微型投影技术掀起可携式产品新革命

微型投影技术掀起可携式产品新革命

关键词：投影技术，便携式设备，LED

最近几年来，手机与电视结合的趋势下，已经使得行动电视变成流行趋势，因此在市场对于手机多功能不断的要求下，目前各手机大厂已经规划在手机中加入投影的功能，让行动电话创造出更多元化的应用。

实现可携式投影技术的关键－LED光源与雷射光源

目前手机大厂对手机投影功能具有高度兴趣的原因，主要是由于信息系统的精简化、整合化的发展趋势。整合了投影功能的行动电话，将能够提供使用者大画面的影片观赏，获得视觉影像的享受，同时还能用于商务简报等用途，大幅拓展了行动电话的应用范围。

会出现这样变革的另一原因是，现有投影机产品已届临市场饱合度的问题，每年市场销售成长率相当有限；但是反观行动电话应用，愈来愈多的多媒体功能，如MP3 音乐播放、数字相机、数字摄影机…等，逐渐都已被整合至行动电话之中；但行动电话有限的体积，大大限制了显示器尺寸的空间，因此，如何让行动电话的多媒体影像播放可以突破体积的限制，就是促成行动电话销售量再次跃升的关键之一。

再加上目前行动电话市场已达到10 亿支的规模，对于行动电话厂商、投影机厂商而言，如此庞大的市场商机，显然就是放在眼前的肥肉，焉有视而不见的道理。

相关业者积极开发投影功能行动电话

目前市场上具有投影功能的行动电话数量极少，且价格大约在20 万日圆左右，只能算是还在测试市场水温的高价奢侈品。因此，低于10 万日圆、甚至低于1 万日圆的低价投影行动电话，才是业者所期待的目标，因此，相关组件厂商已经计划将微型投影机构的单价设定在数万日圆，甚至于未来计划跨越1 万日圆以下的低价门坎。

在微型投影机关键组件的部分，包括Djin Display 、Micro Precision 、Microvision 、德州仪器(TI)、Upstream Engineering 等业者，早已着手进行微型反射镜片微机电(MEMS)的开发，各有研发成果发表出来；而微型投影机构部份，Nokia 、摩托罗拉、三星、Canon 等业者，也已经相继开发出厚度只有数毫米，尺寸只有数公分的行动电话用微型投影机构。

另一方面，在光源的部分，也有相关的开发业者陆续开发出利用LED 或者是雷射二极管来取代传统的光源，提高行动电话投影亮度，让投影的质量更能够满足影像质量的最基本要求。图说：目前包括Nokia 、摩托罗拉、三星、Canon 等等的业者，已经相继开发出厚度只有数毫米，尺寸只有数公分行动电话用微型投影机构，积极抢占即将出现的市场。（www.gizmodo.com）

微型光机关键零件陆续获得突破

在2007 年的各项展览之中，全球的相关业者已经陆续展示其微型投影光机的研发成果，例如2007 年1 月在拉斯韦加斯举办的「2007 International CES 」中，Microvision 展示了其开发的微型投影机，以及相关的技术。Microvision 所展示的微形投影机，使用了半导体雷射，可以将光源控制在40×25×8mm 范围内，并且达到800×480 画素WVGA 的影像分辨率显示能力。

Microvision 认为，2007 年微型投影手机的主要诉求目标，是以内建微型投影功能、单价在20 万日圆的可携式电子设备，用来取代单价10 万日圆的传统PC，作为未来数据的处理中心和显示中心，而目标则是将其微型投影机构导入到行动电话、PDA 以及数字相机等各种的可携式产品之中。

Microvision 的技术开发策略是，采用2 轴MEMS 扫描仪、雷射光源的嵌入式超小型投影机，目前Microvision 与2 家相关技术业者进行合作，以在2008 年能够实现投产为目标，来计划出开发蓝图。至于价格方面，Microvision 希望能够在投影机构内建于手机后，手机的总体价格维持在400~500 美元。

事实上，关于超小型投影技术的应用，不仅仅是手机而已，Microvision 还计划将微型投影技术推及到如iPod 等可携式播放器，或者是PSP 等可携式游戏机的周边产品中，达到透过简单的接口连接后，就能以较大的画面来欣赏iPod Movie 或PSP 的影像。

光源的部分，Microvision 采用了Novalux 所生产的半导体雷射光源NECSEL，光通量约为10~15lm 。整体技术上的主要特点是体积小、耗电低、成本低以及色域广。由于采用了雷射光源，即使将影像投射到弯曲的物体上，也可让整个画面都显示焦点出准确的影像。图说：Microvision 的开发观念是，采用2 轴MEMS 扫描仪和雷射光源的嵌入式超小型投影机，以在2008 年能够实现投产为目标来规划开发蓝图。（www.fahad.com）

DLP 几已成为微型投影机技术主流

在投影关键组件的部分，拥有相当多技术专利与经验的德州仪器，也在展览会中展出内建于手机上的微型投影机。虽说是将投影机构内建于手机之中，但是该微型投影机构也可以独立存在，亦即开发成可携式微型投影机。

因此，对于需要经常进行简报的商务消费者来说，就不再需要携带笔记型计算机、投影机等等的设备，即可进行简报。因为，未来只需要携带内建有DLP 微型投影功能的手机、或者是手持式智能装置(如PDA、Smart Phone 、PDA Phone) 搭配微型投影机，就可以顺利完成简报工作了。

虽然德州仪器本身并不开发相关的投影机产品，但是对于DLP 技术的推广应用，则是不遗余力的与各方业者合作。例如在2006 年所发表的1 款可携式微投影机，目前已与三菱、三星、东芝等业者合作，开发提供相关必要的技术与零组件。

这款内建于手机上的微型投影技术，结构含有3 个部分，一是作为光源的半导体雷射、用于显示图形影像的DLP 芯片，以及电源管理电路，机构整体的长度只有1.5 吋，而其显示画质能力的部分，已能够让手机投射出DVD 质量的影片，因此手机也将可因此化身为视讯播放机或电视来使用。

德国的Fraunhofer 学院近期便采用德州仪器的DLP 方案作为显示核心，开发出更新的微型投影技术。这项投影技术所开发出来的投影模块尺寸，只有16mm×9mm×9mm， 可以整合应用在手机、PDA 或笔记型计算机之中，并且能够提供高分辨率显示能力。

可惜的是，在光源的部分，Fraunhofer 仅使用红光和蓝光雷射二极管，所以无法达到全彩画面的显示，没有加入绿光雷射二极管创造全彩画面的原因是，在一定显示投射功率的要求下，目前绿光雷射二极管的外形还难以做到相当小，暂时无法整合在此一微型投影机构中。

图说：德州仪器利用DLP 技术积极的与各业者合作，发表了多款可携式微投影机。（www.TI.com）

图说：Fraunhofer 所开发的微型投影机零组件。（www.Fraunhofer.com）

受惠关键组件效能提升 终端产品陆续现身市场

在关键零件业者陆续开发出相关的技术与组件之后，终端产品的开发业者也纷纷嗅觉出市场的潜力与商机，接连投入具有投影功能的手机产品研发。

2007 年7 月，Light Blue Optics 展示了1 款火柴盒大小的彩色投影机，其中关键的技术是，Light Blue Optics 利用了电子控制液晶空间光调变器，来对红光、绿光和蓝光的光束进行调变。虽然距离产品商用化还有一段时间，但是，就该实验样品的显示质量和尺寸来说，已经相当接近使用者所需的微型条件。

行动电话大厂摩托罗拉已经宣布与Microvision 的合作策略，在未来推出的新款手机中，将会搭配Microvision 微投影模块，提供手机使用者将所拍摄的图片、视讯，或者是存入手机中的视讯档案等内容，透过内建的投影功能，将影片或影像投影放大，成为可播放大画面的可携式多媒体电影播放机。

目前摩托罗拉所开发的投影功能手机，在分辨率方面只能够达到854×480 ，与目前主流的XGA(1024×768)， 或者是SVGA(800×600) 还有一些的差距，但是，这毕竟是前导期的产品， 相信在经过投影机构改善之后，其投影解析能力将会大大的提升。

Canon 在早几年也发表过微形投影机构技术，Canon 是利用Novalux 三原色半导体雷射，来让微形投影机构显示出SVGA 质量的影像，并且实现NTSC 比114% 的色再现性。

虽然在数据处理与储存能力并不强，但如果是针对使用手机来进行商务简报的应用来说，已经是相当足够。根据Canon 的规划，这款微形投影机构技术，如果未来配合量产效应与低成本化结果，相信可以压低到5,000 日圆左右的成本，得以大量内建在高阶行动电话之中。

图说：摩托罗拉与Microvision 合作， 在未来新款的手机中，将会搭配Microvision 微投影模块。透过内建的投影功能，可将影片或影像放大投影出来，成为实现可播放大画面的可携式多媒体显示器。（www.Motorola.com）

LED 效能获得强化 成为光源最佳候选组件

最近这几年LED 的发光效率与输出亮度都大幅提高，但即便如此， LED 还是无法与发光效率60lm/W 、全光束1 万流明的传统光源抗衡。这意味着采用LED 作为微投影机主力光源时，必需考虑包含光学引擎在内的整体光线利用效率。

目前全球业者已经陆续发表可投射出小尺寸画面的可携式微投影机，或者是提供投影功能的手机，虽然大多的微投影机画面亮度，都低于100ANSI 流明，因此只能被局限阴暗环境使用，不过相关业者均认为，微投影机具备相当深厚的发展潜力和技术突破的空间。

如上所述，低光束LED 光源，必需利用光控制技术提高光的利用率，例如传统的照明灯具，大多将反射镜设于焦点，尽量集中光线照射方向，但由于光源出射的光线并未受到精准控制，只是设法让朝前方出射的光线变多而已，这种方式结构非常简易，不过光的控制效率很差。

因此传统的LED 照明灯具为提高光的控制性，通常采用的方法就是增加反射镜或是集光镜片的面积，稍微提高光线的控制性。另外1 种LED 光源的控制方式，是在光源前方设置准直收敛镜片，它的光控制性比前者优秀。

反射型LED 结构上与传统前方包覆树脂作光控制的炮弹型LED 截然不同，它与芯片型LED 在高散热电路基板设置发光组件、周围再围绕反射罩的结构也不相同。基本上反射型LED 的反射镜与发光组件呈对向设置，发光组件产生的光线利用反射面接收，受到控制的光线再出射到LED 外部，此时只有透明树脂的穿透率、反射面的反射率和导线阴影，会造成微弱的光损失，理论上发光组件产生的光线，接近90% 左右的控制光可以取出到外部。

图说：LED 还是无法与发光效率60lm/W 、全光束1 万流明的传统灯泡光源抗衡，因此微型投影机使用LED 作为投影光源时，包括光学引擎在内的整体光线利用效率，将是投影质量好坏的关键。（www.paralight.com）

由于发光组件与反射面构成的相对性光学系统，此种构造可以使LED 的形状变小，相较之下，传统结构封装的LED 外形，几乎已经变成一般设计标准，因此传统LED 提高光利用效率时，通常都需要加大外部形状。

为获得高亮度光源光束，发光组件的大小反而成为主要问题，主要原因是想要提高光量，最快的方法就是增加电流；然而必需要加大LED 芯片，才能承担大电流的输入。但从光学系统角度而言，发光组件越小，光的利用效率反而愈高，两者出现相互矛盾的关系，尤其是投影机用发光组件除了要求小型之外，同时还要求高散热性的封装技巧，技术难度不低。

高输出、优秀光控制性的LED 新结构，是使散热路径单纯化，同时加大搭载发光组件Lead 的断面积，藉此维持必要的散热性。

虽然反射型LED 的发光组件，同样设置在透明环氧树脂的表面附近，不过环氧树脂本身也是隔热材料，因此对放射面的有散热相当程度的帮助。

复杂困难的微光学系统设计

微型LED 投影机的光学系统是由LED 芯片与集光镜片构成，接着再透过Condenser 镜片与Light tunnel， 获得高均整性光束，系统整体的大小则需控制在400 立方公厘左右，输出光量大约是60lm 左右。

LED 光学系统中，发光组件与光学镜片，或是反射镜的大小，对配光控制性具有决定性影响，根据实验结果显示，使用相同集光镜片或是反射镜时，单纯加大发光组件，配光角会变大，轴照度的差异则完全消失，因此针对投影机要求的平行光成份，必需采用小发光组件构成投影机光学系统的方式获得。

使用反射型单色LED 基本结构时，基于提高光利用效率等考虑，一般都是使用4 个1W 等级的反射型LED 构成的模块，如此便可以获得LED 正下方20mm ，半值角度±70 的配光特性，外部形状以LED 光束收敛在17mm 正方范围内。

在照度的部分，800mA 点灯时红光照度为330klx， 绿光照度为650klx， 蓝光照度为470klx； 有关直流点灯时的基本特性，由于实际使用条件会变成脉冲点灯，因此1/3Duty 的矩形波脉冲点灯时，通电电流可以视为积分电流值，不过该电流值会随着周围温度环境改变，因此矩形波点灯时，最好等发光波长稳定后才使用。

此外，对于模块均整度的改善，开发者比较倾向采用棱镜、导管、液晶提高效率，并在前面放置Cell hook lens 、聚光镜片、PS 偏光片等等。

图说：LED 光学系统中，发光组件与光学镜片，或是反射镜的大小，对配光控制性具有决定性影响。（www.bartleby.com）

实现利用小型电池作为手持式投影机电源这是很重要的一点，对于手持式产品来说，舍弃AC 电源而改用小型电池供电，是1 项必备的条件。过去，投影机使用高压水银灯泡的环境下，瞬间启动电压高达数十KV， 这是利用小型电池供电的情况下不可能达成的目标。

除了高压电力的问题外，由于水银灯泡的高启动电压，以及高电流消耗，灯泡会产生大量的废热，需要高效率的主动散热系统协助散热，这也会影响到手持投影机的电池续航力问题。

一般投影机机构内部温度往往高达摄氏8、900 度，同时，也必须使用相当复杂的变压电路，如果期望利用小型电池作为投影机电源，这些问题都是无法被克服的。所以，在未改变光源组件的情况下，采用小型电池是不可能的事情。

但是，如果是改采LED 雷射作为光源的话，这些问题便可迎刃而解，不复存在，不但只需要小型电池就足以负担系统所需的电力之外，并且不需要散热系统的情况下，自然不会有扰人的散热系统噪音问题，且因为少了庞大的散热机构，当然体积也会大幅度的缩小。

颜色表现能力虽改善 但亮度仍需提升

对于需要背光的液晶显示器来说，光源对于颜色的表现占了相当大的影响程度，从愈来愈多业者尝试改采LED 光源作为液晶电视背光模块就可以了解，因为使用LED 背光源，可以使LCD 色域的表现能力大幅提升。因此，改采用LED 雷射作为光源的微型投影机，其颜色表现能力也是相当值得期待。

三菱电机采用LED 雷射作为微型投影机光源的理由是：第1，因为是使用单色系的光源，所以在色广度上面有相当不错的表现；第2，由于雷射光的光线直径可以控制的相当细微，因此，在透镜的尺寸上，也可以相对的缩小，如此更有助于光机引擎的小型化。

不过，使用LED 雷射的微型投影机在实际投射的表现上并非相当完美，包括整体显示的照度和辉度，仍需相当程度的提升。根据资料，目前使用高压水银灯泡的一般投影机输出亮度，约在为1,500~3,000lm 之间， 但是，现阶段LED 投影光源仅能提供约10~20lm 的亮度输出， 而目前所发表的LED 投影机整体投射亮度几乎都不超过20lm 。

不过LED 雷射光源的亮度是否足够用于投影机之上，主要的关键还是得视应用目的而定。举例来说，像是家庭剧院、会议室简报、大型研讨会等等，每种应用的环境均不相同。手持式微投影机的功能设计，是不是适合拿传统高压水银灯泡投影机作为比较基准，显然意义并不大，因为手持式微投影机的用途，主要是设定在空间不大的小型会议室中、提供2~3 人简报观看之用，那么或许这样的亮度就足足有余了。

足够空间下 LED 光源也可创造高流明

虽然微型投影机因受限于可携式产品要求轻薄短小机构空间，无法获得高亮度的表现，但在背投影显示器产品部分，由于有足够的空间可供发挥，因此就可进行亮度改善，让背投影显示器整体的亮度表现达到相当的水平。以三菱电机所发表的52 吋LED 雷射背投影电视为例，辉度可以达到500 烛光，并且在色饱和度方面，可以提升到支持xvYCC 的标准。所以依照三菱电机的经验，利用LED 雷射作为背投影光源的话，可以在不大幅度影响亮度表现的前提下，同时提升整体的色彩表现。

对于投射亮度而言，当然是愈高愈好，相信以目前LED 的发光效率来说，还有相当程度的提升空间。不过在成本压力之下，如何长久取得质量水平相当好的LED 组件，却是一件不容易的事情。

图说：改采用LED 作为光源的投影机的颜色表现能力，也是相当值得期待的。利用LED 雷射作为背投影光源的话，可以在不大幅度影响亮度表现的前提下，能够提升整体的色彩表现。（www.digitimes.com）

LED 光源考验光学机构设计的能力

如果舍弃高压水银灯泡而改采LED 雷射作为光源的话，在机构的设计上也是一大问题，因为两者的发光特性不一样，因此整体镜片以及机构都需要做相当大幅度的修改，这也是计划迈入LED 雷射光源相当大的门坎。

高压水银灯泡的发光模式是散射式的，也就是说需要利用聚光的透镜来将光线形成束集，投射在显示组件上(例如HTPS LCD、DMD 或LCOS)，此种技术已经相当成熟。但是面对LED 雷射而言，光束是从几mm 的芯片中散射出来，直径大约只有1mm 左右， 这样的话，如何取得最佳的光效率，就是1 个新的经验。

所以对于各业者来说，获得高质量LED 只是成本预算问题，但是要如何设计出高效率的取光机制，却是考验着各业者的光学设计功力。因为，虽然LED 有着相当优良的发光能力，但是外围的温度却会影响LED 最终发光效率，所以如何有效的控制散热以及Feedback 电路，反而成了重点。这样的经验显示着，如果以过去的高压水银灯泡经验作为推估法则，就会有相当程度的误差，必须再仔细考虑各方面的因素，来作为设计的依据。图说：面对LED 雷射而言，光束是从几mm 的芯片中散射出来，投射显示出来的光点直径大约只有1mm 左右，这样的话，如何取得最佳的光效率，这就是1 个新的经验。（www.force.com）

无论如何，对于前投影机或者是背投影电视来说，将投影光源由高压水银灯泡转换成为LED 雷射，已经是相当大的1 项革命。就阶段性而言，目前还是处于初期开发，未来伴随着LED 的进步，仍旧有相当大的发挥空间，事实上，以现有厂商的经验与速度，相信利用微型投影机观赏大屏幕影像观赏的愿望即将实现。

http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A2J

来源：中电网/作者：卢庆儒