数字光学处理(DLP)技术介绍.doc

数字光学处理（DLP）技术介绍 　　数字光学处理（DLP）是投影和显示信息的一个革命性的新方法，基于美国Texas仪器公司开发的数字微反射镜器件（DMD）数字光学处理：如何工作　　正如中央处理单元（CPU）是计算机的核心一样，DMD是DLP的基础单片、双片以及多片DLP系统被设计出来以满足不同市场的需要（附录A）一个DLP为基础的投影系统包括内存及信号处理功能来支持全数字方法DLP投影机的其它元素包括一个光源、一个颜色滤波系统、一个冷却系统、照明及投影光学元件　　一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关成千上万个微小的方形16x16um镜片，被建造在静随机存取内存（SRAM）上方的铰链结构上而组成DMD（图1）每一个镜片可以通断一个象素的光铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，+10度为“开”10度为“关”，当镜片不工作时，它们处于0度“停泊”状态　　根据应用的需要，一个DLP系统可以接收数字或模拟信号模拟信号可在DLP的或原设备生产厂家（OEM's）的前端处理中转换为数字信号，任何隔行视频信号通过内插处理被转换成一个全图形帧视频信号从此，信号通过DLP视频处理变成先进的红、绿、蓝（RGB）数据，先进的RGB数据然后格式化为全部二进制数据的平面。

一旦视频或图形信号在一种数字格式下，就被送入DMD信息的每一个象素按照1：1的比例被直接映射在它自己的镜片上，提供精确的数字控制，如果信号是640x480象素，器件中央的640x480镜片采取动作这一区域处的其它镜片将简单的被置于“关”的位置图1：一个848x600数字微镜器件　　器件中部反射部分包括508，800个细小的、可倾斜的镜片一个玻璃窗口密封和保护镜片　　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）镜片可以在一秒内开关1000多次，这一相当快的速度允许数字灰度等级和颜色再现　　在这一点上，DLP成为一个简单的光学系统通过聚光透镜以及颜色滤波系统后，来自投影灯的光线被直接照射在DMD上当镜片在开的位置上时，它们通过投影透镜将光反射到屏幕上形成一个数字的方型象素投影图像（图2）　　　图2：三个镜片有效地反射光线来投影一个数字形象入射光射到三个镜片象素上，两个外面的镜片设置为开，反射光线通过投影镜头然后投射在屏幕上这两个“开”状态的镜片产生方形白色象素图形。

中央镜片倾斜到“关”的位置这一镜片将入射光反射偏离开投影镜头而射入光吸收器，以致在那个特别的象素上没有光反射上去，形成一个方形、黑色象素图像同理，剩下的508797个镜片象素将光线反射到屏幕上或反射离开镜片，通过使用一个彩色滤光系统以及改变适量的508，800DMD镜片的每个镜片为开态，一个全彩色数字图像被投影到屏幕上单片DLP系统　　在一个单DMD投影系统中，用一个色轮来产生全彩色投影图像色轮是由一个红、绿、蓝滤波系统组成，它以60Hz的频率转动，每秒提供180色场在这种结构中，DLP工作在顺序颜色模式　　输入信号被转化RGB数据，数据按顺序写入DMD的SRAM，白光光源通过聚焦透镜聚集焦在色轮上，通过色轮的光线然后成象在DMD的表面当色轮旋转时，红、绿、蓝光顺序地射在DMD上色轮和视频图像是顺序进行的，所以当红光射到DMD上时，镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到“开”，绿色和蓝色光及视频信号亦是如此工作人体视觉系统集中红、绿、蓝信息并看到一个全彩色图像通过投影透镜，在DMD表面形成的图像可以被投影到一个大屏幕上（图A-1）图A-1：单片DLP投影系统　　白光聚焦在以60Hz旋转的色轮滤光系统上，这个轮子以红、绿、蓝的顺序旋转，将视频信号送到DMD。

依照每个电视场中每个彩色的位置及亮度，镜片打开人体视觉系统将顺序的颜色叠加在一起，看到一幅全彩色图像　　因为国家电视系统委员会（NTSC）制定的电视场为16.7毫秒（1/60秒），每一原色必须被显示在5.6毫秒因为DMD有一个小于20微秒的开关速度，一个8比特/颜色的灰度等级（256灰度）可以用单DMD系统实现这给予出每一原色256灰度，或者说能够产生256的3次方（16.7x 10的6次方）种颜色组合　　当使用一个色轮时，在任一给定的时间内有2/3的光线被阻挡当白光射到红色滤光片时，红光透过，而蓝光和绿光被吸收蓝光和绿光拥有同样的道理，蓝色滤光片通过蓝光而吸收红、绿光；绿包滤光片通过绿色而吸收红、蓝光三片DLP系统　　另外一种添加颜色的方法是将白光通过棱镜系统分成三原色这种方法使用三个DMD，一个DMD对应于一种原色应用三片DLP投影系统的主要原因为了增加亮度通过三片DMD，对整个16.7毫秒的电视场，来自每一原色的光可直接连续地投射到它自己的DMD上结果是更多的光线到达屏幕，给出一个更亮的投影图像，除了已增加的亮度，可使用更高字节的颜色因为光线在整个电视场直接投到每个DMD上，使每种颜色10比特灰度等级成为可能。

这种高效的三片投影系统将被用在大屏幕和高亮度应用领域 双片DLP系统德州仪器还开发了一种独特的双DMD结构，为某些投影显示应用提供了理想的工具这一系统利用了一般金属卤化物投影灯光谱平衡输出的优点　　前面讨论的单片和三片DLP系统为了光谱平衡输出依靠来自投影灯的相等数量的红、绿、蓝光为了在单片DLP系统中得到均匀颜色的光，设计了顺序滤色片系统来通过一个来自三原色的均衡数量的光为了低成本和高效率，在单片系统中使用了金属卤化物灯三原色中任意一种多余的光线可用来提高整体的光输出，或者多余的光被颜色滤光片的密度滤掉来保持光谱的均匀性典型地，在投影工业中要在光输出和精确的颜色水平之间进行权衡　　应用来自单片DLP系统的顺序色轮的方法以及来自三片DLP系统的双色分光棱镜的概念，双片DLP系统利用了金属卤化物灯红光缺乏的优点这一系统中的色轮不用红、绿、蓝滤光片，取而代之，系统使用两个辅助颜色，品红和黄色色轮的品红片段允许红光和蓝光通过，同时黄色片段可通过红色和绿色结果是红光一直通过滤色系统，红光在所有时间内都通过，蓝色和绿色在品红-黄色色轮交替旋转中每种光实质上占用一半时间　　一旦通过色轮，光线直接射到双色分光棱镜系统上。

在这点，连续的红光被分离出来而射到专门用来处理红光和红色视频信号的DMD上，顺序的蓝色与绿色光投射到另一个DMD上，专门处理交替颜色，这一DMD由绿色和蓝色视频信号驱动（图A-3）　单片DLP系统中，红光只能通过1/3的时间，与此相比，双片系统红光输出是原来的大约三倍并且因为色轮现在只由两个而不是三个滤光片组成，在一给定的视频画面中蓝光和绿光输出增加了大约50%（16.7ms/2=8.35ms,8.35ms/5.6ms-1=49.1%).　　尽管一般金属卤化物灯红光缺乏，三倍的红光输出以及蓝光和绿光输出50%的增大，使双片DLP系统有能力产生优秀逼真的颜色由于更多的光在更长的时间内被收集，光学效率也很高了二片DLP系统的结构能够对每瓦输入得到大于3流明的光谱平衡光输出　图A-2：三片DLP投影机系统白光分解成原色，每一原色在整个帧时间内直接投射到它自己的DMD上，比颜色一顺序系统中产生更大的亮度图A-3：双片DLP投影系统红光通过棱镜系统直接照射在它自己的DMD上，同时蓝光和绿光顺序照射到另外的DMD上，这两种颜色组合成青色不同的红色与青色混合形成非常协调的全彩色图像DMD结构　每个DMD是由成千上万个倾斜的、显微的、铝合金镜片组成，这些镜片被固定在隐藏的轭上，扭转铰链结构连接轭和支柱，扭力铰链结构允许镜片旋转±10度。

支柱连接下面的偏置/复位总线，偏置/复位总线连接起来使得偏置和复位电压能够提供给每个镜片镜片、铰链结构及支柱都在互补金属氧化半导体上（CMOS）地址电路及一对地址电极上形成（图B-1）　在一个地址电极上加上电压，连带着把偏置/复位电压加到镜片结构上，将在镜片与地址电极一侧产生一个静电吸引，镜片倾斜直到与具有同样电压的着陆点电极接触为止在这点，镜片以机电方式锁定在位置上在存储单元中存入一个二进制数字使镜片倾斜+10度，同时在存储单元中存入一个零使镜片倾斜-10度（图B-2a,b,c）　DMD以2048x1152的阵列构成，每一个器件共有约2.3x10的6次方镜面，这些器件具有显示真的高分辨率电视的能力首次大量生产的DMD为848x600这种DMD将能投影NTSC、相位交换线（PAL）、VGA以及高级视频图形适配器（SVGA）图形，并且它将可以显示16：9纵横比信号源图B-1：一个DMD上单独镜片的分解示意图DMD上每一个16um的平方镜片包括这样三个物理层和两个“空气隙”层，“空气隙”层分离三个物理层并且允许镜片倾斜+10度或-10度图B-2：一个DMD的表面上的镜片的特写镜头以及它的底层结构。

图（a）演示九个镜片中的三个镜片倾斜到“开”位置，+10度图（b）中央的镜片被移开以演示底部隐藏的铰链结构图（c）给出镜片微观的结构的特写与镜片相连的支柱，直接位于底部表面的中央。