光源/顯示引擎技術趨成熟　微型投影機躍躍欲試

資料來源：奧圖碼 圖1　奧圖碼PK101不僅榮獲美國時代雜誌選為2008十大年度科技產品，並得到2009年CES設計暨工程創新獎

以市場面來說，這類手掌般大小的超小型投影機產品已經形成一股風潮。除了奧圖碼之外，住友3M(Sumitomo 3M)、Adtec、Explay等公司也都已經推出類似產品。其中Explay所推出的產品，是目前世上最小的機種(圖2)，可支援的解析度也最高，可達70吋SVGA(800×600)輸出。

資料來源：Explay 圖2　Explay所推出的微型投影機模組

催生微型投影機 LED技術居功厥偉  

其實，投影機小型化的概念已經醞釀非常久，只是在LED技術成熟前，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)就已經推出液晶顯示(LCD)小型投影機產品。只是當時的價格、亮度與風扇聲均不理想，也必須在暗處觀看。至於比前述小型投影機更小的微型投影機，則一直到2006年初的國際消費性電子展(CES)上才開始出現，並且在2008年下半年之後才慢慢開花結果。在2006年CES期間，三星(Samsung)與東芝皆發表了利用紅綠藍(RGB)LED為光源的前投射型投影機，均採用數位微鏡顯示元件(DMD)，而且體積都很小，可用一隻手掌撐起。  

2006年CES也是LED光源運用在投影機產品的起點。以LED光源來取代傳統的高壓水銀燈(UHP)在當時可說是一大創舉。該兩家公司證實了LED光源的產品商用化的可行性。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，LED則可達50,000～100,000小時；在瞬間亮燈方面，LED光源也占上風；熄燈後不須等待其冷卻後再行收納，也是LED光源的優勢。更重要的是，LED無汞(Hg)的特性合乎綠色環保理念。  

相較之下，傳統的UHP燈起動時須提供數千伏特的電壓，而在燈泡點亮時，須持續提供數百伏特的電壓供給，因此UHP燈只能使用交流電源，且溫度相當高，須配合複雜的電源電路以及散熱機構。此外，UHP燈的發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出的紫外線來使螢光體發光，因此亮燈到所定的亮度需要一點時間。熄燈後也需要一段冷卻時間。  

使用LED光源帶來的正面衍生效應就是可以將產品小型化。因為LED光源不須用到高電壓供電線路，因此電源線路以及散熱機構能夠大幅度簡化。且由於可直接採用R、G、B三色LED作為光源，因此利用在投影機上時，不用像以往採用高壓水銀燈時，須經過色輪(Color Wheel)分光的過程，才能將白光分離為RGB三色光，因此可進一步實現系統的小型化。  

因此以LED為光源的投影機，只要小型化之後，就可以利用電池來驅動。LED光源還有幾項容易被忽視的優勢：第一，其色彩再現範圍更為寬廣。至少能夠實現比NTSC規格高出120%的色彩再現範圍；第二，UHP燈的紫外線容易使廉價的樹脂材料產生劣化現象，而LED卻不會，因此以LED作為光源的投影機，在在外觀方面較能歷久如新。  

因此，投影機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，另一個重要的技術突破，則在於光學引擎的小型化，如德州儀器(TI)推出的DLP Pico晶片組方案(圖3)。不過LED光源也並非毫無缺點。例如相較於雷射光源，LED的發光方向更為發散，如何讓LED光直進到顯示元件，亦即提升其光效率，即是各家供應商的技術力。

資料來源：德州儀器 圖3　德州儀器所推出的DLP Pico晶片組。左為第一代，解析度為480×320；右為第二代產品，解析度可達854×480

歐司朗(Osram)早於2005年底就開始銷售針對投影機應用設計的OSTAR LED模組。並在2008年推出微型投影機專用的OSTAR Projection(圖4)，將一個紅光LED晶片、兩個綠光LED晶片、一個藍光LED晶片整合在同一封裝上。

資料來源：歐斯朗 圖4　歐斯朗專門針對微型投影機應用設計的LED光源模組

除了LED之外，半導體雷射光源也是一項選擇。日商佳能(Canon)於2005年Canon EXPO博覽會中就展示了利用以微機電系統(MEMS)鏡片、雷射光源的投影方式。  

但雷射光源在價格與安全上還是有些問題。雷射光源必須經過高速振幅調變後才能使用，且雷射光源若直射眼睛，可能會造成傷害。因此，通常政府會制定光強度的容許值，如日本JIS C6802，系統設計者必須將這些因素納入考量。  

拆解微型投影機設計奧秘　DMD/LCoS各據優勢  

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，但採用不同光學引擎的產品，來觀察兩者內部硬體的構造差異。

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

先對PK101進行拆解。首先，PK101採用了3.7伏特、容量為1,100毫安培的鋰離子充電電池(圖6)。

資料來源：Tech-on！ 圖6　PK101採用的鋰離子充電電池

將電池與框體拆解後，映入眼簾的是簡潔的基板與光學模組(圖7)。基板上有兩顆主要晶片。其一是台灣偉銓(Weltrend)的影像處理晶片，另一則是TI的DMD驅動晶片(圖8)。奧圖碼所推出的PK101很明顯地是採用TI的DLP Pico晶片組方案。DMD為0.17吋，480×320畫素，輕易地看出該產品的設計理念很清晰，就是要追求微型化。值得注意的是，奧圖碼在設計該款產品時，將DMD模組實裝在另一片小基板上，與主基板利用連接器對接，相當重視系統的組裝性。

資料來源：Tech-on！ 圖7　PK101的光學模組與基板

資料來源：Tech-on！ 圖8　PK101的影像處理晶片以及DMD驅動晶片

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

資料來源：Tech-on！ 圖9　PK101的RGB LED光源

在光學模組方面，比較受到注目的地方是內部呈現陣列狀的蒼蠅眼(Fly-eyes)鏡頭(圖10)。目的是為了使DMD顯示元件的入射光亮度均勻化。

圖10　PK101的光學模組與DMD元件

住友3M的MPro110內部構造與PK101並沒有顯著的差異。都是由電池、光學模組 以及主板來構成。MPro110也是採用3.7伏特、1,050毫安培的鋰離子電池。比較大的不同在於所採用顯示元件以及光源樣式。MPro110採用矽基液晶(LCoS)(圖11)，光源為白光LED，因為在LCoS側已經備有彩色過濾功能。

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

MPro110的解析度為VGA，勝過PK101。  

MPro110為了將光學系統簡單小型化，捨棄了一般的玻璃材料，改以樹脂材料製作偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)元件。以樹脂材料實作的PBS除了一樣可對特定偏光成分進行穿透/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能，是樹脂材料的拿手本領。  

從硬體架構上來看，這兩款產品皆是很單純的投影機；製造商在側面的框體都採用金屬材料，以強化散熱性能，並拿掉令人厭惡的風扇。兩者在LED的散熱上，均費了一番功夫。表1為這兩款微型投影機的規格比較。從實用的觀點來說，10～20流明的亮度是有些不足的，這意味著使用者在使用時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。這類產品的成功，顯示元件的小型化是箇中關鍵。預期爾後光學模組的高度會進一步下降，以滿足系統製造商對尺寸日益嚴苛的要求。

微型投影機成功引發話題 後續發展端賴技術再突破  

展望未來，光源技術與顯示體將是微型投影機持續縮小尺寸，提升效能的關鍵。就光源來說，從UHP燈走向LED發光，以及LED發光效率再提升，已經是確立的趨勢。未來若半導體雷射的安全性問題解決後，由於其兼具點光源與高能量(高亮度)，不須複雜光學系統設計的特性，因此可實現更微型化的系統設計(圖12)。

資料來源：歐司朗 圖12　待安全問題解決後，半導體雷射二極體也可能會被普遍運用在微型投影機上。

因此，半導體雷射也是未來微型投影機可能採用的候選方案之一。其次，從顯示體來說，微型投影機均使用畫素型顯示元件，如液晶、DMD、LCoS等，因此未來MEMS元件竄起已經成為必然趨勢。  

最後，微型投影機在解決耗電問題之後，將有可能被整合到手機中。目前市面上的行動裝置已可製作並下載高畫質相片及影片，若能內建投影機，便幾乎可把這些內容以高畫質呈現在任何表面上。因此，只要DLP微型投影技術進一步翻新，電池的續航力足夠，光源省電技術更為精進，手機內建投影功能的概念即可實現。事實上，三星於2009年推出的W7900手機(圖13)就是最佳證明，為將來微型投影機的發展，帶來更多想像空間。

圖13　結合有機EL、觸控面板、500萬畫素相機與投影功能的三星W7900手機