光学元件的机构

对光学元件作挟持时应留意两点事：

• ●(1)次光学元件最精准的部位在哪?





• ●（2）在光机系统中，要用光学元件的哪个方向定位精度？

透镜不管是塑胶或是玻璃材质都可以开模制造，虽然精度较低，但量产的价格便宜。尤其对于非球面的透镜，其机械加工困难、价格昂贵，因此多以开模来制作，此外模造透镜可以在成型品上任意长出装配用的承靠凸缘，凸缘精度容易控制并作为机构的基准面。如果是柱状透镜其装配方式，可直接利用在光圈外的区域做承靠，透镜的弧面是最精准的地方，周围的边是最后切割成型的，公差会较大。

一般的稜鏡像是偏振分光镜、分合光用的X-Cube等的组装可用插件式的方式进行，承靠边要避开光学有效区域，而垂直于光学有效区域的顶面可用软垫类的材质压住稜鏡做固定，或是在光机底面点胶做固定，胶要点在底面承靠区的胶槽内使胶稍为溢出，避免直接点于承靠面上，上述说明可参考图四。

平板式的光学元件由于微型投影机的利用空间不大，如果角度影响不大时，如图五所示，可以直接插入光机插槽中，设定一般的组装公差即可。如果需要精确定位，则顺着光轴方向作定位，让反射面或是镀膜面作为承靠面，另一面则使用弹簧或用有软顶的螺丝来迫紧，施力点要在有机构承靠面的地方，以免对元件造成力矩。

《图四　透镜的组装与稜鏡胶槽 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2006

《图五　一般组装与精准组装 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2005

面板的机构

在先前的微型投影技术剖析文章中有提到，LCoS的微型投影机会使用含有彩色滤光片的LCoS或是色彩循序式的LCoS两种。由于投影面积小加上使用单片面板的光机系统较为简单，因此只要注意镜头与面板的机构组装公差，基本上两者的角度都可以控制在设计范围内，让整个投影画面内的影像都是清晰的。如果想要增加光线利用率而如图六所示使用两片LCoS面板时，就有需要做两片面板的六轴组装对位，使得两片面板的像素能准确的叠合。

面板的对位要经过六个独立自由度的调整，如图七所示。旋转中心要放在成像中心上，两片面板先各自单独对镜头做对位，当各自的画面都在清晰范围内后，同时打出两片面板的画面，再将两者的画素准确叠合，最后使用UV胶将两片面板与光机黏合。使用UV胶的优点是在一般状态下胶为黏绸状，在照射UV后会快速凝固，除了省却等待时间外凝固力可依照结合的材料不同挑选适当的UV胶。但胶在凝固过程时会有收缩现象，因此六轴定位治具对面板需有足够的挟持力道，一般会使用磁铁或是夹爪等方式，要求较精准的在照射UV的同时会随时注意投影画面是否有分离的情形，以人工或是电脑调整六轴平台做即时的微调修正，图八为一手动式六轴光学引擎调整平台。

《图六　采用两片LCoS的架构示意图 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2005

《图七　对成像中心做X、Y、Z、θx、θy、θz等6轴的对位 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2005

《图八　手动式六轴光学引擎调整平台 》 资料来源：KOHZU网站

通讯产品的检测

微型投影机目前最让人感兴趣的应用是结合行动电话使用，尤其是将投影机直接整合行动电话的投影手机最受瞩目。所有的产品在量产前都须经过一连串的测试，当投影机与手机是独立的产品时有各自的测试规范，然而以投影手机而言，到目前为止尚没有较具体的共同测试规范，因此笔者就常见的手机检测规范中列出几项对微型投影机较有关系的测试，以下的测试皆是以整机测试为主：

• ●机构测试方面有主体压力测试、液晶萤幕压力测试、抗弯曲测试、抗扭力测试、滚筒翻转测试、自由落下测试、短距连续落下测试、振动测试等；





• ●环境测试方面有负压力测试（高空失压测试）、高温储藏测试、低温储藏测试、冷热冲击测试、雨淋测试、砂尘测试等。

光学机构设计人员可参考一些行动产品的测试规范，避免在机构设计时有不足的地方，而实际的测试条件则端看不同开发商对于投影手机的定义。

LED的热源

传统使用卤素灯泡的投影机，其中热的主要来源在于光线中大量的红外光，因此热会以辐射的方式传递到投影机之中，所以一般在灯泡的反射罩前端会有UV-IR滤镜来过滤大部分的红外光，但是少量未能过滤的红外光，仍然带有大量的热能辐射出去，对于有光学镀膜的镜片和液晶面板而言有烧毁的可能。因此传统投影机会在灯泡端及液晶面板端设置风扇以排除热能，有必要时在分合光的区块也会有散热设计，而随着投影机的体积日渐缩小，内部散热问题日益严重，如何有效率地将废热移除是个重要的课题。

LED光源体积小、可以迅速开关投影，是将投影机微型化的关键之一，由于LED的光源不带有红外光，整个系统的热源就集中在LED晶粒上，因此相较于传统投影机，集中在光源处的散热设计就较为单纯。根据LED的规格资料显示，LED的热源随着驱动瓦数的提高而增加，但亮度随着瓦数的提升其增加的比率会快速降低，LED的使用寿命也会缩短。同时LED的散热有其极限，即使散热块再大而热传导速度跟不上，仍然会造成散热不良而毁损或缩短LED使用期限，必须要在亮度和散热效率间取得一个平衡，否则系统的使用年限会由于冷却系统的不足而降低。所以设计工程师也应该明白，系统的销售量与价格，会因为系统的使用年限不符使用者的预期而下降。

散热鳍片

微型投影机应用在行动通讯产品上有噪音的考量，以手机为例，以往没有在里面加装风扇的经验，因此建议采用被动式的散热方式，最常用的就是采用Heat sink，主要原理是藉由金属传导热能，同时藉由大量的鳍片来增加散热面积，最常见的金属材质有铜和铝，铜的热传导性最好（铜395W/mK，铝229W/mK），铝则方便加工及轻巧。散热鳍片的制作有以下几种形式：

铝挤型是很常见的加工方式

如果散热块没有太特殊的设计，使用铝挤型不仅量产容易同时价格便宜。缺点是鳍片的厚度不能与基材的厚度相差太多，鳍片没办法做得薄且密，只可以做轻度加工将鳍片切成交错形状，在没有强制热对流的使用情况下时，散热能力会不足。

铝压铸

铝压铸因为开模制作，因此可用在形状较特殊的散热设计上，但开模费和后续的加工程序会提高成本，同时鳍片和基材仍然有一定的厚度比问题。改善方式可以先用钣金制作鳍片，如图九所示，最后再与压铸件嵌合或黏接。由于铜和铝都可以做钣金材料并且做到厚度极薄，因此能增加压铸件的散热效果。嵌合是在压铸件成型冷却时与钣金件熔接在一起，黏接法通常使用热传导性高的导热胶来接合，缺点是当导热胶没有将基材与鳍片的空隙确实填补的话，导热效果也会打折扣。

最好的散热鳍片是要跟散热基材能够紧密结合，铲削型散热片的制作工法可以达成紧密接合的条件，同时一体成型、单一元件，优点为鳍片厚度薄、间距小，数量增加让散热面积变大、散热效率高，缺点为价格昂贵。

《图九 版金​​鳍片与铝压铸机材黏接 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2007

《图十　铲削型散热片 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2008

风冷系统

在系统中没有使用风扇的方式属于自然热对流，当散热块体积有限，对流效果不好时就可使用风扇的来进行强制热对流，如图十一所示，散热风扇分成轴流风扇和鼓风扇两种，轴流风扇的入风口和出风口在同一轴向，风压小、风量大，鼓风扇的入风口和出风口垂直，因此可改变风流方向，风量集中在小区域、风压大。

《图十一　轴流风扇与鼓风机 》 资料来源：SUNON网站

风扇在散热上的应用是将热风从系统导出，也可以直接吹着要散热的元件，端看哪种方式能最有效率的排除废热。无论是自然对流或强制对流，在入风口或出风口的开孔率也关系着散热效率，开口率等于开口面积除上出风口或入风口的总面积，开孔的排列可用矩阵排列或是交错排列，孔的形状也不局限在圆形，端看是否能达成预设的开口率及是否符合外观造型的需要，材料上可用金属铁网或是塑胶网，或是直接在安装光机的外壳上开孔。

由于微型投影机的散热集中在LED的背面基材上，成像系统较无散热问题，因此成像部分可做密闭式设计来减少灰尘的影响，但光机整合在行动产品上时还是要对接合处垫上防漏圈或是密封胶，以阻隔灰尘经由风道进入到行动产品内部而导致无法通过粉尘测试。

设计者希望充分利用有限的散热空间，但实际上越大的散热空间不代表有较佳的散热效率，有些位置是热传导效率很差的地方，同时风流路径是很难控制的，多余的设计会增加机构制造与组装的困难，后续修改也会很麻烦。因此如图十二所示，软体的模拟是设计初期最重要的，可以帮助设计者避免很多设计上的盲点。

在实际验证方面，要制作出散热模组的样品以及光机的外壳样品与LED组装，这是因为要量测在跟实机相同的边界条件下时LED的温度。如图十三所示，大多数的LED上留有接thermocouple的点来侦测LED晶粒的温度，也有直接在LED背面的基材上剖沟来侦测LED背板的温度，LED的规格书中会载明Junction temperature，经过量测及计算后得到的LED温度要控制在Junction temperature内，如此才算成功的散热设计。

《图十二　CAE软体模拟热传导 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2008

《图十三　LED 》 资料来源：OSRAM网站

《图十四　背板剖沟放入thermocouple 》 资料来源：Compal Communications, Inc. Internal Research，2007

结论

在大型投影机中的机构设计有些是不适用在微型投影机上，原因在于体积必须尽量小，很多时候没有空间做精准的光学定位，而两者的投影画面大小不同，对于影像品质如亮度、对比度和均匀度等的要求也不同。再者微型投影机是直接搭配在3C产品内使用，规范光机的厂商也就不同于以往的光学厂，还必须纳入3C业者的规范，其中的取舍就考验设计者的思维。至于散热设计方面会趋向于更紧密的设计，例如将散热模组设计成连接到外壳或结构的金属上以增加散热效率，但如同前面所言，例如手机在投影时要接听电话，机身的热是否会伤害到使用者的皮肤，这些不同于以往的使用方式，就值得设计者多加思考了。

（本文作者柯信宾为华宝通讯新技术开发部机构／散热高级工程师）