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微型投影的技術剖析
微型投影技術專欄(2)

【作者: 王亮舒、李政育】   2009年08月04日 星期二

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LCD技術


LCD原理及光機架構


投影使用之LCD面板在原理上與LCD液晶螢幕類似,但LCD螢幕的各層光學膜在投影系統中則是以光學元件擺置在光機架構中。



如圖一所示,光源在經過UV-IR濾鏡以濾除對面板有害之紅外光、紫外光,再經過積分透鏡進行均勻化,再透過極化轉換器(P-S converter),將光源中無法使用的極化成份進行轉換,使光源利用效率增加。在光源處理完之後,再經過一系列的雙色分光鏡(Dichroic Mirror),將光源分成三個顏色打入三片對應的面板,由一雙色稜鏡(Dichroic Prism或稱X-Cube)將影像重合,再由鏡頭成像。



《圖一 三片式LCD投影機內部架構圖 》

資料來源:從ITRI工研院電光所修改整理,2005年


LCD投影技術開口率下降導致光源效率變低


事實上,傳統三片穿透式LCD投影技術因其光機結構所需空間較為龐大,基於微型化以及低成本的考量,LCD技術在微型投影裝置的應用中,主要是以單片穿透式LCD搭配白光LED作光源為主流。雖然在目前成熟的LCD面板技術下,LCD面板已可縮至非常小的尺寸,且能夠擁有高解析度的特性,但也因為如此,當面板尺寸愈縮愈小、解析度愈做愈高的同時,LCD面板的像素間距、趨動液晶的薄膜電晶體及其導線的面積,並無法隨之等比例縮小,導致LCD面板本身的開口率(Aperture Ratio)跟著下降,晶格效應愈來愈明顯、光源的利用效率變低、亮度也會變暗。於是,為了提高投影亮度,作為光源的白光LED功率也必須隨之提高。




《圖二 開口率示意圖 》


資料來源:從Reflective LCDs(John Wiley & Sons, Ltd)修改整理




主要技術HTPS掌握在日系大廠


再加上目前製作穿透式LCD投影面板的高溫多晶矽HTPS(High Temperature Poly-Silicon)主要技術都掌握在日系大廠SONY、EPSON手中,無形之中對於穿透式LCD投影技術在微形投影應用上的普及產生不少限制。在微型投影的應用上,除了2006年SONY曾開發出一部解析度為800×600之原型機外,目前市面上並無商品出現。



《圖三 2006 SONY LCD微形投影機原型 》

資料來源:DigiTimes新聞照片,2006年


DLP技術


DLP微鏡面投影原理


DLP所使用的面板元件DMD是微機電技術所製成之投影面板元件,由與解析度相同數量的微小鏡片所組成(如圖四所示),每一面鏡子下方皆有旋轉軸,可讓鏡子在兩個角度間運動(如圖為正負十度間),以控制入射光的反射方向。



《圖四 DMD結構示意圖 》

資料來源:TI網站


而這些反射鏡只能有兩個角度狀態,因此在畫面上,非亮即暗,如圖所示,亮畫素即是將反射光導向成像鏡頭,暗畫素即將反射光導向吸收板,而中間的灰階,則必須不斷的轉動鏡片,以不同比例的亮暗畫面交互切換形成,由人眼視覺暫留的現象形成灰色。藉由控制每一個畫素,即可形成一完整灰階畫面。而完整的全彩畫面,則由快速的切換紅藍綠光源,再以人眼視覺暫留原理達到。



DLP投影特色優勢


與其他技術相較,DLP的整個訊號處理流程皆為數位處理,數位類比轉換是在影像進入人眼時達成。DMD的反射鏡反應速度為微秒(μs)等級,比液晶反應速度快上許多,相較於液晶投影機,DLP更不會有殘影問題。另外,不同於液晶系統僅能使用單一極化光,DLP沒有極化光的限制,因此面板本身對光的利用率是很高的。



《圖五 DMD成像示意圖 》

資料來源:TI網站


DLP可分傳統及微型光機架構


DLP傳統光機可分為單片式及三片式光機,三片式由於成本因素,一般僅見於劇院及高階應用,市售一般DLP投影機幾乎都是單片結構。



單片DLP光機中,光源再經過積分柱(Integration Rod)進行勻光後,經過一旋轉的色輪(Color Wheel),將光源處理成紅藍綠光源,同一時間僅有單一顏色輸出,將此處理後光源投影在DLP面板上,DLP則針對當時色彩投影出對應色彩之畫面,投影鏡頭則負責將面板上之影像成像於外部投影幕上。由於DLP的色彩是由紅藍綠畫面快速切換組成,有些人在看DLP投影機畫面,在快速動作的畫面中會看到色彩分開的現象,稱為彩虹效應(Rainbow Effect)。



《圖六 單晶片DLP投影架構圖(Color Wheel) 》

資料來源:TI


用LED取代色輪機制


而在使用DLP的微型投影裝置之中,最大不同點即是使用LED光源取代傳統高壓汞燈,而LED本身即是有色光源,因此,分別點亮紅藍綠LED取代了原本的色輪機制,如此也可增加原本因使用色輪而減少之光利用率,另外,微型投影所使用之DMD面板大小也遠小於傳統投影系統,如此才能在光源端及成像端都做到微型化。



如下圖所示,三色LED分別位於光機之中,在LED前方則有特殊設計之聚光鏡及透鏡陣列(Lens Array)進行聚光及勻光,此部份則等校於傳統光機中之積分柱,處理後之三色光源,透過兩片雙色鏡或雙色稜鏡(Dichroic Mirror Prism),導引至面板上,最後再透過投影鏡頭進行影像投影。與傳統光機使用色輪進行色彩切換,有色輪轉速上及同步控制上的限制,LED純電子訊號可以將色彩切換得更快,減少某些人會看見的彩虹效應(Rainbow Effect)。




《圖七 單晶片DLP投影架構圖(R、G、B LED) 》


資料來源:Luminus Device網站




DLP全數位訊號架構特點


DLP技術的全數位訊號架構有幾個特點:




  • ●DLP投影技術的所有訊號都是以數位方式傳遞和處理:與LCD、LCoS等液晶技術相比來說,LCD、LCoS需在液晶兩端施加不同的類比電壓以調整液晶偏轉角度,進而控制通過光的明暗及色彩。這些偏壓與通過的光強度並非線性關係,常需要面板廠商經頻繁實驗後取得最佳的值。而對於DLP投影技術而言,只需控制微鏡片(Micro Mirror)的明暗週期便可得到準確的色彩濃度。



  • ●光利用效率高:DLP系統並不像LCD、LCoS技術一樣,需要利用極化光作為光源,故在光源的利用效率上可以有非常顯著的提高。



  • ●高黑白對比:相對於LCD、LCoS技術的液晶顯影會有漏光的現象,因而無法達到全黑的顯像;DLP系統是利用反射方式,在全黑的顯像上,可以將光源吸收掉以得到真正的全黑,進而得到非常高的黑白對比。





總歸而言,DLP投影技術雖然有著光效率高、對比高的優點,但由於DLP系統是高速微機電(MEMS)架構,因製程關係導致其顯示晶片及驅動晶片功耗相較於LCD及LCoS技術要來得高,抵消了部份光利用率上的優勢;此外,DLP的製造技術及相關智財權都掌握在德州儀器TI手上,系統成本上還有很大的改進空間。



LCoS技術


LCoS投影優勢


相較於LCD與DLP技術,LCoS(Liquid Crystal on Silicon)則是一整合半導體及液晶製程的新技術,將液晶直接封裝於半導體的基板上,可以達到小面積高解析度,以及使用成熟技術降低成本的優勢。尤其在未來解析度要求越來越高的情況下,LCoS仍能維持較低的面板成本以及較小的面板面積。另外則是LCoS技術不像LCD及DLP,面板技術掌握在特定美日廠商手上,對未來的推廣較為有利。



《圖八 LCoS面板結構圖 》

資料來源:ITRI工研院電光所,2005年


LCoS投影原理


與傳統LCD相同,面板兩側各擺一片偏光鏡,使進入面板的光線為單一極化,而經過面板調變極化的光再用另一片偏光鏡將不需要的極化濾除,提高對比。LCoS則須使用一特殊光學元件,極化分光鏡(Polarize Beam Splitter;PBS),如圖九所示。此光學元件可將光源中的兩個極化,一個極化穿透,另一極化則對鍍膜面反射,利用此種機制,可將光源中兩個極化進行分離。P極化從PBS的一側入射,穿過鍍膜面到達面板,LCoS面板將此P極化光轉換成S極化並反射,而S極化回到PBS中時則被鍍膜面反射,此反射光再經由鏡頭成像。如此,如同一般液晶螢幕一般,每個畫素依轉換程度呈現出不同的灰階,即可呈現出一完整的畫面。




《圖九 LCoS成像原理示意圖 》


資料來源:華寶通訊內部研究,2006年




LCoS傳統及微型光機架構


LCoS在傳統投影機或是投影電視中,一般都是使用三片式架構,即每一片LCoS面板負責一個顏色的顯示,再將紅藍綠畫面疊合成完整影像,類似LCD投影機的原理,架構如下圖所示,光源依舊是經由勻光,分光後,再經由面板顯示,X稜鏡合光,鏡頭成像。




《圖十 三片式LCoS投影系統架構圖 》


資料來源:工研院電光所,2005年




而在微型光機之中,不可能使用如此龐大複雜之三片式架構,因此都是使用單片式系統。



含彩色濾光片之LCoS面板


第一種架構最簡單的方式是使用含有彩色濾光片之LCoS面板,此種面板與桌上用的LCD螢幕架構類似,直接在面板上做上彩色濾光片,使用三個次畫素(Sub-pixel)來呈現一個畫素。用以取代一般投影系統中的色彩分合光元件,光源部分僅需一個白光光源,如同LCD螢幕之背光一般。此種光機架構最為簡單,白光光源再進行勻光處理後直接打入面板之中,再由投影鏡頭成像即可。但在效果上,由於白光LED的演色性不佳,LCoS面板為了光效率,濾光片的塗佈也相對較薄,因此此種架構的色彩較差,而彩色濾光片會吸收部分的光,光效率普通。但有體積小、技術成熟、成本便宜的優點。




《圖十一 單片式LCoS投影系統架構圖 》


資料來源:華寶通訊內部研究,2005年




採用色彩循序式的LCoS面板


第二種微型光機架構則類似於DLP微型光機的架構,採用色彩循序式(color sequential)面板,三個LED經由兩片雙色鏡將光源投射至同一片面板上,此三色光源在同一時間僅會有一個光源點亮,如此三個LED快速的依序點亮,而面板則對應當時的光源色彩顯示適當的畫面,再由投影鏡頭成像。此種光機由於需要高速切換的液晶種類,成本及技術上較前一種方式要高,但由於沒有彩色濾光片會將光源吸收,純色的LED光源亦可達到非常高的色彩飽和。因此在色彩及光效率上,皆遠較前一種方式為佳,缺點則為較高的成本及技術。



《圖十二 色彩循序式LCoS系統架構圖 》

資料來源:crutchfield.com


台灣廠商可從LCoS反射投影技術著手


相對於穿透式LCD投影技術而言,LCoS反射式投影技術結合台灣業已成熟的面板及半導體技術,卻能擁有較高的開口率,在相同光源及面板解析度下,能得到較高的亮度。LCoS技術可將液晶所需的趨動電路及偏壓電晶體都設置在矽基板內,因此趨動電路及偏壓電晶體並不佔用液晶表面積,進而達到高開口率,也比LCD透射式液晶投影更適合在微形投影上的應用。這也是目前台灣半導體廠、面板廠商在微型投影領域主要切入的方向,冀望利用成熟的面板與半導體技術,在這領域得到一席之地。



此外,LCoS除了以上述白光及R、G、B LED作為光源外,也有廠商另闢蹊徑,以R、G、B雷射作為光源,他們認為雷射光源單一波長及極化的特性,可以更進一步提高光效率及投影影像的色彩和對比。其中以色列廠商Explay最具代表性,其主要競爭優勢是在消除雷射光斑(De-speckling)的技術上。




《圖十三 以雷射作為光源的LCoS系統架構圖 》


資料來源:Explay網站




雷射掃描技術


雷射掃描原理大要


相較於前面所提幾種在傳統投影領域已經發展多年的技術,雷射掃描則是因應微型投影所發展出的全新技術。就未來性而言,這是個體積能縮到最小,光效率最高的投影方式,但現今而言,還有許多的困難尚待突破。



雷射掃描也是基於微機電技術,但與DLP技術的DMD相比,雷射掃描技術僅有一片或兩片反射鏡,光源則僅能使用雷射,DMD元件的鏡片只有兩個角度狀態,而雷射掃描元件則需在一個範圍中,精確的控制鏡片角度。



雷射掃瞄光學機構


雷射掃描亦有分一片鏡片及兩片鏡片兩種架構,原理是直接將雷射打在鏡子上反射,打到投影幕上,而鏡子可以旋轉,控制雷射打在投影幕上的位置,而雷射本身須調變強弱,以呈現出該位置畫素所需要的灰階及色彩。如圖十四所示,單片式雷射掃描,光源部分採用紅藍綠三色,同DLP或LCoS光機一般透過雙色鏡將光源合在一起,打到反射鏡元件上,此反射鏡可以延兩個軸向進行旋轉,沿垂直軸水平旋轉的速度較快,沿水平軸上下旋轉的速度則較慢,所打出的畫面則是先水平掃描,再垂直掃描,與目前的顯示器相同。




《圖十四 雷射掃瞄投影模組及系統示意圖 》


資料來源:bTendo網站




而雙片式系統則是針對目前微機電技術可能造成的良率問題,將一片雙軸式的鏡片,分成兩片單軸鏡片,小片的進行快速的左右掃描,大片的則進行較慢的上下掃描,在控制上也較為容易,但體積較單片鏡片為大。



《圖十五 單片式及兩片式雷射掃瞄元件示意圖 》

資料來源:bTendo網站


雷射掃瞄尚待改進之處


雷射掃瞄投影技術雖然有著光利用效率高、無需對焦鏡組、易於微型化等優點,卻也有著以下缺點:




  • ●藍光、綠光半導體雷射價格仍然偏高,價格缺乏競爭優勢。此外,雷射掃瞄投影雖然能得到非常高的光利用效率,但卻受限於雷射本身電、光轉換效率不高,對於可攜式設備的電源管理來說,未必有加分效果。



  • ●雷射投影用的雷射功率尚未有明確安全規範,對使用者本身安全造成威脅。



  • ●雷射因干涉而產生的光斑(Speckle)無法有效去除,對影像品質造成影響。





雷射掃瞄投影是上述幾種技術中最有機會做到最微型化的技術,卻受限於半導體雷射的良率價格無法降低、雷射光源成像品質不良等因素,目前在市場上的能見度並不高。



《圖十六 雷射光斑(Speckle)現象 》

資料來源:AbsoluteAstronomy.com


結論


下表是以上幾種技術的特性及比較。



(表一) 各種投影技術之特性比較示意表 <資料來源:華寶通訊內部綜合資策會MIC,電子時報研究,2009>




















































技術

LCD

DLP

LCoS

LASER Scanning

基本特性

屬穿透式,分為單、三片式兩種

屬反射式,分為單、三片式兩種

屬反射式,分為單、三片式兩種

屬反射式,分為單、雙片式兩種

廠商

以SONY和


EPSON為主

TI是唯一生產廠商

大尺寸:JVC、SONY


小尺寸:Himax、Displaytech

以MicroVision最具代表性

優勢

.中央與四周的亮度、焦距均一


.製程技術較完整


.具備量產技術

.反應速度快


.易於輕型化


.光利用率高


.高解析度

.解析度提升較容易


.可利用半導體製程大幅降低面板生產成本


.開口率提高


.高解析度

.不需對焦鏡組,不論遠近,都能成像


.最易做到微型化


.光利用率高


.高解析度

劣勢

.光利用率低


.開口率低


.散熱問題


.黑白對比較差


.動態顯示受限

.需高密度、小體積光源


.製程複雜


.僅TI提供晶片組

.黑白對比較差


.較高光學元件成本


.影像對比相對較差

.半導雷射價格過高


.雷射電、光轉換效率仍低


.雷射光斑難以克服


.雷射功率未有明確安全規範

光機技術特性

發展較早,光機相關元件較為成熟

TI可提供光機與DMD晶片的Total Solution

多家廠商爭相發展,光利用效率略顯遜色

模組價格過高,影像品質仍需改進,最易做到微型化

潛在威脅

面板來源受限於SONY、EPSON

技術與模組皆受限於TI

LCoS的對比有待進一步提高

受限於雷射光源價格,成本無法降低




目前在微形投影的應用上,是以DLP、LCoS為主流技術。DLP有著高對比、高光利用效率,並挾著商用投影市場的優勢切入微形投影領域。而LCoS則因結合面板及半導體技術,引起相關廠商競相發展,對比與良率一直持續演進和改善。至於雷射掃瞄技術,則受限於其消耗功率、雷射光源取得困難、雷射光斑未能有效克服等不利因素下,若要進入微形投影市場,尚有好一段路要走。



(本文作者李政育為華寶通訊新技術開發部主任工程師;王亮舒為華寶通訊新技術開發部高級工程師)



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