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一、機電光整合系統概述

1-1 光機電技術的歷史回顧

1-2 光機電系統之技術範疇

1-3 光機電系統應用與產業

1-4 結論

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1-1 光機電技術的歷史回顧 光機電(opto-mechatronics) 技術乃泛指整合光電(optoelectronic) 與機電

(mechatronic) 系統以操控光，使其具有所需之特性，並將其以能量

(energy)、訊號(signal) 或訊息(information) 的型式傳遞至所需時空領域，以

達成產品設計及生產過程所需求之工程技術。所以光機電工程技術的內涵

可以圖1.1 來表示，其涵括了「光」、「機」、「電」三個大領域，實體的

「光電」、「機電」或「光機」元件／次系統／系統皆是其中之基本構成

要素，由此可知，光機電技術在本質上是一個高度跨領域整合的工程技術。

光機電技術包含了三個最基本的技術元素：機電、光機與光電，所以實

有必要對此三種技術之演進歷史有一個基本的瞭解。首先是機電技術

(mechatronics，或譯作機電整合) 的發展。機電技術此一名詞最早見於1969

年日本安川電機公司(Yaskawa Electric Company Ltd.)用於以電子控制馬達

之應用；但一般廣義而言，機電技術乃泛指以電來驅動機械元件或系統，

再搭配控制器與控制策略以操控機械系統，使其在設計的時間點運動至所

需之位置，並使用機械或電之感測器以檢測其需求是否達成。由此觀之，

機電技術的歷史應更早，而其在過去也對整個製造與產品技術扮演了極為

關鍵之角色。

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而光機的技術是以機械元件操控光之運動，此在過去一般歸屬於傳統光

學技術範圍。光學技術於製造與產品之應用，雖然發展之歷史比機電更早，

但是其操控性卻無法有效的突破，其最重要之關鍵乃是光源之尺寸、不穩

定性與光的操控性(包括光的感測與檢測技術)，以致無法大量的運用於製造

與產品設計上。及至二十世紀初，愛因斯坦提出的光電效應讓光的理論架

構有了重大的突破，但上述光源的實際問題卻是一直到1960 年代雷射發明

後，方有長足的進步，尤其是在製造技術上更是突飛猛進，其包括了半導

體製程中最重要的光學微影技術(photolithography) 與雷射或光電相關加工

技術，雖然微影技術未必直接使用雷射光源，但很多光電及相關光學技術

之進步皆因雷射技術之發展所衍生而來，由此解決了以往傳統機電加工所

無法解決的問題，例如精度瓶頸與量產技術。

【補充】光機技術–以機械元件操控光之運動：

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【補充】光學微影技術(photolithography)：

基板

光罩

光阻

紫外光曝光

薄膜

基板 基板

薄膜

正光阻 負光阻顯影

薄膜

基板

薄膜

蝕刻

薄膜

基板

基板

薄膜

光阻去除

薄膜

基板

正、負光阻微影製程示意圖

量產型光罩對準 UV 曝光機

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同時，亦因半導體製程所發展之固態電子技術，讓發光二極體(light

emitting diode, LED)、半導體雷射及光電檢測元件等光電技術，在輕、薄、

短、小的功能需求上有長足之進步。而此種光電元件製程技術之發展，更

是導致光操控技術(尤其是光源與光感測技術) 的突飛猛進，而得以將光電

技術真正應用於產品設計與製造。但當要把光電元件運用於產品設計與製

造技術時，還需要加上整體系統特性要求之考量；透過將簡單的光電、機

械與光機元件組裝形成模組或次系統，再將這些模組與次系統組裝成完整

功能的系統，這整個設計、製作、組裝、檢測之過程與應用，便是光機電

技術需求之所在。

【補充】發光二極體(LED)「Active region」的原理：

一般 P-N 二極體與發光二極體結構示意圖

光

P-type N-type

Active region

cladding layer (high bandgap material )

P-type N-type

非常微弱的光

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【補充】發光二極體(LED)車頭照明之應用：

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圖1.2 為光機電系統演進與關鍵元件技術發展的關係圖，此圖以關鍵元

件技術發展之時程(水平軸) 演進來表現系統之價值或性能(垂直軸)。早期，

工程機具系統的主要目的在輔助人力，所以這時候只需機械元件(mechanical

element) 即可滿足此種需求；爾後，隨著發電機的發明與電力的引入， 工

程機具系統逐步取代人力， 引致越來越多的電機機械(electromechanical)、

電子(electronic) 硬體被應用在工程機具系統中，以提升系統性能。

然而，這種結合機構(mechanism)、電機與電子的機電整合，常受到硬

體接線之限制，較不具彈性且無法縮小體積，此趨勢直到1970 年代微處理

器的發明，可程式控制語言的發展以及個人電腦的發明，方解決了一個發

展可變、多功能、自動化機電系統之瓶頸問題。隨後，也由於以積體電路

(integrated circuit, IC) 以及微型計算機為代表的微電子技術被迅速標準化

及低價化的實踐，使得以生產系統自動化為主要特徵的機電整合技術之價

值與性能迅速攀升。

到了二十世紀1980 年代後，半導體及大規模積體電路微細加工技術的

興起，光(例如：準分子雷射、半導體雷射) 被廣泛引用於機電的整合技術

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中，由於光不具質量且傳輸不需介質(media)，且光機電系統有高能量密度

與高響應(response) 速度之優勢，藉由光電元件與機電系統的整合，大幅提

升系統性能。因此形成了一個新穎之光機電整合技術，其中包括以雷射、

電腦等現代技術所開發的自動化、智慧型機構設備和儀器的技術。二十世

紀末，資訊科技(information technology) 與奈米科技(nano-technology) 的發

展，讓我們重新思考物理、化學與工程的關係，也造成材料科技的蓬勃發

展。所以，光機電整合技術實質上屬於廣義的機電整合技術，是集機械、

電機／電子控制、資訊軟體、材料和光學物理等相關工程技術於一體，已

成為製造業的一個重要技術主幹。

在進入二十一世紀後，半導體微電子技術、微機電技術，以及雷射技術

的突飛猛進，加上快速成長的影像顯示產業與新興生物科技(bio-technology)

產業的驅動，更是給予傳統的光電、機械、材料、資訊、化工等工業一個

新的蓬勃發展契機：一個以光機電整合為手段來開創全新領域與目標的新

時代已經來臨了。

其次，由製造或生產系統之技術層次或尺度分析，亦可窺見光機電技術

整合之必然性。隨著產品精密微小化、資訊化與無線化的趨勢，產品設計

與製造技術亟需推動光機電整合技術之研究。因為這些新世代產品的設計

與生產製造所需之技術經常已不是傳統機構之定位或機械加工精度可及，

常需使用如微影技術或精密雷射之光學能量，甚或使用精密微細模具等，

以進行產品或相關零組件等之加工。

所以，一般光電產品如數位相機(歸類為光輸入)、網路通訊(光通訊)、

高容量數位儲存(光儲存) 或投影機(光輸出) 等，都直接使用光進行資訊之

處理與傳輸，光電與機電技術之高度整合便是這些產品的重要核心技術。

隨著平面顯示技術之普及化，個人用資訊產品具有行動化(mobility) 的需

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求，促成手機、個人數位助理(personal digital assistance, PDA)、數位相機，

乃至數位多媒體等多合一之行動資訊產品之研究與發展。由此可以看出整

合光輸入、光輸出、光通訊、光儲存技術，已使得吾人過去的夢想變得不

再是遙不可及，若能再使其與精密機電設計及製造技術有效整合，則將使

相關技術更成熟並逐步商品化，相信可以在不久之未來創造極大之商機並

造福人類。因此有效整合光電與精密機電設計與製造技術，將是未來光機

電技術之重點所在。

光機電技術在機電與光電整合歷史的發展里程碑如圖1.3 所示。其中，

在機電整合歷史的幾個代表性發展里程碑為：(1) 1920 年代自動輸送機具

(automatic transfer machine) 的發明， (2) 1950 年代有數值控制機器

(numerical control machine) 以及工業用機器人(industrial robot) 的發明，(3)

1960 年代移動式機器人(walking robot)、微電子製造的發明，(4) 1970 年代

有可程式控制器(programmable language control)、微處理機、磁碟機(floppy

drive)、個人電腦，以及自動設備(自動對焦相機、自動門、自動販賣機等) 的

發明，(5) 1980 年代有微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS)

的發明，(6) 1990 年代有具人工智慧機器人及遙控機器人(如登上火星機器

人) 之發明。

【補充】微機電系統(MEMS)

把玩微齒輪的螞蟻 靜電驅動式微馬達

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另外，在光電歷史發展則有：(1) 1950 年代全像術(holography) 以及光

纖內視鏡的發明，(2) 1960 年代氦氖雷射、半導體雷射、可調頻雷射(tunable

laser) 以及疊紋微影技術(moire lithography) 的發明，(3) 1970 年代電荷耦

合元件(charge coupled device, CCD) 感測器、光纖感測器的發明，(4) 1980

年代光碟片、原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM) 的發明，(5) 1990

年代互補性氧化金屬半導體 (complementary metal-oxide semiconductor,

CMOS) 感測器以及微光機電(optical MEMS) 資訊與通訊系統的發明。

在圖1.3 中，吾人可以很清楚的發現時間軸的兩端，當時間軸越往後走

時(在圖中為往上)，機電系統中整合加入了越來越多的光電元件技術；而光

電產品、製程技術中也隨處可見機電整合的技術。所以一個很清楚的事實

告訴我們：隨著光電與機電技術的蓬勃發展，在我們現在所處的二十一世

紀已進入光機電整合技術的時代，光電與機電技術兩者已密不可分的整合

成為光機電技術了。

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【補充】全像術(holography)：

像素 5 μm 四階全像片 “HELLO” 影像輸出

【補充】原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)：

利用尖端極細的探針在樣品表面或數至數十奈米的高度作平面掃描，

以兩者間之作用力為回饋來取得表面結構影像。依據探針特性的差異，可

對樣品做不同物理性質之量測，如原子力顯微術、摩擦力顯微術、磁力顯

微術、近場光學顯微術。AFM 優點為具原子級解析度、無成像環境限制、

且為非破壞性測。

Nanotechnology Gloden TV

FEEDBACKGENERATOR

DAN

GE

R

PIEZOELECTRIC CONTROL

REFERENCE SIGNAL

DISPLAY

LASER

LENSPHOTODIODE

試片：雲母片

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【補充】互補性氧化金屬半導體(CMOS) 感測器：

依其傳導載子的不同可以分為 PMOS 及 NMOS 二種。若將這二種 MOS合在一起使用則稱為互補式金屬氧化半導體電晶體，即為 MOSFET CMOS (Complementary MOS)。

Metal-Oxide-Silicon Field Effect

Transistor (MOSFET) 金屬氧化半導體場效電晶體

三種主要的 CMOS 設計結構：(a) P井 CMOS；(b) N井 CMOS；(c) 雙井 CMOS

ISFET biosensors (CHEMFETs)

PMOS 當在閘極(gate)施以負偏壓時，就會在氧化層下方薄區內感應出許多電洞，當在汲

極(drain)施加一個負偏壓之後，聚集的電洞就可經由源極(source)與汲極之間的通道導通。

NMOS 當在閘極施以正偏壓時，就會在氧化層

下方薄區內感應出許多電子。當在汲極

施加一個正偏壓之後，聚集的電子就可

經由源極與汲極之間的電子通道導通。

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【補充】微光機電(optical MEMS)系統：

( I ) 微光開關：

Corning Inc. Bell-Lab./ Lucent Analog Device Inc.

( II ) 微光掃描器：

( II ) 傳統光學平台 vs. 微光學平台：

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1-2 光機電系統之技術範疇

一個典型光機電技術的涵蓋範圍如圖1.4 所示，其包含：機構設計、微

處理器、精密致動器(actuator)、光／機電感測器、人機介面(interface)、程

序／回授控制(feedback control)、訊號處理與錯誤診斷(diagnosis)、圖形辨識

(pattern recognition)、仿生人工智慧(biomimetic artificial intelligence)，以及

製程技術等。因為光機電技術在本質上是一個跨領域整合的工程技術，所

以在目前的工程分科上，學生們可以從各個所在的領域切入，逐步拓展相

關知識來開啟光機電技術的大門。

而整合上述光機電的分項技術，即可發展出很多不同的應用功能，例如：

1. 照度控制(illumination control)

2. 感測(sensing)

3. 致動(actuating)

4. 光掃描(optical scanning)

5. 移動控制(motion control)

6. 視覺資訊回授控制(visual/optical information feedback control)

7. 資料儲存(data storage)

8. 資料傳輸(data transmission)

9. 資料顯示(data display)

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10. 檢測(inspection)

11. 監控／控制／診斷(monitoring/control/diagnostic)

12. 三維形狀重建(three-dimensional shape reconstruction)

13. 光學性質變動(optical property variation)

14. 以感測回授為基礎之光學系統控制 (sensory-feedback-based

optical system control)

15. 光學圖案辨識(optical pattern recognition)

16. 遠端監控／控制(remote monitoring/control)

17. 材料加工(material processing)

18. 其他不同的功能應用

另外，依光學／光電元件與機電元件組合特性與互動程度的不同，光機

電 系 統 亦 可 以 區 分 為 三 種 類 型 ： (1) 光 機 整 合 之 光 機 電 系 統

(opto-mechatronically fused system)，(2) 內嵌光學／光電裝置之機電系統

(optically embedded mechatronic system)，(3) 嵌入機電裝置之光學系統

(mechatronically embedded optical system)。

(1) 光機整合之光機電系統

在一個光機電系統中，假如光學元件或機電元件從整個系統被個別移開

後，整個系統即無法運作，這代表此光機電系統內的光學元件與機電元件

是具有功能性的完全整合，藉此才能表現出整個系統之性能，此種光機整

合之光機電系統產品有：自動對焦相機(auto-focus camera)、適應性光學反

射鏡(adaptive mirror)、可調頻雷射(tunable laser)、光／磁碟機讀取頭及光壓

力感測器等。

(2) 內嵌光學／光電裝置之機電系統

此光機電系統基本為一個由機械、電機和電子元件所組成之機電整合系

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統，內嵌光學／光電裝置於機電系統內部，主要在提高系統功能(如偵測與

回授控制等)；由於光學／光電裝置與機電系統是可分離的，所以光學／光

電裝置的抽離或損壞雖會影響系統功能，但機電系統仍可獨立運作。此種

內嵌光學裝置之機電系統產品有：洗衣機、真空吸塵器、機器監控與控制

系統、機器手臂／機器人、汽車引擎及伺服馬達等。

(3) 內嵌機電裝置之光學系統

此光機電系統基本上為一個光學系統，只是在系統內部嵌入了機械、電

子元件(機電裝置)，以增加其操作方便性或自動調整的功能(最常見的如聚

焦與對位)，沒有這些機電裝置，此系統仍得以手動的操作方式來執行。此

種內嵌機電裝置之光學系統產品有：傳統相機、光學投影機、檢電流計

(galvanometer)、光開關(optical switch) 及光纖波導對位模組等。

因為光機電工程學所操控之目標物為光，所使用工具為機電與光學元件

／系統(包括各式光學主、被動元件)，此處所謂光之操控還包含光路的設計

與相關光機及機電元件之系統設計與使用，亦包括這些元件與系統之製造

(例如液晶顯示器之導光板設計與製造技術)，或改變光學特性所需之相關光

學元件(如濾光鏡) 之設計、使用與製造；另外，廣義操控之意也應包含被

操控光之檢測，由此方可得知被操控之光是否符合原既定之光學特性設計

的預期需求，以形成一閉迴路之光機電操控系統。

值得注意的是，在生產製程上，光機電系統亦包括使用機電系統以生產

相關光學、光電或光機產品，其差別只是一般傳統機電系統之產品較著重

於機械特性，而光機電系統則是著重光學、光電或光機特性。舉例而言，

如果射出成形機所射出之產品為光學鏡片，則其泛屬於光機電整合技術，

而若所射出之產品為一般泛用機構配件，則歸屬於機電工程範疇，兩者之

主要差異乃在於是否引進光學特性於產品或生產製程中。因為光機電工程

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之操控主體為光，故其命名為『光機電』(與「光」或操控「光」相關的

「機電」)，似乎比用『機電光』(與「機電」或操控「機電」相關的「光學」)

或『機光電』(使用「光電」元件或技術以操控「機構」之運動) 來得恰當。

另外，「光機電」與「光電」於專業技術上之分野或可以「機電」與「電

機」之差異加以比擬，光機電專業技術著重於使用機電裝置，以操控光之

特性的產品、製程或相關設備(此處所謂之操控包括使用機電系統以生產具

有光學特性之相關產品，如鏡片與導光板之射出等)，而光電專業技術通常

較不包括使用機電裝置，其所關注的乃是使用電子能階或操控電子運動，

進而以操控光之特性的研究與生產範疇(例如藍光半導體雷射或場發射顯示

器開發等)，所以後者通常較著重於光電元件或模組之設計與製程開發。但

正如在第一節歷史回顧中所提到的，在二十一世紀，機電與光電技術兩者

事實上已密不可分的整合成為光機電技術了；「光機電」與「光電」兩者

似乎再難以作區分，似乎只能說「光電」是「光機電」的一種簡稱或慣稱

了。

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1-3 光機電系統應用與產業

從光機電技術的發展歷史來看，光機電系統乃由機電與光電系統的逐步

自然整合而來，所以從跨領域的觀點，光機電系統相關產品可以歸類於新

的精密機械工業產品(機電在傳統上歸屬於機械工業)，也可以被歸類為新的

光電工業產品。但我國光電工程教育過去皆隸屬於電機工程教育而非機械

工程教育，而近年來光電工業的需求、成長與整體產值又相對亮麗，所以

會直覺的將光機電系統相關產品歸類為光電工業產品。

由於光機電整合技術之目標物為光，而整體系統產品的效能也常以光之

最終表現來區隔，故在產業界中，光機電技術與產品通常以光於此系統之

應用目的而區分，包括有光輸入、光輸出、影像(光電) 顯示、光儲存、光

通訊(以上五類產品之效能以光所攜帶之訊息傳輸為主)、光電檢測(光之訊

號特性處理)、光電加工、醫療及照明(光以能量方式表現其應用特性)，因

此光機電整合技術的應用與產業可簡單分為七個項目來說明。

(1) 光輸入之產業

光輸入產業包括影像掃描器、條碼掃描器、影印機、數位相機與數位錄

影機等。台灣曾經是影像掃描器產量最大的輸出國，目前則是數位相機最

大的輸出國。在目前相機手機需求日增，其自動對焦甚至變焦鏡頭(zoom

lens) 之設計與生產製造，均需大量機構設計、機電整合設計、光學系統設

計及光學級模具設計與製造，甚至模造玻璃(molding glass) 之設計與生產，

以及其生產設備之設計與製造，因此未來希望投入光輸入產業之研究人

員，可以以自動化設計與製造之概念投入，方能對整個產業有更創新之競

爭力。而從數位相機成本結構來看，其各關鍵零組件中，影像感測器和鏡

頭約佔整體成本的五成以上；目前國內數位相機廠商生產所用之影像感測

器等零組件仍以自日系廠商進口為主，所以關鍵零組件自製率的提升，仍

有很大的空間。

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2004 年數位相機產業之成長雖然不如預期而略趨緩和，但相信手機相

機之興起，應可讓台灣從原本只能從事光學被動元件(如鏡片) 之設計與生

產製造，再向前推進至主動元件與系統(如整個自動對焦或變焦系統) 之設

計與製造，唯其中仍牽涉相當多的專利障礙尚待努力與突破。

(2) 光輸出之產業

最具代表性之光輸出產業為雷射印表機及傳真機。一般而言，消費者對

印表機常以品牌作為決定購買的主要因素，目前市場上的主要品牌廠商是

HP、Epson、Canon 和Lexmark，這四家廠商的全球市佔率大約在八成以上，

而隨著彩色列印技術與價格之普及化，使得此產業之競爭更白熱化。雖然

雷射印表機產業亦是我國的一大光電產業，且屬於相對成熟產業，但對雷

射印表機之最重要技術核心的光機設計與製造，我國自製率仍然偏低。

以整體光機設計與全機設計製造之考量，未來可以在彩色列印技術，如

多個感光鼓與雷射掃描之光機電系統設計與製造上著力。雖然近年來，多

功能事務機及網路伺服印表機之普及，讓台灣生產之光輸出設備仍保有一

席之地，唯2004 年經濟復甦後，此產業(或PC 產業)復甦並不如預期，此或

許也意味著這個產業成熟期逐漸到來，所以應也是台灣產業再轉型至主動

元件，如雷射光學引擎設計與生產之良好時機。

(3) 影像(光電) 顯示之產業

影像顯示技術(image display technology) 是繼半導體產業之後，另一個

可能帶領台灣產業攀上高峰的高科技產業。顯示技術相關產業所涵蓋的內

容相當廣泛，隨著新世代影像顯示技術的來臨，平面顯示器(FPD) 已逐漸

取代傳統陰極映像管(CRT) 顯示器。而平面顯示器領域就技術差異又可分

成電漿顯示器(PDP)、液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體顯示器(OLED)、

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真空螢光顯示器(VFD)、、投影式微型顯示器(micro display)、表面導電電子

顯示技術(surface-conduction electron display, SED) 及前瞻性3D 顯示技術

等類型。其中，液晶顯示器為目前我國影像顯示技術產業最重要的產品，

而電漿顯示器與有機發光二極體顯示器正在成長，至於表面導電電子顯示

技術與前瞻性3D 顯示技術等仍在研發階段。

【補充】場發射顯示器(FED)

CRT 顯示器

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從整個影像顯示產業架構來看，影像(光電) 顯示技術可如圖1.5 所示粗

分成上、中、下游三個層次。整體而言，我國的光電產業已具備完整的製

造基礎，同時我國完整之上、中、下游產業及供應鏈業已形成，足以進行

全球競爭之群聚效應。然因過去台灣以代工(OEM)為主的工業型態及國內市

場規模較小等因素，系統相關設計與標準制定等上游領導科技與團隊關鍵

技術(know-how) 均付諸闕如，未來惟有突破此困境方有可能改變我國光電

產業之基本型態，向知識供應鏈之兩端提升，並逐步取得較高之獲利。

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由於世界主要國家(包括台灣) 的數位廣播都將在最近陸續開播，而每年

電視的估計需求量約高達1.6 億台，因此高畫質、高解析度的大螢幕電視機

市場，已經成為各種顯示技術的兵家必爭之地。從材料成本的角度來看，

大型電視機(40 吋以上) 中，當尺寸擴大時，投影式顯示器顯然比上述電漿

顯示器及液晶顯示器佔優勢，但其畫質方面仍有賴關鍵元件(如微型光閥及

投影光學元件) 與系統設計及生產製造良率持續提升。

其中，數位微面鏡元件(digital micromirror device, DMD) 也稱為數位式

光學處理器(digital light processing, DLP)，以及反射式晶片型液晶光閥(liquid

crystal-on-silicon, LCOS) 是目前投影式顯示器的兩大關鍵元件。前者由德州

儀器(Texas Instruments) 公司在1980 年代開發出來，是微光機電系統最具

代表性之商品化產品，其採用鏡面反射原理成像，不但有著全數位化、高

對比、影像清晰等優點，配合微機電製程技術，將元件的微結構與互補金

氧半導體(CMOS) 電路整合在一起，能有效地控制微面鏡致動。

我國廠商在2003 年初已初步開發完成50 吋及65 吋的背投影式高畫質

數位電視之雛型，雖然其關鍵元件(DMD) 之製作與操控相關技術難度相當

高，但因其未來技術應用領域十分寬廣 (如光纖通訊之光開關 (optical

switch)、快速原型加工所需之層輪廓定義，或光學微影系統之動態光罩應

用等)，所以是光機電技術人員很值得投入的領域。再者，諸如投影光機之

設計與製造，以及投影式顯示器小型化後之散熱與其機構設計等，也都是

值得研發之重點。

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【補

充】

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【補充】反射式晶片型液晶光閥(liquid crystal-on-silicon, LCOS)：

LCOS 的製程與薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor LCD,

TFT-LCD)有很大的不同。LCOS 的底層結構為半導體材料，上層才為玻璃，

因此其前段製程必須在晶圓廠內進行。完整的 LCOS 模組，包含了 CMOS

基板、ITO 玻璃、配向層、隔離物、液晶材料等。LCOS 運用先進製程將

CMOS 晶片磨平後，再鍍上鋁做為反射鏡，形成 CMOS 基板，然後將此

CMOS 基板與含有透明電極的玻璃基板貼合後，再注入液晶加以封裝。由

於控制電路被放置在顯示裝置後面，因此可提高光穿透率，加強了光輸出

率與解析度。LCOS 會將 CMOS 晶片做為電路基板與反射層。在晶片上塗

覆液晶層後，必須加上玻璃基板以保持液晶的位置。當應用在投影機上時，

光源所產生的光束必須先通過一個偏振器，使光波傳送的方向固定。而此

時在液晶中，光的偏振方向將隨著液晶分子扭曲而產生變化；而後光束將

穿過 LCOS 反射表面做定向反射，而後再穿過一個偏振器，達到顯像的效

果。

̀

Polarizer

Glass

Electrode

Protective layer

Alignment layer

Alignment layer

Protective layer

Electrode

Glass

Polarizer

Liquid crystal

Off condition On condition

Light Light

Light output

LCOS 操作原理 TFT-LCD 操作原理

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而反射式晶片型液晶光閥整合了液晶封裝及半導體製程技術，一片

LCOS 面板的結構包括了以矽晶圓為基板，鍍上反射層材料之後，在最上

層的玻璃基之間灌入液晶(這個步驟也是LCOS 面板製程中最困難的部

份)，透過半導體蝕刻的技術可以達到高解析度的效果。在原理上，LCOS 的

投影技術與數位式光學處理器相同，均為反射式技術，光線經由分光裝置，

將紅綠藍(R、G、B) 三原色透過LCOS 面板反射，再合光投射訊號。相較

於數位微面鏡元件技術，LCOS 不利的一點為液晶對溫度變化的敏感性，

因此在LCOS 散熱的設計及技術是一個非常重要的研究課題。

(4) 光電儲存之產業

我國光電儲存產業的產量佔全世界最高，包括光碟片與光碟機，碟片所

用母模板(stamper) 之技術事實上可歸類為類深刻模造(LIGA-like) 之製造

技術，最後之碟片以射出成形。製程中需高度自動化方能有效降低製造成

本。光碟機所需之光機電整合技術是光碟機最重要技術所在，但因高度人

工組裝之需求，近年來此產業已大量移往大陸生產。可讀寫(R/W) 碟片之

工作原理乃是使用雷射光進行材料相變化之處理，使之形成非晶(amorphous)

或是結晶(crystallization)，從而得到0 或1 之資料儲存區分。從物理的觀點，

其處理技術實際上就是熱處理技術，只是其所關切的不是機械性能的改

變，而是光學反射率的改變。

故由此亦可知，只需對具傳統機械領域專長者輔以部分所需的光學知

識，即可以快速的跨入此領域，成為擁有光機電整合技術之人才，在擬填

補光機電或光電技術人力缺口時，是一個快速有效的辦法。另外，雖然我

國為世界上光儲存產業之最大生產製造國，但是每年所付給國外之權利金

亦為天價，所以實在迫切需要結合更多的學界一起來參與新技術的開發，

例如：深具潛力的兆位元(terabit (Tbit)，1 Tbit = 1000 Gbit) 未來資料存取科

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技，其中包括多層儲存薄膜、三維全像記憶元件、近場儲存和雙光子記錄

等技術，而目前國內廠商亦正在加緊進行藍光(blue-ray) DVD 之研發。

【補充】深光刻電鑄模造(LIGA)製程：

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光學元件(光碟片、全像片、微透鏡陣列)之LIGA製程示意圖

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【補充】非晶(amorphous)、多晶(polycrystalline)與結晶(crystalline)：

(5) 光電通訊之產業

一般認為未來資訊的傳輸正朝向兆位元的超高速時代發展。未來長距離

通信與寬頻網際網路所採用之先進光纖網路，其傳輸速度將超越1 Tbit/s，

而其廣域網路(wide area network, WAN) 和區域網路(local area network,

LAN) 的傳輸要求也將分別提升至>100 Gbit/s 和>10Gbit/s 的水準。所以在

技術上必須不斷提升，諸如高速光脈衝的傳輸和光信號高速切換技術的研

究，方能因應所要求的水準。在光電通訊產業方面，國內目前仍以光纖及

基本被動元件 (耦合器、連接器等) 的生產為主，其硬體設備中，半導體雷

射與光纖之封裝技術完全是光機電技術之整合，是可以繼續再加強推動之

重點。

目前主要的主動元件封裝技術為雷射銲接與五軸高精度位移平台之整

合的主動對準(active alignment)，但有更多的研究著重於被動對準(passive

alignment)，甚至三維光積體線路(photonic integrated circuit, PIC) 之封裝技

術與3D 設計，更是研究學者可具有相當競爭優勢之研究項目。其次，被動

元件之封裝、光開關與高密度分波多工轉換(dense wavelength division

multiplexing, DWDM) 元件及光耦合模組等，有較高附加價值之產品開發，

亦是值得深入研究之主題。

例：玻璃 例：多晶矽 例：單晶矽

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【補充】光電通訊產業前景看好：

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【補充】高密度分波多工轉換(DWDM)元件：

(6) 光電加工之產業

傳統光電加工大多使用高功率二氧化碳(CO2) 或YAG 雷射進行鋼鐵系

列材料之機械加工，目前已有使用高功率半導體雷射進行相關加工。雷射

加工機之設計與製造，多年前工業技術研究院機械工業研究所曾投入，目

前國內亦有極少數廠商投入此一產業與其相關應用。

然而，國內工業之主軸不像美國、英國或德國有完整的航太與汽車產

業，國內主要製造產業為半導體與光電產業，故為了配合我國工業特色與

政策，應積極發展半導體與光電產業所需之光電加工技術，亦即發展光電

能量之應用。如前所述之R/W 碟片之記錄工作原理、光罩修補、UV 雷射

於印刷電路板(printed circuit board, PCB) 產業之應用、新光學微影技術之研

發、UV 雷射於藍光LED 藍寶石(sapphire) 基板之切割、準分子(excimer) 雷

射於類深刻模造(LIGA-like) 或低溫多晶矽製造等之應用。

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(7) 生物科技之產業

生醫與光機電整合技術是未來生物科技的重要技術所在，例如基因之螢

光判讀，以及基因之UV 雷射切割分離重組等。目前已經成熟的光電醫療

器材之研發，例如雷射手術刀、青光眼治療、牙齒美白及雷射美容等，均

全部仰賴進口。因此國內研究學者應主動與相關醫學院所合作進行相關整

合研究。

生醫與光機電整合技術將是未來我國之重要推動研究方向，包括光學同調

斷層掃描(optical coherence tomography, OCT)、近場光學探針研發、奈米等

級之螢光單分子偵測、表面電漿子共振技術(surface plasmon resonance,

SPR)、螢光檢測式生物晶片、生物分子薄膜光學特性檢測、光動力療法之

雷射光的傳遞系統、雷射光鉗、雷射共焦掃描顯微鏡 (laser confocal

microscope, LSCM) 及光譜分析技術等，均是研究學者可以與相關生物科技

領域研究人員共同投入之研究主題。

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【補充】表面電漿子共振技術(SPR)：

表面電漿子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)是一種光電耦合的物理現象，當光穿過介電質到達金屬時，使入射光的動量能匹配表面電漿子

本身的動量，則能激發表面電漿子共振。表面電漿共振對金屬表面上的光

學薄膜的特性變化相當靈敏，當此薄膜之光學特性發生改變，如折射率，

便會反應在調制變數上。一般SPR的調制方法有角度調制、波長調制、相位調制、光強調制。SPR具簡單、快速與高靈敏度之特性，在量測生物分子上具有免標記(non-labeling)、即時(real-time)、微量體積反應等優勢，因此被大量運用在研究生物反應上，若我們視生物分子層為一光學薄膜，當生物

分子產生鍵結或濃度上的改變時，量測反應前後光學特性之相對變化，繪

製曲線，藉以觀察生物反應之特性。另外，SPR亦可應用於定量量測光學薄膜的折射率（折射率量測計）有極高的靈敏度，無須標定(label-free)的優點更勝於一般的螢光檢測技術、色相層析法，更可動態地研究表面與分子間

交互作用動力學(surface-molecule interaction kinetics)，應用在化學及生物的檢測，包括化學氣體檢測、廢水溶液、污染監控、免疫醫學等研究。

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【補充】雷射共焦掃描顯微鏡(LSCM)：

雷射掃描共軛焦顯微鏡技術(Laser Scanning Confocal Microscopy)的原

理簡單地說是以特定波長的雷射做為激發光源，將樣品中的螢光染料(針對

生物樣品而言)激發，並經由針孔(pinhole)濾波的原理來成像，即二維影像

(2D image)，除此之外更可利用雷射光對樣品做光學切片式的斷層掃描分析

(optical section)，而後利用數據處理軟體系統將這些光學切片影像做排列重

組，以對樣品作一個完整的立體影像(3D)甚至 加上時間的四維(4D)觀察。

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1-4 結論

回顧光電產業技術的發展，我國光電產業之主要技術多仰賴日本、美國

技術移轉而來，儘管量產技術已可趕上先進國家，但其關鍵零組件及技術

仍多仰賴輸入且毫無智慧財產權之談判籌碼，造成我國此一產業結構上的

不穩定。此外，光機電產業專業人才的缺乏、研發規模不足與關鍵智慧財

產權的缺乏，更是整個產業發展的劣勢所在。在我國大量投資光電產業之

今日，其相關工業之專業研發、生產人才的缺乏與專利智財的管理，實已

成為我國提升此一產業全球競爭力之瓶頸。

目前「兩兆雙星」中，挑戰現在及未來生產製造、研發與智財管理所需

的人力缺口，以光機電為核心，結合機電自動化相關技術、微機電系統技

術、生化科技、奈米科技與光電技術之有效整合並與產業串聯，才是提升

光機電技術水準與提供高素質人力之不二法門。同時光機電技術的未來發

展必然是受到新興、成長與成熟的產業所驅動，同時也會因為與其他技術

的整合而向前推進，並同時朝向製作出輕、薄、短、小、智慧型多功能、

環保省能源、低價格模組化、數位且具人性化之方向發展，並廣泛地應用

於影像顯示、通訊與資訊、生物科技及奈米科技等各領域。

由於光機電技術至今仍屬於新興整合型之研究領域，國內外至目前為止

仍較少專門著重於此一領域之研發。人才短缺是發展「光機電整合系統」

最重要之問題所在，因此近年來，國內各大專院校已開始出現光機電研究

所或大學部之光機電學程，以推動「光機電工程教育」，希望能替我國培

育更多具有光機電整合技術之專才。至於光機電學程應可結合理、工、電、

資學院的師資來讓更多的非光電與非光機電之大學部或研究所學生，接受

光機電第二專長人才培育的相關訓練，如此便可以迅速補足上述的人力缺

口需求，並讓不同學科間有更密切的交流、整合與互動。

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參考文獻：

1. 光機電系統整合概論, 國家實驗研究院 儀器科技研究中心, 新竹, 94年