空間光調製器——數字微鏡器件（Digtial Micromirror Devices,DMD）,是由美國德州儀器公司（TI）的一名科學家L.J.Hornbeck於1982年發明的。

DMD是一種基於半導體製造技術，由高速數字式光反射開關陣列組成的器件，通過控製微鏡片繞固定軸（軛）的旋轉和時域響應（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、全數字化的平面顯示器件，應用MEMS（Micro Electromechanical System，微電子機械系統）的工藝將反射微鏡陣列和CMOS SRAM集成在同一塊芯片上。目前其不僅應用於高清電視（HDTV）和數字投影顯示（Digitial Projection Display）等，近幾年其應用領域得到較大擴展，在光纖通信網絡的路由器、衰減器和濾波器、數字相機、高頻天線陣列、新一代外層空間望遠鏡、快速原型製造系統、物體三維輪廓測量儀、全息照相、數字圖像處理聯合變換相關器、光學神經網絡、光刻、顯微系統中的數字可變光闌以及空間成像光譜等領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200萬的數目構成陣列來使用，其間的間隙為1微米，反射鏡以鋁鉸鏈為旋轉軸旋轉10-12度，可反複使用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。它的開閉控製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的。DMD芯片已升級，原芯片上的微鏡尺寸為16微米，翻轉角度為10度，現在的DMD微鏡尺寸為14微米，翻轉12度，支持4K分辨率的芯片也已經成型，芯片大小約1.38寸。

由於數字微反射鏡裝置的優越性能，同時基於DMD的成像系統設備應用非常廣泛，激發了工商界和科技界的興趣。數字微反射鏡裝置（DMD）可以根據圖像的顏色範圍進行整面的光刻，也可以根據圖像的像素大小進行分塊曝光。其工作過程是光、機、電一體化的協調配合過程。 

      圖2 微鏡單元結構分解圖

數字微反射鏡裝置（DMD）結構如圖2所示，根據圖片可以知道其主要結構分為四層（左圖為1-3層，右圖為第4層）：

（1）第一層是微反射鏡單元，處於懸浮狀態，形狀為正方形，由鋁合金製成，在偏轉時較為輕便。

（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/複位電極、以及微鏡單元的著陸平台（限製鏡面偏轉+12度/-12度或+10度/-10度）。

（4）第四層為靜態存儲器（RAM），其采用大規模集成電路標準CMOS工藝。

微鏡單元與扭臂梁相連接，而扭臂梁通過鉸鏈懸置於兩個鉸鏈支撐柱上，DMD可以圍繞鉸鏈軸進行旋轉。鉸鏈支撐軸連接到偏置/複位電極，其為每一個微鏡單元提供偏置電壓。對於每一個微鏡單元，都有兩個導電通道，並且扭臂梁的尋址電極和數字微反射鏡的尋址電極連接到底層的靜態存儲器上。

每一個微反射鏡單元都是一個獨立的個體，並且可以翻轉不同的角度，因此通過微鏡單元所反射的光線可以呈現不同的角度，具體表現為其對應的數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（數字1），另一個尋址電極接地（數字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，從而產生一個靜電力矩，使微反射鏡單元繞扭臂梁旋轉，直到接觸到“著陸平台”為止。由於“著陸平台”的限製，使鏡面的偏轉角度保持固定值（+12度/-12度或+10度/-10度），並且在DMD整體上能夠表現出很好的一緻性。在扭矩的作用下，微反射鏡單元將一直鎖定於該位置上，直至複位信號出現為止。微反射鏡單元的上半部分與下半部分處於平行的關系，且不穩定，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態：+12度或+10度（開）、0度（無信號）、-12度或-10度（關）。當給微反射鏡一個信號“1”，其偏轉+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，因此呈現一個暗的像素。控製信號二進製的“1”，“0”狀態，分別對應微鏡的“開”“關”兩個狀態。當給定的圖形數據控製信號序列被寫入CMOS電路時，通過DMD對入射光進行調製，圖形就可以顯示於像面上。

          圖3 DMD工作原理圖

DMD尋址序列包括以下過程：

a.首先複位DMD陣列中所有微鏡，使其能夠進行偏轉，處於準平衡態。

b.撤消偏置電壓，釋放微鏡，使其翻轉回到初始平面狀態。

c.施加偏置電壓，使微鏡翻轉到所尋址的狀態。

d.維護偏置電壓不變，使微鏡狀態鎖定（此時不斷響應微鏡下面SRAM的狀態更新），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存儲內容。

f.重複進行第一步操作。

DMD是原理最為簡單的空間光調製器，一般情況下，附屬設備及系統結構越緊湊，就更加能體現出高效率及高度的穩定性。此外，由於DMD是由成熟的大規模集成電路技術製造，所以DMD具有優良的商品化條件。巧妙的構思與集成電路的製造工藝很好的結合，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上都達到了目前顯示技術的非常高的水平。

DMD具有以下特點：

（1）高分辨率

DMD分辨率高是由DMD的像素尺寸和製造工藝所決定的。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。尤其是適用於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製電視製器件的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構的DMD在數字圖像顯示中，能夠清晰而有準確的顯示圖像的細節，從而減少了在成像過程中圖形產生的畸變。

                                              圖4 DMD分辨率與對角線尺寸關系圖

（2）高對比度

DMD的對比度的定義為DMD微鏡陣列全開與全關時光通量的比率。在DMD處於關閉狀態（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所吸收，隻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，但是對於進一步提高對比度很大程度上受到本身結構的限製，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構，都會影響DMD的對比度。

                                                                                 圖5 DMD對比度的發展示意圖

 （3）高亮度

DMD芯片完全靠內部微反射鏡單元陣列進行反射，反射面積大緻為像素面積的89%，鏡面由鋁合金製成，因此具有很高的反射系數，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、作為數字化的反射空間光調製器，其灰階及色保真度由開啟狀態（ON）的占空比來決定，而占空比可以通過脈衝調製來進行控製。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

由於微反射鏡的質量很輕，扭臂梁非常薄(約0.05—0.1um)，轉動慣量很小，因此DMD響應時間非常快，從完全的開啟狀態到完全的關閉狀態約為10us。因此單板式DMD可以在常規TV的1/3幀的時間內全部讀完RGB三色信號，所以說DMD作為空間光調製器是“數字化投影技術的革命”。

（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域中提供30年以上的可靠運行期。

參考文獻

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