DLPTM技術(shù)在投影機(jī)中的應(yīng)用

摘要:該文介紹了DLPTM投影技術(shù)的核心芯片DMD，單片和三片DMD的DLPTM投影系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)以及DLPTM投影技術(shù)的優(yōu)勢和未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞:DLPTM;DMD;色輪;分辨率;流明

中圖分類號:TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-423-03

1 DLPTM技術(shù)的來源和核心器件

DLPTM全稱:Digital Light ProcessingTM，中文含義是數(shù)字光源處理技術(shù)，是德州儀器(TI)的版權(quán)所有。目前，DLPTM的投影技術(shù)已成為投影業(yè)界的熱門話題，它是首次將數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到動、靜態(tài)的投影領(lǐng)域中。

DLPTM技術(shù)的核心是DMD，即Digital Micromirror Device，中文含義是數(shù)字微鏡器件，是一種半導(dǎo)體芯片。它是TI公司Larry J. Hornbeck 在1987年利用MOEM(Micro-Optical-Electro-Mechanical System，微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)發(fā)明的。在光顯領(lǐng)域，DMD是當(dāng)前最復(fù)雜、最尖端的商業(yè)化MOEM產(chǎn)品，將引領(lǐng)光投影技術(shù)的未來發(fā)展方向。

如圖1是一塊完整的DMD半導(dǎo)體芯片，它的鏡面是由一百三十多萬個精微反射鏡面組成的長方形陣列，每個鏡面對應(yīng)于投影畫面中的一個光學(xué)象素，它能支持1280*1024的顯示分辨率。

2 DMD的物理結(jié)構(gòu)、工作原理

DMD的物理結(jié)構(gòu):

DMD精微反射鏡面是一種整合的微機(jī)電上層結(jié)構(gòu)電路單元(MEMSsuperstructure cell)，它是利用CMOS SRAM記憶晶胞所制成。DMD上層結(jié)構(gòu)的制造是從完整CMOS內(nèi)存電路開始，再透過光罩層的使用，制造出鋁金屬層和硬化光阻層(hardened photoresist)交替的上層結(jié)構(gòu)，鋁金屬層包括地址電極(address electrode)、絞鏈(hinge)、軛(yoke)和反射鏡，硬化光阻層則作為犧牲層(sacrificial layer)，用來形成兩個空氣間隙(air gaps)。鋁金屬會經(jīng)過濺鍍沉積(sputter-deposited)以及電漿蝕刻(plasma-etched)處理，犧牲層則會經(jīng)過電漿去灰(plasma-ashed)處理，以便制造出層間的空氣間隙(如圖2)。

DMD工作原理:

每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去，實(shí)際反射方向則視底層記憶晶胞的狀態(tài)而定;當(dāng)記憶晶胞處于「ON」?fàn)顟B(tài)時，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至+12度，若記憶晶胞處于「OFF」?fàn)顟B(tài)，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至-12度。只要結(jié)合DMD以及適當(dāng)光源和投影光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡就會把入射光反射進(jìn)入或是離開投影鏡頭的透光孔，使得「ON」?fàn)顟B(tài)的反射鏡看起來非常明亮，「OFF」?fàn)顟B(tài)的反射鏡看起來就很黑暗(圖3)。利用二位脈沖寬度調(diào)變可以得到灰階效果，如果使用固定式或旋轉(zhuǎn)式彩色濾鏡，再搭配一顆或三顆DMD芯片，即可得到彩色顯示效果。

DMD的輸入是由電流代表的電子字符，輸出則是光學(xué)字符，這種光調(diào)變或開關(guān)技術(shù)又稱為二位脈沖寬度調(diào)變(binary pulsewidth modulation)，它會把8位字符送至DMD的每個數(shù)字光開關(guān)輸入端，產(chǎn)生28或256個灰階。最簡單的地址序列(address sequence) 是將可供使用的字符時間(field time)分成八個部份，再從最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)，依序在每個位時間使用一個地址序列。當(dāng)整個光開關(guān)數(shù)組都被最高位尋址后，再將各個像素致能(重設(shè))，使他們同時對最高有效位的狀態(tài)(1或0)做出反應(yīng)。在每個位時間，下個位會被加載內(nèi)存數(shù)組，等到這個位時間結(jié)束時，這些像素會被重設(shè)，使它們同時對下個地址位做出反應(yīng)。此過程會不斷重復(fù)，直到所有的地址位都加載內(nèi)存。

入射光進(jìn)入光開關(guān)后，會被光開關(guān)切換或調(diào)變成為一群光包(light bundles)，然后再反射出來，光包時間則是由電子字符的個別位所決定。對于觀察者來說，由于光包時間遠(yuǎn)小于眼睛的整合響應(yīng)(integration)時間，因此他們將會看到固定亮度的光線。

3 DLPTM投影技術(shù)架構(gòu)

DLPTTM投影系統(tǒng)分為單片DMD子系統(tǒng)和三片DMD子系統(tǒng)，采用哪一個方案由多項(xiàng)因素決定，包括成本、光源效率、功耗、重量和體積。其它部件還有:氙燈泡、光學(xué)鏡片、投影鏡頭和信號處理電路。 單芯片DLPTM子系統(tǒng)主要用于商用數(shù)據(jù)投影機(jī)、

絕大多數(shù)的家庭娛樂投影機(jī)以及大屏幕背投電視，它先利用一組聚光鏡將燈泡發(fā)出的光線聚焦在穿透性色輪(transmissive color wheel)(由紅、綠、藍(lán)群組成)，再利用第二組會聚透鏡將通過色輪的R、G、B三基色光線均勻聚焦在DMD組件表面。

隨著精微反射鏡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同(+12度或-12度)，光線可能會反射進(jìn)入投影鏡頭的透光孔(ON)或是離開投影鏡頭的透光孔(OFF)(如圖4)。精微反射鏡反射光線的角度受視頻信號控制，視頻信號受數(shù)字光處理器DLPTM調(diào)制，把視頻信號調(diào)制成等幅的脈

寬調(diào)制信號，用脈沖寬度大小來控制精微反射鏡開、關(guān)光路的時間，在屏幕上產(chǎn)生不同亮度的灰度等級圖像。

采用單片面板可以縮小光學(xué)系統(tǒng)的體積，減輕它們的重量，使廠商得以發(fā)展出攜帶方便又有彈性的投影機(jī)。僅重1.7公斤的BenQ的PB2225投影機(jī)就是成功應(yīng)用單芯片DLPTM技術(shù)的典范。對于必須提供高亮度輸出的應(yīng)用，例如會議室、禮堂、研討會以及出租和舞臺，就必須采用三顆DMD的架構(gòu)，這能組成更大的反射面積，讓投影機(jī)能透過鏡頭提供更高亮度的輸出。

在采用三顆DMD組件的投影機(jī)中，燈泡發(fā)出的光線會被棱鏡分成紅綠藍(lán)三種原色，每種顏色則分別被導(dǎo)向適當(dāng)?shù)腄MD組件，這表示紅光、綠光和藍(lán)光都各有一顆DMD組件負(fù)責(zé)執(zhí)行光調(diào)變。對于采用單顆DMD的DLPTM 系統(tǒng)，屏幕像素是一個微反射鏡的輸出結(jié)果，但是3-DMD提供的屏幕像素則是三個微反射鏡輸出的組合/聚光結(jié)果，一個微反射鏡調(diào)變紅光，第二個調(diào)變綠光，第三個調(diào)變藍(lán)光。使用三個DMD組件還能支持更先進(jìn)的色彩處理，進(jìn)而提供范圍更寬廣的色彩再生能力 。

4 DLPTM投影技術(shù)的可靠性及優(yōu)勢

DLPTM投影技術(shù)的可靠性:

DLPTM非?？煽?，對于一種在本質(zhì)上屬于機(jī)械性的技術(shù)來說，這確實(shí)令人驚訝。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果顯示，DMD的預(yù)期壽命時間超過100，000小時，客戶反應(yīng)結(jié)果也多半證實(shí)了這項(xiàng)預(yù)測。此外，DLPTM技術(shù)全部采用無機(jī)材料，不會像有機(jī)技術(shù)一樣，因?yàn)殚L時間曝露在熱源或光源下而逐漸劣化。2002年五月，美國羅徹斯特大學(xué)的孟賽爾色彩科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Munsell Color Science Laboratory at the University of Rochester) 進(jìn)行一項(xiàng)研究計劃，對五部可攜式商業(yè)資料液晶投影機(jī)和兩部DLPTM投影機(jī)的「畫面可靠性」進(jìn)行比較，他們把「畫面可靠性」定義為:投影機(jī)畫面質(zhì)量下降到無法接受地步的所需工作時間。接受測試的投影機(jī)必須日夜不停連續(xù)工作4，000小時;測試期間結(jié)束后研究人員發(fā)現(xiàn)，所有液晶投影機(jī)都出現(xiàn)清楚可見而令人不悅的畫面瑕疵，采用DLPTM技術(shù)的投影機(jī)卻沒有這些問題。研究人員認(rèn)為LCD技術(shù)的影像質(zhì)量會下降，主要是因?yàn)槠獍搴兔姘鍍?nèi)的有機(jī)材料長期曝露在光源和熱源之下。

DLPTM投影技術(shù)的優(yōu)勢:

DLPTM 是數(shù)字投影技術(shù)，每個微反射鏡只會處于「ON」或「OFF」?fàn)顟B(tài)，LCD卻是一種模擬投影技術(shù)。數(shù)字投影技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它能忠實(shí)而不斷重復(fù)的產(chǎn)生影像，不會受到溫度、濕氣或震動等環(huán)境因素的影響，在對比度和均勻性都表現(xiàn)非常出色，圖像清晰度高、畫面均勻、色彩銳利，并且圖像噪聲消失，畫面質(zhì)量穩(wěn)定，精確的數(shù)字圖像可不斷再現(xiàn)，而且歷久彌新。

速度帶來優(yōu)勢:DLPTM技術(shù)核心的微反射鏡能以每秒5，000次速度開關(guān)，其微秒級的速度遠(yuǎn)超過LCD像素毫秒級的開關(guān)速度。再加上DDR Ram的配合，數(shù)據(jù)處理速度再次提升。所以就本質(zhì)而言，它更有能力將畫面的快速動作準(zhǔn)確再生;LCD技術(shù)由于開關(guān)速度較慢，快速移動的影像畫面看起來會有些模糊不清。在重現(xiàn)快速移動的圖像時，LCD技術(shù)中常見的拖尾和重影現(xiàn)象不會在DLPTM技術(shù)中看到。

架構(gòu)簡單合理:微反射鏡擁有很高的開關(guān)速度，使DLPTM技術(shù)只需使用一個投影面板，就能同時調(diào)變紅綠藍(lán)三種光束;相形之下，LCD技術(shù)由于速度較慢，因此必須采用三片式投影面板架構(gòu)，第一片面板用來調(diào)變紅光，第二片調(diào)變綠光，第三片給藍(lán)光使用。單片面板架構(gòu)有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):首先，單面板架構(gòu)只需一套簡單輕巧的光學(xué)系統(tǒng)，使它能發(fā)展出體積重量都小于三片式面板系統(tǒng)的投影機(jī)和顯示器。

更銳利的對比度:簡單輕巧的光學(xué)系統(tǒng)為DLPTM技術(shù)帶來另一項(xiàng)優(yōu)勢:投影機(jī)或大屏幕電視內(nèi)的光線管理要比三片面板架構(gòu)更簡單，這能為它帶來更高的對比度。高對比度可以提供更豐富的畫面細(xì)節(jié)，使畫面更逼真，黑顏色會顯得更黑，并讓畫面看起來更清晰銳利(人體視覺器官依賴對比度來分辨物體的邊緣，因此高對比度影像看起來更銳利。)，采用DLPTM投影技術(shù)的投影機(jī)很容易就能達(dá)到2000:1以上的對比度。目前，大多數(shù) DLPTM投影機(jī)的對比度為600:1 到 800:1的之間，低價位的也可達(dá)450:1，而LCD投影機(jī)對比度只在400:1附近，而低價位的只有250:1。

反射技術(shù)提高亮度利用:與傳統(tǒng)的模擬投影機(jī)相比，DLPTM投影機(jī)將更多的光線打到屏幕上，這樣，圖像的演示效果在光亮中同在黑暗中一樣好。DLP技術(shù)有效的解決了這個問題。DMD的強(qiáng)反射表面通過消除光路上的障礙以及將更多的光線反射到屏幕上，而最大化地利用了投影機(jī)的光源。相比較的是，采用透射原理的LCD技術(shù)則是偏振光在圖像到達(dá)屏幕之前必須通過大量的附加光學(xué)元件。更為有利的是，基于DLPTM技術(shù)的投影機(jī)的亮度是隨著分辨率的增加而增加的。在如XGA和SXGA等更高分辨率的情況下，DMD提供更多的反射面積，如此一來就可以更為有效地利用燈光的亮度。

聚焦更加出色:根據(jù)定義，單片面板系統(tǒng)絕不會失焦，但采用三片面板的LCD系統(tǒng)卻可能受到環(huán)境因素的影響而失焦，使得屏幕畫面看起來有些模糊。單片面板系統(tǒng)所提供的畫面卻能永遠(yuǎn)保持清晰銳利。

無縫圖像消除顆粒感:觀眾對于影像畫質(zhì)的好壞還會受到另外一項(xiàng)因素影響，就是它看起來「與電影相似」的程度，在觀看動態(tài)視訊時更是如此。在DLPTM投影技術(shù)中，微反射鏡的反射面積遠(yuǎn)大于它們之間的距離，因此它能提供很高的「填滿率」(fill factor)，投影畫面看起來也更加完美自然。另一方面，若和像素之間的距離相比，LCD技術(shù)的像素面積卻沒有那么大，使得畫面看起來有點(diǎn)顆粒的感覺，這種情形就像是透過「格狀玻璃」看圖片一樣(如圖6)。

防塵提高耐力:DLPTM投影機(jī)采用了全封閉式光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)而避免了粉塵污染。傳統(tǒng)LCD投影機(jī)為迅速散去面板高熱，往往采用開放式光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過風(fēng)扇吸取空氣達(dá)到降溫目的，因此不可避免會吸入粉塵，久而久之LCD面板就會變色，由于穿透率變差而導(dǎo)致亮度自然衰減，表現(xiàn)在屏幕上為不規(guī)則排列的斑點(diǎn)，即使更換燈泡也無濟(jì)于事。DLPTM投影機(jī)的全封閉設(shè)計使光機(jī)結(jié)構(gòu)與外界徹底隔絕，所以DMD芯片上絕對不會沾染空氣中的粉塵，進(jìn)而延長了投影機(jī)的使用壽命，并提高了機(jī)器的耐用性。

5 DLPTM投影技術(shù)的未來發(fā)展

自從第一部DLPTM投影機(jī)進(jìn)入市場至今已有十三年，DLPTM投影機(jī)的效能、重量、體積和成本都獲得大幅改進(jìn)，單片式DMD芯片的DLPTM 投影機(jī)重量由最初的23鎊降到現(xiàn)在最輕只有2磅，分辨率由最初的640*480提高到現(xiàn)在的1280*1024，亮度也由最初的350流明提高到現(xiàn)在的3000以上流明。1996年時只有一種DMD組件，到現(xiàn)在卻有幾十種不同的DMD組件問世。分辨率也大幅提高，2003年專為DLPCinemaTM應(yīng)用而設(shè)計的DMD組件就已能提供220萬像素(如圖7)，分辨率達(dá)到1600*1200，長寬比16:9的DMD組件也已推出。透過將微反射鏡的面積從17u㎡減少到14u㎡，并把微反射鏡的間距從1微米縮小成0.8微米，組件體積大幅減少，制造成本也變得更低。此外，組件制程也從六吋晶圓升級至八吋晶圓，不但進(jìn)一步降低成本，還能增加可靠性。

提高對比度是許多研發(fā)工作的重點(diǎn)，主要改變包括采用了更小旋轉(zhuǎn)導(dǎo)孔(Smaller Rotated Via，簡稱SRV)，它將微反射鏡中心的方形「孔」旋轉(zhuǎn)45度，體積也變得更小，這能減少雜散光(straylight)的影響，進(jìn)而提高對比度。最近，一種稱為Dark Metal 3的新制程技術(shù)也被采用，它會在DMD次結(jié)構(gòu)表面鍍上一層吸旋光性材料，讓通過微反射鏡間隙的光線不會再反射出來，而是被這些材料所吸收，這也能減少雜散光強(qiáng)度，提供更高的對比度。

除了DMD組件之外，DLPTM技術(shù)在許多其它領(lǐng)域也是研發(fā)重點(diǎn)，例如把更多的投影系統(tǒng)功能整合至相關(guān)芯片組。這項(xiàng)努力還在進(jìn)行中，但它已經(jīng)讓DLPTM解決方案的效能更高、體積更小、重量更輕和成本更低，未來這些影響還會更明顯。DDR和LVDS子系統(tǒng)的應(yīng)用也可大幅改善效能，特別是在視訊應(yīng)用方面。

自從第一部投影機(jī)推出后，色輪的效能也有長足進(jìn)步。第一部投影機(jī)采用三種顏色的色輪，并以'1x'的正常速度工作，今日的投影機(jī)最多可能采用6種顏色，并以'3x'的高速工作，等于是將顏色更新速率(color refresh rates)提高6倍，大幅減少色序系統(tǒng)(color sequential systems)常出現(xiàn)的假影噪聲(artifacts)。由于更多的色輪可供選擇，制造商將享有更大彈性，例如他們可以針對亮度最佳化，以滿足商業(yè)投影機(jī)的高亮度要求，或是針對色彩飽和度最佳化，以提供家庭娛樂應(yīng)用所需要的更高色彩飽和度。最新發(fā)展重點(diǎn)是采用SCR(Sequential Color Recapture)技術(shù)，它有很大潛力來提高效率、增加輸出亮度和改善色彩飽和度。

未來投影技術(shù)的發(fā)展是朝著低成本、高質(zhì)量、體積小、高可靠性以及功能強(qiáng)大的方向發(fā)展，而DLPTM投影技術(shù)的特點(diǎn)完全符合這些發(fā)展方向的要求，因此必將主導(dǎo)投影業(yè)界的未來。

參考文獻(xiàn):

[1] Larry J.Hornbeck Texas Instruments:\"Digital Light ProcessingTM:A New MEMS-Based Display Technology\".

[2] http://www.DLP.com.

[3] http://www.TI.com.