微型投影技術掀起可攜式產品新革命

微型投影技術掀起可攜式產品新革命

-- 本特別企劃文章 -- 微型投影技術、元件趨成熟　將掀起可攜式產品應用革命 -- 2007/12/17

隨身大螢幕　口袋帶著走　 微型投影技術、元件趨成熟　將掀起可攜式產品應用革命

(寄信給作者) 2007/12/17

盧慶儒╱DIGITIMES 前 言：10年前的數位投影機，不管是體積和重量，可都算得上是大傢伙，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 和筆記型電腦差異不大，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。 廣告 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，因此在市場對於手機多功能不斷的要求下，目前各手機大廠已經規劃在手機中加入投影的功能，讓行動電話創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，主要是由於資訊系統的精簡化、整合化的發展趨勢。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，同時還能用於商務簡報等用途，大幅拓展了行動電話的應用範圍。 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、數位相機、數位攝影機…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10億支的規模，對於行動電話廠商、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。 相關業者積極開發投影功能行動電話 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，低於10萬日圓、甚至低於1萬日圓 的低價投影行動電話，才是業者所期待的目標，因此，相關元件廠商已經計畫將微型投影機構的單價設定在數萬日圓，甚至於未來計畫跨越1萬日圓以下的低價門 檻。 在微型投影機關鍵元件的部分，包括Djin Display、Micro Precision、Microvision、德州儀器(TI)、Upstream Engineering等業者，早已著手進行微型反射鏡片微機電(MEMS)的開發，各有研發成果發表出來；而微型投影機構部份，Nokia、摩托羅拉、 三星、Canon等業者，也已經相繼開發出厚度只有數毫米，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，也有相關的開發業者陸續開發出利用LED或者是雷射二極體來取代傳統的光源，提高行動電話投影亮度，讓投影的品質更能夠滿足影像品質的最基本要求。 圖說：目前包括Nokia、摩托羅拉、三星、Canon等等的業者，已經相繼開發出厚度只有數毫米，尺寸只有數公分行動電話用微型投影機構，積極搶佔即將出現的市場。（www.gizmodo.com） 微型光機關鍵零件陸續獲得突破 在2007 年的各項展覽之中，全球的相關業者已經陸續展示其微型投影光機的研發成果，例如2007年1月在拉斯維加斯舉辦的「2007 International CES」中，Microvision展示了其開發的微型投影機，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範圍內，並且達到800×480畫素WVGA的影像解析度顯示能力。 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，作為未來資料的處理中心和顯 示中心，而目標則是將其微型投影機構導入到行動電話、PDA以及數位相機等各種的可攜式產品之中。 Microvision的技術開發策略 是，採用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家相關技術業者進行合作，以在2008年能夠實現投產為目 標，來計畫出開發藍圖。至於價格方面，Microvision希望能夠在投影機構內建於手機後，手機的總體價格維持在400~500美元。 事實上，關於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等可攜式遊戲機的周邊產品中，達到透過簡單的介面連接後，就能以較大的畫面來欣賞iPod Movie或PSP的影像。 光 源的部分，Microvision採用了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。由於採用了雷射光源，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的開發觀念是，採用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劃開發藍圖。（ www.fahad.com） DLP幾已成為微型投影機技術主流 在投影關鍵元件的部分，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於手機上的微型投影機。雖說是將投影機構內建於手機之中，但是該微型投影機構也可以獨立存在，亦即開發成可攜式微型投影機。 因 此，對於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電腦、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、或者是手持式智慧裝置(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。 雖然德州儀器本身並不開發相關的投影機產品，但是對於DLP技術的推廣應用，則是不遺餘力的與各方業者合作。例如在2006年所發表的1款可攜式微投影機，目前已與三菱、三星、東芝等業者合作，開發提供相關必要的技術與零組件。 這 款內建於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、用於顯示圖形影像的DLP晶片，以及電源管理電路，機構整體的長度只有 1.5吋，而其顯示畫質能力的部分，已能夠讓手機投射出DVD品質的影片，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學院近期便採用德州儀器的DLP方案作為顯示核心，開發出更新的微型投影技術。這項投影技術所開發出來的投影模組尺寸，只有16mm×9mm×9mm，可以整合應用在手機、PDA或筆記型電腦之中，並且能夠提供高解析度顯示能力。 可惜的是，在光源的部分，Fraunhofer僅使用紅光和藍光雷射二極體，所以無法達到全彩畫面的顯示，沒有加入綠光雷射二極體創造全彩畫面的原因是，在一定顯示投射功率的要求下，目前綠光雷射二極體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。 圖說：德州儀器利用DLP技術積極的與各業者合作，發表了多款可攜式微投影機。（www.TI.com） 圖說：Fraunhofer所開發的微型投影機零組件。（www.Fraunhofer.com） 受惠關鍵元件效能提升　終端產品陸續現身市場 在關鍵零件業者陸續開發出相關的技術與元件之後，終端產品的開發業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。 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品質和尺 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佈與Microvision的合作策略，在未來推出的新款手機 中，將會搭配Microvision微投影模組，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的投影功能手機，在解析度方面只能夠達到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後，其投影解析能力將會大大的提升。 Canon在早幾年也發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品質的影像，並且實現NTSC比114%的色再現性。 雖然在資料處理與儲存能力並不強，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微投影模組。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　成為光源最佳候選元件 最近這幾年LED的發光效率與輸出亮度都大幅提高，但即便如此， LED還是無法與發光效率60lm/W、全光束1萬流明的傳統光源抗衡。這意味著採用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。 目前全球業者已經陸續發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，都低於100ANSI流明，因此只能被侷限陰暗環境使用，不過相關業者均認為，微投影機具備相當深厚的發展潛力和技術突破的空間。 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，大多將反射鏡設於焦點，儘量集中光線照射方向，但由於光源出射的光線並未受到精準控制，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，通常採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秀。 反 射型LED結構上與傳統前方包覆樹脂作光控制的砲彈型LED截然不同，它與晶片型LED在高散熱電路基板設置發光元件、周圍再圍繞反射罩的結構也不相同。 基本上反射型LED的反射鏡與發光元件呈對向設置，發光元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，理論上發光元件產生的光線，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，將是投影品質好壞的關鍵。（ www.paralight.com） 由於發光元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，發光元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晶片，才能承擔大電流的輸 入。但從光學系統角度而言，發光元件越小，光的利用效率反而愈高，兩者出現相互矛盾的關係，尤其是投影機用發光元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，同時加大搭載發光元件Lead的斷面積，藉此維持必要的散熱性。 雖然反射型LED的發光元件，同樣設置在透明環氧樹脂的表面附近，不過環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。 複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晶片與集光鏡片構成，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立方公釐左右，輸出光量大約是60lm左右。 LED 光學系統中，發光元件與光學鏡片，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，單純加大發光元件， 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，必需採用小發光元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，基於提高光利用效率等考量，一般都是使用4個1W等級的反射型LED構成的模組，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正方範圍內。 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，由於實際使用條件會 變成脈衝點燈，因此1/3Duty的矩形波脈衝點燈時，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境改變，因此矩形波點燈時，最好等發光 波長穩定後才使用。 此外，對於模組均整度的改善，開發者比較傾向採用稜鏡、導管、液晶提高效率，並在前面放置Cell hook lens、聚光鏡片、PS偏光片等等。 圖說：LED光學系統中，發光元件與光學鏡片，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，對於手持式產品來說，捨棄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，由於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，也必須使用相當複雜的變壓電路，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，在未改變光源元件的情況下，採用小型電池是不可能的事情。 但是，如果是改採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，並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 對 於需要背光的液晶顯示器來說，光源對於顏色的表現佔了相當大的影響程度，從愈來愈多業者嘗試改採LED光源作為液晶電視背光模組就可以了解，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，改採用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。 三菱電機採用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，由於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，如此更有助於光機引擎的小型化。 不 過，使用LED雷射的微型投影機在實際投射的表現上並非相當完美，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於投影機之上，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，顯然意義並 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，那麼或許這樣的亮度就足足有餘了。 足夠空間下 LED光源也可創造高流明 雖然微型投影機因受限於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，由於有足夠的空間可供發揮，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準。 以三菱電機所發表的52吋LED雷射背投影電視為例，輝度可以達到500燭光，並且在色飽和度方面，可以提升到支援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。 對於投射亮度而言，當然是愈高愈好，相信以目前LED的發光效率來說，還有相當程度的提升空間。不過在成本壓力之下，如何長久取得品質水準相當好的LED元件，卻是一件不容易的事情。 圖說：改採用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 如果捨棄高壓水銀燈泡而改採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檻。 高 壓水銀燈泡的發光模式是散射式的，也就是說需要利用聚光的透鏡來將光線形成束集，投射在顯示元件上(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的晶片中散射出來，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。 所以對於各業者來說，獲得高品質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 考驗著各業者的光學設計功力。因為，雖然LED有著相當優良的發光能力，但是週邊的溫度卻會影響LED最終發光效率，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，必須再仔細考量各方面的因 素，來作為設計的依據。 圖說：面對LED雷射而言，光束是從幾mm的晶片中散射出來，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，對於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，目前還是處於初期開 發，未來伴隨著LED的進步，仍舊有相當大的發揮空間，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螢幕影像觀賞的願望即將實現。

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