光源與顯示引擎技術(shù)發(fā)展迅速　微型投影機(jī)整裝待發(fā)

文．陳乃塘

白光發(fā)光二極管(LED)被美譽(yù)為繼電燈之后的最偉大發(fā)明，它合乎環(huán)保、省電，改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)形態(tài)，造福了人類生活。白光LED除運(yùn)用在各種照明設(shè)備外，也是未來液晶電視背光的不二選擇。但是，除了上述固定式應(yīng)用外，白光LED也是微型投影機(jī)最大的幕后推手。

由于MP3、MP4播放器的市場已經(jīng)具備龐大的規(guī)模，如何來創(chuàng)造用戶的新體驗(yàn)與新應(yīng)用，便成為各家廠商在思考新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)的主要考慮。順應(yīng)此一趨勢，微型投影機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生，并迅速成為獲獎(jiǎng)不斷的新產(chǎn)品(圖1)。

資料來源：奧圖碼
圖1　奧圖碼PK101不僅榮獲美國時(shí)代雜志選為2008十大年度科技產(chǎn)品，并得到2009年CES設(shè)計(jì)暨工程創(chuàng)新獎(jiǎng)

以市場面來說，這類手掌般大小的超小型投影機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)形成一股風(fēng)潮。除了奧圖碼之外，住友3M(Sumitomo 3M)、Adtec、Explay等公司也都已經(jīng)推出類似產(chǎn)品。其中Explay所推出的產(chǎn)品，是目前世上最小的機(jī)種(圖2)，可支持的分辨率也最高，可達(dá)70吋SVGA(800×600)輸出。

資料來源：Explay
圖2　Explay所推出的微型投影機(jī)模塊

催生微型投影機(jī) LED技術(shù)居功厥偉

其實(shí)，投影機(jī)小型化的概念已經(jīng)醞釀非常久，只是在LED技術(shù)成熟前，光源的問題一直無法獲得有效解決。早在1990年代，索尼(Sony)與東芝(Toshiba)就已經(jīng)推出液晶顯示(LCD)小型投影機(jī)產(chǎn)品。只是當(dāng)時(shí)的價(jià)格、亮度與風(fēng)扇聲均不理想，也必須在暗處觀看。至于比前述小型投影機(jī)更小的微型投影機(jī)，則一直到2006年初的國際消費(fèi)性電子展(CES)上才開始出現(xiàn)，并且在2008年下半年之后才慢慢開花結(jié)果。在2006年CES期間，三星(Samsung)與東芝皆發(fā)表了利用紅綠藍(lán)(RGB)LED為光源的前投射型投影機(jī)，均采用數(shù)字微鏡顯示組件(DMD)，而且體積都很小，可用一只手掌撐起。

2006年CES也是LED光源運(yùn)用在投影機(jī)產(chǎn)品的起點(diǎn)。以LED光源來取代傳統(tǒng)的高壓水銀燈(UHP)在當(dāng)時(shí)可說是一大創(chuàng)舉。該兩家公司證實(shí)了LED光源的產(chǎn)品商用化的可行性。將LED與高壓水銀燈的重要特性做比較，LED可說是大獲全勝。在壽命方面，高壓水銀燈的壽命通常約10,000小時(shí)，LED則可達(dá)50,000～100,000小時(shí)；在瞬間亮燈方面，LED光源也占上風(fēng)；熄燈后不須等待其冷卻后再行收納，也是LED光源的優(yōu)勢。更重要的是，LED無汞(Hg)的特性合乎綠色環(huán)保理念。

相比之下，傳統(tǒng)的UHP燈起動(dòng)時(shí)須提供數(shù)千伏特的電壓，而在燈泡點(diǎn)亮?xí)r，須持續(xù)提供數(shù)百伏特的電壓供給，因此UHP燈只能使用交流電源，且溫度相當(dāng)高，須配合復(fù)雜的電源電路以及散熱機(jī)構(gòu)。此外，UHP燈的發(fā)光原理與一般日光燈管一樣，均藉由汞蒸氣的氣體放電所散發(fā)出的紫外線來使熒光體發(fā)光，因此亮燈到所定的亮度需要一點(diǎn)時(shí)間。熄燈后也需要一段冷卻時(shí)間。

使用LED光源帶來的正面衍生效應(yīng)就是可以將產(chǎn)品小型化。因?yàn)長ED光源不須用到高電壓供電線路，因此電源線路以及散熱機(jī)構(gòu)能夠大幅度簡化。且由于可直接采用R、G、B三色LED作為光源，因此利用在投影機(jī)上時(shí)，不用像以往采用高壓水銀燈時(shí)，須經(jīng)過色輪(Color Wheel)分光的過程，才能將白光分離為RGB三色光，因此可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

因此以LED為光源的投影機(jī)，只要小型化之后，就可以利用電池來驅(qū)動(dòng)。LED光源還有幾項(xiàng)容易被忽視的優(yōu)勢：第一，其色彩再現(xiàn)范圍更為寬廣。至少能夠?qū)崿F(xiàn)比NTSC規(guī)格高出120%的色彩再現(xiàn)范圍；第二，UHP燈的紫外線容易使廉價(jià)的樹脂材料產(chǎn)生劣化現(xiàn)象，而LED卻不會，因此以LED作為光源的投影機(jī)，在在外觀方面較能歷久如新。

因此，投影機(jī)之所以能夠做到如此迷你的境界，LED光源的成熟可說是第一大功臣。而在LED光源之外，另一個(gè)重要的技術(shù)突破，則在于光學(xué)引擎的小型化，如德州儀器(TI)推出的DLP Pico芯片組方案(圖3)。不過LED光源也并非毫無缺點(diǎn)。例如相比激光光源，LED的發(fā)光方向更為發(fā)散，如何讓LED光直進(jìn)到顯示組件，也即提升其光效率，考驗(yàn)著各家供貨商的技術(shù)實(shí)力。

資料來源：德州儀器
圖3　德州儀器所推出的DLP Pico芯片組。左為第一代，分辨率為480×320；右為第二代產(chǎn)品，分辨率可達(dá)854×480

歐司朗(Osram)早于2005年底就開始銷售針對投影機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的OSTAR LED模塊。并在2008年推出微型投影機(jī)專用的OSTAR Projection(圖4)，將一個(gè)紅光LED芯片、兩個(gè)綠光LED芯片、一個(gè)藍(lán)光LED芯片整合在同一封裝上。

資料來源：歐司朗
圖4　歐司朗專門針對微型投影機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的LED光源模塊

除了LED之外，半導(dǎo)體激光器也是一項(xiàng)選擇。日商佳能(Canon)于2005年Canon EXPO博覽會中就展示了利用以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)鏡片、激光光源的投影方式。

但激光光源在價(jià)格與安全上還是有些問題。激光光源必須經(jīng)過高速振幅調(diào)制后才能使用，且激光光源若直射眼睛，可能會造成傷害。因此，通常政府會制定光強(qiáng)度的容許值，如日本JIS C6802，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將這些因素納入考慮。

拆解微型投影機(jī)設(shè)計(jì)奧秘　DMD/LCoS各據(jù)優(yōu)勢

以下筆者將比較奧圖碼的PK101與住友3M的MPro110(圖5)這兩款尺寸相當(dāng)，但采用不同光學(xué)引擎的產(chǎn)品，來觀察兩者內(nèi)部硬件的構(gòu)造差異。

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資料來源：Tech-on！
圖5　PK101與Mpro110的尺寸可以說約略相當(dāng)

先對PK101進(jìn)行拆解。首先，PK101采用了3.7伏特、容量為1,100毫安的鋰離子充電電池(圖6)。

資料來源：Tech-on！
圖6　PK101采用的鋰離子充電電池

將電池與框體拆解后，映入眼簾的是簡潔的基板與光學(xué)模塊(圖7)?；迳嫌袃深w主要芯片。其一是臺灣偉銓(Weltrend)的影像處理芯片，另一則是TI的DMD驅(qū)動(dòng)芯片(圖8)。奧圖碼所推出的PK101很明顯地是采用TI的DLP Pico芯片組方案。DMD為0.17吋，480×320像素，輕易地看出該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念很清晰，就是要追求微型化。值得注意的是，奧圖碼在設(shè)計(jì)該款產(chǎn)品時(shí)，將DMD模塊實(shí)裝在另一片小基板上，與主基板利用連接器對接，相當(dāng)重視系統(tǒng)的組裝性。

資料來源：Tech-on！
圖7　PK101的光學(xué)模塊與基板

資料來源：Tech-on！
圖8　PK101的影像處理芯片以及DMD驅(qū)動(dòng)芯片

而在光源部分，DMD若直接使用白光LED，就必須使用色輪來進(jìn)行紅綠藍(lán)色光分離的工作，對于產(chǎn)品小型化較為不利。因此，奧圖碼使用RGB三色LED(圖9)，對于影像的發(fā)色也比較卓越。

資料來源：Tech-on！
圖9　PK101的RGB LED光源

在光學(xué)模塊方面，比較受到注目的地方是內(nèi)部呈現(xiàn)陣列狀的蒼蠅眼(Fly-eyes)鏡頭(圖10)。目的是為了使DMD顯示組件的入射光亮度均勻化。

圖10　PK101的光學(xué)模塊與DMD組件

住友3M的MPro110內(nèi)部構(gòu)造與PK101并沒有顯著的差異。都是由電池、光學(xué)模塊 以及主板來構(gòu)成。MPro110也是采用3.7伏特、1,050毫安的鋰離子電池。比較大的不同在于所采用顯示組件以及光源樣式。MPro110采用硅基液晶(LCoS)(圖11)，光源為白光LED，因?yàn)樵贚CoS側(cè)已經(jīng)備有彩色過濾功能。

資料來源：Tech-on！
圖11　MPro110基板(上)與白光LED光源(下)

MPro110的分辨率為VGA，勝過PK101。

MPro110為了將光學(xué)系統(tǒng)簡單小型化，舍棄了一般的玻璃材料，改以樹脂材料制作偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)組件。以樹脂材料實(shí)作的PBS除了一樣可對特定偏光成分進(jìn)行穿透/反射等原有工作外，還能在光穿透面作出各種形狀來整合更多機(jī)能，是樹脂材料的拿手本領(lǐng)。

從硬件架構(gòu)上來看，這兩款產(chǎn)品皆是很單純的投影機(jī)；制造商在側(cè)面的框體都采用金屬材料，以強(qiáng)化散熱性能，并拿掉令人厭惡的風(fēng)扇。兩者在LED的散熱上，均費(fèi)了一番功夫。表1為這兩款微型投影機(jī)的規(guī)格比較。從實(shí)用的觀點(diǎn)來說，10～20流明的亮度是有些不足的，這意味著用戶在使用時(shí)必須在某種程度的暗處，才能夠看得清晰，LED的光效率，還有待提升。這類產(chǎn)品的成功，顯示組件的小型化是個(gè)中關(guān)鍵。預(yù)期爾后光學(xué)模塊的高度會進(jìn)一步下降，以滿足系統(tǒng)制造商對尺寸日益嚴(yán)苛的要求。

　表1　住友3M與奧圖碼微型投影機(jī)的規(guī)格比較

微型投影機(jī)成功引發(fā)話題 后續(xù)發(fā)展端賴技術(shù)再突破

展望未來，光源技術(shù)與顯示體將是微型投影機(jī)持續(xù)縮小尺寸，提升效能的關(guān)鍵。就光源來說，從UHP燈走向LED發(fā)光，以及LED發(fā)光效率再提升，已經(jīng)是確立的趨勢。未來若半導(dǎo)體激光器的安全性問題解決后，由于其兼具點(diǎn)光源與高能量(高亮度)，不須復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特性，因此可實(shí)現(xiàn)更微型化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(圖12)。

資料來源：歐司朗
圖12　待安全問題解決后，半導(dǎo)體激光二極管也可能會被普遍運(yùn)用在微型投影機(jī)上。

因此，半導(dǎo)體激光也是未來微型投影機(jī)可能采用的候選方案之一。其次，從顯示體來說，微型投影機(jī)均使用像素型顯示組件，如液晶、DMD、LCoS等，因此未來MEMS組件竄起已經(jīng)成為必然趨勢。

最后，微型投影機(jī)在解決耗電問題之后，將有可能被整合到手機(jī)中。目前市面上的移動(dòng)裝置已可制作并下載高清晰相片及影片，若能內(nèi)建投影機(jī)，便幾乎可把這些內(nèi)容以高畫質(zhì)呈現(xiàn)在任何表面上。因此，只要DLP微型投影技術(shù)進(jìn)一步翻新，電池的續(xù)航力足夠，光源省電技術(shù)更為精進(jìn)，手機(jī)內(nèi)建投影功能的概念即可實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，三星于2009年推出的W7900手機(jī)(圖13)就是最佳證明，為將來微型投影機(jī)的發(fā)展，帶來更多想象空間。

圖13　結(jié)合有機(jī)EL、觸控面板、500萬像素相機(jī)與投影功能的三星W7900手機(jī)

參考數(shù)據(jù)
．http://www.time.com/time/specials/2008/top10/
．http://thanko.jp/product/mini_projector/
．http://www.castrade.co.jp/product/hm_cvmp01.php[!--empirenews.page--]
．http://www.techspot.com/news/20221-samsung-launch-ultrasmall-led-projector.html
．http://www.itmedia.co.jp/bizid/kw/mobile_projector.html
．Nikkei Electronics，no-994，12/29/2008

（編輯：于占濤）