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微型投影輕鬆呈現彩炫世界!
行動中投影分享繽紛畫面!

【作者: 鍾榮峰】   2009年07月07日 星期二

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不過幾年前,投影技術應用在手持裝置還被視為只是充滿想像力的概念。如今,微型投影應用正逐漸成形於智慧型手機、數位相機、筆電、行動上網裝置和可攜式數位錄放影機等領域。配合消費者對於在行動中與他人分享多媒體視訊影像的市場需求,微型投影技術也成為系統廠商提升各類手持裝置附加價值的應用熱點,主要微型投影晶片和光學元件廠商也莫不摩拳擦掌、積極投入相關光學引擎和成相器等元件的技術開發。



微型投影市場應用趨勢


美商3M台灣子公司光學產品事業群投影系統業務暨行銷經理尹國忠表示,行動裝置上的微型投影應用基本上應會內建兩組,其一是讓消費者自己觀賞使用,另外一組則是作為分享投影使用。「行動」和「分享」是微型投影的附加價值所在,消費電子和商務應用會是微型投影一開始大顯身手的主要領域。微型投影產品若要進入商業量產的階段,則必須進一步考量擴大多樣化的嵌入產品應用,降低價格成本更是相當關鍵。



《圖一 藉由「行動」和「分享」,微型投影應用正吸引市場技術人員的目光 》

資料來源:零組件科技論壇


LCoS、DMD和MOEMS投影技術三分天下


根據市調機構Pacific Media Associates預估,今年微型投影模組出貨量可達85.5萬組,明年可望成長至271.3萬組,到2013年時出貨量將達2535.5萬組。其中以Laser Scanning為基礎的MOEMS技術、LCoS技術和以MEMS製程為基礎的數位微型投影元件(DMD)技術,將形成三分天下的局面。不過目前來看,LCoS仍佔整體微型投影技術應用的70%比例,而TI主推的DMD則佔30%左右,MOEMS技術應用則為0%。



降低微型投影成本是擴大市場商業化關鍵因素


目前微型投影產品價格約在320~410美元之間,若要普及相關商業化應用,降低成本單價是關鍵因素。根據Pacific Media Associates評估,到2013年相關價格可降至120美元左右;工研院IEK則預估,到2010年手機微投影技術將進入商業化階段。目前除了TI之外,包括MicroVision、The Nippon Signal、OPUS Microsystems、Miadia、Pixtronix、Silicon Light Machines、Sony、Spatial Photonix等,均正在開發相關微型投影。華寶通訊(CompalComm)新技術開發部高級工程師王亮舒認為,微型投影機佔整體可攜式裝置的BOM成本比例,不應超過1/3~1/4,市場才會進一步接受相關功能應用。



定義微型投影技術應用領域


3M業務暨行銷經理尹國忠指出,若以投影體積projector Volume(C.C.)和流明亮度(Lumens)來定義,一般投影規格應用可分為以下四大區塊。除了大型辦公和會議投影應用Office/Front projection之外,還包括如NB厚度的Ultra Portable/Companion(<1500c.c.和500lm/W),代表產品為Samsung的SP-P310(1386c.c.和3.1lm/W)與LG的HS102(901c.c和2.5lm/W);以及如漢堡紙盒大小的Personal/Pocket(<700c.c.和200lm/W),代表產品為Dell的M109(357c.c.和1.1lm/W)。至於所謂微型投影,便是屬於Mobile/Pico/Femto(<200c.c.和30lm/W)範疇的應用區塊,代表產品分別為3M推出的mPro 110(133c.c.和6 lm/W)、AIPTEK推出的V10(100c.c.和6lm/W)和奧圖瑪(Optoma)的PK101。




《圖二 微型投影產品應用分佈圖 》


資料來源:3M




微型投影引擎技術大要


王亮舒進一步表示,絕大部分投影系統的光源設計是以光閥系統為基礎,此外還包括整個光路設計,這裡以勻光系統為核心,光處理好便進入成像系統。微型光學引擎主要是將光源照明整理後投射到Panel。傳統投影技術包括LCD、DMD和LCoS技術,新一代投影技術還包括Laser Scanning為基礎的MOEMS技術和繞射光學元件(Diffractive Optics),目前微型投影技術是以LCoS、DMD為主。



王亮舒指出,LCD投影技術是以光偏極化回收轉換機制為核心,偏光板(polarizer)是放在光路系統中,且彩色濾光片是由雙色鏡(Dichroic Mirror)所取代,將光分開三種顏色經過不同面板呈現投影畫面。先前Sony曾運用此技術製作可攜式投影機樣品。但若要進一步作為微型投影技術,卻會面臨到LCD電晶體驅動無法縮小、因而Window Effect會被放大的技術難題。3M則採用Displaytech以LCoS技術作為基礎的成相器,其出貨量已超過2000萬組,而MicroVision則採用Scanning Mirror為基礎的Laser Scanned Color技術。尹國忠認為,LCoS技術在客製化規格、性價比和使用廣度上,都有相對成熟的應用經驗。



《圖三 美商3M台灣子公司光學產品事業群投影系統業務暨行銷經理尹國忠表示,成相器是微型投影引擎的心臟,成相器佔整體微型光學投影引擎成本的40~70%左右。改變成相器的解析度,便可客製化設計不同解析度的微型光學投影產品》


成相器(Imager)是微型投影引擎的心臟


尹國忠進一步指出,若以LCoS成相晶片為例,其光機設計架構包含LED光源照明(Illumination)、偏極化分光鏡PBS(Polarizing Beam Splitter)、成相器(Imager)、再經由投影鏡頭(Projection Lens)放大後投射出去。尹國忠強調,成相器Imager可說是微型投影光學引擎的心臟,成相器佔整體微型光學投影引擎成本的40~70%左右。目前成相技術可分為像素陣列(Pixel Array)和掃瞄反射鏡(Scanning Mirror)兩種,前者包括以LCoS作為代表的反射式LCD,整合LCD和CMOS封裝技術;以及Tilting Mirror為基礎、TI所主推的DLP數位微型投影元件(DMD)技術。尹國忠認為,選擇較多廠商已投入研發的LCoS技術,亦可藉由市場機制降低成相器的BOM成本。



成相器可客製化調整解析度


尹國忠強調,只要改變成相器的解析度,便可客製化設計不同解析度的微型光學投影產品,從VGA到SVG甚至是XGA,均可藉由此方式輕易地提升。相較於其他成相器顯影技術,LCoS也比較容易提升微型投影的解析度,其畫素間距(pixel pitch)發展也可呈現最小。




《圖四 成相器Imager技術類別示意圖 》


資料來源:3M




LCoS微型投影引擎技術大要


光源以白光LED為主


以LCoS成相器為核心的微型投影引擎,光源以白光LED照明為主,採用一般面板顯影過程,投影系統設計較為簡易。採用CMOS半導體結合LCD製程的LCoS成相器,畫素可更微型化,也因為電路就在半導體層,並沒有在光路系統中,所以不會產生投影畫面彩虹效應(rainbow effect)。且由於LCoS是以反射式LCD技術為基礎,肉眼不會可視如同LCD螢幕的紗網(screen door)現象,同時也不會有班點(speckle)影像問題。不過LCoS微型投影引擎還要適應各家LED廠商不同LED顆粒在亮度和光波長的設計差異,這會影響微型投影的品質。



偏極化方式整理光源


尹國忠指出,在LED光源照明部分,如何將120度光源發散完整收斂起來投取至偏極化分光鏡PBS,並有效降低光損失問題,對於提升光使用效能非常重要。3M採用高亮度光學收集器(collection optic with high optical power)來解決此一課題。光進入成相器Imager時,以LCD技術為基礎的LCoS,需要光以偏極化方式(polarized light)呈現,因此在光源照明階段還需經過一次處理,使光源既可偏極化又可recycling,藉由不斷地recycling方式再利用程序以降低光損失。



革新偏極化分光材料和稜鏡反射技術


王亮舒表示,PBS作用是讓需要的極化光射入、不需要的極化光反射出去,所需的極化光穿透PBS後打入微型面板,面板便將極化光轉向PBS反射出去。



當光進入偏極化分光鏡PBS時也會產生光受損情形,而傳統的PBS採用玻璃為材料,形體以立方體為主,不具備視野透鏡(field lens)設計,尺寸也會較大,重量也較重。尹國忠說明表示,3M的多層光學膜(Multi-layer Optical Film;MOF)PBS稜鏡技術,可藉由偏極光學膜涵蓋光射入的大範圍角度和光波長特性,提升系統的對比度。此外,3M採用壓克力塑膠材質革新PBS稜鏡,其射出成型容易大規模量產,亦能減輕重量;非球面的塑膠稜鏡可直接將固定結構與PBS整合在一起。不過尹國忠也指出,塑膠材質採用高熱回溫,分子鍵(polymers)錯亂所產生的結晶區和非結晶區,其密度不一會提高光的雙折射現象(birefringence),如何保持較低的雙折射性、而不減少整個系統的對比度,是其主要技術挑戰。3M採用的是低雙折射材料、並藉由製程降低注塑過程中的內應力來解決。



(表一) 主要微型投影技術特點示意表 <資料來源:華寶通訊,2008年4月;整理:鍾榮峯>





































































 

Laser Scan

DLP

LCoS

光源

RGB Laser

RGB LED

RGB或白光LED

解析度


(相同面板尺寸)

非常高

中等

極化光(polarization)

不要

不要

對比度

中等(色序法)


低(彩色濾光)

光學引擎利用光源效能(相同面板尺寸)

非常高

中等(色序法)


低(彩色濾光)

面板功耗

N/A

中等


(0.1~0.4W,包含ASIC)


(~0.1W)

模組設計

有(樣品)

傳輸介面

RGB

LVDS

Sequential RGB/RGB

價格

N/A

中等

產品樣品

N/A

Optoma PK101

3M Mpro 110




彩色濾光片和三原色LED色序法色彩處理


目前LCoS投影引擎的色彩處理主要分成兩種:分別是彩色濾光片(Color Filter)和RGB三原色LED色序法(Color Sequential),前者較多為業界所採納,後者也逐漸為廠商所應用。前者為傳統上的做法,利用三色環對白光進行過濾,好處是設計單純。不過由於LCoS採用彩色濾光片,將三分之一的光線濾掉,光使用效率較不佳,在彩色濾光片的鍍模上就會比較薄,藉由犧牲色彩飽和度來提升亮度,這中間的平衡拿捏會深刻影響LCoS微型投影的畫面品質。另外直接利用RGB三原色LED作為光源和色序法的色彩處理,利用時間特性來混光,可同時提升光利用率和色彩表現,還需克服LED特性變異以及如何調整趨近於真正的白色、亦即白平衡校準技術難題。



王亮舒認為,長遠來看,採用色序法的LCoS微型光機設計,將會是主流的微型投影技術,因為其可兼顧利用光源效能和投影色彩飽和度。



DMD微型投影引擎技術應用大要


無須偏極化光


採用MEMS製程、使用RGB三原色LED光源的DLP晶片技術,是以TI主推的數位微型投影元件(DMD)技術為基礎。藉由每片鏡子±12度的轉動來呈現每一畫素的數位顯影方式,產生肉眼辨識類比投射的光源效果,鏡子旋轉速度則為microsecond等級。由於DLP採用鏡子反射原理,只要有光就可經由鏡面轉動反射投影,因此沒有偏極化光需求,光使用效率也比LCD投影來得高。



DMD單晶片和三晶片方案


彩色DLP投影晶片包含單晶片和三晶片兩種解決方案,單晶片DLP利用色輪(color wheel)旋轉,把RGB三原色藉由時序循環方式呈現彩色影像。但如果時序循環速度不夠快,便會產生所謂彩虹效應(rainbow effect)。至於三晶片DLP則是把光藉由複雜的彩色濾光稜鏡系統(color filtering prism),把三原色呈現在三個DLP上,可支援劇院和大型會議等級的微型投影應用。



《圖五 採用單晶片的DLP微型投影架構示意圖》


《圖六 採用三晶片的DLP微型投影架構示意圖 》

資料來源:www.dlp.com


彩色濾光效能不足 光使用效率打折扣


不過王亮舒指出,色輪濾光同一時間點只能利用1/3的光源,其他2/3原色就被彩色濾光吸收,因此DLP技術雖減少偏極化光的需求,但彩色濾光效能不足,光使用效率則大打折扣,投影影像的解析度也受到影響。不過DLP微型投影裝置具備高偏置(high-offset)優勢,裝置水平擺放的投影畫面則是由下往上,但是也因此投影鏡頭尺寸的微型化會受到侷限。



DLP技術應用逐漸成形


今年台北國際電腦展(Computex Taipei 2009)上,TI展示下半年將推出的新款DLP微型投影晶片,以薄型手機及輕巧可攜式裝置為主要應用。TI行動通訊及運算事業部總經理Seshu Madhavapeddy展示內建TI DLP Pico投影技術的Samsung i7410,採用TI 0.17吋DLP Pico微型引擎,可投射出比傳統手機螢幕還大的影像,並可依照周圍環境光線的變化,投射出5~50吋的影像,甚可超過50吋。投影亮度最高為10流明,一般亮度為7~8流明,可投影30分鐘,投影距離為80~200公分,可選擇文件、相簿、故事、電視或手電筒等作為投影應用。



《圖七 TI行動通訊及運算事業部總經理Seshu Madhavapeddy展示DLP Pico技術》


TI也宣示此新款投影技術能讓影像顯示尺寸縮小到葡萄乾大小,而無需壓縮影像品質。以往微型晶片支援HVGA解析度,新款DLP微型晶片可將投影品質提升至WVGA(854×480)規格的原始DVD解析度,並能減少20%以上的光學模組厚度和體積。



另外奧圖碼(Optoma)也利用0.19吋DLP微型投影引擎開發微型投影裝置,解析度為320×480,採用3顆RGB原色LED,取代傳統DLP色輪濾光的問題,並可加速原色轉換速度,降低彩虹效應。



《圖八 採用TI 0.17吋DLP Pico微型引擎的Samsung手機在今年台北國際電腦展(Computex Taipei 2009)中展出 》


Laser Scanning技術大要


王亮舒進一步表示,原應用於條碼機的Laser Scanning微型投影技術,一種採用雙軸旋轉鏡面,另外一種則採用兩片單軸式。雙軸旋轉鏡面是藉由XY軸鏡面掃瞄速度快慢的不同,用鏡面調整雷射光打出的位置,以此過程接取影像並投影於螢幕。此種技術可將微型投影引擎尺寸更加微型化,透過提升鏡面鑑別能力而無須增加面板尺寸和引擎體積,便可有效提高投影解析度。



王亮舒特別指出,雷射光源應用在LCD或是LCoS微型投影裝置中,可控制光源為單一極化光,若微型投影應用極化光作為光源,微型投影光學引擎利用雷射光源的使用效率便非常高,且微型投影引擎將雷射光進行光束整型(beam shaping)的光學效率也非常高。



雷射光本身光學效率不高


不過尹國忠和王亮舒均強調,Laser Scanned Color雖具備可應用在微型投影引擎的良好光源特性,不過雷射光本身光學效率很低,且投影出來的影像會產生網格效應和班點(speckle)問題,肉眼觀看相對會產生不適感,欲解決此問題會提高成本且相當耗電。



《圖九 華寶通訊(CompalComm)新技術開發部高級工程師王亮舒認為,微型投影機佔整體可攜式裝置的BOM成本比例,不應超過1/3~1/4,市場才會進一步接受相關功能應用。長遠來看,採用色序法的LCoS微型光機設計,將會是主流的微型投影技術》


雷射光安全性規範有待商榷


另一方面,鏡面壞損會導致反射雷射光的安全性降低,影響人體肉眼,也是需注意之處。藍光和綠光雷射光源不易取得也是亟待解決的問題。華寶通訊(CompalComm)新技術開發部高級工程師李政育表示,雷射作為投影光源的安全性規範尚未確定,其雷射光源屬性究竟是否屬於class 2仍舊未定之天,綠光在半導體領域的應用也沒多久,這些都是要克服的問題。



繞射投影技術


繞射投影技術也是利用三原色雷射光,將繞射光以時序連續方式投射在LCoS面板上,雷射藉由繞射條紋可顯示正確的影像。雖然光學元件較為簡化,無須被動元件,且具備隨時聚焦的投影優點,不過繞射條紋需要經過龐大的運算過程,系統資源負擔較重。



微型投影電源效能規格要求


微型投影光機設計為因應手持裝置應用的需求,除了在亮度、解析度等performance和輕薄短小的尺寸設計外,有效利用可攜式裝置有限的電源更非常重要,因此電源效能(Efficiency)是微型投影光機設計嵌入在各類行動裝置的技術能力重點,這代表每瓦電源供應所能提供的流明亮度以及電源功耗等。



尹國忠詳細說明指出,在電源效能部分,其定義應是在每單位系統瓦數所呈現的投射流明亮度為何,一般而言微型投影裝置電源功耗較高的內部元件包括LED、成相器、驅動元件等,其中LED耗電量最高。若以電源功耗3W來分析,LED便佔1.7~2W、驅動元件佔0.3W,而成相器佔0.1W左右,足夠的流明亮度需在10~20 lm之間。預估到2010年,微型投影模組整體電源功耗可降至2W,2012年可進一步降至1.5W。尹國忠認為,LCoS較能降低功耗,面板功耗大約在0.1W左右。



提升LED散熱背板功能也是電源效能設計重點。LED亮度效能增加,微型投影引擎的亮度也隨之增加,LED價格每十年將會下降10倍。加上LED照明產業正蓬勃發展,對於採用LED作為光源照明的微型光學投影引擎來說可謂相輔相成。



(表二) 不同系統之微型投影功能規格需求示意表 <資料來源:3M;整理:鍾榮峯>













































 

投影機

NB微型投影

數位錄放影機


微型投影

手機微型投影

引擎尺寸(cm3)

<10

<10

<5

<5

流明亮度(lm)

>10

15~20

10~20

10~20

效能(lm/W)

~3

~5

~8

~8

電源功耗(W)

<5

<5

<1

<1

解析度

SVGA

SVGA

VGA

VGA




微型投影裝置機構設計要點


華寶通訊(CompalComm)新技術開發部高級工程師李政育表示,微型投影機內建應用在可攜式裝置,需經過各種使用環境和應用測試,在微型投影機構設計上,包括投影傳輸介面、電源管理、以及整機組合後,都是必須關注的重點,微型投影機嵌入於各類可攜式裝置時,也需要針對不同系統環境使用客製化的投影傳輸介面和電源管理設計。



尺寸要求


尹國忠則指出,微型投影機本身、或是微型投影模組應用在NB、數位錄放影機還是手機上的技術規格要求均不相同。在尺寸上,微型投影引擎需搭配ASIC晶片整體來看,整合至可攜式裝置一般而言大小約在5~10㎝3,厚度介於7~9mm之間。由於投影鏡頭有一定尺寸限制,因此微型投影模組設計也不能太「微影」,否則投影效果會受到影響。



《圖十 華寶通訊(CompalComm)新技術開發部高級工程師李政育表示,微型投影機內建應用在可攜式裝置,需經過各種使用環境和應用測試;微型投影機嵌入於各類可攜式裝置時,也需要針對不同系統環境使用客製化的投影傳輸介面和電源管理設計》


幾種投影傳輸介面各安其位


李政育指出,若從微型投影裝置投影傳輸介面來看,其可分為資料傳輸介面和控制介面,前者包含RGB、LVDS和Sequential RGB三種,控制介面則以I2C和SPI為主。RGB投影介面即最常用於行動微型投影裝置,一般藉由PCLK、HSYNC、VSYNC或是DESYNC等來區隔、重組所傳輸的投影資料,來支援全彩、高彩或65000色畫質的面板投影。此外還包括常見於PC或NB端、以成對傳輸方式相減降低EMI干擾的LVDS介面。Sequential RGB傳輸介面是由特定幾家以色序法為基礎的面板廠商所自訂的規格,將RGB三原色依序存進frame buffer中,再分色出各種RGB frame,傳輸給三種面板、或是一種面板在不同時序接續接收。



李政育說明表示,若以應用在隨身投影機和NB或Netbook的微型投影裝置來看,採用DLP技術以LVDS介面為主,LCoS則以RGB或是Sequential RGB介面為主,Laser Scanning則是以RGB介面為主。至於應用在手機的微型投影裝置,在投影時手機面板畫面應同時顯示,因此雙重面板設計是其重點。手機投影的傳輸介面則多以SPI和Host Interface為主,最近MDDI(Mobile Display Digital Interface)介面也開始被使用。



降低EMI干擾


李政育強調指出,在微型投影裝置整機組合後,最常遇見的便是EMI干擾問題。上述這些屬於高速串列傳輸的微型投影資料傳輸介面,當被EMI干擾時,面板所呈現的投影影像會明顯呈現條紋狀,有礙投影畫質。設計上可採取將Data trace安排走底層、或者讓Data trace與電路區隔開來、抑或藉由過濾方式去除不必要雜訊,過濾方式包括RC、Bead、EMI Filter等。



機構散熱設計


此外,微型投影機構的散熱設計也是重點,以往風扇電源功耗高,應用在PC或NB的散熱片設計體積也較大,採用純散熱片方式不僅能降低噪音,同時也能縮小散熱片佔據PC或NB的體積空間。整機機構設計的固定架構、耐摔防震測試、和鏡面防護也很重要。



《圖十一 微型投影品質要不斷提升,相關裝置就要兼顧各種光學、電源和機構設計,微型投影引擎、模組整合系統設計環環相扣,圖為技術人員試用微型投影手持裝置一隅 》

資料來源:零組件科技論壇


微型投影技術應用拭目以待


「行動」和「分享」是微型投影的附加價值所在,目前來看LCoS技術仍佔整體微型投影技術應用之首,TI主推的DMD則次之,Laser Scanning則有待加強。降低微型投影成本是擴大市場商業化關鍵因素,提升並兼顧微型投影亮度、解析度、對比度、光學引擎利用光源效能以及電源效能等,是各類投影技術的設計重點,在微型投影機構設計中降低EMI干擾和散熱設計,善用投影傳輸介面特性,是強化微型投影機構嵌入在各類行動裝置應用功能的主要項目。未來微型投影技術應用能否遍地開花,且讓我們拭目以待!



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