数位投影与显示：DLP技术基础知识介绍

　　在我们的世界里，视觉和声音都是类比形式，但当我们利用电子讯号来获取、储存和传送这些类比现象时，采用数位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类比技术转变为数位音乐光碟后，数位技术的优点也第一次鲜明的呈现在人们面前——DLP技术把相同理念带到静态和动态影像世界。

　　DLP技术

　　数位光源处理技术(Digital Light Processing，简称DLP)是真正的数位投影和显示技术，它能接受数位视讯，然后产生一系列的数位光脉冲;这些光脉冲进入眼睛后，我们的眼睛会把它解译成为彩色类比影像。

　　DLP技术是以一种微机电(MEMS)元件为基础，称为数位微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，简称DMD)，这种速度极快的反射性数位光开关是由TI在1987年发明。DMD微晶片上面包含数量庞大的超小型数位光开关，它们是面积非常小(14微米)、外观为四方型、并由铝金属制程的绞接式反射镜，可以接受电子讯号代表的资料字元，然后产生光学字元输出。

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

　　DLP发展

　　第一部采用单片式DMD晶片的DLP投影机提供350流明亮度、VGA(640 x 480)解析度和大约23磅的重量;相形之下，今日采用单片式DMD晶片的DLP投影机重量最轻只有2磅，解析度达到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晶片的DLP投影机可提供1,300流明亮度，目前采用三片式DMD晶片的DLP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元件，这段期间却有13种不同的DMD元件问世。解析度也大幅提高，专为DLP Cinema应用而设计的最新DMD元件就能提供220万像素，长宽比16:9的DMD元件也已推出。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，元件体积大幅减少，制造成本也变得更低。此外，元件制程也从六吋晶圆升级至八吋晶圆，不但进一步降低成本，还能增加制造良率。

　　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元件之外，DLP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晶片组。这项努力还在进行中，但它已经让DLP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)常出现的假影杂讯(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。

　　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记忆体电路开始，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，铝金属层包括位址电极(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。

　　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。利用二位元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晶片，即可得到彩色显示效果。

　　DMD的输入是由电流代表的电子字元，输出则是光学字元，这种光调变或开关技术又称为二位元脉冲宽度调变(binary pulsewidth modulation)，它会把8位元字元送至DMD的每个数位光开关输入端，产生28或256个灰阶。最简单的位址序列(address sequence)是将可供使用的字元时间(field time)分成八个部份，再从最高有效位元(MSB)到最低有效位元(LSB)，依序在每个位元时间使用一个位址序列。当整个光开关阵列都被最高位元定址后，再将各个像素致能(重设)，使他们同时对最高有效位元的状态(1或0)做出反应。在每个位元时间，下个位元会被载入记忆体阵列，等到这个位元时间结束时，这些像素会被重设，使它们同时对下个位址位元做出反应。此过程会不断重复，直到所有的位址位元都载入记忆体。

　　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元的个别位元所决定。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架构

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

　　单晶片DLP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萤幕背投电视，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元件表面。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)。

　　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。

　　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元件的投影机中，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元件，这表示红光、绿光和蓝光都各有一颗DMD元件负责执行光调变。对于采用单颗DMD的DLP系统，萤幕像素是一个微反射镜的输出结果，但是3-DMD提供的萤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元件还能支援更先进的色彩处理，进而提供范围更宽广的色彩再生能力。

　　DLP市场

　　DLP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技术。应用领域另一端则是采用3颗DMD元件的DLP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。大萤幕电视是DLP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也是他们最先考虑的技术。

　　DLP技术的另一个重要市场是数位剧院投影解决方案市场。电影业者早就发现，若能透过数位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，可将原版电影从类比转换成数位形式，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伺服器 - 但若缺少了数位投影技术，业者就无法在萤幕上产生和胶卷底片同样画质的影像，数位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，用来评估数位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技术。

　　此后，全世界已有超过160家电影院安装以DLP Cinema技术为基础的投影机，DLP Cinema技术也是目前唯一经过实际考验的数位剧院投影技术，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投影出来的画质还胜过它们。

　　DLP优势

　　对于目前大多数投影和显示应用，LCD技术是DLP最主要的竞争对手，但DLP技术拥有多项优势胜过LCD技术。DLP是数位技术，每个微反射镜只会处于ON或OFF状态，LCD却是一种类比技术。数位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技术带来另一项优势：投影机或大萤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，使得萤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。

　　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技术也有多项重要优势。

　　DLP可靠性

　　DLP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5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。

　　结论

　　仅仅七年多的时间，DLP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技术大萤幕电视早已超过以其它技术为基础的大萤幕产品，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。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技术继续主导。