投影机爱好者注目：剖解DLP技术 上

IT168 特稿】编者按：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™ 技术把相同理念带到静态和动态影像世界。

    在IT业界，DLP™的投影技术，已经成为最热门的话题之一。在德州仪器(TI)积极的作风下，将有更多的生产厂商加入生产DLP™ 投影机的行列。那么为什么DLP™技术会有这么大的号召力，被越来越多的投影机厂商追捧呢？此次本文将对DLP™技术进行深度剖析，这里为了大家的阅读，编辑将文章分成了上、下两部分，并在今明两天分别刊登。

深入DLP™技术 上篇

    在介绍DLP™技术之前，我们先来认识4个重要的缩写

1，DLP™

    Digital Light Processing™，简称DLP™，中文含义是数字光源处理技术。

2，DMD

    Digital Micromirror Device，简称DMD，中文含义是数字微镜器件，这是一种光半导体芯片，它是DLP™技术的核心。

3，MEMS

    Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS，中文含义是微电子机械系统，DMD就是基于MEMS技术的微电子机械系统。

4，MOEMS

    Micro-Optical-Electro-Mechanical System，简称MOEMS，中文含义就是微光学电子机械系统，这是MEMS技术的进一步集成。

    所以，要了解DLP™技术，我们还是要从MEMS开始，看看他们是如何联系起来的。

MEMS简介

    MEMS还可以简称为微机电系统，这是美国的叫法。目前世界上对于微机电系统，还没有一个统一的定义。在日本，它通常被称之为叫做“微机械”，即“Micro Machine”。在欧洲，通常称为“微系统”，即“Micro System”。而在中国，我们认同MEMS这个名称。因为MEMS比较完整、准确地刻画了微机电系统的主要特征。

    作为一个系统来讲，我们认为它应该包含着可运动的部件，或者可运动的流体，类似这样的微型器件构成了系统。它要有传感器；或者是制动器，也称作执行器，它可以做一些操作。另外，它可以和电路联系起来，构成一个小小的系统。有的系统还具有信号处理和控制功能，有的有接口电路，有的还可以进行通讯，有的还要带电源，所以这个所谓的系统，它和一个零件是有所差别的。

    简单地说，MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。目前我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西，像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等，有些MEMS可以发送、接收以及精确地控制光束，有的可以检测某些分子，有的还可以模仿人体部分感觉器官。因此如果将逻辑芯片比作大脑，那么MEMS就相当于人的眼睛、鼻子、耳朵或其它感觉器官。此外MEMS还具有电气、机械或电磁控制功能，若继续以人作比方，MEMS还可以作为人的手或手指移动各种物体。

    MEMS的优势在于可将传感器与处理电路利用CMOS工艺集成在一块IC上，同时具有较机械式传感器更高的响应速度和更小的封装尺寸。

    我们了解到MEMS它是强调系统集成、机电集成的。那么它是否可以跟光再集成？在MEMS上再加一个光信号（optical），就是optical MEMS，我们称之为微光机电系统（MOEMS），它是光电信号互相转换的一个系统。信息技术、光通信技术的发展，使微光机电系统（MOEMS）成为当前研究的热点。其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。利用MEMS技术制作的新型光器件，插入损耗小，光路间相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并且通常采用硅为主要材料，从而器件的光学、机械、电气性能优良。它采用模块化设计，更加方便扩展应用。

    同时，微光机电系统(MOEMS)产品的复杂程度又提高了一级。芯片置放于密闭的封装内以防止敏感的光学器件受到外界光线影响，但是必须留出一条光通道。这一方法原理很简单，但是实施起来比较困难，需要在封装内设计一个导光的盖或天窗，虽然有多种材料可供选择，但是大多数天窗都采用陶瓷或金属以确保良好的密封性能。

    讲到这里，大家应该会想到DMD了，没错！德州仪器（TI）的Larry J. Hornbeck在1987年成功地应用MOEMS技术发明了数字微镜器件（DMD）。在光显示领域，数字微镜器件一直是复杂光电产品封装的最好例子，它也是当前最复杂、最尖端的商业化MOEMS产品，预示了未来的发展方向。
 

图1：0.55英寸SVGA分辨率的DMD

    图1是一块完整的DMD半导体芯片，它的镜面由一百三十万个精微反射镜面组成的长方形阵列，每个镜面对应于投影画面中的一个光学像素。接下来我们把这些镜面放大分析。

DMD的制造

    DMD精微反射镜面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，硬化光阻层则作为牺牲层 (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2)。

图2：微反射镜上层结构是由多个层所组成

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整合响应（integration）时间，因此他们将会看到固定亮度的光线。