与恋人相见恨晚的诗句:振峰电子技术网： 数字光显电视（DLP）-----光机原理解说（图）

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Texas仪器公司开发的数字微反射镜器件（DMD），DLP完成了显示数字可视信息的最终环节。数字光学处理（DLP）技术在消费者、商业和投影显示工业的专业领域方面被作为子系统或“发动机”提供给市场主管。正如CD在音频领域的革命一样，DLP将在视频投影方面带来革命。
DLP是“Digtal Light Processiong”的缩写。它的意思为数字光显处理，也就是说这种技术要先把影像讯号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于德仪公司开发的数字微反射镜器件--DMD来完成显示数字可视信息的最终环节，而DMD则是DigtalMicROMurrorDevice的缩写，字面意思为数字微镜元件，这是指在DLP技术系统中的核心——光学引擎心脏采用的数字微镜晶片，它是在CMOS的标准半导体制程上，加上一个可以调变反射面的旋转机构形成的器件。
说得更具体些，就是DLP投影技术是应用了数字微镜晶片（DMD）来做主要关键元件以实现数字光学处理过程。其原理是将光源藉由一个积分器（Integrator），将光均匀化，通过一个有色彩三原色的色环（Color Wheel），将光分成R、G、B三色，再将色彩由透镜成像在DND上。以同步讯号的方法，把数字旋转镜片的电讯号，将连续光转为灰阶，配合R、G、B三种颜色而将色彩表现出来，最后在经过镜头投影成像。参见下图：

光机模型图：

光机实物图：

1、TCL数字光显电视单片DLP系统介绍
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120Hz的频率转动，每秒提供240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单片DLP投影系统）。
白光聚焦在以120Hz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。
DLP有三个超过现有投影技术的关键优势，DLP固有的数字性质能使噪声消失，获得具有数字灰度等级的精细的图象质量以及颜色再生。它的数字性质也把DLP置于数字视频底层结构的最后环节。DLP比与此竞争的透射式液晶显示（LCD）技术更有效，因为它以反射式DMD为基础，不需要偏振光。最后，封闭间隔的微反射镜使视频图象投影成具有更高可见分辨率的无缝隙图象。对于影视投影显示、计算机幻灯展示或全球范围内多人通过交互技术进行合作方面，DLP是现在和未来在数字可视通信方面的唯一选择。
简而言之，DLP是由数字电路驱动的光学系统，数字电路及光学元件会聚于DMD。用一个视频或计算机图形信号，DLP创造出史无前例图象质量的数字投影图像。
2、DMD数字光处理器
DMD（Digital Micromirror Device）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±12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（如图1）

图1
图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+12度或-12度。
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-12度（图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2
图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。
这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。
数字光学处理技术
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。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，被建造在静态随机存取内存（SRAM）上方的铰链结构上而组成DMD。每一个镜片可以通断一个像素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，+12度为“开”。-12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。信息的每一个像素按照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像素，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3
图3（a）：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。DMD显示为实际尺寸。
图3（b）：一个1024*768数字微镜器件。器件中部反射部分包括768，432个细小的、可倾斜的镜片。一个玻璃窗口密封和保护镜片。DMD显示为实际尺寸
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。

图4
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像素投影图像（图4）。
图4：三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像素上，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像素图形。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，以致在那个特别的像素上没有光反射上去，形成一个方形、黑色像素图像。同理，剩下的508797个镜片像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。以上是简单描述的光路传输原理。
DLP数字优势
早在十年前音频世界已开始数字技术的流行趋势。目前，大量的新的数字视频技术已经进入娱乐及通信市场。数字卫星系统（DSS）很快成为所有时期内销售最快的电子产品，按照于它进入市场的第一年销售记录。SONY，JVC和Panasonic最近都已引进了数字照相设备。
EPSON、Kodak和Apple是现在在市场上已经拥有数字照像机的几家公司。数字万用盘（DVD），被广泛地认为是新的存储媒介，将以其好于少许光视盘视频质量的在一张盘面上存放17G字节信息的能力放映全长度电影。
今天，我们已经拥扑拥捉、编辑、广播、接收数字信息的能力，不过必须先把它转换成模拟信号后才能显示。DLP具有完成数字视频底层结构的最后环节的能力，并且为开发数字可视通信环境提供一个平台。信号每次由数字转换为模拟（D/A）或从模拟转换为数字（A/D），信号噪音都会进入数据通道。转换越少噪声越降，并且当（A/D）、（D/A）转换器减少时成本随之降低。DLP提供了一个可以达到的显示数字信号的投影方法，这样就完成了全数字底层结构（图5）。

图5
图5：视频底层结构。DLP为一个完全数字视频底层结构提供了最后环节。
DLP的另一个数字优势是它的精确的灰度等级与颜色水平的再生，并且因为每个视频或图像帧是由数字产生，每种颜色8位到10位的灰度等级，精确的数字图象可以一次又一次地重新再现。例如：一个每种颜色为8位的灰度等级使每个原色产生256不同的灰度，允许数字化生成256x3，或16.7百万个不同的颜色组合（图6）。

图6
图6：DLP可产生数字灰度等级和颜色等级。假设每种颜色用8位，可以数字化地产生16.7x10的6次方个颜色组合。以上是每一种原色不同灰度的几种组合和产生的数字像素颜色。
反射优势
因为DMD是一种反射器件，它有超过60%的光效率，使得DLP系统比LCD投影显示更有效率。这一效率是反射率、填充因子、衍射效率和实际镜片“开”时间产生的结果。
LCD依赖于偏振，所以其中一个偏振光没有用。这意味着50%的灯光甚至从来不进入LCD，因为这些光被偏振片滤掉了。剩下的光被LCD单元中的晶体管、门、以及信号源的线所阻挡。除了这些光损失外，液晶材料本身吸收了一部分光，结果是只有一少部分入射光透过LCD面板照到屏幕上。最近，LCD在光学孔径和光传输上有经验上的进展，但它的性能仍然有局限，因为它们依赖于偏振光。
无缝图像优势
DMD上的小方镜面积为16um平方，每个间隔1um，给出大于90%的填充因子。换言之，90%的像素/镜片面积可以有效地反射光而形成投影图像。整个阵列保持了像素尺寸及间隔的均匀性，并且不依赖于分辨率。LCD最好也只有70%的填充因子。越高的DMD填充因子给予出越高的可见分辨率，这样，加上逐行扫描，创造出比普通投影机更加真实自然的活生生的投影图像（图7，8a和8b）。
主导的视频图形适配器（VGA）LCD投影机用来投影图7的鹦鹉照片。在图8a中，可以很容易看到LCD投影机中常见的像素点、屏幕门效应。同样这副鹦鹉的照片用DLP投影机投影成像，如图8b所示。由于DLP的高填充因子，屏幕门效应不见了，我们所看到的是由信息的方形像素形成的数字化投影图像。尽管，如证明过的一样，两个投影机投影的图像分辨率是相同的，通过DLP人眼可以看到更多的可视信息、察觉到更高的分辨率。如照片表明的一样，DLP提供令人喜爱的更加优质的画面。

图7
图7：用来证明DLP优点的照片。一个鹦鹉的数字化照片被用来证明无缝的象胶片一样效果的DLP图像的优点，其细节将在图8a和8b演示。

图8
图8：LCD投影图像（a）和DLP投影图像（b）中实际的特写图像。一个三板多晶硅VGA分辨率的LCD投影机（a）和一个单片VGA分辨率的DLP投影机（b）都投影显示在图7中的鹦鹉的照片，LCD和DLP照片都在相同条件下摄得，每个投影机都把聚焦、亮度和颜色调到最佳。注意，LCD图像中像素的高水平对照于无缝DLP图像。DLP提供了优越的图像质量，因为DMD镜片像素间隔仅为1um，这样消除了像素。
可靠性
DLP系统成功地完成了一系列规定的、环境的及操作的测试。选择已证明可靠的标准元件来组成用于驱动DMD的数字电路。对于照明和投影透镜，无明显的可靠性降低的现象。绝大部分可靠性测试集中在DMD上，因为它依赖于移动铰链结构。为测试铰链失灵，大约100个不同的DMD被用于模拟一年的操作。一些DMD已经被测试了超过1G次循环，相当于20年的操作。在这些测试以后检查这些器件 ，发现在任何器件上均无铰链折断现象。铰链失灵不是DMD可靠性的一个因素。
DMD已通过所有标准半导体合格测试。它还通过了模拟DMD实际操作环境条件的障碍测试，包括热冲击、温度循环、耐潮湿、机械冲击，振动及加速实验。基于数千小时的寿命及环境测试，DMD和DLP系统表现出内在的可靠性。
3、DLP系统
通过多种配置，DLP可以满足一个广泛的不同种类的市场和需要。每一种DLP系统都可实现优秀的投影质量，单片DLP系统年可提供诱人的性能价格比，三片DLP系统可提供最高亮度的性能，能显示高达几千流明的亮度。双片DLP系统依靠单片的颜色滤波系统和三片的分光秀镜概念可提供DLP的另一种性能水平。这三种DLP系统为DLP提供了满足从台式监视器到未来的数字电影的广泛的投影机市场的能力。由于TCL王牌只采用了单片DLP系统，下面将解释单片DLP系统如何用来投影数字彩色影像。
4、DLP技术与其它显示技术的比较
除DLP以外，还有三种其它的主要的显示技术：非晶硅（a-Si）LCD，多晶硅（plly-Si）LCD和阴极射线显象管（CRT）。
一．LCDs
一个LCD扮演一个光阀的角色，它最好能被理解为一个能够调制和控制通过面板可以发射的偏振光的总量的机构。LCDs的改进已倾向于增加透射率（光输出），但是LCD仍然局限于模拟结构。非晶硅和多晶硅是薄膜晶体管（TFT）LCDs，它需要一个晶体管来控制LCD板上的每一个像素。通过晶体管提供给LCD像素的一个电子信号改变了像素的极性。通过改变极性，通过每个像素的光的总量可以被控制来产生一个图像。
三个闭合分隔的红、绿和蓝LCD次级像素。光可以表示为垂直和水平分量，如果光定位在一个垂直取向的偏振镜上，这个偏振片扮作一个滤光片，并且只允许垂直光通过。这个系统的另一面放置了另外一个偏振片，因而光只能在水平方向通过。在路径上没有液晶时第一个偏振片将阻挡水平光而通过垂直光。当垂直光打倒第二个偏振片时，它也将被阻挡（因为第二个偏振片仅通过水平光）。这一结果是光的完全封闭状态，产生一个黑像素。当一个液晶“夹心”在两个偏振片之间时，它扮作一个偏振光的调制器或“绞扭器”。通过把一个电压加到液晶上，光的极性可以被改变，允许各种不同水平的光通过系统，基于LCD技术的投影系统使用一个单独的LCD板或者三个LCD板，一个板一种基本的颜色——红、绿和蓝。在显示在这儿的单板构造图中，小的，封闭间隔的红、绿和蓝次级像素组成一个像素。
（一）非晶硅LCD
非晶硅LCD是由沉积在一个大面积玻璃衬底上的晶体管构成的。一个晶体管固定在每个像素的角上，同时一个薄的导电栅极连接到LCD板的每个象正弦波。像素是由三个单独控制的次级像素条（红、绿和蓝）组成的，能够许多颜色的组合。非晶硅板用来生成单板投影机，但是这些投影机由于并排的次级像素颜色方案而苦于不良的图像质量。
（二）多晶硅LCD
多晶硅LCD，通常称为plly-Si，对投影显示是一种非常流行的LCD技术。这些LCD是在高温下构造在石英衬底上的。plly-Si LCD板比a-Si板小许多。同时多晶硅LCD也具有更小的晶体管和更大的填充因子，但是直到目前为止，多晶硅板是单色的（这就是说，多晶硅板没有在非晶硅板中发现的彩色条）。颜色在多晶硅LCD投影机中的产生是用三个分离的多晶硅LCD板、射束分离反射镜和一个棱镜系统来完成的。白光被分离为红、绿和蓝三个分量，光的每个分量直接照射在它自己的多晶硅LCD板上，在这儿进行光的调制。调制光然后通过一个棱镜组合在一起，因而从每一个板过来的像素互相遮掩在另一个像素上，产生一个彩色图象。这些三板多晶硅投影机的困难是精确的排列，需要它完成分离的红、绿和蓝图像平面的会聚来产生一个均匀的、整齐排列的图像。
二．阴极射线显象管技术
阴极射线显象管技术被用于今天所有的计算机监视器和电视。电子束来回扫描并且直接照在一个荧光发射物体的表面。当电子打到它的表面时，光被发射。通过扫描电子束的频率大于眼睛能够检测到的频率，一个全幅图像就可以产生了。
CRTs的问题是，它们不是数字而是模拟显示。CRT技术将来有可能被显露头角的LCD和DLP技术所取代。除了基于一个老的、模拟技术，CRTs也欠缺亮度，而这正是许多大屏幕应用所需要的。当CRT投影系统试图驱动更高分辨率的视频信号时，亮度局限进一步增加了。分辨率增加时CRT的亮度降低，限制了CRT作为一个HDTV的最佳解决方案的潜力。因为一个CRT显示系统通常依赖于三个电子枪（图7），每一个对应于一种基本色（红、绿和蓝），它还需要为最佳的图像质量提供恒定的排列和扭曲，这导致了在一个产品的寿命期内建立时间和维修费用的增加。
CRT监视器。输入的电压或图形信号被送到三个电子枪上，这三个电子枪在监视器的阴极射线显象管的后面。每个电子枪发射一束电子，每一个对应于一种基本颜色。每个电子束的强度被输入信号所控制。电子束通过一个遮蔽屏来保持它们精确地排列。当电子撞击在涂有荧光物质的屏的内表面时，这种荧光物质发出光来。一个磁性偏转线圈使电子束的路径变的弯曲，所以它们从左到右，从上到下进行扫描，这一过程叫做屏面扫描。屏幕通常以每秒60或更多次数被重画或刷新。
5、CRT、LCD、DLP投影机性能比较
目前用于组合式背投显示屏的主要有CRT（显像管）、LCD（液晶）、DLP（数码光源）三种类型投影机，下面列出这三类投影机各方面技术性能比较：
投影机类型 CRT投影机 LCD投影机 DLP投影机
显象部件 显象管 液晶板 电子微镜
光源 高亮度荧光粉 金属卤素或 UHP灯 金属卤素或UHP灯
亮度 140-270ANSI流明 300-1000ANSI流明 300-5000ANSI流明
亮度均匀性 不理想 不理想 好
图象清晰度 好 一般 好
色彩还源性 好 一般 好
色调可调性 可调 不可调 可调
会聚稳定性 有漂移 无漂移 无漂移
显像部件损坏 显象管老化 液晶板烧坏 无
光源寿命 无 2000-6000 2000-6000
工作可靠性 好 差 好
维护工作量 大 较大 小
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