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[導(dǎo)讀]文.陳乃塘 白光發(fā)光二極管(LED)被美譽(yù)為繼電燈之后的最偉大發(fā)明,它合乎環(huán)保、省電,改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)形態(tài),造福了人類生活。白光LED除運(yùn)用在各種照明設(shè)備外,也是未來(lái)液晶電視背光的不二選擇。但是,除了上述固定式

文.陳乃塘

白光發(fā)光二極管(LED)被美譽(yù)為繼電燈之后的最偉大發(fā)明,它合乎環(huán)保、省電,改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)形態(tài),造福了人類生活。白光LED除運(yùn)用在各種照明設(shè)備外,也是未來(lái)液晶電視背光的不二選擇。但是,除了上述固定式應(yīng)用外,白光LED也是微型投影機(jī)最大的幕后推手。

由于MP3、MP4播放器的市場(chǎng)已經(jīng)具備龐大的規(guī)模,如何來(lái)創(chuàng)造用戶的新體驗(yàn)與新應(yīng)用,便成為各家廠商在思考新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)的主要考慮。順應(yīng)此一趨勢(shì),微型投影機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生,并迅速成為獲獎(jiǎng)不斷的新產(chǎn)品(圖1)。


資料來(lái)源:奧圖碼
圖1 奧圖碼PK101不僅榮獲美國(guó)時(shí)代雜志選為2008十大年度科技產(chǎn)品,并得到2009年CES設(shè)計(jì)暨工程創(chuàng)新獎(jiǎng)

以市場(chǎng)面來(lái)說(shuō),這類手掌般大小的超小型投影機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)形成一股風(fēng)潮。除了奧圖碼之外,住友3M(Sumitomo 3M)、Adtec、Explay等公司也都已經(jīng)推出類似產(chǎn)品。其中Explay所推出的產(chǎn)品,是目前世上最小的機(jī)種(圖2),可支持的分辨率也最高,可達(dá)70吋SVGA(800×600)輸出。



資料來(lái)源:Explay
圖2 Explay所推出的微型投影機(jī)模塊

催生微型投影機(jī) LED技術(shù)居功厥偉

其實(shí),投影機(jī)小型化的概念已經(jīng)醞釀非常久,只是在LED技術(shù)成熟前,光源的問(wèn)題一直無(wú)法獲得有效解決。早在1990年代,索尼(Sony)與東芝(Toshiba)就已經(jīng)推出液晶顯示(LCD)小型投影機(jī)產(chǎn)品。只是當(dāng)時(shí)的價(jià)格、亮度與風(fēng)扇聲均不理想,也必須在暗處觀看。至于比前述小型投影機(jī)更小的微型投影機(jī),則一直到2006年初的國(guó)際消費(fèi)性電子展(CES)上才開始出現(xiàn),并且在2008年下半年之后才慢慢開花結(jié)果。在2006年CES期間,三星(Samsung)與東芝皆發(fā)表了利用紅綠藍(lán)(RGB)LED為光源的前投射型投影機(jī),均采用數(shù)字微鏡顯示組件(DMD),而且體積都很小,可用一只手掌撐起。

2006年CES也是LED光源運(yùn)用在投影機(jī)產(chǎn)品的起點(diǎn)。以LED光源來(lái)取代傳統(tǒng)的高壓水銀燈(UHP)在當(dāng)時(shí)可說(shuō)是一大創(chuàng)舉。該兩家公司證實(shí)了LED光源的產(chǎn)品商用化的可行性。將LED與高壓水銀燈的重要特性做比較,LED可說(shuō)是大獲全勝。在壽命方面,高壓水銀燈的壽命通常約10,000小時(shí),LED則可達(dá)50,000~100,000小時(shí);在瞬間亮燈方面,LED光源也占上風(fēng);熄燈后不須等待其冷卻后再行收納,也是LED光源的優(yōu)勢(shì)。更重要的是,LED無(wú)汞(Hg)的特性合乎綠色環(huán)保理念。

相比之下,傳統(tǒng)的UHP燈起動(dòng)時(shí)須提供數(shù)千伏特的電壓,而在燈泡點(diǎn)亮?xí)r,須持續(xù)提供數(shù)百伏特的電壓供給,因此UHP燈只能使用交流電源,且溫度相當(dāng)高,須配合復(fù)雜的電源電路以及散熱機(jī)構(gòu)。此外,UHP燈的發(fā)光原理與一般日光燈管一樣,均藉由汞蒸氣的氣體放電所散發(fā)出的紫外線來(lái)使熒光體發(fā)光,因此亮燈到所定的亮度需要一點(diǎn)時(shí)間。熄燈后也需要一段冷卻時(shí)間。

使用LED光源帶來(lái)的正面衍生效應(yīng)就是可以將產(chǎn)品小型化。因?yàn)長(zhǎng)ED光源不須用到高電壓供電線路,因此電源線路以及散熱機(jī)構(gòu)能夠大幅度簡(jiǎn)化。且由于可直接采用R、G、B三色LED作為光源,因此利用在投影機(jī)上時(shí),不用像以往采用高壓水銀燈時(shí),須經(jīng)過(guò)色輪(Color Wheel)分光的過(guò)程,才能將白光分離為RGB三色光,因此可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

因此以LED為光源的投影機(jī),只要小型化之后,就可以利用電池來(lái)驅(qū)動(dòng)。LED光源還有幾項(xiàng)容易被忽視的優(yōu)勢(shì):第一,其色彩再現(xiàn)范圍更為寬廣。至少能夠?qū)崿F(xiàn)比NTSC規(guī)格高出120%的色彩再現(xiàn)范圍;第二,UHP燈的紫外線容易使廉價(jià)的樹脂材料產(chǎn)生劣化現(xiàn)象,而LED卻不會(huì),因此以LED作為光源的投影機(jī),在在外觀方面較能歷久如新。

因此,投影機(jī)之所以能夠做到如此迷你的境界,LED光源的成熟可說(shuō)是第一大功臣。而在LED光源之外,另一個(gè)重要的技術(shù)突破,則在于光學(xué)引擎的小型化,如德州儀器(TI)推出的DLP Pico芯片組方案(圖3)。不過(guò)LED光源也并非毫無(wú)缺點(diǎn)。例如相比激光光源,LED的發(fā)光方向更為發(fā)散,如何讓LED光直進(jìn)到顯示組件,也即提升其光效率,考驗(yàn)著各家供貨商的技術(shù)實(shí)力。



資料來(lái)源:德州儀器
圖3 德州儀器所推出的DLP Pico芯片組。左為第一代,分辨率為480×320;右為第二代產(chǎn)品,分辨率可達(dá)854×480

歐司朗(Osram)早于2005年底就開始銷售針對(duì)投影機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的OSTAR LED模塊。并在2008年推出微型投影機(jī)專用的OSTAR Projection(圖4),將一個(gè)紅光LED芯片、兩個(gè)綠光LED芯片、一個(gè)藍(lán)光LED芯片整合在同一封裝上。



資料來(lái)源:歐司朗
圖4 歐司朗專門針對(duì)微型投影機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的LED光源模塊

除了LED之外,半導(dǎo)體激光器也是一項(xiàng)選擇。日商佳能(Canon)于2005年Canon EXPO博覽會(huì)中就展示了利用以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)鏡片、激光光源的投影方式。

但激光光源在價(jià)格與安全上還是有些問(wèn)題。激光光源必須經(jīng)過(guò)高速振幅調(diào)制后才能使用,且激光光源若直射眼睛,可能會(huì)造成傷害。因此,通常政府會(huì)制定光強(qiáng)度的容許值,如日本JIS C6802,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將這些因素納入考慮。

拆解微型投影機(jī)設(shè)計(jì)奧秘 DMD/LCoS各據(jù)優(yōu)勢(shì)

以下筆者將比較奧圖碼的PK101與住友3M的MPro110(圖5)這兩款尺寸相當(dāng),但采用不同光學(xué)引擎的產(chǎn)品,來(lái)觀察兩者內(nèi)部硬件的構(gòu)造差異。

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資料來(lái)源:Tech-on!
圖5 PK101與Mpro110的尺寸可以說(shuō)約略相當(dāng)

先對(duì)PK101進(jìn)行拆解。首先,PK101采用了3.7伏特、容量為1,100毫安的鋰離子充電電池(圖6)。



資料來(lái)源:Tech-on!
圖6 PK101采用的鋰離子充電電池

將電池與框體拆解后,映入眼簾的是簡(jiǎn)潔的基板與光學(xué)模塊(圖7)?;迳嫌袃深w主要芯片。其一是臺(tái)灣偉銓(Weltrend)的影像處理芯片,另一則是TI的DMD驅(qū)動(dòng)芯片(圖8)。奧圖碼所推出的PK101很明顯地是采用TI的DLP Pico芯片組方案。DMD為0.17吋,480×320像素,輕易地看出該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念很清晰,就是要追求微型化。值得注意的是,奧圖碼在設(shè)計(jì)該款產(chǎn)品時(shí),將DMD模塊實(shí)裝在另一片小基板上,與主基板利用連接器對(duì)接,相當(dāng)重視系統(tǒng)的組裝性。



資料來(lái)源:Tech-on!
圖7 PK101的光學(xué)模塊與基板



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圖8 PK101的影像處理芯片以及DMD驅(qū)動(dòng)芯片

而在光源部分,DMD若直接使用白光LED,就必須使用色輪來(lái)進(jìn)行紅綠藍(lán)色光分離的工作,對(duì)于產(chǎn)品小型化較為不利。因此,奧圖碼使用RGB三色LED(圖9),對(duì)于影像的發(fā)色也比較卓越。



資料來(lái)源:Tech-on!
圖9 PK101的RGB LED光源

在光學(xué)模塊方面,比較受到注目的地方是內(nèi)部呈現(xiàn)陣列狀的蒼蠅眼(Fly-eyes)鏡頭(圖10)。目的是為了使DMD顯示組件的入射光亮度均勻化。



圖10 PK101的光學(xué)模塊與DMD組件

住友3M的MPro110內(nèi)部構(gòu)造與PK101并沒有顯著的差異。都是由電池、光學(xué)模塊 以及主板來(lái)構(gòu)成。MPro110也是采用3.7伏特、1,050毫安的鋰離子電池。比較大的不同在于所采用顯示組件以及光源樣式。MPro110采用硅基液晶(LCoS)(圖11),光源為白光LED,因?yàn)樵贚CoS側(cè)已經(jīng)備有彩色過(guò)濾功能。



資料來(lái)源:Tech-on!
圖11 MPro110基板(上)與白光LED光源(下)

MPro110的分辨率為VGA,勝過(guò)PK101。

MPro110為了將光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單小型化,舍棄了一般的玻璃材料,改以樹脂材料制作偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter, PBS)組件。以樹脂材料實(shí)作的PBS除了一樣可對(duì)特定偏光成分進(jìn)行穿透/反射等原有工作外,還能在光穿透面作出各種形狀來(lái)整合更多機(jī)能,是樹脂材料的拿手本領(lǐng)。

從硬件架構(gòu)上來(lái)看,這兩款產(chǎn)品皆是很單純的投影機(jī);制造商在側(cè)面的框體都采用金屬材料,以強(qiáng)化散熱性能,并拿掉令人厭惡的風(fēng)扇。兩者在LED的散熱上,均費(fèi)了一番功夫。表1為這兩款微型投影機(jī)的規(guī)格比較。從實(shí)用的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),10~20流明的亮度是有些不足的,這意味著用戶在使用時(shí)必須在某種程度的暗處,才能夠看得清晰,LED的光效率,還有待提升。這類產(chǎn)品的成功,顯示組件的小型化是個(gè)中關(guān)鍵。預(yù)期爾后光學(xué)模塊的高度會(huì)進(jìn)一步下降,以滿足系統(tǒng)制造商對(duì)尺寸日益嚴(yán)苛的要求。

 表1 住友3M與奧圖碼微型投影機(jī)的規(guī)格比較


微型投影機(jī)成功引發(fā)話題 后續(xù)發(fā)展端賴技術(shù)再突破

展望未來(lái),光源技術(shù)與顯示體將是微型投影機(jī)持續(xù)縮小尺寸,提升效能的關(guān)鍵。就光源來(lái)說(shuō),從UHP燈走向LED發(fā)光,以及LED發(fā)光效率再提升,已經(jīng)是確立的趨勢(shì)。未來(lái)若半導(dǎo)體激光器的安全性問(wèn)題解決后,由于其兼具點(diǎn)光源與高能量(高亮度),不須復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特性,因此可實(shí)現(xiàn)更微型化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(圖12)。



資料來(lái)源:歐司朗
圖12 待安全問(wèn)題解決后,半導(dǎo)體激光二極管也可能會(huì)被普遍運(yùn)用在微型投影機(jī)上。

因此,半導(dǎo)體激光也是未來(lái)微型投影機(jī)可能采用的候選方案之一。其次,從顯示體來(lái)說(shuō),微型投影機(jī)均使用像素型顯示組件,如液晶、DMD、LCoS等,因此未來(lái)MEMS組件竄起已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

最后,微型投影機(jī)在解決耗電問(wèn)題之后,將有可能被整合到手機(jī)中。目前市面上的移動(dòng)裝置已可制作并下載高清晰相片及影片,若能內(nèi)建投影機(jī),便幾乎可把這些內(nèi)容以高畫質(zhì)呈現(xiàn)在任何表面上。因此,只要DLP微型投影技術(shù)進(jìn)一步翻新,電池的續(xù)航力足夠,光源省電技術(shù)更為精進(jìn),手機(jī)內(nèi)建投影功能的概念即可實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,三星于2009年推出的W7900手機(jī)(圖13)就是最佳證明,為將來(lái)微型投影機(jī)的發(fā)展,帶來(lái)更多想象空間。



圖13 結(jié)合有機(jī)EL、觸控面板、500萬(wàn)像素相機(jī)與投影功能的三星W7900手機(jī)

參考數(shù)據(jù)
.http://www.time.com/time/specials/2008/top10/
.http://thanko.jp/product/mini_projector/
.http://www.castrade.co.jp/product/hm_cvmp01.php[!--empirenews.page--]
.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

(編輯:于占濤)

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