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微型投影技术掀起便携式产品新革命

导读: 最近几年来,手机与电视结合的趋势下,已经使得行动电视变成流行趋势,因此在市场对于手机多功能不断的要求下,目前各手机大厂已经规划在手机中加入投影的功能,让行动电话创造出更多元化的应用。

    最近几年来,手机与电视结合的趋势下,已经使得行动电视变成流行趋势,因此在市场对于手机多功能不断的要求下,目前各手机大厂已经规划在手机中加入投影的功能,让行动电话创造出更多元化的应用。

 

    实现可携式投影技术的关键-LED光源与雷射光源

 

    目前手机大厂对手机投影功能具有高度兴趣的原因,主要是由于信息系统的精简化、整合化的发展趋势。整合了投影功能的行动电话,将能够提供使用者大画面的影片观赏,获得视觉影像的享受,同时还能用于商务简报等用途,大幅拓展了行动电话的应用范围。

 

    会出现这样变革的另一原因是,现有投影机产品已届临市场饱合度的问题,每年市场销售成长率相当有限;但是反观行动电话应用,愈来愈多的多媒体功能,如MP3 音乐播放、数字相机、数字摄影机…等,逐渐都已被整合至行动电话之中;但行动电话有限的体积,大大限制了显示器尺寸的空间,因此,如何让行动电话的多媒体影像播放可以突破体积的限制,就是促成行动电话销售量再次跃升的关键之一。

 

    再加上目前行动电话市场已达到10 亿支的规模,对于行动电话厂商、投影机厂商而言,如此庞大的市场商机,显然就是放在眼前的肥肉,焉有视而不见的道理。

 

    相关业者积极开发投影功能行动电话

 

    目前市场上具有投影功能的行动电话数量极少,且价格大约在20 万日圆左右,只能算是还在测试市场水温的高价奢侈品。因此,低于10 万日圆、甚至低于1 万日圆的低价投影行动电话,才是业者所期待的目标,因此,相关组件厂商已经计划将微型投影机构的单价设定在数万日圆,甚至于未来计划跨越1 万日圆以下的低价门坎。

 

    在微型投影机关键组件的部分,包括Djin Display 、Micro Precision 、Microvision 、德州仪器(TI)、Upstream Engineering 等业者,早已着手进行微型反射镜片微机电(MEMS)的开发,各有研发成果发表出来;而微型投影机构部份,Nokia 、摩托罗拉、三星、Canon 等业者,也已经相继开发出厚度只有数毫米,尺寸只有数公分的行动电话用微型投影机构。

 

    另一方面,在光源的部分,也有相关的开发业者陆续开发出利用LED 或者是雷射二极管来取代传统的光源,提高行动电话投影亮度,让投影的质量更能够满足影像质量的最基本要求。图说:目前包括Nokia 、摩托罗拉、三星、Canon 等等的业者,已经相继开发出厚度只有数毫米,尺寸只有数公分行动电话用微型投影机构,积极抢占即将出现的市场.

 


    微型光机关键零件陆续获得突破

 


    在2007 年的各项展览之中,全球的相关业者已经陆续展示其微型投影光机的研发成果,例如2007 年1 月在拉斯韦加斯举办的「2007 International CES 」中,Microvision 展示了其开发的微型投影机,以及相关的技术。Microvision 所展示的微形投影机,使用了半导体雷射,可以将光源控制在40×25×8mm 范围内,并且达到800×480 画素WVGA 的影像分辨率显示能力。

 

    Microvision 认为,2007 年微型投影手机的主要诉求目标,是以内建微型投影功能、单价在20 万日圆的可携式电子设备,用来取代单价10 万日圆的传统PC,作为未来数据的处理中心和显示中心,而目标则是将其微型投影机构导入到行动电话、PDA 以及数字相机等各种的可携式产品之中。

 

    Microvision 的技术开发策略是,采用2 轴MEMS 扫描仪、雷射光源的嵌入式超小型投影机,目前Microvision 与2 家相关技术业者进行合作,以在2008 年能够实现投产为目标,来计划出开发蓝图。至于价格方面,Microvision 希望能够在投影机构内建于手机后,手机的总体价格维持在400~500 美元。

 

    事实上,关于超小型投影技术的应用,不仅仅是手机而已,Microvision 还计划将微型投影技术推及到如iPod 等可携式播放器,或者是PSP 等可携式游戏机的周边产品中,达到透过简单的接口连接后,就能以较大的画面来欣赏iPod Movie 或PSP 的影像。

 

    光源的部分,Microvision 采用了Novalux 所生产的半导体雷射光源NECSEL,光通量约为10~15lm 。整体技术上的主要特点是体积小、耗电低、成本低以及色域广。由于采用了雷射光源,即使将影像投射到弯曲的物体上,也可让整个画面都显示焦点出准确的影像。图说:Microvision 的开发观念是,采用2 轴MEMS 扫描仪和雷射光源的嵌入式超小型投影机,以在2008 年能够实现投产为目标来规划开发蓝图。


    DLP 几已成为微型投影机技术主流


    在投影关键组件的部分,拥有相当多技术专利与经验的德州仪器,也在展览会中展出内建于手机上的微型投影机。虽说是将投影机构内建于手机之中,但是该微型投影机构也可以独立存在,亦即开发成可携式微型投影机。

 

    因此,对于需要经常进行简报的商务消费者来说,就不再需要携带笔记型计算机、投影机等等的设备,即可进行简报。因为,未来只需要携带内建有DLP 微型投影功能的手机、或者是手持式智能装置(如PDA、Smart Phone 、PDA Phone) 搭配微型投影机,就可以顺利完成简报工作了。

 

    虽然德州仪器本身并不开发相关的投影机产品,但是对于DLP 技术的推广应用,则是不遗余力的与各方业者合作。例如在2006 年所发表的1 款可携式微投影机,目前已与三菱、三星、东芝等业者合作,开发提供相关必要的技术与零组件。

 

    这款内建于手机上的微型投影技术,结构含有3 个部分,一是作为光源的半导体雷射、用于显示图形影像的DLP 芯片,以及电源管理电路,机构整体的长度只有1.5 寸,而其显示画质能力的部分,已能够让手机投射出DVD 质量的影片,因此手机也将可因此化身为视讯播放机或电视来使用。

 

    德国的Fraunhofer 学院近期便采用德州仪器的DLP 方案作为显示核心,开发出更新的微型投影技术。这项投影技术所开发出来的投影模块尺寸,只有16mm×9mm×9mm, 可以整合应用在手机、PDA 或笔记型计算机之中,并且能够提供高分辨率显示能力。

 

    可惜的是,在光源的部分,Fraunhofer 仅使用红光和蓝光雷射二极管,所以无法达到全彩画面的显示,没有加入绿光雷射二极管创造全彩画面的原因是,在一定显示投射功率的要求下,目前绿光雷射二极管的外形还难以做到相当小,暂时无法整合在此一微型投影机构中。


    受惠关键组件效能提升 终端产品陆续现身市场


    在关键零件业者陆续开发出相关的技术与组件之后,终端产品的开发业者也纷纷嗅觉出市场的潜力与商机,接连投入具有投影功能的手机产品研发。

 

    2007 年7 月,Light Blue Optics 展示了1 款火柴盒大小的彩色投影机,其中关键的技术是,Light Blue Optics 利用了电子控制液晶空间光调变器,来对红光、绿光和蓝光的光束进行调变。虽然距离产品商用化还有一段时间,但是,就该实验样品的显示质量和尺寸来说,已经相当接近使用者所需的微型条件。

 

    行动电话大厂摩托罗拉已经宣布与Microvision 的合作策略,在未来推出的新款手机中,将会搭配Microvision 微投影模块,提供手机使用者将所拍摄的图片、视讯,或者是存入手机中的视讯档案等内容,透过内建的投影功能,将影片或影像投影放大,成为可播放大画面的可携式多媒体电影播放机。

 

    目前摩托罗拉所开发的投影功能手机,在分辨率方面只能够达到854×480 ,与目前主流的XGA(1024×768), 或者是SVGA(800×600) 还有一些的差距,但是,这毕竟是前导期的产品, 相信在经过投影机构改善之后,其投影解析能力将会大大的提升。

 

    Canon 在早几年也发表过微形投影机构技术,Canon 是利用Novalux 三原色半导体雷射,来让微形投影机构显示出SVGA 质量的影像,并且实现NTSC 比114% 的色再现性。

 

    虽然在数据处理与储存能力并不强,但如果是针对使用手机来进行商务简报的应用来说,已经是相当足够。根据Canon 的规划,这款微形投影机构技术,如果未来配合量产效应与低成本化结果,相信可以压低到5,000 日圆左右的成本,得以大量内建在高阶行动电话之中。

 

    图说:摩托罗拉与Microvision 合作, 在未来新款的手机中,将会搭配Microvision 微投影模块。透过内建的投影功能,可将影片或影像放大投影出来,成为实现可播放大画面的可携式多媒体显示器。

 

    LED 效能获得强化 成为光源最佳候选组件


    最近这几年LED 的发光效率与输出亮度都大幅提高,但即便如此, LED 还是无法与发光效率60lm/W 、全光束1 万流明的传统光源抗衡。这意味着采用LED 作为微投影机主力光源时,必需考虑包含光学引擎在内的整体光线利用效率。

 

    目前全球业者已经陆续发表可投射出小尺寸画面的可携式微投影机,或者是提供投影功能的手机,虽然大多的微投影机画面亮度,都低于100ANSI 流明,因此只能被局限阴暗环境使用,不过相关业者均认为,微投影机具备相当深厚的发展潜力和技术突破的空间。

 

    如上所述,低光束LED 光源,必需利用光控制技术提高光的利用率,例如传统的照明灯具,大多将反射镜设于焦点,尽量集中光线照射方向,但由于光源出射的光线并未受到精准控制,只是设法让朝前方出射的光线变多而已,这种方式结构非常简易,不过光的控制效率很差。

 

    因此传统的LED 照明灯具为提高光的控制性,通常采用的方法就是增加反射镜或是集光镜片的面积,稍微提高光线的控制性。另外1 种LED 光源的控制方式,是在光源前方设置准直收敛镜片,它的光控制性比前者优秀。

 

    反射型LED 结构上与传统前方包覆树脂作光控制的炮弹型LED 截然不同,它与芯片型LED 在高散热电路基板设置发光组件、周围再围绕反射罩的结构也不相同。基本上反射型LED 的反射镜与发光组件呈对向设置,发光组件产生的光线利用反射面接收,受到控制的光线再出射到LED 外部,此时只有透明树脂的穿透率、反射面的反射率和导线阴影,会造成微弱的光损失,理论上发光组件产生的光线,接近90% 左右的控制光可以取出到外部。

 

    图说:LED 还是无法与发光效率60lm/W 、全光束1 万流明的传统灯泡光源抗衡,因此微型投影机使用LED 作为投影光源时,包括光学引擎在内的整体光线利用效率,将是投影质量好坏的关键.

 

    由于发光组件与反射面构成的相对性光学系统,此种构造可以使LED 的形状变小,相较之下,传统结构封装的LED 外形,几乎已经变成一般设计标准,因此传统LED 提高光利用效率时,通常都需要加大外部形状。

 

    为获得高亮度光源光束,发光组件的大小反而成为主要问题,主要原因是想要提高光量,最快的方法就是增加电流;然而必需要加大LED 芯片,才能承担大电流的输入。但从光学系统角度而言,发光组件越小,光的利用效率反而愈高,两者出现相互矛盾的关系,尤其是投影机用发光组件除了要求小型之外,同时还要求高散热性的封装技巧,技术难度不低。

 

    高输出、优秀光控制性的LED 新结构,是使散热路径单纯化,同时加大搭载发光组件Lead 的断面积,藉此维持必要的散热性。

 

    虽然反射型LED 的发光组件,同样设置在透明环氧树脂的表面附近,不过环氧树脂本身也是隔热材料,因此对放射面的有散热相当程度的帮助。


    复杂困难的微光学系统设计


    微型LED 投影机的光学系统是由LED 芯片与集光镜片构成,接着再透过Condenser 镜片与Light tunnel, 获得高均整性光束,系统整体的大小则需控制在400 立方公厘左右,输出光量大约是60lm 左右。

 

    LED 光学系统中,发光组件与光学镜片,或是反射镜的大小,对配光控制性具有决定性影响,根据实验结果显示,使用相同集光镜片或是反射镜时,单纯加大发光组件,配光角会变大,轴照度的差异则完全消失,因此针对投影机要求的平行光成份,必需采用小发光组件构成投影机光学系统的方式获得。

 

    使用反射型单色LED 基本结构时,基于提高光利用效率等考虑,一般都是使用4 个1W 等级的反射型LED 构成的模块,如此便可以获得LED 正下方20mm ,半值角度±70 的配光特性,外部形状以LED 光束收敛在17mm 正方范围内。

 

    在照度的部分,800mA 点灯时红光照度为330klx, 绿光照度为650klx, 蓝光照度为470klx; 有关直流点灯时的基本特性,由于实际使用条件会变成脉冲点灯,因此1/3Duty 的矩形波脉冲点灯时,通电电流可以视为积分电流值,不过该电流值会随着周围温度环境改变,因此矩形波点灯时,最好等发光波长稳定后才使用。

 

    此外,对于模块均整度的改善,开发者比较倾向采用棱镜、导管、液晶提高效率,并在前面放置Cell hook lens 、聚光镜片、PS 偏光片等等。

 

    实现利用小型电池作为手持式投影机电源这是很重要的一点,对于手持式产品来说,舍弃AC 电源而改用小型电池供电,是1 项必备的条件。过去,投影机使用高压水银灯泡的环境下,瞬间启动电压高达数十KV, 这是利用小型电池供电的情况下不可能达成的目标。

 

    除了高压电力的问题外,由于水银灯泡的高启动电压,以及高电流消耗,灯泡会产生大量的废热,需要高效率的主动散热系统协助散热,这也会影响到手持投影机的电池续航力问题。

 

    一般投影机机构内部温度往往高达摄氏8、900 度,同时,也必须使用相当复杂的变压电路,如果期望利用小型电池作为投影机电源,这些问题都是无法被克服的。所以,在未改变光源组件的情况下,采用小型电池是不可能的事情。

 

    但是,如果是改采LED 雷射作为光源的话,这些问题便可迎刃而解,不复存在,不但只需要小型电池就足以负担系统所需的电力之外,并且不需要散热系统的情况下,自然不会有扰人的散热系统噪音问题,且因为少了庞大的散热机构,当然体积也会大幅度的缩小。


    颜色表现能力虽改善 但亮度仍需提升


    对于需要背光的液晶显示器来说,光源对于颜色的表现占了相当大的影响程度,从愈来愈多业者尝试改采LED 光源作为液晶电视背光模块就可以了解,因为使用LED 背光源,可以使LCD 色域的表现能力大幅提升。因此,改采用LED 雷射作为光源的微型投影机,其颜色表现能力也是相当值得期待。

 

    三菱电机采用LED 雷射作为微型投影机光源的理由是:第1,因为是使用单色系的光源,所以在色广度上面有相当不错的表现;第2,由于雷射光的光线直径可以控制的相当细微,因此,在透镜的尺寸上,也可以相对的缩小,如此更有助于光机引擎的小型化。

 

    不过,使用LED 雷射的微型投影机在实际投射的表现上并非相当完美,包括整体显示的照度和辉度,仍需相当程度的提升。根据资料,目前使用高压水银灯泡的一般投影机输出亮度,约在为1,500~3,000lm 之间, 但是,现阶段LED 投影光源仅能提供约10~20lm 的亮度输出, 而目前所发表的LED 投影机整体投射亮度几乎都不超过20lm 。

 

    不过LED 雷射光源的亮度是否足够用于投影机之上,主要的关键还是得视应用目的而定。举例来说,像是家庭剧院、会议室简报、大型研讨会等等,每种应用的环境均不相同。手持式微投影机的功能设计,是不是适合拿传统高压水银灯泡投影机作为比较基准,显然意义并不大,因为手持式微投影机的用途,主要是设定在空间不大的小型会议室中、提供2~3 人简报观看之用,那么或许这样的亮度就足足有余了。(曾聪)


 

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