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微投影光機應用光源 LED、雷射光源的成本與效能之爭

  • 洪千惠

LED光源挾其低成本優勢,持續搶進微投影光機運用光源市場,即便雷射微投影光源具較佳微縮尺寸、更高的光源使用效率,加上雷射光源無需對焦優勢,但成本高導致較難在嵌入式設計方案出線,尤其雷射光源仍有良率改善問題,面對已於紅光、綠光效率提升的LED光源,LED仍為微投影光機模組應用光源主流方案...

在微投影機的設計方案中,影響光機(Optical Engine)效能關鍵,其實就在於投射光源的應用選擇,目前微投影機設計方案,與傳統投影機一樣,在整個設計架構中不管技術如何微縮、改進,唯一不變的就是需要一個穩定、具高亮度的投射光源,來達到投射影像的設計目的。

LED固態光源,已可在各色光LED均能提升一定程度的亮度表現,可因應微型投影機所需的投射光源設計方案。OSRAM

雷射光源在關鍵零組件大量投產後,成本勢必再經壓縮,有助於未來微投影光機雷射光源方案的成本壓縮與模組微縮設計需求。OSRAM

微投影機的光機模組,同時將光機、光源整合方案,可有效壓縮模組尺寸,圖中體積僅7cc的光機模組已具SVGA解析度畫面投影性能。syndiant

採用LED光源之微投影機,產品厚度較為明顯,因為必須追加主動散熱與光源模組、光學鏡片處理投影畫面對焦。Favi

LED或Laser光源導入 影響微投影光機模組性能

目前可用的微縮光源方案,主流選項有雷射光源、LED光源兩種,兩種設計方案各有優劣,雷射光源技術的重要技術差距在於,雷射光在物理條件下本身聚光效率高、免對焦應用優勢,尤其免對焦優勢,更是微投影整合雷射光源的最重要的成長趨力,加上雷射光源的微縮設計更具優勢,因為利用三種雷射色光,直接調變出投射所需的光影色彩,簡省大量的光學透鏡設計系統佔位問題,更能迎合微投影光機持續「微縮」的設計方針需求。

而實際的狀況卻是,因為雷射光源在生產良率上仍有相當大的改善空間,同時雷射光源的取得成本現仍偏高,造成具低成本優勢的LED光源,雖無雷射光源優勢,卻仍佔市場主流優勢位置。

LED光源設計方案,早期LED單顆元件的亮度提升水準有限,加上紅光LED與綠光LED的亮度改善方案,早期無法滿足微投影光機的高流明、低功耗設計要求,限制初期導入微投影設計方案的LED光源表現,但現在LED製程已可達到大幅拉高紅光、綠光輸出效率,已能滿足微投影光機的光源要求,同時LED光源整體優化亮度、驅動功耗等元件性能表現,LED光源在微投影應用已具大幅導入優勢。

各色LED光源效率相繼提升 壓縮雷射光源市場空間

即便微投影光源在嵌入式微投影光機模組設計方案中,雷射光源方案更具導入優勢,但在良率與成本問題考量下,更具成本優勢的LED光源即便在光源體積無法如雷射方案大幅微縮,但卻可因本身的技術方案的成本優勢,讓微投影嵌入式光機的導入成本更為壓縮,增加產品導入微投影設計方案的成本誘因。

以歐司朗光電半導體(OSRAM Opto Semiconductors)的嵌入式LED光源方案,利用提升InGaAlP(磷化銦鎵鋁)的薄膜晶片與綠色磷粉體的設計方案,已可將嵌入式微投影機所採用的LED光源,自僅10lm/W光電轉換效率,提升至15lm/W,整體嵌入式光源方案可讓口袋型微投影機LED光源,可在維持有限尺寸的前提,產生近300流明的畫面投射亮度,甚至朝500流明設計目標努力。

在新技術加持下,以往微投影光機使用LED光源,礙於綠光輸出效率過於低落,為了達到輸出平衡光色,將整體光源僅能以綠光輸出能力而受限,利用藍光高效率輸出加上磷粉光色變更的製程處理,已可令綠光LED不再成為限制微投影LED光源的整合限制,不僅在光電轉換效率同步提升,同時也使得光源輸出表現有了新的突破,甚至加上原本LED光源即較雷射光源成本低廉,即便LED光源無雷射無需對焦與體積小巧優勢,光成本低廉、亮度倍增效益,已讓LED光源應用成為現有嵌入式投影光機的首選方案。

尤其在InGaAlP薄膜晶片的設計方案中,相關研發實驗室已號稱開發出新一代僅1平方毫米的紅光薄膜晶片,在以40mA電流驅動下可達到超過60%光/電轉換效率,發光效率可一舉達到每瓦超過200流明輸出,若採行350~400mA高功率驅動亦可達到50%以上光/電轉換效率,達接近每瓦170~200流明輸出水準。綠光LED設計方案中,以基於藍光晶片ThinGaN技術於封裝之光學材料加入綠色磷粉摻入光學封裝來處理光色轉換,亦可將綠色LED發光效率提升至接近其他光色LED。

雷射光源在成本與良率問題 初期限制其技術應用範圍

即便發展初期受成本較高影響,但以微機電系統(MEMS)為技術底層基礎的微投影光機發展,可望在雷射光源關鍵元件量產與成本壓縮下呈現大幅躍進趨勢。尤其是直接放射之綠光雷射二極體(Direct-emitting green laser diode)於2012上半年量產,預估可使微機電MEMS雷射微投影光機改變以往採合成綠光技術的光源模組尺寸限制,可在光源設計段即大幅壓縮尺寸,讓光機的整體厚度持續優化至7mm以下,同時兼具投射高解析度畫面的功能要求,增加行動裝置製造商導入嵌入式設計光機方案的誘因。

在OSRAM、EpiCrystal及Corning等大廠的綠光雷射二極體積極投產後,可帶動更輕、更薄、能源效率更高的光機發展開發基礎更趨完整,也可讓原先在雷射光源與微機電MEMS矽反光鏡技術成本較高的雷射投影光機模組,進一步壓縮光機的整體成本,如此一來,微機電MEMS雷射微投影光機模組才能更能滿足導入智慧型手機、平板電腦等行動產品,所需的微縮尺寸、投影效能之要求。

使用雷射光源的光機模組方案,可簡省調焦之光學透鏡組件,讓光機體積更具微縮優勢,加上無光學透鏡處理可讓光效率直接發揮,而不會因為光源出輸流明與無法100%與投射影像對比的落差,同時雷射光源光機方案不需要增設導光板、主動散熱輔助設計,也能讓整體作為嵌入式應用時,讓設備體積不致於因為嵌入方案而被迫增加產品厚度。

不只是Microvision的MEMS微投影光機方案,雷射光源的優勢即便初期成本較高,也開始受到其他微投影技術陣營關注,例如數位光源處理(Digital Light Processing;DLP)、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon;LCoS)微投影機技術,均有試做搭載雷射光源的光機方案,導入較明顯的改變即產品體積更為縮小、運行功耗改善等。

但雷射光源也並非具完全優勢,因為雷射二極體即便各大廠已積極投產,目前成本仍高於LED光源,而光機使用的微縮化光源模組的良率改善仍有相當大的空間,同時,若與數位相機、數位攝影機等消費性電子產品嵌入整合,仍須考量光源的安全性、光斑問題。此外,雷射光束與微機電(MEMS)矽掃描鏡之間的光源與反射互動,所產生影像失真問題,也必須搭配多種光學掃描補償技術改善,相關的基礎技術研發仍須持續補強現有技術,才能讓雷射微投影光機更具市場競爭力。

雷射光源具微縮模組優勢 後勢值得持續關注

而雷射投影光機,即便基礎技術的物理特性,具小巧、免對焦優勢,但只要搭配微機電MEMS矽反光鏡互動機制下,就會出現整體投影成像的失真問題,例如投射亮度不均勻、光機本身光處理造成的畫面失真、同步訊號造成畫面失真,甚至是光機錯位所造成的失真問題,必須利用針對性的技術進行改善與光學補償,進而提升雷射光源微投影光機的投影亮度、銳利度、色域漸層表現、畫面的均勻度等,同時仍須改善光機設計造成的投射畫面扭曲修正。

目前採行紅綠藍雷射光源方案搭配微機電MEMS矽掃描鏡技術方案,以可開發6~8cc體積的雷射投影光機,已經可以比LED光源微投影光機方案縮小2成系統佔位空間,同時可具光損失小(無對焦處理光學透鏡、反射鏡)、體積小、功耗更低優勢,同時具備SVGA(800 × 600)輸出畫質。

而雷射光源的微投影光機整合方案,由於早期設計方案為紅、綠、藍光雷射光源獨立整合成單一模組,再與微機電MEMS矽反光光機模組進行整合,因此為縮體積仍有相當大的空間,未來甚至可以直接使用雷射二極體與MEMS掃描鏡的全面整合,還可將光機量產尺寸壓縮在5~6cc以下。