微型投影机的技术与发展趋势分析

2015-01-15 admin1

       近年来,随着多媒体手机、行动电视、数位相机与摄影机、电子游戏机、行动式多媒体播放器等行动式电子产品的普及,培养消费者在行动装置上观看多媒体资料的习惯与摄录影,也刺激消费者对于多媒体资料的需求。然而,为携带方便,目前终端产品的萤幕尺寸对于消费者而言还是太小,无法长时间透过荧幕观看多媒体资料,因此,催生微型投影机的商机及需求。

  目前微型雷射投影已被市场研究机构视为下一世代的杀手级应用产品,且其整合的光机电技术,被公认为最有商业价值的新技术开发领域,将对包括手机在内的消费性行动电子产品生态产生重大变化,所以手机一旦内建微型雷射投影机,即可取代传统笨重的投影机,对于生活的便利、商业的需求将会有极大的帮助。 

  雷射光较LED具备更多优势 

  表1为微型投影机相关的技术的整理比较。技术原理其实都很类似,皆是由光源出发,经过模组端诸如微型扫描反射镜(MEM)、硅基液晶(LCoS)、液晶显示器(LCD)或数位微镜装置(DMD)的处理(前者为新技术、后三者为现有技术),再经过光学系统投影到荧幕上,呈现出色彩丰富的平面影像。以上的分类归纳到最顶层源头,大致可由光源部分分为二大类--发光二极管LED与雷射Laser。

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表1 微型投影机相关技术比较表


  微型LED投影机成本高、良率低,就DMD来说,需要百万组微振镜,一个镜子只能显示一个画素,设计愈多才能显示更多的画素,造成制程难度与成本增加。且每一款LED投影机光机设计复杂,需要复杂的光学系统进行聚焦,造成体积大、耐摔性差,而不易置入行动电子产品中。微型雷射投影机只需要一片微型扫描镜,即可扫描出很多画素,而且设计的扫描镜,若具更高频与更大角度,就可具备高阶显像的成本优势。再者,其扫描方式的最大好处是没有镜头与对焦问题,投影机任意摆设皆可,雷射光投影出去,在任何的平面上就形成影像,不须如LED投影机还要旋转镜头调整焦距,所以光机架构非常简单,目前微型化于行动电子产品的可能性最高,而且,扫描镜是经由微机电制程批次量制造,可大幅降低成本。 

  另外,在色彩表现与效能消耗方面,雷射光因具有高指向性同调光,在空气中传播时不易被干涉,所以能将光传递至远处,其发光频谱亦较LED窄。雷射的发光频谱半高宽(FWHM)不到1纳米(nm),而LED半高宽却高达50纳米,所以在色彩的表现上,雷射光色纯度较佳,比LED锐利饱满。又雷射的电光转换效率高,与同样的发光波长比较,雷射会将输入的电几乎全部转换成光;LED会将输入的电转换成发光频谱较宽的光,而且还须要靠光学系统收集漫散的光源,LED的光电转换效率明显较差。因此,与LED总体比较起来,雷射作为投影机的光源会比LED有较佳的效率与省电性,且产生的热也比较少,随着红绿蓝(RGB)光三原色到齐,全球将掀起雷射显示的热潮,在未来光电产业中,半导体雷射将具有举足轻重的地位。 

  雷射光源于微型投影架构中扮演重要角色 

  微型雷射光机引擎各个元件设计与摆置如图1所示,主要由RGB雷射源、分光镜(Dichroic)、扫描镜(Scanning Mirror)、基座(Base)四部分组合而成。微型雷射光机引擎运作时,由于分光镜所镀之镀膜层对红光不起反射作用,因此红光会直接穿透两片分光镜;绿光会于到达前一片分光镜时呈90度角反射,而于另一片时呈现穿透状况;蓝光会在到达分光镜时,呈90度角反射,最后,三原色光源呈现溷光状态,到达扫描镜片时,再呈90度角反射而投影到显示屏幕。当扫描镜片开始作动时,会有±10o~±15o的扫描角度(依各家厂商之规格而有所不同),此时,在屏幕上就会由混光的投射点扫描变成二维的混光投射面,达到全彩投影的效果。以下分别介绍微型雷射光机引擎各组成元件。

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图1 微型雷射投影的光机引擎架构图

  

 

  雷射源

  半导体雷射具有体积小、电光转换效率高、低消耗功率、寿命长及易控制其光输出功率,且调制频率可达10GHz以上等特性,使半导体雷射应用在微型投影机中将不可或缺。其中,各种雷射光中,红光波长为638奈米、绿光波长为532奈米、蓝光波长则为445奈米。

  分光镜

  提供雷射源穿透或反射,使三色源能溷光。其中使用的两片分光镜,一片的规格为反射波长485~545奈米、穿透波长570~825奈米,目的是使绿光反射,红光穿透;另一片的规格为反射波长327~488奈米、穿透波长515~850奈米,目的是使蓝光反射,而红光、绿光穿透,最后能达到三色原溷光效果。绿光反射镜与蓝光反射镜的穿透率与波长关係如下图2、3所示,图中的分光镜为Semrock标准规格产品。

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图2 绿光反射镜穿透率与波长关系

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图3 蓝光反射镜穿透率与波长关系

  扫描镜片

  扫描镜片因具有大扫描角、高操作频率、结构简单优势,在光机引擎中扮演重要角色,即为将投影点扫描成二维投影面。主要由一个提供水平方向高频扫描的镜面,其扭转轴固定于一个提供垂直方向低频扫描的框架,将雷射光源投射于镜面上,此两个不同轴向且正交的扭转轴,即可扫描出一个二维的画面,借由扭转轴、镜面与框架的设计即可达成高频扫描需求。

  基座

  基座主要的功能除承载雷射源、扫描镜、分光镜三项元件外,最重要的作用是散热。在如此微小的光机体积中,热若无法有效散除,则必对雷射源的效率产生重大影响,亦即温控对雷射源非常重要。在运作时,须为一接近常温的定值,且考量光机引擎是装置于密闭空间中,由于无法产生对流,因此鳍片将失去散热效果,所以去除鳍片的设计,改由与之接触的大底壳面积散热,而且,以人手的触感能接受的温度为原则,上限为40℃。


  晶圆级微型雷射投影机为未来趋势

  因应市场小型化、薄型化与低成本的需求,而衍生出来的核心技术为半导体绿光雷射与晶圆级光学封装两大类。微型光机引擎为雷射投影模组的核心组件,其规格重要性直接影响微投影模组的体积、品质(投影亮度与尺寸)与组装成本等,组装不良时将产生杂散光而影响投射画面,但太过精密的组装则又将导致成本的增加,而为因应未来内建于行动电子装置的需求,微型化光机体积是最首要的规格要求。 

  由RGB微型雷射光源、微型扫描镜等各零件组合成微型光机引擎,再整合微机电系统(MEMS)微型光学平台(Optical Bench)、微型准直镜片、微型块状分光镜的可携式微型雷射投影模组,将是未来行动电子装置的重要卖点。  (本文作者任职于台湾工研院南分院微系统科技中心)