporcionamos fórmulas analíticas para restricciones mecánicas y ópticas para comparar el rendimiento de la micropantalla de fibra de escaneo propuesta con el de microdisplays basados en espejo MEMS. También discutimos los pasos para mejorar el rendimiento de la micropantalla de fibra de escaneo propuesta a formatos de video de alta definición (como HD1440), que está más allá de lo que se ha logrado con las pantallas de escaneo láser basadas en espejo MEMS.In this study, we propose a compact, lightweight scanning fiber microdisplay towards virtual and augmented reality applications.Our design that is tailored as a head-worn-display simply consists of a four-quadrant piezoelectric tube actuator through which a fiber optics cable is extended and actuated, and a reflective (or semi-reflective) ellipsoidal surface that relays the moving tip of the fiber onto the viewer's retina.The proposed display, offers significant advantages in terms of architectural simplicity, form-factor, fabrication complexity and cost over other fiber scanner and MEMS mirror counterparts towards practical realization.We demonstrate the display of various patterns with ∼VGA resolution and further provide analytical formulas for mechanical and optical constraints to compare the performance of the proposed scanning fiber microdisplay with that of MEMS mirror-based microdisplays.Also we discuss the road steps towards improving the performance of the proposed scanning fiber microdisplay to high-definition video formats (such as HD1440), which is beyond what has been achieved by MEMS mirror based laser scanning displays.في هذه الدراسة، نقترح عرضًا دقيقًا مضغوطًا وخفيف الوزن لألياف المسح الضوئي نحو تطبيقات الواقع الافتراضي والمعزز. يتكون تصميمنا المصمم كشاشة يتم ارتداؤها على الرأس ببساطة من مشغل أنبوب كهروإجهادي رباعي يتم من خلاله تمديد كابل ألياف ضوئية وتشغيله، وسطح إهليلجي عاكس (أو شبه عاكس) ينقل الطرف المتحرك للألياف إلى شبكية العين للمشاهد. توفر الشاشة المقترحة مزايا كبيرة من حيث البساطة المعمارية وعامل الشكل وتعقيد التصنيع والتكلفة على ماسحات ضوئية أخرى من الألياف ومرايا MEMS نحو التحقيق العملي. نوضح عرض أنماط مختلفة بدقة VGA ونوفر المزيد من الصيغ التحليلية للقيود الميكانيكية والبصرية لمقارنة أداء العرض المصغر المقترح لألياف المسح الضوئي مع أداء العروض المصغرة القائمة على مرآة MEMS. كما نناقش الخطوات نحو تحسين أداء العرض المصغر المقترح للألياف الضوئية إلى دقات الفيديو عالية الدقة (مثل HD40)، والتي تم تحقيقها بما يتجاوز عروض MEMS بالليزر.