Apple iPad LCoS技術 雷射互動投影 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone LED投影 DLP技術 微投影技術 微型投影 微投影機 雷射掃描 光機引擎 掃描元件

智慧型手機市場滋養 嵌入式微型投影躍然舞台

2011-09-09
在介紹被視為手機下一個殺手級應用的微投影技術前,先講一個小故事。在那個蘋果(Apple)iPod當紅的年代,摩托羅拉(Motorola)董事長桑德(Ed Zander)想爭取與蘋果合作,但賈伯斯(Steve Jobs)卻表示興致缺缺。桑德此時講了一段很睿智的話:「每個人出門必帶的三項東西:鑰匙、錢包、手機,而你的iPod…並不在這分名單中!」這個小故事說明了一件事:「在這個年代中,絕大多數可以被手機整合的產品,最終都會淪為手機的次要功能。」
iPod的成功帶動iPhone的熱賣,而市場上也出現iPhone將內建微投影功能的預測。的確,手機對現代人的重要性,難以言喻,曾經聽過朋友形容,出門沒有帶手機,就像沒有穿衣服一樣,很沒有安全感。其對人類的制約,已經到了難以想像的地步。尤其在智慧型手機出現後,人手一機,無時無刻都在上網、玩遊戲,稱它是人類最重要的生活伴侶(Life Mate),雖有點諷刺,但也是事實。

突破手機螢幕尺寸限制

顯而易見,智慧型多媒體手機將成為能整合電腦(Computer)、通訊(Communication)、消費性電子(Consumer Electronics)等3C科技的唯一霸主。隨著消費者對於影音播放、網路瀏覽、電子郵件(E-mail)、臉書(Facebook)等多媒體應用的需求大增,觸控手機、平板電腦等行動電子產品的影音效能也不斷增強,2GHz雙核心強大繪圖功能處理器、千萬畫素相機、1,080p Full HD高畫質影音攝錄播放、7.1多頻虛擬環繞音效均是炙手可熱的新規格,這些配備除了大大提高行動裝置對影音運算的處理能力,也讓感官享受如親臨劇院般的影音饗宴。

然而,可攜式電子裝置的顯示螢幕受限於產品體積,即便影音功能再強大,3.5吋甚至4.3吋螢幕的視覺效果,仍很難讓消費者有大尺寸影像分享的暢快感,而能突破螢幕先天尺寸限制的微投影功能(圖1),將成為最佳的解決方案。

資料來源:Symbol
圖1 微投影機內建於行動電子裝置

微投影市場逐步起飛

國外產業分析單位WTC表示,可攜式與內建式的微型投影模組市場將於2011年後迅速開展,每年的成長幅度驚人,未來有機會繼照相功能後,成為下一個手機的標準配備。

國際市調機構Insight Media則預估2014年時,包含手機、數位相機、筆電(NB)、遊戲機等可應用微投影技術的消費性電子載具之市場可達二十八億台(圖2),而外接與內建式的微投影機出貨量則將達三千一百萬至七千三百萬台(圖3)。

資料來源:Insight Media(2009)
圖2 2007~2014年各類消費性行動裝置出貨量分析

資料來源:Insight Media(2009)
圖3 2008~2014年微投影機模組出貨量分析

此外,根據DisplaySearch於2010年的預估,微投影機的市場將由2009年的五十萬台(1億1,700萬美元營收),成長到2018年的一億四千二百萬台(139億美元營收),其營收之年複合成長率(CAGR)高達70%(圖4)。參考上述各市調單位所做的評估,可預見未來微投影機市場的確存在龐大商機。

資料來源:DisplaySearch(2010)
圖4 2009~2018年全球微投影機出貨量和營收分析

微投影技術日漸成熟

微型投影技術依其顯示原理主要可分為雷射投影與發光二極體(LED)投影兩大技術;LED投影技術即沿襲傳統大型投影機技術,透過犧牲亮度來達成微型化目的,其顯示技術較為成熟。

若依其內關鍵的顯示元件,主要可區分成兩大陣營,一是由德州儀器(TI)主導,以數位光學處理(DLP)技術為主,國內的揚明光學、奧圖碼、宏等均採用此技術進行開發;另一系統則為3M主導的反射式矽基液晶(LCoS)技術,國內的奇景、立景、天瀚為投入廠商。

整體而言,DLP的色彩表現較佳,但由於顯示元件微振鏡陣列(DMD)的製程複雜,每一個畫素需要一個微振鏡來負責顯示,隨著解析度提高(>VGA),元件良率將成考驗,導致高解析度產品的成本不易降低。另外,此技術被德州儀器掌握,下游的模組業者只能被動接受。

相較之下,LCoS的結構較易製作,可利用半導體製程降低元件成本,較易提高解析度,但其須採用極化偏光來反射成像的方式,零件較多、成本增加,組裝也較複雜。另外,以單顆白光LED作為光源,也造成畫質偏白、影像對比差等缺點。除此之外,LED投影模組的整體出光效率只有約10%左右,且易受熱影響,使得目前的亮度仍低,導致市場接受度不如預期。

根據Insight Media的市調報告與系統廠的意見回應,微投影光機至少須小於5cc,才有機會進入手機,3cc以下則是更理想的尺寸,而目前業界所展出的光機約7~14cc,仍無法被手機廠所接受。

反觀,雷射掃描則為下世代令人期待的微投影技術,具有高亮度、高對比度、廣色域、低耗電、不用對焦等特點,掃描元件與光機更具有結構簡單,可達成最小之模組體積,目前已知可達成3cc以下的尺寸,實為未來最適合內建於行動電子裝置的技術。

目前國內外所展示的微投影機大多屬於以LED當光源的DLP或LCoS微投影技術,主要以外接式的微型投影機產品為主,而也有少數已內建於電子產品內,如三星(Samsung)所展示的投影手機,或尼康(Nikon)具有投影功能的數位相機等。

不過,因LED投影技術仍有體積過大、須要對焦等先天缺憾,導致投影手機的體積過大,影響行動投影的便利性,限制投影技術在行動電子裝置的市場發展。目前國內外微型投影機廠商所採用的微型投影技術以LCoS技術較多,其比例約占80%,其餘20%則為DLP技術和微機電光掃描晶片(MEMS Scanning Mirror)技術;投影顯示的解析度則逐漸由VGA往WVGA和SVGA發展;亮度部分則由8~10流明提升到15~20流明。

根據康寧(Corning)對微投影機技術市場於2009~2011年導入時機的分析,如圖5所示,LCoS技術與DMD兩種技術,因為已發展多年較為成熟,將較早進入市場。但LCoS技術因光機效率不理想,較適合應用於外接式(Companion)投影的應用。DMD雖然效能較LCoS好,但其晶片價格昂貴,在價格上較不具競爭力。雷射光源搭配掃描面鏡的投影機制,則是能達成高品質、高效率與高解析度的方案。

資料來源:New Micro-Projectors Metrics by Corning,Projection Summit 2008
圖5 微投影機市場導入發展預測圖

國外的研究單位與廠商看好雷射掃描技術的潛力,已積極投入發展雷射投影技術,不過此技術的門檻甚高,需要光源、機構、系統、微機電元件等不同性質的廠商參與,才能完成整個光機電系統的整合。

以微型掃描元件為例,必須同時兼具體積微小化與快速掃描的能力,目前國外領導廠商如MicroVision、Nippon Signal等能提供約18kHz左右的MEMS微振鏡掃描速度,可符合WVGA等級解析度的畫面需求,而下世代需求的720P解析度,則須具備24kHz以上的高頻掃描能力。

在雷射投影系統部分,由於使用於攜帶型產品上,必須解決各種手持投影之情境所產生的失真問題,目前國內外尚無法展出可以自動補償投影失真的技術,故須建立此技術才能做到真正隨時隨地進行投影操作的目的。此外,在雷射光源方面,目前紅藍光源為各自封裝。雖然目前已有微型化的綠光雷射出現,但如何能再縮小光源模組的體積,則是影響雷射投影發展的重要因素。

最後在光機引擎部分,須透過光學鏡組將紅綠藍(RGB)三原色準直,才能掃描出完美影像,但各元件膠合後仍會產生些許位移導致RGB光點錯位,使得影像失真,故如何進行精密、快速且可靠的組裝,將會關係到模組成本與可靠度。

雷射掃描投影需要的紅、藍、綠雷射光源來源部分,其中紅光雷射二極體已成熟並大量運用於DVD播放機等產品上,而針對雷射投影需50~100毫瓦(mW)的高功率紅光雷射,也先後有三洋(Sanyo)與三菱(Mitsubishi)等廠商提出;日亞化學(Nichia)和歐司朗(Osram)則已開始量產適合雷射掃描投影,波長為445奈米(nm)的純藍光雷射二極體。

而綠光雷射部分,早期有美國康寧與德國歐司朗採用綠光倍頻方式製作綠光雷射,但隨著半導體綠光雷射的發展快速,日亞化學已於2010年8月開始提供波長515奈米,可直接發出綠光雷射的樣品,預計2011年7月開始量產,歐司朗和Soraa等公司也將於2012年陸續導入綠光雷射二極體量產,因此微掃描投影所需的低成本雷射二極體光源於2011年開始商品化,預估2012年將開始邁向快速成長的階段。

目前國際間積極投入以半導體雷射(LD)或LED作為光源的微投影模組開發的公司包含三星、樂金(LG)、德州儀器、3M、Nippon Signal、Explay、Symbol、MicroVision等,並陸續發表出規格相似的原型機,市場亦有部分產品上市,但評估其真正能做到微型化、技術成熟、價格合理、低系統功耗、高亮度等需求,而能全面普及至手機、數位相機、筆電等微型行動電子裝置內,則應是2014年之後。

雷射掃描/LED微投影仙拼仙

雷射掃描為目前最新的微投影技術,主要以微機電技術製作的微型掃描面鏡為關鍵元件;其與現行LED微投影技術的比較,可彙整如表1所示,主要的差異包含以下幾點:

光源特性
  採用RGB雷射作為光源,提供高達5000:1以上的對比度,色飽和度更達200%NTSC以上,可大幅超越目前的LED微投影技術約100%NTSC的色域水準,提供最極致的畫面品質。

光機引擎
  結構簡單,無需複雜的極化分光與對焦鏡組,目前已可做到3cc左右,未來更有潛力實現1cc以下水準,相較LED投 技術8~14cc的體積,雷射投影機制具有最佳的內嵌發展潛力。此外,光機引擎的出光效率高達60%,遠優於LED技術12~18%的水準。

掃描元件
  可利用微機電技術進行批次量產,實現最低的元件成本;此外單一微振鏡即可完成高達720P(1,280×720)的投影解析度,在相同的解析度時,DLP技術則需近百萬顆的微振鏡陣列來達成顯示,導致良率與成本無法降低。

系統功耗
  雷射輸出功率依據影像個別畫素的色彩而調變,可大幅降低光源的平均耗電。根據美國康寧於2007年11月所發表的專文,一般影像的畫面僅需雷射全功率輸出的35%左右,相較於其他投影技術須要在投影過程中維持光源恆亮或RGB循序三分之一時間恆亮的狀況相比,在低耗電量上極具競爭優勢。此外,雷射光源還具有不用對焦的最佳特點,實為行動投影應用最適合之技術。

總結雷射投影技與LED投影技術的比較,具有掃描元件與光機結構簡單、MEMS元件可批次量產、雷射廣色域、不用對焦等特點,市場競爭優勢多,可望成為下世代的主流技術。

雷射雙面投影創新應用

行動投影帶動的新興市場雖然相當具有潛力,但還是要找到創新的應用模式才能讓單純的手機投影創造突破性的市場價值。

工研院曾提出一種創新的應用思維--雷射雙面投影手機,此概念源於未來手機將為人們出門唯一必備的工具,運用微型掃描面鏡的兩面均能反射光線的特性,可實現創新的應用情境(圖6)。

資料來源:工研院(2011)
圖6 雷射雙面投影概念

當有文字輸出或影音輸入等操作需求時,可讓手機站立於桌面,手機的兩側可同時向桌面發出兩道雷射光束,其中一道紅光向使用者的內側投射出虛擬鍵盤,另一道雷射光則向外投影出全彩的Vista電腦畫面。此時手機即可補足與筆電間的最大差距,即夠大的螢幕與夠大的鍵盤。而可進行高畫質影音播放、文書簡報處理、MSN網路視訊等動態畫面,即以手機執行目前筆電所具備的完整功能。

此種輸入模式相較於現行隨身電子裝置常用的語音辨識、掌上微型鍵盤,甚至最新的三度空間手寫輸入等機制而言,是真正能達成最快速輸入、最高辨識率以及最符合消費者使用習慣等人性化考量的輸入模式。

創新的應用模式除了可突破手機先天尺寸上的限制,更重要的是它賦予手機下一世代的殺手級應用。對於不願背負筆電外出或出差的消費族群,與認為夠用就好的省錢族,手機附帶的雙面投影功能,可望提升手機價值,甚至取代部分筆電的市場。

事實上,Digital Information Development的虛擬鋼琴鍵盤(圖7),即是採用類似的概念。而微型光學掃描面鏡,除了可以在雙面反射光束,也能在單面反射多個雷射光束,此即可將多個掃描畫面組合,形成更大或更寬的投影畫面,進一步提升微投影模組的投影尺寸。

資料來源:Digital Information Development
圖7 虛擬鋼琴鍵盤

雷射互動投影未來可期

資料來源:Sixth sense from MIT Media Lab
圖8 體感互動模組
美國麻省理工學院(MIT)的印度學生普拉納夫(Prarnav Mistry),則把實體世界和虛擬世界做巧妙的結合,打造出可穿戴的原型裝置,稱為Wear Ur World(WUW),利用手機已有的微型攝影機,搭配微投影機,及手機的運算與上網能力,即可實現一種全新的體感互動模組,可在手掌投影顯示鍵盤、計算機,或顯示某一本書的書評、乘車資訊,甚至新同學的資訊(圖8),此種應用若能成真,也將是微投影技術未來改變人類生活方式的應用展現。

(本文作者任職於工業技術研究院)

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!