ＤＬＰ數(shù)字投影技術(shù)介紹

一、什么是ＤＬＰ數(shù)字投影

    ＤＬＰ是“ＤｉｇｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｏｎｇ”的縮寫。它的意思為數(shù)字光處理，也就是說這種技術(shù)要先把影像訊號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。它是基于德儀公司開發(fā)的數(shù)字微反射鏡器件—ＤＭＤ來完成顯示數(shù)字可視信息的最終環(huán)節(jié)，而ＤＭＤ則是ＤｉｇｔａｌＭｉｃｒｏｍｕｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ的縮寫，字面意思為數(shù)字微鏡元件，這是指在ＤＬＰ技術(shù)系統(tǒng)中的核心——光學(xué)引擎心臟采用的數(shù)字微鏡晶片，它是在CMOS的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程上，加上一個(gè)可以調(diào)變反射面的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)形成的器件。

    說得更具體些，就是ＤＬＰ投影技術(shù)是應(yīng)用了數(shù)字微鏡晶片（ＤＭＤ）來做主要關(guān)鍵元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過程。其原理是將光源藉由一個(gè)積分器（Integrator），將光均勻化，通過一個(gè)有色彩三原色的色環(huán)（Color Wheel），將光分成R、G、B三色，再將色彩由透鏡成像在ＤＮＤ上。以同步訊號的方法，把數(shù)字旋轉(zhuǎn)鏡片的電訊號，將連續(xù)光轉(zhuǎn)為灰階，配合R、G、B三種顏色而將色彩表現(xiàn)出來，最后在經(jīng)過鏡頭投影成像。

二、數(shù)字光學(xué)處理過程

    如上所述，ＤＭＤ器件是ＤＬＰ的基礎(chǔ)。單片、雙片以及多片ＤＬＰ系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來以滿足不同市場的需要。一個(gè)ＤＬＰ為基礎(chǔ)的投影系統(tǒng)包括內(nèi)存及信號處理功能來支持全數(shù)字方法。ＤＬＰ投影機(jī)的其它元素包括一個(gè)光源、一個(gè)顏色濾波系統(tǒng)、一個(gè)冷卻系統(tǒng)、照明及投影光學(xué)元件。

    一個(gè)ＤＭＤ可被簡單描述成為一個(gè)半導(dǎo)體光開關(guān)。成千上萬個(gè)微小的方形16x16um鏡片，被建造在靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（SRAM）上方的鉸鏈結(jié)構(gòu)上而組成ＤＭＤ。

    每一個(gè)鏡片可以通斷一個(gè)象素的光。鉸鏈結(jié)構(gòu)允許鏡片在兩個(gè)狀態(tài)之間傾斜，+１０度為“開”。-１０度為“關(guān)”，當(dāng)鏡片不工作時(shí)，它們處于０度“停泊”狀態(tài)。

    根據(jù)應(yīng)用的需要，一個(gè)ＤＬＰ系統(tǒng)可以接收數(shù)字或模擬信號。模擬信號可在ＤＬＰ的或原設(shè)備生產(chǎn)廠家（OEM's）的前端處理中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，任何隔行視頻信號通過內(nèi)插處理被轉(zhuǎn)換成一個(gè)全圖形幀視頻信號。從此，信號通過ＤＬＰ視頻處理變成先進(jìn)的紅、綠、藍(lán)（RGB）數(shù)據(jù)，先進(jìn)的RGB數(shù)據(jù)然后格式化為全部二進(jìn)制數(shù)據(jù)的平面。

    一旦視頻或圖形信號在一種數(shù)字格式下，就被送入ＤＭＤ。信息的每一個(gè)象素按照1：1的比例被直接映射在它自己的鏡片上，提供精確的數(shù)字控制，如果信號是640x480象素，器件中央的640x480鏡片采取動作。這一區(qū)域處的其它鏡片將簡單的被置于“關(guān)”的位置。

    通過對每一個(gè)鏡片下的存儲單元以二進(jìn)制平面信號進(jìn)行電子化尋址，ＤＭＤ陣列上的每個(gè)鏡片被以靜電方式傾斜為開或關(guān)態(tài)。決定每個(gè)鏡片傾斜在哪個(gè)方向上為多長時(shí)間的技術(shù)被稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。鏡片可以在一秒內(nèi)開關(guān)1000多次，這一相當(dāng)快的速度允許數(shù)字灰度等級和顏色再現(xiàn)。

    在這一點(diǎn)上，ＤＬＰ成為一個(gè)簡單的光學(xué)系統(tǒng)。通過聚光透鏡以及顏色濾波系統(tǒng)后，來自投影燈的光線被直接照射在ＤＭＤ上。當(dāng)鏡片在開的位置上時(shí)，它們通過投影透鏡將光反射到屏幕上形成一個(gè)數(shù)字的方型象素投影圖像。 如下圖

圖片介紹：三個(gè)鏡片有效地反射光線來投影一個(gè)數(shù)字形象。入射光射到三個(gè)鏡片象素上，兩個(gè)外面的鏡片設(shè)置為開，反射光線通過投影鏡頭然后投射在屏幕上。這兩個(gè)“開”狀態(tài)的鏡片產(chǎn)生方形白色象素圖形。中央鏡片傾斜到“關(guān)”的位置。這一鏡片將入射光反射偏離開投影鏡頭而射入光吸收器，以致在那個(gè)特別的象素上沒有光反射上去，形成一個(gè)方形、黑色象素圖像。同理，剩下的508797個(gè)鏡片象素將光線反射到屏幕上或反射離開鏡片，通過使用一個(gè)彩色濾光系統(tǒng)以及改變適量的508，800ＤＭＤ鏡片的每個(gè)鏡片為開態(tài)，一個(gè)全彩色數(shù)字圖像被投影到屏幕上。

三、ＤＬＰ技術(shù)的優(yōu)勢

1.　噪音優(yōu)勢

    技術(shù)發(fā)展至今天，我們已經(jīng)擁有了數(shù)字撲捉、編輯、廣播、接收數(shù)字信息的能力，不過必須先把它轉(zhuǎn)換成模擬信號后才能顯示。信號每次由數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬（D/A）或從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字（A/D），信號噪音都會進(jìn)入數(shù)據(jù)通道，轉(zhuǎn)換越少噪聲越降，并且當(dāng)（A/D）、（D/A）轉(zhuǎn)換器減少時(shí)成本隨之降低。由于ＤＬＰ固有的數(shù)字性質(zhì)能使噪聲消失，因?yàn)椋模蹋芯哂型瓿蓴?shù)字視頻底層結(jié)構(gòu)的最后環(huán)節(jié)的能力，并且為開發(fā)數(shù)字可視通信環(huán)境提供了一個(gè)平臺，ＤＬＰ技術(shù)提供了一個(gè)可以達(dá)到的顯示數(shù)字信號的投影方法，這樣就完成了全數(shù)字底層結(jié)構(gòu)，具有最少的信號噪音。

圖片為視頻底層結(jié)構(gòu)。ＤＬＰ為一個(gè)完全數(shù)字視頻底層結(jié)構(gòu)提供了最后環(huán)節(jié)

2　精確的灰度等級

    它的數(shù)字性質(zhì)可以獲得具有精確數(shù)字灰度等級的精細(xì)的圖像質(zhì)量以及顏色再現(xiàn)。ＤＬＰ比之要競爭的透射式液晶顯示（的ＬＣＤ）技術(shù)更有效，因?yàn)樗�以反射式ＤＭＤ為基礎(chǔ)，不需要偏振光；并且因?yàn)槊總�(gè)視頻或圖像幀是由數(shù)字產(chǎn)生，每種顏色8位到10位的灰度等級，精確的數(shù)字圖象可以一次又一次地重新再現(xiàn)。例如：一個(gè)每種顏色為8位的灰度等級使每個(gè)原色產(chǎn)生256不同的灰度，允許數(shù)字化生成256x3，或16.7百萬個(gè)不同的顏色組合。

ＤＬＰ可產(chǎn)生數(shù)字灰度等級和顏色等級。假設(shè)每種顏色用8位，可以數(shù)字化地產(chǎn)生16.7x10的6次方個(gè)顏色組合。以上是每一種原色不同灰度的幾種組合和產(chǎn)生的數(shù)字象素顏色。

3.　反射優(yōu)勢

    因?yàn)椋模停氖且环N反射器件，它有超過60%的光效率，使得ＤＬＰ系統(tǒng)比ＬＣＤ投影顯示更有效率。這一效率是反射率、填充因子、衍射效率和實(shí)際鏡片“開”時(shí)間產(chǎn)生的結(jié)果。

    而ＬＣＤ依賴于偏振，所以其中一個(gè)偏振光沒有用。這意味著50%的燈光甚至從來不進(jìn)入ＬＣＤ，因?yàn)檫@些光被偏振片濾掉了。剩下的光被ＬＣＤ單元中的晶體管、門、以及信號源的線所阻擋。除了這些光損失外，液晶材料本身吸收了一部分光，結(jié)果是只有一少部分入射光透過ＬＣＤ面板照到屏幕上。最近，ＬＣＤ在光學(xué)孔徑和光傳輸上有經(jīng)驗(yàn)上的進(jìn)展，但它的性能仍然有局限，因?yàn)樗鼈円蕾囉谄�振光�?

4　無縫圖像優(yōu)勢

    ＤＭＤ上的小方鏡面積為16um平方，每個(gè)間隔1um，給出大于90%的填充因子。換言之，90%的象素/鏡片面積可以有效地反射光而形成投影圖像。整個(gè)陣列保持了象素尺寸及間隔的均勻性，并且不依賴于分辨率。越高的ＤＭＤ填充因子給予出越高的可見分辨率，這樣，加上逐行掃描，創(chuàng)造出比普通投影機(jī)更加真實(shí)自然的活生生的投影圖像。

5.　可靠性

    ＤＬＰ系統(tǒng)成功地完成了一系列規(guī)定的、環(huán)境的及操作的測試。選擇已證明可靠的標(biāo)準(zhǔn)元件來組成用于驅(qū)動ＤＭＤ的數(shù)字電路。對于照明和投影透鏡，無明顯的可靠性降低的現(xiàn)象。絕大部分可靠性測試集中在ＤＭＤ上，因?yàn)樗�依賴于移動鉸鏈結(jié)構(gòu)。為測試鉸鏈?zhǔn)ъ`，大約100個(gè)不同的ＤＭＤ被用于模擬一年的操作。一些ＤＭＤ已經(jīng)被測試了超過1G次循環(huán)，相當(dāng)于20年的操作。在這些測試以后檢查這些器件 ，發(fā)現(xiàn)在任何器件上均無鉸鏈折斷現(xiàn)象。鉸鏈?zhǔn)ъ`不是ＤＭＤ可靠性的一個(gè)因素。

    ＤＭＤ已通過所有標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體合格測試。它還通過了模擬ＤＭＤ實(shí)際操作環(huán)境條件的障礙測試，包括熱沖擊、溫度循環(huán)、耐潮濕、機(jī)械沖擊，振動及加速實(shí)驗(yàn)�；�于數(shù)千小時(shí)的壽命及環(huán)境測試，ＤＭＤ和ＤＬＰ系統(tǒng)表現(xiàn)出內(nèi)在的可靠性。

四、ＤＬＰ系統(tǒng)簡介

    通過多種配置，ＤＬＰ可以滿足一個(gè)廣泛的不同種類的市場和需要。每一種ＤＬＰ系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的投影質(zhì)量，單片ＤＬＰ系統(tǒng)年可提供誘人的性能價(jià)格比，三片ＤＬＰ系統(tǒng)可提供最高亮度的性能，能顯示高達(dá)幾千流明的亮度。雙片ＤＬＰ系統(tǒng)依靠單片的顏色濾波系統(tǒng)和三片的分光秀鏡概念可提供ＤＬＰ的另一種性能水平。這三種ＤＬＰ系統(tǒng)為ＤＬＰ提供了滿足從臺式監(jiān)視器到未來的數(shù)字電影的廣泛的投影機(jī)市場的能力。下面解釋單片、雙片和三片ＤＬＰ系統(tǒng)如何用來投影數(shù)字彩色影像。

1.　單片ＤＬＰ系統(tǒng)

    在一個(gè)單ＤＭＤ投影系統(tǒng)中，用一個(gè)色輪來產(chǎn)生全彩色投影圖像。色輪是由一個(gè)紅、綠、藍(lán)濾波系統(tǒng)組成，它以60Hz的頻率轉(zhuǎn)動，每秒提供180色場。在這種結(jié)構(gòu)中，ＤＬＰ工作在順序顏色模式。

    輸入信號被轉(zhuǎn)化RGB數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按順序?qū)懭耄模停牡腟RAM，白光光源通過聚焦透鏡聚集焦在色輪上，通過色輪的光線然后成象在ＤＭＤ的表面。當(dāng)色輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅、綠、藍(lán)光順序地射在ＤＭＤ上。色輪和視頻圖像是順序進(jìn)行的，所以當(dāng)紅光射到ＤＭＤ上時(shí)，鏡片按照紅色信息應(yīng)該顯示的位置和強(qiáng)度傾斜到“開”，綠色和藍(lán)色光及視頻信號亦是如此工作。人體視覺系統(tǒng)集中紅、綠、藍(lán)信息并看到一個(gè)全彩色圖像。通過投影透鏡，在ＤＭＤ表面形成的圖像可以被投影到一個(gè)大屏幕上。

單片ＤＬＰ投影系統(tǒng)。白光聚焦在以60Hz旋轉(zhuǎn)的色輪濾光系統(tǒng)上，這個(gè)輪子以紅、綠、藍(lán)的順序旋轉(zhuǎn)，將視頻信號送到ＤＭＤ。依照每個(gè)電視場中每個(gè)彩色的位置及亮度，鏡片打開。人體視覺系統(tǒng)將順序的顏色疊加在一起，看到一幅全彩色圖像

    因?yàn)殡娨曄到y(tǒng)委員會（NTSC）制定的電視場為16.7毫秒（1/60秒），每一原色必須被顯示在5.6毫秒。因?yàn)椋模停挠幸粋�(gè)小于20微秒的開關(guān)速度，一個(gè)8比特/顏色的灰度等級（256灰度）可以用單ＤＭＤ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這給出每一原色256灰度，或者說能夠產(chǎn)生256的3次方（16.7x 10的6次方）種顏色組合。

    當(dāng)使用一個(gè)色輪時(shí)，在任一給定的時(shí)間內(nèi)有2/3的光線被阻擋。當(dāng)白光射到紅色濾光片時(shí)，紅光透過，而藍(lán)光和綠光被吸收。藍(lán)光和綠光擁有同樣的道理，藍(lán)色濾光片通過藍(lán)光而吸收紅、綠光；綠包濾光片通過綠色而吸收紅、藍(lán)光。

2.　三片ＤＬＰ系統(tǒng)

    另外一種添加顏色的方法是將白光通過棱鏡系統(tǒng)分成三原色。這種方法使用三個(gè)ＤＭＤ，一個(gè)ＤＭＤ對應(yīng)于一種原色。應(yīng)用三片ＤＬＰ投影系統(tǒng)的主要原因?yàn)榱嗽黾恿炼取Ｍㄟ^三片ＤＭＤ，對整個(gè)16.7毫秒的電視場，來自每一原色的光可直接連續(xù)地投射到它自己的ＤＭＤ上。結(jié)果是更多的光線到達(dá)屏幕，給出一個(gè)更亮的投影圖像，除了已增加的亮度，可使用更高字節(jié)的顏色。因?yàn)楣饩�在整個(gè)電視場直接投到每個(gè)ＤＭＤ上，使每種顏色10比特灰度等級成為可能。這種高效的三片投影系統(tǒng)將被用在大屏幕和高亮度應(yīng)用領(lǐng)域。 

３.　雙片ＤＬＰ系統(tǒng)

    此外還有州一種獨(dú)特的雙ＤＭＤ結(jié)構(gòu)，為某些投影顯示應(yīng)用提供了理想的工具。這一系統(tǒng)利用了一般金屬鹵化物投影燈光譜平衡輸出的優(yōu)點(diǎn)。

    單片和三片ＤＬＰ系統(tǒng)為了光譜平衡輸出依靠來自投影燈的相等數(shù)量的紅、綠、藍(lán)光。為了在單片ＤＬＰ系統(tǒng)中得到均勻顏色的光，設(shè)計(jì)了順序?yàn)V色片系統(tǒng)來通過一個(gè)來自三原色的均衡數(shù)量的光。為了低成本和高效率，在單片系統(tǒng)中使用了金屬鹵化物燈。三原色中任意一種多余的光線可用來提高整體的光輸出，或者多余的光被顏色濾光片的密度濾掉來保持光譜的均勻性。典型地，在投影工業(yè)中要在光輸出和精確的顏色水平之間進(jìn)行權(quán)衡。

    應(yīng)用來自單片ＤＬＰ系統(tǒng)的順序色輪的方法以及來自三片ＤＬＰ系統(tǒng)的雙色分光棱鏡的概念，雙片ＤＬＰ系統(tǒng)利用了金屬鹵化物燈紅光缺乏的優(yōu)點(diǎn)。這一系統(tǒng)中的色輪不用紅、綠、藍(lán)濾光片，取而代之，系統(tǒng)使用兩個(gè)輔助顏色，品紅和黃色。色輪的品紅片段允許紅光和藍(lán)光通過，同時(shí)黃色片段可通過紅色和綠色。結(jié)果是紅光一直通過濾色系統(tǒng)，紅光在所有時(shí)間內(nèi)都通過，藍(lán)色和綠色在品紅-黃色色輪交替旋轉(zhuǎn)中每種光實(shí)質(zhì)上占用一半時(shí)間。

    一旦通過色輪，光線直接射到雙色分光棱鏡系統(tǒng)上。在這點(diǎn)，連續(xù)的紅光被分離出來而射到專門用來處理紅光和紅色視頻信號的ＤＭＤ上，順序的藍(lán)色與綠色光投射到另一個(gè)ＤＭＤ上，專門處理交替顏色，這一ＤＭＤ由綠色和藍(lán)色視頻信號驅(qū)動。

雙片ＤＬＰ投影系統(tǒng)。紅光通過棱鏡系統(tǒng)直接照射在它自己的ＤＭＤ上，同時(shí)藍(lán)光和綠光順序照射到另外的ＤＭＤ上，這兩種顏色組合成青色。不同的紅色與青色混合形成非常協(xié)調(diào)的全彩色圖像

    單片ＤＬＰ系統(tǒng)中，紅光只能通過1/3的時(shí)間，與此相比，雙片系統(tǒng)紅光輸出是原來的大約三倍。并且因?yàn)樯�輪現(xiàn)在只由兩個(gè)而不是三個(gè)濾光片組成，在一給定的視頻畫面中藍(lán)光和綠光輸出增加了大約50%（16.7ms/2=8.35ms,8.35ms/5.6ms-1=49.1%)。

    盡管一般金屬鹵化物燈紅光缺乏，三倍的紅光輸出以及藍(lán)光和綠光輸出50%的增大，使雙片ＤＬＰ系統(tǒng)有能力產(chǎn)生優(yōu)秀逼真的顏色。由于更多的光在更長的時(shí)間內(nèi)被收集，光學(xué)效率也很高了。二片ＤＬＰ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠?qū)γ客咻斎氲玫酱笥?流明的光譜平衡光輸出。

五、ＤＬＰ技術(shù)的發(fā)展

    ＤＬＰ投影技術(shù)的關(guān)鍵是ＤＭＤ器件，為了提高集光效率和ＤＭＤ的良率，德儀公司首先將每一個(gè)微小鏡片（Micro mirror）的尺寸從２年前的１７μm減小到１４μm，ＤＭＤ的晶片縮小后，良率也隨之增加。同時(shí)制程中鏡片的旋轉(zhuǎn)軸的尺寸也減小，以提高收光效能。目前最大的突破是鏡片的旋轉(zhuǎn)角度從10度增加到12度，若以系統(tǒng)的集光效率觀之，此增加角度的動作F/#會從３.５提高到３.０，此整體的ＤＬＰ光機(jī)引擎的效率已經(jīng)可與ＬＣＤD投影機(jī)相媲美了。

    在ＤＬＰ技術(shù)應(yīng)用市場方面，與ＬＣＤ投影技術(shù)相比，ＤＬＰ投影的最大優(yōu)勢在于有高解析度與高亮度等優(yōu)點(diǎn)，圖像更加清晰銳利，黑色和白色更純正，灰度層次更加豐富，更具有體積小和重量輕的優(yōu)勢。其應(yīng)用正逐漸朝向大型投影機(jī)及電影放映機(jī)（Digital Cinema）用等高階機(jī)種以及２kg（或低于２kg）以下超小型等兩極化方向發(fā)展。特別是在大型會場投影放映中，目前仍是以ＤＬＰ投影機(jī)一枝獨(dú)秀。

    如今，投影技術(shù)最大的應(yīng)用市場其實(shí)是在家用電視中，隨著經(jīng)濟(jì)生活水平的提高以及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，未來數(shù)字電視的開播將為此市場大門的打開起到?jīng)Q定性的作用，因此無論做為前投影還是做為背投影，ＤＬＰ技術(shù)的投影機(jī)都將在這一市場中得到新的應(yīng)用。

    放眼未來，ＤＬＰ技術(shù)具有微機(jī)電高速成長的產(chǎn)業(yè)相助，同時(shí)也有巨大的應(yīng)用市場正在開發(fā)之中，應(yīng)用前景非常看好。目前廠商應(yīng)及時(shí)掌握ＤＬＰ技術(shù)及ＤＭＤ器件的開發(fā)動態(tài)，同時(shí)掌握投影顯示器中的其他關(guān)鍵技術(shù)，在最佳的時(shí)間點(diǎn)將產(chǎn)品推出，獲取最大的利潤。