結合高畫質節目與內容的數位電視產業，在各國政府的主導推動之下，已成為後PC時代中的目光集中焦點。而在數位電視時代來臨之際，與目前主流發展尺寸相近的電漿與背投影顯示器，由於具有高畫質、輕薄、低輻射等特性，未來將在數位電視時代扮演重要的角色。

投影顯示器因為技術的快速發展，成為廣受市場矚目的數位顯示技術之一，本文將就投影顯示器技術原理與發展分析做一分析，以供讀者參考。投影顯示器，從家庭觀看到影片欣賞、辦公室會議簡報、學校動態影片教學、視聽消費場所及展覽場所等大型播放空間，均有相當不錯的效果。新一代的投影機，不再是傳統印象中體積笨重的龐然大物，轉而成為辦公室中靈活簡報的方便工具。

投影機產品發展藍圖

投影顯示器在技術上的發展，主要可以分成兩部分來看，在重量部分朝向輕量化發展，平均重量的下滑正是投影機產品在市場競爭力的增加。但從另一方面觀察，發光效率的提昇，從6lm/w到12lm/w在在顯示投影機不單只需要在重量上做改進，在亮度與解析度的進展更是眾多工程人員辛苦努力的焦點所在。2002～2006年投影機技術發展，如(圖一)所示。

《圖一　2002～2006前投影機產品技術藍圖》 資料來源：資策會MIC，2002/03

在投影顯示器部分，一般常分為前投與背投兩種。主要的差異在於人的眼睛是從螢幕哪個方向看到影象，如果從前方看到，通常稱為前投影顯示器。反之，如果從螢幕後方看到影象，則稱為背投影顯示器，前投與背投影顯示器產品定義與應用市場，如(表一)所示。

投影顯示器在技術分類上來說，主要可分為CRT、LCD、DLP、LCOS等，其中，類比式技術主要有CRT，其他的則是數位顯示技術。數位式技術可以分成穿透式與反射式兩種，而整個技術的分類，如(圖二)所示。

《圖二　投影顯示器技術分類》 資料來源：資策會MIC，2002

投影機產品技術分析

CRT投影機技術分析

整個CRT的構造如(圖三)所示，CRT主要分成六個部分作說明，A是陰極射線管，B是傳導性塗佈，C是正極，D是螢光粉，E是電子槍，F是鐵鎳阻罩，整個CRT的工作原理是藉由映像管底部的加熱器加熱陰極（Cathode）以釋放電子，在加熱過程中帶負電荷的電子受映像管前方帶正電荷電場所吸引而往前進。當電子往前移動時會先經過電子槍進行聚焦以及加速的動作形成電子束並繼續前進。CRT有三種不同的燐光質，紅、藍與綠，當這三種螢光質激發（Excited）時，可以由三原色組成各種不同的顏色。

《圖三　CRT構造圖》 資料來源：How Stuff Works網站，2001

介紹完CRT的運作原理後，接下來看到的是CRT投影機所使用的構造，整體三槍的呈現，如(圖四)所示，目前比較常使用的CRT映像管的尺寸，主要有7吋、8吋與9吋三種。

《圖四　三槍式CRT投影機結構圖》 資料來源：USPL，2001

在整個CRT的技術當中，受到幾項限制，主要包括以下幾個部分－

而隨著新技術的發展，新的數位投影機技術在成熟之後，價格上會與CRT接近，整個數位投影技術對於CRT的滲透率（Penetration Rate）會逐年提高，如果在技術進展順利與廠商積極投入之下，整個市場的發展會和現在LCD監視器取代CRT監視器有異曲同工之效。

LCD投影機技術分析

投影機目前所使用的液晶顯示面板，絕大多數是電子漂移速率較快的Poly-Si TFT LCD，電子漂移速率慢的amorphous-Si TFT LCD因為無法符合高解析度及高亮度需求，已經淡出市場。

整個LCD的投影方式，如(圖五)所示，在此主要是光源通過濾鏡、分光鏡，在X-prism折射之後投影至螢幕上。

《圖五　X-Prism LCD投影機架構圖》 資料來源：How Stuff Works網站，2002

在數位投影機關鍵零組件部分，在面板尺寸的發展上面，LCD先是以發展1.8吋XGA的產品，接著1.8吋的產品往兩個方向發展，一是提高解析度、二是尺寸縮小，因此可以從(圖六)中看到1.8吋陸續發展XGA、SXGA與UXGA三種產品，至於在新的面板尺寸部分，剛開始出現的面板尺寸剛開始發展時，不容易做到高解析度的面板，產品會隨著時間往更高解析度發展。在此嘗試用一種比較簡單的方式思考，一塊面板的尺寸是固定的，而面板愈小，要能夠做到相同解析度的晶片是不容易的，至於面板技術的進展的關鍵，則在於相同尺寸的面積上能否作到更高的解析度。

《圖六　LCD投影元件產品技術藍圖》 資料來源：資策會MIC，2002/01

DLP投影機技術分析

在DLP技術部分，DLP（Digital Light Processing）是德州儀器（TI）的獨家技術，所採用的技術是反射式（Reflective），所採用的晶片稱之為DMD（Digital Micromirror Device），DMD的晶片是使用微機電系統MEMS（Micro Electromechanical Systems）的產品，由於使用多達四十多道光罩製程，因此成本不容易降低，而整個DMD晶片構造，如(圖七)所示。

《圖七　DMD晶片構造》 資料來源：TI

而由於DMD是由多片不連續小徑子在SRAM chip的絞鏈上，含有多片可以左右擺動的類似蹺蹺板的機構，鏡片可以擺動10度至14度。當光源投射時，DMD鏡片可以藉由數位驅動方式將光線反射至投影鏡頭上。

在DLP光機技術部分，主要有兩種，一種是傳統的色輪式Color Wheel的投影機，如(圖八)所示，另一種則是使用SCR技術的投影機，如(圖九)所示。光線在通過空心或是實心的光線整合器（Light Integrator）後，經過Color Wheel，再經過Relay Optic後藉由DMD鏡片反射至螢幕上。在新的SCR技術引進之後，整個產品在2002年下半年開始交貨，可以增加40％亮度，並且在色彩飽和度部分也有提昇。

《圖八　原單片式DLP光機架構》 資料來源：TI、資策會MIC整理，2002/01

《圖九　DLP新SCR系統》 資料來源：TI，2001 註:在DMD產品技術藍圖部分，如(圖十)所示，DMD最早是由0.9吋發展XGA，再繼續發展SXGA以及更小的0.7吋部分，DMD主要的構造是由一組小鏡子加上CMOS的基板，便是一個完整的DMD晶片。

《圖十　DLP投影元件（DMD）產品技術藍圖》 資料來源：資策會MIC，2002/01

LCOS投影機技術分析

LCOS是目前最被看好的背投影技術，LCOS之所以適合使用在背投影產品，主要有幾項特性。包括產品Cost Down能力高，因為LCOS從整個材料成本上來看，相較於LCD與DMD技術，所需要花費的成本最低，而背投影電視屬於消費性產品，成本佔有非常重要因素。

《圖十一　LCD、LCOS、DMD技術理論值成本比較圖》 資料來源：MCG，2001

LCOS（液晶矽顯示）是一種新型微顯示技術。普通液晶顯示器由於採用透射式工作原理會造成照明光被吸收從而導致亮度不高，因此液晶顯示器的用途受限。而液晶矽顯示器由於採用了反射式裝置，在功耗相同的情況下光源產生的光將更多地經過光學傳輸介質從而提高亮度。LCOS從面板結構上觀察，整個結構如(圖十二)所示。

《圖十二　LCOS產品結構圖》 資料來源：Spatial Light，2001

液晶材料塗於CMOS矽晶片表層。晶片包含了控制電路，並在表層塗有反射層。在晶片外部或者內圈設置有隔離器以保持盒厚的均勻性。盒厚只有1微米左右。取向層可以確保液晶分子取向一致。

由於讓液晶通過一部分電流是必要的，在晶體上部加設了一個次級透明電極。玻璃基板用以保護液晶和穩定液晶的位置。LCOS微顯示器採用的是扭曲向列相液晶材料。當電流到達晶體時，液晶分子的扭曲程度會發生變化。根據這個原理，光束要首先通過一個起偏器以使光波傳播保持特定的偏振方向，然後在液晶介質中光的偏振方向隨著液晶分子扭曲方向的變化而變化，接著光束又經過LCOS反射表面的定向反射，然後再穿過一個檢偏器。

《圖十三　LCOS產品結構圖》 資料來源：UMC，2001

目前比較著名的LCOS發展廠商，主要有兩個部分，一個是以美國矽谷IC設計公司聯電LSP（LCOS Strategic Partnership Alliances）合作的廠商，其中較具代表性的如TFS、Aurora System。另一部分是日系廠商，目前推出產品比較順利的有JVC與Hitachi，其中，JVC是公認可以量產、受到市場肯定的LCOS技術，而JVC特別將旗下的LCOS產品取名為D-ila。由於LCOS的優勢在於發展超高解析度的面板，因此可以做到最高QUXGA的產品解析度。

在LCOS的光機部分，由於各家開發的光機系統各不相同，在此提出一些常見的光機種類：LCOS光機引擎種類很多，可分為同軸（on-axis）和離軸（off-axis）兩大類。同軸式光學零組件本身的對稱線和系統的光軸重合，而離軸式則是因光學引擎中中心軸偏離光軸上，看起來較不對稱。

Four Cube型三片式

光機之特色主要由一顆X-Prism與三顆PBS組織成像系統，因此稱為4 cube。利用積分透鏡（Integrated Lens）與偏光轉換器（PS-Converter）獲得空間均勻的S方向極化光，經分色鏡（Dichroic Mirror）分成紅綠藍後分射入三顆獨立的極化分色稜鏡（PBS），由於此時光束為平行於極化分光面的S光，被稜鏡膠合面分別反射入R、G、B LCOS面板。出射後的R、G、B之P極化光在稜鏡的膠合面穿過，直達X-Prism重新聚在一起，經投影物鏡放大在銀幕上。此光機是屬穩健成熟的設計，可獲得高對比的畫質，但唯一的缺點是光機的體積過大，不適於攜帶型投影機的市場。

《圖十四　Four-cube系統》 資料來源：Spatial Light，2001

Philip Prism型三片式

Philips Prism分色系統最基本的概念來自Lang與Bouwhuis於1965的專利，最早使用在單一路徑稜鏡模式的彩色電視攝影機。此光機的工作原理是利用一空間均勻的S偏極光進入廣波域PBS（W-PBS）反射入第一個藍色全反射稜鏡，黃光（由紅和綠色組成）穿透藍色稜鏡，藍色經鏡面反射和全反射後到達藍色LCOS面板，經面板反射回PBS稜鏡並穿透到達鏡頭。

黃光在剩下的旅程中再被分為紅色和綠色的光，紅色經鏡面反射和全反射後到達紅色LCOS經過藍色稜鏡和PBS稜鏡和藍光聚合。綠色光在經過LCOS反射後回程和紅藍稜鏡再次照面走過PBS稜鏡在鏡頭會合。

Philip Prism雖然使得三片式LCOS光機引擎的體積縮小化，但是該Philip Prism的鍍膜規格要求卻非常高，理由是分色用的鍍膜面必須同時滿足S與P偏極光的規格需求，因此造成Philip Prism的造價成本過高，生產良率偏低。

Color-Wheel型單片式LCOS光機引擎

接下來介紹的是(圖十五)單片式LCOS系統，和DLP的Color Wheel是可以共用的，也是單片式架構，優點是成本可以降至低廉於單片式DMD的價格，缺點是LCOS的產品性能還無法突破，目前在亮度以及對比的表現部分有待加強。

《圖十五　LCOS光機架構—單片式Color Wheel》 資料來源：Spatial Light，2001

離軸型三片式

該光機比Four-Cube型光機少了三顆昂貴R、G、B的PBS，它可以使用大部分的穿透式光學零件，成本幾可和使用同尺寸大小的穿透式LCD光機引擎相當。光線在均勻化後作極化轉換進入X分色鏡，分成R、G、B三原色，此三色光以上仰角12度打到LCOS液晶板上，再反射進入X-Prism進行合光，最後由投影鏡頭成像到螢幕上。離軸設計使得分光與合光完全分離，每一個顏色通道上的偏光片都可獨立調整，以提高對比度。但是投影鏡頭必須採用離軸設計，加上超長的後焦距，卻使得生產成本增加與量產良率降低。由於投影鏡頭無法採用遠心設計，容易造成R、G、B影像的放大倍率不一致，必須費時調整Field Lens的位置做為倍率修正，增加了光機組裝的時間。

結論

綜合先前所述，前投影機市場目前屬於HTPS LCD與DLP兩種主要技術的競賽，兩種技術各有所長，LCD因發展較久，在技術上較為成熟，也是目前主要的技術；DLP雖然沒有LCD如此長久的歷史，但是DLP以單片反射式技術能夠在短短數年之內奪下LCD的江山，必然有其過人之處。DLP可以做到2磅以下的特性，是目前此一技術傲人之處。至於在LCOS部分，由於光機和面板技術仍未成熟，儘管仍是相當多廠商的最愛，但是何時這個最愛能夠早日出人頭地揚眉吐氣仍是未定之數。

@下期預告

本文為讀者介紹了投影顯示器的基本原理與技術分類，下期本刊將從市場面切入，繼續就廠商發展現況與趨勢，為讀者更進一步深入剖析此一產業的完整樣貌，敬請期待!

感謝工研院光電所林俊全課長提供LCOS光機資料