微型投影機的技術(shù)與發(fā)展趨勢分析

       近年來，隨著多媒體手機、行動電視、數(shù)位相機與攝影機、電子游戲機、行動式多媒體播放器等行動式電子產(chǎn)品的普及，培養(yǎng)消費者在行動裝置上觀看多媒體資料的習(xí)慣與攝錄影，也刺激消費者對于多媒體資料的需求。然而，為攜帶方便，目前終端產(chǎn)品的螢?zāi)怀叽鐚τ谙M者而言還是太小，無法長時間透過熒幕觀看多媒體資料，因此，催生微型投影機的商機及需求。

　　目前微型雷射投影已被市場研究機構(gòu)視為下一世代的殺手級應(yīng)用產(chǎn)品，且其整合的光機電技術(shù)，被公認為最有商業(yè)價值的新技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，將對包括手機在內(nèi)的消費性行動電子產(chǎn)品生態(tài)產(chǎn)生重大變化，所以手機一旦內(nèi)建微型雷射投影機，即可取代傳統(tǒng)笨重的投影機，對于生活的便利、商業(yè)的需求將會有極大的幫助。 

　　雷射光較LED具備更多優(yōu)勢 

　　表1為微型投影機相關(guān)的技術(shù)的整理比較。技術(shù)原理其實都很類似，皆是由光源出發(fā)，經(jīng)過模組端諸如微型掃描反射鏡(MEM)、硅基液晶(LCoS)、液晶顯示器(LCD)或數(shù)位微鏡裝置(DMD)的處理(前者為新技術(shù)、后三者為現(xiàn)有技術(shù))，再經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)投影到熒幕上，呈現(xiàn)出色彩豐富的平面影像。以上的分類歸納到最頂層源頭，大致可由光源部分分為二大類--發(fā)光二極管LED與雷射Laser。

表1　微型投影機相關(guān)技術(shù)比較表

　　微型LED投影機成本高、良率低，就DMD來說，需要百萬組微振鏡，一個鏡子只能顯示一個畫素，設(shè)計愈多才能顯示更多的畫素，造成制程難度與成本增加。且每一款LED投影機光機設(shè)計復(fù)雜，需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)進行聚焦，造成體積大、耐摔性差，而不易置入行動電子產(chǎn)品中。微型雷射投影機只需要一片微型掃描鏡，即可掃描出很多畫素，而且設(shè)計的掃描鏡，若具更高頻與更大角度，就可具備高階顯像的成本優(yōu)勢。再者，其掃描方式的最大好處是沒有鏡頭與對焦問題，投影機任意擺設(shè)皆可，雷射光投影出去，在任何的平面上就形成影像，不須如LED投影機還要旋轉(zhuǎn)鏡頭調(diào)整焦距，所以光機架構(gòu)非常簡單，目前微型化于行動電子產(chǎn)品的可能性最高，而且，掃描鏡是經(jīng)由微機電制程批次量制造，可大幅降低成本。 

　　另外，在色彩表現(xiàn)與效能消耗方面，雷射光因具有高指向性同調(diào)光，在空氣中傳播時不易被干涉，所以能將光傳遞至遠處，其發(fā)光頻譜亦較LED窄。雷射的發(fā)光頻譜半高寬(FWHM)不到1納米(nm)，而LED半高寬卻高達50納米，所以在色彩的表現(xiàn)上，雷射光色純度較佳，比LED銳利飽滿。又雷射的電光轉(zhuǎn)換效率高，與同樣的發(fā)光波長比較，雷射會將輸入的電幾乎全部轉(zhuǎn)換成光；LED會將輸入的電轉(zhuǎn)換成發(fā)光頻譜較寬的光，而且還須要靠光學(xué)系統(tǒng)收集漫散的光源，LED的光電轉(zhuǎn)換效率明顯較差。因此，與LED總體比較起來，雷射作為投影機的光源會比LED有較佳的效率與省電性，且產(chǎn)生的熱也比較少，隨著紅綠藍(RGB)光三原色到齊，全球?qū)⑾破鹄咨滹@示的熱潮，在未來光電產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體雷射將具有舉足輕重的地位。 

　　雷射光源于微型投影架構(gòu)中扮演重要角色 

　　微型雷射光機引擎各個元件設(shè)計與擺置如圖1所示，主要由RGB雷射源、分光鏡(Dichroic)、掃描鏡(Scanning Mirror)、基座(Base)四部分組合而成。微型雷射光機引擎運作時，由于分光鏡所鍍之鍍膜層對紅光不起反射作用，因此紅光會直接穿透兩片分光鏡；綠光會于到達前一片分光鏡時呈90度角反射，而于另一片時呈現(xiàn)穿透狀況；藍光會在到達分光鏡時，呈90度角反射，最后，三原色光源呈現(xiàn)溷光狀態(tài)，到達掃描鏡片時，再呈90度角反射而投影到顯示屏幕。當掃描鏡片開始作動時，會有±10o～±15o的掃描角度(依各家廠商之規(guī)格而有所不同)，此時，在屏幕上就會由混光的投射點掃描變成二維的混光投射面，達到全彩投影的效果。以下分別介紹微型雷射光機引擎各組成元件。

圖1　微型雷射投影的光機引擎架構(gòu)圖

　　雷射源

　　半導(dǎo)體雷射具有體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、低消耗功率、壽命長及易控制其光輸出功率，且調(diào)制頻率可達10GHz以上等特性，使半導(dǎo)體雷射應(yīng)用在微型投影機中將不可或缺。其中，各種雷射光中，紅光波長為638奈米、綠光波長為532奈米、藍光波長則為445奈米。

　　分光鏡

　　提供雷射源穿透或反射，使三色源能溷光。其中使用的兩片分光鏡，一片的規(guī)格為反射波長485～545奈米、穿透波長570～825奈米，目的是使綠光反射，紅光穿透；另一片的規(guī)格為反射波長327～488奈米、穿透波長515～850奈米，目的是使藍光反射，而紅光、綠光穿透，最后能達到三色原溷光效果。綠光反射鏡與藍光反射鏡的穿透率與波長關(guān)係如下圖2、3所示，圖中的分光鏡為Semrock標準規(guī)格產(chǎn)品。

圖2　綠光反射鏡穿透率與波長關(guān)系

圖3　藍光反射鏡穿透率與波長關(guān)系

　　掃描鏡片

　　掃描鏡片因具有大掃描角、高操作頻率、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)勢，在光機引擎中扮演重要角色，即為將投影點掃描成二維投影面。主要由一個提供水平方向高頻掃描的鏡面，其扭轉(zhuǎn)軸固定于一個提供垂直方向低頻掃描的框架，將雷射光源投射于鏡面上，此兩個不同軸向且正交的扭轉(zhuǎn)軸，即可掃描出一個二維的畫面，借由扭轉(zhuǎn)軸、鏡面與框架的設(shè)計即可達成高頻掃描需求。

　　基座

　　基座主要的功能除承載雷射源、掃描鏡、分光鏡三項元件外，最重要的作用是散熱。在如此微小的光機體積中，熱若無法有效散除，則必對雷射源的效率產(chǎn)生重大影響，亦即溫控對雷射源非常重要。在運作時，須為一接近常溫的定值，且考量光機引擎是裝置于密閉空間中，由于無法產(chǎn)生對流，因此鰭片將失去散熱效果，所以去除鰭片的設(shè)計，改由與之接觸的大底殼面積散熱，而且，以人手的觸感能接受的溫度為原則，上限為40℃。

　　晶圓級微型雷射投影機為未來趨勢

　　因應(yīng)市場小型化、薄型化與低成本的需求，而衍生出來的核心技術(shù)為半導(dǎo)體綠光雷射與晶圓級光學(xué)封裝兩大類。微型光機引擎為雷射投影模組的核心組件，其規(guī)格重要性直接影響微投影模組的體積、品質(zhì)(投影亮度與尺寸)與組裝成本等，組裝不良時將產(chǎn)生雜散光而影響投射畫面，但太過精密的組裝則又將導(dǎo)致成本的增加，而為因應(yīng)未來內(nèi)建于行動電子裝置的需求，微型化光機體積是最首要的規(guī)格要求。 

　　由RGB微型雷射光源、微型掃描鏡等各零件組合成微型光機引擎，再整合微機電系統(tǒng)(MEMS)微型光學(xué)平臺(Optical Bench)、微型準直鏡片、微型塊狀分光鏡的可攜式微型雷射投影模組，將是未來行動電子裝置的重要賣點。 　(本文作者任職于臺灣工研院南分院微系統(tǒng)科技中心)