微型投影機商品化　LCOS挑戰DMD主流地位

反射鏡掃描式技術主要以雷射作為光源，如以半導體雷射(Semiconductor Lasers)為例，其具有高強度、高量子轉換效率及高色彩飽和度等特性；顯示原理與早期陰極射線管採用柵式掃描(Raster Scanning)的方式類似。目前此一架構的主要挑戰在於其雷射光源的價格仍偏高，其中尤以綠光雷射為最。  

此外，由於使用雷射作為光源，其高強度、高指向性的優點也帶來產品使用的安全性問題。目前部分國家對此類產品的規範仍有些問題待解。另在於投影畫質上，由於雷射光高同調性的特性，觀察者在投影畫面上常可發現到有光斑(Speckle)現象，亦有顯示品質降低的問題，因此此類產品仍以原型機(Prototype)為主，尚未商品化。  

功耗/解析度為DMD挑戰  

數位光源處理技術基本上與反射鏡掃描式技術式的投影機原理相同，但反射鏡元件組在雷射反射鏡掃描式技術上為單面鏡，而數位光源處理技術則會是反射鏡陣列(Lens Array)的組合，簡單的說，也就是數位微鏡裝置(Digital Mircomirror Device, DMD)上的每一個微型反射鏡會對映到到投影畫面上的每一個畫素。  

早期採用白光燈源的數位光源處理技術投影機，為了彩色顯示需求，須要使用色輪(Color Wheel)以分離色光。現由於發光二極體(LED)具有快速切換(Fast Switching)的特性，使用三色LED作為光源便不再需要色輪以產生色光。但在微型投影的應用上，為了保持其可攜性，投影機之驅動電力多來自如手機電池一樣具有低電壓、電池容量有限特性的電源。而為了驅動DMD上每一面微型鏡，可以想見在功耗上會是一個相當大的挑戰。  

另外，畫質表現常使用的一項參考是解析度的高低。以實體畫素HVGA(480×320)為例，則約十五萬畫素。換言之，一具有HVGA解析度之DMD，須有約十五萬面可移動之小反射鏡座落於DMD之鏡面有效區上。現今市面上之微型投影引擎多小於或等於15立方公分。DMD有效區可能更只有約小指甲面積大小，因此在解析上的提升亦為一大挑戰。  

LCOS低功耗優勢搶眼  

現在一般大眾對於LCD並都不陌生，其已是一項成熟的產品與技術。而矽基型液晶顯示器(Liquid Crystal On Silicon, LCOS)基本上亦是一種LCD裝置，故其產品技術良率與運作原理基本上差不多。與上述之DLP裝置相同，LCOS基本上亦是畫素陣列(Pixel Array)的組成，亦即在LCOS上每一個液晶胞(LC Cell)對映一個畫面畫素。由於液晶層會順應電場強度而有不同定向(Orientation)關係，驅動機制上和DLP採以相對較強之靜電力運作有所不同，故在驅動耗能上是相當經濟的。  

在微型可攜式產品上對於耗能的要求可說是錙銖必較，非常注重光通量/消耗能量(Lumen/Watt)之效率性能，畢竟少一些耗能，代表具有更長的使用時間，對主打不插電、到處帶著走的產品而言，是重要考量。LCOS投影機可採用如前述之三色LED光源，因此同樣具備小體積，高亮度、高色彩飽合度的特性。  

PBS為LCOS投影性能關鍵  

LCOS顯示器運作與光之偏振性有極大關係，通常須搭配使用偏振分光器(Polarizing Beam Splitter, PBS)。其原理乃利用了布魯斯特角(Brewster's Angle)、入射光之偏振態與反射、透射性質相關的特性。膜層結構上乃採用堆疊多層無機層以加強光之干涉效應。目前已知之產品可達到在某些入射角度上之S偏振反射率為99.7%，P偏振光為約95%左右的性能。  

上述參數均會影響光通量、對比及均齊度等光學性能表現。圖1左顯示一LCOS光學引擎中光之行進路徑示意圖。其中標記、、代表光之行進順序。光由LED光源組出射後，經PBS後反射成為光入射LCOS，而經LCOS之相位調變(Phase Modulation)後會改變原偏振狀態，之後再反射成為光進入投影鏡頭組。特別注意的是光在標記、、的偏振態都不同，利用此機制才得以控制每個LC Cell的不同光穿透程度，原則上穿透光可以是全過(白畫面)、部分過(中間灰階)或全被擋下(黑畫面)。

圖1　光於LCOS引擎中行進路徑圖及不同偏振光穿過光學元件之不同穿透率

圖1右以1號線表示光之入射與穿透，2號線表偏振態，3號線表光學元件上一既定穿透軸之方向。可發現藉控制入射光之偏振態與穿透軸夾角關係，就有不同的穿透率。圖1c中入射光之偏振方向雖不完全與穿透軸平行，但等效上仍可得到平行穿透軸之分量，因此仍有部分光可通過。這是因為大部分狀況可利用向量疊加法則處理這類問題。  

但PBS的缺點在於反射之S偏振和穿透之P偏振對於角度與波長的相依性十分敏感。而LCOS光路設計上一般入射角度就不是正向入射，是以結合上述之特性，代表在某些角度範圍會發現穿透率偏低及不同波長(如紅、綠或藍)的光其穿透率強度不一的問題。另一項值得注意的則是在某平面(如某固定角度之入射平面之偏極性均齊性與角度的相依性。  

一般而言，對LCOS的操作上，會希望光之偏振分布是線性均齊的，最理想的狀況是垂直之線偏振分布。而參考圖2a所示PBS的偏振關係圖，明顯可發現其分布中含有不少橢偏振及與傾斜(非垂直)的線偏振。對照上圖1右即可了解，橢偏振及傾斜的線偏振會造成部分光仍可穿透，即表示發生了漏光的狀況，故其暗態均齊性不佳。某些狀況下會加添四分之一相位延遲片(Quarter Wave Retarder)加以改進。但是此舉不僅增加了系統整體複雜性，且在貼合對位上是項挑戰，且若精準度不佳，則可能造成對比下降，而且這種作法本質上並無法解決某些狀況下P偏振光穿透率偏低和S偏振光的漏光狀況。即使在一正向入射光之S偏振反射率達到99.7%的狀況下，對比最大值亦僅約330：1，改進對比的一個方式是在系統中再加入前級或後級的偏振純化(Clean Up)偏光板。但採用此方式的代價是光通量變得更低了，即使性能十分好的吸收型偏光板，仍會降低約15%的光通量。

圖2　MacNeille PBS與新型反射式偏光膜PBS知橢偏振分布圖比較

以上僅討論在光進入PBS的情況，在整個光學系統中，光絕非僅通過PBS一個光學元件，可想而知，其相關的光學性能表現會變化的更劇烈，但現在有了新型反射式偏光膜PBS的另一選擇。  

此型的PBS設計方向與傳統PBS大異其趣(圖2)。基本上這是由數百層具雙折射性(Birefringent)之聚合物構成的。這些聚合物複合結構的折射率(Refractive Indices)被特別設計在某方向上會形成特性匹配，而其他方向則否。在方向匹配的狀況下，這些數百層的聚合物結構對光而言就像是一各向均勻而透明的塑料薄膜，而不匹配之方向其則會有宛如一高反射之四分之一波層。而因為聚合物之故，材料天生即具有偏振軸角特性，就如同一相位延遲片或偏光板一樣。圖2b表在一F/1.0、光之入射角在±30度的系統下的橢偏振關係圖。可明顯發現，圖2b中橢偏振與傾斜之線偏振狀況均較圖2a大幅減少，其代表在暗態均齊度及對比上均可望獲得大幅改善。可見其優點在於高穿透率及對於入射角度、波長不再那麼敏感，而能得到寬廣的光波及角度可利用區。  

色序法有效提升微型投影機效能  

如上述，無論是DLP或是LCOS趨勢上都使用了LED做為光源，而成色機制則是使用了色序或說場序(Field Sequential)原理。  

對一使用白光光源的系統，原則上色光的生成，使用的方式主要就是色輪或彩色濾光片(Color Filter)，藉由光透過色塊來產生色光，通常由於色塊是吸收式的，故可以想見有相當比例的光其實是被吸收，無法真正成為可用的光。但是多色LED的出現改進了這個缺點，舉例而言，當需要紅色時，僅須點亮紅光LED即可(此時綠光、藍光LED是不作動的)；而色輪或CF則須點亮白光後由取其穿透色塊所得之色光來用。以筆者所見在市面上採用彩色濾光片之LCOS微型投影機與採其他技術之投影機在尺寸、亮度、功耗上的性能表現相較上均不錯。而採用了色序法後，性能則可再上一層樓。  

微型投影的產品在2008年初試啼聲，市場上的反應良好，也扭轉了對投影機的刻板印象，另外，由於其迷你可攜的特性，商務會議可能發生的地點與時間的限制變小了，投影不再局限在公司、團體的場合才會使用。而現今手機幾乎均內建照相功能，因此微型投影更可隨意記錄生活的點滴。相信隨著技術、產品的不斷進化更新，隨時隨地投影的分享體驗，在不久的將來也有機會和手機相機一樣被廣泛使用。  

(本文作者任職於3M)