1987年，Dr. Larry Hornbeck和Dr. William E. "Ed" Nelson将第一枚DMD芯片带到了世界上，随后不久DMD成了DLP投影机的核心部件，经过多年的发展，DLP投影机更是成为了投影机主流产品，获得了丽讯、三菱、Acer众多投影机厂商的支持，TI更是凭借着垄断DMD芯片的生产获得丰厚的利
DMD芯片
1987年，Dr. Larry Hornbeck和Dr. William E. "Ed" Nelson将第一枚DMD（Digital Micromirror device，数字微型反射镜）芯片带到了世界上，随后不久DMD成了DLP（Digital Light Processing，数字光处理）投影机的核心部件，经过多年的发展，DLP投影机更是成为了投影机主流产品，获得了丽讯、三菱、Acer众多投影机厂商的支持，TI更是凭借着垄断DMD芯片的生产获得丰厚的利润与引导投影机的发展。
TI的DLP 0.55 XGA Series 450 DMD芯片
在外观上，DMD芯片与CPU、GPU等的半导体芯片非常相似，但是无论是DMD芯片表面或是其内部都拥有着与后者截然不同的结构。DMD芯片是MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统）技术下的产物的，在其芯片表面集成了数十万乃至百万个微反射镜（Micromirror Pitch），微反射镜是其DMD芯片的物理像素，微反射镜越多，DMD芯片所能的显示的分辨率越高。如上图所示的是TI DLP 0.55 XGA Series 450 DMD芯片，其表面拥有1024×768个微反射镜，微反射镜的间距有10.8微米，旋转角度达到正负12°，刷新频率达到200MHz。
微型反射镜结构
DMD芯片拥有着与LCD、CRT截然不同的工作方式，它并不依靠改变的入射光线的偏振态或是自身发光实现显示，而是依靠众多的微反射镜控制光线的反射方向实现的。因此，除了微反射镜的数量外，微反射镜性能对着DLP投影机亦有着决定性的影响——微反射镜的偏转角度越大，图像的对比度越高，偏转速度越快，图像的延迟越低。经过多年的发展，微反射镜已经从早期只能实现正负10°的偏转发展为正负12°偏转，刷新频率也能达到200MHz。值得一提的是，微反射镜并不是依靠机械臂或是液压装置调节偏转角度的，而是通过电极电压控制实现，因此在理论上，若无外力破坏以及自身无老化的话，DMD的寿命是无限的。（顺便一提的是，DMD芯片发明者研发时从未有考虑把DMD芯片用于投影机上。）此外，由于DMD芯片间距非常小，每个像素的中间的间距非常小，图像通过镜头放大后依然显得非常细腻，非常适合投影机使用。
微反射镜的工作原理
正如前文所说DMD芯片是利用反射光线显示图像的，自然存在着入射光线与反射光线，而且入射光线与反射光线的数量与微反射镜数量正比，也就说在投影机内部至少存在着数十万对有效的入射光线与反射光线（入下图所示），要正确显示图像必须避免入射光线对反射光线造成干扰，这自然对投影机的投影系统提出高要求。
DLP投影机的内部光路
光学系统
其实，DLP投影机显示系统可以为单片式和三片式（three chip system），三片式结构较为复杂，在此从结构简单的单片式说起。
由于DMD芯片很小，人眼无法直接观看到DMD反射出来的图像，因此引入一个镜头把DMD的图像进行放大（跟相机的镜头起着相反的作用），为了保证光学效果，镜头必须尽可能的靠近DMD芯片，因此在DMD芯片放置镜头后方成了DLP投影机常见布局方式，厂商往往只能改变光源位置构成不同的光学的系统。DLP投影机光学系统主要分为远心与非远心两种结构，从命名上可以大致了解到，“心”是指DMD芯片，“远”与“飞远”是指光源到DMD芯片的距离，它们的具体结构如下。(这里仅考虑单光源的结构)
远心单片式DLP投影机光学系统
在远心结构中，光源往往是UHP、金属卤化物等的点光源，DMD芯片并不能直接使用其光线，因此会利用一个半椭圆形的反射罩汇聚光线并投射到聚光柱（Integrator Rod）中，聚光柱会把原来方向杂乱的光线变为平行光线，但是平行光线距离DMD较远而且角度不合适，仍需借助折叠镜（Fold Mirror）等一系列光学镜片的帮助才能到达DMD芯片表面。在漫长的马拉松过去后，光线依然是不会直接投射到DMD芯片，必须经过TIR棱镜（备注）将入射光线与反射光线（图像）分离才能完成任务。
非远心单片式DLP投影机光学系统
远心结构结构简单，光路不需要经过多少折返即可达到DMD芯片表面，光学结构相对简单，但是系统没法做小，不适合小型化的DLP投影机，于是非远心结构出现了。在非远心结构中，由于光源靠近DMD芯片，因此不得不增加镜头与DMD芯片的距离，但是光线同样经历的反射罩、聚光柱、折叠镜才能到达DMD芯片表面，光路更曲折。非远心结构的复杂的光路缩小光学系统的体积，但是造成了入射光线的入射角过大的问题，而且缺少TIR棱镜，无法把入射角降低到远心结构的水平，最终造成了微反射镜上的光线互相汇聚，破坏了亮度均匀度。
注：
投影机用TIR镜片原理
TIR（Total Internal Reflection，全内反射）棱镜是一种利用光全内反射现象制成的镜片，当光线经过两个不同折射率的介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其余的则被反射。但是，当入射角比临界角大时（光线远离法线），光线会停止进入另一接口，反之会全部向内面反射。投影机光学系统正是借助TIR棱镜鏡分离入射光线与反射光线，避免干扰。
DLP投影机缺陷
光源、光学系统、DMD芯片和镜头构成了DLP核心，但是DMD芯片不存在液晶面板的RGB子像素，没法显示彩色，为了解决这一问题，色轮（Color Wheel）引进到DLP投影机中。
色轮
色轮往往是一个环状滤光片（包含红绿蓝三色），位于集光柱与光源之间，当白光通过色轮时便轮流产生红光、绿光和蓝光，并依次在DMD芯片上形成应对颜色的图像，不同色图像的最终依靠人脑合成，形成彩色图像。
彩虹效应
由于色轮是要依靠滤光来实现红绿蓝三色光，显示其中一种颜色的时候，另外两种颜色的光能将会被浪费，是一种低效率的解决方案，但是亦是一种低成本的解决方案，因此受到众多厂商的追捧。色轮的带来了另一个问题是彩虹效应，在观看高反差的时候的画面（例如电影结束时的字幕画面）时，观众能明显感觉到犹如彩虹一样的色带存在。为了减缓彩虹效应带来的负面效果，厂商不得不提高DLP的色轮刷新速度，但这个方法并没有改变决色轮的时分工作原理，因此无法杜绝彩虹效应的产生。
Smooth Picture原理
彩虹效应只是一个DLP一个不利的因素，DMD芯片发展滞后已经成为DLP新一个缺点。由于技术与工作原理限制，DMD芯片不能做到很大，而且DMD芯片跟相机用的CMOS类似，在有限的的面积中疯狂提高像素并不会提高画质，甚至是降低画质，DLP较低的分辨率以及高分辨率无法改善的画质在高清时代已经成为一个明显的缺点。
当然，TI不会坐以待毙，反正彩色显示已经是靠时分法实现的，一不做二不休，再来一次时分法提高分辨率——Smooth Picture。Smooth Picture让一副图像分两次显示，生成两幅新画面，然后依靠光学系统移位，最后依靠人脑把两幅图像合成为原来一副图像，以逻辑的方式提高分辨率。当然，这样缺点也明显，光学结构复杂，同时人眼能够感觉到画面的错位，因此并不受推荐。
DMD芯片的问题不止这点，如上图所示，DLP系统的亮度与对比度与DMD芯片上的微反射镜是密切相关，当微反射镜偏转角度越小时对比度越低，而此时亮度却更高，正好是一个矛盾的组合。虽然DLP投影机存在种种的劣势，但是高亮度、高对比度、结构简单、成本不高、色彩好等优势依然是相当明显，因此获得了一个良好发展，下文将讲述DLP投影机的发展。
DLP投影机发展
在了解DLP投影机结构、工作原理、优缺点后，在本文即将的结束时候看看DLP投影机的发展成果。
三片式DLP投影机
三片式DLP投影机是DLP投影机中的旗舰产品，它内部集成了3块DMD芯片，每块DMD芯片表面增加一层单原色滤光片，以不同的DMD芯片表现不同原色的图像，并通过光学系统将三个不同的图像的合成为一个彩色图像，最后通过镜头放大、投射出去。
三片式DLP投影机抛弃变了单片式DLP投影机时分法彩色显示方式，从根本上避免了彩虹效应的产生，获得更佳的显示效果，不过付出了高昂的成本——3片DMD芯片及驱动电路、更复杂的光学系统和大幅度增加的体积。
RGB LED光源
LED光源是近年来出现的背光源，盛行于LCD电视中，现在也陆续出现在投影机当中——White LED光源在迷你投影机中开始普及，而RGB LED光源则出现在商务、家用投影机中。
在RGB LED光源投影机，三组三原色LED光源代替了原来的UHP光源，色轮结构取消，工作时红绿蓝LED灯顺序点亮，并通过光学系统投递到DMD表面。RGB LED光源依然是时分方式显示彩色画面的，彩虹效应依然存在，但是避免显示单一颜色时光能浪费（另外两组光源处于关闭状态），因此拥有较高的效率，同时可独立显示三原色，提供了宽广的色域和调节能力。
卡西欧混合光源
混合光源DLP投影机是卡西欧的独门产品，最早于InfoComm2010上展示，近日发布了新款型号XJ-H1600和XJ-H1650。在光源上，混合光源是采用红光LED与蓝光半导体激光器产生，但是由于合成白光需要RGB三色，因此蓝光半导体激光器还肩负起产生绿光的责任——激光器产生的一部分蓝光打到荧光体（磷）上以产生绿光，最终实现了一个三原色光源。
混合光源的绿光由于是依靠蓝光撞击荧光材料的产生，要保证保证投影机的亮度充足（在白光中绿光占三色光的比重最高），实际上是保证蓝光激光器的光能输出充足，因此这种混合光源的三原色光的比例并不能随意控制的，而且绿光的稳定性也较红光、蓝光差，也就是说色域调节范围、白点控制范围远没有RGB LED光源、三激光光源等RGB光源光（不过依然比UHP、White LED要灵活），彩虹效应亦是无法避免，适合对体积和功耗要求高、不需要高色彩稳定性的投影机。
3D DLP投影机
DLP Link是TI基DMD芯片实现的3D影像技术，配合快门眼镜使用。由于DMD芯片的微反射镜刷新频率非常高，在3D显示时，图像刷新率需要翻倍以保证流畅性，同时一部分微反射镜用于显示左眼图像，另一部分微反射镜显示右眼图像；而3D眼镜的闭合依靠在帧与帧之间插入一幅灰阶图像来判断，3D眼镜接收距离达到4.2米。
本来DMD芯片分辨率就不高，而当显示3D时微反射镜更是给拆成两部分使用，因此降低了单一帧图像分辨率，DLP Link是一种损失分辨率的3D显示，显示效果不佳，但是实现成本低，因此依然受到厂商青睐。而在电影院中，DLP投影机的3D显示往往是通过双机器实现，在此不详说。
网友评论