空间光调制器——数字微镜器件（Digtial Micromirror Devices,DMD）,是由美国德州仪器公司（TI）的一名科学家L.J.Hornbeck于1982年发明的。
DMD是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，通过控制微镜片绕固定轴（轭）的旋转和时域响应（决定光线的反射角度和停滞时间）来决定成像图形和其特性。
它是一种新型、全数字化的平面显示器件，应用MEMS（Micro Electromechanical System，微电子机械系统）的工艺将反射微镜阵列和CMOS SRAM集成在同一块芯片上。目前其不仅应用于高清电视（HDTV）和数字投影显示（Digitial Projection Display）等，近几年其应用领域得到较大扩展，在光纤通信网络的路由器、衰减器和滤波器、数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、快速原型制造系统、物体三维轮廓测量仪、全息照相、数字图像处理联合变换相关器、光学神经网络、光刻、显微系统中的数字可变光阑以及空间成像光谱等领域都得到了成功的应用。
微反射镜单元的尺寸大约是16或14微米，通常由多达50至200万的数目构成阵列来使用，其间的间隙为1微米，反射镜以铝铰链为旋转轴旋转10-12度，可反复使用1兆次，寿命试验表明，按照通常的使用方式可以使用10万小时。它的开闭控制是通过反射镜停止时起阻尼作用的弹簧触点靠近反射镜，逐渐降低附加电压的方式来实现的。DMD芯片已升级，原芯片上的微镜尺寸为16微米，翻转角度为10度，现在的DMD微镜尺寸为14微米，翻转12度，支持4K分辨率的芯片也已经成型，芯片大小约1.38寸。
由于数字微反射镜装置的优越性能，同时基于DMD的成像系统设备应用非常广泛，激发了工商界和科技界的兴趣。数字微反射镜装置（DMD）可以根据图像的颜色范围进行整面的光刻，也可以根据图像的像素大小进行分块曝光。其工作过程是光、机、电一体化的协调配合过程。
2. DMD的基本结构及连接
图2 微镜单元结构分解图
数字微反射镜装置（DMD）结构如图2所示，根据图片可以知道其主要结构分为四层（左图为1-3层，右图为第4层）：
（1）第一层是微反射镜单元，处于悬浮状态，形状为正方形，由铝合金制成，在偏转时较为轻便。
（2）第二层是连接微镜单元的扭臂梁—铰链，以及微镜的寻址电极。
（3）第三层为金属层，包括扭臂梁的寻址电极、偏置/复位电极、以及微镜单元的着陆平台（限制镜面偏转+12度/-12度或+10度/-10度）。
（4）第四层为静态存储器（RAM），其采用大规模集成电路标准CMOS工艺。
微镜单元与扭臂梁相连接，而扭臂梁通过铰链悬置于两个铰链支撑柱上，DMD可以围绕铰链轴进行旋转。铰链支撑轴连接到偏置/复位电极，其为每一个微镜单元提供偏置电压。对于每一个微镜单元，都有两个导电通道，并且扭臂梁的寻址电极和数字微反射镜的寻址电极连接到底层的静态存储器上。
3.DMD的工作原理
每一个微反射镜单元都是一个独立的个体，并且可以翻转不同的角度，因此通过微镜单元所反射的光线可以呈现不同的角度，具体表现为其对应的数字图像像素的亮暗程度 。DMD工作时，在反射镜上加负偏置电压，其中一个寻址电极上加+5V（数字1），另一个寻址电极接地（数字0），这样使微镜与微镜得的寻址电极，扭臂梁与扭臂梁的寻址电极之间就形成一个静电场，从而产生一个静电力矩，使微反射镜单元绕扭臂梁旋转，直到接触到“着陆平台”为止。由于“着陆平台”的限制，使镜面的偏转角度保持固定值（+12度/-12度或+10度/-10度），并且在DMD整体上能够表现出很好的一致性。在扭矩的作用下，微反射镜单元将一直锁定于该位置上，直至复位信号出现为止。微反射镜单元的上半部分与下半部分处于平行的关系，且不稳定，一旦加上偏置电压，微反射镜单元和扭臂梁会以很快的速度偏离平衡位置。
每一个微反射镜单元有三个稳态：+12度或+10度（开）、0度（无信号）、-12度或-10度（关）。当给微反射镜一个信号“1”，其偏转+12度或+10度，被反射的光刚好沿光轴方向通过投影物镜成像在屏上，形成一个亮的像素。当反射镜偏离平衡位置-12度或-10度时（信号“0”），反射的光束将不能通过投影透镜，因此呈现一个暗的像素。控制信号二进制的“1”，“0”状态，分别对应微镜的“开”“关”两个状态。当给定的图形数据控制信号序列被写入CMOS电路时，通过DMD对入射光进行调制，图形就可以显示于像面上。
图3 DMD工作原理图
DMD寻址序列包括以下过程：
a.首先复位DMD阵列中所有微镜，使其能够进行偏转，处于准平衡态。
b.撤消偏置电压，释放微镜，使其翻转回到初始平面状态。
c.施加偏置电压，使微镜翻转到所寻址的状态。
d.维护偏置电压不变，使微镜状态锁定（此时不断响应微镜下面SRAM的状态更新），不随寻址电极电压的改变而改变。
e.寻址下一个SRAM阵列，逐步更新SRAM存储内容。
f.重复进行第一步操作。
4.DMD的特点
DMD是原理比较简单的空间光调制器，一般情况下，附属设备及系统结构越紧凑，就更加能体现出高效率及高度的稳定性。此外，由于DMD是由成熟的大规模集成电路技术制造，所以DMD具有优良的商品化条件。巧妙的构思与集成电路的制造工艺很好的结合，使得DMD在分辨率、对比度、亮度、灰阶、色保真度及响应时间等主要性能参数上都达到了目前显示技术的非常高的水平。
DMD具有以下特点：
（1）高分辨率
DMD分辨率高是由DMD的像素尺寸和制造工艺所决定的。微反射镜单元的几何尺寸是固定不变的，但是DMD芯片的阵列可以进行加宽，所以DMD有许多解析度规格尺寸，有640X480（VGA）,800X600(SVGA),1024X768(XGA),1280X1024(SXGA)等，DMD的分辨率随着芯片对角线尺寸的增大而提高。尤其是适用于16:9的宽屏幕电视机的DMD，器件尺寸37X22mm，一个DMD上像素尺寸为1920X1080，能够达到N制电视制器件的5倍以上，完全符合高清晰度电视(HDTV)的要求。作为同类产品的LCD其像素尺寸为25um,若要达到与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镜单元结构的DMD在数字图像显示中，能够清晰而有准确的显示图像的细节，从而减少了在成像过程中图形产生的畸变。
图4 DMD分辨率与对角线尺寸关系图
（2）高对比度
DMD的对比度的定义为DMD微镜阵列全开与全关时光通量的比率。在DMD处于关闭状态（OFF）时，光轴与反射回来的光束夹角为48度，光束被仪器四周专门设计的吸收介质所吸收，只有极少部分的光能够通过投影物镜，因此对比度可以达到1000:1（LCD不超过700:1），随着科技的进步，DMD目前能够达到2000:1以上。虽然DMD的对比度很高，但是对于进一步提高对比度很大程度上受到本身结构的限制，如微反射镜单元之间存在着间隙的衍射，微镜中心支柱的连接点和微镜底层的结构，都会影响DMD的对比度。
图5 DMD对比度的发展示意图
（3）高亮度
DMD芯片完全靠内部微反射镜单元阵列进行反射，反射面积大致为像素面积的89%，镜面由铝合金制成，因此具有很高的反射系数，可以达到88%，除去光线在扭臂梁、支撑柱及微反射镜边缘的衍射、散射等，有效反射率达到61%。
（4）灰阶及色保真度
DMD具有很高的灰度级、作为数字化的反射空间光调制器，其灰阶及色保真度由开启状态（ON）的占空比来决定，而占空比可以通过脉冲调制来进行控制。目前DMD的灰度等级可以做到8bit（256级）甚至10bit（1024级）。三原色各8bit的混合效果能够产生1600万种不同的颜色，色保真度能够达到高清电视的要求。
（5）响应时间快
由于微反射镜的质量很轻，扭臂梁非常薄(约0.05—0.1um)，转动惯量很小，因此DMD响应时间非常快，从完全的开启状态到完全的关闭状态约为10us。因此单板式DMD可以在常规TV的1/3帧的时间内全部读完RGB三色信号，所以说DMD作为空间光调制器是“数字化投影技术的革命”。
（6）可靠性高
DMD不仅通过了所有的标准半导体资格测试，系统制造非常严格，需要经过一连串的测试，所有元件均经过挑选证实可靠才能用作制造数码电子部分驱动DMD，而且还证明了在模拟操作环境中，它的生命期超过10万个小时。测试证明，DMD可以进行超过1700万亿次循环无故障运行，这相当于投影机的实际使用时间超过1995年。其它测试结果显示，DMD在超过11万个电力周期和11000个温度周期下无故障，以确保在需求较大的应用领域中提供30年以上的可靠运行期。
参考文献
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