投影機光學系統簡介第一章：前言如圖中所示，為一液晶投影器顯示系統之簡圖。

在此中，我們將其分為三個部分，1.照明系統、2.投影顯示系統、3.量測在照明系統部份中，我們要討論的是呈像與非呈像光學，另外，也會探討極化光學的部分。

在第二個部份中，要讓學員了解到液晶的工作原理和鏡頭呈像的工作原理。

另外在鏡頭呈像出去到屏幕的上方，我們要了解到一些繞射光學的概念。

第三，在量測部分，學員必須具備光度學與色度學的基本概念，才可以分析出呈像品質的好壞。

2-1 依顯示元件分類接下來在第一部份中，我們就依照顯示元件，將其分為LCD,LCOS 和DLP。

如圖中顯示是LCD 的實物圖，以及其之對應投影機的光機架構示意圖。

LCD為Liquid Crystal Display的簡稱，為穿透式之面板，這種微型面板技術開發最早，迄今已經有相當成熟的產品，主要有SHARP，EPSON，SONY三大廠牌，其中SHARP的3.6吋與6.4吋LCD面板，以及SONY的1.6吋LCD面板主要是搭配單片光機設計，而三片式光機引擎則採用1.8吋、1.3吋、0.9吋、0.7吋、0.5吋等LCD為其面板。

而此類型之光機面板則主樣有SONY、或EPSON兩家廠商所供應。

如圖中所示是LCOS之實物圖，以及他所對應之投影機光機架構示意圖，LCOS為Liquid Crystal on Silicon之簡稱，不同於穿透式之面板，其為反射式之面板。

在看好未來背投影是電視以及液晶投影之市場發展潛力下，國內廠商繼大使吋TFT之後，已經注意到液晶投影器關鍵零組件、反射式單精細，也就是LCOS面板的開發。

而由於LCD與DLP僅有少數幾家日本以及美國公司能夠供應，是屬於寡占的市場，因此這種使用半導體為機版的LCOS，史的台灣在發展上有著較大之優勢，也因此吸引較多的廠商來投注開發。

如圖中所示為DMD之實物圖，以及其以及他所對應之投影機光機架構示意圖。

DMD為Digital Micro-mirror Device 之簡稱，是由美國德州儀器TI，其利用微積電，mans之製程方式所研發的微型顯示器，DMD面板加上TI提供的驅動電路板，統稱為DLP，也就是所謂的Digital Light Process 技術。

單片式DLP光機設計在光線的處理方面，比LCD來的簡單，由於影像顯示版並沒有偏極化的限制，再加上分合色系統是由色盤，也就是所謂的color wheel 以及電子軟體所同完成，其光學架構大大的簡化，非常適合於大量生產。

2-2 依顯示元件數目分類接下來我們依照顯示元件數目，將其分為single panel、two panels、和three panels三種。

如圖中顯示的，是使用單片示LCD所組成的光機系統。

此設計採用sony出產的1.6吋微型面板，主要光路是利用拋霧燈於非球面透鏡，將光線匯聚於積分透境內，將光束均勻化後，做一極化轉換。

平行的打入紅藍綠三面濾鏡，而由於紅藍綠三面濾鏡的角度相隔2-4度，引此使得出色的紅藍綠色光，各以角度相隔4-8度打到液晶面板上面。

接下來我們來看在微型面板上面，內置於液晶面板上的micro lens，其中每一顆微小透鏡，將三束不同方向的光，送至R、G、B LCD xel上，形成一完整畫素，此類型光機利用R、G、B分合光的技術，所以光的利用效率會比較好，但由於雙色鏡對於光的角度較為敏感，同時和液晶面板的對位公差都非常的嚴格，這使得光機引擎的設計都非常的複雜，組裝公差上都非常言嚴格，所以量產上會有很大的瓶頸。

這是目前單光路穿透式LCD面板所面臨到的一個技術困難。

圖中顯示的是使用單片示DMD所組成的光機系統，如圖面所示，光源通常搭配一橢球型反射器，將光線具焦於積分光管，也就是Integrator rod 的入口處，光光管中達到均勻化後，經過傳遞透鏡，也就是relaid lens 呈像於DMD上面，而單片式的DLP光機的照明系統設計，在不同的引擎架構中相當類似，尤其以光均勻化和分色元件的一致性更高。

圖中顯示的是使用雙片示DMD所組成的光機系統，其架構與單片式DMD之架構類似，而目前市面上較少見到兩片式之光機架構，相較於單片式光機，主要應用於簡報用攜帶型之市場，兩片式之光機架構則是針對少量、高單價的professional之市場。

圖中顯示的是使用三片式LCD所組成的光機系統，如圖面所顯示，光源通常搭配一拋霧燈，在光機架構內分為紅、藍、綠三種不同顏色之光路，透過照明系統之設計，均勻且有效的照射在LCD面板上，另外，圖中將某一顏色，以此為例為紅色之照明通道relay之設計，搭配光和元件，如圖中所示之x-prism，使得光機可以縮小化，是目前LCD三片式光機最成熟之光學設計。

圖中顯示的是使用三片式DMD所組成的光機系統，同樣是將光線分成紅藍綠三種不同顏色之光路，均勻且有效率的照射在DMD面板上，不同於單片式的DMD，此種三片式之DMD光學架構，主要也適用於高階的professional之市場。

圖中顯示的是使用三片式LCOS所組成的光機系統,體積過大,不易攜帶2-3 依投影方式分類接下來我們用投影方式來分類，主要可分為前投式投影機和背投式投影機，如圖面所示，這是一般最常見之投影機，適用於會議簡報、家庭劇院等，在科技化的現代中隨著數位時代之來臨，們對於數位之需求也與日俱增，大尺寸的數位背投影電視之定位也在於此，他的光學主體和前投式並無太大差別，主要是搭配一個廣角鏡頭和平面鏡使其能在最短距離以達到大尺寸之要求。

第三章：元件之工作原理介紹3-1 Projection system接下來我們將投影顯示器分為：LCD、LCOS、DLP將其主要光學元件之工作原理，做一概念性之介紹。

在這一部分中，首先要再一次提醒各位，由於顯示元件如LCD、LCOS、DMD等，皆為非自發光性之元件，因此需要發光元提供必要之照明，然後透過鏡頭呈像於屏幕上。

因此照明系統設計的目的就在於使光之使用效率達到最高。

因此熟悉系統每個元件之工作原理，並了解其扮演之腳色，就成為首要的工作。

接下來針對LCD投影機，我們將其主要光學元件，如Lamp、UV-IR、Integrated lens等之工作原理做一概念性之介紹。

3-2-1 Lamp依圖中顯示，我們首先以LCD投影機來為各位介紹。

其主要光學元件有Lamp、UV-IR 等，接下來為了讓各位有一致性之觀念，我們首先從燈開始，按照光路行進的過程，為各位做一概念性之介紹。

如圖中所示，為燈之實物圖，另一個為燈之能量分布圖，在燈的部份中，首先我們必須讓各為了解到，燈源之空間角度分布，以及角度空間分布之能量為何。

了解到燈源之發光行為，才能對光源做一概念性之設計。

在第二部分，我們必須了解到燈之特性，所以我們必須要去量測，而量測方法為何，如圖中所示，為使用Goniometer量測之結果。

使用Goniometer可以量測光源，和它的近場分布和遠場分布。

另外我們也可以利用積分器，來量測光源在頻率空間上的能量分布圖。

如圖所示，為光源在波長空間上的能量分布圖。

隨著不同的波長，有不同的能量分布。

3-2-2 UV-IR Filter接下來我們介紹所謂的UV-IR Filter，如圖中顯示為UV-IR之實物圖，由於發光本身之光譜特性，包含著紫外光以及紅外光，因此在光機系統部分裡面，我們必須使用一UV-IR Filter來阻絕此波段之光源。

而UV光之害處，為破壞液晶分子，脆化塑膠元件，而IR 光之害處為使光機內部產生高熱，所以在光機裡面使用UV-IR Filter可以有效阻絕這些害處。

如圖面所顯示：在紅色部分為原來光之能量分布圖，使用一UV-IR Filter之後，我們可以有效的將UV波段和IR波段的光阻絕掉。

3-2-3 Integrated lens接下來我們來看itegrated lens，如圖中顯示為投影機的架構示意圖，首先在燈源部分，在未經照明系統優化前，燈源的空間分布如圖中所示，如果將此光源直接兆餘LCD面板上的話，將會呈現不均勻之效果，因此透過積分陣列透鏡，我們將原來的燈源切割成數個部分，由於數個光源其能量分布皆不相同，透過光學系統設計，我們將燈源呈像於LCD面板上面，由於互補之效果，因此，在LCD面板上可以達到均勻化之效果。

此為itegrated lens設計之目的。

3-2-4 Dichroic mirror接下來，我們來看Dichroic mirror，如圖中顯示，為Dichroic mirror之實物圖，在光機系統的安排架構中，我們通常將光路分為紅、藍、綠三個光路，為了達到分光之目的，我們利用caughting 之技術，將RGB三個光路分開，如圖中顯示，Dichroic mirror1將紅光反射，藍、綠光穿透，Dichroic mirror2將藍光反射，綠光穿透，利用此種技術，我們可以輕易的達到分光之目的。

3-2-5 X-cube接下來我們介紹X-cube，如同前面分光之目的，我們將光路分為紅、藍、綠三個光路，分別均勻的照射到LCD面板上面，X-cube主要的工作項目，就是將三種來自於RGB三個panel上之光源再次合起來，呈現一彩色之影像。

3-2-6 LCD接下來我們介紹LCD之工作原理，如圖中顯示為TN-typeLCD之工作原理，如圖顯示，當一偏極化光經過液晶層之後，轉為另一方向之偏極化光，在這個狀態，光是通過的。

當液晶層通過電壓之後，原偏極化之光通過液晶層之後，並不會發生轉向之現象，因此在這個過中，光是不會轉向的，也就是光不會通過LCD面板。

利用這種開關的技術，我們可以有效的控制液晶層，使光可以有效的達到開、關之效果。

圖中顯示是一Sony panel，Sony panel的特性是在於其接受進光的偏光角度是-45度，而經過液晶層之後，其出去的偏光角度是+45度。

以圖面顯示來看，原來一道光為 s wave，經過LCD 面板之後，變為一個+45度偏極化之光，再經過retarder和polarizer之後轉為 s wave，再經過x-cube。

整個過程可以解釋成如下：s wave 經過polarizer和retarder之後，再進入液晶面板之前為-45度之偏極方向，而經過液晶層之後，將轉為+45度方向之偏極化方向。

再經過polarizer 和retarder之後轉為s化之偏極方向，最後s way的方向可以通過x-cube。

因此利用這種偏極化轉化的技術，我們可以有效的控制光on與off之狀態。

類似於sony panel，此為Epson panel的例子。

不同於Sony panel，Epson panel接受的進光角度是0度，也就是所謂的P wave，而其out put的角度為90度，也就是s wave，整個光的行進過程可解釋如下：一s偏極化之光，經過retarder和polarizer之後轉為P wave之偏極光。