什么是DMD？ [DMD（Digital Micromirror Device）]–是數(shù)字微鏡器件簡(jiǎn)稱。

一、數(shù)字微反射鏡ＤＭＤ簡(jiǎn)介

DMD(數(shù)字微鏡器件)是由美國(guó)德州儀器公司（ＴＩ）的一名科學(xué)家Ｌ.Ｊ.Hornbeck于1982年發(fā)明的，是一種電子輸入、光學(xué)輸出的微機(jī)電系統(tǒng)（optical micro-electrical-mechanical system (MEMS) ），它由許多小型鋁制反射鏡面組成，每個(gè)鏡面被稱為一個(gè)像素。每個(gè)鏡面能夠繞每一個(gè)正方向小鏡子（或者叫一個(gè)像素）的對(duì)角線偏轉(zhuǎn)±12°，即DMD的微鏡有三種狀態(tài)+12°，0°，-12°。

DMD(數(shù)字微鏡器件)是一種由多個(gè)高速數(shù)字式光反射開(kāi)光組成的陣列。DMD是由許多小型鋁制反射鏡面構(gòu)成的,鏡片的多少有顯示分辨率決定，一個(gè)小鏡片對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。DMD的反射率高,對(duì)比度大。將物體成像于DMD器件上,通過(guò)DMD器件的像素級(jí)可控特性及其高速的翻轉(zhuǎn)頻率,再將每個(gè)像點(diǎn)依次掃描到探測(cè)器上,實(shí)現(xiàn)白天對(duì)可見(jiàn)光條件下物體的高速被動(dòng)式點(diǎn)掃描成像。加入適當(dāng)光源還可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式掃描成像。

DMD基于半導(dǎo)體制造技術(shù)，由高速數(shù)字式光反射開(kāi)關(guān)陣列組成，通過(guò)控制微鏡片繞固定（軛）的旋轉(zhuǎn)和時(shí)域響應(yīng)（決定光線的反射角度和停滯時(shí)間）來(lái)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(yīng)用MEMS的工藝將反射微鏡陣列和CMOS SRAM集成在同一塊芯片上。

微反射鏡單元的尺寸大約是16μm或14μm，通常由多達(dá)50至200萬(wàn)的微鏡構(gòu)成陣列來(lái)使用，微鏡間隙為1微米，反射鏡以鋁鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)10-12度，可反復(fù)使用1兆次。壽命試驗(yàn)表明，按照通常的使用方式可以使用10萬(wàn)小時(shí)。它的開(kāi)閉控制是通過(guò)反射鏡停止時(shí)起阻尼作用的彈簧觸點(diǎn)靠近反射鏡，逐漸降低附加電壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DMD芯片已升級(jí)，原芯片上的微鏡尺寸16μm，翻轉(zhuǎn)角度為10°，現(xiàn)在的DMD微鏡尺寸為14μm，翻轉(zhuǎn)12°，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(shí)基于DMD的成像系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)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(jìn)行整面的光刻，也可以根據(jù)圖像的像素大小進(jìn)行分塊曝光。其工作過(guò)程是光、機(jī)、電一體化的協(xié)調(diào)配合過(guò)程。

二、數(shù)字微反射鏡ＤＭＤ芯片的結(jié)構(gòu)

其主要結(jié)構(gòu)分為四層：

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(shí)較為輕便。

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。

第三層為金屬層，包括扭臂梁的尋址電極、偏置/復(fù)位電極、以及微鏡單元的著陸平臺(tái)（限制鏡面偏轉(zhuǎn)±12°或±10°）。

第四層為靜態(tài)存儲(chǔ)器（RAM），其采用大規(guī)模集成電路標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。

三、DMD芯片的工作原理

DMD是原理比較簡(jiǎn)單的空間光調(diào)制器，一般情況下，附屬設(shè)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(duì)比度、亮度、灰階、色保真度及響應(yīng)時(shí)間等主要性能參數(shù)上都達(dá)到了目前顯示技術(shù)的非常高的水平。  每一個(gè)微反射鏡單元都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，并且可以翻轉(zhuǎn)不同的角度（正或者負(fù)），因此通過(guò)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(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像像素的亮暗程度 。

DMD工作時(shí)，在反射鏡上加負(fù)偏置電壓，其中一個(gè)尋址電極上加+5V（數(shù)字1），另一個(gè)尋址電極接地（數(shù)字0），這樣使微鏡與微鏡的尋址電極、扭臂梁與扭臂梁的尋址電極之間就形成一個(gè)靜電場(chǎng)，從而產(chǎn)生一個(gè)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(tái)”為止。由于“著陸平臺(tái)”的限制，使鏡面的偏轉(zhuǎn)角度保持固定值（±12°或±10°），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(fù)位信號(hào)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(huì)以很快的速度（微秒級(jí)）偏離平衡位置。

每一個(gè)微反射鏡單元有三個(gè)穩(wěn)態(tài)：+12°或+10°（開(kāi)）、0°（無(wú)信號(hào)）、-12°或-10°（關(guān)）。當(dāng)給微反射鏡一個(gè)信號(hào)“1”，其偏轉(zhuǎn)+12度或+10度，被反射的光剛好沿光軸方向通過(guò)投影物鏡成像在屏上，形成一個(gè)亮的像素。當(dāng)反射鏡偏離平衡位置-12度或-10度時(shí)（信號(hào)“0”），反射的光束將不能通過(guò)投影透鏡，因此呈現(xiàn)一個(gè)暗的像素?？刂菩盘?hào)二進(jìn)制的“1”，“0”狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)微鏡的“開(kāi)”“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)給定的圖形數(shù)據(jù)控制信號(hào)序列被寫(xiě)入CMOS電路時(shí)，通過(guò)DMD對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，圖形就可以顯示于像面上。

四、DMD芯片的封裝方式

與所有半導(dǎo)體一樣，DMD芯片亦需要進(jìn)行封裝，以保護(hù)脆弱的內(nèi)核（反射鏡）和提供散熱條件。BGA（Ball Grid Array，球形柵格陣列封裝）、PGA（Pin Grid Array，針狀柵格陣列封裝、LGA（Land Grid Array，柵格陣列封裝）都是一些常見(jiàn)的封裝形式，TI在DMD芯片上選擇了CPU常用的PGA封裝，因此外觀上與奔騰3、Althon XP這些CPU非常相似，不過(guò)實(shí)際上仍存在很大不同。

（1）DMD正面

與CPU不同，位于DMD芯片內(nèi)核的不是刻蝕電路而是海量的微反射鏡，這些微反射鏡脆弱的同時(shí)又得面向光線，因此在微反射鏡表面是覆蓋了一整塊高透光率、高硬度的光學(xué)玻璃作為保護(hù)。

（2）DMD背面

DMD芯片散熱設(shè)計(jì)注定是一件麻煩的事情，其工作時(shí)自身會(huì)把電能轉(zhuǎn)化為熱量，同時(shí)一部分入射光線亦會(huì)轉(zhuǎn)換為熱量，要保護(hù)微反射鏡不怕熱量和減少光路扭曲破壞必須進(jìn)行制冷，可是受到微反射鏡工作原理決定，不可能在微反射鏡表面貼上散熱片，只能把熱量傳遞到背面再進(jìn)行制冷。從DMD芯片背面圖可以看到，大量針腳布局在基板的外圍，用于供電與傳輸信號(hào)；芯片中間空曠是微反射鏡陣列的背面，輔以加速熱量傳遞的金屬片，DMD芯片正是基于這個(gè)區(qū)域的將熱量傳遞出去的。

DMD芯片封裝制造是一層層向上疊加的，最高可達(dá)上百次疊加。每一次的疊加，都必須和前一次完美重疊，重疊誤差要求是1~2納米。

DMD芯片封裝完畢，最終要安裝到DLP投影機(jī)中，為此TI設(shè)計(jì)了一個(gè)非常牢固但亦非常復(fù)雜的固定裝置，而散熱片（Heat Sink）則是位于DMD芯片的后方，熱量從DMD芯片背面透過(guò)導(dǎo)熱貼（Thermal Pad）傳遞到散熱片上。

五、DMD芯片的應(yīng)用

（1）光開(kāi)關(guān)

DMD是光開(kāi)關(guān)的一種，利用旋轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，開(kāi)閉時(shí)間稍長(zhǎng)，為微秒量級(jí)。作用過(guò)程十分簡(jiǎn)單，光從光纖中出來(lái)，射向DMD的反射鏡片，DMD打開(kāi)的時(shí)候，光可經(jīng)過(guò)對(duì)稱光路進(jìn)入到另一端光纖；當(dāng)DMD關(guān)閉的時(shí)候，即DMD的反射鏡產(chǎn)生一個(gè)小的旋轉(zhuǎn)，光經(jīng)過(guò)反射后，無(wú)法進(jìn)入對(duì)稱的另一端，也就達(dá)到了光開(kāi)關(guān)關(guān)閉的效果。

（2）掃描成像

DMD(數(shù)字微鏡器件)是一種由多個(gè)高速數(shù)字式光反射開(kāi)光組成的陣列。DMD是由許多小型鋁制反射鏡面構(gòu)成的,鏡片的多少由顯示分辨率決定,一個(gè)小鏡片對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。相對(duì)于TFT-LCD(液晶)的透射率低,對(duì)比度小,DMD的反射率高,對(duì)比度大。將物體成像于DMD器件上,通過(guò)DMD器件的像素級(jí)可控特性及其高速的翻轉(zhuǎn)頻率,再將每個(gè)像點(diǎn)依次掃描到探測(cè)器上,實(shí)現(xiàn)白天對(duì)可見(jiàn)光條件下物體的高速被動(dòng)式點(diǎn)掃描成像。加入適當(dāng)光源還可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式掃描成像。

（3）DLP投影技術(shù)

DLP技術(shù)原理簡(jiǎn)介：每一個(gè) DLP 芯片組的核心都有一個(gè)高反射鋁微鏡陣列，即數(shù)字微鏡器件 (DMD)，開(kāi)發(fā)人員可借助該系統(tǒng)執(zhí)行高速、高效及可靠的空間光調(diào)制。數(shù)字微鏡器件 (DMD) 是 DLP 技術(shù)的核心部分，DMD是光學(xué)半導(dǎo)體模塊，允許以數(shù)字方式對(duì)光進(jìn)行處理和投影。結(jié)合光源和光學(xué)器件，DMD可以實(shí)現(xiàn)在速度、精度和效率上遠(yuǎn)超過(guò)其它空間光調(diào)制方式的二進(jìn)制圖形。DMD 的每個(gè)鏡片都可分別圍繞鉸接斜軸進(jìn)行 +/- 12° 的偏轉(zhuǎn)。鏡片的偏轉(zhuǎn)（正極和負(fù)極）是通過(guò)更改底層 CMOS 控制電路和鏡片復(fù)位信號(hào)的二進(jìn)制狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)控制的，從而使其可以在 DLP 投影系統(tǒng)傾向光源（打開(kāi)）或背離光源（關(guān)閉），在投影表面造成像素的或明或暗。

DLP技術(shù)應(yīng)用廣泛，包括醫(yī)療成像、光纖網(wǎng)絡(luò)、生命科學(xué)、光譜分析、光學(xué)測(cè)量和無(wú)掩模光刻。還有，共焦距顯微技術(shù)，全息數(shù)據(jù)存貯，結(jié)構(gòu)照明，立體顯示等。

目前其不僅應(yīng)用于高清電視（HDTV）和數(shù)字投影顯示（Digitial Projection Display）等，近幾年其應(yīng)用領(lǐng)域得到較大擴(kuò)展，在光纖通信網(wǎng)絡(luò)的路由器、衰減器和濾波器、數(shù)字相機(jī)、高頻天線陣列、新一代外層空間望遠(yuǎn)鏡、快速原型制造系統(tǒng)、物體三維輪廓測(cè)量?jī)x、全息照相、數(shù)字圖像處理聯(lián)合變換相關(guān)器、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)用。