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(hào)來獲取、儲(chǔ)存和傳送這些模擬現(xiàn)象時(shí)，采用數(shù)字技術(shù)卻能帶來許多重大優(yōu)點(diǎn)；音訊處理就是個(gè)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(diǎn)也第一次鮮明的呈現(xiàn)在人們面前 - DLP™ 技術(shù)把相同理念帶到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影像世界。
在IT業(yè)界，DLP™的投影技術(shù)，已經(jīng)成為最熱門的話題之一。在德州儀器(TI)積極的作風(fēng)下，將有更多的生產(chǎn)廠商加入生產(chǎn)DLP™ 投影機(jī)的行列。BenQ作為TI在世界范圍內(nèi)最主要的3家合作伙伴之一，非常希望將DLP™的技術(shù)最清晰的展示給大家。
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在討論DLP™技術(shù)之前，我們先來認(rèn)識(shí)4個(gè)重要的縮寫
1， DLP™
Digital Light Processing™，簡稱DLP™，中文含義是數(shù)字光源處理技術(shù)。
2， DMD
Digital Micromirror Device，簡稱DMD，中文含義是數(shù)字微鏡器件，這是一種光半導(dǎo)體芯片，它是DLP™技術(shù)的核心。
3， MEMS
Micro-Electro-Mechanical System，簡稱MEMS，中文含義是微電子機(jī)械系統(tǒng)，DMD就是基于MEMS技術(shù)的微電子機(jī)械系統(tǒng)。
4， MOEMS
Micro-Optical-Electro-Mechanical System，簡稱MOEMS，中文含義就是微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng)，這是MEMS技術(shù)的進(jìn)一步集成。
所以，要了解DLP™技術(shù)，我們還是要從MEMS開始，看看他們是如何聯(lián)系起來的。
MEMS簡介
MEMS還可以簡稱為微機(jī)電系統(tǒng)，這是美國的叫法。目前世界上對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。在日本，它通常被稱之為叫做“微機(jī)械”，即“Micro Machine”。在歐洲，通常稱為“微系統(tǒng)”，即“Micro System”。而在中國，我們認(rèn)同MEMS這個(gè)名稱。因?yàn)镸EMS比較完整、準(zhǔn)確地刻畫了微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征。
作為一個(gè)系統(tǒng)來講，我們認(rèn)為它應(yīng)該包含著可運(yùn)動(dòng)的部件，或者可運(yùn)動(dòng)的流體，類似這樣的微型器件構(gòu)成了系統(tǒng)。它要有傳感器；或者是制動(dòng)器，也稱作執(zhí)行器，它可以做一些操作。另外，它可以和電路聯(lián)系起來，構(gòu)成一個(gè)小小的系統(tǒng)。有的系統(tǒng)還具有信號(hào)處理和控制功能，有的有接口電路，有的還可以進(jìn)行通訊，有的還要帶電源，所以這個(gè)所謂的系統(tǒng)，它和一個(gè)零件是有所差別的。
簡單地說，MEMS就是對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片的進(jìn)一步集成。目前我們幾乎可以在單個(gè)芯片上集成任何東西，像運(yùn)動(dòng)裝置、光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)音系統(tǒng)、化學(xué)分析、無線系統(tǒng)及計(jì)算系統(tǒng)等，有些MEMS可以發(fā)送、接收以及精確地控制光束，有的可以檢測某些分子，有的還可以模仿人體部分感覺器官。因此如果將邏輯芯片比作大腦，那么MEMS就相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、耳朵或其它感覺器官。此外MEMS還具有電氣、機(jī)械或電磁控制功能，若繼續(xù)以人作比方，MEMS還可以作為人的手或手指移動(dòng)各種物體。
MEMS的優(yōu)勢在于可將傳感器與處理電路利用CMOS工藝集成在一塊IC上，同時(shí)具有較機(jī)械式傳感器更高的響應(yīng)速度和更小的封裝尺寸。
我們了解到MEMS它是強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成、機(jī)電集成的。那么它是否可以跟光再集成？在MEMS上再加一個(gè)光信號(hào)（optical），就是optical MEMS，我們稱之為微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS），它是光電信號(hào)互相轉(zhuǎn)換的一個(gè)系統(tǒng)。信息技術(shù)、光通信技術(shù)的發(fā)展，使微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。其應(yīng)用將遍及光通信、光顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自適應(yīng)光學(xué)及光學(xué)傳感等多個(gè)方面。利用MEMS技術(shù)制作的新型光器件，插入損耗小，光路間相互串?dāng)_極低，對(duì)光的波長和偏振不敏感，并且通常采用硅為主要材料，從而器件的光學(xué)、機(jī)械、電氣性能優(yōu)良。它采用模塊化設(shè)計(jì)，更加方便擴(kuò)展應(yīng)用。
同時(shí)，微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)產(chǎn)品的復(fù)雜程度又提高了一級(jí)。芯片置放于密閉的封裝內(nèi)以防止敏感的光學(xué)器件受到外界光線影響，但是必須留出一條光通道。這一方法原理很簡單，但是實(shí)施起來比較困難，需要在封裝內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)光的蓋或天窗，雖然有多種材料可供選擇，但是大多數(shù)天窗都采用陶瓷或金屬以確保良好的密封性能。
講到這里，大家應(yīng)該會(huì)想到DMD了，沒錯(cuò)！德州儀器（TI）的Larry J. Hornbeck在1987年成功地應(yīng)用MOEMS技術(shù)發(fā)明了數(shù)字微鏡器件（DMD）。在光顯示領(lǐng)域，數(shù)字微鏡器件一直是復(fù)雜光電產(chǎn)品封裝的最好例子，它也是當(dāng)前最復(fù)雜、最尖端的商業(yè)化MOEMS產(chǎn)品，預(yù)示了未來的發(fā)展方向。
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圖1：0.55" SVGA分辨率的DMD |
圖1是一塊完整的DMD半導(dǎo)體芯片，它的鏡面由一百三十萬個(gè)精微反射鏡面組成的長方形陣列，每個(gè)鏡面對(duì)應(yīng)于投影畫面中的一個(gè)光學(xué)像素。接下來我們把這些鏡面放大分析。
DMD的制造
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 (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，硬化光阻層則作為犧牲層 (sacrificial layer)，用來形成兩個(gè)空氣間隙 (air gaps)。鋁金屬會(huì)經(jīng)過濺鍍沉積 (sputter-deposited) 以及電漿蝕刻 (plasma-etched) 處理，犧牲層則會(huì)經(jīng)過電漿去灰 (plasma-ashed) 處理，以便制造出層間的空氣間隙(圖2)。
圖2：微反射鏡上層結(jié)構(gòu)是由多個(gè)層所組成 |
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DMD工作原理
| 每個(gè)微反射鏡都能將光線從兩個(gè)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(shí)，反射鏡會(huì)旋轉(zhuǎn)至+12度，若記憶晶胞處于「OFF」?fàn)顟B(tài)，反射鏡會(huì)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(huì)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(huì)在屏幕上面產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)
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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(huì)把8位字符送至DMD的每個(gè)數(shù)字光開關(guān)輸入端，產(chǎn)生28或256個(gè)灰階。最簡單的地址序列 (address sequence) 是將可供使用的字符時(shí)間 (field time) 分成八個(gè)部份，再從最高有效位 (MSB) 到最低有效位 (LSB)，依序在每個(gè)位時(shí)間使用一個(gè)地址序列。當(dāng)整個(gè)光開關(guān)數(shù)組都被最高位尋址后，再將各個(gè)像素致能 (重設(shè))，使他們同時(shí)對(duì)最高有效位的狀態(tài) (1或0) 做出反應(yīng)。在每個(gè)位時(shí)間，下個(gè)位會(huì)被加載內(nèi)存數(shù)組，等到這個(gè)位時(shí)間結(jié)束時(shí)，這些像素會(huì)被重設(shè)，使它們同時(shí)對(duì)下個(gè)地址位做出反應(yīng)。此過程會(huì)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(huì)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(shí)間則是由電子字符的個(gè)別位所決定。對(duì)于觀察者來說，由于光包時(shí)間遠(yuǎn)小于眼睛的整合響應(yīng)（integration）時(shí)間，因此他們將會(huì)看到固定亮度的光線。
DLP™技術(shù)
有了DMD芯片，數(shù)字光源處理技術(shù) (Digital Light Processing™，簡稱DLP™) 應(yīng)運(yùn)而生。就如上文描述的MEMS技術(shù)一樣，DLP™技術(shù)也是一個(gè)系統(tǒng)而非一顆零件那么簡單。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(shí)序控制、光源和投影光學(xué)系統(tǒng)，它們與DMD鏡面協(xié)同合作，接受數(shù)字影像，然后產(chǎn)生一系列的數(shù)字光脈沖；這些光脈沖進(jìn)入眼睛后，我們的眼睛會(huì)把它解譯成為彩色模擬影像。DLP™是真正的數(shù)字投影和顯示技術(shù)。
DLP™ 架構(gòu)
DLP™ 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(gè)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。
| 單芯片DLP™ 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)，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(huì)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) (圖4)。 |
圖4：DLP™單芯片架構(gòu) |
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DLP™技術(shù)的典范。
對(duì)于必須提供高亮度輸出的應(yīng)用，例如會(huì)議室、禮堂、研討會(huì)以及出租和舞臺(tái)，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(huì)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(duì)于采用單顆DMD的DLP™ 系統(tǒng)，屏幕像素是一個(gè)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(gè)微反射鏡輸出的組合／聚光結(jié)果，一個(gè)微反射鏡調(diào)變紅光，第二個(gè)調(diào)變綠光，第三個(gè)調(diào)變藍(lán)光。使用三個(gè)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 |
圖5：DLP™三芯片架構(gòu)
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（上篇完）
>>> 下篇
下篇我們將介紹DLP™技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展，如果迫不及待想對(duì)DLP™技術(shù)有更多的了解，請(qǐng)登陸http://www.dlp.com/overview/chinese/example.htm
http://www.benq.com.cn/Projector/
備注：
Digital Light Processing™ ，DLP™都是注冊(cè)商標(biāo)，Texas Instruments Incorporated版權(quán)所有
資料來源：
1，Larry J. Hornbeck Texas Instruments，“Digital Light Processing™: A New MEMS-Based Display Technology”；
2，姜澄宇教授，“微機(jī)電系統(tǒng)”；
3，http://www.DLP.com
4，http://www.TI.com
5，http://www.eetchina.com
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