一群中国芯片技术小球的奋斗故事系列一

“中科融合的‘AI-3D芯片’追赶美国德州仪器DLP技术之产业和技术初探-part II”

引子

人可能会爱上人工智能(AI: Artificial Intelligence)吗？

来自电影“HER”的剧照，主人公与AI相爱的故事

2013年，电影“HER”讲述了一位中年危机的大叔，如何与AI相识，相知和相爱的“人机虐恋”故事。伟大的技术，需要真正满足人类内在精神需求。而机器与人类的深度互动，一个必须逾越的壁垒，就是视觉上的真实沉浸与互动感，需要“真3D”技术！爱，是她的巧兮倩兮，一颦一笑。

早在2002年，意大利佛罗伦萨美术学院（Accademia di Belle Arti di Firenze）主持，对米开朗基罗的大卫像进行了高精度的三维扫描，历时两年。项目团队在不触碰雕像的情况下，从不同角度和距离对其进行了数百万次测量，最终生成了一个包含超过10亿个数据点的三维模型。这个三维模型不仅记录了大卫像的外形和细节，还揭示了其内部结构和裂缝等隐藏信息。这些信息对于雕像的保护和修复非常有价值。此外，这个三维模型还可以用于制作大卫像的复制品或缩小版，并通过互联网与全世界分享。留存，保护人类的文明，具有重大的美学、历史、文化和技术意义，“真3D”技术的价值，可见一斑！

大卫像扫描的现场，参与的人员以及最终数据量的统计，扫描完成的眼部细节

“真3D”技术，可以实现对于物理世界三维物体，最高精度和最高分辨率的真实重建和复原，是3D技术皇冠上的明珠。在本系列的第一部分中，我们系统性的描述了常见的主流3D视觉技术（https://zhuanlan.zhihu.com/p/610071243）。通过“主动视觉”，向被观测物体投射“动态条纹，编码”结构光技术，具有极高的分辨率和精度。本文将带领大家，深入微观世界，了解人类如何利用“半导体芯片技术”实现“真3D”。

介绍：德州仪器公司和DLP技术系统框架

德州仪器公司的杰克.基尔比在2000年获得了诺尔物理学奖，奖励他在1958年发明的“集成电路”技术，这一发明是现代半导体工业和信息技术的重大突破，影响了几代人的生活。时至今日，美国对于中国的“卡脖子”和“芯片战”，就是来自于美国在先进集成电路技术的遥遥领先。而德州仪器不仅是历史的创造者，迄今也在模拟电路领域长期保持“世界第一”！

小胖踏进半导体领域的第一脚，就是走入了由德州仪器捐助建设的Rice大学ECE主楼Duncan Hall，这哪里是冰冷的理工楼，分明是一个童话世界！技术与艺术结合的宏大力量，在24年前，就给一个技术小球烙下了深刻的印象。伟大不是叙事，而是如空气和水，无处不在，不可或缺。

Rice University的Duncan Hall，由德州仪器捐赠建设，是ECE的主楼

DLP（digital light processing）数字光处理技术，是德州仪器的专利技术光机系统。光机（Light Engine）是一个完整的光机电模组套件，需要包含光源，色轮，DMD投射芯片，DMD控制芯片，光学镜头，以及辅助的供电和散热部件。其中TI的独家技术，就是DMD微镜阵列MEMS芯片和DMD控制ASIC芯片。根据图像分辨率不同，每一颗DMD芯片的微小像素阵列的数目也不同，所以1080P或者4K不同分辨率就具有对应数目的微镜数量。

每一个像素可以实现（+1x，0，-1x,不同产品转角不同用x表示）三个不同角度的翻转，从而实现对于入射光不同角度的反射，如果反射光直接通过镜头出射，观察者看到了一个点亮的像素。如果反射光被内部light dump吸收，观察者就会看到了一个熄灭的像素。把一幅图像分解成为亮暗不同的像素组合，输入控制数百万个像素同时选择性的开关，就会生成一幅色彩艳丽的图像。

左上开始顺时针分为DLP光机模组，DLP光机拆解核心组件框图，DMD芯片及像素关系图，DMD像素开和关的动态演示

DMD芯片的MEMS工作原理

聪明的读者，可能已经发现了一个非常有趣的问题，就是DMD的芯片核心是会“动”的小镜子，正是依靠这些高速转动的小镜子，从而实现了对于入射光的精准控制。那么，TI的DMD小镜子的核心优势是什么？这些小镜子为什么会动，为什么需要动？

把数字视频从电影院带入办公室，家庭，从昂贵的高不可攀的专业设备到飞入寻常百姓家，核心的技术基础就来自于DMD技术的这些小镜子。DLP基于半导体工艺的微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）技术，通过其数以百万计的微镜阵列(DMD)以及每秒高达上万次的切换速度，可灵活地进行光的操控，具有非常多的优势：

• 成本低，由于采用了基于半导体工艺的MEMS技术，可以基于硅晶圆实现大规模的量产，大幅度降低了传统光学装置的生产和调试成本；
• 图像好，由于镜片之间（像素之间）的距离非常小，所以不会出现晶格（马赛克）现象，采用LED，激光等光源，可以实现高亮度，高对比度，色彩艳丽的而清晰的图像；
• 速度快，DLP技术切换速度以微秒计数，比液晶面板的毫秒级反应速度要快了千倍，高反应速度，使得观看赛车、球类等高速动态画面，不易出现拖尾现象；

DLP 技术以数字微镜器件 (DMD) 为中心，该器件是一组可单独寻址的高反射铝微镜。DMD 使开发人员可以快速、高效和可靠地执行空间光调制。采用 TI 成熟的半导体生产技术，每一个 DMD 都含有最多 800 万个独立控制的微镜（构建于相应的 CMOS 存储单元上）。

DMD的结构如下图所示，最底层是基于CMOS工艺的SRAM电路，用于寻址，也就是如何提供对于每一个像素的状态控制。在这一电路之上，是一组复杂并且可以运动的super structure。镜面在上，通过与下端铰链相连，被铰链带动旋转，旋转到弹簧尖端停止，保持对于光线不同方向的反射。每一个镜子，相当于图像中的一个像素，众多微镜组合在一起，形成一个阵列，就实现了不同的分辨率。

请注意右下图中的黑色电镜照片的尺度标线为20um，这个SEM电镜照片中的像素大小为16um，这比人类的头发丝还细！这是一种在微观尺度对于光的精准控制的技术。

DMD微镜工作在“开”和“关”两个状态，DMD阵列在工作状态具有不同倾斜角度

DMD的运动原理可以进一步通过下图理解，图像的亮度，颜色信息，通过DMD的控制芯片，作为数字信号0和1，输入每一个微镜的“寻址单元”，DMD根据信号完成两个不同角度的反转，并且停留在这一状态，停留的时间越长，对应全亮或者全暗时间会越长，从而产生亮度的灰度变化。

爆炸视图解释了DMD的运动原理。像素控制单元，基本上是一个SRAM，蓝色和黄色对应了“ON”和“OFF”两个不同状态的控制电极，自下而上的颜色标注一一对应。除了两个控制电极信号，还有一个复位电极信号。微镜的运动，就是通过这三个电极电压控制信号实现。

比如通过控制信号将黄色电极置高，蓝色电极将置低，同时在复位电极会施加一个反向控制信号。自下而上的控制信号，使黄色部分的地址电极以及弹簧层的电极，与绿色部分的微镜之间形成一个电压差。微镜和地址电极以及弹簧层电极之间，通过MEMS工艺，已经生成了空气间隙（air gap）。第一，给予微镜转动所需角度的三维空间；第二，在微镜与电极之间，形成一个电容结构。电压差会给这个电容充电，并且产生一个“静电引力”，这一引力会促使绿色的微镜镜面，向黄色的电极部分靠近，并最终停留在预先设计好的弹簧尖(spring tip)上。只要这个电容的电压差不变，微镜的状态就不会发生变化。

DMD芯片工作开和关两个状态（左），状态控制与输入的数字信号0和1对应以及单个DMD微镜的结构爆炸视图（右）

DLP光机中DMD芯片反射光形成图像的工作原理

DMD是反射镜，自身不发光。那么颜色是如何实现的呢？

通过DLP产生明亮，锐利和鲜艳的颜色，与反射镜无关，完全与入射光相关。入射光的光源，可以是灯泡，LED，或者是激光。以灯泡为例，光源本身提供了亮度，通过光学透镜，实现光束的聚拢，系统中的核心是一个高速旋转的色轮，这一色轮带有RGB的红蓝绿信息。由于色轮的旋转，就把不同颜色的光，再次通过一组镜头，直接照射到DMD芯片上去，经过DMD芯片的反射，通过镜头出射投影到屏幕上。

DLP光机工作原理（左），解读了灯泡光源，光学以及色轮的工作关系。色轮旋转完成不同颜色投射的动图（右）

不同光源的DLP系统基本原理都基本类似。不同之处，就是在于是否使用色轮，或者色轮的构造差异，以及系统的光学透镜的设计差异。采用不同光源，目的是实现对于不同的色域的覆盖，比如办公，家庭影院和专业影院，就有明显的亮度和色域差异。而DLP系统由于要完成如上的光源控制，DMD影像控制，光学质量控制，以及由此带来的电源，散热，通风等一系列的可靠性要求，就带来了诸多的挑战。

总结

本文从DLP实现高精度的3D重建应用讲起，介绍了德州仪器DLP技术包含了哪些核心组成部分，着重介绍了基于MEMS技术的核心DMD芯片的工作原理，以及这一系统如何围绕DMD芯片实现高质量光学投影控制的基础原理。除非特殊说明，本文所有的图片，都是来自于德州仪器的官网，以及其公开发表的技术文献。作为一篇科普文章，众多细节解读致力于简单易懂，关于技术细节的展开，欢迎读者阅读技术专刊。

在下一篇文章中，我们将为您进一步讨论，为何DLP技术历经36年，依然保持了行业的技术垄断性？这一技术为何多年以来，仅仅从16um的像素，缩减到5.4微米？在底层技术上，有哪些潜在的挑战？同样是基于MEMS技术，为何基于激光束扫描的微镜技术，可以解决DMD技术的很多困难？以及中科融合在这一领域的相关工作进展。