色彩系統最重要的功能，就是利用各種鍍膜技巧，將照明系統產 生的複合色光分開處理，並與成像系統相搭配，產生彩色的影像，如 圖2-1所示：
圖 2-1 投影機色彩系統 2.3 光閥系統
從照明系統投射至DMD的照明面積大小除了需完整的覆蓋DMD，還 是須要針對光溢量是否符合預期的設計來探討，光溢量的存在是為了 方便面板組裝與定位，若光溢量比我們預期的多，反而因為大多數的 光都損失，而影響到整個面板的光利用效率，相反的光溢量太少，會 影響畫面的均勻度。
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DMD是整個成像系統中非常重要的一環，在設計成像系統時，DMD 也一定要置入光學系統中一起優化，DMD規格的改變，通常會大大影 響整體投影系統之性能表現。一般來說，投影系統最重要的就是亮度 及對比，若以元件的角度來說，通常亮度取決於燈源及積分器，而對 比度則取決於光閥特性及與投影鏡頭的搭配設計，對光閥面板來說，
對比度就決定於在各個像素在亮與暗之間，光閥可以調變的多，也就 是亮狀態要盡量亮，而暗狀態要盡量暗。
DMD的切換速度則是另一項重要影響光閥系統的因素，因為需要 用到色輪的分光技術，光閥速度需搭配紅色、綠色及藍色光場之切換 速度。在設計成像系統時，對於DMD的規格，通常我們最在意的，不 外乎DMD的尺寸、DMD的解析度及DMD的性能(對比、入光角度、顏色特 性等)，一般來說，投影系統所使用的DMD，尺寸越小越便宜，小尺寸 的DMD不但降低成本，更可以讓投影系統變個更小。
2.4 成像系統
成像系統的功能就是要將光閥面板的影像投影至投影螢幕上，而 通常投影系統主要就是一個投影鏡頭，當影像的大小改變後，使用者 就需要利用對焦的功能，手動調整焦距，讓影像清楚成像在螢幕上，
多了變焦及對焦的功能，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。
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2.5 燈源(LAMP)
燈源在投影系統中提供一個穩定的光通量，在光路設計時為了讓 光通量能達到最佳效率，故需對燈源要求以下幾項重點：1.高流明效 率。2.良好的光頻及色溫。3.壽命長。4.高安全性。5.光通量輸出穩 定。6.快速暖燈。7.價格便宜。符合以上要求並運用於本實驗所使用 的為超高壓水銀燈。超高壓水銀燈(Ultra High Pressure Lamp，
UHP)屬於高亮度氣體放電燈(High Intensity Discharge Lamp，
HID)的一種，由於有高發光效率(60~70Lm/W)及高亮度
(7000~15000Lms)､於可見光區有連續頻譜及近似點光源( 1~ 3mm Arc Gap)等優點。因此應用於投影機的燈源大多採用超高壓水銀燈，
理論上充填水銀氣體壓力愈大，發光功率密度愈大且發光頻譜愈均 勻；現行超高壓水銀投射燈穩態點燈氣壓約100~200大氣壓。隨著電 弧放電功率密度增加，燈泡的熱量耗散也愈大； 因此燈反射罩通常 成型成橢球狀以加大與電弧距離[2]。一般而言光收集效率決定於電 弧(Arc)間距及相對反射罩的設計，燈弧之長短及位置是決定收斂效 率最關鍵的因素。通常燈弧的間距愈短，則愈接近於一個理想之點光 源，收集效率會愈好；當電弧有一個長度，則會產生非理想之雜散光，
並降低對比。現今使用之UHP燈之電弧間距，約介於1mm 至1.5mm 之間，這已經達到現今科技量產之極限，不太容易再縮得更短了，因
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為通常燈弧間距愈短，其壽命也會縮短，如圖2-2所示：
圖 2-2 UHP 燈之電弧(Arc)間距
若單獨只有一個燈源，光將會向四面八方發散，造成光通量的損 失，所以通常我們都會在燈源外加上一個反射罩，一方面避免光發 散，增加光效率，一方面將光通量以各種光錐角度導向所希望的方 向，以進入所設計的光路。現今所使用的高亮度放電燈的反射罩大致 分為兩種，即拋物面形反射罩與橢球面形反射罩，本論文所使用的為 橢球面形反射罩，當我們將燈源置於橢球面反射罩時，光線經燈罩反 射後，將會產生聚焦光，如圖2-3所示：
圖 2-3 橢球面形反射罩
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要讓投影出來的亮度更高，增加燈的亮度是最直接的方法，但通 常也必須和其他因素妥協。舉例來說，增加水銀鍍蒸氣壓力就會增加 亮度，但同時也會產生一些安全上的顧慮，為了更亮，就會將電壓增 加，但同時溫度也會跟著增加，也就必須要更大也更吵的散熱系統，
而且若溫度更高，壽命也會跟著縮短。
2.6 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，