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d l p 技术及其投影显示应用研究 研究生：杨凤和 导师：李福田王淑荣 摘要 数字光处理( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g d l p ) 技术打破了传统模拟显 示的局限，提高了数字视频的潜能，由于d l p 的全数字化特性，使其能够产生 高亮度、高对比度和高分辨率的显示图像，因此，基于d l p 技术的应用越来越多。 本论文从d l p 技术的核心d m d 入手，展开研究工作。首先，对d m d 的制造 工艺、结构构造、d m d 的寻址与复位过程、p w m 驱动等多方面进行了研究， 掌握了d m d 的反射光调制原理及其成象过程。其次，对基于d l p 技术的投影 显示系统进行了分析与研究，剖析了d l p 投影显示系统的结构组成和工作原理， 总结提出了d l p 投影显示系统的通用模型。第三，设计提出了d l p 背投电视机 的总体方案，对其电子学系统进行了详细设计，给出了电子学系统总体设计方案、 主机芯控制电路、通用视频接口电路、d v i 接口电路、光源控制器等电路的设计 方案和电原理图，并进行了各单元电路的p c b 设计与制作。第四，编写设计了 d l p 背投电视机e 系统软件和应用软件。最后，提出了d l p 背投电视机中的多 项特殊技术，并给出了其关键技术的解决方案，同时，从电子学系统、光引擎和 光机结构三个方面，进行了系统可靠性设计。 本论文工作将完成以下主要任务： 1 研究分析d m d 的结构、寻址和复位过程及其p w m 控制原理，掌握d m d 的控制 方法和控制电路的组成。 2 提出基于d l p 技术的投影显示系统的通用模型。 3 研究并分析d l p 投影显示系统的光学引擎结构和成象原理，掌握光学引擎中 主要光学元件的作用和特点。 4 设计提出d l p 背投电视机的总体设计方案。 5 设计并制作d l p 背投电视机的电子学系统电路，完成从原理图到p c b 的设计 过程，同时完成单元电路的调试工作。 主要的单元电路设计包括： ( 1 ) 机芯主电路设计 ( 2 ) 视频接口电路设计( y p b p r 、y c b c r 、r g b 、v i d e o 、s - v i d e o ) ( 3 ) 数字视频接口( d v i ) 电路设计 ( 4 ) r s 2 3 2 接口电路设计及其软件设计 ( 5 ) 光源控制器设计 6 完成d l p 背投电视机的系统软件设计。 7 进行系统可靠性设计，提出可靠性设计方法和采取的具体措施。 主题词： 数字光处理、数字微镜器件、投影显示、背投电视、数字视频接口 d l p t e c h n o l o g ya n dd l p b a s e dp r o j e c t i o nd i s p l a ya p p l i c a t i o n y a n gf e n g h e d i r e c t e db y ：l if u - t i a n w a n gs h u - - r o n g a b s t r a c t d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ( d l p ) i san e x xw a yt op r o j e c ta n dd i s p l a ) i n f o r m a t i o n i tb r e a k st h el i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a ia n a l o gd i s p l a ya n de n h a n c e s t h ep o t e n t i a lc a p a b i l i t yo fd i g i t a lv i d e o t h ea l l - d i g i t a ln a t u r eo fd l pc a nc r e a t e h i g hb r i g h t n e s s ，h i g hc o n t r a s ta n dh i g hr e s o l u t i o ni m a g e s t h i st h e s i sb e g i n si t s r e s e a r c hw o r kf r o md m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) w h i c hi st h eh e a r to f d l pt e c h n o l o g y f i r s t ，ad e t a i l e ds t u d ) 7o ft h ed m di s d e v e l o p e df r o m i t s f a b r i c a t i o n ，a r c h i t e c t u r e ，a d d r e s s i n ga n dr e s e t ，p w mc o n t r o le t c t h ed m d s l i g h tm o d u l a t i o np r i n c i p l ea n di t sp r o j e c t i o np r o c e s sa r em a s t e r e d s e c o n d ，d l p b a s e dp r o j e c t i o nd i s p l a s y s 艟mi sa n a l 7 z e da n dr e s e a r c h e d ，ag e n e r a lh b d e lo f d l pp r o j e c t i o nd i s p l a ys ) s t e mi s p r e s e n t e db ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e sa n d p r i n c i p l e so fs o m ed l pp r o j e c t i o nd i s p l a ) 7s y s t e m s t h i r d ，ar e a rp r o j e c t i o n t e l e x i s i o n ( r p t v lb a s e do nd l p i sd e s i g n e da n dt h ed e t a i l e dd e s i g ns c h e m eo f i t se l e c t r o n i c ss y s t e m si s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n ge l e c t r o n i c so v e r a l lp l a n ，m a i n c o n t r o lc i r c u i t ，g e n e r a lv i d e oi n t e r f a c e ，d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) c i r c u i t ， l i g h ts o u r c ec o n t r o l l e re t c t h ep c b f o ra l lt h e s ec i r c u i tu n i t si sm a n u f a c t u r e d f o u r t h ，t h es v s t e ms o f h s a r ea n da p p l i c a t i o ns o f b a r ea r ea l ld e s i g n e df o rt h i s d l pr e a rp r o j e c t i o nt e l e v i s i o n f i n a l l ，m a n s p e c i a lt e c h n i q u e so ft h ed l pr e a r p r o j e c t i o nt e l e x 7 i s i o na r ep r e s e n t e da n dt h es o l u t i o n sf o rt h e s ek e 3 t e c h n i q u e sa r e g i v e n a tt h es a m et i m e ，t h er e l i a b i l i q d e s i g nf o r t h er p t vs y s t e mi sd e v e l o p e d i nt h r e ea s p e c t s ：e l e c t r o n i c s s y s t e m ，l i g h te n g i n e ，o p t i c a la n d m e c h a n i c a l s t r u c t u r e k e + w o r d s ：d l p 、d m d 、p r o j e c t i o nd i s p l a ) 、r e a rp r o j e c t i o nt e l e xi s i o n 、d v i j 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 僵纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律 责任： 长春光学精密机械与物理研究所 博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明：本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承 曼。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在这个信息化的年代里，我们正被报纸、传真机、计算机、调制解调器、 手机等数字化产品所包围，而更先进的数字产品如d v d 播放机、数码相机、数字 卫星系统( d d s ) 、数字高清电视( 皿t v ) 等也正在悄然走进我们的生活。在计算 机技术飞速发展的世界里，越来越多的信息都在以数字形式产生、存储、编辑、 处理、发送和接收，可是最后的显示输出环节，目前还都是以模拟方式进行的， 所以，尽管信源是数字化的，但在进行视频显示前都要先进行d a 转换，由数字 信号转变成模拟信号，然后才能进行显示输出，这不但给系统增加了噪声，降低 了信噪比，而且也极大地限制了数字视频的潜能。数字光处理( d i g i t a ll i g h t p r o c e s s i n 咄l p ) 技术的出现，改变了这种现状，由于d l p 是一种全数字 化处理技术，它的全数字化特性，使其能够产生高亮度、高对比度和细腻的显示 图象。1 ，同时，也使得d l p 在投影显示、背投影电视( r p t v ) 、计算机显示、光谱 分析等方面的应用越来越多”。5 3 。d l p 投影显示系统的“数字电信号输入数字 光信号输出”特性，使它成为目前能够真正实现全数字视频显示输出的重要方法， 其全数字化特点，使它成为了未来数字显示与通讯领域中的理想解决方案，就象 当年c d ( c o m p a c td i s c ) 光盘导制了音乐产业的革命化一样，d l p 将带来视频投 影显示领域的一场革命。 ? 。 电子投影应用起源于二十世纪四十年代，最早的电子投影系统是基于油印胶 片的投影系统，世界上第一台油印胶片投影机诞生在g r e t a ge i d o p h o r ，该油 印胶片投影机是由瑞士联邦技术研究院研制，后来转到g r e t a ga g 生产。由于油 印胶片投影机的高亮度特性，使它在大屏幕高亮度显示中得到了大量的应用，但 这种油印胶片投影机也存在着许多缺点和局限，例如其尺寸、重量、功耗、稳定 性和长期可靠性等，都存在很大的限制和不足。为了改变上述局限，人们研制出 基于l c d 技术的投影机，而这种l c d 投影机一般分为两种类型：采用c r t 寻址方 式的l c d 光阀( 简称为c r t l c d ) 和主动矩阵l c d 平板( 简称为a m l c d ) 。c r t l c d 光阀存在建立时间长、稳定性差的缺点，而a m - l c d 大多数是采用透射方式工作 的，所以不能在l c d 基底外壳上直接安装散热器，由此带来了l c d 平板不容易散 热的困难，尤其是在高亮度投影显示应用中更为明显。为解决l c d 的散热问题， 在l c d 投影显示系统中都必须设计良好的l c d 冷却系统，尽管如此，a m l c d 的 热量释放问题始终是一个难点和不足。 近代的c r t 投影显示产品多以c r t 背投电视机为主，在该类产品中，需要r 、 g 、b 三个高亮投影管，相应地，需要有r 、g 、b 三路视放输出电路，所以，不 但x 射线辐射大，而且其体积庞大、笨重，同时，c r t 投影显示的亮度随着分辨 率的提高而下降，这也极大限制了c r t 作为h d t v 产品的潜能。l c d 投影产品同 样需要r g b 三块液晶板，而且需要偏振照明光，同时由于是透射方式工作，所以， l c d 投影显示的亮度受到限制。另外，l c d 投影显示中普遍存在的“屏幕门”效 应和l c d 显示亮度随时间的衰减特性，都极大地影响了其输出显示图象的质量。 随着显示技术与显示材料的不断发展，针对油印胶片投影机、c r t 投影显示、l c d 投影显示的不足和局限，同时，为了获得更高的显示图象质量，基于d l p 技术的 d l p 技术及其投影显示应用研究 投影显示系统应运而生。图1 是d l p 投影显示与传统投影显示( o i lf i l m 、 c r t - l c d 、a m - l c d ) 投影机的亮度性能比较示意图”1 。 b r i g h t n e s se f f i c i e n c y l u m n s f w a t t ) ( a ) 传统投影显示 ( b ) d l p 投影显示 幽j d l p 投影显示与传统投影显示的性能比较 d l p 技术的出现，给投影显示带来了一片生机，与其它投影显示系统相比， d l p 投影显示系统的体积小、结构更加紧凑，重量更轻，颜色更加丰富，同时， 由于具有高亮度、高对比度和高显示分辨率，使得基于d l p 技术的应用越来越多。 d l p 优于其它投影显示的优点表现在三个方面”1 3 ： 1 ) d l p 内在的数字特性，使其能够产生低噪声、完全数字化的色彩和灰度 等级，输出高质量的精确图象再现 2 ) d l p 技术提供了数字视频结构链中的最后输出环节的数字连接，由于其 反射光调制特性，使得d l p 技术的光能利用率高于透射式的l c d 显示技术，而且， d l p 不需要l c d 显示中的偏振照明光 3 ) 由于d m d 的超精细结构，使得d l p 投影显示系统能够产生无缝的高质 量显示图象 d l p 技术作为视频结构链中的最后输出环节，为视频信号的最终显示提供了 全数字化连接，打破了以往信息显示技术中最后环节必须进行d a 转换后才能显 示的传统显示方式。 一=0、，、cp=3i)xu5一u=- 第一章绪论 d l p 技术的核心是德洲仪器公司( t i ) 生产的数字微镜器件( d i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e 啪) 。以d m d 为核心，包括d m d 、围绕d m d 的电子电 路和光学引擎等，构成了d l p 技术。1 ，如图2 所示。 + e l e c t t i c a iw o r d si n 图2 d l p 投影显示系统 d m d 是由数以万计的可以移动翻转的微小反射镜构成的光开关阵列，它既是 一种微电机系统( m e m s ) ，也是一种反射式空间光调制器( s l m ) 。d l p 技术的最 大特点是它的全数字化特性，即数字电字输入数字光字输出。所谓“数字电 字输入一数字光字输出”就是指d l p 投影显示系统接收数字视频信号输入，通 过d m d 控制器将代表图象信息的数据存入每个d b l d 微镜下面的c m o s 单元内，然 后根据此数据控制d m d 微镜的翻转状态，使各微镜分别在“开”“关”两种状 态间进行高速切换，实现对入射照明光的调制，形成数字光输出，并通过其光学 引擎产生最终的视频图象输出。随着d m d 制造工艺的不断改进与完善，d m d 芯片 的可靠性得到了提高 9 ，不同分辨率的d m d 芯片相继出现，从早期的s v g a 、x g a 到s x g a 、h d t v 。相应地，基于d l p 技术的投影显示产品应用领域也在不断扩大， 从商用投影机、教育与计算机显示，投影娱乐、游戏到家庭影院和背投电视机。 根据所使用d m d 芯片个数的不同，基于d l p 技术的投影显示系统有单片、两 片和三片之分，它们分别应用于不同的应用领域。图3 是三片d l p 投影显示系统 示意图，图4 是单片d l p 投影显示系统的结构示意图。 本论文介绍的d l p 投影显示属于单片d l p 系统，与两片和三片d l p 系统相比， 它可以将系统的结构做得更加紧凑，使仪器的体机更小、重量更轻、成本更低。 d l p 技术及其投影显示应用研究 d m d o r s p l i t t i n g 彳( r i s m 8 鳓卅尹m 厂 i 。二= ：t 爿1飞一 r ，g b i 一气 一 於 1 ) 然 、n ，： 4 ， l i g h tf r o m 。 i n t e g r a t o rr o d 幽3 二片d l p 投影显示系统示意幽 幽4 单片d l p 投影显示系统示意幽 第一章绪论 目前，基于d l p 技术的投影显示研究在国外非常活跃，基于d l p 技术的投影 显示产品种类繁多，但其核心技术都掌握在t i 、s o n y 等国外厂商手里，国内关 于d l p 技术的研究主要集中在高校和各大电视机生产厂家( 如t c l 、长虹、康佳、 海信等) ，但到目前为止，各电视厂家所生产的d l p 背投电视机还都是通过购买 国外的成套组件，进行组装生产的，而没有完全自己知识产权的d l p 产品，这种 现状不但使国内生产的d l p 产品成本费用高，而且始终处于受控于人的被动地 位。为了改变此不利现状，进行关于d l p 技术的积极研究与产品开发是必要的， 通过研究、试验、分析等多种途径，从初步了解到逐步熟悉，再到掌握和精通， 不断赶超国外最新的研究成果，在该领域，始终保持与国外研究的同步，最终研 发生产出具有完全自己知识产权的d l p 产品。 本论文的研究工作，正是为了涉足d l p 投影显示应用领域，通过试验与研究， 熟悉d l p 投影显示的特点、组成和工作原理，掌握d l p 投影显示系统的设计方法， 并最终研发设计出自己知识产权的d l p 投影显示产品。进行这种项目研发的日 的，不仅在于国产化自己知识产权的d l p 投影显示产品，而且在于通过掌握这种 全新的数字处理技术，走进全数字化视频通讯与显示这个应用领域，为迎接新世 纪的数字显示时代做好准备。 本论文工作期间，将完成以下研发任务： 研究d l p 技术的组成、特点和工作原理 了解并熟悉d m d 的结构、制造工艺和过程 掌握d m d 的成象原理、寻址和复位过程、d m d 的二进制p w m 驱动方法 研究分析基于d l p 技术的投影显示系统的结构组成、工作原理，总结并 提出d l p 投影显示中的通用模型 研究掌握d l p 投影显示系统光学引擎的一般结构及其成象原理 设计开发基于d l p 技术的背投电视机( d l p _ r p t v ) ( 1 ) 设计提出d l p 背投电视机的总体方案 ( 2 ) 设计制作d l p 背投电视机的电子学控制系统电路，主要包括机芯主电 路、通用多种视频信号接口电路、d v i 接口电路、光源控制器、色滤光片 控制器、d m d 控制电路等。 ( 3 ) 进行d l p 背投电视机的热设计 ( 1 ) 进行d l p 背投电视机的可靠性设计 5 完成d l p 背投电视机的系统软件和应用软件设计 d l p 技术及其投影显示应用研究 1 - 2d l p 技术的发展 d l p - - d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g 即数字光处理。该技术是由德洲仪器公 司( t i ) 发明的，其核心d m d d i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e 即数字微镜器件， 是由j h o r n b e c k 于1 9 8 7 年在t i 研制成功的。d m d 由成千上万个微反射镜组成， 每一个微反射镜对应一个像素，通过寻址微反射镜下面对应的r a m 单元，可以使 d m d 陈列上的这些微反射镜偏转到开或关的位置，处于开状态的微镜对应亮的像 素，处于关状态的微镜对应暗的像素，从而可以显示出明暗相间的图象。 d m d 芯片的发展推动了d l p 技术的发展。现在的d m d 芯片是从早期的空间光 调制器件逐步发展起来的“”“3 ，在1 9 7 7 年，还称其为d e f o r m a b l e m i r r o r d e v i c e ，随着设计技术和制造工艺的不断提高，到1 9 8 7 年，发展成为如今的 d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) ，在随后的几年里，通过不断改进d 她的 设计结构和制造工艺，使d 皿的使用性能和可靠性都得到了明显提高“，图5 是d m d 芯片的发展过程示意图，图6 是d m d 的分辨率与外形尺寸关系图。 图5d m d 芯片的发展过秽 ( r e s o l u t i o n )( da g o n a l ) 二= ：；： ， 。州o vki v q 1 5 i n 1 1 i ； ， ， ， ，1 6 ， ， ，9 ；j 二， a s p e c t ，；：r ，一：，1 5 r a t i o ) 4 4 ：3 卢扩。 。3 i d m dp i x e ls i z e = 1 7 i m s v g ax g as x g ah d t v 削6d m d 芯片分辨率与其外形尺寸的关系 6 第一章绪论 在d m d 的发展过程中，其微镜尺寸从早期的1 7pm 减小到如今的1 3 7um ， 数据装载速率也由s d r ( s i n g l ed a t ar a t e ) 发展为d d r ( d o u b l ed a t ar a t e ) ，d m d 芯片上微反射镜的偏转角度从早期的1 0 。，发展为最新的1 2 。，随着微反射 镜偏转角度的增大，将更加有利于提高d m d 的光能利用效率。 d m d 的结构也经历了一个随时间发展变化的过程，如图7 所示。 剀7 d m d 像素结钧随时间的发展变化过群 在制造工艺上，通过在d 皿各微镜下面增加制造一个非反射金属层，从而增 大了d m d 在投影显示应用中的对比度，图8 是d m d 芯片“全开全关”对比度随 时间的发展情况示意图。 d l p 技术及其投影显示应用研究 随着d m d 芯片结构的发展，其性能也得到了不断提高，1 9 9 1 年，t i 启动了 d i v p ( d i g i t a li m a g i n gv e n t u r ep r o j e c t ) 计划，该项目的目标是将d l p 技术 推向市场，形成基于d l p 技术的投影显示系列产品。在d i v p 计划启动后的5 年 时间里，t i 将d l p 技术从试验室的研究项目发展到商业产品，并于1 9 9 6 年推出 了第一台基于d p l 技术的数字投影显示设备。从此以后，d l p 开始走向市场，走 进了人们的生活，目前，在世界范围内，已经有多种d l p 投影产品应用到不同的 应用领域，但其核心技术仍掌握在t i 一家。 1 3d l p 的工作原理 基于d l p 技术的投影显示系统将投影光源与电子视频图象连接到一起，通过 对入射照明光的特殊数字处理技术，形成全数字化的图象显示。在d l p 投影显示 应用中，其光学投影系统是由光源、聚光透镜、颜色滤波器、颜色滤波器驱动器、 成形透镜、d m d 芯片、成象透镜、投影屏幕等部分组成，其结构组成如图9 所示 【1 3 o i 纠9d l p 投影显不系统不意幽 由光源发出的白色光，经过聚光透镜后会聚到色滤光片上，该色滤光片是由 红、绿、蓝三种颜色相间组成的一个色轮圆盘，在电机的驱动下连续转动，顺序 产生r 、g 、b 单色光输出。入射光线经过色滤光片后被成形透镜变成平行光照射 到d m d 上，而d m d 受视频图象信号的控制，使其上面的成千上万个微反射镜分别 在“开”或“关”的位置间进行往复切换。处于“开”位置的微反射镜将使光线 反射进入到成象光学系统中，相应地在投影屏幕上产生一个亮点：而那些处于 “关”位置的微反射镜将使光线反射到成象光学系统之外，作为杂散光被吸收掉， 相应地在投影屏幕上产生一个暗点。这样，经过整个d m d 芯片上的所有微反射镜 反射后，经过成象光学系统，最后将在投影屏幕上形成一个完整的视频图象画面。 第一章绪论 应该指出，经d m d 反射光线后产生的图象本身是黑白的，彩色视频图象的颜色是 由色滤光片处理后添加上去的。 1 4o k p 投影显示的特点 d l p 投影系统的特点主要表现在以下几个方面： 1 )高亮度 l c d 系统使用偏振照明光，也就意味着有5 0 的光能量不能被利用，虽然 最近的研究提高了l c d 的光效率，但由于其依靠偏振光照射，其性能始终受到 限制。而d l p 采用反射技术，它比透射式l c d 系统具有更高的光利用效率，d l p 系统的综合光利用效率大于6 0 ，所以，d l p 系统具有更高的亮度。 2 ) 全数字化 如今，我们能利用数字方法实现信号的捕捉、编辑、处理、广播发送、 数字接收，但是，在进行显示前，必须将这些数字信号转换成模拟信号，然后 才能进行显示。我们知道，每个d a 转换环节都会向系统中引入噪声，相应地 降低了系统的信噪比，从而影响了系统的性能。d l p 技术改变了这种现状，它 使视频信息在“捕捉处理发送接收显示”链条的最后环节中， 即“显示”之前不需要进行d a 转换，而是直接进行数字信号输出，为数字信 号的实时显示提供了全数字的连接，也为数字视频重建提供了可能。 3 ) 精确的灰度和彩色再现能力。 。 由于d l p 的全数字化特点，使它能够产生数字化的灰度等级和颜色水平， 假设每种颜色由8 b i t s 数字量表示，那么，d l p 可以产生1 6 7 x 1 0 6 种不同的颜 色。可见，d l p 的数字化特征，使数字视频信号的再现，具有更加精确的灰度 和色彩，能够产生更加准确的灰度等级或不同颜色的图象再现，从而使再现的 视频图象更加自然。 4 )无缝的电影质量图象 由于d m d 微反射镜尺寸极其微小。各微反射镜之间的间隙更是d , n1um 以下，所以，d m d 做为显示器件时的有效光利用率非常高，有利于产生较高的 亮度和较高的分辨率。图1 0 是l c d 与d l p 投影显示像素的微观结构比较。 幽1 0 l c d 与d l p 投影显示中像素的微观结构比较 d l p 技术及其投影显示应用研究 另一方面，由于d l p 投影系统采用逐行扫描方式工作，所以，能够产生更 加自然、更加生活化的显示效果，不存在l c d 系统中常见的那种“屏幕门”缺 陷，图1 1 是l c d 与d l p 投影显示图象的对比示意图，可以很清楚地看到，d l p 投影显示的图象比l c d 投影显示的图象要细腻得多。 嬲戮l i ! 冀 黼 _ 童 “矧 蛰 黼 i i 留 - 麟 ” z ： ；i 戮! d l p p r o j e c t e dim a g e 幽1 ll c d 与d l p 投影显不图象的对比 5 )完全没有x 射线辐射，体积小、重量轻 传统的c r t 背投电视机体积庞大，质量过重，不易搬动，而且由于它使用 红、绿、蓝三个投影管进行图象显示，不可避免地带有x 射线辐射。与c r t 背 投电视不同，由于d l p 投影系统本身的组成特点，使得基于d l p 的投影电视机 具有体积小、重量轻的特点，而且完全没有x 射线的辐射。 。 6 )高的可靠性和持久不变的亮度及对比度 d l p 投影显示系统不存在亮度和对比度随工作时间的延长而逐渐下降的缺 点，这是因为d m d 的反射效率是不随时间变化的。影响d l p 系统可靠性的主 要部件是其核心器件d m d ，由于d m d 是依靠折页轴进行微反射镜转动的，而且 d m d 的微反射镜转动是非常频繁的，所以人们对d m d 的可靠性和使用寿命产生 了怀疑。不过，在德洲仪器公司进行的测试试验结果表明，d m d 微反射镜绕其 折页轴翻转的有效次数可达1 0 9 次以上，这相当于d m d 可连续工作2 0 年“。 1 5 基于d m d 的应用 由于d m d 芯片的高反射率、高对比度、高分辨率及其快速的光调制特性，使 得基于d m d 的应用非常广泛“”1 ，目前基于d i d , q ) 的应用最多的是投影显示领域， 如d l p 投影机、背投电视机、大屏显示墙等。除了在投影显示方面的应用之外， d 旧在立体显示、显微镜、数字光谱仪、数字照相与摄影、全息照相和数据存储、 平版印刷等方面的应用，也正在不断发展和成熟”“。 1 立体显示 立体显示是基于d m d 的一个新的应用领域，在此系统中使用三块d m d 芯片，分 别对应r 、g 、b 三原色输出，它们将3 d 图象直接显示到立体空间，而不需要使 用立体眼镜或头盔来进行观看。观察者可以从不同角度和侧面进行观看，通过 移动位置，能够看到被遮挡在后面的物体，这种立体显示方式，允许许多人从不 同的距离同时进行3 d 图象观看。目前，已经有p e r s p e c t a 和v i z t a 两种立体 显示产品问世，p e r s p e c t a 能够将直径为1 0 英寸的3 d 图象，显示到一个立体的 第一章绪论 透明球里，如图1 2 所示( 左) 。 观察者可以围绕这个透明球进行3 6 0 。的环绕观看。在这个系统里，使用3 个d m d 芯片分别对应红、绿、蓝三原色，它们能够产生大于1 0 0 m 的3 d 象素，每 个象素为8b i t 色彩。v i z t a 是另外一种3 d 立体显示产品，它制作成一个计算 机显示器的样子，如图1 2 所示( 右) 。该系统利用3 片d m d 将图象投影到2 0 英 寸的l c d 平板上，它可以显示1 5 3 m3 d 象素，每种r g b 色彩具有5 b i t 的灰度等 级，其全开全关对比度可达1 0 0 0 ：l 。 幽1 2 基丁d m d 的立体显示产品 2 照相摄影与复印 1 9 9 9 年开始出现使用基于d m d 的光电元件取代传统使用胶片的照相与摄影 设备，图1 3 是d l p 投影机的原始模型。 随后开始出现小型实验室产品，在这类产品中，d m d 以扫描方式工作，可以 打印出大于3 0 0 d p i 的全彩色图象”。随着技术的发展，基于d m d 的实验室打印 设备性能不断提高，目前产品的打印速度已经非常高了，对于4x6 的数字图象， 它们能够以1 0 0 0 0 张小时的高速进行打印输出，图1 4 和图1 5 是基于d m d 的复 印设备投影系统和控制电路板。 幽1 3d l p 电影投影机原删 d l p 技术及其投影显示应用研究 幽】4 基丁d m d 的复印| 殳备投影系统 i 警| 15 基td m d 的复印i 殳帑电路板 3 平版印刷 平版印刷应用的范围比较广，如打印绘图、p c b 生产、半导体印膜等。目前，常 用的平版印刷输出设备是激光扫描光绘系统，该系统工作在可见光波段，能够利 用数据文件直接输出文字或图象。然而，在有些需要利用紫外( u v ) 敏感材料进 行数据直写的应用场合里，由于需要工作在紫外波段，所以，传统的激光扫描光 绘系统失去了作用。紫外特性的专用d m d 芯片，具有高反射特性、高效的宽带光 调制效率和快速的数据刷新率，非常适用于下一代的平版印刷系统。 第一章绪论 b a s y s p r i n tg m b h 已经研制出了基于d m d 的u v - s e t t e r 打印绘图产品，该 产品使用标准d m d 芯片，工作在3 5 0 _ - 4 5 0n m 波段，能够以i o m 点秒的速度打 印输出，它所使用的耗材费用约为普通激光光绘费用的一半。随着紫外波段专用 d m d 芯片( 优化工作波段为3 5 0 - 4 5 0n m ) 的出现，一维扫描式d m d 打印绘图产品 的输出速度将会不断提高，而其所用耗材的费用将会不断降低。图1 6 是利用d m d 进行d n a 链描绘的系统示意图。这种应用在医药开发和医学研究中的价值很大， 目前，德克萨斯西南医学中心大学正在进行这方面的研究工作，n i m b l e g e n 公司 也正在开展此方面的商业产品开发。 阳馨涵i io 跚c ：a lc h e m i 吣 幽1 6 利坩d m d 进i jd n a 链描绘的系统不慝 4 高能量与激光应用 由于基于d m d 的应用大多集中在投影显示中，而在投影显示中最关心的是需 要d m d 能够连续工作几万小时以上的高可靠性，所以t i 进行了大量的关于d m d 可靠性方面的测试与试验，但没有试验测试d m d 的短期最大可允许光能量是多 少。通常，在亮度较大的d l p 投影机中，照明光在4 2 0 7 0 0n m 间的光能量为 1 0 w c m 2 ，虽然这还不是d m d 所允许的最大照射光能量，但此时已经需要给d m d 提供必要的冷却系统，确保d m d 工作在6 5 以下，而d m d 的封壳应该维持在比 6 5 还要低几度的水平上。一般情况下，需要设计一个性能良好的光机结构，来 限制高速反射光的微镜阵列上的光波动，同时，增大d m d 微镜阵列之外的吸收区 域，从而增加对非成象光和杂散光的吸收。d m d 在高能量激光照射下的应用，如 光刻，这很有吸引力，是一个全新的应用领域。不过，由于激光能量高，而且集 中，所以，此种应用中的热设计要求明显严格得多。目前，还没有足够的数据能 证明d m d 可以工作在激光照射下，对于利用脉冲激光照明的应用，t i 建议所使 用的激光脉冲能量应小于0 1 j c m 2 ( 例如，在l o n s 的脉冲宽度内，激光能量为 l o m w c m 2 ) ，过高的激光能量将会毁坏d m d 微镜阵列。 5 宽带应用 d m d 的一个内在优势是它的宽波带工作能力，由于d m d 依靠简单的反射方式 进行工作，所以，它能够独立于照明光的波长实现光调制。t i 的工程师们已经 发现，d m d 微镜在强紫外线照射下会导制失效，所以，在投影显示中所使用的d m d 芯片都采用了防紫外透射的光学玻璃窗口，从而防止d m d 微镜被强紫外线照射而 导制的失效。在一些半导体平版印刷产品里，需要d m d 工作在3 5 0 h m 以下的紫外 d l p 技术及其投影显示应用研究 波段，此时，应该采用专用的紫外d m d 芯片，而不能使用标准的可见光d m d 芯片。 近红外波段的应用，如无线电通讯、光谱复制等，也已经出现。此类应用中， d m d 优化配置在1 2pm 波长处，其窗口玻璃透射特性与可见光d m d 、紫外d m d 都有所不同，如图1 7 所示。 幽l7 d m d 窗口玻璃的可见光、紫外及近红外透射特性 在遥控通讯应用中，d m d 微镜的翻转角度被优化设计到使最大衍射效率出现 在1 5 5 um 处。远红外的应用，目前还没有出现，因为d m d 的窗口玻璃对远红外 光的透射率截止。由于d m d 的封装工艺很特殊，对其窗口材料的要求也很苛刻， 所以，目前尚没有能够应用到远红外波段的专用d m d 芯片。通常情况下，普通的 d m d 芯片( 如0 7x g ad m d ) ，其微镜的翻转角度为1 2 。，它的衍射峰值出现在 反射角度为3 处，其中 为波长，单位是u m 。在大多数的光学系统中，都能 够收集足够大的固有角度的光能量( 通常都大于3 ) ，所以，一般应用中的衍 射行为可以被忽略。但是，在近红外波段的遥控通讯应用中，由于需要将光能量 耦合到光纤中实现光通讯，所以，对衍射行为的要求就很苛刻了。为了满足近红 外方面的应用，t i 专门设计开发了应用于遥控通讯的专用近红外d m d 芯片，该 d m d 芯片的微镜翻转角度为9 2 。，从而可使8 8 的衍射光能量都集中到某一单 阶衍射级上，如图1 8 所示，衍射能量大部分都集中到2 “衍射级上。目前，t i 能够提供基于s b g ( s w i t c h e db l a z eg r a t i n g ) 的近红外d m d 芯片系列0 e m 产品给 用户。 d hl8 衍射特性示意幽 第一章绪论 6 全息照相和数据存储 作为一项特殊技术，数字全息照相有着广泛的应用。如数据存储、显示。快 速的空间光调制器具有较大的光通过率和很好的衍射效率，从而提供了足够的数 字全息图光重建能力。d m d t 作在二进制或p w m 方式下，都可以提供高的光通过率、 高衍射效率、高对比度和高灰度等级，目前还没有发现由于d m d 微镜的翻转移动 所产生的缺陷。全息数据存储具有很大的商用和科学研究应用前景，多年来的研 究表明，全息数据存储能够打破传统的光学和磁学存储器的局限，具有更高的数 据存储密度和刷新速率。目前，a p r i l i s 和i n p h a s e 技术公司已经宣布了他们的全 息数据存储器，该类存储器可一次性写入，多次性读出( w o r m ) 。a p r i l i s 公司 的产品是直径为1 2 0 m m 的盘片，其容量为2 0 0 g b ，数据传输速率可达2 0 0 m b s 。 l n p h a s e 技术公司的产品数据容量为1 0 0 g b ，数据传输速率可达2 0 m b s ，他们 正在研制可重复多次写入的产品。由于d m d 具有极高的光切换速率和高对比度， 所以，d m d 非常适合用作这种全息数据存储器盘片的驱动器，全息盘片驱动器 开发商，包括i n p h a s e 技术公司和o p m r a r e ( 日本) ，已经开发出了使用d m d 作为 激光束调制器的系统。 7 显微镜 光学显微镜的发展经过了漫长的历史，其主要的发展成果集中在显示分辨率 的不断提高，一百年前，光学显微镜达到了所谓的衍射极限，随后的时间里，人 们在不断地改进系统设计和所使用的光学元件，以求进一步提高显微镜的分辨 率。后来，人们研究发现，空间光调制器( s l m ) 在显微镜中用作照明光的调制 和光线收集很有效，目前有很多不同模式的显微镜，如亮场、暗场、相位对比等。 在所有的显微镜中，光线都是以可控制的方式进行传输和收集的，所进行的光控 制是利用光学透镜、光阑等实现的。在传统的光学系统里，光阑是静止不动的， 图1 9 是使用d m d 作为动态光阑进行光线扫描和收集的显微镜光学系统示意图。 图1 9 基丁d m d 的显微镜系统 d l p 技术及其投影显示应用研究 8 数字光谱仪 使用d i d 作为光调制器，进行数字光谱仪应用研究是一个很有前景的应用领 域，最早发表关于此方面应用研究文章的是w a g n e r , 图2 0 是基于d m d 的数字 光谱仪原理图。 d beam concave i 到1 0 基丁- d m d 的数字光谱仪原理蚓。 tor 光源发出的入射照明光首先经过光学准直系统，变成平行光输出，然后该平 行照明光经过光束分离器，照射到凹面光栅上，此凹面光栅用来进行入射照明光 的光谱分离，经过凹面光栅分离出来的不同波长照明光，以不同的角度照射到 d m d 芯片上，再由d m d 以不同的角度反射回凹面光栅，最后经由光束分离器 到达探测器，由探测器完成不同波长照明光能量的测量。在此数字光谱仪中，d i d 用作为一种自适应的光学狭缝，在电子学系统的控制下，实现了对入射照明光的 波长扫描。 早期的基于d i d 的数字光谱仪中，d m d 的对比度只有6 0 ：1 ，随着d m d 芯片的 不断发展，目前d i d 的对比度可达2 0 0 0 ：1 ，相应地，使用最新d i d 芯片的数字 光谱仪的性能也有了显著提高。 第二章d m d 的构造及其控制 2 1d m d 的结构 第二章d m d 的构造及其控制 d m d 是种基于半导体基底的快速反射式数字光开关，它既是一种微电机系 统( f e 牺) ，也是一种空间光调制器( s l m ) 。把d m d 称为m e m s 是因为它是由成千 上万个可移动翻转的微小反射镜构成的，这些微反射镜是通过在其下面的c m o s 电路控制的。另一方面，因为这些微反射镜是以高速反射的方式来调制光的，所 以d m d 也可以称作是一种反射式s l m 。“。图2 1 是d m d 在电子显微镜下的照片。 图2 1 d m d 在电子显微镜下的照片 d m d 像素是在c m o ss r a m 基底上制造的一个整体集成的姬m s 单元”“，d 佃 像素的剖视结构如图2