DLP 投影技术概要

    在我们的世界里，视觉和声音都是模拟形式，但当我们利用电子讯号来获取、储存和传送这些模拟现象时，采用数字技术却能带来许多重大优点；音讯处理就是个例子，当它从磁带和黑胶唱片的模拟技术转变为数字音乐光盘后，数字技术的优点也第一次鲜明的呈现在人们面前 - DLP ^TM 技术把相同的理念带到静态和动态影像世界。

DLP ^TM技术

    数字光源处理技术 (Digital Light Processing ^TM ，简称 DLP ^TM ) 是真正的数字投影和显示技术，它能接受数字视讯，然后产生一系列的数字光脉冲；这些光脉冲进入眼睛后，我们的眼睛会把它解译成为彩色模拟影像。 DLP ^TM 技术是以一种微机电 (MEMS) 组件为基础，称为数字微型反射镜组件 (Digital Micromirror Device ，简称 DMD) ( 图一 ) ，这种速度极快的反射性数字光开关是由 TI 在 1987 年发明。 DMD 微芯片上面包含数量庞大的超小型数字光开关，它们是面积非常小 (14 微米 ) 、外观为四方型、并由铝金属制成的绞接式反射镜，可以接受电子讯号代表的资料字符，然后产生光学字符输出。

图 1 ： 0.55" SVGA 分辨率的 DMD

    DMD 周围环绕着许多必要功能，例如影像处理、内存、格式转换、时序控制、光源和投影光学系统，它们可以接受数字元影像，然后在不降低画质的情形下，把这些影像投影到投影幕。

制造

   DMD 像素是一种整合的微机电上层结构电路单元 (MEMS superstructure cell) ，它是利用 CMOS SRAM 记忆晶胞所制成。 DMD 上层结构的制造是从完整 CMOS 内存电路开始，再透过光罩层的使用，制造出铝金属层和硬化光阻层 (hardened photoresist) 交替的上层结构，铝金属层包括地址电极 (address electrode) 、绞链 (hinge) 、轭 (yoke) 和反射镜，硬化光阻层则做为牺牲层 (sacrificial layer) ，用来形成两个空气间隙 (air gaps) 。铝金属会经过溅镀沉积 (sputter-deposited) 以及电浆蚀刻 (plasma-etched) 处理，牺牲层则会经过电浆去灰 (plasma-ashed) 处理，以便制造出层间的空气间隙 ( 图二 ) 。

图 2 ：反射镜上层结构是由多个层所组成

工作原理

   每个微反射镜都能将光线从两个方向反射出去，实际反射方向则视底层记忆晶胞的状态而定；当记忆晶胞处于「 ON 」状态时，反射镜会旋转至 +12 度，若记忆晶胞处于「 OFF 」状态，反射镜会旋转至 -12 度。只要结合 DMD 以及适当光源和投影光学系统，反射镜就会把入射光反射进入或是离开投影镜头的透光孔，使得「 ON 」状态的反射镜看起来非常明亮，「 OFF 」状态的反射镜看起来就很黑暗 ( 图三 ) 。利用二位脉冲宽度调变可以得到灰阶效果，如果使用固定式或旋转式彩色滤镜，再搭配一颗或三颗 DMD 芯片，即可得到彩色显示效果。

图 3 ：在「导通」位置的微反射镜会在屏幕上面产生一个亮点

　　DMD 的输入是由电流代表的电子字符，输出则是光学字符，这种光调变或开关技术又称为二位脉冲宽度调变 (binary pulsewidth modulation) ，它会把 8 位字符送至 DMD 的每个数字光开关输入端，产生 28 或 256 个灰阶。最简单的地址序列 (address sequence) 是将可供使用的字符时间 (field time) 分成八个部份，再从最高有效位 (MSB) 到最低有效位 (LSB) ，依序在每个位时间使用一个地址序列。当整个光开关数组都被最高位寻址后，再将各个像素致能 ( 重设 ) ，使他们同时对最高有效位的状态 (1 或 0) 做出反应。在每个位时间，下个位会被加载内存数组，等到这个位时间结束时，这些像素会被重设，使它们同时对下个地址位做出反应。此过程会不断重复，直到所有的地址位都加载内存。

　　入射光进入光开关后，会被光开关切换或调变成为一群光包 (light bundles) ，然后再反射出来，光包时间则是由电子字符的个别位所决定。对于观察者来说，由于光包时间远小于眼睛的 integration 时间，因此他们将会看到固定亮度的光线。

DLP^TM 架构

　　DLP ^TM 投影系统应该采用一颗或三颗 DMD 芯片是由多项因素决定，包括成本、光源效率、功耗、重量和体积。

　　单芯片 DLP ^TM 子系统主要用于商用资料投影机、绝大多数的家庭娱乐投影机以及大屏幕背投电视，它先利用一组聚光镜将灯泡发出的光线聚焦在穿透性色轮 (transmissive color wheel) ，再利用第二组镜片将通过色轮的光线均匀聚焦在 DMD 组件表面。随着反射镜旋转状态的不同 (+12 度或 -12 度 ) ，光线可能会反射进入投影镜头的透光孔 (ON) 或是离开投影镜头的透光孔 (OFF) ( 图四 ) 。

　　采用单片面板可以缩小光学系统的体积，减轻它们的重量，使厂商得以发展出携带方便又有弹性的投影机。

图 4 ： DLP ^TM单芯片架构

　　对于必须提供高亮度输出的应用，例如会议室、礼堂、研讨会以及出租和舞台，就必须采用三颗 DMD 的架构，这能组成更大的反射面积，让投影机能透过镜头提供更高亮度的输出。在采用三颗 DMD 组件的投影机中，灯泡发出的光线会被棱镜分成红绿蓝三种原色，每种颜色则分别被导向适当的 DMD 组件，这表示红光、绿光和蓝光都各有一颗 DMD 组件负责执行光调变。对于采用单颗 DMD 的 DLP ^TM 系统，屏幕像素是一个微反射镜的输出结果，但是 3-DMD 提供的屏幕像素则是三个微反射镜输出的组合／聚光结果，一个微反射镜调变红光，第二个调变绿光，第三个调变蓝光。使用三个 DMD 组件还能支持更先进的色彩处理，进而提供范围更宽广的色彩再生能力 ( 图五 ) 。

图 5 ： DLP ^TM三芯片架构

DLP^TM 产业

　　第一批采用 DLP ^TM 技术的产品在 1996 年初进入市场，它们是以 TI 设计制造的完整「光学引擎」为基础，虽然这种方式能协助厂商更快进入市场，但 TI 的投影机制造商客户也没有太大空间将产品差异化或提高它们的价值。经过一段时间后，单芯片投影系统的商业模式进入新的阶段， TI 开始提供简单的 DLP ^TM 系统，并将它安装在一张印刷电路板上面。这种商业模式随后又进一步发展， TI 现在开始为客户提供「芯片套件」，其中包含 DMD 和必要的支持功能，全部以半导体组件的形式提供给客户；这种方法为 TI 客户带来宽广的挥洒空间，使他们有机会创新和提供独特不同的产品。现在，几乎所有的投影机制造商都已将 DLP ^TM 技术用于他们的产品线， DLP 投影机的销售量也已突破二百万部大关，其中有超过一百万部是在过去 18 个月里销售。
 

DLP^TM 市场

　　DLP^TM 是非常独特的技术，因为它能针对种类最广泛的投影和显示应用，协助厂商发展最佳解决方案。单片面板架构可用来发展重量仅 2 磅的投影机，这也是全世界最小最轻的投影机；事实上，所有重量小于 3.5 磅的投影机都是采用 DLP ^TM 技术 ( 图六 ) 。应用领域另一端则是采用 3 颗 DMD 组件的 DLP ^TM 架构，它已被用来发展全世界最明亮的投影机，输出亮度高达 17,500 流明。大屏幕电视是 DLP ^TM 技术的一个快速成长市场， TI 客户已针对此市场发展各种消费性应用解决方案，提供绝佳影像画质、精巧设计、优雅造型和很低的成本。立体电视墙和平面电视墙 (video cube/video wall) 制造商在发展命令及控制应用时， DLP ^TM 也是他们最先考虑的技术。

图 6 ： InFocus LP120 采用 DLP ^TM技术，重量小于 2 磅

　　DLP^TM 技术的另一个重要市场是数字剧院投影解决方案市场。电影业者早就发现，若能透过数字形式把他们的电影传送到全世界电影院，他们即可获得庞大利益。事实上，电影业者早就掌握充份科技，可将原版电影从模拟转换成数字形式，然后压缩、加密和传送所得到的档案，再把电影储存至电影院里的服务器 - 但若缺少了数字投影技术，业者就无法在屏幕上产生和胶卷底片同样画质的影像，数字元剧院也就无法成为现实。 TI 在 1990 年代末期开始与电影业者合作，希望能发展出特殊应用的 DLP ^TM 技术，可在普通电影院播放首轮电影。 TI 在 1999 年展示了第一套产品原型，并用来播放「星际大战首部曲：威胁潜伏」；就在同时，大规模的全球现场展示计划也随之展开，用来评估数字剧院投影系统是否强固可靠，它的操作控制是否简单方便，这套系统随后成为业界熟知的 DLP Cinema ^TM 技术。此后，全世界已有超过 160 家电影院安装以 DLP Cinema ^TM 技术为基础的投影机， DLP Cinema ^TM 技术也是目前唯一经过实际考验的数字剧院投影技术，证明它能稳定可靠的提供高画质影像，不但看起来不输给胶卷底片，有些人甚至认为 DLP Cinema ^TM 投影出来的画质还胜过它们 ( 图七 ) 。

图 7 ： DLP ^TM Cinema 投影机原型

DLP^TM 优势

　　对于目前大多数投影和显示应用， LCD 技术是 DLP ^TM 最主要的竞争对手，但 DLP ^TM 技术拥有多项优势胜过 LCD 技术。

　　DLP^TM 是数字技术，每个微反射镜只会处于「 ON 」或「 OFF 」状态， LCD 却是一种模拟技术。数字投影技术的优点是它能忠实而不断重复的产生影像，不会受到温度、湿气或震动等环境因素的影响。

　　DLP ^TM 技术核心的微反射镜能以每秒 5,000 次速度开关，远超过 LCD 像素的开关速度，这能带来多项优点，其中最重要的就是 DLP ^TM 技术只需使用一个投影面板，就能同时调变红绿蓝三种光束；相形之下， LCD 技术由于速度较慢，因此必须采用三片式投影面板架构，第一片面板用来调变红光，第二片调变绿光，第三片给蓝光使用。

　　单片面板架构有多项优点：首先，单面板架构只需一套简单轻巧的光学系统，使它能发展出体积重量都小于三片式面板系统的投影机和显示器。

　　简单轻巧的光学系统为 DLP ^TM 技术带来另一项优势：投影机或大屏幕电视内的光线管理要比三片面板架构更简单，这能为它带来更高的对比值。高对比值可以提供更丰富的画面细节，使画面更逼真，黑颜色会显得更黑，并让画面看起来更清晰锐利 ( 人体视觉器官依赖对比值来分辨物体的边缘，因此高对比值影像看起来更锐利，采用 DLP ^TM 技术的投影机很容易就能达到 2000:1 以上的对比值。

　　此外，根据定义，单片面板系统绝不会失焦，但采用三片面板的 LCD 系统却可能受到环境因素的影响而失焦，使得屏幕画面看起来有些模糊。单片面板系统所提供的画面却能永远保持清晰锐利。

　　观众对于影像画质的好坏还会受到另外一项因素影响，就是它看起来「与电影相似」的程度，在观看动态视讯时更是如此。在 DLP ^TM 技术中，微反射镜的反射面积远大于它们之间的距离，因此它能提供很高的「填满率」 (fill factor) ，投影画面看起来也更加完美自然。另一方面，若和像素之间的距离相比， LCD 技术的像素面积却没有那么大，使得画面看起来有点颗粒的感觉，这种情形就像是透过「格状玻璃」看图片一样 ( 图八 ) 。

图 8 ：从鹦鹉眼睛的特写镜头可清楚看出 LCD 画面固有的颗粒现象

　　微反射镜拥有很高的开关速度，因此就本质而言，它更有能力将画面的快速动作准确再生，这是它为 DLP ^TM 技术带来的另一项优点； LCD 技术由于开关速度较慢，快速移动的影像画面看起来会有些模糊不清。

　　若和其它技术相比，例如电浆、映像管和 LCOS 等， DLP ^TM 技术也有多项重要优势。

DLP^TM 可靠性

　　DLP^TM 非常可靠，对于一种在本质上属于机械性的技术来说，这确实令人惊讶。实验室测试结果显示， DMD 的预期寿命时间超过 100,000 小时，客户反应结果也多半证实了这项预测。此外， DLP ^TM 技术全部采用无机材料，不会像有机技术一样，因为长时间曝露在热源或光源下而逐渐劣化。 2002 年五月，美国罗彻斯特大学的孟赛尔色彩科学实验室 (Munsell Color Science Laboratory at the University of Rochester) 进行一项研究计划，对五部可携式商业资料液晶投影机和两部 DLP ^TM 投影机的「画面可靠性」进行比较，他们把「画面可靠性」定义为：投影机画面品质下降到无法接受地步的所需工作时间。接受测试的投影机必须日夜不停连续工作 4,000 小时；测试期间结束后研究人员发现，所有液晶投影机都出现清楚可见而令人不悦的画面瑕疵，采用 DLP ^TM 技术的投影机却没有这些问题。研究人员认为 LCD 技术的影像品质会下降，主要是因为偏光板和面板内的有机材料长期曝露在光源和热源之下。

DLP^TM 发展

　　第一部采用单片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影机提供 350 流明亮度、 VGA (640 x 480) 分辨率和大约 23 磅的重量；相形之下，今日采用单片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影机重量最轻只有 2 磅，分辨率达到 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 投影机可提供 1,300 流明亮度，目前采用三片式 DMD 芯片的 DLP ^TM 投影机却能达到 17,500 流明。今天，消费者只需不到 1,000 美元，就能买到以 DLP ^TM 技术为基础的投影机。

　　第一部 DLP 投影机进入市场至今已经七年，这段期间出现了许多进步，使得 DLP 投影机的效能、重量、体积和成本都获得大幅改进。 1996 年时只有一种 DMD 组件，这段期间却有 13 种不同的 DMD 组件问世。分辨率也大幅提高，专为 DLP Cinema ^TM 应用而设计的最新 DMD 组件就能提供 220 万像素 ( 图九 ) ，长宽比 16:9 的 DMD 组件也已推出。透过将微反射镜的面积从 ~17 微米减少到 ~14 微米，并把微反射镜的间距从 1 微米缩小成 0.8 微米，组件体积大幅减少，制造成本也变得更低。此外，组件制程也从六英寸晶圆升级至八英寸晶圆，不但进一步降低成本，还能增加制造良率。

图 9 最新 DLP Cinema ^TM技术的核心 DMD 提供超过 200 万个像素

　　提高对比值是许多研发工作的重点，主要改变包括采用了更小旋转导孔 (Smaller Rotated Via ，简称 SRV) ，它将微反射镜中心的方形「孔」旋转 45 度，体积也变得更小，这能减少杂散光 (stray light) 的影响，进而提高对比值。最近，一种称为 Dark Metal 3 的新制程技术也被采用，它会在 DMD 次结构表面镀上一层吸旋光性材料，让通过微反射镜间隙的光线不会再反射出来，而是被这些材料所吸收，这也能减少杂散光强度，提供更高的对比值。

　　除了 DMD 组件之外， DLP ^TM 技术的许多其它领域也是研发重点，例如把更多的投影系统功能整合至相关芯片组。这项努力还在进行中，但它已经让 DLP ^TM 解决方案的效能更高、体积更小、重量更轻和成本更低，未来这些影响还会更明显。 DDR 和 LVDS 子系统的应用也可大幅改善效能，特别是在视讯应用方面。

　　自从第一部投影机推出后，色轮的效能也有长足进步。第一部投影机采用三种颜色的色轮，并以 '1x' 的正常速度工作，今日的投影机最多可能采用 6 种颜色，并以 '3x' 的高速工作，等于是将颜色更新速率 (color refresh rates) 提高 6 倍，大幅减少色序系统 (color sequential systems) 常出现的假影噪声 (artifacts) 。由于更多的色轮可供选择，制造商将享有更大弹性，例如他们可以针对亮度最佳化，以满足商业投影机的高亮度要求，或是针对色彩饱和度最佳化，以提供家庭娱乐应用所需要的更高色彩饱和度。最新发展重点是采用 SCR (Sequential Color Recapture) 技术，它有很大潜力来提高效率、增加输出亮度和改善色彩饱和度。

结论

图十

　　仅仅七年多的时间， DLP ^TM 技术就成为投影和显示系统市场的重要力量。 DLP 投影机目前的市场占有率在 25% 至 35% 之间，绝大多数分析师都认为这个数字还会增加，甚至会成为市场的最主要技术。在美国境内，采用 DLP ^TM 技术大屏幕电视早已超过以其它技术为基础的大屏幕产品，因为消费者比较喜欢 TI 客户提供的更完美画质、更良好设计和更低价格 ( 图十 ) 。无论是现有市场的成长，或者是新市场商机的来临，人们都将发现业界的转变脚步仍将由 DLP ^TM 技术继续主导。