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微型投影的光學設計要點
 

【作者: 蔡尚安,王亮舒】   2009年08月31日 星期一

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微型投影光機設計


投影光機架構,與所使用的光源及面板方案息息相關,一旦面板及光源選定,整體光機架構即大致底定。投影光機系統可分為光源端及成像端兩邊來說明。以下先就光源端說明其架構。



光源處理


目前微型投影系統仍以單片LCoS及單片DLP為主流。光源則根據所選的面板之不同,有三色光源及單色白光光源之分。而三色光源又可分為三色位於同一封裝之中,及三顆LED在不同之封裝中兩類。



LCoS及DLP皆為光閥系統,由面板進行光的調變,因此,光從光源輸出後的第一步,就是光的處理及光形整型,使光能均勻地且準直地投射到面板上,如此在成像系統上,才能得到均勻且高品質的影像。在勻光及混光之後,進入成像光學系統,成像光學元件及鏡頭,再將面板上的影像投影出來。



而雷射掃描系統,則只有三色雷射混光,使三個顏色的雷射能以同樣角度打到掃描反射鏡上,反射後到投影面上才能有相同的位置。



勻光系統


不論是紅藍綠分色光源或單一白色光源,均勻的將光源照明在面板之上,是光源處理的目的。傳統上將光源均勻化的方式有兩種,一種是使用透鏡陣列(Lens array),另一種則是使用積分柱(Integral rod)。微型投影系統與傳統投影系統的另一顯著差距是,LED的發光面較傳統高壓汞燈的發光面積為大,所以也可以面光源作光源處理,將光源直接利用透鏡組成像在面板上。以下就針對這三種方式做介紹。



積分柱


積分柱簡單來說就是一個光學材質的長方形截面棒,或是使用四面鏡子黏合成的空心柱,利用光線在柱裡多次反射,可以形成多個光源的虛像,傳統投影光機的積分柱架構如圖一所示。柱子的出光面往內看,就相當於看到好幾個光源的虛像,借此將光源均勻化。積分柱越長,就可以產生越多的虛像,均勻化的效果越好,但體積就較大。




《圖一 積分柱原理示意圖 》


資料來源:工研院電光所網頁




透鏡陣列


光源均勻化的另外一個方式就是使用透鏡陣列Lens array,透鏡陣列的使用一般為兩片一組,亦可使用單片。透鏡陣列的原理,是利用透鏡陣列將光源面分割成許多部分,每一部份在經過其他的鏡片疊加在投影面板上,如此就可以得到一均勻的投射面,整體架構如圖二所示。




《圖二 透鏡陣列原理示意圖 》


資料來源:工研院電光所網頁




透鏡組光源處理


由於LED可以是為一面光源,面光源本身即有還不錯的均勻性,所以,在傳統方式之外,另一個適合微型投影的光處理方式就是設計一極大光圈的透鏡組,將光源成像於面板上。由於是光源處理,此鏡組不需有高解析,但必須有極大光圈極在短距離之內集光,也不能有太多鏡片,一般都會導入大曲率及非球面的設計,採用塑膠件以射出方式製造。另外,還要避免LED的電極在面板上成像,影響畫質。



微型投影系統一般投影的面積較傳統投影機小很多,在較小的投影面積之下,必須為了光機體積以及光學效率而犧牲部分均勻性。另外,不同於傳統投影光機皆有參考設計,微型光機必須有許多創新思維,將多個不同功能的光學元件整合為一,使單一元件能有多個功能,以節省光路空間。



其他光學元件


PBS



《圖三 PBS原理及照片圖 》


資料來源:Compal Communications Internal Research, 2007




極化分光鏡(PBS)是LCoS系統中的關鍵零組件,此部份的規格極特性會影響投影畫質甚多,微型投影所使用的PBS,與一般LCoS投影機中所使用的三片式架構、每顆PBS僅需負責單一色彩的極化分離不同;由於是單片式架構,所以此PBS必須對全可見光波段都有優異的極化分離能力,這在鍍膜上會是一個挑戰。另外由於微型投影由於光機小,所以,無法有足夠的空間將所有光線都處理地很準直。因此,微型投影的PBS對較大角度的光線也必須有優異的極化分離能力,這對元件製造者來說都是很大的挑戰。



在傳統的有機鍍膜之外,還有另外兩種PBS,可以符合微型投影,大角度仍有高對比的效果。一種是使用微結構對不同極化光線進行分離,以3M為代表;另一種是使用半導體蝕刻製程製作,將半導體製作成很密的線,可以對不同極化做出分離效果,之後再貼付到玻璃上,稱為wire-grid PBS,這兩種特殊形式的PBS價格較一般的較高,但適合微型投影的光學特性。



雙色鏡(dichroic mirror;Prism)


對於使用三色不同光源位於三個不同封裝中的系統,為了將三個顏色的光源準確疊合到面板上,需有一雙色鏡系統。雙色鏡會依據不同的波長,將指定波長範圍的光源反射,其他波長範圍則穿透,如圖四所示。



《圖四 雙色鏡及LED架構示意圖 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2006年


而對於將三色LED封裝在一起的光源,則需透過其他方式將光源均勻化及混何,如使用擴散片、透鏡陣列、或是積分柱。



微型投影機的鏡頭設計


接下來這部份將鏡頭部分獨立出來討論。在微型投影系統中,鏡頭的設計概念和傳統投影鏡頭基本上大致相似,而為了能搭配微型投影機中更小的影像面板(LCoS或DMD)尺寸,因此鏡頭的尺寸也必須縮小很多,以當前的規格來看,3M的LCoS面板尺寸大約是0.47英吋,而TI的面板尺寸大約是0.17英吋,面板的大小關係到鏡頭的初始條件設定。如果以遠心型式(telecentric)的鏡頭架構來說,則鏡頭靠近面板端的口徑必須大於面板尺寸,因此基本上來講,越小的面板對鏡頭微小化越有利,但面板也不可能隨心所欲地縮小,因為還受到進光量和製程的限制。



鏡頭設計本身要考慮進去的參數和條件可說相當的多,接著筆者就針對微型投影鏡頭的設計,舉出幾個思考方向做為切入點,希望能提供讀者一些初步導引。



投影範圍和畫面尺寸


由於微型投影機的使用模式通常是在比較小型的會議室,或者通常是兩三人以近距離方式觀看,因此投影距離以30~100公分之間的投射範圍做為設計條件。接著,我們再定義一下理想但可行的畫面尺寸,通常人們也許希望畫面越大越好,但受限於影像面板的解析度及鏡頭結構的複雜度,因此不可能無限制的在短距離內投射太大的畫面(或者說太過廣角的投影),以現有的產品為例,大約投射角度介於25度~30度之間。



《圖五 投射角度示意圖 》

資料來源:wikimedia網頁


投影光束


如果由面板反射的光束是接近平行光的話,則鏡頭不可避免地必需採用telecentric的設計;反之,如果光束向鏡頭方向收斂,則鏡頭有機會可以設計的更小(相對於telecentric設計)。因此端看整體光路結構而定,而這裡也是決定鏡頭大略尺寸的一個關鍵點,圖六顯示telecentric lens的主光線和光軸接近平行的狀態。



《圖六 Telecentric Lens示意圖 》

資料來源:華寶內部資料,2006年


投影光圈


光圈的大小通常決定該鏡頭的通光量大小,但在投影系統要注意的是,設計者應取一適當大小為原則。因為由面板來的光束通常有個固定或最大張角,超過的部份可說光線微弱,所以即使光圈再大亦無增亮效果,反而徒增設計上的困難度。



投影鏡頭


因為應用於微型投影的關係,我們希望鏡頭的重量能夠大大地減輕,換言之鏡片的數量和材質就必須特別加以考量,設計上通常會盡可能多採用塑膠材質,並且利用加入非球面的設計來減少鏡片數。



建立概略系統模型和優化函數


上述幾項僅是略舉幾項設計時的考量點。鏡頭設計過程所要考量的要素其實非常多,這些參數也視目標而有所不同,此部份有待設計者依據實際情況加以斟酌考量。基本原則是先將目標方向定出之後,建立一概略系統模型,然後針對目標需要,將每個參數規範出容許變化的範圍,亦即建立所謂優化函數。



該函數的編輯可說就是一個使用者定義的計算機,當編輯出自定的優化函數列後,軟體就會依據編輯者的設定去計算並得出結果,通常最佳結果不會馬上可以見到,而是必須不斷地修改這個函數結構以及原來的系統架構,才能逐漸達到最佳解。以光學設計歷史上一些資深人士所言,設計向來沒有標準路徑和程序可循,因此,某些成分還是需要設計者不斷的累積經驗來突破設計瓶頸。



光學模擬及軟體大要


開發模擬投影系統需要專業工具


各種光學相關產品開發過程中,事前的模擬(仿真)是不可避免的一個步驟,而微型投影機的光機引擎和內部各元件開發也不例外。這裡面包括光機架構、各單位元件如鏡頭、PBS、集光元件、影像元件等,都必須經過光學模擬的過程,以確認其設計正確性,以及跟相鄰元件的搭配性是否吻合恰當。



若要模擬投影系統中的各次系統和元件,就必須具備專業的工具,目前市面上進行這些模擬工作所需要的相關光學設計工具還不算少,比較熟知的軟體例如:CODE V、ZEMAX、OSLO、OpTaliX、ASAP、TracePro、LightTool等等。



軟體簡介


軟體種類


以發展方向來分的話,投影系統中需要應用的模擬程式大致可分兩類,一類是以處理及分析光源、照明等非成像的系統為主的程式,此類代表例如ASAP、TracePro,LightTool等;另一類則是以成像或成像相關的處理為主的程式,此類代表例如ZEMAX、CODE V、OSLO等等。上述兩類軟體程式發展至今基本都具備完整的分析運算能力,而它們的功能除了投影系統的應用之外,還涵蓋了各式各樣的線性光學甚至物理(波動)光學等更廣領域的應用。也因此,我們基本上可以自由地在這些軟體環境中進行任何我們想做的設計模型。



軟體應用特性


這些光學程式都有各自的特點,我們很難主觀界定何者較為強大或有效,因為各程式都有各自的操作邏輯和針對不同系統的適用性。舉例來說,假如今天我們希望不用做太多的設定而建立一個簡單的模型,並快速看出結果,我們所需要的是帶有簡易操作介面的程式。反之,若我們想建立一個較複雜而且能完整自定各項參數的模型,軟體則應具有更多使用者自定編輯的功能,能讓使用者完全獨立創造出每個細節。因此,各個軟體有它各自的操作特色。



編輯和模型前置工作相當重要


應該要注意的是,被設計的模型本身是各式各樣千變萬化的,軟體幾乎都可以建立出使用者想要的結構和整個參數環境。但是從無到有的編輯和建立模型的過程,可能有很多的方式和路徑。也就是說,前置性的工作有一定重要性,包括建立模型的初步考量、怎麼建立特殊幾何形狀、如何安置光源於適當位置、光學系統的結構、還有材料的材質及表面特性(透射、反射、或部分鍍膜)等等,都要有個初步先期的規劃,這樣才可避免模型建立到一半、發現有些不可挽回的設計失誤、而必須重新來過一遍的風險。



熟悉軟體特性才是操作重點


對於各模擬軟體的操作,通常使用者可以透過下載試用版本來了解各軟體的操作特性,然後再決定何種軟體比較適合目前的任務需要和自己的使用習慣。客觀來說,只要熟悉了某個軟體操作後,就會習慣該軟體的介面安排和操作方式,進而能夠越使用越順手。所以如果沒有太多選擇,倒也不必太過比較何者較為適用,熟悉某軟體的特性才是關鍵重點。



結語


微型投影光機設計,從光源、架構、以及使用需求上來說,都與傳統的投影機光機不同,雖然架構部分類似,所使用的投影面板技術也類似,但對於行動需求來說,體積、功耗及亮度會是更重要的關鍵點,從光機的規劃初期,就必須鎖定這些目標,其他部分則必須適當的犧牲,才能作出符合市場需求的產品。



(本文作者蔡尚安為華寶通訊新技術開發部光學主任工程師;王亮殊為華寶通訊新技術開發部光機電整合高級工程師)



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