1、DLP技術概要作者：德州儀器亞洲區 DLP 事業部門提供 本文刊登於元件科技 2003 年 9 月號 介紹在我們的世界裡，視覺和聲音都是類比形式，但當我們利用電子訊號來獲取、儲存和傳送這些類比現象時，採用數位技術卻能帶來許多重大優點；音訊處理就是個例子，當它從磁帶和黑膠唱片的類比技術轉變為數位音樂光碟後，數位技術的優點也第一次鮮明的呈現在人們面前 - DLP 技術把相同理念帶到靜態和動態影像世界。DLP技術數位光源處理技術 (Digital Light Processing ，簡稱 DLP ) 是真正的數位投影和顯示技術，它能接受數位視訊，然後產生一系列的數位光脈衝；這些光脈衝進入眼睛後，我們
2、的眼睛會把它解譯成為彩色類比影像。DLP 技術是以一種微機電 (MEMS) 元件為基礎，稱為數位微型反射鏡元件 (Digital Micromirror Device，簡稱 DMD) (圖一)，這種速度極快的反射性數位光開關是由 TI 在 1987年發明。DMD 微晶片上面包含數量龐大的超小型數位光開關，它們是面積非常小 (14 微米)、外觀為四方型、並由鋁金屬製程的絞接式反射鏡，可以接受電子訊號代表的資料字元，然後產生光學字元輸出。圖 1：0.55“ SVGA 解析度的 DMDDMD 周圍環繞著許多必要功能，例如影像處理、記憶體、格式轉換、時序控制、光源和投影光學系統，它們可以接受數位影像，
3、然後在不降低畫質的情形下，把這些影像投影到投影幕。 製造DMD 像素是一種整合的微機電上層結構電路單元 (MEMS superstructure cell)，它是利用 CMOS SRAM 記憶晶胞所製成。 DMD 上層結構的製造是從完整 CMOS記憶體電路開始，再透過光罩層的使用，製造出鋁金屬層和硬化光阻層 (hardened photoresist) 交替的上層結構，鋁金屬層包括位址電極 (address electrode)、絞鏈 (hinge)、軛 (yoke) 和反射鏡，硬化光阻層則做為犧牲層 (sacrificial layer)，用來形成兩個空氣間隙 (air gaps)。鋁金屬會
4、經過濺鍍沉積 (sputter-deposited) 以及電漿蝕刻 (plasma-etched) 處理，犧牲層則會經過電漿去灰 (plasma-ashed) 處理，以便製造出層間的空氣間隙(圖二) 。圖 2：反射鏡上層結構是由多個層所組成工作原理每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去，實際反射方向則視底層記憶晶胞的狀態而定；當記憶晶胞處於ON 狀態時，反射鏡會旋轉至+12 度，若記憶晶胞處於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ON狀態的反射鏡看起來非常明亮， OFF 狀態的反射鏡看起
5、來就很黑暗(圖三)。利用二位元脈衝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 晶片，即可得到彩色顯示效果。圖 3：在導通 位置的微反射鏡會在螢幕上面產生一個亮點 DMD 的輸入是由電流代表的電子字元，輸出則是光學字元，這種光調變或開關技術又稱為二位元脈衝寬度調變 (binary pulsewidth modulation)，它會把 8 位元字元送至 DMD 的每個數位光開關輸入端，產生 28 或 256 個灰階。最簡單的位址序列 (address sequence) 是將可供使用的字元時間 (field time) 分成八個部份，再從最高有效位元 (MS
6、B) 到最低有效位元 (LSB)，依序在每個位元時間使用一個位址序列。當整個光開關陣列都被最高位元定址後，再將各個像素致能 (重設)，使他們同時對最高有效位元的狀態 (1 或 0) 做出反應。在每個位元時間，下個位元會被載入記憶體陣列，等到這個位元時間結束時，這些像素會被重設，使它們同時對下個位址位元做出反應。此過程會不斷重複，直到所有的位址位元都載入記憶體。 入射光進入光開關後，會被光開關切換或調變成為一群光包 (light bundles)，然後再反射出來，光包時間則是由電子字元的個別位元所決定。對於觀察者來說，由於光包時間遠小於眼睛的 integration 時間，因此他們將會看到固定亮
7、度的光線。 DLP 架構DLP 投影系統應該採用一顆或三顆 DMD 晶片是由多項因素決定，包括成本、光源效率、功耗、重量和體積。 單晶片 DLP 子系統主要用於商用資料投影機、絕大多數的家庭娛樂投影機以及大螢幕背投電視，它先利用一組聚光鏡將燈泡發出的光線聚焦在穿透性色輪 (transmissive color wheel)，再利用第二組鏡片將通過色輪的光線均勻聚焦在DMD 元件表面。隨著反射鏡旋轉狀態的不同 (+12 度或-12 度)，光線可能會反射進入投影鏡頭的透光孔 (ON) 或是離開投影鏡頭的透光孔 (OFF) (圖四)。 採用單片面板可以縮小光學系統的體積，減輕它們的重量，使廠商得以發
8、展出攜帶方便又有彈性的投影機。圖 4：DLP單晶片架構 對於必須提供高亮度輸出的應用，例如會議室、禮堂、研討會以及出租和舞台，就必須採用三顆 DMD 的架構，這能組成更大的反射面積，讓投影機能透過鏡頭提供更高亮度的輸出。在採用三顆 DMD 元件的投影機中，燈泡發出的光線會被稜鏡分成紅綠藍三種原色，每種顏色則分別被導向適當的 DMD 元件，這表示紅光、綠光和藍光都各有一顆 DMD 元件負責執行光調變。對於採用單顆 DMD 的 DLP 系統，螢幕像素是一個微反射鏡的輸出結果，但是 3-DMD 提供的螢幕像素則是三個微反射鏡輸出的組合聚光結果，一個微反射鏡調變紅光，第二個調變綠光，第三個調變藍光。使
9、用三個 DMD 元件還能支援更先進的色彩處理，進而提供範圍更寬廣的色彩再生能力 (圖五)。圖 5：DLP三晶片架構 DLP 產業第一批採用 DLP 技術的產品在 1996 年初進入市場，它們是以 TI 設計製造的完整光學引擎為基礎，雖然這種方式能協助廠商更快進入市場，但 TI 的投影機製造商客戶也沒有太大空間將產品差異化或提高它們的價值。經過一段時間後，單晶片投影系統的商業模式進入新的階段，TI 開始提供簡單的 DLP 系統，並將它安裝在一張印刷電路板上面。這種商業模式隨後又進一步發展，TI 現在開始為客戶提供晶片套件，其中包含 DMD 和必要的支援功能，全部以半導體元件的形式提供給客戶；這種
10、方法為 TI 客戶帶來寬廣的揮灑空間，使他們有機會創新和提供獨特不同的產品。現在，幾乎所有的投影機製造商都已將 DLP 技術用於他們的產品線，DLP 投影機的銷售量也已突破二百萬部大關，其中有超過一百萬部是在過去 18 個月裡銷售。 DLP 市場DLP 是非常獨特的技術，因為它能針對種類最廣泛的投影和顯示應用，協助廠商發展最佳解決方案。單片面板架構可用來發展重量僅 2 磅的投影機，這也是全世界最小最輕的投影機；事實上，所有重量小於 3.5 磅的投影機都是採用 DLP 技術 (圖六)。應用領域另一端則是採用 3 顆 DMD 元件的 DLP 架構，它已被用來發展全世界最明亮的投影機，輸出亮度高達
11、17,500 流明。大螢幕電視是 DLP 技術的一個快速成長市場，TI 客戶已針對此市場發展各種消費性應用解決方案，提供絕佳影像畫質、精巧設計、優雅造型和很低的成本。立體電視牆和平面電視牆 (video cube/video wall) 製造商在發展命令及控制應用時， DLP 也是他們最先考慮的技術。圖 6：InFocus LP120 採用 DLP技術，重量小於 2 磅 DLP 技術的另一個重要市場是數位劇院投影解決方案市場。電影業者早就發現，若能透過數位形式把他們的電影傳送到全世界電影院，他們即可獲得龐大利益。事實上，電影業者早就掌握充份科技，可將原版電影從類比轉換成數位形式，然後壓縮、加密
12、和傳送所得到的檔案，再把電影儲存至電影院裡的伺服器 - 但若缺少了數位投影技術，業者就無法在螢幕上產生和膠卷底片同樣畫質的影像，數位劇院也就無法成為現實。TI 在 1990 年代末期開始與電影業者合作，希望能發展出特殊應用的 DLP 技術，可在普通電影院播放首輪電影。TI 在 1999 年展示了第一套產品原型，並用來播放星際大戰首部曲：威脅潛伏；就在同時，大規模的全球現場展示計劃也隨之展開，用來評估數位劇院投影系統是否強固可靠，它的操作控制是否簡單方便，這套系統隨後成為業界熟知的 DLP Cinema 技術。此後，全世界已有超過 160 家電影院安裝以 DLP Cinema 技術為基礎的投影機
13、， DLP Cinema 技術也是目前唯一經過實際考驗的數位劇院投影技術，證明它能穩定可靠的提供高畫質影像，不但看起來不輸給膠卷底片，有些人甚至認為 DLP Cinema 投影出來的畫質還勝過它們 (圖七)。圖 7：DLP Cinema 投影機原型 DLP 優勢對於目前大多數投影和顯示應用，LCD 技術是 DLP 最主要的競爭對手，但DLP 技術擁有多項優勢勝過 LCD 技術。 DLP 是數位技術，每個微反射鏡只會處於ON或OFF 狀態，LCD 卻是一種類比技術。數位投影技術的優點是它能忠實而不斷重複的產生影像，不會受到溫度、濕氣或震動等環境因素的影響。 DLP 技術核心的微反射鏡能以每秒 5
14、,000 次速度開關，遠超過 LCD 像素的開關速度，這能帶來多項優點，其中最重要的就是 DLP 技術只需使用一個投影面板，就能同時調變紅綠藍三種光束；相形之下，LCD 技術由於速度較慢，因此必須採用三片式投影面板架構，第一片面板用來調變紅光，第二片調變綠光，第三片給藍光使用。 單片面板架構有多項優點：首先，單面板架構只需一套簡單輕巧的光學系統，使它能發展出體積重量都小於三片式面板系統的投影機和顯示器。 簡單輕巧的光學系統為 DLP 技術帶來另一項優勢：投影機或大螢幕電視內的光線管理要比三片面板架構更簡單，這能為它帶來更高的對比值。高對比值可以提供更豐富的畫面細節，使畫面更逼真，黑顏色會顯得更
15、黑，並讓畫面看起來更清晰銳利 (人體視覺器官依賴對比值來分辨物體的邊緣，因此高對比值影像看起來更銳利，採用 DLP 技術的投影機很容易就能達到 2000:1 以上的對比值。 此外，根據定義，單片面板系統絕不會失焦，但採用三片面板的 LCD 系統卻可能受到環境因素的影響而失焦，使得螢幕畫面看起來有些模糊。單片面板系統所提供的畫面卻能永遠保持清晰銳利。 觀眾對於影像畫質的好壞還會受到另外一項因素影響，就是它看起來與電影相似的程度，在觀看動態視訊時更是如此。在 DLP 技術中，微反射鏡的反射面積遠大於它們之間的距離，因此它能提供很高的填滿率(fill factor)，投影畫面看起來也更加完美自然。另
16、一方面，若和像素之間的距離相比，LCD 技術的像素面積卻沒有那麼大，使得畫面看起來有點顆粒的感覺，這種情形就像是透過格狀玻璃看圖片一樣 (圖八)。圖 8：從鸚鵡眼睛的特寫鏡頭可清楚看出 LCD 畫面固有的顆粒現象 微反射鏡擁有很高的開關速度，因此就本質而言，它更有能力將畫面的快速動作準確再生，這是它為 DLP 技術帶來的另一項優點；LCD 技術由於開關速度較慢，快速移動的影像畫面看起來會有些模糊不清。 若和其它技術相比，例如電漿、映像管和 LCOS 等，DLP 技術也有多項重要優勢。 DLP 可靠性DLP 非常可靠，對於一種在本質上屬於機械性的技術來說，這確實令人驚訝。實驗室測試結果顯示，DM
17、D 的預期壽命時間超過 100,000 小時，客戶反應結果也多半證實了這項預測。此外，DLP 技術全部採用無機材料，不會像有機技術一樣，因為長時間曝露在熱源或光源下而逐漸劣化。2002 年五月，美國羅徹斯特大學的孟賽爾色彩科學實驗室 (Munsell Color Science Laboratory at the University of Rochester) 進行一項研究計劃，對五部可攜式商業資料液晶投影機和兩部 DLP 投影機的畫面可靠性進行比較，他們把畫面可靠性定義為：投影機畫面品質下降到無法接受地步的所需工作時間。接受測試的投影機必須日夜不停連續工作 4,000 小時；測試期間結束後
18、研究人員發現，所有液晶投影機都出現清楚可見而令人不悅的畫面瑕疵，採用 DLP 技術的投影機卻沒有這些問題。研究人員認為 LCD 技術的影像品質會下降，主要是因為偏光板和面板內的有機材料長期曝露在光源和熱源之下。 DLP 發展第一部採用單片式 DMD 晶片的 DLP 投影機提供 350 流明亮度、VGA (640 x 480) 解析度和大約 23 磅的重量；相形之下，今日採用單片式 DMD 晶片的DLP 投影機重量最輕只有 2 磅，解析度達到 SXGA (1,280 x 1,024)，最高並能提供 3,000 流明的亮度。另一方面，第一部採用三片式 DMD 晶片的 DLP 投影機可提供 1,30
19、0 流明亮度，目前採用三片式 DMD 晶片的 DLP 投影機卻能達到 17,500 流明。今天，消費者只需不到 1,000 美元，就能買到以 DLP 技術為基礎的投影機。 第一部 DLP 投影機進入市場至今已經七年，這段期間出現了許多進步，使得 DLP投影機的效能、重量、體積和成本都獲得大幅改進。1996 年時只有一種 DMD 元件，這段期間卻有 13 種不同的 DMD 元件問世。解析度也大幅提高，專為 DLP Cinema 應用而設計的最新 DMD 元件就能提供 220 萬像素 (圖九)，長寬比16:9 的 DMD 元件也已推出。透過將微反射鏡的面積從17 微米減少到14 微米，並把微反射鏡
20、的間距從 1 微米縮小成 0.8 微米，元件體積大幅減少，製造成本也變得更低。此外，元件製程也從六吋晶圓升級至八吋晶圓，不但進一步降低成本，還能增加製造良率。圖 9：最新 DLP Cinema技術的核心 DMD 提供超過 200 萬個像素 提高對比值是許多研發工作的重點，主要改變包括採用了更小旋轉導孔 (Smaller Rotated Via，簡稱 SRV)，它將微反射鏡中心的方形 孔旋轉 45 度，體積也變得更小，這能減少雜散光 (stray light) 的影響，進而提高對比值。最近，一種稱為 Dark Metal 3 的新製程技術也被採用，它會在 DMD 次結構表面鍍上一層吸光性材料，讓
21、通過微反射鏡間隙的光線不會再反射出來，而是被這些材料所吸收，這也能減少雜散光強度，提供更高的對比值。 除了 DMD 元件之外，DLP 技術的許多其它領域也是研發重點，例如把更多的投影系統功能整合至相關晶片組。這項努力還在進行中，但它已經讓 DLP 解決方案的效能更高、體積更小、重量更輕和成本更低，未來這些影響還會更明顯。DDR和 LVDS 子系統的應用也可大幅改善效能，特別是在視訊應用方面。 自從第一部投影機推出後，色輪的效能也有長足進步。第一部投影機採用三種顏色的色輪，並以 1x 的正常速度工作，今日的投影機最多可能採用 6 種顏色，並以 3x 的高速工作，等於是將顏色更新速率 (color
22、 refresh rates) 提高 6 倍，大幅減少色序系統 (color sequential systems) 常出現的假影雜訊 (artifacts)。由於更多的色輪可供選擇，製造商將享有更大彈性，例如他們可以針對亮度最佳化，以滿足商業投影機的高亮度要求，或是針對色彩飽和度最佳化，以提供家庭娛樂應用所需要的更高色彩飽和度。最新發展重點是採用 SCR (Sequential Color Recapture) 技術，它有很大潛力來提高效率、增加輸出亮度和改善色彩飽和度。 結論僅僅七年多的時間，DLP 技術就成為投影和顯示系統市場的重要力量。DLP 投影機目前的市場佔有率在 25%至 35%之間，絕大多數分析師都認為這個數字還會增加，甚至會成為市場的最主要技術。在美國境內，採用 DLP 技術大螢幕電視早已超過以其它技術為基礎的大螢幕產品，因為消費者比較喜歡 TI 客戶提供的更完美畫質、更良好設計和更低價格(圖十)。無論是現有市場的成長，或者是新市場商機的來臨，人們都將發現業界的轉變腳步仍將由 DLP 技術繼續主導。
