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投影顯示技術市場發展趨勢
 

【作者: 陳浩彰】   2005年07月13日 星期三

瀏覽人次:【6340】
  

出版品代號:::CT


期數:::000162


文章代碼:::CS1


文章標題:::投影顯示技術市場發展趨勢


文章副標:::


出版品單元:::CTCS


文章來源:::


作者:::陳浩彰


譯者:::


引言:::DLP、3LCD、LCoS三種技術各有所長,DLP系統體積較小是它獨特的優勢;3LCD的畫質自然是最大的優勢;LCoS在製程技術有效突破之後,將漸漸追上DLP與3LCD。本文將介紹這三種投影技術並分析未來的市場發展。


附圖定義:::圖一(p1.gif),圖二(p2.gif),圖三(p3.gif),圖四(p4.gif),圖五(p5.gif),圖六(p6.gif),圖七(p7.gif),


附表定義:::


公式圖檔定義:::


文章後之資料:::


屬性(人物):::


屬性(產業類別):::RED


屬性(關鍵字):::DLP、3LCD、LCoS


屬性(組織):::


屬性(產品類別):::


屬性(網站單元):::ZEOE


內容:::


目前市場上最為熱門的背投影技術當推3LCD陣營的HTPS、TI的DLP與製程技術極高的LCoS三種技術。三種技術各有所長,目前以HTPS與DLP處於領先的狀態,LCoS由於製程難度太高,目前還沒辦法有效地商用化量產。本文將為您介紹這三種技術,並且剖析這三種技術的未來市場發展。


令人讚嘆的微機電技術--DLP技術原理

DMD晶片(Digital Micromirror Device;數位微鏡片裝置)

TI於1987年發展出的技術,藉由一百多萬個小鏡片,每一個小鏡片約只有人類頭髮的五分之一大小,透過這些小鏡片來反射入射的光源,每一個小鏡片所反射出的光源就是一個畫素,並藉由TI獨家的Digital Light Processing(數位光源處理技術),來控制每一個小鏡片不斷地變換傾斜角度,以達到各個時間點不同的灰階亮度,灰階亮度的等級高達1024階,也就是說DMD可以表示10bit的灰階亮度(圖一)。


《圖一 DMD晶片示意圖》
《圖一 DMD晶片示意圖》

<資料來源:TI,2005/3>


DMD晶片是相當令人讚嘆的微機電技術,為了要控制鏡片不斷地傾斜任一角度,DMD晶片必需不斷地去控制微機電樞紐(Hinge),想像一下同時有一百多萬個鏡片左搖右擺的壯觀情形,同時每一個鏡片必須在每一秒之中擺動數千次(圖二)。


《圖二 DMD鏡片擺動示意圖》
《圖二 DMD鏡片擺動示意圖》

<資料來源:TI,2005/3>


讓單一DMD也能有三色光的創意設計--色輪裝置(Color Wheel)

為了讓DMD能夠反射出各種顏色,必須讓打到DMD的光線具有基本的三原色,但如何能達到一種簡單、體積小的設計來提供具三原色的光線呢?色輪裝置就是一個頗具創意的發明裝置,它將R、G、B三原色平均分配在一個輪盤之上,當色輪快速旋轉的同時,由高亮度燈泡所發出的白光先經過色輪,依序不斷地發出三種色光,再經由DMD反射,由於色輪快速旋轉,人眼將會因為視覺暫留而形成各種不同的色調。理論上,單DMD系統可產生1670萬色(16.7million),三DMD系統可產生35兆色(35 trillion),顏色相當豐富。注意的是色輪的設計是給單一DMD系統的簡單裝置(圖三)。


《圖三 單一DMD光機構示意圖》
《圖三 單一DMD光機構示意圖》

<資料來源:TI,2005/3>


應用於高階顯示的3DMD系統設計

DLP的工作原理可同時支援單一DMD的光機構設計,亦可支援三個DMD的系統設計。一般家用系統使用單一DMD的光機構設計就已足夠,也是比較價廉的選擇;而三個DMD的系統設計適用於高畫質要求的場合,原理是將高亮度白光源經由稜鏡分成R、G、B三原色,每一個DMD處理一種單一顏色,最後在將此三種顏色於投影鏡片中混合投射至屏幕上(圖四)。


《圖四 以HTPS技術為主的3LCD成像示意圖》
《圖四 以HTPS技術為主的3LCD成像示意圖》

<資料來源:TI,2005/3>


日系大廠的工藝結晶--3LCD(HTPS)

為了推動消費者更進一步認識以HTPS(High-Temperature Polysilicon;高溫多晶矽)技術為基礎的背投影系統,由Epson、Fujitsu、Hitachi、Panasonic、Sanyo、Sony主要公司所組成的3LCD組織正式於2005年初成立,希望能透過網站對於HTPS技術的背投影顯示做一個宣導,以下是以HTPS技術為主的3LCD系統的技術介紹。


3LCD顯示原理

3LCD主要是透過光學原理來呈現影像,光線先由一個超高亮度的水銀燈泡發出後,經過一個分光鏡片(Dichroic Mirror),將波長較長的紅光分出,再將紅光以外的光束繼續經過第二個分光鏡片,將該光束分成綠光與藍光;分開後的紅、藍、綠三種顏色的光束再經由稜鏡(Prism)予以結合成一個完整的影像,然後由投影鏡片(Projection Lens)聚焦投射到屏幕之上成像(圖四)。


《圖四 以HTPS技術為主的3LCD成像示意圖》
《圖四 以HTPS技術為主的3LCD成像示意圖》

<資料來源:3LCD website,2005/3>


3LCD的光機構設計

由於3LCD的顯像原理必須靠幾個獨立的光學元件構成,也造成了3LCD系統體積會較以DMD原主要元件的DLP系統略大,以光機構設計而言,必須十分準確地將各個光學元件放置在合適的位置,也要考慮系統搬移時的震動問題,生產所遭遇到的挑戰相當大;不過由於主要的顯示元件HTPS LCD的製造技術十分純熟,不像DMD元件只由TI一家生產,這也是3LCD系統的優勢之一(圖五)。



《圖五 3LCD的光機構示意圖》
《圖五 3LCD的光機構示意圖》

<資料來源:3LCD website,2005/3>


有夢難圓的LCoS顯示技術

3LCD顯示技術畫質呈現較為自然,但受制於光學元件的開口率限制(Aperture Restriction),常常會有亮度與對比表現度不足的困擾,另外3LCD的體積較大,也是一個困擾。而DLP技術同樣也有一些問題,單一DMD顯像的DLP系統畫質表現較不自然,而三DMD裝置的DLP系統的成本又偏高。因此,LCoS技術就是希望所繫,希望研發一種新技術將LCD製作在矽晶片之上,同時結合光學元件的自然色彩呈現,又能解決光學元件的先天問題。LCoS的技術原理如下。


LCoS(Liquid Crystal on Silicon)技術原理

LCoS希望能在矽晶片之上製作出具反射能力的LCD,來改善3LCD的透光率問題,整個LCoS的技術精神與DLP有許多相似之處,除了都是在矽晶片上製作之外,LCoS同樣也有採用單一LCoS晶片的LCoS系統與使用三個LCoS晶片的高階LCoS系統。使用單一LCoS晶片的LCoS系統,是藉由一個不斷旋轉的稜鏡(或者仍採用色輪裝置),來達成類似於DLP系統中飛輪的工作。而使用三個LCoS晶片的LCoS系統的光機構設計則大致類似於3LCD的光機構設計,只是用LCoS元件來代替3LCD系統的HTPS LCD元件,底下是使用三個LCoS元件的LCoS系統示意圖:


《圖六 使用三個LCoS元件的LCoS系統示意圖》
《圖六 使用三個LCoS元件的LCoS系統示意圖》

<資料來源:3LCD website,2005/3>


LCoS製程技術

在Intel與Philips相繼宣佈退出LCoS晶片的市場之後,LCoS晶片製作上的複雜度再一次地為科技廠商所重視。LCoS基本上同時結合了半導體與液晶顯示器兩大產品的製造技術,由於兩種不同的製程技術結合後,許多新的問題就接踵而來。一般而言,LCoS主要是由三層元件來構成:分別是驅動畫素的電子元件(植於矽晶片之上)、矽晶材料層與上層的玻璃板。三者的結合就可以透過底層的矽晶片,去控制液晶材料來達成控制每一個畫素灰階亮度的目的(圖七)。


《圖七 LCoS晶片的主要元件層示意圖》
《圖七 LCoS晶片的主要元件層示意圖》

<資料來源:MicroDisplay,2005/3>


DLP、3LCD、LCoS的市場現況

大廠陸續宣告放棄的LCoS市場

LCoS技術是由IBM與JVC於1990年代所開發出的技術,一般認為,LCoS將延續類似HTPS的自然色彩呈現的優點,又能提供一個體積較小、價格較便宜的解決方案。HP曾試著要將其商品化,卻因製造成本問題始終無法解決而無法導入量產。Intel曾經將LCoS晶片計劃那如期未來數位家庭體系裡的一個重要環節,提供未來家庭用高畫質數位電視系統的顯示晶片,Intel當時樂觀地估算整個LCoS市場將會帶來龐大的營業收入,經過實際的研發與生產之後,終究宣佈退出LCoS晶片的開發,原因也許不全然是因為LCoS晶片的困難度,但研發的難度與產生的效益無法符合預期也是不爭的事實。Philips亦宣告終止其LCoS晶片的發展計劃,理由也是無法迅速地將該技術導入大量商品化生產,又必須投資巨額的研發成本。


不過仍然有許多的公司持續地發展LCoS,像是eLCOS、Brillian、MicroDisplay、SpatialLight等等公司,台灣廠商則有聯電集團的聯誠光電負責LCoS晶片的相關研發生產工作。


另外值得注意的是,Intel原本希望以LCoS晶片與主推DLP的TI一較高下,雖然目前Intel宣告終止LCoS晶片計劃,進軍家用高畫質數位電視的企圖心卻未曾澆熄;Intel近期已透過併購的方式買入以色列的IC設計公司—Oplus technologies,希望藉由併購的方式繼續往高畫質電視市場努力,目標也將會更廣,包括PDP TV、LCD TV、背投影電視等等都將會是Intel的發展方向。


DLP、3LCD兩強相爭尚未結束

DLP、3LCD最新發展

TI的DLP技術在前投影市場的市佔率極高,根據Pacific Media Associates的統計資料,以DLP技術發展的前投影產品已經在全球市場中佔了47%的市場佔有率;在背投影市場上,以北美市場為例,DLP技術的背投影電視,其市場佔有率在2004年是16%,較2003年的8%足足成長了一倍,並且在2004年的市場佔有率超過了PDP電視。根據TI的統計,TI總共出貨有超過100萬片的DLP晶片用於背投影電視,而DLP晶片的總出貨量數目是超過500萬套;更值得注意的是,光是最近八個月的出貨量就達200萬套,市況可說是相當熱。


除了傳統的前投影與背投影市場之外,TI近來大力地推動其高階的DLP晶片,最近剛獲得金球獎的「神鬼玩家;The Aviator」就是運用了DLP技術在其拍攝過程裡,TI的DLP Cinema技術可以使用在電影拍攝上,也可以使用在電影放映之上。運用在電影院放映電影的技術將會是TI的三個DMD的DLP解決方案,來提供觀賞者更為自然的色彩呈現(不會發生單一DMD的DLP解決方案色彩不夠自然的缺點)。根據TI的說法,目前全球已經有276個採用DLP技術的數位電影院,台灣亦有四座DLP技術的數位電影院。


在投影機市場上,TI推出了0.55吋的XGA等級的DLP晶片(1024 × 768畫素),以達到更低成本、體積更輕巧的解決方案;相較於目前市場上的0.7吋XGA等級的DLP晶片,新一代的晶片由於尺寸較小,能夠反射光源的平均面積下降,將有可能會遇到亮度下降的問題。


在HTPS技術的顯示系統上,面對TI的DLP持續進逼,由六家日系廠商為主的3LCD聯盟(Epson、 Fujitsu、Hitachi、Panasonic、Sanyo、Sony)也於2005年初正式成立,希望透過聯盟組織的設立,藉由網站教育消費者認識高畫值的3LCD系統,並藉由產業鏈的垂直整合,能繼續保有3LCD?系統的市佔率。據3LCD表示,使用3LCD系統由於將R、G、B三色分開處理,對於色彩的呈現較為自然,而不會產生彩虹現象與色彩破碎的現象。另外,3LCD也加強改善3LCD原有亮度不足與對比度不夠的缺點,最新的3LCD系統能達到6000:1的對比度與5000流明的照度。


DLP、3LCD市場預測

DLP技術的相關市場發展愈來愈好,直接威脅到3LCD陣營,根據TSR的統計,2003年DLP背投影市場出貨量約有21萬台,而3LCD系統的背投影電視則有34萬台;2004年DLP系統大幅成長至80萬台,3LCD背投電視則成長至100萬台。TSR並預估2005年DLP背投電視將會和3LCD背投電視差距在十萬台之內,到了2008年,DLP背投電視將會以350萬台超越3LCD背投電視280萬台的出貨量。


在與傳統CRT電視的市場規模比較下,預料2005年CRT市場仍將會以385萬台超越3LCD與DLP背投電視的出貨總和(約290萬台),到了2008年,3LCD與DLP背投電視的出貨總和將達到630萬台,遠遠超越傳統CRT電視80萬台的出貨預估。


結語

DLP、3LCD、LCoS三種技術各有所長,由於DLP技術可以使用3個DMD來建構系統,來解決為人詬病的單DMD系統產生的問題,3DMD系統可以進攻高畫質市場,單DMD系統可以瞄準低階市場,同時DLP系統的體積較小也是它獨特的優勢。3LCD的畫質自然是最大的優勢,但也受限於光學元件的特性無法縮小體積,亦是讓DLP系統能搶佔市場的一個重要因素。


LCoS系統能結合DLP與3LCD的優點,但製程技術同時橫跨半導體與LCD兩大製程,衍生出很多新的問題,若相關製程技術有效突破之後,方能有進一步的表現。不過整體而言,整個背投影的市場將會繼續是此三種技術競爭的態勢,而傳統CRT的電視將會陸續地退出市場,相關的廠商應把握此一商機。


(作者為拓墣產業研究所通訊與半導體產業資深研究員)


延 伸 閱 讀

外觀大體相同的投影機因所使用的顯示元件的不同,內部的光學系統各異,有著不同的種類。現在市場上推出的投影機大致可以分為以下3種方式。相關介紹請見「投影機三大投影技術結構原理分析」一文。

慧聰網教育行業. 縱觀投影機技術的當今局勢,早已是時過境遷,江山易主了。CRT由紅極一時走向末落,逐漸被人遺忘。 你可在「點評投影技術LCD與DLP誰人稱霸2005年」一文中得到進一步的介紹。

說到投影機,就不能不提到投影技術,正式由於各種投影技術的不斷成熟,才使得如今的投影機功能越來越強,價格越來越低廉。在「投影技術簡單素描-投影機三種常見的實現技術」一文為你做了相關的評析。

最新消息

SONY公司利用MEMS(microelectromechanical systems微機電系統),開發出來了一種新型基於光柵閥技術(grating-light-valve)的投影原型機。相關介紹請見「投影技術再邁新台階,達到3000:1」一文。

2003 年的回顧,我們將發現2004年投影機行業的技術發展起源於2003年提出的一系列想法,比如“梯形校正”“無線功能”“sRGB”等技術概念,甚至“經濟型投影機”的市場前景分析。你可在「暢想2005投影技術什?技術令人關注」一文中得到進一步的介紹。

未來幾年內,3LCD技術將不斷進步,3LCD產品供給量也將持續增加,3LCD集團將通過各種宣傳活動推廣3LCD。在「眾廠商力推3LCD投影技術」一文為你做了相關的評析。

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