DLP數位光源處理投影技術說明

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DMD

DMD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,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 (MSB) 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,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5,000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,DMD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1,300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 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。