DLP是德州仪器公司Larry Hornbeck博士发明的一种采用光学半导体产生数字式多光源显示的解决方案，是同3LCD、PDP和LCOS一样倍受关注的背投电视投影技术之一。DLP技术能在各类产品(如大屏幕数字电视、公司/家庭/专业会议投影机和数码相机(DLP Cinema)中提供最佳图像效果，自1996年以来德州仪器公司已向超过75家的制造商供货500多万套系统。特别是最近，DLP投影技术已经成为最热门的话题之一，越来越多的厂商已经加入到生产DLP投影机的行列。

1. DLP技术基础

在讨论DLP技术之前，我们先来认识4个技术概念，即DLP、DMD、MEMS和MOEMS。

其中，DLP是Digital Light Processing的缩写，中文含义是数字光源处理技术；DMD是Digital Micromirror Device的缩写，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；MEMS是Micro-Electro-Mechanical System的缩写，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；MOEMS是Micro-Optical-Electro-Mechanical System的缩写，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，要了解DLP技术，必须先从MEMS开始，最后形成MOEMS产品。

（1）MEMS简介

MEMS还可以简称为微机电系统，这是美国的称呼。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。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。

（2）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 superstructurecell)，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。

（3）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。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。

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。

2. DLP技术优势

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)。

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。

对于目前大多数投影和显示应用，LCD技术是DLP最主要的竞争对手，但DLP技术拥有多项优势胜过LCD技术。

（1）数字胜于模拟
DLP是数字技术，每个微反射镜只会处于ON或OFF状态，LCD却是一种模拟技术。数字投影技术的优点是它能忠实而不断重复的产生影像，不会受到温度、湿气或震动等环境因素的影响。

（2）速度带来优势
DLP技术核心的微反射镜能以每秒5,000次速度开关，其微秒级的速度远超过LCD像素毫秒级的开关速度。再加上DDR Ram的配合，数据处理速度再次提升。所以就本质而言，它更有能力将画面的快速动作准确再生；LCD技术由于开关速度较慢，快速移动的影像画面看起来会有些模糊不清。在重现快速移动的图像时，LCD技术中常见的拖尾和重影现象不会在DLP技术中看到。

（3）架构简单合理
微反射镜拥有很高的开关速度，使DLP技术只需使用一个投影面板，就能同时调变红绿蓝三种光束；相形之下，LCD技术由于速度较慢，因此必须采用三片式投影面板架构，第一片面板用来调变红光，第二片调变绿光，第三片给蓝光使用。单片面板架构有多项优点：首先，单面板架构只需一套简单轻巧的光学系统，使它能发展出体积重量都小于三片式面板系统的投影机和显示器。

（4）更锐利的对比度
简单轻巧的光学系统为DLP技术带来另一项优势：投影机或大屏幕电视内的光线管理要比三片面板架构更简单，这能为它带来更高的对比度。高对比度可以提供更丰富的画面细节，使画面更逼真，黑颜色会显得更黑，并让画面看起来更清晰锐利(人体视觉器官依赖对比度来分辨物体的边缘，因此高对比度影像看起来更锐利，采用DLP技术的投影机很容易就能达到2000:1以上的对比度。

（5）反射技术提高亮度利用
与传统的模拟投影机相比，DLP投影机将更多的光线打到屏幕上，这样，图像的演示效果在光亮中将同在黑暗中一样好。DLP技术有效的解决了这个问题。DMD的强反射表面通过消除光路上的障碍以及将更多的光线反射到屏幕上，而最大化地利用了投影机的光源。相比较的是，采用透射原理的LCD技术则是偏振光在图像到达屏幕之前必须通过大量的附加光学元件。更为有利的是，基于DLP技术的投影机的亮度是随着分辨率的增加而增加的。在如XGA和SXGA等更高分辨率的情况下，DMD提供更多的反射面积，如此一来就可以更为有效地利用灯光的亮度。

（6）聚焦更加出色
此外，根据定义，单片面板系统绝不会失焦，但采用三片面板的LCD系统却可能受到环境因素的影响而失焦，使得屏幕画面看起来有些模糊。单片面板系统所提供的画面却能永远保持清晰锐利。

（7）无缝图像消除颗粒感
观众对于影像画质的好坏还会受到另外一项因素影响，就是它看起来“与电影相似”的程度，在观看动态视讯时更是如此。在DLP技术中，微反射镜的反射面积远大于它们之间的距离，因此它能提供很高的“填满率 (fill factor) ”，投影画面看起来也更加完美自然。另一方面，若和像素之间的距离相比，LCD技术的像素面积却没有那么大，使得画面看起来有点颗粒的感觉，这种情形就像是透过“格状玻璃”看图片一样。

（8）防尘提高耐力
DLP投影机采用了全封闭式光学引擎结构设计，进而避免了粉尘污染。传统LCD投影机为迅速散去面板高热，往往采用开放式光学引擎结构设计，通过风扇吸取空气达到降温目的，因此不可避免会吸入粉尘，久而久之LCD面板就会变色，由于穿透率变差而导致亮度自然衰减，即使更换灯泡也无济于事。DLP投影机的全封闭设计使光机结构与外界彻底隔绝，所以DMD芯片上绝对不会沾染空气中的粉尘，进而延长了投影机的使用寿命，并提高了机器的耐用性。

3. DLP的可靠性

DLP非常可靠，对于一种在本质上属于机械性的技术来说，这确实令人惊讶。实验室测试结果显示，DMD的预期寿命时间超过100,000小时，客户反应结果也多半证实了这项预测。此外，DLP技术全部采用无机材料，不会像有机技术一样，因为长时间曝露在热源或光源下而逐渐劣化。

2002年5月，美国罗彻斯特大学的孟赛尔色彩科学实验室(Munsell Color Science Laboratory at the University of Rochester)进行一项研究计划，对五部可携式商业资料液晶投影机和两部DLP投影机的“画面可靠性”进行比较，他们把“画面可靠性”定义为：投影机画面质量下降到无法接受地步的所需工作时间。接受测试的投影机必须日夜不停连续工作4,000小时；测试期间结束后研究人员发现，所有液晶投影机都出现清楚可见而令人不悦的画面瑕疵，采用DLP技术的投影机却没有这些问题。研究人员认为LCD技术的影像质量会下降，主要是因为偏光板和面板内的有机材料长期曝露在光源和热源之下。

4. 德州仪器公司的DLP产品

可保证画质清晰、亮丽、鲜明的DLP技术已成为市场上最通用的显示技术。这是世界上唯一得以推出2磅以下最小型投影仪和放映75英尺最大电影屏幕的显示技术。目前，DLP技术在以下应用领域的发展和市场份额一直保持强劲增长势头：
（1）DLP商用和家用投影仪：DLP技术为市场上推出重量轻、厚度薄、亮度高、价位合理的全新投影仪建立了标准。所有DLP正面投影仪都具有出色的画质和无以伦比的画面稳定性。DLP是唯一能够用来生产3磅以下
（2）DLP电视：采用DLP技术的大屏幕电视，画面效果最为出色，同时具有画质优异、厚度薄、重量轻、设计灵活、价格便宜等特点。目前，包括9家电视巨头中的6家厂商在内，已有十几家电视生产企业生产基于DLP技
术的电视，不断为消费者推出各种创新产品。现在，全球销售DLP电视的零售商已有5500家。
（3）会议投影仪：3芯片DLP投影仪不断满足会议专业投影市场迅速增长的需求，成为奥斯卡和艾美奖颁奖活动等世界盛大庆典的“首选技术”。
（4）DLP Cinema: 世界已有几百家影院安装DLP Cinema设备，为全球影迷放映画面优美的影片。DLP Cinema是好莱坞导演、制片商和电影公司目前采用的唯一数字投影技术。DLP Cinema不仅用于影院放映电影，而且可用于影片的拍摄和后期制作，确保影片生产过程中始终保持前后一致的高质量画面。

5. DLP的发展

第一部采用单片式DMD芯片的DLP投影机提供350流明亮度、VGA(640x480)分辨率和大约23磅的重量；相形之下，今日采用单片式DMD芯片的DLP投影机重量最轻只有2磅，分辨率达到SXGA(1,280x1,024)，最高并能提供3,000流明的亮度。另一方面，第一部采用三片式DMD芯片的DLP投影机可提供1,300流明亮度，目前采用三片式DMD芯片的DLP投影机却能达到17,500流明。今天，消费者只需1,000美元，就能买到以DLP技术为基础的投影机。

第一部DLP投影机进入市场至今已经7年多，这段期间出现了许多进步，使得DLP投影机的效能、重量、体积和成本都获得大幅改进。1996年时只有一种DMD组件，这段期间却有13种不同的DMD组件问世。分辨率也大幅提高，专为DLPCinema应用而设计的最新DMD组件就能提供220万像素，长宽比16:9的DMD组件也已推出。透过将微反射镜的面积从~17微米减少到~14微米，并把微反射镜的间距从1微米缩小成0.8微米，组件体积大幅减少，制造成本也变得更低。此外，组件制程也从六吋晶圆升级至八吋晶圆，不但进一步降低成本，还能增加制造良率。

提高对比度是许多研发工作的重点，主要改变包括采用了更小旋转导孔(Smaller Rotated Via，简称SRV)，它将微反射镜中心的方形“孔”旋转45度，体积也变得更小，这能减少杂散光(straylight)的影响，进而提高对比度。最近，一种称为Dark Metal 3的新制程技术也被采用，它会在DMD次结构表面镀上一层吸旋光性材料，让通过微反射镜间隙的光线不会再反射出来，而是被这些材料所吸收，这也能减少杂散光强度，提供更高的对比度。

除了DMD组件之外，DLP技术的许多其它领域也是研发重点，例如把更多的投影系统功能整合至相关芯片组。这项努力还在进行中，但它已经让DLP解决方案的效能更高、体积更小、重量更轻和成本更低，未来这些影响还会更明显。DDR和LVDS子系统的应用也可大幅改善效能，特别是在视讯应用方面。

自从第一部投影机推出后，色轮的效能也有长足进步。第一部投影机采用三种颜色的色轮，并以1x的正常速度工作，今日的投影机最多可能采用6种颜色，并以3x的高速工作，等于是将颜色更新速率(color refresh rates)提高6倍，大幅减少色序系统(color sequential systems)常出现的假影噪声(artifacts)。由于更多的色轮可供选择，制造商将享有更大弹性，例如他们可以针对亮度最佳化，以满足商业投影机的高亮度要求，或是针对色彩饱和度最佳化，以提供家庭娱乐应用所需要的更高色彩饱和度。最新发展重点是采用SCR(Sequential Color Recapture)技术，它有很大潜力来提高效率、增加输出亮度和改善色彩饱和度。

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