微型投影技術掀起可攜式產品新革命

    摘要：10 年前的數字投影機，不管是體積和重量，可都算得上是大家伙，想要帶著投影機出門簡報，非得裝在登機箱中才好拉著走；現在的便攜型投影機，體積大小和筆記型計算機差異不大，手提袋一裝就可以背著走；未來的投影機，即將走入到使用者的上衣口袋中，使用者將不再感到任何的體力負擔。微型投影技術，即將可能掀起一場可攜式產品的應用新革命。

    關鍵詞：投影技術，便攜式設備，LED

    最近幾年來，手機與電視結合的趨勢下，已經使得行動電視變成流行趨勢，因此在市場對于手機多功能不斷的要求下，目前各手機大廠已經規(guī)劃在手機中加入投影的功能，讓行動電話創(chuàng)造出更多元化的應用。

    實現可攜式投影技術的關鍵－LED光源與雷射光源

    目前手機大廠對手機投影功能具有高度興趣的原因，主要是由于信息系統的精簡化、整合化的發(fā)展趨勢。整合了投影功能的行動電話，將能夠提供使用者大畫面的影片觀賞，獲得視覺影像的享受，同時還能用于商務簡報等用途，大幅拓展了行動電話的應用范圍。

    會出現這樣變革的另一原因是，現有投影機產品已屆臨市場飽合度的問題，每年市場銷售成長率相當有限；但是反觀行動電話應用，愈來愈多的多媒體功能，如MP3 音樂播放、數字相機、數字攝影機…等，逐漸都已被整合至行動電話之中；但行動電話有限的體積，大大限制了顯示器尺寸的空間，因此，如何讓行動電話的多媒體影像播放可以突破體積的限制，就是促成行動電話銷售量再次躍升的關鍵之一。

    再加上目前行動電話市場已達到10 億支的規(guī)模，對于行動電話廠商、投影機廠商而言，如此龐大的市場商機，顯然就是放在眼前的肥肉，焉有視而不見的道理。

    相關業(yè)者積極開發(fā)投影功能行動電話

    目前市場上具有投影功能的行動電話數量極少，且價格大約在20 萬日圓左右，只能算是還在測試市場水溫的高價奢侈品。因此，低于10 萬日圓、甚至低于1 萬日圓的低價投影行動電話，才是業(yè)者所期待的目標，因此，相關組件廠商已經計劃將微型投影機構的單價設定在數萬日圓，甚至于未來計劃跨越1 萬日圓以下的低價門坎。

    在微型投影機關鍵組件的部分，包括Djin Display 、Micro Precision 、Microvision 、德州儀器(TI)、Upstream Engineering 等業(yè)者，早已著手進行微型反射鏡片微機電(MEMS)的開發(fā)，各有研發(fā)成果發(fā)表出來；而微型投影機構部份，Nokia 、摩托羅拉、三星、Canon 等業(yè)者，也已經相繼開發(fā)出厚度只有數毫米，尺寸只有數公分的行動電話用微型投影機構。

    另一方面，在光源的部分，也有相關的開發(fā)業(yè)者陸續(xù)開發(fā)出利用LED 或者是雷射二極管來取代傳統的光源，提高行動電話投影亮度，讓投影的質量更能夠滿足影像質量的最基本要求。圖說：目前包括Nokia 、摩托羅拉、三星、Canon 等等的業(yè)者，已經相繼開發(fā)出厚度只有數毫米，尺寸只有數公分行動電話用微型投影機構，積極搶占即將出現的市場。（www.gizmodo.com）

微型光機關鍵零件陸續(xù)獲得突破

    在2007 年的各項展覽之中，全球的相關業(yè)者已經陸續(xù)展示其微型投影光機的研發(fā)成果，例如2007 年1 月在拉斯韋加斯舉辦的「2007 International CES 」中，Microvision 展示了其開發(fā)的微型投影機，以及相關的技術。Microvision 所展示的微形投影機，使用了半導體雷射，可以將光源控制在40×25×8mm 范圍內，并且達到800×480 畫素WVGA 的影像分辨率顯示能力。

    Microvision 認為，2007 年微型投影手機的主要訴求目標，是以內建微型投影功能、單價在20 萬日圓的可攜式電子設備，用來取代單價10 萬日圓的傳統PC，作為未來數據的處理中心和顯示中心，而目標則是將其微型投影機構導入到行動電話、PDA 以及數字相機等各種的可攜式產品之中。

    Microvision 的技術開發(fā)策略是，采用2 軸MEMS 掃描儀、雷射光源的嵌入式超小型投影機，目前Microvision 與2 家相關技術業(yè)者進行合作，以在2008 年能夠實現投產為目標，來計劃出開發(fā)藍圖。至于價格方面，Microvision 希望能夠在投影機構內建于手機后，手機的總體價格維持在400~500 美元。

    事實上，關于超小型投影技術的應用，不僅僅是手機而已，Microvision 還計劃將微型投影技術推及到如iPod 等可攜式播放器，或者是PSP 等可攜式游戲機的周邊產品中，達到透過簡單的接口連接后，就能以較大的畫面來欣賞iPod Movie 或PSP 的影像。

    光源的部分，Microvision 采用了Novalux 所生產的半導體雷射光源NECSEL，光通量約為10~15lm 。整體技術上的主要特點是體積小、耗電低、成本低以及色域廣。由于采用了雷射光源，即使將影像投射到彎曲的物體上，也可讓整個畫面都顯示焦點出準確的影像。圖說：Microvision 的開發(fā)觀念是，采用2 軸MEMS 掃描儀和雷射光源的嵌入式超小型投影機，以在2008 年能夠實現投產為目標來規(guī)劃開發(fā)藍圖。（www.fahad.com）

DLP幾已成為微型投影機技術主流

DLP 幾已成為微型投影機技術主流

    在投影關鍵組件的部分，擁有相當多技術專利與經驗的德州儀器，也在展覽會中展出內建于手機上的微型投影機。雖說是將投影機構內建于手機之中，但是該微型投影機構也可以獨立存在，亦即開發(fā)成可攜式微型投影機。

    因此，對于需要經常進行簡報的商務消費者來說，就不再需要攜帶筆記型計算機、投影機等等的設備，即可進行簡報。因為，未來只需要攜帶內建有DLP 微型投影功能的手機、或者是手持式智能裝置(如PDA、Smart Phone 、PDA Phone) 搭配微型投影機，就可以順利完成簡報工作了。

    雖然德州儀器本身并不開發(fā)相關的投影機產品，但是對于DLP 技術的推廣應用，則是不遺余力的與各方業(yè)者合作。例如在2006 年所發(fā)表的1 款可攜式微投影機，目前已與三菱、三星、東芝等業(yè)者合作，開發(fā)提供相關必要的技術與零組件。

    這款內建于手機上的微型投影技術，結構含有3 個部分，一是作為光源的半導體雷射、用于顯示圖形影像的DLP 芯片，以及電源管理電路，機構整體的長度只有1.5 寸，而其顯示畫質能力的部分，已能夠讓手機投射出DVD 質量的影片，因此手機也將可因此化身為視訊播放機或電視來使用。

    德國的Fraunhofer 學院近期便采用德州儀器的DLP 方案作為顯示核心，開發(fā)出更新的微型投影技術。這項投影技術所開發(fā)出來的投影模塊尺寸，只有16mm×9mm×9mm， 可以整合應用在手機、PDA 或筆記型計算機之中，并且能夠提供高分辨率顯示能力。

    可惜的是，在光源的部分，Fraunhofer 僅使用紅光和藍光雷射二極管，所以無法達到全彩畫面的顯示，沒有加入綠光雷射二極管創(chuàng)造全彩畫面的原因是，在一定顯示投射功率的要求下，目前綠光雷射二極管的外形還難以做到相當小，暫時無法整合在此一微型投影機構中。

受惠關鍵組件效能提升終端產品陸續(xù)現身市場

受惠關鍵組件效能提升 終端產品陸續(xù)現身市場

    在關鍵零件業(yè)者陸續(xù)開發(fā)出相關的技術與組件之后，終端產品的開發(fā)業(yè)者也紛紛嗅覺出市場的潛力與商機，接連投入具有投影功能的手機產品研發(fā)。

    2007 年7 月，Light Blue Optics 展示了1 款火柴盒大小的彩色投影機，其中關鍵的技術是，Light Blue Optics 利用了電子控制液晶空間光調變器，來對紅光、綠光和藍光的光束進行調變。雖然距離產品商用化還有一段時間，但是，就該實驗樣品的顯示質量和尺寸來說，已經相當接近使用者所需的微型條件。

    行動電話大廠摩托羅拉已經宣布與Microvision 的合作策略，在未來推出的新款手機中，將會搭配Microvision 微投影模塊，提供手機使用者將所拍攝的圖片、視訊，或者是存入手機中的視訊檔案等內容，透過內建的投影功能，將影片或影像投影放大，成為可播放大畫面的可攜式多媒體電影播放機。

    目前摩托羅拉所開發(fā)的投影功能手機，在分辨率方面只能夠達到854×480 ，與目前主流的XGA(1024×768)， 或者是SVGA(800×600) 還有一些的差距，但是，這畢竟是前導期的產品， 相信在經過投影機構改善之后，其投影解析能力將會大大的提升。

    Canon 在早幾年也發(fā)表過微形投影機構技術，Canon 是利用Novalux 三原色半導體雷射，來讓微形投影機構顯示出SVGA 質量的影像，并且實現NTSC 比114% 的色再現性。

    雖然在數據處理與儲存能力并不強，但如果是針對使用手機來進行商務簡報的應用來說，已經是相當足夠。根據Canon 的規(guī)劃，這款微形投影機構技術，如果未來配合量產效應與低成本化結果，相信可以壓低到5,000 日圓左右的成本，得以大量內建在高階行動電話之中。

    圖說：摩托羅拉與Microvision 合作， 在未來新款的手機中，將會搭配Microvision 微投影模塊。透過內建的投影功能，可將影片或影像放大投影出來，成為實現可播放大畫面的可攜式多媒體顯示器。（www.Motorola.com）

LED效能獲得強化成為光源最佳候選組件

LED 效能獲得強化 成為光源最佳候選組件

    最近這幾年LED 的發(fā)光效率與輸出亮度都大幅提高，但即便如此， LED 還是無法與發(fā)光效率60lm/W 、全光束1 萬流明的傳統光源抗衡。這意味著采用LED 作為微投影機主力光源時，必需考慮包含光學引擎在內的整體光線利用效率。

    目前全球業(yè)者已經陸續(xù)發(fā)表可投射出小尺寸畫面的可攜式微投影機，或者是提供投影功能的手機，雖然大多的微投影機畫面亮度，都低于100ANSI 流明，因此只能被局限陰暗環(huán)境使用，不過相關業(yè)者均認為，微投影機具備相當深厚的發(fā)展?jié)摿�和技術突破的空間。

    如上所述，低光束LED 光源，必需利用光控制技術提高光的利用率，例如傳統的照明燈具，大多將反射鏡設于焦點，盡量集中光線照射方向，但由于光源出射的光線并未受到精準控制，只是設法讓朝前方出射的光線變多而已，這種方式結構非常簡易，不過光的控制效率很差。

    因此傳統的LED 照明燈具為提高光的控制性，通常采用的方法就是增加反射鏡或是集光鏡片的面積，稍微提高光線的控制性。另外1 種LED 光源的控制方式，是在光源前方設置準直收斂鏡片，它的光控制性比前者優(yōu)秀。

    反射型LED 結構上與傳統前方包覆樹脂作光控制的炮彈型LED 截然不同，它與芯片型LED 在高散熱電路基板設置發(fā)光組件、周圍再圍繞反射罩的結構也不相同�；�本上反射型LED 的反射鏡與發(fā)光組件呈對向設置，發(fā)光組件產生的光線利用反射面接收，受到控制的光線再出射到LED 外部，此時只有透明樹脂的穿透率、反射面的反射率和導線陰影，會造成微弱的光損失，理論上發(fā)光組件產生的光線，接近90% 左右的控制光可以取出到外部。

    圖說：LED 還是無法與發(fā)光效率60lm/W 、全光束1 萬流明的傳統燈泡光源抗衡，因此微型投影機使用LED 作為投影光源時，包括光學引擎在內的整體光線利用效率，將是投影質量好壞的關鍵。（www.paralight.com）

    由于發(fā)光組件與反射面構成的相對性光學系統，此種構造可以使LED 的形狀變小，相較之下，傳統結構封裝的LED 外形，幾乎已經變成一般設計標準，因此傳統LED 提高光利用效率時，通常都需要加大外部形狀。

    為獲得高亮度光源光束，發(fā)光組件的大小反而成為主要問題，主要原因是想要提高光量，最快的方法就是增加電流；然而必需要加大LED 芯片，才能承擔大電流的輸入。但從光學系統角度而言，發(fā)光組件越小，光的利用效率反而愈高，兩者出現相互矛盾的關系，尤其是投影機用發(fā)光組件除了要求小型之外，同時還要求高散熱性的封裝技巧，技術難度不低。

    高輸出、優(yōu)秀光控制性的LED 新結構，是使散熱路徑單純化，同時加大搭載發(fā)光組件Lead 的斷面積，藉此維持必要的散熱性。

    雖然反射型LED 的發(fā)光組件，同樣設置在透明環(huán)氧樹脂的表面附近，不過環(huán)氧樹脂本身也是隔熱材料，因此對放射面的有散熱相當程度的幫助。

復雜困難的微光學系統設計

    微型LED 投影機的光學系統是由LED 芯片與集光鏡片構成，接著再透過Condenser 鏡片與Light tunnel， 獲得高均整性光束，系統整體的大小則需控制在400 立方公厘左右，輸出光量大約是60lm 左右。

    LED 光學系統中，發(fā)光組件與光學鏡片，或是反射鏡的大小，對配光控制性具有決定性影響，根據實驗結果顯示，使用相同集光鏡片或是反射鏡時，單純加大發(fā)光組件，配光角會變大，軸照度的差異則完全消失，因此針對投影機要求的平行光成份，必需采用小發(fā)光組件構成投影機光學系統的方式獲得。

    使用反射型單色LED 基本結構時，基于提高光利用效率等考慮，一般都是使用4 個1W 等級的反射型LED 構成的模塊，如此便可以獲得LED 正下方20mm ，半值角度±70 的配光特性，外部形狀以LED 光束收斂在17mm 正方范圍內。

    在照度的部分，800mA 點燈時紅光照度為330klx， 綠光照度為650klx， 藍光照度為470klx； 有關直流點燈時的基本特性，由于實際使用條件會變成脈沖點燈，因此1/3Duty 的矩形波脈沖點燈時，通電電流可以視為積分電流值，不過該電流值會隨著周圍溫度環(huán)境改變，因此矩形波點燈時，最好等發(fā)光波長穩(wěn)定后才使用。

    此外，對于模塊均整度的改善，開發(fā)者比較傾向采用棱鏡、導管、液晶提高效率，并在前面放置Cell hook lens 、聚光鏡片、PS 偏光片等等。

    圖說：LED 光學系統中，發(fā)光組件與光學鏡片，或是反射鏡的大小，對配光控制性具有決定性影響。（www.bartleby.com）

    實現利用小型電池作為手持式投影機電源這是很重要的一點，對于手持式產品來說，舍棄AC 電源而改用小型電池供電，是1 項必備的條件。過去，投影機使用高壓水銀燈泡的環(huán)境下，瞬間啟動電壓高達數十KV， 這是利用小型電池供電的情況下不可能達成的目標。

    除了高壓電力的問題外，由于水銀燈泡的高啟動電壓，以及高電流消耗，燈泡會產生大量的廢熱，需要高效率的主動散熱系統協助散熱，這也會影響到手持投影機的電池續(xù)航力問題。

    一般投影機機構內部溫度往往高達攝氏8、900 度，同時，也必須使用相當復雜的變壓電路，如果期望利用小型電池作為投影機電源，這些問題都是無法被克服的。所以，在未改變光源組件的情況下，采用小型電池是不可能的事情。

    但是，如果是改采LED 雷射作為光源的話，這些問題便可迎刃而解，不復存在，不但只需要小型電池就足以負擔系統所需的電力之外，并且不需要散熱系統的情況下，自然不會有擾人的散熱系統噪音問題，且因為少了龐大的散熱機構，當然體積也會大幅度的縮小。

顏色表現能力雖改善但亮度仍需提升

顏色表現能力雖改善 但亮度仍需提升

    對于需要背光的液晶顯示器來說，光源對于顏色的表現占了相當大的影響程度，從愈來愈多業(yè)者嘗試改采LED 光源作為液晶電視背光模塊就可以了解，因為使用LED 背光源，可以使LCD 色域的表現能力大幅提升。因此，改采用LED 雷射作為光源的微型投影機，其顏色表現能力也是相當值得期待。

    三菱電機采用LED 雷射作為微型投影機光源的理由是：第1，因為是使用單色系的光源，所以在色廣度上面有相當不錯的表現；第2，由于雷射光的光線直徑可以控制的相當細微，因此，在透鏡的尺寸上，也可以相對的縮小，如此更有助于光機引擎的小型化。

    不過，使用LED 雷射的微型投影機在實際投射的表現上并非相當完美，包括整體顯示的照度和輝度，仍需相當程度的提升。根據資料，目前使用高壓水銀燈泡的一般投影機輸出亮度，約在為1,500~3,000lm 之間， 但是，現階段LED 投影光源僅能提供約10~20lm 的亮度輸出， 而目前所發(fā)表的LED 投影機整體投射亮度幾乎都不超過20lm 。

    不過LED 雷射光源的亮度是否足夠用于投影機之上，主要的關鍵還是得視應用目的而定。舉例來說，像是家庭劇院、會議室簡報、大型研討會等等，每種應用的環(huán)境均不相同。手持式微投影機的功能設計，是不是適合拿傳統高壓水銀燈泡投影機作為比較基準，顯然意義并不大，因為手持式微投影機的用途，主要是設定在空間不大的小型會議室中、提供2~3 人簡報觀看之用，那么或許這樣的亮度就足足有余了。

足夠空間下LED光源也可創(chuàng)造高流明

足夠空間下 LED 光源也可創(chuàng)造高流明

    雖然微型投影機因受限于可攜式產品要求輕薄短小機構空間，無法獲得高亮度的表現，但在背投影顯示器產品部分，由于有足夠的空間可供發(fā)揮，因此就可進行亮度改善，讓背投影顯示器整體的亮度表現達到相當的水平。以三菱電機所發(fā)表的52 寸LED 雷射背投影電視為例，輝度可以達到500 燭光，并且在色飽和度方面，可以提升到支持xvYCC 的標準。所以依照三菱電機的經驗，利用LED 雷射作為背投影光源的話，可以在不大幅度影響亮度表現的前提下，同時提升整體的色彩表現。

    對于投射亮度而言，當然是愈高愈好，相信以目前LED 的發(fā)光效率來說，還有相當程度的提升空間。不過在成本壓力之下，如何長久取得質量水平相當好的LED 組件，卻是一件不容易的事情。

    圖說：改采用LED 作為光源的投影機的顏色表現能力，也是相當值得期待的。利用LED 雷射作為背投影光源的話，可以在不大幅度影響亮度表現的前提下，能夠提升整體的色彩表現。（www.digitimes.com）

LED光源考驗光學機構設計的能力

LED 光源考驗光學機構設計的能力

    如果舍棄高壓水銀燈泡而改采LED 雷射作為光源的話，在機構的設計上也是一大問題，因為兩者的發(fā)光特性不一樣，因此整體鏡片以及機構都需要做相當大幅度的修改，這也是計劃邁入LED 雷射光源相當大的門坎。

    高壓水銀燈泡的發(fā)光模式是散射式的，也就是說需要利用聚光的透鏡來將光線形成束集，投射在顯示組件上(例如HTPS LCD、DMD 或LCOS)，此種技術已經相當成熟。但是面對LED 雷射而言，光束是從幾mm 的芯片中散射出來，直徑大約只有1mm 左右， 這樣的話，如何取得最佳的光效率，就是1 個新的經驗。

    所以對于各業(yè)者來說，獲得高質量LED 只是成本預算問題，但是要如何設計出高效率的取光機制，卻是考驗著各業(yè)者的光學設計功力。因為，雖然LED 有著相當優(yōu)良的發(fā)光能力，但是外圍的溫度卻會影響LED 最終發(fā)光效率，所以如何有效的控制散熱以及Feedback 電路，反而成了重點。這樣的經驗顯示著，如果以過去的高壓水銀燈泡經驗作為推估法則，就會有相當程度的誤差，必須再仔細考慮各方面的因素，來作為設計的依據。圖說：面對LED 雷射而言，光束是從幾mm 的芯片中散射出來，投射顯示出來的光點直徑大約只有1mm 左右，這樣的話，如何取得最佳的光效率，這就是1 個新的經驗。（www.force.com）

    無論如何，對于前投影機或者是背投影電視來說，將投影光源由高壓水銀燈泡轉換成為LED 雷射，已經是相當大的1 項革命。就階段性而言，目前還是處于初期開發(fā)，未來伴隨著LED 的進步，仍舊有相當大的發(fā)揮空間，事實上，以現有廠商的經驗與速度，相信利用微型投影機觀賞大屏幕影像觀賞的愿望即將實現。

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