LCD原理及光机架构

投影使用之LCD面板在原理上与LCD液晶屏幕类似，但LCD屏幕的各层光学膜在投影系统中则是以光学组件摆置在光机架构中。

如图一所示，光源在经过UV-IR滤镜以滤除对面板有害之红外光、紫外光，再经过积分透镜进行均匀化，再透过极化转换器（P-S converter），将光源中无法使用的极化成份进行转换，使光源利用效率增加。在光源处理完之后，再经过一系列的双色分光镜（Dichroic Mirror），将光源分成三个颜色打入三片对应的面板，由一双色棱镜（Dichroic Prism或称X-Cube）将影像重合，再由镜头成像。

《图一 三片式LCD投影机内部架构图 》 数据源：从ITRI工研院电光所修改整理，2005年

LCD投影技术开口率下降导致光源效率变低

事实上，传统三片穿透式LCD投影技术因其光机结构所需空间较为庞大，基于微型化以及低成本的考虑，LCD技术在微型投影装置的应用中，主要是以单片穿透式LCD搭配白光LED作光源为主流。虽然在目前成熟的LCD面板技术下，LCD面板已可缩至非常小的尺寸，且能够拥有高分辨率的特性，但也因为如此，当面板尺寸愈缩愈小、分辨率愈做愈高的同时，LCD面板的像素间距、趋动液晶的薄膜晶体管及其导线的面积，并无法随之等比例缩小，导致LCD面板本身的开口率（Aperture Ratio）跟着下降，晶格效应愈来愈明显、光源的利用效率变低、亮度也会变暗。于是，为了提高投影亮度，作为光源的白光LED功率也必须随之提高。

《图二 开口率示意图 》 数据源：从Reflective LCDs（John Wiley & Sons, Ltd）修改整理

主要技术HTPS掌握在日系大厂

再加上目前制作穿透式LCD投影面板的高温多晶硅HTPS（High Temperature Poly-Silicon）主要技术都掌握在日系大厂SONY、EPSON手中，无形之中对于穿透式LCD投影技术在微形投影应用上的普及产生不少限制。在微型投影的应用上，除了2006年SONY曾开发出一部分辨率为800×600之原型机外，目前市面上并无商品出现。

《图三 2006 SONY LCD微形投影机原型 》 数据源：DigiTimes新闻照片，2006年

DLP技术

DLP微镜面投影原理

DLP所使用的面板组件DMD是微机电技术所制成之投影面板组件，由与分辨率相同数量的微小镜片所组成（如图四所示），每一面镜子下方皆有旋转轴，可让镜子在两个角度间运动（如图为正负十度间），以控制入射光的反射方向。

《图四 DMD结构示意图 》 数据源：TI网站

而这些反射镜只能有两个角度状态，因此在画面上，非亮即暗，如图所示，亮画素即是将反射光导向成像镜头，暗画素即将反射光导向吸收板，而中间的灰阶，则必须不断的转动镜片，以不同比例的亮暗画面交互切换形成，由人眼视觉暂留的现象形成灰色。藉由控制每一个画素，即可形成一完整灰阶画面。而完整的全彩画面，则由快速的切换红蓝绿光源，再以人眼视觉暂留原理达到。

DLP投影特色优势

与其他技术相较，DLP的整个讯号处理流程皆为数字处理，数字模拟转换是在影像进入人眼时达成。DMD的反射镜反应速度为微秒（μs）等级，比液晶反应速度快上许多，相较于液晶投影机，DLP更不会有残影问题。另外，不同于液晶系统仅能使用单一极化光，DLP没有极化光的限制，因此面板本身对光的利用率是很高的。

《图五 DMD成像示意图 》 数据源：TI网站

《图五 DMD成像示意图 》

DLP可分传统及微型光机架构

DLP传统光机可分为单片式及三片式光机，三片式由于成本因素，一般仅见于剧院及高阶应用，市售一般DLP投影机几乎都是单片结构。

单片DLP光机中，光源再经过积分柱（Integration Rod）进行匀光后，经过一旋转的色轮（Color Wheel），将光源处理成红蓝绿光源，同一时间仅有单一颜色输出，将此处理后光源投影在DLP面板上，DLP则针对当时色彩投影出对应色彩之画面，投影镜头则负责将面板上之影像成像于外部投影幕上。由于DLP的色彩是由红蓝绿画面快速切换组成，有些人在看DLP投影机画面，在快速动作的画面中会看到色彩分开的现象，称为彩虹效应（Rainbow Effect）。 《图六 单芯片DLP投影架构图（Color Wheel） 》

数据源：TI

用LED取代色轮机制

而在使用DLP的微型投影装置之中，最大不同点即是使用LED光源取代传统高压汞灯，而LED本身即是有色光源，因此，分别点亮红蓝绿LED取代了原本的色轮机制，如此也可增加原本因使用色轮而减少之光利用率，另外，微型投影所使用之DMD面板大小也远小于传统投影系统，如此才能在光源端及成像端都做到微型化。

如下图所示，三色LED分别位于光机之中，在LED前方则有特殊设计之聚光镜及透镜数组（Lens Array）进行聚光及匀光，此部份则等校于传统光机中之积分柱，处理后之三色光源，透过两片双色镜或双色棱镜（Dichroic Mirror Prism），导引至面板上，最后再透过投影镜头进行影像投影。与传统光机使用色轮进行色彩切换，有色轮转速上及同步控制上的限制，LED纯电子讯号可以将色彩切换得更快，减少某些人会看见的彩虹效应（Rainbow Effect）。 《图七 单芯片DLP投影架构图（R、G、B LED） 》

数据源：Luminus Device网站

DLP全数字讯号架构特点

• DLP技术的全数字讯号架构有几个特点：





• ●DLP投影技术的所有讯号都是以数字方式传递和处理：与LCD、LCoS等液晶技术相比来说，LCD、LCoS需在液晶两端施加不同的模拟电压以调整液晶偏转角度，进而控制通过光的明暗及色彩。这些偏压与通过的光强度并非线性关系，常需要面板厂商经频繁实验后取得最佳的值。而对于DLP投影技术而言，只需控制微镜片（Micro Mirror）的明暗周期便可得到准确的色彩浓度。





• ●光利用效率高：DLP系统并不像LCD、LCoS技术一样，需要利用极化光作为光源，故在光源的利用效率上可以有非常显著的提高。

●高黑白对比：相对于LCD、LCoS技术的液晶显影会有漏光的现象，因而无法达到全黑的显像；DLP系统是利用反射方式，在全黑的显像上，可以将光源吸收掉以得到真正的全黑，进而得到非常高的黑白对比。

总归而言，DLP投影技术虽然有着光效率高、对比高的优点，但由于DLP系统是高速微机电（MEMS）架构，因制程关系导致其显示芯片及驱动芯片功耗相较于LCD及LCoS技术要来得高，抵消了部份光利用率上的优势；此外，DLP的制造技术及相关智财权都掌握在德州仪器TI手上，系统成本上还有很大的改进空间。

LCoS技术

LCoS投影优势

相较于LCD与DLP技术，LCoS（Liquid Crystal on Silicon）则是一整合半导体及液晶制程的新技术，将液晶直接封装于半导体的基板上，可以达到小面积高分辨率，以及使用成熟技术降低成本的优势。尤其在未来分辨率要求越来越高的情况下，LCoS仍能维持较低的面板成本以及较小的面板面积。另外则是LCoS技术不像LCD及DLP，面板技术掌握在特定美日厂商手上，对未来的推广较为有利。 《图八 LCoS面板结构图 》

数据源：ITRI工研院电光所，2005年

与传统LCD相同，面板两侧各摆一片偏光镜，使进入面板的光线为单一极化，而经过面板调变极化的光再用另一片偏光镜将不需要的极化滤除，提高对比度。LCoS则须使用一特殊光学组件，极化分光镜（Polarize Beam Splitter；PBS），如图九所示。此光学组件可将光源中的两个极化，一个极化穿透，另一极化则对镀膜面反射，利用此种机制，可将光源中两个极化进行分离。P极化从PBS的一侧入射，穿过镀膜面到达面板，LCoS面板将此P极化光转换成S极化并反射，而S极化回到PBS中时则被镀膜面反射，此反射光再经由镜头成像。如此，如同一般液晶屏幕一般，每个画素依转换程度呈现出不同的灰阶，即可呈现出一完整的画面。

《图九 LCoS成像原理示意图 》 数据源：华宝通讯内部研究，2006年

LCoS传统及微型光机架构

LCoS在传统投影机或是投影电视中，一般都是使用三片式架构，即每一片LCoS面板负责一个颜色的显示，再将红蓝绿画面迭合成完整影像，类似LCD投影机的原理，架构如下图所示，光源依旧是经由匀光，分光后，再经由面板显示，X棱镜合光，镜头成像。

《图十 三片式LCoS投影系统架构图 》 数据源：工研院电光所，2005年

而在微型光机之中，不可能使用如此庞大复杂之三片式架构，因此都是使用单片式系统。

含彩色滤光片之LCoS面板

第一种架构最简单的方式是使用含有彩色滤光片之LCoS面板，此种面板与桌上用的LCD屏幕架构类似，直接在面板上做上彩色滤光片，使用三个次画素（Sub-pixel）来呈现一个画素。用以取代一般投影系统中的色彩分合光组件，光源部分仅需一个白光光源，如同LCD屏幕之背光一般。此种光机架构最为简单，白光光源再进行匀光处理后直接打入面板之中，再由投影镜头成像即可。但在效果上，由于白光LED的演色性不佳，LCoS面板为了光效率，滤光片的涂布也相对较薄，因此此种架构的色彩较差，而彩色滤光片会吸收部分的光，光效率普通。但有体积小、技术成熟、成本便宜的优点。

《图十一 单片式LCoS投影系统架构图 》 数据源：华宝通讯内部研究，2005年

采用色彩循序式的LCoS面板

第二种微型光机架构则类似于DLP微型光机的架构，采用色彩循序式（color sequential）面板，三个LED经由两片双色镜将光源投射至同一片面板上，此三色光源在同一时间仅会有一个光源点亮，如此三个LED快速的依序点亮，而面板则对应当时的光源色彩显示适当的画面，再由投影镜头成像。此种光机由于需要高速切换的液晶种类，成本及技术上较前一种方式要高，但由于没有彩色滤光片会将光源吸收，纯色的LED光源亦可达到非常高的色彩饱和。因此在色彩及光效率上，皆远较前一种方式为佳，缺点则为较高的成本及技术。

《图十二 色彩循序式LCoS系统架构图 》 数据源：crutchfield.com

台湾厂商可从LCoS反射投影技术着手

相对于穿透式LCD投影技术而言，LCoS反射式投影技术结合台湾业已成熟的面板及半导体技术，却能拥有较高的开口率，在相同光源及面板分辨率下，能得到较高的亮度。LCoS技术可将液晶所需的趋动电路及偏压晶体管都设置在硅基板内，因此趋动电路及偏压晶体管并不占用液晶表面积，进而达到高开口率，也比LCD透射式液晶投影更适合在微形投影上的应用。这也是目前台湾半导体厂、面板厂商在微型投影领域主要切入的方向，冀望利用成熟的面板与半导体技术，在这领域得到一席之地。

此外，LCoS除了以上述白光及R、G、B LED作为光源外，也有厂商另辟蹊径，以R、G、B雷射作为光源，他们认为雷射光源单一波长及极化的特性，可以更进一步提高光效率及投影影像的色彩和对比。其中以色列厂商Explay最具代表性，其主要竞争优势是在消除雷射光斑（De-speckling）的技术上。

《图十三 以雷射作为光源的LCoS系统架构图 》 数据源：Explay网站

雷射扫描技术

雷射扫描原理大要

相较于前面所提几种在传统投影领域已经发展多年的技术，雷射扫描则是因应微型投影所发展出的全新技术。就未来性而言，这是个体积能缩到最小，光效率最高的投影方式，但现今而言，还有许多的困难尚待突破。

雷射扫描也是基于微机电技术，但与DLP技术的DMD相比，雷射扫描技术仅有一片或两片反射镜，光源则仅能使用雷射，DMD组件的镜片只有两个角度状态，而雷射扫描组件则需在一个范围中，精确的控制镜片角度。

雷射扫瞄光学机构

雷射扫描亦有分一片镜片及两片镜片两种架构，原理是直接将雷射打在镜子上反射，打到投影幕上，而镜子可以旋转，控制雷射打在投影幕上的位置，而雷射本身须调变强弱，以呈现出该位置画素所需要的灰阶及色彩。如图十四所示，单片式雷射扫描，光源部分采用红蓝绿三色，同DLP或LCoS光机一般透过双色镜将光源合在一起，打到反射镜组件上，此反射镜可以延两个轴向进行旋转，沿垂直轴水平旋转的速度较快，沿水平轴上下旋转的速度则较慢，所打出的画面则是先水平扫描，再垂直扫描，与目前的显示器相同。

《图十四 雷射扫瞄投影模块及系统示意图 》 数据源：bTendo网站

而双片式系统则是针对目前微机电技术可能造成的良率问题，将一片双轴式的镜片，分成两片单轴镜片，小片的进行快速的左右扫描，大片的则进行较慢的上下扫描，在控制上也较为容易，但体积较单片镜片为大。

《图十五 单片式及两片式雷射扫瞄组件示意图 》 数据源：bTendo网站

《图十五 单片式及两片式雷射扫瞄组件示意图 》

雷射扫瞄尚待改进之处

• 雷射扫瞄投影技术虽然有着光利用效率高、无需对焦镜组、易于微型化等优点，却也有着以下缺点：





• ●雷射投影用的雷射功率尚未有明确安全规范，对用户本身安全造成威胁。





• ●雷射因干涉而产生的光斑（Speckle）无法有效去除，对影像质量造成影响。

雷射扫瞄投影是上述几种技术中最有机会做到最微型化的技术，却受限于半导体雷射的良率价格无法降低、雷射光源成像质量不良等因素，目前在市场上的能见度并不高。

《图十六 雷射光斑（Speckle）现象 》 数据源：AbsoluteAstronomy.com

结论

数据源：AbsoluteAstronomy.com

目前在微形投影的应用上，是以DLP、LCoS为主流技术。DLP有着高对比度、高光利用效率，并挟着商用投影市场的优势切入微形投影领域。而LCoS则因结合面板及半导体技术，引起相关厂商竞相发展，对比与良率一直持续演进和改善。至于雷射扫瞄技术，则受限于其消耗功率、雷射光源取得困难、雷射光斑未能有效克服等不利因素下，若要进入微形投影市场，尚有好一段路要走。

（本文作者李政育为华宝通讯新技术开发部主任工程师；王亮舒为华宝通讯新技术开发部高级工程师）