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    中国教育装备采购网2004-11-08 14:45围观1141次我要分享我要投稿

    深入DLP技术-BenQ测试实验室-上 



        深入DLP?技术---BenQ测试实验室---上篇 在我们的世界里,视觉和声音都是模拟形式,但当我们利用电子讯号来获取、储存和传送这些模拟现象时,采用数字技术却能带来许多重大优点;音讯处理就是个例子,当它从磁带和黑胶唱片的模拟技术转变为数字音乐光盘后,数字技术的优点也第一次鲜明的呈现在人们面前 - DLP? 技术把相同理念带到静态和动态影像世界。 在IT业界,DLP?的投影技术,已经成为最热门的话题之一。在德州仪器(TI)积极的作风下,将有更多的生产厂商加入生产DLP? 投影机的行列。BenQ作为TI在世界范围内最主要的3家合作伙伴之一,非常希望将DLP?的技术最清晰的展示给大家。 -------------------------------------------------------------------------------- 在讨论DLP?技术之前,我们先来认识4个重要的缩写 1, DLP? Digital Light Processing?,简称DLP?,中文含义是数字光源处理技术。 2, DMD Digital Micromirror Device,简称DMD,中文含义是数字微镜器件,这是一种光半导体芯片,它是DLP?技术的核心。 3, MEMS Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS,中文含义是微电子机械系统,DMD就是基于MEMS技术的微电子机械系统。 4, MOEMS Micro-Optical-Electro-Mechanical System,简称MOEMS,中文含义就是微光学电子机械系统,这是MEMS技术的进一步集成。 所以,要了解DLP?技术,我们还是要从MEMS开始,看看他们是如何联系起来的。 MEMS简介 MEMS还可以简称为微机电系统,这是美国的叫法。目前世界上对于微机电系统,还没有一个统一的定义。在日本,它通常被称之为叫做“微机械”,即“Micro Machine”。在欧洲,通常称为“微系统”,即“Micro System”。而在中国,我们认同MEMS这个名称。因为MEMS比较完整、准确地刻画了微机电系统的主要特征。 作为一个系统来讲,我们认为它应该包含着可运动的部件,或者可运动的流体,类似这样的微型器件构成了系统。它要有传感器;或者是制动器,也称作执行器,它可以做一些操作。另外,它可以和电路联系起来,构成一个小小的系统。有的系统还具有信号处理和控制功能,有的有接口电路,有的还可以进行通讯,有的还要带电源,所以这个所谓的系统,它和一个零件是有所差别的。 简单地说,MEMS就是对系统级芯片的进一步集成。目前我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西,像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等,有些MEMS可以发送、接收以及精确地控制光束,有的可以检测某些分子,有的还可以模仿人体部分感觉器官。因此如果将逻辑芯片比作大脑,那么MEMS就相当于人的眼睛、鼻子、耳朵或其它感觉器官。此外MEMS还具有电气、机械或电磁控制功能,若继续以人作比方,MEMS还可以作为人的手或手指移动各种物体。 MEMS的优势在于可将传感器与处理电路利用CMOS工艺集成在一块IC上,同时具有较机械式传感器更高的响应速度和更小的封装尺寸。 我们了解到MEMS它是强调系统集成、机电集成的。那么它是否可以跟光再集成?在MEMS上再加一个光信号(optical),就是optical MEMS,我们称之为微光机电系统(MOEMS),它是光电信号互相转换的一个系统。信息技术、光通信技术的发展,使微光机电系统(MOEMS)成为当前研究的热点。其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。利用MEMS技术制作的新型光器件,插入损耗小,光路间相互串扰极低,对光的波长和偏振不敏感,并且通常采用硅为主要材料,从而器件的光学、机械、电气性能优良。它采用模块化设计,更加方便扩展应用。 同时,微光机电系统(MOEMS)产品的复杂程度又提高了一级。芯片置放于密闭的封装内以防止敏感的光学器件受到外界光线影响,但是必须留出一条光通道。这一方法原理很简单,但是实施起来比较困难,需要在封装内设计一个导光的盖或天窗,虽然有多种材料可供选择,但是大多数天窗都采用陶瓷或金属以确保良好的密封性能。 讲到这里,大家应该会想到DMD了,没错!德州仪器(TI)的Larry J. Hornbeck在1987年成功地应用MOEMS技术发明了数字微镜器件(DMD)。在光显示领域,数字微镜器件一直是复杂光电产品封装的最好例子,它也是当前最复杂、最尖端的商业化MOEMS产品,预示了未来的发展方向。 图1:0.55" SVGA分辨率的DMD 图1是一块完整的DMD半导体芯片,它的镜面由一百三十万个精微反射镜面组成的长方形阵列,每个镜面对应于投影画面中的一个光学像素。接下来我们把这些镜面放大分析。 DMD的制造 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隙 (air gaps)。铝金属会经过溅镀沉积 (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(图2)。 图2:微反射镜上层结构是由多个层所组成 DMD工作原理 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,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「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(图三)。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。 图3:在「导通」位置的微反射镜会在屏幕上面产生一个亮点 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。 DLP?技术 有了DMD芯片,数字光源处理技术 (Digital Light Processing?,简称DLP?) 应运而生。就如上文描述的MEMS技术一样,DLP?技术也是一个系统而非一颗零件那么简单。DMD周围环绕着许多必要功能,例如影像处理、内存、格式转换、时序控制、光源和投影光学系统,它们与DMD镜面协同合作,接受数字影像,然后产生一系列的数字光脉冲;这些光脉冲进入眼睛后,我们的眼睛会把它解译成为彩色模拟影像。DLP?是真正的数字投影和显示技术。 DLP? 架构 DLP? 投影系统分为单片DMD子系统和三片DMD子系统,采用哪一个方案由多项因素决定,包括成本、光源效率、功耗、重量和体积。 单芯片DLP? 子系统主要用于商用数据投影机、绝大多数的家庭娱乐投影机以及大屏幕背投电视,它先利用一组聚光镜将灯泡发出的光线聚焦在穿透性色轮 (transmissive color wheel),再利用第二组镜片将通过色轮的光线均匀聚焦在DMD组件表面。随着反射镜旋转状态的不同 (+12度或-12度),光线可能会反射进入投影镜头的透光孔 (ON) 或是离开投影镜头的透光孔 (OFF) (图4)。 图4:DLP?单芯片架构 采用单片面板可以缩小光学系统的体积,减轻它们的重量,使厂商得以发展出携带方便又有弹性的投影机。仅重1.7公斤的BenQ的PB2225投影机就是成功应用单芯片DLP?技术的典范。 对于必须提供高亮度输出的应用,例如会议室、礼堂、研讨会以及出租和舞台,就必须采用三颗DMD的架构,这能组成更大的反射面积,让投影机能透过镜头提供更高亮度的输出。 在采用三颗DMD组件的投影机中,灯泡发出的光线会被棱镜分成红绿蓝三种原色,每种颜色则分别被导向适当的DMD组件,这表示红光、绿光和蓝光都各有一颗DMD组件负责执行光调变。对于采用单颗DMD的DLP? 系统,屏幕像素是一个微反射镜的输出结果,但是3-DMD提供的屏幕像素则是三个微反射镜输出的组合/聚光结果,一个微反射镜调变红光,第二个调变绿光,第三个调变蓝光。使用三个DMD组件还能支持更先进的色彩处理,进而提供范围更宽广的色彩再生能力 图5:DLP?三芯片架构 (上篇完) >>> 下篇 下篇我们将介绍DLP?技术的优势和发展,如果迫不及待想对DLP?技术有更多的了解,请登陆http://www.dlp.com/overview/chinese/example.htm http://www.benq.com.cn/Projector/ 备注: Digital Light Processing? ,DLP?都是注册商标,Texas Instruments Incorporated版权所有资料来源: 1,Larry J. Hornbeck Texas Instruments,“Digital Light Processing?: A New MEMS-Based Display Technology”; 2,姜澄宇教授,“微机电系统”; 3,http://www.DLP.com 4,http://www.TI.com 5,http://www.eetchina.com 

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