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空間光調(diào)制器——數(shù)字微鏡器件（Digtial Micromirror Devices,DMD）,是由美國德州儀器公司（TI）的一名科學家L.J.Hornbeck于1982年發(fā)明的。
DMD是一種基于半導體制造技術(shù)，由高速數(shù)字式光反射開關(guān)陣列組成的器件，通過控制微鏡片繞固定軸（軛）的旋轉(zhuǎn)和時域響應（決定光線的反射角度和停滯時間）來決定成像圖形和其特性。
它是一種新型、全數(shù)字化的平面顯示器件，應用MEMS（Micro Electromechanical System，微電子機械系統(tǒng)）的工藝將反射微鏡陣列和CMOS SRAM集成在同一塊芯片上。目前其不僅應用于高清電視（HDTV）和數(shù)字投影顯示（Digitial Projection Display）等，近幾年其應用領(lǐng)域得到較大擴展，在光纖通信網(wǎng)絡的路由器、衰減器和濾波器、數(shù)字相機、高頻天線陣列、新一代外層空間望遠鏡、快速原型制造系統(tǒng)、物體三維輪廓測量儀、全息照相、數(shù)字圖像處理聯(lián)合變換相關(guān)器、光學神經(jīng)網(wǎng)絡、光刻、顯微系統(tǒng)中的數(shù)字可變光闌以及空間成像光譜等領(lǐng)域都得到了成功的應用。
微反射鏡單元的尺寸大約是16或14微米，通常由多達50至200萬的數(shù)目構(gòu)成陣列來使用，其間的間隙為1微米，反射鏡以鋁鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)10-12度，可反復使用1兆次，壽命試驗表明，按照通常的使用方式可以使用10萬小時。它的開閉控制是通過反射鏡停止時起阻尼作用的彈簧觸點靠近反射鏡，逐漸降低附加電壓的方式來實現(xiàn)的。DMD芯片已升級，原芯片上的微鏡尺寸為16微米，翻轉(zhuǎn)角度為10度，現(xiàn)在的DMD微鏡尺寸為14微米，翻轉(zhuǎn)12度，支持4K分辨率的芯片也已經(jīng)成型，芯片大小約1.38寸。
由于數(shù)字微反射鏡裝置的優(yōu)越性能，同時基于DMD的成像系統(tǒng)設備應用非常廣泛，激發(fā)了工商界和科技界的興趣。數(shù)字微反射鏡裝置（DMD）可以根據(jù)圖像的顏色范圍進行整面的光刻，也可以根據(jù)圖像的像素大小進行分塊曝光。其工作過程是光、機、電一體化的協(xié)調(diào)配合過程。
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2. DMD的基本結(jié)構(gòu)及連接
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圖2 微鏡單元結(jié)構(gòu)分解圖
數(shù)字微反射鏡裝置（DMD）結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)圖片可以知道其主要結(jié)構(gòu)分為四層（左圖為1-3層，右圖為第4層）：
（1）第一層是微反射鏡單元，處于懸浮狀態(tài)，形狀為正方形，由鋁合金制成，在偏轉(zhuǎn)時較為輕便。
（2）第二層是連接微鏡單元的扭臂梁—鉸鏈，以及微鏡的尋址電極。
（3）第三層為金屬層，包括扭臂梁的尋址電極、偏置/復位電極、以及微鏡單元的著陸平臺（限制鏡面偏轉(zhuǎn)+12度/-12度或+10度/-10度）。
（4）第四層為靜態(tài)存儲器（RAM），其采用大規(guī)模集成電路標準CMOS工藝。
微鏡單元與扭臂梁相連接，而扭臂梁通過鉸鏈懸置于兩個鉸鏈支撐柱上，DMD可以圍繞鉸鏈軸進行旋轉(zhuǎn)。鉸鏈支撐軸連接到偏置/復位電極，其為每一個微鏡單元提供偏置電壓。對于每一個微鏡單元，都有兩個導電通道，并且扭臂梁的尋址電極和數(shù)字微反射鏡的尋址電極連接到底層的靜態(tài)存儲器上。
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3.DMD的工作原理
每一個微反射鏡單元都是一個獨立的個體，并且可以翻轉(zhuǎn)不同的角度，因此通過微鏡單元所反射的光線可以呈現(xiàn)不同的角度，具體表現(xiàn)為其對應的數(shù)字圖像像素的亮暗程度 。DMD工作時，在反射鏡上加負偏置電壓，其中一個尋址電極上加+5V（數(shù)字1），另一個尋址電極接地（數(shù)字0），這樣使微鏡與微鏡得的尋址電極，扭臂梁與扭臂梁的尋址電極之間就形成一個靜電場，從而產(chǎn)生一個靜電力矩，使微反射鏡單元繞扭臂梁旋轉(zhuǎn)，直到接觸到“著陸平臺”為止。由于“著陸平臺”的限制，使鏡面的偏轉(zhuǎn)角度保持固定值（+12度/-12度或+10度/-10度），并且在DMD整體上能夠表現(xiàn)出很好的一致性。在扭矩的作用下，微反射鏡單元將一直鎖定于該位置上，直至復位信號出現(xiàn)為止。微反射鏡單元的上半部分與下半部分處于平行的關(guān)系，且不穩(wěn)定，一旦加上偏置電壓，微反射鏡單元和扭臂梁會以很快的速度偏離平衡位置。
每一個微反射鏡單元有三個穩(wěn)態(tài)：+12度或+10度（開）、0度（無信號）、-12度或-10度（關(guān)）。當給微反射鏡一個信號“1”，其偏轉(zhuǎn)+12度或+10度，被反射的光剛好沿光軸方向通過投影物鏡成像在屏上，形成一個亮的像素。當反射鏡偏離平衡位置-12度或-10度時（信號“0”），反射的光束將不能通過投影透鏡，因此呈現(xiàn)一個暗的像素?？刂菩盘柖M制的“1”，“0”狀態(tài)，分別對應微鏡的“開”“關(guān)”兩個狀態(tài)。當給定的圖形數(shù)據(jù)控制信號序列被寫入CMOS電路時，通過DMD對入射光進行調(diào)制，圖形就可以顯示于像面上。
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圖3 DMD工作原理圖
DMD尋址序列包括以下過程：
a.首先復位DMD陣列中所有微鏡，使其能夠進行偏轉(zhuǎn)，處于準平衡態(tài)。
b.撤消偏置電壓，釋放微鏡，使其翻轉(zhuǎn)回到初始平面狀態(tài)。
c.施加偏置電壓，使微鏡翻轉(zhuǎn)到所尋址的狀態(tài)。
d.維護偏置電壓不變，使微鏡狀態(tài)鎖定（此時不斷響應微鏡下面SRAM的狀態(tài)更新），不隨尋址電極電壓的改變而改變。
e.尋址下一個SRAM陣列，逐步更新SRAM存儲內(nèi)容。
f.重復進行第一步操作。
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4.DMD的特點
DMD是原理比較簡單的空間光調(diào)制器，一般情況下，附屬設備及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越緊湊，就更加能體現(xiàn)出高效率及高度的穩(wěn)定性。此外，由于DMD是由成熟的大規(guī)模集成電路技術(shù)制造，所以DMD具有優(yōu)良的商品化條件。巧妙的構(gòu)思與集成電路的制造工藝很好的結(jié)合，使得DMD在分辨率、對比度、亮度、灰階、色保真度及響應時間等主要性能參數(shù)上都達到了目前顯示技術(shù)的非常高的水平。
DMD具有以下特點：
（1）高分辨率
DMD分辨率高是由DMD的像素尺寸和制造工藝所決定的。微反射鏡單元的幾何尺寸是固定不變的，但是DMD芯片的陣列可以進行加寬，所以DMD有許多解析度規(guī)格尺寸，有640X480（VGA）,800X600(SVGA),1024X768(XGA),1280X1024(SXGA)等，DMD的分辨率隨著芯片對角線尺寸的增大而提高。尤其是適用于16:9的寬屏幕電視機的DMD，器件尺寸37X22mm，一個DMD上像素尺寸為1920X1080，能夠達到N制電視制器件的5倍以上，完全符合高清晰度電視(HDTV)的要求。作為同類產(chǎn)品的LCD其像素尺寸為25um,若要達到與DMD同等的分辨率，其尺寸要比DMD大得多。具有高分辨率及微小反射鏡單元結(jié)構(gòu)的DMD在數(shù)字圖像顯示中，能夠清晰而有準確的顯示圖像的細節(jié)，從而減少了在成像過程中圖形產(chǎn)生的畸變。
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圖4 DMD分辨率與對角線尺寸關(guān)系圖
（2）高對比度
DMD的對比度的定義為DMD微鏡陣列全開與全關(guān)時光通量的比率。在DMD處于關(guān)閉狀態(tài)（OFF）時，光軸與反射回來的光束夾角為48度，光束被儀器四周專門設計的吸收介質(zhì)所吸收，只有極少部分的光能夠通過投影物鏡，因此對比度可以達到1000:1（LCD不超過700:1），隨著科技的進步，DMD目前能夠達到2000:1以上。雖然DMD的對比度很高，但是對于進一步提高對比度很大程度上受到本身結(jié)構(gòu)的限制，如微反射鏡單元之間存在著間隙的衍射，微鏡中心支柱的連接點和微鏡底層的結(jié)構(gòu)，都會影響DMD的對比度。
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圖5 DMD對比度的發(fā)展示意圖
（3）高亮度
DMD芯片完全靠內(nèi)部微反射鏡單元陣列進行反射，反射面積大致為像素面積的89%，鏡面由鋁合金制成，因此具有很高的反射系數(shù)，可以達到88%，除去光線在扭臂梁、支撐柱及微反射鏡邊緣的衍射、散射等，有效反射率達到61%。
（4）灰階及色保真度
DMD具有很高的灰度級、作為數(shù)字化的反射空間光調(diào)制器，其灰階及色保真度由開啟狀態(tài)（ON）的占空比來決定，而占空比可以通過脈沖調(diào)制來進行控制。目前DMD的灰度等級可以做到8bit（256級）甚至10bit（1024級）。三原色各8bit的混合效果能夠產(chǎn)生1600萬種不同的顏色，色保真度能夠達到高清電視的要求。
（5）響應時間快
由于微反射鏡的質(zhì)量很輕，扭臂梁非常薄(約0.05—0.1um)，轉(zhuǎn)動慣量很小，因此DMD響應時間非常快，從完全的開啟狀態(tài)到完全的關(guān)閉狀態(tài)約為10us。因此單板式DMD可以在常規(guī)TV的1/3幀的時間內(nèi)全部讀完RGB三色信號，所以說DMD作為空間光調(diào)制器是“數(shù)字化投影技術(shù)的革命”。
（6）可靠性高
DMD不僅通過了所有的標準半導體資格測試，系統(tǒng)制造非常嚴格，需要經(jīng)過一連串的測試，所有元件均經(jīng)過挑選證實可靠才能用作制造數(shù)碼電子部分驅(qū)動DMD，而且還證明了在模擬操作環(huán)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(huán)無故障運行，這相當于投影機的實際使用時間超過1995年。其它測試結(jié)果顯示，DMD在超過11萬個電力周期和11000個溫度周期下無故障，以確保在需求較大的應用領(lǐng)域中提供30年以上的可靠運行期。
參考文獻
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