第二章 文獻回顧
2.2 微顯示投影裝置的三種系統架構說明
因微顯示面板技術不同，所以投影顯示技術亦因而分成三大類，
其中HTPS TFT LCD 及 DLP 二者解析度大多為 XGA(1024 x 768)或 SVGA(800x600)，面板尺寸為 0.9”或 0.7”。但近來解析度需求越來越 高，HTPS TFT-LCD 與 DLP 已漸漸無法滿足市場需求。隨著 HDTV 時代的來臨，欲求於經濟尺寸(0.7”)的基板上達到如此多畫素的投影顯 示器，只有LCoS panel（以下簡稱 LCoS Panel）的技術才能達到。
這是由於LCoS 擁有 Small Pixel size 的能力(pixel size = 8μmX8μ m)且價位低，將成為未來高解析度、大畫面電視最有可能實現的載具 之一，見表 2.2.1。
表 2.2.1 微面板技術比較
HTPS DLP LCOS
Cost Middle High Low
Contrast 400 1000 1000
Native Resolution 720P 720P 1080P Pixel Size 15μm (0.87”) 13.86μm (0.7”) 8μm (0.7”)
1.HTPS TFT LCD 投影機
HTPS是High Temperature Poly-Silicon的縮寫，翻譯成中文是
“高溫多晶矽＂的意思，一般俗稱高溫玻璃。它是LCD顯示家族中的 一支，屬於主動點矩陣式LCD（Active Matrix LCD），因此，HTPS LCD 也是TFT（Thin Film Transistor；薄膜電晶體）LCD的一種。［10］
HTPS之液晶面板技術主要成形於日本，其製程技術較完整，較早 具備量產能力，見圖2.2.1。目前僅有日本廠商EPSON與SONY擁有此 種規格之面板大量製造能力。
圖2.2.1 HTPS微顯示面板［6］
對光機設計應用技術而言，HTPS顯示技術畫質呈現較為自然，但 因其穿透光的特性，而受制於光學元件的開口率限制（Aperture Ratio Restriction），常常會有亮度與對比表現度不足的困擾。［7］此外因液晶 必須操作偏振光的特性，散熱問題較複雜，見圖2.2.2。
圖2.2.2 液晶工作原理
目前此類光學引擎結構已趨於成熟，圖2.2.3。對三片式 HTPS 投 影機工作原理說明如下：光線經由照明系統的燈發出，由積分陣列鏡 均勻光束及分光鏡後，經由色彩分光系統分出紅，綠、藍三色光束，
再經過液晶面板與偏極片之調變作用，改變各色光的強度，進而再由 色彩合光系統組合為完整的彩色影像，最後經投影鏡頭投射於螢幕 上，完成整個投影過程。
因為面板技術掌握在EPSON與SONY手中，以致於目前台灣投入 液晶投影機製造商或是光學引擎廠商已大幅度減少。為對抗DLP日益 茁壯的市佔率，由EPSON主導並聯合其他全球最知名的五大消費及商 用電子産品生産商—富士通、Hitachi、松下、三洋和Sony共同宣佈—
向消費者和投影顯示器專業用戶宣傳三片液晶投影〝3LCD〞技術的顯 著優勢［11］。同時，3LCD集團（The 3LCD Group）也在 2005 年美國 拉斯維加斯的國際消費電子展（CES）上揭露聯盟的訊息。
鏡頭
Source
［11］：Espon
聚光稜鏡
13.86μm 微反射鏡
Source：TI
圖2.2.4 數位微鏡裝置(DMD) ［12］
Source：工研院光電所，PIDA
圖2.2.5 DMD工作原理［13］
目前市面上常見的DLP 投影機僅使用單片式結構，亮度可輕易達 到1500 流明以上。TI 發展的面板畫素大小目前為 13.86 微米，未來會 朝向10 微米方向開發。
目前常見的解析度有SVGA(800x600)、XGA(1024x768)及 HDTV(1280x720)等級。
DLP 單片式光機構造相當簡單，如圖 2.2.6 所示。光源是由橢球反 射罩聚焦於光積分柱前端，經積分柱均勻處理後出口面會被一延像光 學系統成像於DMD 面板上，光束經 DMD 面板調制後經投影鏡頭投射 至螢幕上。色彩則由積分柱後方之色輪所控制。這類光機的特點是製 造組裝容易且速度快，所以目前為大多數台灣投影機廠商所開發之機 種。
Color Wheel R,G,B
圖2.2.6 單片式 DLP 光機概圖
而高畫質的三片式DMD的系統設計原理是將高亮度白光源經由稜 鏡分成R、G、B三原色，每一個DMD處理一種單一顏色，最後再將此 三種顏色於投影鏡片中混合投射至屏幕上，見圖2.2.7。［13］
Source：TI，PIDA
圖 2.2.7 三片式DLP光機概圖［13］
這類系統色彩飽和度高亦可產生高亮度，目前已有部分電影院採 用此類播放系統，提供數位化高畫直的電影播放服務。
3.LCoS 投影機
LCoS 的全名為 Liquid Crystal on Silicon，係以 CMOS 晶片 為基板及反射面，塗佈液晶屏後，再以玻璃基板封裝，見圖2.2.8 。 採用與HTPS TFT LCD 相同之液晶偏轉偏振光束的原理，但是面板是 反射式，與HTPS TFT LCD 不同，LCD 是利用光源穿過 LCD 面板作 調變動作。LCoS 的特色是可輕易達高解析度以及面板結構易於小型化
等，最重要的是台灣所擁有的晶圓技術可以支應這項產品。但ASIC 設 計問題及液晶封裝之標準製程尚未確定，導致目前仍無法充分展現其 低成本化的潛力。未來若面板液晶封裝技術能力能提升，加上光機及 元件供應商的緊密配合，將有很大的空間可切入投影市場。
圖2.2.8 LCoS panel 工作原理
LCoS 投影系統的基本操作原理因其為反射式而有所不同，這是因 為入射與出射面板的位置是在面板的同一側，見圖2.2.9。這樣的設計 會使得面板有極高的開口率，使面板的光利用效率得以大大的提升，
可以有較高效能的光輸出。且畫素間距可以拉近，適合發展高解析度、
小面積的面板。
Source：Hitachi/PIDA
圖2.2.9 反射式與穿透式面板的光出入路徑［14］
反射式LCOS 光機設計上必須使用到 PBS（Polarization Beam Splitter）元件來分離入射及出射光束，見圖 2.2.10。當系統光源入射 到PBS 時，S 偏光會在三角稜鏡之介面反射入 LCoS panel 內，P 偏 光則直接穿透三角稜鏡。當液晶為暗態時，入射於LCoS panel 的 S 偏光將被反射回來，無法進入合光稜鏡，而當液晶顯示為亮態時，S 偏光將改變成P 偏光穿過 PBS 進入投影鏡頭。
LCoS panel
Source︰JVC
圖2.2.10 LCoS 系統的反射偏振變化工作原理
與DLP 投影機相同，LCoS 除三片式系統架構外亦有單片式及兩 片式系統架構。單片式及兩片式LCoS 光學引擎的色彩處理需要切換 速率較快的液晶分子，相對地也會產生更多的散熱問題；又因為液晶 的選擇，目前還有產品壽命需要克服；其發展進度落後於三片式面板。
LCoS panel 來源紛呈，各面板廠商供應的產品規格不一，而光學 引擎系統的設計式樣也不下十種。以現狀而言，主流設計尚未產生，
投入LCoS 投影顯示器製作的廠商必須面對多樣的研究方向，再加上 穿透式3LCD 與 DLP 的產品開發壓力，因為每一類的投影顯示技術都 有其獨特性，在多樣式開發之下成為考驗投影顯示器製作廠商的研發
能力、人力與經費的投入。將現在常見之三片式LCoS 光機合光技術
Reference Source：工研院經資中心 ITIS
a. IBM 4-Cube：
第一台商用前投影機由IBM、Nikon和JVC設計。使用三片式 LCoS panel的光機設計則大致類似於 3LCD的光機構設計，只是用 LCoS panel來代替 3LCD系統的HTPS面板，使用分色鏡分開三色 光，每色光由單獨的PBS 傳輸給相應的LCoS panel，見圖 2.2.11。
入射光可藉由PBS和LCoS panel之間的QWP﹙Quarter Wave Plate﹚
調整偏光狀態。反射圖像在一個X形正六面體稜鏡中被合成為一幅全 彩的圖像，然後投射到投影透鏡組。這種設計概念簡單，允許每種 基色通道單獨最佳化，3M最近也應用其光學膜技術推出了圖 2.2.12 為合光模組架構的解決方案，商品名稱為3M Vikuiti Optical Core。
［17］而電視大廠SONY最近推出的LCoS背投電視產品也使用了這種類 型光學架構設計。
Source︰3M
［17］入射光 LCoS panel
合光 QWP PBS
圖2.2.11 IBM 4-Cube 架構
圖 2.2.123M Vikuiti Optical Core
b. ColorQuad︰
為美國ColorLink所開發的LCoS panel用的分合光模組，這種設計
利用4 個PBS和 5 片濾色片(ColorSelect)組成一個單元。
〝ColorSelect〞的濾色片，此種技術不是採用薄膜干涉或吸收而是 通過控制偏振態而獲得色彩控制，它是採用了堆疊延遲膜專利技 術。堆疊延遲膜能高效率地使主帶光的偏振狀態旋轉90°同時保持補 色帶光偏振狀態不變。可用於製造高性能非色性旋轉器，應用到 LCoS投影系統上，見圖 2.2.13。［18］
黃光
R 光
ColorSelect
圖 2.2.13 ColorSelect工作原理［18］
ColorQuad 是一種光學架構完整而有效的彩色管理系統，將系
Source：ColorLink
圖 2.2.14 ColorQuad分合光模組［18］
c. CQ3 system︰
ColorLink為改良前一代合光模組—ColorQuad在對比及產品可 靠度上的瓶頸，研發出一種改良式分合光模組架構稱為CQ3［19］。 ColorLink取消一片出光偏振片及使用一片分光鏡（Dichroic Mirror）
替換一個PBS並減少ColorSelect 的數量為 3 片。除了改善光學元件 貼合的問題外，CQ3 顯著地減少了元件成本，見圖 2.2.15。JVC於 西元2004 年在美國市場推出之D-ILA背投影電視即採用與CQ3 相似 的架構。
Source：ColorLink
圖2.2.15 CQ3分合光模組［19］
d. LMS-XT KERNEL︰
美國LightMaster公司於西元2003推出一種改良自ColorQuad的 LCoS panel用的分合光模組，係使用4個PBS及3片ColorSelect為主 要光學元件，見圖2.2.16。
GM
ColorSelect
RB
Source：LMS
BY
圖 2.2.16 LMS-XT KERNEL工作原理［19］
LMS-XT KERNEL工作原理與ColorQuiad及CQ3相似，但在光 學元件的補償及LCoS panel機構夾持上有極大不同：
—使用光學油（Laser Liquid）補償光學元件熱膨脹之變化。
—將LCoS panel 以顯微鏡加上 CCD 取像，不使用投影鏡頭投 出影像的方式在LMS-XT KERNEL 內合光，並將 LCoS panel 膠合在KERNEL 表面，如圖 2.2.17 所示。
灌油口
LCoS panel 膠合位置
Source：LMS
圖 2.2.17 LMS-XT KERNEL［19］
以上三種架構—ColorQuad、CQ3 及 LMS-XT KERNEL 皆沿用 ColorQuad 的光學架構，在分合光的架構整合的技術優勢下，光機 內光學元件大幅減少，並有量產良率高及組裝速度快之優點，圖 (2.2.18)為 LMS 光機之架構簡圖。但 LMS-XT KERNEL 仍有一些未 知之變數有待觀察︰
‧Reliability 穩定性
‧溫度變化對不同材質之折射率影響
‧注入Laser Liquid 真空技術
‧LMS LCoS panel 膠合生產技術
‧光學元件之定位及生產技術
圖2.2.18 為LMS光機之架構簡圖［19］
e. 3-PJ Lens system：
台灣的Prokia 公司的一台背投電視中，把三個 PBS 改成使用三 個獨立的投影透鏡，代替了X 形正六面體稜鏡圖 2.2.19。在這種情 況下，三色圖像重新組合出現在背投螢幕上，與標準的三槍CRT 的 背投工作方式類似。
這種系統的優點是淘汰了X 形正六面體稜鏡，使用了更簡單的投 影透鏡。雖然有三個投影透鏡而不是一個X 形正六面體棱鏡，但是 每片透鏡的光譜要求更窄，後焦距更短。而且因為RGB 三道光線在 合光架構中是獨立運作，因而熱量亦被分散，在合光架構中不易產 生常見的散熱問題。這種設計方法的LCoS 背投電視已在西元 2003 年由Kolin 發表上市。
f. Off-Axis system：
f. Off-Axis system：