账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
微型投影轻松呈现彩炫世界!
行动中投影分享缤纷画面!

【作者: 鍾榮峰】2009年07月07日 星期二

浏览人次:【11528】
  

不过几年前,投影技术应用在手持装置还被视为只是充满想象力的概念。如今,微型投影应用正逐渐成形于智能型手机、数字相机、笔电、行动上网装置和可携式数字录放机等领域。配合消费者对于在行动中与他人分享多媒体视讯影像的市场需求,微型投影技术也成为系统厂商提升各类手持装置附加价值的应用热点,主要微型投影芯片和光学组件厂商也莫不摩拳擦掌、积极投入相关光学引擎和成相器等组件的技术开发。



微型投影市场应用趋势


美商3M台湾子公司光学产品事业群投影系统业务暨营销经理尹国忠表示,行动装置上的微型投影应用基本上应会内建两组,其一是让消费者自己观赏使用,另外一组则是作为分享投影使用。「行动」和「分享」是微型投影的附加价值所在,消费电子和商务应用会是微型投影一开始大显身手的主要领域。微型投影产品若要进入商业量产的阶段,则必须进一步考虑扩大多样化的嵌入产品应用,降低价格成本更是相当关键。



《图一 藉由「行动」和「分享」,微型投影应用正吸引市场技术人员的目光 》

数据源:零组件科技论坛


LCoS、DMD和MOEMS投影技术三分天下


根据市调机构Pacific Media Associates预估,今年微型投影模块出货量可达85.5万组,明年可望成长至271.3万组,到2013年时出货量将达2535.5万组。其中以Laser Scanning为基础的MOEMS技术、LCoS技术和以MEMS制程为基础的数字微型投影组件(DMD)技术,将形成三分天下的局面。不过目前来看,LCoS仍占整体微型投影技术应用的70%比例,而TI主推的DMD则占30%左右,MOEMS技术应用则为0%。



降低微型投影成本是扩大市场商业化关键因素


目前微型投影产品价格约在320~410美元之间,若要普及相关商业化应用,降低成本单价是关键因素。根据Pacific Media Associates评估,到2013年相关价格可降至120美元左右;工研院IEK则预估,到2010年手机微投影技术将进入商业化阶段。目前除了TI之外,包括MicroVision、The Nippon Signal、OPUS Microsystems、Miadia、Pixtronix、Silicon Light Machines、Sony、Spatial Photonix等,均正在开发相关微型投影。华宝通讯(CompalComm)新技术开发部高级工程师王亮舒认为,微型投影机占整体便携设备的BOM成本比例,不应超过1/3~1/4,市场才会进一步接受相关功能应用。



定义微型投影技术应用领域


3M业务暨营销经理尹国忠指出,若以投影体积projector Volume(C.C.)和流明亮度(Lumens)来定义,一般投影规格应用可分为以下四大区块。除了大型办公和会议投影应用Office/Front projection之外,还包括如NB厚度的Ultra Portable/Companion(<1500c.c.和500lm/W),代表产品为Samsung的SP-P310(1386c.c.和3.1lm/W)与LG的HS102(901c.c和2.5lm/W);以及如汉堡纸盒大小的Personal/Pocket(<700c.c.和200lm/W),代表产品为Dell的M109(357c.c.和1.1lm/W)。至于所谓微型投影,便是属于Mobile/Pico/Femto(<200c.c.和30lm/W)范畴的应用区块,代表产品分别为3M推出的mPro 110(133c.c.和6 lm/W)、AIPTEK推出的V10(100c.c.和6lm/W)和奥图玛(Optoma)的PK101。




《图二 微型投影产品应用分布图 》


数据源:3M




微型投影引擎技术大要


王亮舒进一步表示,绝大部分投影系统的光源设计是以光阀系统为基础,此外还包括整个光路设计,这里以匀光系统为核心,光处理好便进入成像系统。微型光学引擎主要是将光源照明整理后投射到Panel。传统投影技术包括LCD、DMD和LCoS技术,新一代投影技术还包括Laser Scanning为基础的MOEMS技术和绕射光学组件(Diffractive Optics),目前微型投影技术是以LCoS、DMD为主。



王亮舒指出,LCD投影技术是以光偏极化回收转换机制为核心,偏光板(polarizer)是放在光路系统中,且彩色滤光片是由双色镜(Dichroic Mirror)所取代,将光分开三种颜色经过不同面板呈现投影画面。先前Sony曾运用此技术制作可携式投影机样品。但若要进一步作为微型投影技术,却会面临到LCD晶体管驱动无法缩小、因而Window Effect会被放大的技术难题。3M则采用Displaytech以LCoS技术作为基础的成相器,其出货量已超过2000万组,而MicroVision则采用Scanning Mirror为基础的Laser Scanned Color技术。尹国忠认为,LCoS技术在客制化规格、性价比和使用广度上,都有相对成熟的应用经验。



《图三 美商3M台湾子公司光学产品事业群投影系统业务暨营销经理尹国忠表示,成相器是微型投影引擎的心脏,成相器占整体微型光学投影引擎成本的40~70%左右。改变成相器的分辨率,便可客制化设计不同分辨率的微型光学投影产品》


成相器(Imager)是微型投影引擎的心脏


尹国忠进一步指出,若以LCoS成相芯片为例,其光机设计架构包含LED光源照明(Illumination)、偏极化分光镜PBS(Polarizing Beam Splitter)、成相器(Imager)、再经由投影镜头(Projection Lens)放大后投射出去。尹国忠强调,成相器Imager可说是微型投影光学引擎的心脏,成相器占整体微型光学投影引擎成本的40~70%左右。目前成相技术可分为像素数组(Pixel Array)和扫瞄反射镜(Scanning Mirror)两种,前者包括以LCoS作为代表的反射式LCD,整合LCD和CMOS封装技术;以及Tilting Mirror为基础、TI所主推的DLP数字微型投影组件(DMD)技术。尹国忠认为,选择较多厂商已投入研发的LCoS技术,亦可藉由市场机制降低成相器的BOM成本。



成相器可客制化调整分辨率


尹国忠强调,只要改变成相器的分辨率,便可客制化设计不同分辨率的微型光学投影产品,从VGA到SVG甚至是XGA,均可藉由此方式轻易地提升。相较于其他成相器显影技术,LCoS也比较容易提升微型投影的分辨率,其画素间距(pixel pitch)发展也可呈现最小。




《图四 成相器Imager技术类别示意图 》


数据源:3M




《图四 成相器Imager技术类别示意图 》


LCoS微型投影引擎技术大要


光源以白光LED为主以LCoS成相器为核心的微型投影引擎,光源以白光LED照明为主,采用一般面板显影过程,投影系统设计较为简易。采用CMOS半导体结合LCD制程的LCoS成相器,画素可更微型化,也因为电路就在半导体层,并没有在光路系统中,所以不会产生投影画面彩虹效应(rainbow effect)。且由于LCoS是以反射式LCD技术为基础,肉眼不会可视如同LCD屏幕的纱网(screen door)现象,同时也不会有班点(speckle)影像问题。



不过LCoS微型投影引擎还要适应各家LED厂商不同LED颗粒在亮度和光波长的设计差异,这会影响微型投影的质量。


偏极化方式整理光源



尹国忠指出,在LED光源照明部分,如何将120度光源发散完整收敛起来投取至偏极化分光镜PBS,并有效降低光损失问题,对于提升光使用效能非常重要。3M采用高亮度光学收集器(collection optic with high optical power)来解决此一课题。光进入成相器Imager时,以LCD技术为基础的LCoS,需要光以偏极化方式(polarized light)呈现,因此在光源照明阶段还需经过一次处理,使光源既可偏极化又可recycling,藉由不断地recycling方式再利用程序以降低光损失。


王亮舒表示,PBS作用是让需要的极化光射入、不需要的极化光反射出去,所需的极化光穿透PBS后打入微型面板,面板便将极化光转向PBS反射出去。



当光进入偏极化分光镜PBS时也会产生光受损情形,而传统的PBS采用玻璃为材料,形体以立方体为主,不具备视野透镜(field lens)设计,尺寸也会较大,重量也较重。尹国忠说明表示,3M的多层光学膜(Multi-layer Optical Film;MOF)PBS棱镜技术,可藉由偏极光学膜涵盖光射入的大范围角度和光波长特性,提升系统的对比度。此外,3M采用压克力塑料材质革新PBS棱镜,其射出成型容易大规模量产,亦能减轻重量;非球面的塑料棱镜可直接将固定结构与PBS整合在一起。不过尹国忠也指出,塑料材质采用高热回温,分子键(polymers)错乱所产生的结晶区和非结晶区,其密度不一会提高光的双折射现象(birefringence),如何保持较低的双折射性、而不减少整个系统的对比度,是其主要技术挑战。3M采用的是低双折射材料、并藉由制程降低注塑过程中的内应力来解决。



(表一) 主要微型投影技术特点示意表 <数据源:华宝通讯,2008年4月;整理:钟荣峯>





































































 

Laser Scan

DLP

LCoS

光源

RGB Laser

RGB LED

RGB或白光LED

分辨率


(相同面板尺寸)

非常高

中等

中等

极化光(polarization)

极化光(polarization)

不要

对比度


中等(色序法)

低(彩色滤光)

非常高

对比度


中等(色序法)

光学引擎利用光源效能(相同面板尺寸)

N/A

中等


面板功耗

开模费用


面板功耗

(~0.1W)

有(样品)

RGB

LVDS

Sequential RGB/RGB

价格

N/A

中等

价格

N/A

Optoma PK101

3M Mpro 110




彩色滤光片和三原色LED色序法色彩处理


目前LCoS投影引擎的色彩处理主要分成两种:分别是彩色滤光片(Color Filter)和RGB三原色LED色序法(Color Sequential),前者较多为业界所采纳,后者也逐渐为厂商所应用。前者为传统上的做法,利用三色环对白光进行过滤,好处是设计单纯。不过由于LCoS采用彩色滤光片,将三分之一的光线滤掉,光使用效率较不佳,在彩色滤光片的镀模上就会比较薄,藉由牺牲色彩饱和度来提升亮度,这中间的平衡拿捏会深刻影响LCoS微型投影的画面质量。另外直接利用RGB三原色LED作为光源和色序法的色彩处理,利用时间特性来混光,可同时提升光利用率和色彩表现,还需克服LED特性变异以及如何调整趋近于真正的白色、亦即白平衡校准技术难题。



王亮舒认为,长远来看,采用色序法的LCoS微型光机设计,将会是主流的微型投影技术,因为其可兼顾利用光源效能和投影色彩饱和度。



DMD微型投影引擎技术应用大要


无须偏极化光


采用MEMS制程、使用RGB三原色LED光源的DLP芯片技术,是以TI主推的数字微型投影组件(DMD)技术为基础。藉由每片镜子±12度的转动来呈现每一画素的数字显影方式,产生肉眼辨识模拟投射的光源效果,镜子旋转速度则为microsecond等级。由于DLP采用镜子反射原理,只要有光就可经由镜面转动反射投影,因此没有偏极化光需求,光使用效率也比LCD投影来得高。



DMD单芯片和三芯片方案


彩色DLP投影芯片包含单芯片和三芯片两种解决方案,单芯片DLP利用色轮(color wheel)旋转,把RGB三原色藉由时序循环方式呈现彩色影像。但如果时序循环速度不够快,便会产生所谓彩虹效应(rainbow effect)。至于三芯片DLP则是把光藉由复杂的彩色滤光棱镜系统(color filtering prism),把三原色呈现在三个DLP上,可支持剧院和大型会议等级的微型投影应用。



《图五 采用单芯片的DLP微型投影架构示意图》


《图六 采用三芯片的DLP微型投影架构示意图 》

数据源:www.dlp.com


彩色滤光效能不足 光使用效率打折扣


不过王亮舒指出,色轮滤光同一时间点只能利用1/3的光源,其他2/3原色就被彩色滤光吸收,因此DLP技术虽减少偏极化光的需求,但彩色滤光效能不足,光使用效率则大打折扣,投影影像的分辨率也受到影响。不过DLP微型投影装置具备高偏置(high-offset)优势,装置水平摆放的投影画面则是由下往上,但是也因此投影镜头尺寸的微型化会受到局限。



DLP技术应用逐渐成形


今年台北国际计算机展(Computex Taipei 2009)上,TI展示下半年将推出的新款DLP微型投影芯片,以薄型手机及轻巧便携设备为主要应用。TI行动通讯及运算事业部总经理Seshu Madhavapeddy展示内建TI DLP Pico投影技术的Samsung i7410,采用TI 0.17吋DLP Pico微型引擎,可投射出比传统手机屏幕还大的影像,并可依照周围环境光线的变化,投射出5~50吋的影像,甚可超过50吋。投影亮度最高为10流明,一般亮度为7~8流明,可投影30分钟,投影距离为80~200公分,可选择文件、相簿、故事、电视或手电筒等作为投影应用。



《图七 TI行动通讯及运算事业部总经理Seshu Madhavapeddy展示DLP Pico技术》


TI也宣示此新款投影技术能让影像显示尺寸缩小到葡萄干大小,而无需压缩影像质量。以往微型芯片支持HVGA分辨率,新款DLP微型芯片可将投影质量提升至WVGA(854×480)规格的原始DVD分辨率,并能减少20%以上的光学模块厚度和体积。



另外奥图码(Optoma)也利用0.19吋DLP微型投影引擎开发微型投影装置,分辨率为320×480,采用3颗RGB原色LED,取代传统DLP色轮滤光的问题,并可加速原色转换速度,降低彩虹效应。



《图八 采用TI 0.17吋DLP Pico微型引擎的Samsung手机在今年台北国际计算机展(Computex Taipei 2009)中展出 》


Laser Scanning技术大要


王亮舒进一步表示,原应用于条形码机的Laser Scanning微型投影技术,一种采用双轴旋转镜面,另外一种则采用两片单轴式。双轴旋转镜面是藉由XY轴镜面扫瞄速度快慢的不同,用镜面调整雷射光打出的位置,以此过程接取影像并投影于屏幕。此种技术可将微型投影引擎尺寸更加微型化,透过提升镜面鉴别能力而无须增加面板尺寸和引擎体积,便可有效提高投影分辨率。



王亮舒特别指出,雷射光源应用在LCD或是LCoS微型投影装置中,可控制光源为单一极化光,若微型投影应用极化光作为光源,微型投影光学引擎利用雷射光源的使用效率便非常高,且微型投影引擎将雷射光进行光束整型(beam shaping)的光学效率也非常高。



雷射光本身光学效率不高


不过尹国忠和王亮舒均强调,Laser Scanned Color虽具备可应用在微型投影引擎的良好光源特性,不过雷射光本身光学效率很低,且投影出来的影像会产生网格效应和班点(speckle)问题,肉眼观看相对会产生不适感,欲解决此问题会提高成本且相当耗电。



《图九 华宝通讯(CompalComm)新技术开发部高级工程师王亮舒认为,微型投影机占整体便携设备的BOM成本比例,不应超过1/3~1/4,市场才会进一步接受相关功能应用。长远来看,采用色序法的LCoS微型光机设计,将会是主流的微型投影技术》


雷射光安全性规范有待商榷


另一方面,镜面坏损会导致反射雷射光的安全性降低,影响人体肉眼,也是需注意之处。蓝光和绿光雷射光源不易取得也是亟待解决的问题。华宝通讯(CompalComm)新技术开发部高级工程师李政育表示,雷射作为投影光源的安全性规范尚未确定,其雷射光源属性究竟是否属于class 2仍旧未定之天,绿光在半导体领域的应用也没多久,这些都是要克服的问题。



绕射投影技术


绕射投影技术也是利用三原色雷射光,将绕射光以时序连续方式投射在LCoS面板上,雷射藉由绕射条纹可显示正确的影像。虽然光学组件较为简化,无须被动组件,且具备随时聚焦的投影优点,不过绕射条纹需要经过庞大的运算过程,系统资源负担较重。



微型投影电源效能规格要求


微型投影光机设计为因应手持装置应用的需求,除了在亮度、分辨率等performance和轻薄短小的尺寸设计外,有效利用便携设备有限的电源更非常重要,因此电源效能(Efficiency)是微型投影光机设计嵌入在各类行动装置的技术能力重点,这代表每瓦电源供应所能提供的流明亮度以及电源功耗等。



尹国忠详细说明指出,在电源效能部分,其定义应是在每单位系统瓦数所呈现的投射流明亮度为何,一般而言微型投影装置电源功耗较高的内部组件包括LED、成相器、驱动组件等,其中LED耗电量最高。若以电源功耗3W来分析,LED便占1.7~2W、驱动组件占0.3W,而成相器占0.1W左右,足够的流明亮度需在10~20 lm之间。预估到2010年,微型投影模块整体电源功耗可降至2W,2012年可进一步降至1.5W。尹国忠认为,LCoS较能降低功耗,面板功耗大约在0.1W左右。



提升LED散热背板功能也是电源效能设计重点。LED亮度效能增加,微型投影引擎的亮度也随之增加,LED价格每十年将会下降10倍。加上LED照明产业正蓬勃发展,对于采用LED作为光源照明的微型光学投影引擎来说可谓相辅相成。



(表二) 不同系统之微型投影功能规格需求示意表 <数据源:3M;整理:钟荣峯>













































 

投影机

NB微型投影

数字录放机


微型投影

手机微型投影

引擎尺寸(cm3)

<10

<10

<10

<10

<5

>10

15~20

10~20

10~20

10~20

效能(lm/W)

~5

~8

~8

~8

<10

<10

~8

~8

分辨率

SVGA

SVGA

VGA

VGA




~8


微型投影装置机构设计要点



华宝通讯(CompalComm)新技术开发部高级工程师李政育表示,微型投影机内建应用在便携设备,需经过各种使用环境和应用测试,在微型投影机构设计上,包括投影传输接口、电源管理、以及整机组合后,都是必须关注的重点,微型投影机嵌入于各类便携设备时,也需要针对不同系统环境使用客制化的投影传输接口和电源管理设计。


尺寸要求



尹国忠则指出,微型投影机本身、或是微型投影模块应用在NB、数字录放机还是手机上的技术规格要求均不相同。在尺寸上,微型投影引擎需搭配ASIC芯片整体来看,整合至便携设备一般而言大小约在5~10㎝3,厚度介于7~9mm之间。由于投影镜头有一定尺寸限制,因此微型投影模块设计也不能太「微影」,否则投影效果会受到影响。


几种投影传输接口各安其位


李政育指出,若从微型投影装置投影传输接口来看,其可分为数据传输接口和控制接口,前者包含RGB、LVDS和Sequential RGB三种,控制接口则以I2C和SPI为主。RGB投影接口即最常用于行动微型投影装置,一般藉由PCLK、HSYNC、VSYNC或是DESYNC等来区隔、重组所传输的投影数据,来支持全彩、高彩或65000色画质的面板投影。此外还包括常见于PC或NB端、以成对传输方式相减降低EMI干扰的LVDS接口。Sequential RGB传输接口是由特定几家以色序法为基础的面板厂商所自定义的规格,将RGB三原色依序存进frame buffer中,再分色出各种RGB frame,传输给三种面板、或是一种面板在不同时序接续接收。



李政育说明表示,若以应用在随身投影机和NB或Netbook的微型投影装置来看,采用DLP技术以LVDS接口为主,LCoS则以RGB或是Sequential RGB接口为主,Laser Scanning则是以RGB接口为主。至于应用在手机的微型投影装置,在投影时手机面板画面应同时显示,因此双重面板设计是其重点。手机投影的传输接口则多以SPI和Host Interface为主,最近MDDI(Mobile Display Digital Interface)接口也开始被使用。



降低EMI干扰


李政育强调指出,在微型投影装置整机组合后,最常遇见的便是EMI干扰问题。上述这些属于高速串行传输的微型投影数据传输接口,当被EMI干扰时,面板所呈现的投影影像会明显呈现条纹状,有碍投影画质。设计上可采取将Data trace安排走底层、或者让Data trace与电路区隔开来、抑或藉由过滤方式去除不必要噪声,过滤方式包括RC、Bead、EMI Filter等。



机构散热设计


此外,微型投影机构的散热设计也是重点,以往风扇电源功耗高,应用在PC或NB的散热片设计体积也较大,采用纯散热片方式不仅能降低噪音,同时也能缩小散热片占据PC或NB的体积空间。整机机构设计的固定架构、耐摔防震测试、和镜面防护也很重要。



《图十一 微型投影质量要不断提升,相关装置就要兼顾各种光学、电源和机构设计,微型投影引擎、模块整合系统设计环环相扣,图为技术人员试用微型投影手持装置一隅 》

数据源:零组件科技论坛


《图十一 微型投影质量要不断提升,相关装置就要兼顾各种光学、电源和机构设计,微型投影引擎、模块整合系统设计环环相扣,图为技术人员试用微型投影手持装置一隅 》


「行动」和「分享」是微型投影的附加价值所在,目前来看LCoS技术仍占整体微型投影技术应用之首,TI主推的DMD则次之,Laser Scanning则有待加强。降低微型投影成本是扩大市场商业化关键因素,提升并兼顾微型投影亮度、分辨率、对比度、光学引擎利用光源效能以及电源效能等,是各类投影技术的设计重点,在微型投影机构设计中降低EMI干扰和散热设计,善用投影传输接口特性,是强化微型投影机构嵌入在各类行动装置应用功能的主要项目。未来微型投影技术应用能否遍地开花,且让我们拭目以待!



相关文章
高整合型USB PD解决方案席卷Type-C市场
落实智慧化愿景
全新WEBENCH电源设计工具提升使用便利性
车头灯新兴技术
CTIMES「智慧制造电子元件技术论坛」会後报导
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
OMAP 4处理器
原厂/品牌:TI
供应商:TI
產品類別:CPU/MPU
MOSFET驱动器
原厂/品牌:TI
供应商:TI
產品類別:Power
Lattice ECP3 Video Protocol Board
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:FPGA
  相关新闻
» 淘汰传统高耗能灯泡 加油站正加速更新LED照明
» 联发科8K智慧电视晶片问世 将以AI打造电视产业新典范
» 绿色建筑关键在於环保建材 欧美持续开发认证标准
» 半导体产业中国处於追赶者地位 2030预期可达世界水准
» 毫米波长期频谱落谁家? 28GHz测试正如火如荼进行
  相关产品
» 大联大推出德州仪器AWR1642的77G毫米波雷达盲点侦测方案
» TI新型功率开关稳压器 延长物联网应用的电池寿命
» TI 新款 C2000 微控制器 强化连接与控制性能
» TI 推出新款电流感测放大器及比较器 缩减尺寸、强化性能
» TI BAW 技术助网路同步器的输出时钟实现超低抖动

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw