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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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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