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最精密"光開關"DLP投影技術深度解析

發布時間:2015-01-06 12:10 來源:未知 閱讀: 我要投稿

家庭影院從入門到精通
DLP的全稱是Digital Light Processing,中文意思為“數字光學處理技術”。DLP投影機的核心元器件DMD,全稱為Digital Micromirror Device,中文意思為“數據微鏡裝置”,通過控制從而鏡片的開啟和偏轉達到顯示圖像的目的。

  DLP在投影機中應用主要是前投(也稱正投)系統,和大屏幕和平板顯示的背投領域屬于不同的應用方式。根據DMD數量的不同,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。

DLP
德州儀器DLP技術解析

  在探討DLP技術之前,我們先對DLP和DMD的歷史進行簡單的了解。DLP技術是由美國德州儀器的Larry Hornbeck博士所研發成功的。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芯片最早應用在機票印票機中,到了1993年這種以DMD為核心的光學系統才被命名為DLP。最早的DMD芯片使用的是模擬技術驅動,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博士正式以數字控制技術取代模擬技術,開發出了新一代DMD器件,并將名稱改為“數碼微鏡器件(Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影機開始研發,1996年DLP產品才上市,而國內的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液晶顯示技術而言,DLP技術非常年輕。但是DLP技術的出現成功的打破了LCD液晶投影機的壟斷局面,并在接下來的長時間內和3LCD技術平分秋色,各自占據半壁江山。

部分采用DLP技術的投影機品牌
部分采用DLP技術的投影機品牌

  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、易出現彩虹現象、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,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,這種差距在行業機中尤為明顯。歡迎光臨中國家庭影院網www.xiangcairongjing.com

  作為DLP技術的擁有者,德州儀器并不生產投影機等終端產品,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,在日系品牌中包括三菱電機、日立、夏普等品牌中DLP投影機也占據了較為重要的位置,據不完全統計目前采用DLP技術的投影機品牌已經多達80個左右。
為了方便用戶了解DLP技術,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,當燈泡發出的光線經過聚透鏡和色輪后,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。

DLP投影機結構示意圖
DLP投影機結構示意圖

  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、熒光燈光都是復合光,投影機燈泡發出的光線當然也在復合光的范疇之內。復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)。色輪通過高速旋轉將復合光過濾成紅、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,鍍膜的厚度根據紅綠藍三色的光譜波長相對應。白色光通過金屬鍍膜層時,所對應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關系的,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。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要明亮些,以至降低了色彩飽和度,使DLP的畫面表現的色彩單薄,并且產生抖動或者說是閃爍感。

明基MP724的色輪
明基MP724投影機的色輪

  當然,色輪實現色彩的分離和過濾需要通過色輪的高速工作運轉來實現的。據了解,最早的色輪每秒60轉,也叫做叫1倍速轉速。1倍速色輪RGB每個顏色每秒鐘旋轉60次,意味著顏色出現的頻率是60Hz。有關試驗表明,色輪轉速為150-250Hz時,很少有人能看到“彩虹效應”,而超過300Hz時,基本上就沒有人能夠看到了。

  由于轉速有限,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投影機極易出現彩虹現象。彩虹現象是指觀眾會看到DLP投影機的畫面中物體的邊緣有紅綠藍色的拖影。當然,能否看到彩虹現象不僅取決于投影機的性能,還和不同的人眼有關,據調查大部分觀眾看不到到DLP投影機的彩虹現象,不過對于能看到彩虹現象的觀眾來說,如此之差的畫面表現效果顯然是難以接受的。歡迎光臨中國家庭影院網www.xiangcairongjing.com

  為了解決彩虹現象,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,目前的色輪最高轉速已經能達到360轉每秒,即360Hz。6倍速的色輪基本上消滅了彩虹現象,但是由于成本和技術的限制,目前大多數投影機采用的還是4倍速色輪。

  除了提升色輪的轉速,DLP投影機制造商們還在增加色輪的段數。早期的色輪由紅綠藍三段式組成,不僅容易產生彩虹現象,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,增加的段數都是哪些顏色呢?增加色輪的段數又有什么好處呢?

  其中四段式色輪是在傳統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,但是畫質提升有限,畫面抖動的現象也依然存在。

  六段式色輪分為好幾種,不同的DLP投影機制造商生產的六段式色輪可能都不相同。在各種六段式色輪中,其中應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三段色輪的基礎上,又增加了RGB濾片各一段。這樣設計最大的好處便是提升了RGB顏色出現的頻率,比如在1倍速色輪中RGB顏色出現的頻率由三段式的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)也稱連續色彩補償技術,其基本原理與以上色輪技術相似,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,可以補償部分反射光,使系統亮度有較大提高(約40%)。但該色輪的處理技術相對較復雜,目前只有少數投影機廠家在產品中采用。

  極致色彩技術(BrilliantColor)是德州儀器在2005年宣布問世的新型色彩處理增強技術。簡單來說,極致色彩技術便是采用三原色和三補色結合的色輪,以及適當的色彩調配算法電路,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理念,各家DLP投影機制造商根據實際情況的不同設計的極致色彩技術色輪也各不相同,所以成像質量也有很大的差別。但是極致色彩技術引領DLP投影機從傳統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上,投影機制造商們還能根據自己的實際需要生產不同的產品,那么DMD芯片就完全掌握在了德州儀器的手中了。經過十多年的發展,DMD芯片不僅尺寸上從0.55吋到0.95吋,技術上也從SDR DMD芯片組發展到了DDR 芯片組,同時分辨率最高已經可以達到了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。

德儀推出0.98-DLP影院DMD芯片
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,并且通過數據控制轉換為彩色圖像。雖然看似簡單,但是技術含量極高,那么DMD又是如何實現這一功能的呢?

  DMD是一種整合的微機電上層結構電路單元,利用COMS SRAM記憶晶胞所制成。DMD上層結構的制造是從完整CMOS內存電路開始,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構,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。鋁金屬經過濺鍍沉積及等離子蝕刻處理,犧牲層則經過等離子去灰(plasma—ashed)處理,制造出層間的空氣間隙。歡迎光臨中國家庭影院網www.xiangcairongjing.com

  如果從技術角度來看,DMD芯片的構造包括了電子電路、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動的結構部分,光學器件部分便是指鏡片部分。當DMD正常工作的時候,光線經過DMD芯片,DMD表面布滿了體積微小的可轉動鏡片便會通過轉動來反射光線,每個鏡片的旋轉都是由電路來控制的。每個鏡子一次旋轉只反射一種顏色(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),鏡子的旋轉速度可達到上千轉,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芯片的構造和工作方式。

DMD芯片的構造
DMD芯片的構造

  在DMD芯片的最上面由數十萬片面積為14×14微米、比頭發斷面還小的微鏡片組成,增加DMD內微鏡片的數量,即可提高產品的分辨率,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。前期的鏡片的翻轉角度僅為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”狀態時,反射鏡會旋轉至+12度,若記憶晶胞處于“OFF”狀態,反射鏡會旋轉至-12度。只要結合DMD以及適當光源和投影光學系統,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”狀態的反射鏡看起來非常明亮,“0FF”狀態的反射鏡看起來很黑暗。利用二位脈沖寬度調變可以得到灰階效果,如果使用固定式或旋轉式彩色濾鏡,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投影系統稱為“單片DLP投影系統”,經色輪過濾后的光,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,這種光調變或開關技術又稱為二位脈沖寬度調變,它會把8位字符送至DMD的每個數字光開關輸入端,產生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態。決定每個鏡片傾斜在哪個方向上為多長時間的技術被稱為脈沖寬度調制(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,具有機構穩固性、靈活性強,成本低廉的特點。具體實現步驟是為機械單元選用鋁合金材料,并以傳統光阻作為犧牲空間。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,也不會影響已經完成的CMOS電路。這種方法是MEMS微型反射鏡的標準基礎。同時又很好的解決了半導體制程、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后端電路傳遞給CMOS芯片的不同信號,調控片上每個微鏡的旋轉位置,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,而且也被廣泛應用到了印刷、可研等諸多需要數字光開關的領域,成為了微電子機械學MEMS最成功的產品之一。

  DarkChip——很多投影業內人士對這個詞也比較熟悉,我們經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品是“數據投影機”或者“視頻投影機”,他們之間采用的都是DLP技術,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應用,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),第二代芯片鏡片的偏轉角度提升到了12度,分辨率也提升到了720p。

  也就是從第二代DMD芯片開始,DLP投影機開始分為數據投影(商用)和視頻投影(家用)兩種按照應用方向發展的路線。德州儀器也對DMD芯片進行了最大的技術變革——將微鏡非光學面的金屬統統處理成黑色,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,這一技術被稱為“Darkchip 1”。當然,Darkchip也在不斷的發展中,2007年9月德州儀器發布了最新一代“超黑”技術DarkChip 4,可將原始對比度提升高達30%。

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

DLP投影機的優點

  從技術角度來看,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,實現高開口率更為簡單,相同配置的產品DLP光路系統更小,機器當然可以做到更小。另外,DMD芯片采用的是半導體結構,在高溫下運作鏡片也不易發生太大的變化,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,單芯片DLP投影系統采用的反射式結構,特別是在中低端產品中,單芯片DLP投影系統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投影技術的未來發展

  據前不久第三方公布的數據顯示,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優勢,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未來幾大發展方向。

一、3D立體投影

  據德州儀器透露,2009年以后生產的大部分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亞洲區業務總監黃志光介紹,DLP將會在未來的一段時間內加強和廠商的合作,共同來推動3D市場的發展。不過從筆者的角度來看,目前國內市場的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立體應用注定是長期戰略。歡迎光臨中國家庭影院網www.xiangcairongjing.com

二、LED微型投影應用

  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。據市場調查機構公布的數據顯示,未來LED微型投影機有很大的發展空間,甚至有可能像攝像頭一樣成為手機的標配,市場數量上升到百萬量級,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、加強中端市場產品

  3D和LED微型應用尚屬于長期應用,對于近期的DLP投影機來說還是要加強中端市場產品,畢竟這才是市場的主流產品。當然,這不僅需要德州儀器加強芯片的研發,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、政府采購等領域DLP還需要突破。

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