什么是DMD？ [DMD（Digital Micromirror Device）]–是數字微鏡器件簡稱。

一、數字微反射鏡ＤＭＤ簡介

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

DMD(數字微鏡器件)是一種由多個高速數字式光反射開光組成的陣列。DMD是由許多小型鋁制反射鏡面構成的,鏡片的多少有顯示分辨率決定，一個小鏡片對應一個像素。DMD的反射率高,對比度大。將物體成像于DMD器件上,通過DMD器件的像素級可控特性及其高速的翻轉頻率,再將每個像點依次掃描到探測器上,實現白天對可見光條件下物體的高速被動式點掃描成像。加入適當光源還可實現主動式掃描成像。

DMD基于半導體制造技術，由高速數字式光反射開關陣列組成，通過控制微鏡片繞固定（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50至200萬的微鏡構成陣列來使用，微鏡間隙為1微米，反射鏡以鋁鉸鏈為旋轉軸旋轉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的。DMD芯片已升級，原芯片上的微鏡尺寸16μm，翻轉角度為10°，現在的DMD微鏡尺寸為14μm，翻轉12°，支持4K分辨率的芯片也已經成型，芯片大小約1.38寸。

由于數字微反射鏡裝置的優越性能，同時基于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范圍進行整面的光刻，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。

二、數字微反射鏡ＤＭＤ芯片的結構

其主要結構分為四層：

第一層是微反射鏡單元，處于懸浮狀態，形狀為正方形，由鋁合金制成，在偏轉時較為輕便。

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/復位電極、以及微鏡單元的著陸平臺（限制鏡面偏轉±12°或±10°）。

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。

三、DMD芯片的工作原理

DMD是原理比較簡單的空間光調制器，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，由于DMD是由成熟的大規模集成電路技術制造，所以DMD具有優良的商品化條件。巧妙的構思與集成電路的制造工藝很好的結合，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。  每一個微反射鏡單元都是一個獨立的個體，并且可以翻轉不同的角度（正或者負），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“著陸平臺”為止。由于“著陸平臺”的限制，使鏡面的偏轉角度保持固定值（±12°或±10°），并且在DMD整體上能夠表現出很好的一致性。在扭矩的作用下，微反射鏡單元將一直鎖定于該位置上，直至復位信號出現為止。微反射鏡單元的上半部分與下半部分處于平行的關系，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（微秒級）偏離平衡位置。

每一個微反射鏡單元有三個穩態：+12°或+10°（開）、0°（無信號）、-12°或-10°（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。控制信號二進制的“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制信號序列被寫入CMOS電路時，通過DMD對入射光進行調制，圖形就可以顯示于像面上。

四、DMD芯片的封裝方式

與所有半導體一樣，DMD芯片亦需要進行封裝，以保護脆弱的內核（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，不過實際上仍存在很大不同。

（1）DMD正面

與CPU不同，位于DMD芯片內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、高硬度的光學玻璃作為保護。

（2）DMD背面

DMD芯片散熱設計注定是一件麻煩的事情，其工作時自身會把電能轉化為熱量，同時一部分入射光線亦會轉換為熱量，要保護微反射鏡不怕熱量和減少光路扭曲破壞必須進行制冷，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；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芯片正是基于這個區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投影機中，為此TI設計了一個非常牢固但亦非常復雜的固定裝置，而散熱片（Heat Sink）則是位于DMD芯片的后方，熱量從DMD芯片背面透過導熱貼（Thermal Pad）傳遞到散熱片上。

五、DMD芯片的應用

（1）光開關

DMD是光開關的一種，利用旋轉反射鏡實現光開關的開合，開閉時間稍長，為微秒量級。作用過程十分簡單，光從光纖中出來，射向DMD的反射鏡片，DMD打開的時候，光可經過對稱光路進入到另一端光纖；當DMD關閉的時候，即DMD的反射鏡產生一個小的旋轉，光經過反射后，無法進入對稱的另一端，也就達到了光開關關閉的效果。

（2）掃描成像

DMD(數字微鏡器件)是一種由多個高速數字式光反射開光組成的陣列。DMD是由許多小型鋁制反射鏡面構成的,鏡片的多少由顯示分辨率決定,一個小鏡片對應一個像素。相對于TFT-LCD(液晶)的透射率低,對比度小,DMD的反射率高,對比度大。將物體成像于DMD器件上,通過DMD器件的像素級可控特性及其高速的翻轉頻率,再將每個像點依次掃描到探測器上,實現白天對可見光條件下物體的高速被動式點掃描成像。加入適當光源還可實現主動式掃描成像。

（3）DLP投影技術

DLP技術原理簡介：每一個 DLP 芯片組的核心都有一個高反射鋁微鏡陣列，即數字微鏡器件 (DMD)，開發人員可借助該系統執行高速、高效及可靠的空間光調制。數字微鏡器件 (DMD) 是 DLP 技術的核心部分，DMD是光學半導體模塊，允許以數字方式對光進行處理和投影。結合光源和光學器件，DMD可以實現在速度、精度和效率上遠超過其它空間光調制方式的二進制圖形。DMD 的每個鏡片都可分別圍繞鉸接斜軸進行 +/- 12° 的偏轉。鏡片的偏轉（正極和負極）是通過更改底層 CMOS 控制電路和鏡片復位信號的二進制狀態進行單獨控制的，從而使其可以在 DLP 投影系統傾向光源（打開）或背離光源（關閉），在投影表面造成像素的或明或暗。

DLP技術應用廣泛，包括醫療成像、光纖網絡、生命科學、光譜分析、光學測量和無掩模光刻。還有，共焦距顯微技術，全息數據存貯，結構照明，立體顯示等。

目前其不僅應用于高清電視（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、快速原型制造系統、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。