簡介

DLP是"Digital Light Procession"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(hào)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Digtal Micromirror Device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)(ColorWheel)，將光分成R、G、B三色，再將色彩由透鏡成像在DMD上。以同步訊號(hào)的方法，把數(shù)字旋轉(zhuǎn)鏡片的電訊號(hào)，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。
DLP是美國德州儀器公司以數(shù)字微鏡裝置DMD芯片作為成像器件，通過調(diào)節(jié)反射光實(shí)現(xiàn)投射圖像的一種投影技術(shù)。它與液晶投影機(jī)有很大的不同，它的成像是通過成千上萬個(gè)微小的鏡片反射光線來實(shí)現(xiàn)的。DLP芯片的核心技術(shù)一直控制 在美國的德州儀器，DLP技術(shù)似乎在追逐著IntelInside的道路，因?yàn)樗笏胁捎肈LP技術(shù)的投影機(jī)產(chǎn)品都必須打上DLP的標(biāo)志。不管其是否會(huì)取得Intel在PC領(lǐng)域那樣的成就，至少顯示了其領(lǐng)導(dǎo)投影機(jī)底層技術(shù)的決心。DLP的生產(chǎn)廠家主要為歐美廠商，如ASK、惠普、麗訊等。

DLP投影技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
DLP投影機(jī)的技術(shù)是反射式投影技術(shù)。反射式DMD器件的應(yīng)用，DLP投影機(jī)擁有反射優(yōu)勢(shì)，在對(duì)比度和均勻性都非常出色，圖像清晰度高、畫面均勻、色彩銳利，并且圖像噪聲消失，畫面質(zhì)量穩(wěn)定，精確的數(shù)字圖像可不斷再現(xiàn)，而且歷久彌新。

由于普通DLP投影機(jī)用一片DMD芯片，最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是外型小巧，投影機(jī)可以做得很緊湊。現(xiàn)市場上所有的1.5公斤以下的迷你型投影機(jī)都是DLP式，大多數(shù)LCD投影機(jī)要超過2.5公斤。

DLP投影機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是圖像流暢,反差大。這些視頻優(yōu)點(diǎn)使其成為家庭影院世界中之首選品種。有較高的對(duì)比度，現(xiàn)在，大多數(shù)DLP投影機(jī)的對(duì)比度可做到600:1到800:1的之間，低價(jià)位的也可達(dá)450:1。LCD投影機(jī)對(duì)比度只在400:1附近，而低價(jià)位的才250:1。畫面的視感沖擊強(qiáng)烈，沒有像素結(jié)構(gòu)感，形象自然。

DLP投影機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是顆粒感弱。在SVGA(800×600)格式分辨率上，DLP投影機(jī)的像素結(jié)構(gòu)比LCD弱，只要相對(duì)可視距離和投影圖像畫面大小調(diào)得合適，已經(jīng)看不出像素結(jié)構(gòu)

DLP投影技術(shù)缺點(diǎn)
DLP投影機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是顆粒感弱。在SVGA(800×600)格式分辨率上，DLP投影機(jī)的像素結(jié)構(gòu)比LCD弱，只要相對(duì)可視距離和投影圖像畫面大小調(diào)得合適，已經(jīng)看不出像素結(jié)構(gòu)DLP投影機(jī)的色彩效果依靠色輪和DMD芯片運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)，單芯片DLP投影系統(tǒng)采用的反射式結(jié)構(gòu)，特別是在中低端產(chǎn)品中，單芯片DLP投影系統(tǒng)在圖像顏色的還原上比采用三原色混合LCD投影機(jī)稍遜一籌，色彩不夠鮮艷生動(dòng)。

作為DLP技術(shù)的擁有者，德州儀器并不生產(chǎn)投影機(jī)等終端產(chǎn)品，而僅僅為廠商提供DMD芯片和視頻處理芯片，這在一定程度上保證了DLP投影機(jī)市場的競爭的公平性。目前世界上非日系投影機(jī)品牌大多采用DLP技術(shù)，在日系品牌中包括三菱電機(jī)、日立、夏普等品牌中DLP投影機(jī)也占據(jù)了較為重要的位置，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前采用DLP技術(shù)的投影機(jī)品牌已經(jīng)多達(dá)80個(gè)左右。

色輪
為了方便用戶了解DLP技術(shù)，德州儀器也制作了一段DEMO視頻展示DLP投影機(jī)的成像原理（視頻點(diǎn)此）。通過視頻我們可以看到，當(dāng)燈泡發(fā)出的光線經(jīng)過聚透鏡和色輪后，被分解為R、G、B三原色投射到DMD芯片上，光線再經(jīng)過DMD鏡片的反射后由投影鏡頭投影成像。

色輪（COLOR WHEEL）在DLP投影機(jī)中的作用是色彩的分離和處理，只有單片式DLP和雙片式DLP投影機(jī)需要安裝色輪，三片式DLP投影機(jī)則不需要色輪。那么色輪又是如何實(shí)現(xiàn)色彩的分離和處理的呢?

這需要從光的原理談起，太陽光、白熾燈光、熒光燈光都是復(fù)合光，投影機(jī)燈泡發(fā)出的光線當(dāng)然也在復(fù)合光的范疇之內(nèi)。復(fù)合光總包含了不同演示、不同頻率的光線（單頻率光線為激光）。色輪通過高速旋轉(zhuǎn)將復(fù)合光過濾成紅、綠、藍(lán)三原色光。

色輪的表面是非常薄的金屬層，這層金屬層采用的是真空鍍膜技術(shù)，鍍膜的厚度根據(jù)紅綠藍(lán)三色的光譜波長相對(duì)應(yīng)。白色光通過金屬鍍膜層時(shí)，所對(duì)應(yīng)的光譜波長的色彩將透過色輪，其它色彩則被阻擋和吸收，從而完成對(duì)白色光的分離和過濾。

目前單片DLP投影機(jī)，色彩與亮度是成倒數(shù)關(guān)系的，亮度提高，則色彩一定會(huì)損失，而色彩提高，亮度一定會(huì)降低，這是因?yàn)镈LP投影機(jī)的顏色是通過色輪的RGB三色組合而成的，其光效率只能達(dá)到60%。當(dāng)然，要提高光效率，可以用在色輪上增加一片無色的濾光片來實(shí)現(xiàn)。增加無色濾光片后，光效率可以提高20%左右，但由于無色濾光片透過的是白光，疊加在三原色光上，使畫面比其原始的表現(xiàn)要明亮些，以至降低了色彩飽和度，使DLP的畫面表現(xiàn)的色彩單薄，并且產(chǎn)生抖動(dòng)或者說是閃爍感。

當(dāng)然，色輪實(shí)現(xiàn)色彩的分離和過濾需要通過色輪的高速工作運(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。據(jù)了解，最早的色輪每秒60轉(zhuǎn)，也叫做叫1倍速轉(zhuǎn)速。1倍速色輪RGB每個(gè)顏色每秒鐘旋轉(zhuǎn)60次，意味著顏色出現(xiàn)的頻率是60Hz。有關(guān)試驗(yàn)表明，色輪轉(zhuǎn)速為150-250Hz時(shí)，很少有人能看到“彩虹效應(yīng)”，而超過300Hz時(shí)，基本上就沒有人能夠看到了。

由于轉(zhuǎn)速有限，同時(shí)DMD中的微鏡的工作原理（DMD工作原理我們會(huì)在下一頁中進(jìn)行詳細(xì)秒速），早期的DLP投影機(jī)極易出現(xiàn)彩虹現(xiàn)象。彩虹現(xiàn)象是指觀眾會(huì)看到DLP投影機(jī)的畫面中物體的邊緣有紅綠藍(lán)色的拖影。當(dāng)然，能否看到彩虹現(xiàn)象不僅取決于投影機(jī)的性能，還和不同的人眼有關(guān)，據(jù)調(diào)查大部分觀眾看不到到DLP投影機(jī)的彩虹現(xiàn)象，不過對(duì)于能看到彩虹現(xiàn)象的觀眾來說，如此之差的畫面表現(xiàn)效果顯然是難以接受的。

為了解決彩虹現(xiàn)象，各大投影機(jī)廠商便在色輪上做足了功夫，最簡潔有效的方法便是提升色輪的轉(zhuǎn)速。從早期的1倍速提升至目前的6倍速，目前的色輪最高轉(zhuǎn)速已經(jīng)能達(dá)到360轉(zhuǎn)每秒，即360Hz。6倍速的色輪基本上消滅了彩虹現(xiàn)象，但是由于成本和技術(shù)的限制，目前大多數(shù)投影機(jī)采用的還是4倍速色輪。

除了提升色輪的轉(zhuǎn)速，DLP投影機(jī)制造商們還在增加色輪的段數(shù)。早期的色輪由紅綠藍(lán)三段式組成，不僅容易產(chǎn)生彩虹現(xiàn)象，光的利用率也只有60%左右，這也是為什么早期的DLP投影機(jī)亮度始終在幾百流明以下徘徊的原因。后來德州儀器和DLP投影機(jī)制造商又先后推出了四段式、五段式、六段式、七段式、八段式色輪……那么，增加的段數(shù)都是哪些顏色呢？增加色輪的段數(shù)又有什么好處呢？

其中四段式色輪是在傳統(tǒng)的三段式色輪增加了一段無色的濾光片，光效率可以提升了20%左右。但是由于無色濾光片透過的是白光，疊加在三原色光上，使畫面比其原始的表現(xiàn)要明亮些。這種通過增加無色濾片（通常說法為白色段）的方法雖然增加了投影機(jī)的亮度，但是投影機(jī)的色彩飽和度卻有了明顯下降。因?yàn)橥该鳛V片經(jīng)過時(shí)，會(huì)沖淡前面的色彩，并且會(huì)造成有白點(diǎn)閃過的錯(cuò)覺，因此會(huì)讓人感覺到畫面抖動(dòng)。這也是DLP投影機(jī)所被詬病的另外一個(gè)問題了——“色彩亮度”偏低。關(guān)于色彩亮度的問題也可以點(diǎn)此查閱。

五段式色輪是在四段式色輪上增加了黃色濾片，有效的利用了燈泡在580nm波長中的能量，明基將這種色輪稱為“黃金色輪”，東芝將這種色輪稱為“旋彩輪”……不同的廠商有不同的稱呼。五段式色輪提升了DLP投影機(jī)的色彩表現(xiàn)，但是畫質(zhì)提升有限，畫面抖動(dòng)的現(xiàn)象也依然存在。

六段式色輪分為好幾種，不同的DLP投影機(jī)制造商生產(chǎn)的六段式色輪可能都不相同。在各種六段式色輪中，其中應(yīng)用最多的便是雙重三段式色輪，這種色輪采用的是紅綠藍(lán)紅綠藍(lán)（RGBRGB）雙重色段的排列方式，在RGB三段色輪的基礎(chǔ)上，又增加了RGB濾片各一段。這樣設(shè)計(jì)最大的好處便是提升了RGB顏色出現(xiàn)的頻率，比如在1倍速色輪中RGB顏色出現(xiàn)的頻率由三段式的60Hz提升到了120Hz。當(dāng)然，由于取消了白色濾光片，采用6段式色輪的投影機(jī)亮度也大大下降。

而七段式色輪和八段式色輪由于應(yīng)用較少，我們便不作討論。下面我們來了解另外兩種色輪，SCR增益色輪和極致色彩所采用的色輪。

SCR（Sequential Color Recapture）也稱連續(xù)色彩補(bǔ)償技術(shù)，其基本原理與以上色輪技術(shù)相似，不同之處在于色輪表面采用阿基米德原理螺旋狀光學(xué)鍍膜，集光柱（光通道）采用特殊的增益技術(shù)，可以補(bǔ)償部分反射光，使系統(tǒng)亮度有較大提高（約40%）。但該色輪的處理技術(shù)相對(duì)較復(fù)雜，目前只有少數(shù)投影機(jī)廠家在產(chǎn)品中采用。

極致色彩技術(shù)(BrilliantColor)是德州儀器在2005年宣布問世的新型色彩處理增強(qiáng)技術(shù)。簡單來說，極致色彩技術(shù)便是采用三原色和三補(bǔ)色結(jié)合的色輪，以及適當(dāng)?shù)纳收{(diào)配算法電路，以達(dá)到提升單片式DLP投影機(jī)色彩顯示能力的目的。不過需要注意的是，德州儀器僅僅提出了這一技術(shù)理念，各家DLP投影機(jī)制造商根據(jù)實(shí)際情況的不同設(shè)計(jì)的極致色彩技術(shù)色輪也各不相同，所以成像質(zhì)量也有很大的差別。但是極致色彩技術(shù)引領(lǐng)DLP投影機(jī)從傳統(tǒng)的三色處理全面進(jìn)入到多色處理的新時(shí)代，注定將會(huì)在DLP投影機(jī)的發(fā)展史中留下濃厚的一筆。

DMD芯片

DMD的作用就是將色輪透過來的三原色光混合在一起，并且通過數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)換為彩色圖像。雖然看似簡單，但是技術(shù)含量極高，那么DMD又是如何實(shí)現(xiàn)這一功能的呢？

DMD是一種整合的微機(jī)電上層結(jié)構(gòu)電路單元，利用COMS 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交替的上層結(jié)構(gòu)，鋁金屬層包括地址電極、絞鏈(hinge)、軛(yoke)和反射鏡，硬化光阻層做為犧牲層(sacrificiallayer)，用來形成兩個(gè)空氣間隙。鋁金屬經(jīng)過濺鍍沉積及等離子蝕刻處理，犧牲層則經(jīng)過等離子去灰(plasma—ashed)處理，制造出層間的空氣間隙。

如果從技術(shù)角度來看，DMD芯片的構(gòu)造包括了電子電路、機(jī)械和光學(xué)三個(gè)方面。其中電子電路部分為控制電路，機(jī)械部分為控制鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)部分，光學(xué)器件部分便是指鏡片部分。當(dāng)DMD正常工作的時(shí)候，光線經(jīng)過DMD芯片，DMD表面布滿了體積微小的可轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片便會(huì)通過轉(zhuǎn)動(dòng)來反射光線，每個(gè)鏡片的旋轉(zhuǎn)都是由電路來控制的。每個(gè)鏡子一次旋轉(zhuǎn)只反射一種顏色（例如，投射紫顏色像素的微鏡只負(fù)責(zé)在投影面上反射紅藍(lán)光，而投射桔紅色像素的微鏡只負(fù)責(zé)在投影面上按比例反射紅和綠光（紅色的比例高、綠色比例低），鏡子的旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)到上千轉(zhuǎn)，如此之多的鏡子以如此之快的速度進(jìn)行變化，光線通過鏡頭投射到屏幕上以后，給人的視覺器官造成錯(cuò)覺，人的肉眼錯(cuò)將快速閃動(dòng)的三原色光混在一起，于是在投影的圖像上看到混合后的顏色。

如果你只想簡單的了解DMD的工作原理，上一段文字已經(jīng)夠用了。如果你想窮根究底，下面我們就來一起來全面而詳細(xì)的了解DMD芯片的構(gòu)造和工作方式。

在DMD芯片的最上面由數(shù)十萬片面積為14×14微米、比頭發(fā)斷面還小的微鏡片組成，增加DMD內(nèi)微鏡片的數(shù)量，即可提高產(chǎn)品的分辨率，而不須改變微鏡片的大小 (例如分辨率為1024×768的投影機(jī)DMD芯片上有786432個(gè)小鏡片)，這些鏡面經(jīng)由下面被稱為“軛”的裝置鏈接，并被“扭力鉸鏈”控制，可以左右翻轉(zhuǎn)。前期的鏡片的翻轉(zhuǎn)角度僅為10°，后來德州儀器對(duì)鏡片下方的鏈接部分進(jìn)行了改善和簡化，鏡片的翻轉(zhuǎn)角度提升到了12°。雖然僅僅提升了2度，但是成像過程中的雜散光線的影響被大大降低，對(duì)比度指標(biāo)進(jìn)一步提高。當(dāng)記憶晶胞處于“ON”狀態(tài)時(shí)，反射鏡會(huì)旋轉(zhuǎn)至+12度，若記憶晶胞處于“OFF”狀態(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“0N”狀態(tài)的反射鏡看起來非常明亮，“0FF”狀態(tài)的反射鏡看起來很黑暗。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。配有一顆DMD芯片的DLP投影系統(tǒng)稱為“單片DLP投影系統(tǒng)”，經(jīng)色輪過濾后的光，至少可生成1670萬種顏色。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，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。

目前DMD本身的光學(xué)有效面積也大大增強(qiáng)，已經(jīng)能占到整個(gè)芯片表面積的90%以上，有效提升了光學(xué)利用率。另外還有一點(diǎn)需要進(jìn)行了解：通過對(duì)每一個(gè)鏡片下的存儲(chǔ)單元以二進(jìn)制平面信號(hào)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）。

鏡片下方的“軛”和“扭力鉸鏈”采用被稱為“面微加工(surface micromachining)多晶矽”方法制作，具有機(jī)構(gòu)穩(wěn)固性、靈活性強(qiáng)，成本低廉的特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)步驟是為機(jī)械單元選用鋁合金材料，并以傳統(tǒng)光阻作為犧牲空間。所有工作都在200℃以下完成，因此在晶片上增加MEMS時(shí)不會(huì)影響金屬化制程或電晶體，也不會(huì)影響已經(jīng)完成的CMOS電路。這種方法是MEMS微型反射鏡的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。同時(shí)又很好的解決了半導(dǎo)體制程、為機(jī)械制程和光學(xué)制程間肯能的相互破壞的問題。這種方法與其他MEMS制造方法全然不同， TI是目前仍采用這種方法的唯一一家公司。

DMD芯片主要的工作方式是依據(jù)后端電路傳遞給CMOS芯片的不同信號(hào)，調(diào)控片上每個(gè)微鏡的旋轉(zhuǎn)位置，進(jìn)而使得照射在微鏡上的光線有選擇的反射道不同方向。作為微型數(shù)字光學(xué)處理器件，DMD不僅是DLP投影機(jī)的核心組建，而且也被廣泛應(yīng)用到了印刷、可研等諸多需要數(shù)字光開關(guān)的領(lǐng)域，成為了微電子機(jī)械學(xué)MEMS最成功的產(chǎn)品之一。

DarkChip——很多投影業(yè)內(nèi)人士對(duì)這個(gè)詞也比較熟悉，我們經(jīng)常可以看到某些高端的1080p DLP投影機(jī)采用的是DarkChip4芯片組，那么其又是怎么回事呢？還有某些投影機(jī)特意標(biāo)稱產(chǎn)品是“數(shù)據(jù)投影機(jī)”或者“視頻投影機(jī)”，他們之間采用的都是DLP技術(shù)，為什么會(huì)稱呼不同呢？

采用第一代DMD的DLP投影機(jī)僅僅是針對(duì)商務(wù)應(yīng)用，分辨率是848X600，可以兼顧800X600的SVGA電腦標(biāo)準(zhǔn)和848x480的480p(16：9)視頻標(biāo)準(zhǔn)。這一代的DMD微鏡偏轉(zhuǎn)角度為10度，對(duì)比度400：1至800：1不等。之后DLP投影機(jī)推出的第二代DMD芯片便開始進(jìn)入家庭影院市場（之前的家庭影院投影機(jī)大多采用CRT技術(shù)），第二代芯片鏡片的偏轉(zhuǎn)角度提升到了12度，分辨率也提升到了720p。

也就是從第二代DMD芯片開始，DLP投影機(jī)開始分為數(shù)據(jù)投影（商用）和視頻投影（家用）兩種按照應(yīng)用方向發(fā)展的路線。德州儀器也對(duì)DMD芯片進(jìn)行了最大的技術(shù)變革——將微鏡非光學(xué)面的金屬統(tǒng)統(tǒng)處理成黑色，此舉大大降低來自金屬反射出的雜散光，空前提升了DLP投影機(jī)的對(duì)比度，這一技術(shù)被稱為“Darkchip 1”。當(dāng)然，Darkchip也在不斷的發(fā)展中，2007年9月德州儀器發(fā)布了最新一代“超黑”技術(shù)DarkChip 4，可將原始對(duì)比度提升高達(dá)30%。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：一文了解DLP投影技術(shù)

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