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

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

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

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

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

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

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

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。

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）