紫外光/紅外光的濾光片(UV-IR)

由於任何一種燈都不是只發射出於可見光頻段完美的光頻譜，其 發射光頻譜或多或少都包含紫外線(ultraviolet, UV)及紅光(infrared, IR)部分；這些可見光頻譜外的光，不但沒有用，還會對系統造成傷 害。紫外光通常會對部分的鍍膜面造成傷害，而紅外光則會產生多餘 的熱，讓系統需要多餘的散熱系統。要去除這兩種光，通常會在照明 系統中加入一片去紫外光/紅外光的濾光片(UV/IR filter)，利用這一片 的鍍膜鏡片，吸收掉紫外光及紅外光的部分，只讓可見光頻譜通過，

如圖2-4所示：

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圖 2-4 光線穿透 UV-IR 示意圖 2.7 色輪(Color Wheel)

色輪由一高速馬達與三個（或以上）不同顏色區塊的鏡片，利用 黏合方式組成，每一區塊透過鍍膜讓特定顏色的光被吸收或被反射，

使其它顏色得以通過，利用馬達讓它旋轉就可循序產生紅、藍、綠快 速交替的三色色場。馬達的轉速所影響的是各色場交替的速度，若轉 速過慢或不穩定，人眼就會發現有各色分離或顏色怪異的現象，以人 眼來說，一秒中至少要接受60 個畫面才會覺得連續，因此色輪會控 制在每分鐘7200 轉的轉速下使每秒有120組色場。以每一區塊來，一 次只能通過一種顏色的光，光平均只有三分之ㄧ的使用效率，大大浪

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費了三分之二的光通量；因此為了提高光通量，除了紅、藍、綠之外 再劃分一透明區塊讓全部光通過，如此光效率可提升至50%，但因畫 面亮度增加，也造成對比度下降。通常將此色輪置於燈源具焦處，當 光線通過時，會讓紅、綠、藍光依序通過，而產生快速交替且連續之 三色色場，如圖2-5所示：

圖 2-5 色輪 2.8 積分柱(ROD)

由於燈發射出來的光並不夠均勻，一般UHP的燈會有兩個最亮的 點，分別在兩個電極附近的位置，這樣不均勻的光，需再搭配積分柱，

將光均勻化後再照射至光閥系統，光在鍍有高反射介電質膜堆的基板 內來回反射，使得光束能夠均勻的分佈。積分柱的另一功能是要將光 源形狀改變，因為從燈源端出來的光源形狀成不規則柱狀，但影像系 統的DMD晶片形狀卻是方形，所以需要藉由積分柱來做形狀的轉換工 作。由於投影系統中的投影鏡頭及其他光學元件之光學特性，就算我

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們能產生完全均勻之光來照射影像來源光閥面板，照射在螢幕上的亮 度仍然會由中心往邊緣衰減。積分柱會維持穿透系統光錐的形狀，而 在空間中將此光錐之能量均勻化，也就是將原本分佈在光錐中間能量 較強的光，分散至邊緣原本光較弱的地方，而不改變光錐的形狀。若 使用一良好設計之積分器，由於光錐及截面積均未改變，則光展量亦 未改變。由於積分柱會將中間的能量分散至邊緣的地方，使用積分柱 後，螢幕中央的亮度會稍微下降，而邊緣部份亮度會上升，使整體均 勻度增加。積分柱由於較接近光源，需要有很好的耐熱特性，因此產 品材質以玻璃為主，當使用積分柱時，相當於系統中多了一個光學元 件，加上形狀轉換的損失。會使得整體之光通量輸出降低[3]。積分 柱可以是空心的也可以是實心的，空心式的是靠內壁各面之高反射率 鍍膜，實心式的則是靠材質與空氣間的全內反射；當光進入積分柱 時，會經過多次反射後才會由積分柱內射出，產生均勻化的功能。由 燈源及反射罩模組所產生之光會被聚焦至積分柱之入射面；離軸的光 會打到積分柱的某一面再反彈進入積分柱中。由於各面均是平行的，

經過積分柱後光錐仍可維持原來的形狀，而經過此積分柱後光展量也 依然維持不變。若此積分柱長度夠長，則於出射面各光線之位置將完 全與入射面位置無關，也就是說出射面各處的光應都是均勻的。若希 望有高均勻度，則積分柱長度要長，入射光錐角度要大，且積分柱截

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面積要小。當積分柱定型後，即限制了出入光錐的面積，但卻沒限制 出入光錐的角度，也就是說同一積分柱，只要長寬比與光閥面積相 同，且光錐入光角度不超過積分柱可接收範圍，則可以供一範圍內不 同光展量的照明系統使用，如圖2-6所示：

圖 2-6 積分柱 2.9 聚光鏡片組(CONDENSOR AND RELAY)

聚光鏡的作用在於，將通過光學積分器後的光束聚集成與DMD面 積相等的大小光束，所以聚光鏡的設計必須由DMD的光束面積大小來 決定其光學參數，如圖2-7所示：

圖 2-7 聚光鏡組

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2.10 數位微形反射鏡元件(DMD)

數位微形反射鏡元件是一種微機電(micro-electrical mechanical systems, MEMS)式的空間光調變器(spatial light modulator, SLM)，每 個像素都是一面微小的金屬面鏡，利用底部的互補金屬氧化半導體 (complementary metal-oxide-silicon, CMOS)驅動電路產生磁場來控制 面鏡翻轉的位置，而每個微面鏡有兩種位置，一個是將光線反射到投 影鏡頭的亮狀態(ON state)，另一個則是將光線偏離投影鏡頭的暗狀 態(OFF state)，也就是說它是個二元開關，並以控制訊號脈衝寬度調 整來達成每個顏色的8 位元灰階。要產生“全亮（full ON）＂的像素，

數位電子訊號以1111 表示，在作單一灰階的呈現時間內，須將數位 微形反射鏡往亮狀態的方向偏轉16次，將此16 個亮狀態影像疊加起 來，產生一全亮畫素；反之，欲呈現“全暗（full OFF）＂畫素，數 位電子訊號以0000 表示，則須將數位微形反射鏡往暗狀態的方向偏 轉16 次。同理而言，若將數位微形反射鏡設定數位電子訊號以1000 表示，將鏡面往亮狀態偏轉8 次、暗狀態偏轉8 次，則會呈現出中性 灰階的影像，進而推廣至其他灰階的呈現[4]。

此外，藏匿型力矩絞鏈與軛形架的機構設計，堪稱DMD 得以商品 化的關鍵性突破。1993 年之前，力矩絞鏈與微鏡面是共面的結構，

如此在光學投射系統中，會導致光束的散射而降低影像的對比度

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(Contrast ratio)以及光學轉換效率。因此，TI 更改結構設計與製 程，將力矩絞鏈和支撐物隱藏於微鏡面之下，如此便大幅地提昇了DMD 投影影像的對比度以及光學轉換效率。1994 年之後，TI 更增加一軛 形架於微鏡面底部，並與力矩絞鏈相互連結，主要的原因在於防止微 鏡面直接碰觸到定位平台，造成長期工作下的鏡面損壞。因為DMD 的 鏡面需要極快速且準確地反覆定位偏轉，因此，需要一個強固且穩定 的機械結構來承受其應力，因此在微機電的半導體製程設計上是一項 極具艱鉅的挑戰。直至1997 年，整個DMD 微機電結構定案為止之前，

此部份仍經過無數製程技術的變革，如軛形架上的平台式尖端

(Landing tips)和彈簧式尖端(Spring tips)，如圖所示，此功能不 但提昇了DMD 的穩定性和生命週期，更增加了機械與電子的轉換效 能。自此之後，DMD 生命週期超過10 萬小時而進入商品化階段。

DMD 商品化之後，TI 在DMD 面板解析度、面板尺寸、單一畫素 大小、微鏡面偏轉角度以及封裝技術仍繼續改進及發展，至2000年為 止，在DMD 微機電製程的精進改良下，同時經過了一段演變。改良的 主要目的在於(一)提昇影像解析度(SVGA、XGA、SXGA、HD)，(二)藉 由變更微鏡面偏轉角度由10 度至12 度，增加光學收集效率(Etendue) 和投影影像的對比度[8]，(三)縮小面板尺寸和畫素大小，相對使得 光學投影系統體積縮小以及生產成本降低，(四)改進封裝技術，提昇

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製程良率(TI 表示，封裝過程中往往因為殘餘微粒控制不佳，形成DMD 工作失效，導致製程良率偏低) ，如圖2-8所示：

圖 2-8 數位微鏡片作動圖 2.11 鏡頭(LENS)

一般投影鏡頭為了要能適應不同的投影距離，也會設計加入變焦 (Zoom)及對焦(Focus)功能，當然使鏡頭設計更加困難，而由於多了些 鏡組及機構件，成本也更加昂貴[7]。所謂變焦是指我們可以改變成 像的大小，而依然維持在對焦的狀態，這通常是在投影鏡頭內加入一 些機構件，讓某些鏡組間的間距可改變，來改變整體鏡組的焦距及放 大率，也就是讓影像尺寸改變；當影像的大小改變後，使用者就須要 利用對焦的功能，手動調整焦距，讓影像清楚成像在螢幕上。多了變

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焦及對焦的通能，使用者將可以自由選擇投影機放置的位置，及投影 尺寸大小，更方便使用，如圖2-9所示：

圖 2-9 鏡頭

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三、投影系統的光學特性的量測與分析

3.1 光展量

光展量，又稱光學不變量(optical invariant)，用以描述光束的 幾何特性，例如光束的發散角(divergence angle)，光束的切面面 積。基於熱力學的第二定理，光束在穿過一光學系統後，光束的光展 量將保持相同或增加，而不會減少。在不考慮光的散射、繞射及吸收 的光學系統中，光束的光展量是守衡的。若考量在某些光學元件上會 產生光的散射性質時，由於光的散射會產生更大的發散角，因此光束 的光展量會增加，使用光展量的光束幾何概念，可以估算出光的傳輸 效率。

在定義光展量之前，有一個東西要先知道的，那就是光通量的定 義。讓我們先考慮一光束經光學系統傳遞後，求全部光通量的問題。

若此光學系統完全地傳遞一光束，這意味著在系統中的光學元件，對 所有入射到系統中的光線，既無吸收也無反射。且光束在脫出時也沒 受到光閘的遮蔽時，那麼就足以計算出由此光學系統所收集的全部光 通量。此光通量為

Φ =

∫∫

L(r,n) 是位置為r 的點。在單位向量為^{^}n的方向上的光源輻射亮度

(source radiance)。面積單元dA 是光源表面的入射窗口區域。立體

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角單元dΩ 是頂點在位置r 點，由系統的入瞳所夾之立體角。

我們會希望把光學系統光通量傳輸能力，用無關於輻射光源發光 特性的方式表現出來。首先，假設光源是均勻且以Lambertian方式發

我們會希望把光學系統光通量傳輸能力，用無關於輻射光源發光 特性的方式表現出來。首先，假設光源是均勻且以Lambertian方式發