DLP

數字光處理（Digital Light Processing，縮寫：DLP）是一項使用在投影儀和背投電視中的顯像技術。DLP技術最早是由德州儀器開發的。它至今仍然是此項技術的主要供應商。德國德累斯頓Fraunhofer學院（The Fraunhofer Institute of Dresden）也生產有着特殊用途的數字光處理器，並把它稱作空間光調節器（Spatial Light Modulators，SLM）。例如，瑞典Micronic激光系統公司（Micronic Laser Systems of Sweden）就在其開發的Sigma印版硅模板刻印機中，利用Fraunhofer生產的空間光調節器來生成遠紫外線圖像。

在DLP投影儀中，圖像是由DMD（Digital Micromirror Device，數字微鏡器件）產生的。DMD是在半導體芯片上佈置一個由微鏡片（精密、微型的反射鏡）所組成的矩陣，每一個微鏡片控制投影畫面中的一個像素。微鏡片的數量與投影畫面的分辨率相符，800×600、1024×768、1280×720和1920 x 1080（HDTV）是一些常見的DMD的尺寸。

這些微鏡片在數字驅動信號的控制下能夠迅速改變角度，一旦接收到相應信號，微鏡片就會傾斜10°，從而使入射光的反射方向改變。處於投影狀態的微鏡片被示為“開”，並隨數字信號而傾斜+10°；如果微鏡片處於非投影狀態，則被示為“關”，並傾斜-10°。與此同時，“開”狀態下被反射出去的入射光通過投影透鏡將影像投影到屏幕上；而“關”狀態下反射在微鏡片上的入射光被光吸收器吸收。 ^[1-2] 

本質上來説，微鏡片的角度只有兩種狀態：“開”和“關”。微鏡片在兩種狀態間切換的頻率是可以變化的，這使得DMD反射出的光線呈現出黑（微鏡片處於“關”狀態）與白（微鏡片處於“開”狀態）之間的各種灰度。DLP投影儀主要通過兩種方法來產生彩色圖像，這兩種方法分別被用在單片DLP投影儀和三片DLP投影儀中。

1991年，30萬像素的液晶投影機已經被推出了，1996年液晶投影已經迅速發展到VGA甚至SVGA數據投影和家庭影院投影的階段了，但是因為技術瓶頸，亮度與對比度都很難突破。在這樣的背景下，DLP投影技術走上歷史的舞台順理成章。

DLP的技術核心是DMD芯片，是由美國Larry Hornback博士於1977年發明的。最開始，主要是為了開發印刷技術的成像機制，先以模擬技術開發微型機械控制，1981年才改用數字式的控制技術，正式命名為Digital Micro-mirror Devices，並開始分成印刷技術與數字成像兩個方向來研發。到了1991年德州儀器決定將數字成像的開發獨立成一個事業部，並於1996年開發出第一個數字圖像產品，1997年正式終止印刷技術的研發，全力進行數字圖像的研發。

DMD器件是DLP的基礎，一個DMD可被簡單描述成為一個半導體光開關，50~130萬個微鏡片聚集在CMOS硅基片上。一片微鏡片表示一個像素，變換速率為1000次/秒，或更快。每一鏡片的尺寸為14μm×14μm（或16μm×16μm），為便於調節其方向與角度，在其下方均設有類似鉸鏈作用的轉動裝置。微鏡片的轉動受控於來自CMOS RAM的數字驅動信號。當數字信號被寫入SRAM時，靜電會激活地址電極、鏡片和軛板（YOKE）以促使鉸鏈裝置轉動。一旦接收到相應信號，鏡片傾斜10°，並隨來自SRAM的數字信號而傾斜+12°；如顯微鏡片處於非投影狀態，則被示為“關”，並傾斜-12°。簡而言之，DMD的工作原理就是藉助微鏡裝置反射需要的光，同時通過光吸收器吸收不需要的光來實現影像的投影，而其光照方向則是藉助靜電作用，通過控制微鏡片角度來實現的。

通過對每一個鏡片下的存儲單元以二進制平面信號進行尋址，DMD陣列上的每個鏡片以靜電方式傾斜為開或關狀態。決定每個鏡片傾斜在哪個方向上為多長時間的技術被稱為脈衝寬度調製（PWM）。鏡片可以在一秒內開關1000多次，在這一點上，DLP成為一個簡單的光學系統。通過聚光透鏡以及顏色濾波系統後，來自投影燈的光線被直接照射在DMD上。當鏡片在開的位置上時，它們通過投影透鏡將光反射到屏幕上形成一個數字的方形像素投影圖像。當 DMD 座板、投影燈、色輪和投影鏡頭協同工作時，這些翻動的鏡面就能夠一同將圖像反射到演示牆面、電影屏幕或電視機屏幕上。

在一個單DMD投影系統中，需要用一個色輪來產生全綵色投影圖像。色輪由紅、綠、藍濾波系統組成，它以60Hz的頻率轉動。在這種結構中，DLP工作在順序顏色模式。輸入信號被轉化為RGB數據，數據按順序寫入DMD的SRAM，白光光源通過聚焦透鏡聚集焦在色輪上，通過色輪的光線然後成像在DMD的表面。當色輪旋轉時，紅、綠、藍光順序地射在DMD上。色輪和視頻圖像是順序進行的，所以當紅光射到DMD上時，鏡片按照紅色信息應該顯示的位置和強度傾斜到“開”，綠色和藍色光及視頻信號亦是如此工作。人體視覺系統集中紅、綠、藍信息並看到一個全綵色圖像。通過投影透鏡，在DMD表面形成的圖像可以被投影到一個大屏幕上。

這種系統利用了金屬鹵化物燈紅光缺乏的特點。色輪不用紅、綠、藍濾光片，取而代之使用兩個輔助顏色，品紅和黃色。色輪的品紅片段允許紅光和藍光通過，同時黃色片段可通過紅色和綠色。結果是紅光在所有時間內都通過，藍色和綠色在品紅－黃色色輪交替旋轉中每種光實質上佔用一半時間。一旦通過色輪，光線直接射到雙色分光稜鏡系統上。連續的紅光被分離出來而射到專門用來處理紅光和紅色視頻信號的DMD上，順序的藍色與綠色光投射到另一個DMD上，專門處理交替顏色，這一DMD由綠色和藍色視頻信號驅動。

另外一種方法是將白光通過稜鏡系統分成三原色。這種方法使用三個DMD，一個DMD對應於一種原色。應用三片DLP投影系統的主要原因是為了增加亮度。通過三片DMD，來自每一原色的光可直接連續地投射到它自己的DMD上。結果更多的光線到達屏幕，給出一個更亮的投影圖像。這種高效的三片投影系統被用在超大屏幕和高亮度應用領域。 ^[1] 

DMD可以提供1670萬種顏色和256段灰度層次，從而確保DLP投影機可投影的活動影像畫面色彩豔麗的細膩、自然逼真。

DMD最多可內置2048×1152陣列，每個元件約可產生230萬個鏡面，這種DMD已有能力製成真正的高清晰度電視。

DMD微鏡器件非凡的快速開關速度與雙脈衝寬度調製的一種精確的圖像顏色和灰度複製技術相結合，使圖像可以隨着窗口的刷新而更加清晰，通過增強對比度，描繪邊界線以及分離單個顏色而將圖像中的缺陷抹去。

在許多LCD投影圖像中，我們會看到當一個圖像尺寸增加時，LCD圖像中的縫隙將變得更大，而在DLP投影機中則不會出現這樣的情況，DMD鏡面的大小和形狀決定了這一切。每個鏡片90%的面積動態地反射光線以生成一個投影圖像，由於一個鏡頭與另一個鏡頭之間是如此的接近，所以圖像看起來沒有縫隙。DMD鏡片體積微小，每一側邊的長度為16微米，相鄰鏡頭之間的縫隙小於1微米。鏡頭是方形的，所以每一個鏡片顯示的內容要比實際圖像更多。再加上當分辨率增加時大小及間距仍保持一致，因此無論分辨率如何變化，圖像始終能夠保持很高的清晰度。

許多觀眾經常會希望在觀看投影時保持亮度或打開窗簾，與傳統投影機相比，DLP投影機將更多的光線打到屏幕上，這也有賴於DLP本身的技術特點。DMD的強反射表面通過消除光路上的障礙以及將更多的光線反射到屏幕上，而最大化地利用了投影機的光源。DLP技術依據圖像的內容對圖像進行反射，DLP的光源有兩種工作方式，或者通過一個透鏡打到屏幕上，或者直接進入一個吸光器。更為有利的是，基於DLP技術的投影機的亮度是隨着分辨率的增加而增加的。在如XGA和SXGA等更高分辨率的情況下，DMD提供更多的反射面積，如此一來就可以更為有效地利用燈光的亮度。

DLP不僅僅是簡單地投影圖像，它還對它們進行了複製。在它的處理過程中，首先將源圖像數字化為8到10位每色的灰度圖像。然後，這些二進制圖像輸入進DMD，在那裏它們與來自光源並經過仔細過濾的彩色光相結合。這些圖像離開DMD後就成像到屏幕上，保持了源圖像所有的光亮和微妙之處。DLP的色彩過濾過程控制了投影圖像的色彩純度，此技術的數字化控制支持無限次的色彩複製，並確保了原始圖像栩栩如生地再現。隨着其它顯示技術及攝影技術的出現，DLP使得那些無生命的圖像擁有了逼真的色彩。數字色彩的再現保證了圖像與真實物質的還原性，而且沒有發亮的斑點或其它投影機典型的衝失現象。

DMD不僅通過了所有的標準半導體資格測試，系統製造非常嚴格，需要經過一連串的測試，所有元件均經過挑選證實可靠才能用作製造數碼電子部分驅動DMD，而且還證明了在模擬操作環境中，它的生命期超過10萬個小時。測試證明，DMD可以進行超過1700萬億次循環無故障運行，這相當於投影機的實際使用時間超過1995年。其它測試結果顯示，DMD在超過11萬個電力週期和11000個温度週期下無故障，以確保在需求較大的應用領域中提供30年以上的可靠運行期。

根據一般應用需求來看，一個單片DMD就可以實現大小、重量和亮度的統一，大部分的家用或商用DLP投影機都採用了單片結構，而更高級的三片結構一般只應用在數字影院或高端領域，因此，用户可以得到一個更小、更亮、更易於攜帶而且足以提供出色圖像質量的系統DLP技術是全數字底層結構，具有最少的信號噪音。 ^[2] 

DLP本身幾乎沒有什麼問題，但是它們比多晶硅面板更貴。當你仔細觀察屏幕上移動的點的時候，（尤其是在黑色背景上的白點），你會發現採用逐場過濾方式的圖像將會分解為不同的顏色。使用投影機時，電機帶動色輪旋轉時會發出一定的噪音。

單片式DLP投影機可能會出現“彩虹效應”，具體表現是色彩被簡單地分離出明顯的紅、綠和藍三種單色，看起來像雨後彩虹一樣。這是由於用一個旋轉色輪來調製圖像色彩而產生的，同時因為有些人的視覺系統特別靈敏，能察覺出一種彩色轉換到另一種彩色的過程，而不是像大多數人那樣靠視覺暫留現象把幾種單色混合成新的色彩。除了某些用户能把色彩分離出來，還有些用户可能因為色彩的迅速變化，而產生眼睛脹痛和頭痛的情況。而LCD投影機和三片式DLP投影機都不會有這種現象，它們在物理結構上就是把三個固定的紅、綠、藍圖像疊加而成。

這一問題對不同的人，作用是不一樣的。某些人能看出彩虹效應，甚至嚴重到畫面幾乎不能看。有些人只是偶爾會看到彩虹痕跡，遠沒到無法欣賞畫面的程度。對於後者來説，DLP的這一缺點就沒有實用上的影響。更幸運的是大多數人既看不出彩虹痕跡，也不會被眼脹、頭痛所困惑。請想想如果人人都能在DLP投影機上看到彩虹效應，DLP投影機也就失去了存在的機會。

但不管怎樣彩虹效應總是一個問題。德州儀器公司和用DLP技術製造投影機的廠商還是在盡力解決這一問題。第一代DLP投影機色輪每秒旋轉60次，相當於幀頻60Hz，或每分鐘3600轉。在色輪中，紅、綠、藍像素各一段，所以，每種顏色每秒刷新也是60次。這種第一代產品稱為“1X”轉速。

第一代產品還有少數人能看到彩虹效應，改進的第二代產品的色輪轉速上升到2X，即120Hz和7200RPM，能看到彩虹效應的人就更少了。

很多專為家庭影院市場設計的DLP投影機用六段色輪、色輪轉一圈出現兩次紅、綠、藍，且色輪又以120Hz或7200RPM旋轉，這樣在商業上就稱之為4X轉速。不斷提高色彩刷新速度，看得出彩虹效應的人數也就愈來愈少。

DLP技術是一種獨創的、採用光學半導體產生數字式多光源顯示的解決方案。 它是可靠性極高的全數字顯示技術，能在各類產品(如大屏幕數字電視、公司/家庭/專業會議投影機和數碼相機(DLP Cinema))中提供最佳圖像效果。同時，這一解決方案也是被全球眾多電子企業所採用的完全成熟的獨立技術。自1996年以來，已向超過 75 家的製造商供貨500多萬套系統。

DLP技術已被廣泛用於滿足各種追求視覺圖像優異質量的需求。它還是市場上的多功能顯示技術。它是唯一能夠同時支持世界上最小的投影機（低於2-lbs）和最大的電影屏幕（高達75英尺）的顯示技術。這一技術能夠使圖像達到極高的保真度，給出清晰、明亮、色彩逼真的畫面。 ^{[1]  [2]}