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光源与显示引擎技术发展迅速 微型投影机整装待发

导读: 白光LED除运用在各种照明设备外,也是未来液晶电视背光的不二选择。但是,除了上述固定式应用外,白光LED也是微型投影机最大的幕后推手。

文.陈乃塘 
 

  白光发光二极管(LED)被美誉为继电灯之后的最伟大发明,它合乎环保、省电,改变了产品设计形态,造福了人类生活。白光LED除运用在各种照明设备外,也是未来液晶电视背光的不二选择。但是,除了上述固定式应用外,白光LED也是微型投影机最大的幕后推手。 
 
  由于MP3、MP4播放器的市场已经具备庞大的规模,如何来创造用户的新体验与新应用,便成为各家厂商在思考新产品开发时的主要考虑。顺应此一趋势,微型投影机也就应运而生,并迅速成为获奖不断的新产品(图1)。

 奥图码PK101不仅荣获美国时代杂志选为2008十大年度科技产品,并得到2009年CES设计暨工程创新奖
资料来源:奥图码
图1 奥图码PK101不仅荣获美国时代杂志选为2008十大年度科技产品,并得到2009年CES设计暨工程创新奖

  以市场面来说,这类手掌般大小的超小型投影机产品已经形成一股风潮。除了奥图码之外,住友3M(Sumitomo 3M)、Adtec、Explay等公司也都已经推出类似产品。其中Explay所推出的产品,是目前世上最小的机种(图2),可支持的分辨率也最高,可达70吋SVGA(800×600)输出。


 
资料来源:Explay
图2 Explay所推出的微型投影机模块

  催生微型投影机 LED技术居功厥伟 

  其实,投影机小型化的概念已经酝酿非常久,只是在LED技术成熟前,光源的问题一直无法获得有效解决。早在1990年代,索尼(Sony)与东芝(Toshiba)就已经推出液晶显示(LCD)小型投影机产品。只是当时的价格、亮度与风扇声均不理想,也必须在暗处观看。至于比前述小型投影机更小的微型投影机,则一直到2006年初的国际消费性电子展(CES)上才开始出现,并且在2008年下半年之后才慢慢开花结果。在2006年CES期间,三星(Samsung)与东芝皆发表了利用红绿蓝(RGB)LED为光源的前投射型投影机,均采用数字微镜显示组件(DMD),而且体积都很小,可用一只手掌撑起。 

  2006年CES也是LED光源运用在投影机产品的起点。以LED光源来取代传统的高压水银灯(UHP)在当时可说是一大创举。该两家公司证实了LED光源的产品商用化的可行性。将LED与高压水银灯的重要特性做比较,LED可说是大获全胜。在寿命方面,高压水银灯的寿命通常约10,000小时,LED则可达50,000~100,000小时;在瞬间亮灯方面,LED光源也占上风;熄灯后不须等待其冷却后再行收纳,也是LED光源的优势。更重要的是,LED无汞(Hg)的特性合乎绿色环保理念。 

  相比之下,传统的UHP灯起动时须提供数千伏特的电压,而在灯泡点亮时,须持续提供数百伏特的电压供给,因此UHP灯只能使用交流电源,且温度相当高,须配合复杂的电源电路以及散热机构。此外,UHP灯的发光原理与一般日光灯管一样,均藉由汞蒸气的气体放电所散发出的紫外线来使荧光体发光,因此亮灯到所定的亮度需要一点时间。熄灯后也需要一段冷却时间。 

  使用LED光源带来的正面衍生效应就是可以将产品小型化。因为LED光源不须用到高电压供电线路,因此电源线路以及散热机构能够大幅度简化。且由于可直接采用R、G、B三色LED作为光源,因此利用在投影机上时,不用像以往采用高压水银灯时,须经过色轮(Color Wheel)分光的过程,才能将白光分离为RGB三色光,因此可进一步实现系统的小型化。 

  因此以LED为光源的投影机,只要小型化之后,就可以利用电池来驱动。LED光源还有几项容易被忽视的优势:第一,其色彩再现范围更为宽广。至少能够实现比NTSC规格高出120%的色彩再现范围;第二,UHP灯的紫外线容易使廉价的树脂材料产生劣化现象,而LED却不会,因此以LED作为光源的投影机,在在外观方面较能历久如新。 

  因此,投影机之所以能够做到如此迷你的境界,LED光源的成熟可说是第一大功臣。而在LED光源之外,另一个重要的技术突破,则在于光学引擎的小型化,如德州仪器(TI)推出的DLP Pico芯片组方案(图3)。不过LED光源也并非毫无缺点。例如相比激光光源,LED的发光方向更为发散,如何让LED光直进到显示组件,也即提升其光效率,考验着各家供货商的技术实力。


 
资料来源:德州仪器
图3 德州仪器所推出的DLP Pico芯片组。左为第一代,分辨率为480×320;右为第二代产品,分辨率可达854×480

  欧司朗(Osram)早于2005年底就开始销售针对投影机应用设计的OSTAR LED模块。并在2008年推出微型投影机专用的OSTAR Projection(图4),将一个红光LED芯片、两个绿光LED芯片、一个蓝光LED芯片整合在同一封装上。


 欧司朗专门针对微型投影机应用设计的LED光源模块
资料来源:欧司朗
图4 欧司朗专门针对微型投影机应用设计的LED光源模块

  除了LED之外,半导体激光器也是一项选择。日商佳能(Canon)于2005年Canon EXPO博览会中就展示了利用以微机电系统(MEMS)镜片、激光光源的投影方式。 

  但激光光源在价格与安全上还是有些问题。激光光源必须经过高速振幅调制后才能使用,且激光光源若直射眼睛,可能会造成伤害。因此,通常政府会制定光强度的容许值,如日本JIS C6802,系统设计者必须将这些因素纳入考虑。 

  拆解微型投影机设计奥秘 DMD/LCoS各据优势 

  以下笔者将比较奥图码的PK101与住友3M的MPro110(图5)这两款尺寸相当,但采用不同光学引擎的产品,来观察两者内部硬件的构造差异。

PK101与Mpro110的尺寸可以说约略相当
 
资料来源:Tech-on!
图5 PK101与Mpro110的尺寸可以说约略相当

  先对PK101进行拆解。首先,PK101采用了3.7伏特、容量为1,100毫安的锂离子充电电池(图6)。


 PK101采用的锂离子充电电池
资料来源:Tech-on!
图6 PK101采用的锂离子充电电池

  将电池与框体拆解后,映入眼帘的是简洁的基板与光学模块(图7)。基板上有两颗主要芯片。其一是台湾伟铨(Weltrend)的影像处理芯片,另一则是TI的DMD驱动芯片(图8)。奥图码所推出的PK101很明显地是采用TI的DLP Pico芯片组方案。DMD为0.17吋,480×320像素,轻易地看出该产品的设计理念很清晰,就是要追求微型化。值得注意的是,奥图码在设计该款产品时,将DMD模块实装在另一片小基板上,与主基板利用连接器对接,相当重视系统的组装性。


 PK101的光学模块与基板
资料来源:Tech-on!
图7 PK101的光学模块与基板


 PK101的影像处理芯片以及DMD驱动芯片
资料来源:Tech-on!
图8 PK101的影像处理芯片以及DMD驱动芯片

  而在光源部分,DMD若直接使用白光LED,就必须使用色轮来进行红绿蓝色光分离的工作,对于产品小型化较为不利。因此,奥图码使用RGB三色LED(图9),对于影像的发色也比较卓越。


 
资料来源:Tech-on!
图9 PK101的RGB LED光源

  在光学模块方面,比较受到注目的地方是内部呈现阵列状的苍蝇眼(Fly-eyes)镜头(图10)。目的是为了使DMD显示组件的入射光亮度均匀化。


 
图10 PK101的光学模块与DMD组件

  住友3M的MPro110内部构造与PK101并没有显著的差异。都是由电池、光学模块 以及主板来构成。MPro110也是采用3.7伏特、1,050毫安的锂离子电池。比较大的不同在于所采用显示组件以及光源样式。MPro110采用硅基液晶(LCoS)(图11),光源为白光LED,因为在LCoS侧已经备有彩色过滤功能。

MPro110基板(上)与白光LED光源(下)
 
资料来源:Tech-on!
图11 MPro110基板(上)与白光LED光源(下)

  MPro110的分辨率为VGA,胜过PK101。 

  MPro110为了将光学系统简单小型化,舍弃了一般的玻璃材料,改以树脂材料制作偏极化分光镜(Polarizing Beam Splitter, PBS)组件。以树脂材料实作的PBS除了一样可对特定偏光成分进行穿透/反射等原有工作外,还能在光穿透面作出各种形状来整合更多机能,是树脂材料的拿手本领。 

  从硬件架构上来看,这两款产品皆是很单纯的投影机;制造商在侧面的框体都采用金属材料,以强化散热性能,并拿掉令人厌恶的风扇。两者在LED的散热上,均费了一番功夫。表1为这两款微型投影机的规格比较。从实用的观点来说,10~20流明的亮度是有些不足的,这意味着用户在使用时必须在某种程度的暗处,才能够看得清晰,LED的光效率,还有待提升。这类产品的成功,显示组件的小型化是个中关键。预期尔后光学模块的高度会进一步下降,以满足系统制造商对尺寸日益严苛的要求。

 表1 住友3M与奥图码微型投影机的规格比较


  微型投影机成功引发话题 后续发展端赖技术再突破 

  展望未来,光源技术与显示体将是微型投影机持续缩小尺寸,提升效能的关键。就光源来说,从UHP灯走向LED发光,以及LED发光效率再提升,已经是确立的趋势。未来若半导体激光器的安全性问题解决后,由于其兼具点光源与高能量(高亮度),不须复杂光学系统设计的特性,因此可实现更微型化的系统设计(图12)。


 待安全问题解决后,半导体激光二极管也可能会被普遍运用在微型投影机上。
资料来源:欧司朗
图12 待安全问题解决后,半导体激光二极管也可能会被普遍运用在微型投影机上。

  因此,半导体激光也是未来微型投影机可能采用的候选方案之一。其次,从显示体来说,微型投影机均使用像素型显示组件,如液晶、DMD、LCoS等,因此未来MEMS组件窜起已经成为必然趋势。 

  最后,微型投影机在解决耗电问题之后,将有可能被整合到手机中。目前市面上的移动装置已可制作并下载高清晰相片及影片,若能内建投影机,便几乎可把这些内容以高画质呈现在任何表面上。因此,只要DLP微型投影技术进一步翻新,电池的续航力足够,光源省电技术更为精进,手机内建投影功能的概念即可实现。事实上,三星于2009年推出的W7900手机(图13)就是最佳证明,为将来微型投影机的发展,带来更多想象空间。


 
图13 结合有机EL、触控面板、500万像素相机与投影功能的三星W7900手机

参考数据
http://www.time.com/time/specials/2008/top10/
http://thanko.jp/product/mini_projector/
http://www.castrade.co.jp/product/hm_cvmp01.php
http://www.techspot.com/news/20221-samsung-launch-ultrasmall-led-projector.html
http://www.itmedia.co.jp/bizid/kw/mobile_projector.html
.Nikkei Electronics,no-994,12/29/2008
 

 (编辑:于占涛)

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