结合高画质节目与内容的数字电视产业，在各国政府的主导推动之下，已成为后PC时代中的目光集中焦点。而在数字电视时代来临之际，与目前主流发展尺寸相近的电浆与背投影显示器，由于具有高画质、轻薄、低辐射等特性，未来将在数字电视时代扮演重要的角色。

投影显示器因为技术的快速发展，成为广受市场瞩目的数字显示技术之一，本文将就投影显示器技术原理与发展分析做一分析，以供读者参考。投影显示器，从家庭观看到影片欣赏、办公室会议简报、学校动态影片教学、视听消费场所及展览场所等大型播放空间，均有相当不错的效果。新一代的投影机，不再是传统印象中体积笨重的庞然大物，转而成为办公室中灵活简报的方便工具。

投影机产品发展蓝图

投影显示器在技术上的发展，主要可以分成两部分来看，在重量部分朝向轻量化发展，平均重量的下滑正是投影机产品在市场竞争力的增加。但从另一方面观察，发光效率的提升，从6lm/w到12lm/w在在显示投影机不单只需要在重量上做改进，在亮度与分辨率的进展更是众多任务程人员辛苦努力的焦点所在。2002～2006年投影机技术发展，如(图一)所示。

《图一 2002～2006前投影机产品技术蓝图》 数据源：资策会MIC，2002/03

在投影显示器部分，一般常分为前投与背投两种。主要的差异在于人的眼睛是从屏幕哪个方向看到影象，如果从前方看到，通常称为前投影显示器。反之，如果从屏幕后方看到影象，则称为背投影显示器，前投与背投影显示器产品定义与应用市场，如(表一)所示。

投影显示器在技术分类上来说，主要可分为CRT、LCD、DLP、LCOS等，其中，模拟式技术主要有CRT，其他的则是数字显示技术。数字式技术可以分成穿透式与反射式两种，而整个技术的分类，如(图二)所示。

《图二 投影显示器技术分类》 数据源：资策会MIC，2002

投影机产品技术分析

CRT投影机技术分析

整个CRT的构造如(图三)所示，CRT主要分成六个部分作说明，A是阴极射线管，B是传导性涂布，C是正极，D是荧光粉，E是电子枪，F是铁镍阻罩，整个CRT的工作原理是藉由映像管底部的加热器加热阴极（Cathode）以释放电子，在加热过程中带负电荷的电子受映像管前方带正电荷电场所吸引而往前进。当电子往前移动时会先经过电子枪进行聚焦以及加速的动作形成电子束并继续前进。CRT有三种不同的磷光质，红、蓝与绿，当这三种荧光质激发（Excited）时，可以由三原色组成各种不同的颜色。

《图三 CRT构造图》 数据源：How Stuff Works网站，2001

介绍完CRT的运作原理后，接下来看到的是CRT投影机所使用的构造，整体三枪的呈现，如(图四)所示，目前比较常使用的CRT映像管的尺寸，主要有7吋、8吋与9吋三种。

《图四 三枪式CRT投影机结构图》 数据源：USPL，2001

在整个CRT的技术当中，受到几项限制，主要包括以下几个部分－

而随着新技术的发展，新的数字投影机技术在成熟之后，价格上会与CRT接近，整个数字投影技术对于CRT的渗透率（Penetration Rate）会逐年提高，如果在技术进展顺利与厂商积极投入之下，整个市场的发展会和现在LCD监视器取代CRT监视器有异曲同工之效。

LCD投影机技术分析

投影机目前所使用的液晶显示面板，绝大多数是电子漂移速率较快的Poly-Si TFT LCD，电子漂移速率慢的amorphous-Si TFT LCD因为无法符合高分辨率及高亮度需求，已经淡出市场。

整个LCD的投影方式，如(图五)所示，在此主要是光源通过滤镜、分光镜，在X-prism折射之后投影至屏幕上。

《图五 X-Prism LCD投影机架构图》 数据源：How Stuff Works网站，2002

在数字投影机关键零组件部分，在面板尺寸的发展上面，LCD先是以发展1.8吋XGA的产品，接着1.8吋的产品往两个方向发展，一是提高分辨率、二是尺寸缩小，因此可以从(图六)中看到1.8吋陆续发展XGA、SXGA与UXGA三种产品，至于在新的面板尺寸部分，刚开始出现的面板尺寸刚开始发展时，不容易做到高分辨率的面板，产品会随着时间往更高分辨率发展。在此尝试用一种比较简单的方式思考，一块面板的尺寸是固定的，而面板愈小，要能够做到相同分辨率的芯片是不容易的，至于面板技术的进展的关键，则在于相同尺寸的面积上能否作到更高的分辨率。

《图六 LCD投影组件产品技术蓝图》 数据源：资策会MIC，2002/01

DLP投影机技术分析

在DLP技术部分，DLP（Digital Light Processing）是德州仪器（TI）的独家技术，所采用的技术是反射式（Reflective），所采用的芯片称之为DMD（Digital Micromirror Device），DMD的芯片是使用微机电系统MEMS（Micro Electromechanical Systems）的产品，由于使用多达四十多道光罩制程，因此成本不容易降低，而整个DMD芯片构造，如(图七)所示。

《图七 DMD芯片构造》 数据源：TI

而由于DMD是由多片不连续小径子在SRAM chip的绞链上，含有多片可以左右摆动的类似跷跷板的机构，镜片可以摆动10度至14度。当光源投射时，DMD镜片可以藉由数字驱动方式将光线反射至投影镜头上。

在DLP光机技术部分，主要有两种，一种是传统的色轮式Color Wheel的投影机，如(图八)所示，另一种则是使用SCR技术的投影机，如(图九)所示。光线在通过空心或是实心的光线整合器（Light Integrator）后，经过Color Wheel，再经过Relay Optic后藉由DMD镜片反射至屏幕上。在新的SCR技术引进之后，整个产品在2002年下半年开始交货，可以增加40％亮度，并且在色彩饱和度部分也有提升。

《图八 原单片式DLP光机架构》 数据源：TI、资策会MIC整理，2002/01

《图九 DLP新SCR系统》 数据源：TI，2001 注:在DMD产品技术蓝图部分，如(图十)所示，DMD最早是由0.9吋发展XGA，再继续发展SXGA以及更小的0.7吋部分，DMD主要的构造是由一组小镜子加上CMOS的基板，便是一个完整的DMD芯片。

《图十 DLP投影组件（DMD）产品技术蓝图》 数据源：资策会MIC，2002/01

LCOS投影机技术分析

LCOS是目前最被看好的背投影技术，LCOS之所以适合使用在背投影产品，主要有几项特性。包括产品Cost Down能力高，因为LCOS从整个材料成本上来看，相较于LCD与DMD技术，所需要花费的成本最低，而背投影电视属于消费性产品，成本占有非常重要因素。

《图十一 LCD、LCOS、DMD技术理论值成本比较图》 数据源：MCG，2001

LCOS（液晶硅显示）是一种新型微显示技术。普通液晶显示器由于采用透射式工作原理会造成照明光被吸收从而导致亮度不高，因此液晶显示器的用途受限。而液晶硅显示器由于采用了反射式装置，在功耗相同的情况下光源产生的光将更多地经过光学传输介质从而提高亮度。LCOS从面板结构上观察，整个结构如(图十二)所示。

《图十二 LCOS产品结构图》 数据源：Spatial Light，2001

液晶材料涂于CMOS硅芯片表层。芯片包含了控制电路，并在表层涂有反射层。在芯片外部或者内圈设置有隔离器以保持盒厚的均匀性。盒厚只有1微米左右。取向层可以确保液晶分子取向一致。

由于让液晶通过一部分电流是必要的，在晶体上部加设了一个次级透明电极。玻璃基板用以保护液晶和稳定液晶的位置。LCOS微显示器采用的是扭曲向列相液晶材料。当电流到达晶体时，液晶分子的扭曲程度会发生变化。根据这个原理，光束要首先通过一个起偏器以使光波传播保持特定的偏振方向，然后在液晶介质中光的偏振方向随着液晶分子扭曲方向的变化而变化，接着光束又经过LCOS反射表面的定向反射，然后再穿过一个检偏器。

《图十三 LCOS产品结构图》 数据源：UMC，2001

目前比较著名的LCOS发展厂商，主要有两个部分，一个是以美国硅谷IC设计公司联电LSP（LCOS Strategic Partnership Alliances）合作的厂商，其中较具代表性的如TFS、Aurora System。另一部分是日系厂商，目前推出产品比较顺利的有JVC与Hitachi，其中，JVC是公认可以量产、受到市场肯定的LCOS技术，而JVC特别将旗下的LCOS产品取名为D-ila。由于LCOS的优势在于发展超高分辨率的面板，因此可以做到最高QUXGA的产品分辨率。

在LCOS的光机部分，由于各家开发的光机系统各不相同，在此提出一些常见的光机种类：LCOS光机引擎种类很多，可分为同轴（on-axis）和离轴（off-axis）两大类。同轴式光学零组件本身的对称线和系统的光轴重合，而离轴式则是因光学引擎中中心轴偏离光轴上，看起来较不对称。

Four Cube型三片式

光机之特色主要由一颗X-Prism与三颗PBS组织成像系统，因此称为4 cube。利用积分透镜（Integrated Lens）与偏光转换器（PS-Converter）获得空间均匀的S方向极化光，经分色镜（Dichroic Mirror）分成红绿蓝后分射入三颗独立的极化分色棱镜（PBS），由于此时光束为平行于极化分光面的S光，被棱镜胶合面分别反射入R、G、B LCOS面板。出射后的R、G、B之P极化光在棱镜的胶合面穿过，直达X-Prism重新聚在一起，经投影物镜放大在银幕上。此光机是属稳健成熟的设计，可获得高对比度的画质，但唯一的缺点是光机的体积过大，不适于携带型投影机的市场。

《图十四 Four-cube系统》 数据源：Spatial Light，2001

Philip Prism型三片式

Philips Prism分色系统最基本的概念来自Lang与Bouwhuis于1965的专利，最早使用在单一路径棱镜模式的彩色电视摄影机。此光机的工作原理是利用一空间均匀的S偏极光进入广波域PBS（W-PBS）反射入第一个蓝色全反射棱镜，黄光（由红和绿色组成）穿透蓝色棱镜，蓝色经镜面反射和全反射后到达蓝色LCOS面板，经面板反射回PBS棱镜并穿透到达镜头。

黄光在剩下的旅程中再被分为红色和绿色的光，红色经镜面反射和全反射后到达红色LCOS经过蓝色棱镜和PBS棱镜和蓝光聚合。绿色光在经过LCOS反射后回程和红蓝棱镜再次照面走过PBS棱镜在镜头会合。

Philip Prism虽然使得三片式LCOS光机引擎的体积缩小化，但是该Philip Prism的镀膜规格要求却非常高，理由是分色用的镀膜面必须同时满足S与P偏极光的规格需求，因此造成Philip Prism的造价成本过高，生产良率偏低。

Color-Wheel型单片式LCOS光机引擎

接下来介绍的是(图十五)单片式LCOS系统，和DLP的Color Wheel是可以共享的，也是单片式架构，优点是成本可以降至低廉于单片式DMD的价格，缺点是LCOS的产品性能还无法突破，目前在亮度以及对比的表现部分有待加强。

《图十五 LCOS光机架构—单片式Color Wheel》 数据源：Spatial Light，2001

离轴型三片式

该光机比Four-Cube型光机少了三颗昂贵R、G、B的PBS，它可以使用大部分的穿透式光学零件，成本几可和使用同尺寸大小的穿透式LCD光机引擎相当。光线在均匀化后作极化转换进入X分色镜，分成R、G、B三原色，此三色光以上仰角12度打到LCOS液晶板上，再反射进入X-Prism进行合光，最后由投影镜头成像到屏幕上。离轴设计使得分光与合光完全分离，每一个颜色信道上的偏光片都可独立调整，以提高对比度度。但是投影镜头必须采用离轴设计，加上超长的后焦距，却使得生产成本增加与量产良率降低。由于投影镜头无法采用远心设计，容易造成R、G、B影像的放大倍率不一致，必须费时调整Field Lens的位置做为倍率修正，增加了光机组装的时间。

结论

综合先前所述，前投影机市场目前属于HTPS LCD与DLP两种主要技术的竞赛，两种技术各有所长，LCD因发展较久，在技术上较为成熟，也是目前主要的技术；DLP虽然没有LCD如此长久的历史，但是DLP以单片反射式技术能够在短短数年之内夺下LCD的江山，必然有其过人之处。DLP可以做到2磅以下的特性，是目前此一技术傲人之处。至于在LCOS部分，由于光机和面板技术仍未成熟，尽管仍是相当多厂商的最爱，但是何时这个最爱能够早日出人头地扬眉吐气仍是未定之数。

@下期预告

本文为读者介绍了投影显示器的基本原理与技术分类，下期本刊将从市场面切入，继续就厂商发展现况与趋势，为读者更进一步深入剖析此一产业的完整样貌，敬请期待!

感谢工研院光电所林俊全课长提供LCOS光机数据