DLP 投影技術(shù)概要

    在我們的世界里，視覺和聲音都是模擬形式，但當(dāng)我們利用電子訊號來獲取、儲存和傳送這些模擬現(xiàn)象時，采用數(shù)字技術(shù)卻能帶來許多重大優(yōu)點；音訊處理就是個例子，當(dāng)它從磁帶和黑膠唱片的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字音樂光盤后，數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點也第一次鮮明的呈現(xiàn)在人們面前 - DLP ^TM 技術(shù)把相同的理念帶到靜態(tài)和動態(tài)影像世界。

DLP ^TM技術(shù)

    數(shù)字光源處理技術(shù) (Digital Light Processing ^TM ，簡稱 DLP ^TM ) 是真正的數(shù)字投影和顯示技術(shù)，它能接受數(shù)字視訊，然后產(chǎn)生一系列的數(shù)字光脈沖；這些光脈沖進入眼睛后，我們的眼睛會把它解譯成為彩色模擬影像。 DLP ^TM 技術(shù)是以一種微機電 (MEMS) 組件為基礎(chǔ)，稱為數(shù)字微型反射鏡組件 (Digital Micromirror Device ，簡稱 DMD) ( 圖一 ) ，這種速度極快的反射性數(shù)字光開關(guān)是由 TI 在 1987 年發(fā)明。 DMD 微芯片上面包含數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開關(guān)，它們是面積非常小 (14 微米 ) 、外觀為四方型、并由鋁金屬制成的絞接式反射鏡，可以接受電子訊號代表的資料字符，然后產(chǎn)生光學(xué)字符輸出。

圖 1 ： 0.55" SVGA 分辨率的 DMD

    DMD 周圍環(huán)繞著許多必要功能，例如影像處理、內(nèi)存、格式轉(zhuǎn)換、時序控制、光源和投影光學(xué)系統(tǒng)，它們可以接受數(shù)字元影像，然后在不降低畫質(zhì)的情形下，把這些影像投影到投影幕。

制造

   DMD 像素是一種整合的微機電上層結(jié)構(gòu)電路單元 (MEMS superstructure 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，硬化光阻層則做為犧牲層 (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 ( 圖二 ) 。

圖 2 ：反射鏡上層結(jié)構(gòu)是由多個層所組成

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 」狀態(tài)時，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至 +12 度，若記憶晶胞處于「 OFF 」狀態(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入或是離開投影鏡頭的透光孔，使得「 ON 」狀態(tài)的反射鏡看起來非常明亮，「 OFF 」狀態(tài)的反射鏡看起來就很黑暗 ( 圖三 ) 。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。

圖 3 ：在「導(dǎo)通」位置的微反射鏡會在屏幕上面產(chǎn)生一個亮點

　　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，由于光包時間遠小于眼睛的 integration 時間，因此他們將會看到固定亮度的光線。

DLP^TM 架構(gòu)

　　DLP ^TM 投影系統(tǒng)應(yīng)該采用一顆或三顆 DMD 芯片是由多項因素決定，包括成本、光源效率、功耗、重量和體積。

　　單芯片 DLP ^TM 子系統(tǒng)主要用于商用資料投影機、絕大多數(shù)的家庭娛樂投影機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) ，再利用第二組鏡片將通過色輪的光線均勻聚焦在 DMD 組件表面。隨著反射鏡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同 (+12 度或 -12 度 ) ，光線可能會反射進入投影鏡頭的透光孔 (ON) 或是離開投影鏡頭的透光孔 (OFF) ( 圖四 ) 。

　　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。

圖 4 ： DLP ^TM單芯片架構(gòu)

　　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 組件的投影機中，燈泡發(fā)出的光線會被棱鏡分成紅綠藍三種原色，每種顏色則分別被導(dǎo)向適當(dāng)?shù)?DMD 組件，這表示紅光、綠光和藍光都各有一顆 DMD 組件負責(zé)執(zhí)行光調(diào)變。對于采用單顆 DMD 的 DLP ^TM 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)變藍光。使用三個 DMD 組件還能支持更先進的色彩處理，進而提供范圍更寬廣的色彩再生能力 ( 圖五 ) 。

圖 5 ： DLP ^TM三芯片架構(gòu)

DLP^TM 產(chǎn)業(yè)

　　第一批采用 DLP ^TM 技術(shù)的產(chǎn)品在 1996 年初進入市場，它們是以 TI 設(shè)計制造的完整「光學(xué)引擎」為基礎(chǔ)，雖然這種方式能協(xié)助廠商更快進入市場，但 TI 的投影機制造商客戶也沒有太大空間將產(chǎn)品差異化或提高它們的價值。經(jīng)過一段時間后，單芯片投影系統(tǒng)的商業(yè)模式進入新的階段， TI 開始提供簡單的 DLP ^TM 系統(tǒng)，并將它安裝在一張印刷電路板上面。這種商業(yè)模式隨后又進一步發(fā)展， TI 現(xiàn)在開始為客戶提供「芯片套件」，其中包含 DMD 和必要的支持功能，全部以半導(dǎo)體組件的形式提供給客戶；這種方法為 TI 客戶帶來寬廣的揮灑空間，使他們有機會創(chuàng)新和提供獨特不同的產(chǎn)品�，F(xiàn)在，幾乎所有的投影機制造商都已將 DLP ^TM 技術(shù)用于他們的產(chǎn)品線， DLP 投影機的銷售量也已突破二百萬部大關(guān)，其中有超過一百萬部是在過去 18 個月里銷售。
 

DLP^TM 市場

　　DLP^TM 是非常獨特的技術(shù)，因為它能針對種類最廣泛的投影和顯示應(yīng)用，協(xié)助廠商發(fā)展最佳解決方案。單片面板架構(gòu)可用來發(fā)展重量僅 2 磅的投影機，這也是全世界最小最輕的投影機；事實上，所有重量小于 3.5 磅的投影機都是采用 DLP ^TM 技術(shù) ( 圖六 ) 。應(yīng)用領(lǐng)域另一端則是采用 3 顆 DMD 組件的 DLP ^TM 架構(gòu)，它已被用來發(fā)展全世界最明亮的投影機，輸出亮度高達 17,500 流明。大屏幕電視是 DLP ^TM 技術(shù)的一個快速成長市場， TI 客戶已針對此市場發(fā)展各種消費性應(yīng)用解決方案，提供絕佳影像畫質(zhì)、精巧設(shè)計、優(yōu)雅造型和很低的成本。立體電視墻和平面電視墻 (video cube/video wall) 制造商在發(fā)展命令及控制應(yīng)用時， DLP ^TM 也是他們最先考慮的技術(shù)。

圖 6 ： InFocus LP120 采用 DLP ^TM技術(shù)，重量小于 2 磅

　　DLP^TM 技術(shù)的另一個重要市場是數(shù)字劇院投影解決方案市場。電影業(yè)者早就發(fā)現(xiàn)，若能透過數(shù)字形式把他們的電影傳送到全世界電影院，他們即可獲得龐大利益。事實上，電影業(yè)者早就掌握充份科技，可將原版電影從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，然后壓縮、加密和傳送所得到的檔案，再把電影儲存至電影院里的服務(wù)器 - 但若缺少了數(shù)字投影技術(shù)，業(yè)者就無法在屏幕上產(chǎn)生和膠卷底片同樣畫質(zhì)的影像，數(shù)字元劇院也就無法成為現(xiàn)實。 TI 在 1990 年代末期開始與電影業(yè)者合作，希望能發(fā)展出特殊應(yīng)用的 DLP ^TM 技術(shù)，可在普通電影院播放首輪電影。 TI 在 1999 年展示了第一套產(chǎn)品原型，并用來播放「星際大戰(zhàn)首部曲：威脅潛伏」；就在同時，大規(guī)模的全球現(xiàn)場展示計劃也隨之展開，用來評估數(shù)字劇院投影系統(tǒng)是否強固可靠，它的操作控制是否簡單方便，這套系統(tǒng)隨后成為業(yè)界熟知的 DLP Cinema ^TM 技術(shù)。此后，全世界已有超過 160 家電影院安裝以 DLP Cinema ^TM 技術(shù)為基礎(chǔ)的投影機， DLP Cinema ^TM 技術(shù)也是目前唯一經(jīng)過實際考驗的數(shù)字劇院投影技術(shù)，證明它能穩(wěn)定可靠的提供高畫質(zhì)影像，不但看起來不輸給膠卷底片，有些人甚至認為 DLP Cinema ^TM 投影出來的畫質(zhì)還勝過它們 ( 圖七 ) 。

圖 7 ： DLP ^TM Cinema 投影機原型

DLP^TM 優(yōu)勢

　　對于目前大多數(shù)投影和顯示應(yīng)用， LCD 技術(shù)是 DLP ^TM 最主要的競爭對手，但 DLP ^TM 技術(shù)擁有多項優(yōu)勢勝過 LCD 技術(shù)。

　　DLP^TM 是數(shù)字技術(shù)，每個微反射鏡只會處于「 ON 」或「 OFF 」狀態(tài)， LCD 卻是一種模擬技術(shù)。數(shù)字投影技術(shù)的優(yōu)點是它能忠實而不斷重復(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。

　　DLP ^TM 技術(shù)核心的微反射鏡能以每秒 5,000 次速度開關(guān)，遠超過 LCD 像素的開關(guān)速度，這能帶來多項優(yōu)點，其中最重要的就是 DLP ^TM 技術(shù)只需使用一個投影面板，就能同時調(diào)變紅綠藍三種光束；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，第三片給藍光使用。

　　單片面板架構(gòu)有多項優(yōu)點：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)的投影機和顯示器。

　　簡單輕巧的光學(xué)系統(tǒng)為 DLP ^TM 技術(shù)帶來另一項優(yōu)勢：投影機或大屏幕電視內(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值。高對比值可以提供更豐富的畫面細節(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值來分辨物體的邊緣，因此高對比值影像看起來更銳利，采用 DLP ^TM 技術(shù)的投影機很容易就能達到 2000:1 以上的對比值。

　　此外，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保持清晰銳利。

　　觀眾對于影像畫質(zhì)的好壞還會受到另外一項因素影響，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 DLP ^TM 技術(shù)中，微反射鏡的反射面積遠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顆粒的感覺，這種情形就像是透過「格狀玻璃」看圖片一樣 ( 圖八 ) 。

圖 8 ：從鸚鵡眼睛的特寫鏡頭可清楚看出 LCD 畫面固有的顆�，F(xiàn)象

　　微反射鏡擁有很高的開關(guān)速度，因此就本質(zhì)而言，它更有能力將畫面的快速動作準確再生，這是它為 DLP ^TM 技術(shù)帶來的另一項優(yōu)點； 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。

　　若和其它技術(shù)相比，例如電漿、映像管和 LCOS 等， DLP ^TM 技術(shù)也有多項重要優(yōu)勢。

DLP^TM 可靠性

　　DLP^TM 非常可靠，對于一種在本質(zhì)上屬于機械性的技術(shù)來說，這確實令人驚訝。實驗室測試結(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)果也多半證實了這項預(yù)測。此外， DLP ^TM 技術(shù)全部采用無機材料，不會像有機技術(shù)一樣，因為長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)實驗室 (Munsell Color Science Laboratory at the University of Rochester) 進行一項研究計劃，對五部可攜式商業(yè)資料液晶投影機和兩部 DLP ^TM 投影機的「畫面可靠性」進行比較，他們把「畫面可靠性」定義為：投影機畫面品質(zhì)下降到無法接受地步的所需工作時間。接受測試的投影機必須日夜不停連續(xù)工作 4,000 小時；測試期間結(jié)束后研究人員發(fā)現(xiàn)，所有液晶投影機都出現(xiàn)清楚可見而令人不悅的畫面瑕疵，采用 DLP ^TM 技術(shù)的投影機卻沒有這些問題。研究人員認為 LCD 技術(shù)的影像品質(zhì)會下降，主要是因為偏光板和面板內(nèi)的有機材料長期曝露在光源和熱源之下。

DLP^TM 發(fā)展

　　第一部采用單片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影機提供 350 流明亮度、 VGA (640 x 480) 分辨率和大約 23 磅的重量；相形之下，今日采用單片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影機重量最輕只有 2 磅，分辨率達到 SXGA (1,280 x 1,024) ，最高并能提供 3,000 流明的亮度。另一方面，第一部采用三片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影機可提供 1,300 流明亮度，目前采用三片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影機卻能達到 17,500 流明。今天，消費者只需不到 1,000 美元，就能買到以 DLP ^TM 技術(shù)為基礎(chǔ)的投影機。

　　第一部 DLP 投影機進入市場至今已經(jīng)七年，這段期間出現(xiàn)了許多進步，使得 DLP 投影機的效能、重量、體積和成本都獲得大幅改進。 1996 年時只有一種 DMD 組件，這段期間卻有 13 種不同的 DMD 組件問世。分辨率也大幅提高，專為 DLP Cinema ^TM 應(yīng)用而設(shè)計的最新 DMD 組件就能提供 220 萬像素 ( 圖九 ) ，長寬比 16:9 的 DMD 組件也已推出。透過將微反射鏡的面積從 ~17 微米減少到 ~14 微米，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，組件制程也從六英寸晶圓升級至八英寸晶圓，不但進一步降低成本，還能增加制造良率。

圖 9 最新 DLP Cinema ^TM技術(shù)的核心 DMD 提供超過 200 萬個像素

　　提高對比值是許多研發(fā)工作的重點，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 (stray light) 的影響，進而提高對比值。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度，提供更高的對比值。

　　除了 DMD 組件之外， DLP ^TM 技術(shù)的許多其它領(lǐng)域也是研發(fā)重點，例如把更多的投影系統(tǒng)功能整合至相關(guān)芯片組。這項努力還在進行中，但它已經(jīng)讓 DLP ^TM 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。

　　自從第一部投影機推出后，色輪的效能也有長足進步。第一部投影機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。

結(jié)論

圖十

　　僅僅七年多的時間， DLP ^TM 技術(shù)就成為投影和顯示系統(tǒng)市場的重要力量。 DLP 投影機目前的市場占有率在 25% 至 35% 之間，絕大多數(shù)分析師都認為這個數(shù)字還會增加，甚至?xí)�成為市場的最主要技術(shù)。在美國境內(nèi)，采用 DLP ^TM 技術(shù)大屏幕電視早已超過以其它技術(shù)為基礎(chǔ)的大屏幕產(chǎn)品，因為消費者比較喜歡 TI 客戶提供的更完美畫質(zhì)、更良好設(shè)計和更低價格 ( 圖十 ) 。無論是現(xiàn)有市場的成長，或者是新市場商機的來臨，人們都將發(fā)現(xiàn)業(yè)界的轉(zhuǎn)變腳步仍將由 DLP ^TM 技術(shù)繼續(xù)主導(dǎo)。