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最精密"光开关"DLP投影技术深度解析

发布时间:2015-01-06 12:10 来源:未知 阅读:

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DLP的全称是Digital Light Processing,中文意思为“数字光学处理技术”。DLP投影机的核心元器件DMD,全称为Digital Micromirror Device,中文意思为“数据微镜装置”,通过控制从而镜片的开启和偏转达到显示图像的目的。

  DLP在投影机中应用主要是前投(也称正投)系统,和大屏幕和平板显示的背投领域属于不同的应用方式。根据DMD数量的不同,可以将DLP投影机分为单片式DLP投影机,双片式DLP投影机和三片式DLP投影机三种类型。目前市场中几乎没有双片DLP投影机的存在,三片式DLP主要应用在高端工程、影院级投影机中,我们本文主要探讨的则是单片式DLP技术。

DLP
德州仪器DLP技术解析

  在探讨DLP技术之前,我们先对DLP和DMD的历史进行简单的了解。DLP技术是由美国德州仪器的Larry Hornbeck博士所研发成功的。Larry Hornbeck博士从1977年开始从事运用反射用以控制光线投射的原理研究,并于1987年将DMD研究成功。DMD芯片最早应用在机票印票机中,到了1993年这种以DMD为核心的光学系统才被命名为DLP。最早的DMD芯片使用的是模拟技术驱动,反射面是采用一种柔性材料,在当时被称为“变形镜器件Deformable Mirror De-vice”。10年之后,Hornbeck博士正式以数字控制技术取代模拟技术,开发出了新一代DMD器件,并将名称改为“数码微镜器件(Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影机开始研发,1996年DLP产品才上市,而国内的DLP投影机正式进入市场销售则是1999年之后的事情了。

  从DLP的历史中我们不难看出,相对于LCD液晶显示技术而言,DLP技术非常年轻。但是DLP技术的出现成功的打破了LCD液晶投影机的垄断局面,并在接下来的长时间内和3LCD技术平分秋色,各自占据半壁江山。

部分采用DLP技术的投影机品牌
部分采用DLP技术的投影机品牌

  在和3LCD投影机多年的抗衡之中,DLP投影机最大的优势便是性价比。其次,DLP投影机可以将体积做到更小,对比度也提升不少。当然,在投影机最为重要的色彩显示上,DLP投影机色彩饱和度差、易出现彩虹现象、色彩亮度低等缺点也非常明显。虽然目前TI和各大厂商推出了“极致色彩”技术,用DDR芯片组取代SDR芯片组等变化,但是从笔者的实测情况来看,同价位的DLP投影机画面纯净度等依然和3LCD投影机存在差距,这种差距在行业机中尤为明显。欢迎光临中国家庭影院网www.hdav.com.cn

  作为DLP技术的拥有者,德州仪器并不生产投影机等终端产品,而仅仅为厂商提供DMD芯片和视频处理芯片,这在一定程度上保证了DLP投影机市场的竞争的公平性。目前世界上非日系投影机品牌大多采用DLP技术,在日系品牌中包括三菱电机、日立、夏普等品牌中DLP投影机也占据了较为重要的位置,据不完全统计目前采用DLP技术的投影机品牌已经多达80个左右。
为了方便用户了解DLP技术,德州仪器也制作了一段DEMO视频展示DLP投影机的成像原理(视频点此)。通过视频我们可以看到,当灯泡发出的光线经过聚透镜和色轮后,被分解为R、G、B三原色投射到DMD芯片上,光线再经过DMD镜片的反射后由投影镜头投影成像。当然,读者也可以通过我们的拆解对DLP投影机做大致了解。

DLP投影机结构示意图
DLP投影机结构示意图

  如果想探索DLP投影机的原理,必须要搞清色轮和DMD芯片两部分,下面我们便对这两部分进行详细的介绍。

  色轮(COLOR WHEEL)在DLP投影机中的作用是色彩的分离和处理,只有单片式DLP和双片式DLP投影机需要安装色轮,三片式DLP投影机则不需要色轮。那么色轮又是如何实现色彩的分离和处理的呢?

  这需要从光的原理谈起,太阳光、白炽灯光、荧光灯光都是复合光,投影机灯泡发出的光线当然也在复合光的范畴之内。复合光总包含了不同演示、不同频率的光线(单频率光线为激光)。色轮通过高速旋转将复合光过滤成红、绿、蓝三原色光。

  色轮的表面是非常薄的金属层,这层金属层采用的是真空镀膜技术,镀膜的厚度根据红绿蓝三色的光谱波长相对应。白色光通过金属镀膜层时,所对应的光谱波长的色彩将透过色轮,其它色彩则被阻挡和吸收,从而完成对白色光的分离和过滤。

  目前单片DLP投影机,色彩与亮度是成倒数关系的,亮度提高,则色彩一定会损失,而色彩提高,亮度一定会降低,这是因为DLP投影机的颜色是通过色轮的RGB三色组合而成的,其光效率只能达到60%。当然,要提高光效率,可以用在色轮上增加一片无色的滤光片来实现。增加无色滤光片后,光效率可以提高20%左右,但由于无色滤光片透过的是白光,叠加在三原色光上,使画面比其原始的表现要明亮些,以至降低了色彩饱和度,使DLP的画面表现的色彩单薄,并且产生抖动或者说是闪烁感。

明基MP724的色轮
明基MP724投影机的色轮

  当然,色轮实现色彩的分离和过滤需要通过色轮的高速工作运转来实现的。据了解,最早的色轮每秒60转,也叫做叫1倍速转速。1倍速色轮RGB每个颜色每秒钟旋转60次,意味着颜色出现的频率是60Hz。有关试验表明,色轮转速为150-250Hz时,很少有人能看到“彩虹效应”,而超过300Hz时,基本上就没有人能够看到了。

  由于转速有限,同时DMD中的微镜的工作原理(DMD工作原理我们会在下一页中进行详细秒速),早期的DLP投影机极易出现彩虹现象。彩虹现象是指观众会看到DLP投影机的画面中物体的边缘有红绿蓝色的拖影。当然,能否看到彩虹现象不仅取决于投影机的性能,还和不同的人眼有关,据调查大部分观众看不到到DLP投影机的彩虹现象,不过对于能看到彩虹现象的观众来说,如此之差的画面表现效果显然是难以接受的。欢迎光临中国家庭影院网www.hdav.com.cn

  为了解决彩虹现象,各大投影机厂商便在色轮上做足了功夫,最简洁有效的方法便是提升色轮的转速。从早期的1倍速提升至目前的6倍速,目前的色轮最高转速已经能达到360转每秒,即360Hz。6倍速的色轮基本上消灭了彩虹现象,但是由于成本和技术的限制,目前大多数投影机采用的还是4倍速色轮。

  除了提升色轮的转速,DLP投影机制造商们还在增加色轮的段数。早期的色轮由红绿蓝三段式组成,不仅容易产生彩虹现象,光的利用率也只有60%左右,这也是为什么早期的DLP投影机亮度始终在几百流明以下徘徊的原因。后来德州仪器和DLP投影机制造商又先后推出了四段式、五段式、六段式、七段式、八段式色轮……那么,增加的段数都是哪些颜色呢?增加色轮的段数又有什么好处呢?

  其中四段式色轮是在传统的三段式色轮增加了一段无色的滤光片,光效率可以提升了20%左右。但是由于无色滤光片透过的是白光,叠加在三原色光上,使画面比其原始的表现要明亮些。这种通过增加无色滤片(通常说法为白色段)的方法虽然增加了投影机的亮度,但是投影机的色彩饱和度却有了明显下降。因为透明滤片经过时,会冲淡前面的色彩,并且会造成有白点闪过的错觉,因此会让人感觉到画面抖动。这也是DLP投影机所被诟病的另外一个问题了——“色彩亮度”偏低。关于色彩亮度的问题也可以点此查阅

  五段式色轮是在四段式色轮上增加了黄色滤片,有效的利用了灯泡在580nm波长中的能量,明基将这种色轮称为“黄金色轮”,东芝将这种色轮称为“旋彩轮”……不同的厂商有不同的称呼。五段式色轮提升了DLP投影机的色彩表现,但是画质提升有限,画面抖动的现象也依然存在。

  六段式色轮分为好几种,不同的DLP投影机制造商生产的六段式色轮可能都不相同。在各种六段式色轮中,其中应用最多的便是双重三段式色轮,这种色轮采用的是红绿蓝红绿蓝(RGBRGB)双重色段的排列方式,在RGB三段色轮的基础上,又增加了RGB滤片各一段。这样设计最大的好处便是提升了RGB颜色出现的频率,比如在1倍速色轮中RGB颜色出现的频率由三段式的60Hz提升到了120Hz。当然,由于取消了白色滤光片,采用6段式色轮的投影机亮度也大大下降。

  而七段式色轮和八段式色轮由于应用较少,我们便不作讨论。下面我们来了解另外两种色轮,SCR增益色轮和极致色彩所采用的色轮。

  SCR(Sequential Color Recapture)也称连续色彩补偿技术,其基本原理与以上色轮技术相似,不同之处在于色轮表面采用阿基米德原理螺旋状光学镀膜,集光柱(光通道)采用特殊的增益技术,可以补偿部分反射光,使系统亮度有较大提高(约40%)。但该色轮的处理技术相对较复杂,目前只有少数投影机厂家在产品中采用。

  极致色彩技术(BrilliantColor)是德州仪器在2005年宣布问世的新型色彩处理增强技术。简单来说,极致色彩技术便是采用三原色和三补色结合的色轮,以及适当的色彩调配算法电路,以达到提升单片式DLP投影机色彩显示能力的目的。不过需要注意的是,德州仪器仅仅提出了这一技术理念,各家DLP投影机制造商根据实际情况的不同设计的极致色彩技术色轮也各不相同,所以成像质量也有很大的差别。但是极致色彩技术引领DLP投影机从传统的三色处理全面进入到多色处理的新时代,注定将会在DLP投影机的发展史中留下浓厚的一笔。

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 DMD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16×16),德州仪器甚至将DMD芯片称为世界上最精密的光学元器件。

德仪推出0.98-DLP影院DMD芯片
德州仪器推出0.98-DLP影院DMD芯片

  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。欢迎光临中国家庭影院网www.hdav.com.cn

  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。

DMD芯片的构造
DMD芯片的构造

  在DMD芯片的最上面由数十万片面积为14×14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 (例如分辨率为1024×768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%。

  从目前的市场表现来看,单片式DLP投影机凭借性价比的优势在低端市场占据了大部分的市场份额,在高端市场中3DLP技术则掌握着绝对的话语权。目前正在日益流行的LED微型投影机中,也大多采用DLP技术。但是,在传统的中端行业市场中,DLP表现还不够突出,有很大的提升空间。

DLP投影机的优点

  从技术角度来看,DLP投影机主要具有原生对比度高、机器小型化、光路采用封闭式三大特点。在前文中我们提到DMD芯片采用的是机械式工作方式,镜片的移动可控性更高,原生对比度较高就在意料之中了。DLP投影机采用的是反射式原理,实现高开口率更为简单,相同配置的产品DLP光路系统更小,机器当然可以做到更小。另外,DMD芯片采用的是半导体结构,在高温下运作镜片也不易发生太大的变化,所以DLP投影机采用封闭式光路,降低了灰尘进入了概率。

DLP投影机缺点

  DLP投影机的色彩效果依靠色轮和DMD芯片运动息息相关,单芯片DLP投影系统采用的反射式结构,特别是在中低端产品中,单芯片DLP投影系统在图像颜色的还原上比采用三原色混合LCD投影机稍逊一筹,色彩不够鲜艳生动。

DLP投影技术的未来发展

  据前不久第三方公布的数据显示,DLP在最近10余个季度还未能超越3LCD。虽然在低端和高端市场中占据优势,但是在中端市场DLP还需要进步。不过对于DLP本身来说,其未来还是值得期待的。下面笔者便和大家分享DLP未来几大发展方向。

一、3D立体投影

  据德州仪器透露,2009年以后生产的大部分DLP投影机均能支持3D和2D画面的切换,并且不会增加用户的投入成本。德州仪器DLP亚洲区业务总监黄志光介绍,DLP将会在未来的一段时间内加强和厂商的合作,共同来推动3D市场的发展。不过从笔者的角度来看,目前国内市场的3D片源也很少,使用投影机的教师也很少会制作3D课件,所以说3D立体应用注定是长期战略。欢迎光临中国家庭影院网www.hdav.com.cn

二、LED微型投影应用

  由于DLP光机可以将光机做的很小,所以LED微型(手持型、口袋型)投影机有不少采用DLP技术。据市场调查机构公布的数据显示,未来LED微型投影机有很大的发展空间,甚至有可能像摄像头一样成为手机的标配,市场数量上升到百万量级,这对DLP可谓是不小的良机。加之目前LED微型投影机还在市场成熟期中,所以DLP会在第一时间抢占市场份额。

三、加强中端市场产品

  3D和LED微型应用尚属于长期应用,对于近期的DLP投影机来说还是要加强中端市场产品,毕竟这才是市场的主流产品。当然,这不仅需要德州仪器加强芯片的研发,中游的厂商们在市场的推广宣传方面的力度也需要加强,特别是在行业、政府采购等领域DLP还需要突破。

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