LCoS微顯示投影系統架構說明

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，而且還有產品壽命需要克 服，其發展進度落後於三片式面板。

LCoS 面板來源紛呈，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 式開發之下將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 光機合光技術及特性列表如表 2.3.1 。

光學架構 PBS 數 光機複

雜程度 體積 光學元

件成熟 亮度 對比 色彩

表現

IBM 4-Cube 4 X X ◎ ◎ ◎ ◎

ColorQuad 4 ◎ ◎ X △ △ ◎

CQ3 3 ◎ ◎ ◎ △ △ ◎

LMS 4 ◎ ◎ X △ △ ◎

3-PJ Lens 3 △ X △ △ ◎ ◎

Nova Off-axis 0 △ △ ◎ △ ◎ △

◎ ：優 △：普通 X：劣

表2.3.1 常見之三片式 LCOS 光機合光技術及特性 資料來源：工研院經資中心 ITIS

1. IBM 4-Cube：第一台商用前投影機由 IBM、Nikon 和 JVC 設計。

而使用三片式LCoS 面板的光機設計則大致類似於 3LCD 的光機構設計，

只是用LCoS 面板來代替 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 面板，見圖 2.3.1。入射光 可藉由PBS 和 LCoS 面板之間的 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，

圖2.3.2 為合光模組架構簡圖，由 3M 推出商品名：3M Vikuiti Optical Core。

SONY 最近發佈的最新的 LCoS 背投電視產品也使用了這種類型光學架構 設計。

資料來源︰3M 入射光 LCoS 面板

合光 QWP PBS

圖2.3.1 IBM 4-Cube 架構

圖2.3.23M Vikuiti Optical Core

2. ColorQuad︰為美國 ColorLink 開發的 LCoS 面板用的分合光模 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，如圖 2.3.3 所示。

B 光 G 光

黃光

R 光

ColorSelect

圖2.3.3 ColorSelect 工作原理

ColorQuad 是一種光學架構完整而有效的彩色管理系統，將系統分光 及合光完整地設計在一個模組內。工作原理是ColorSelect 和 PBS 將彩色 分開，分別投射至各個對應的LCoS 面板上，在它們進入投影透鏡前再重 組圖像，見圖2.3.4。此種設計光學引擎在光源端的設計上，不需要額外的 分色鏡，使用這種方法的系統結構非常簡潔。但是稜鏡的貼合與薄膜設 計，玻璃的雙折射性質都會影響到系統的對比，同軸設計的系統對比較難

控制，雖然同軸設計可以有效縮減產品體積，但色彩與偏極化元件都仍有 改善的空間。

圖2.3.4 ColorQuad 分合光模組 資料來源︰ColorLink

3. CQ3︰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。

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 2.3.5。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 相似架構。

圖2.3.5 CQ3 分合光模組 資料來源︰ColorLink

4. LMS-XT KERNEL︰美國 LightMaster 公司於西元 2003 推出種改良 自 ColorQuad 的 LCoS 面板用的分合光模組，使用 4 個 PBS 及 3 片

ColorSelect 為主要光學元件，見圖 2.3.6。

GM

ColorSelect

RB

BY

圖2.3.6 LMS-XT KERNEL 工作原理 資料來源︰LMS

LMS-XT KERNEL 工作原理與 ColorQuiad 及 CQ3 相似，但在光學元件的 補償及 LCoS 面板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 面板以顯微鏡加上 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 面板膠合在 KERNEL 表面，圖 2.3.7。

灌油口

LCoS 面板 膠合位置

圖2.3.7 LMS-XT KERNEL 資料來源︰LMS

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 2.3.8 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，如：

‧ 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 面板膠合生產技術；

‧ 光學元件之定位及生產技術；

圖2.3.8 為 LMS 光機之架構簡圖

5. 3-PJ Lens：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 形正六面體稜鏡如圖 2.3.9 所 示。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使用。

這種設計方法的 LCoS 背投電視已在西元 2003 年由 Kolin 發表上市。

投影鏡頭

B LCoS 面板 G

R

PBS

圖2.3.93-PJ Lens 外合光架構

6. Off-Axis︰S-Vision 和 Aurora 開發了一種離軸設計方法，用這種 方法，光斜著照射到 LCoS 面板。因此入射光和反射圖像沒有 PBS 也能分 開。這種簡化設計的傾斜光照，導致許多傾斜角出現，使得彩色的分離和 複合變複雜，需要一個更完善的非球面投影透鏡，如圖 2.3.10 所示。離 軸的設計有著較高對比的優勢，系統設計是將分光、合光元件分開，但仍 在面板的同一邊，系統對比較高，但是離軸的設計比較少見，因為必須要 使用昂貴的非球面鏡。三片式 LCOS 結構的體積、重量及價格都不符合未 來趨勢，並且分光合光時難避免光量的漏失，而如何準確地聚焦將各色光 聚合，並對準到投影鏡頭，都是影響影像品質甚大的因子。圖 2.3.11 為 S-Vision 所提出離軸光機的概念，台灣三洋於西元 2003 年進行量產，但 因合光精度極高，RGB 三色對位困難，投影鏡頭量產不易，LCoS 面板不夠 成熟等因素，目前已停止生產。

LCoS Panel

圖2.3.10 off axis LCoS 合光工作原理

LCoS Panel

圖2.3.11 off axis LCoS 光機工作概念圖