投影光机架构，与所使用的光源及面板方案息息相关，一旦面板及光源选定，整体光机架构即大致底定。投影光机系统可分为光源端及成像端两边来说明。以下先就光源端说明其架构。

光源处理

目前微型投影系统仍以单片LCoS及单片DLP为主流。光源则根据所选的面板之不同，有三色光源及单色白光光源之分。而三色光源又可分为三色位于同一封装之中，及三颗LED在不同之封装中两类。

LCoS及DLP皆为光阀系统，由面板进行光的调变，因此，光从光源输出后的第一步，就是光的处理及光形整型，使光能均匀地且准直地投射到面板上，如此在成像系统上，才能得到均匀且高品质的影像。在匀光及混光之后，进入成像光学系统，成像光学元件及镜头，再将面板上的影像投影出来。

而雷射扫描系统，则只有三色雷射混光，使三个颜色的雷射能以同样角度打到扫描反射镜上，反射后到投影面上才能有相同的位置。

匀光系统

不论是红蓝绿分色光源或单一白色光源，均匀的将光源照明在面板之上，是光源处理的目的。传统上将光源均匀化的方式有两种，一种是使用透镜阵列（Lens array），另一种则是使用积分柱（Integral rod）。微型投影系统与传统投影系统的另一显著差距是，LED的发光面较传统高压汞灯的发光面积为大，所以也可以面光源作光源处理，将光源直接利用透镜组成像在面板上。以下就针对这三种方式做介绍。

积分柱

积分柱简单来说就是一个光学材质的长方形截面棒，或是使用四面镜子黏合成的空心柱，利用光线在柱里多次反射，可以形成多个光源的虚像，传统投影光机的积分柱架构如图一所示。柱子的出光面往内看，就相当于看到好几个光源的虚像，借此将光源均匀化。积分柱越长，就可以产生越多的虚像，均匀化的效果越好，但体积就较大。

《图一　积分柱原理示意图 》 资料来源：工研院电光所网页

透镜阵列

光源均匀化的另外一个方式就是使用透镜阵列Lens array，透镜阵列的使用一般为两片一组，亦可使用单片。透镜阵列的原理，是利用透镜阵列将光源面分割成许多部分，每一部份在经过其他的镜片叠加在投影面板上，如此就可​​以得到一均匀的投射面，整体架构如图二所示。

《图二　透镜阵列原理示意图 》 资料来源：工研院电光所网页

透镜组光源处理

由于LED可以是为一面光源，面光源本身即有还不错的均匀性，所以，在传统方式之外，另一个适合微型投影的光处理方式就是设计一极大光圈的透镜组，将光源成像于面板上。由于是光源处理，此镜组不需有高解析，但必须有极大光圈极在短距离之内集光，也不能有太多镜片，一般都会导入大曲率及非球面的设计，采用塑胶件以射出方式制造。另外，还要避免LED的电极在面板上成像，影响画质。

微型投影系统一般投影的面积较传统投影机小很多，在较小的投影面积之下，必须为了光机体积以及光学效率而牺牲部分均匀性。另外，不同于传统投影光机皆有参考设计，微型光机必须有许多创新思维，将多个不同功能的光学元件整合为一，使单一元件能有多个功能，以节省光路空间。

其他光学元件

PBS

《图三　PBS原理及照片图 》 资料来源：Compal Communications Internal Research, 2007

极化分光镜（PBS）是LCoS系统中的关键零组件，此部份的规格极特性会影响投影画质甚多，微型投影所使用的PBS，与一般LCoS投影机中所使用的三片式架构、每颗PBS仅需负责单一色彩的极化分离不同；由于是单片式架构，所以此PBS必须对全可见光波段都有优异的极化分离能力，这在镀膜上会是一个挑战。另外由于微型投影由于光机小，所以，无法有足够的空间将所有光线都处理地很准直。因此，微型投影的PBS对较大角度的光线也必须有优异的极化分离能力，这对元件制造者来说都是很大的挑战。

在传统的有机镀膜之外，还有另外两种PBS，可以符合微型投影，大角度仍有高对比的效果。一种是使用微结构对不同极化光线进行分离，以3M为代表；另一种是使用半导体蚀刻制程制作，将半导体制作成很密的线，可以对不同极化做出分离效果，之后再贴付到玻璃上，称为wire-grid PBS，这两种特殊形式的PBS价格较一般的较高，但适合微型投影的光学特性。

双色镜（dichroic mirror；Prism）

对于使用三色不同光源位于三个不同封装中的系统，为了将三个颜色的光源准确叠合到面板上，需有一双色镜系统。双色镜会依据不同的波长，将指定波长范围的光源反射，其他波长范围则穿透，如图四所示。

《图四　双色镜及LED架构示意图 》 资料来源：Compal Communications Internal Research，2006年

而对于将三色LED封装在一起的光源，则需透过其他方式将光源均匀化及混何，如使用扩散片、透镜阵列、或是积分柱。

微型投影机的镜头设计

接下来这部份将镜头部分独立出来讨论。在微型投影系统中，镜头的设计概念和传统投影镜头基本上大致相似，而为了能搭配微型投影机中更小的影像面板（LCoS或DMD）尺寸，因此镜头的尺寸也必须缩小很多，以当前的规格来看，3M的LCoS面板尺寸大约是0.47英吋，而TI的面板尺寸大约是0.17英吋，面板的大小关系到镜头的初始条件设定。如果以远心型式（telecentric）的镜头架构来说，则镜头靠近面板端的口径必须大于面板尺寸，因此基本上来讲，越小的面板对镜头微小化越有利，但面板也不可能随心所欲地缩小，因为还受到进光量和制程的限制。

镜头设计本身要考虑进去的参数和条件可说相当的多，接着笔者就针对微型投影镜头的设计，举出几个思考方向做为切入点，希望能提供读者一些初步导引。

投影范围和画面尺寸

由于微型投影机的使用模式通常是在比较小型的会议室，或者通常是两三人以近距离方式观看，因此投影距离以30～100公分之间的投射范围做为设计条件。接着，我们再定义一下理想但可行的画面尺寸，通常人们也许希望画面越大越好，但受限于影像面板的解析度及镜头结构的复杂度，因此不可能无限制的在短距离内投射太大的画面（或者说太过广角的投影），以现有的产品为例，大约投射角度介于25度～30度之间。

《图五　投射角度示意图 》 资料来源：wikimedia网页

投影光束

如果由面板反射的光束是接近平行光的话，则镜头不可避免地必需采用telecentric的设计；反之，如果光束向镜头方向收敛，则镜头有机会可以设计的更小（相对于telecentric设计）。因此端看整体光路结构而定，而这里也是决定镜头大略尺寸的一个关键点，图六显示telecentric lens的主光线和光轴接近平行的状态。

《图六　Telecentric Lens示意图 》 资料来源：华宝内部资料，2006年

投影光圈

光圈的大小通常决定该镜头的通光量大小，但在投影系统要注意的是，设计者应取一适当大小为原则。因为由面板来的光束通常有个固定或最大张角，超过的部份可说光线微弱，所以即使光圈再大亦无增亮效果，反而徒增设计上的困难度。

投影镜头

因为应用于微型投影的关系，我们希望镜头的重量能够大大地减轻，换言之镜片的数量和材质就必须特别加以考量，设计上通常会尽可能多采用塑胶材质，并且利用加入非球面的设计来减少镜片数。

建立概略系统模型和优化函数

上述几项仅是略举几项设计时的考量点。镜头设计过程所要考量的要素其实非常多，这些参数也视目标而有所不同，此部份有待设计者依据实际情况加以斟酌考量。基本原则是先将目标方向定出之后，建立一概略系统模型，然后针对目标需要，将每个参数规范出容许变化的范围，亦即建立所谓优化函数。

该函数的编辑可说就是一个使用者定义的计算机，当编辑出自定的优化函数列后，软体就会依据编辑者的设定去计算并得出结果，通常最佳结果不会马上可以见到，而是必须不断地修改这个函数结构以及原来的系统架构，才能逐渐达到最佳解。以光学设计历史上一些资深人士所言，设计向来没有标准路径和程序可循，因此，某些成分还是需要设计者不断的累积经验来突破设计瓶颈。

光学模拟及软体大要

开发模拟投影系统需要专业工具

各种光学相关产品开发过程中，事前的模拟（仿真）是不可避免的一个步骤，而微型投影机的光机引擎和内部各元件开发也不例外。这里面包括光机架构、各单位元件如镜头、PBS、集光元件、影像元件等，都必须经过光学模拟的过程，以确认其设计正确性，以及跟相邻元件的搭配性是否吻合恰当。

若要模拟投影系统中的各次系统和元件，就必须具备专业的工具，目前市面上进行这些模拟工作所需要的相关光学设计工具还不算少，比较熟知的软体例如：CODE V、ZEMAX、 OSLO、OpTaliX、ASAP、TracePro、LightTool等等。

软体简介

软体种类

以发展方向来分的话，投影系统中需要应用的模拟程式大致可分两类，一类是以处理及分析光源、照明等非成像的系统为主的程式，此类代表例如ASAP、TracePro，LightTool等；另一类则是以成像或成像相关的处理为主的程式，此类代表例如ZEMAX、CODE V、OSLO等等。上述两类软体程式发展至今基本都具备完整的分析运算能力，而它们的功能除了投影系统的应用之外，还涵盖了各式各样的线性光学甚至物理（波动）光学等更广领域的应用。也因此，我们基本上可以自由地在这些软体环境中进行任何我们想做的设计模型。

软体应用特性

这些光学程式都有各自的特点，我们很难主观界定何者较为强大或有效，因为各程式都有各自的操作逻辑和针对不同系统的适用性。举例来说，假如今天我们希望不用做太多的设定而建立一个简单的模型，并快速看出结果，我们所需要的是带有简易操作介面的程式。反之，若我们想建立一个较复杂而且能完整自定各项参数的模型，软体则应具有更多使用者自定编辑的功能，能让使用者完全独立创造出每个细节。因此，各个软体有它各自的操作特色。

编辑和模型前置工作相当重要

应该要注意的是，被设计的模型本身是各式各样千变万化的，软体几乎都可以建立出使用者想要的结构和整个参数环境。但是从无到有的编辑和建立模型的过程，可能有很多的方式和路径。也就是说，前置性的工作有一定重要性，包括建立模型的初步考量、怎么建立特殊几何形状、如何安置光源于适当位置、光学系统的结构、还有材料的材质及表面特性（透射、反射、或部分镀膜）等等，都要有个初步先期的规划，这样才可避免模型建立到一半、发现有些不可挽回的设计失误、而必须重新来过一遍的风险。

熟悉软体特性才是操作重点

对于各模拟软体的操作，通常使用者可以透过下载试用版本来了解各软体的操作特性，然后再决定何种软体比较适合目前的任务需要和自己的使用习惯。客观来说，只要熟悉了某个软体操作后，就会习惯该软体的介面安排和操作方式，进而能够越使用越顺手。所以如果没有太多选择，倒也不必太过比较何者较为适用，熟悉某软体的特性才是关键重点。

结语

微型投影光机设计，从光源、架构、以及使用需求上来说，都与传统的投影机光机不同，虽然架构部分类似，所使用的投影面板技术也类似，但对于行动需求来说，体积、功耗及亮度会是更重要的关键点，从光机的规划初期，就必须锁定这些目标，其他部分则必须适当的牺牲，才能作出符合市场需求的产品。

（本文作者蔡尚安为华宝通讯新技术开发部光学主任工程师；王亮殊为华宝通讯新技术开发部光机电整合高级工程师）