從DLP技術(shù)之源談起，聊DLP投影技術(shù)的發(fā)展之道

 DLP的全稱是Digital Light Processing，中文意思為“數(shù)字光學處理技術(shù)”。DLP投影機的核心元器件DMD，全稱為Digital Micromirror Device，中文意思為“數(shù)據(jù)微鏡裝置”，通過控制從而鏡片的開啟和偏轉(zhuǎn)達到顯示圖像的目的。DLP在投影機中應(yīng)用主要是前投(也稱正投)系統(tǒng)，和大屏幕和平板顯示的背投領(lǐng)域?qū)儆诓煌膽?yīng)用方式。根據(jù)DMD數(shù)量的不同，可以將DLP投影機分為單片式DLP投影機，雙片式DLP投影機和三片式DLP投影機三種類型。目前市場中幾乎沒有雙片DLP投影機的存在，三片式DLP主要應(yīng)用在高端工程、影院級投影機中，我們本文主要探討的則是單片式DLP技術(shù)。

德州儀器DLP技術(shù)解析

在探討DLP技術(shù)之前，我們先對DLP和DMD的歷史進行簡單的了解。DLP技術(shù)是由美國德州儀器的Larry Hornbeck博士所研發(fā)成功的。Larry Hornbeck博士從1977年開始從事運用反射用以控制光線投射的原理研究，并于1987年將DMD研究成功。DMD芯片最早應(yīng)用在機票印票機中，到了1993年這種以DMD為核心的光學系統(tǒng)才被命名為DLP。最早的DMD芯片使用的是模擬技術(shù)驅(qū)動，反射面是采用一種柔性材料，在當時被稱為“變形鏡器件Deformable Mirror De-vice”。10年之后，Hornbeck博士正式以數(shù)字控制技術(shù)取代模擬技術(shù)，開發(fā)出了新一代DMD器件，并將名稱改為“數(shù)碼微鏡器件 (Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影機開始研發(fā)，1996年DLP產(chǎn)品才上市，而國內(nèi)的DLP投影機正式進入市場銷售則是1999年之后的事情了。

從DLP的歷史中我們不難看出，相對于LCD液晶顯示技術(shù)而言，DLP技術(shù)非常年輕。但是DLP技術(shù)的出現(xiàn)成功的打破了LCD液晶投影機的壟斷局面，并在接下來的長時間內(nèi)和3LCD技術(shù)平分秋色，各自占據(jù)半壁江山。

部分采用DLP技術(shù)的投影機品牌

在和3LCD投影機多年的抗衡之中，DLP投影機最大的優(yōu)勢便是性價比。其次，DLP投影機可以將體積做到更小，對比度也提升不少。當然，在投影機最為重要的色彩顯示上，DLP投影機色彩飽和度差、易出現(xiàn)彩虹現(xiàn)象、色彩亮度低等缺點也非常明顯。雖然目前TI和各大廠商推出了“極致色彩”技術(shù)，用DDR芯片組取代SDR芯片組等變化，但是從筆者的實測情況來看，同價位的DLP投影機畫面純凈度等依然和3LCD投影機存在差距，這種差距在行業(yè)機中尤為明顯。

作為DLP技術(shù)的擁有者，德州儀器并不生產(chǎn)投影機等終端產(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投影機市場的競爭的公平性。目前世界上非日系投影機品牌大多采用DLP技術(shù)，在日系品牌中包括三菱電機、日立、夏普等品牌中DLP投影機也占據(jù)了較為重要的位置，據(jù)不完全統(tǒng)計目前采用DLP技術(shù)的投影機品牌已經(jīng)多達80個左右。

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 投影機的成像原理(視頻點此)。通過視頻我們可以看到，當燈泡發(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。當然，讀者也可以通過我們的拆解對DLP投影機做大致了解(點此進入明基MP724拆解)。

DLP投影機結(jié)構(gòu)示意圖

如果想探索DLP投影機的原理，必須要搞清色輪和DMD芯片兩部分，下面我們便對這兩部分進行詳細的介紹。

色輪(COLOR WHEEL)在DLP投影機中的作用是色彩的分離和處理，只有單片式DLP和雙片式DLP投影機需要安裝色輪，三片式DLP投影機則不需要色輪。那么色輪又是如何實現(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，投影機燈泡發(fā)出的光線當然也在復(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)紅綠藍三色的光譜波長相對應(yīng)。白色光通過金屬鍍膜層時，所對應(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，從而完成對白色光的分離和過濾。

目前單片DLP投影機，色彩與亮度是成倒數(shù)關(guān)系的，亮度提高，則色彩一定會損失，而色彩提高，亮度一定會降低，這是因為DLP投影機的顏色是通過色輪的 RGB三色組合而成的，其光效率只能達到60%。當然，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)生抖動或者說是閃爍感。

明基MP724投影機的色輪

當然，色輪實現(xiàn)色彩的分離和過濾需要通過色輪的高速工作運轉(zhuǎn)來實現(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)試驗表明，色輪轉(zhuǎn)速為150-250Hz時，很少有人能看到“彩虹效應(yīng)”，而超過300Hz時，基本上就沒有人能夠看到了。

由于轉(zhuǎn)速有限，同時DMD中的微鏡的工作原理(DMD工作原理我們會在下一頁中進行詳細秒速)，早期的DLP投影機極易出現(xiàn)彩虹現(xiàn)象。彩虹現(xiàn)象是指觀眾會看到DLP投影機的畫面中物體的邊緣有紅綠藍色的拖影。當然，能否看到彩虹現(xiàn)象不僅取決于投影機的性能，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投影機的彩虹現(xiàn)象，不過對于能看到彩虹現(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)投影機采用的還是4倍速色輪。

除了提升色輪的轉(zhuǎn)速，DLP投影機制造商們還在增加色輪的段數(shù)。早期的色輪由紅綠藍三段式組成，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的亮度，但是投影機的色彩飽和度卻有了明顯下降。因為透明濾片經(jīng)過時，會沖淡前面的色彩，并且會造成有白點閃過的錯覺，因此會讓人感覺到畫面抖動。這也是DLP投影機所被詬病的另外一個問題了——“色彩亮度”偏低。關(guān)于色彩亮度的問題也可以點此查閱。

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投影機的色彩表現(xiàn)，但是畫質(zhì)提升有限，畫面抖動的現(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紅綠藍(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。當然，由于取消了白色濾光片，采用6段式色輪的投影機亮度也大大下降。

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鍍膜，集光柱(光通道)采用特殊的增益技術(shù)，可以補償部分反射光，使系統(tǒng)亮度有較大提高(約40%)。但該色輪的處理技術(shù)相對較復(fù)雜，目前只有少數(shù)投影機廠家在產(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技術(shù)。簡單來說，極致色彩技術(shù)便是采用三原色和三補色結(jié)合的色輪，以及適當?shù)纳收{(diào)配算法電路，以達到提升單片式DLP投影機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投影機制造商根據(jù)實際情況的不同設(shè)計的極致色彩技術(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投影機從傳統(tǒng)的三色處理全面進入到多色處理的新時代，注定將會在DLP投影機的發(fā)展史中留下濃厚的一筆。

花費了大量精力了解色輪之后，下面我們來了解DLP投影機的另外一大核心——DMD芯片。

如果說在色輪的研發(fā)上，投影機制造商們還能根據(jù)自己的實際需要生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，那么DMD芯片就完全掌握在了德州儀器的手中了。經(jīng)過十多年的發(fā)展，DMD芯片不僅尺寸上從0.55吋到0.95吋，技術(shù)上也從SDR DMD芯片組發(fā)展到了DDR 芯片組，同時分辨率最高已經(jīng)可以達到了4K(第一塊DMD的分辨率僅為16×16)，德州儀器甚至將DMD芯片稱為世界上最精密的光學元器件。

德州儀器推出0.98-DLP影院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又是如何實現(xiàn)這一功能的呢?

DMD是一種整合的微機電上層結(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、機械和光學三個方面。其中電子電路部分為控制電路，機械部分為控制鏡片轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)部分，光學器件部分便是指鏡片部分。當DMD正常工作的時候，光線經(jīng)過DMD芯片，DMD表面布滿了體積微小的可轉(zhuǎn)動鏡片便會通過轉(zhuǎn)動來反射光線，每個鏡片的旋轉(zhuǎn)都是由電路來控制的。每個鏡子一次旋轉(zhuǎn)只反射一種顏色(例如，投射紫顏色像素的微鏡只負責在投影面上反射紅藍光，而投射桔紅色像素的微鏡只負責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)速度可達到上千轉(zhuǎn)，如此之多的鏡子以如此之快的速度進行變化，光線通過鏡頭投射到屏幕上以后，給人的視覺器官造成錯覺，人的肉眼錯將快速閃動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的了解DMD芯片的構(gòu)造和工作方式。

DMD芯片的構(gòu)造

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DMD芯片上有786432個小鏡片)，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°，后來德州儀器對鏡片下方的鏈接部分進行了改善和簡化，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，對比度指標進一步提高。當記憶晶胞處于“ON”狀態(tài)時，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至+12度，若記憶晶胞處于“OFF”狀態(tài)，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至-12度。只要結(jié)合DMD以及適當光源和投影光學系統(tǒng)，反射鏡就會把入射光反射進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，它會把8位字符送至DMD的每個數(shù)字光開關(guān)輸入端，產(chǎn)生28 或256個灰階。

目前DMD本身的光學有效面積也大大增強，已經(jīng)能占到整個芯片表面積的90%以上，有效提升了光學利用率。另外還有一點需要進行了解：通過對每一個鏡片下的存儲單元以二進制平面信號進行電子化尋址，DMD陣列上的每個鏡片被以靜電方式傾斜為開或關(guān)態(tài)。決定每個鏡片傾斜在哪個方向上為多長時間的技術(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，具有機構(gòu)穩(wěn)固性、靈活性強，成本低廉的特點。具體實現(xiàn)步驟是為機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時不會影響金屬化制程或電晶體，也不會影響已經(jīng)完成的CMOS電路。這種方法是 MEMS微型反射鏡的標準基礎(chǔ)。同時又很好的解決了半導(dǎo)體制程、為機械制程和光學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，調(diào)控片上每個微鏡的旋轉(zhuǎn)位置，進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)字光學處理器件，DMD不僅是DLP投影機的核心組建，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，成為了微電子機械學MEMS最成功的產(chǎn)品之一。

DarkChip——很多投影業(yè)內(nèi)人士對這個詞也比較熟悉，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?還有某些投影機特意標稱產(chǎn)品是“數(shù)據(jù)投影機”或者“視頻投影機”，他們之間采用的都是DLP技術(shù)，為什么會稱呼不同呢?

采用第一代DMD的DLP投影機僅僅是針對商務(wù)應(yīng)用，分辨率是848X600，可以兼顧800X600 的SVGA電腦標準和848x480的480p(16：9)視頻標準。這一代的DMD微鏡偏轉(zhuǎn)角度為10度，對比度400：1至800：1不等。之后 DLP投影機推出的第二代DMD芯片便開始進入家庭影院市場(之前的家庭影院投影機大多采用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DMD芯片進行了最大的技術(shù)變革——將微鏡非光學面的金屬統(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投影機的對比度，這一技術(shù)被稱為“Darkchip 1”。當然，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，可將原始對比度提升高達30%。

從目前的市場表現(xiàn)來看，單片式DLP投影機憑借性價比的優(yōu)勢在低端市場占據(jù)了大部分的市場份額，在高端市場中3DLP技術(shù)則掌握著絕對的話語權(quán)。目前正在日益流行的LED微型投影機中，也大多采用DLP技術(shù)。但是，在傳統(tǒng)的中端行業(yè)市場中，DLP表現(xiàn)還不夠突出，有很大的提升空間。

DLP投影機的優(yōu)點

從技術(shù)角度來看，DLP投影機主要具有原生對比度高、機器小型化、光路采用封閉式三大特點。在前文中我們提到DMD芯片采用的是機械式工作方式，鏡片的移動可控性更高，原生對比度較高就在意料之中了。DLP投影機采用的是反射式原理，實現(xiàn)高開口率更為簡單，相同配置的產(chǎn)品DLP光路系統(tǒng)更小，機器當然可以做到更小。另外，DMD芯片采用的是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在高溫下運作鏡片也不易發(fā)生太大的變化，所以DLP投影機采用封閉式光路，降低了灰塵進入了概率。

DLP投影機缺點

DLP投影機的色彩效果依靠色輪和DMD芯片運動息息相關(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投影機稍遜一籌，色彩不夠鮮艷生動。

DLP投影技術(shù)的未來發(fā)展

據(jù)前不久第三方公布的數(shù)據(jù)顯示，DLP在最近10余個季度還未能超越3LCD。雖然在低端和高端市場中占據(jù)優(yōu)勢，但是在中端市場DLP還需要進步。不過對于DLP本身來說，其未來還是值得期待的。下面筆者便和大家分享DLP未來幾大發(fā)展方向。

一、3D立體投影

據(jù)德州儀器透露，2009年以后生產(chǎn)的大部分DLP投影機均能支持3D和2D畫面的切換，并且不會增加用戶的投入成本。德州儀器DLP亞洲區(qū)業(yè)務(wù)總監(jiān)黃志光介紹，DLP將會在未來的一段時間內(nèi)加強和廠商的合作，共同來推動3D市場的發(fā)展。不過從筆者的角度來看，目前國內(nèi)市場的3D片源也很少，使用投影機的教師也很少會制作3D課件，所以說3D立體應(yīng)用注定是長期戰(zhàn)略。

二、LED微型投影應(yīng)用

由于DLP光機可以將光機做的很小，所以 LED微型(手持型、口袋型)投影機有不少采用DLP技術(shù)。據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)公布的數(shù)據(jù)顯示，未來LED微型投影機有很大的發(fā)展空間，甚至有可能像攝像頭一樣成為手機的標配，市場數(shù)量上升到百萬量級，這對DLP可謂是不小的良機。加之目前LED微型投影機還在市場成熟期中，所以DLP會在第一時間搶占市場份額。

三、加強中端市場產(chǎn)品

3D和LED微型應(yīng)用尚屬于長期應(yīng)用，對于近期的DLP投影機來說還是要加強中端市場產(chǎn)品，畢竟這才是市場的主流產(chǎn)品。當然，這不僅需要德州儀器加強芯片的研發(fā)，中游的廠商們在市場的推廣宣傳方面的力度也需要加強，特別是在行業(yè)、政府采購等領(lǐng)域DLP還需要突破。