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1、(三)DMD 芯片显示原理的介绍 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 (air gaps)。铝金属会经过溅镀沉积
2、(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 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，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，
3、再搭配一颗或三颗 DMD 芯片， 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
4、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。 (四)DMD 的工作过程描述DLP 技术基础是光学半导体、数字微镜芯片（DMD）由德州仪器公司的LarryHornbeck 在 1987 年发 明，DMD
5、 芯片可以对光进行数字化调制、数字微镜器件包含了一个由微镜镜面组成的长方形阵列 组成、这个阵列对应与投影图象中的光线、这些镜面和数字信号、光源和投影镜头协同工作时，能够把象、最忠实地再现出来、数字信号会激活各镜片下放的微型电极、这个电极就推动镜片迎向或避开光源、当镜片迎向光源（开启）时，会将一个白色像素通过镜头反射、到荧幕上、当镜面避开光源（关闭）时，镜面像素在荧幕上的所在位置便呈现深色。精薇镜面的旋转速度是每秒钟是 5000 次（这些 DMD镜面可以、每秒开关数千次） 、交换各镜面的开关时间，就能够产生不同的等级灰度、开启的时间长与关闭时间，产生的灰度象素就浅、关闭的时间长与开启时间，产生的
6、灰度象素就深、DMD 镜面可以反射 1024 个灰度等级，来产生灰度图象、把灰度图象加上彩色大多数 DLP 系统 中，光源与镜面座板之间加个色轮的光过滤器、随着色轮的旋转，红、绿、蓝三种光线依次便落在、DMD 镜面上、各个镜面的开、关状态会随着彩色光线的闪烁而调整、通过此方法、一个典型的 DLP 投影系统，能够产生 1600 万种色彩例如，当红色或兰色光线落在镜面上时才将镜面打开，通过我们的眼睛就可以产生紫色像素，紫色图象。采用了 DLP 技术的投影机、电视机、家庭影院系统使用单一 DMD 结构、单DMD 芯片系统，包含了一个 DMD 芯片、一个投灯一个色轮和一组投影镜头， 产生的图象比任何其
7、他显示技术都要更加清晰。更加色彩丰富、电影和大屏幕投影机都使用 3 片 DMD 芯片系统，白光穿过一个 棱镜，被分解成红、绿、蓝三种颜色，每个DMD 芯片专用于一种颜 色，经过反射的红、绿、蓝光线被混合起来，穿过镜片投影到屏幕上，DLP Cinema 投影系统能够产生 35 万亿种颜色, 。花费了大量精力了解色轮之后，下面我们来了解 DLP 投影机的另外一大核心 DMD 芯片。如果说在色轮的研发上，投影机制造商们还能根据自己的实际需要生产不同的产品，那么 DMD 芯片就完全掌握在了德州仪器的手中了。经过十多年的发展，DMD 芯片不仅尺寸上从 0.55 吋到 0.95 吋，技术上也从 SDR D
8、MD 芯片组发展到了 DDR 芯片组，同时分辨率最高已经可以达到了 4K（第一块 DMD 的分辨率仅为 1616） ，德州仪器甚至将 DMD 芯片称为世界上最精密的光学元器件。DMD 的作用就是将色轮透过来的三原色光混合在一起，并且通过数据控制转换为彩色图像。虽然看似简单，但是技术含量极高，那么 DMD 又是如何实现这一功能的呢？DMD 是一种整合的微机电上层结构电路单元，利用 COMS 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交替的上层结构，铝金属层包括地址电极、绞链(hinge) 、轭(yoke)和反射
9、镜，硬化光阻层做为牺牲层(sacrificiallayer)，用来形成两个空气间隙。铝金属经过溅镀沉积及等离子蚀刻处理，牺牲层则经过等离子去灰(plasma ashed)处理，制造出层间的空气间隙。如果从技术角度来看，DMD 芯片的构造包括了电子电路、机械和光学三个方面。其中电子电路部分为控制电路，机械部分为控制镜片转动的结构部分，光学器件部分便是指镜片部分。当 DMD 正常工作的时候，光线经过 DMD 芯片，DMD 表面布满了体积微小的可转动镜片便会通过转动来反射光线，每个镜片的旋转都是由电路来控制的。每个镜子一次旋转只反射一种颜色（例如，投射紫颜色像素的微镜只负责在投影面上反射红蓝光，而投
10、射桔红色像素的微镜只负责在投影面上按比例反射红和绿光（红色的比例高、绿色比例低） ，镜子的旋转速度可达到上千转，如此之多的镜子以如此之快的速度进行变化，光线通过镜头投射到屏幕上以后，给人的视觉器官造成错觉，人的肉眼错将快速闪动的三原色光混在一起，于是在投影的图像上看到混合后的颜色。如果你只想简单的了解 DMD 的工作原理，上一段文字已经够用了。如果你想穷根究底，下面我们就来一起来全面而详细的了解 DMD 芯片的构造和工作方式。在 DMD 芯片的最上面由数十万片面积为 1414 微米、比头发断面还小的微镜片组成，增加 DMD 内微镜片的数量，即可提高产品的分辨率，而不须改变微镜片的大小 (例如分
11、辨率为 1024768 的投影机 DMD 芯片上有 786432 个小镜片) ，这些镜面经由下面被称为“轭”的装置链接，并被“ 扭力铰链 ”控制，可以左右翻转。前期的镜片的翻转角度仅为 10，后来德州仪器对镜片下方的链接部分进行了改善和简化，镜片的翻转角度提升到了 12。虽然仅仅提升了 2 度，但是成像过程中的杂散光线的影响被大大降低，对比度指标进一步提高。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“0N” 状态的反射镜看起
12、来非常明亮， “0FF”状态的反射镜看起来很黑暗。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。配有一颗 DMD芯片的 DLP 投影系统称为“单片 DLP 投影系统”，经色轮过滤后的光，至少可生成 1670 万种颜色。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，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。目前 DMD 本身的光学有效面积也大大增强，已经能占到整个芯片表面积的 90%以上，有效提升了光学利用率。另外还有一
13、点需要进行了解：通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，DMD 阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态。决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制（PWM） 。镜片下方的“轭” 和“ 扭力铰链 ”采用被称为“面微加工(surface micromachining)多晶矽” 方法制作，具有机构稳固性、灵活性强，成本低廉的特点。具体实现步骤是为机械单元选用铝合金材料，并以传统光阻作为牺牲空间。所有工作都在 200以下完成，因此在晶片上增加 MEMS 时不会影响金属化制程或电晶体，也不会影响已经完成的 CMOS 电路。这种方法是 MEMS 微型反射镜的标准
14、基础。同时又很好的解决了半导体制程、为机械制程和光学制程间肯能的相互破坏的问题。这种方法与其他 MEMS 制造方法全然不同， TI 是目前仍采用这种方法的唯一一家公司。DMD 芯片主要的工作方式是依据后端电路传递给 CMOS 芯片的不同信号，调控片上每个微镜的旋转位置，进而使得照射在微镜上的光线有选择的反射道不同方向。作为微型数字光学处理器件，DMD 不仅是 DLP 投影机的核心组建，而且也被广泛应用到了印刷、可研等诸多需要数字光开关的领域，成为了微电子机械学 MEMS 最成功的产品之一。DarkChip很多投影业内人士对这个词也比较熟悉，我们经常可以看到某些高端的1080p DLP 投影机采
15、用的是 DarkChip4 芯片组，那么其又是怎么回事呢？还有某些投影机特意标称产品是“数据投影机”或者“ 视频投影机”，他们之间采用的都是 DLP 技术，为什么会称呼不同呢？采用第一代 DMD 的 DLP 投影机仅仅是针对商务应用，分辨率是 848X600，可以兼顾800X600 的 SVGA 电脑标准和 848x480 的 480p(16：9)视频标准。这一代的 DMD 微镜偏转角度为 10 度，对比度 400：1 至 800：1 不等。之后 DLP 投影机推出的第二代 DMD 芯片便开始进入家庭影院市场（之前的家庭影院投影机大多采用 CRT 技术） ，第二代芯片镜片的偏转角度提升到了 12 度，分辨率也提升到了 720p。也就是从第二代 DMD 芯片开始，DLP 投影机开始分为数据投影（商用）和视频投影（家用）两种按照应用方向发展的路线。德州仪器也对 DMD 芯片进行了最大的技术变革将微镜非光学面的金属统统处理成黑色，此举大大降低来自金属反射出的杂散光，空前提升了 DLP 投影机的对比度，这一技术被称为“Darkchip 1”。当然，Darkchip 也在不断的发展中，2007 年 9 月德州仪器发布了最新一代“超黑”技术 DarkChip 4，可将原始对比度提升高达 30%。
