デジタルマイクロミラーデバイス

デジタルマイクロミラーデバイス( DMD ) は、テキサスインスツルメンツ(TI)の商標登録されたデジタルライトプロセッシング(DLP) 投影技術の中核をなすマイクロ光電気機械システム(MOEMS) です。このデバイスはデジタルプロジェクターで使用され、1 秒間に何千回も個別に傾けることができる数百万個の微細ミラーの配列で構成され、投影された画像のピクセルを作成します。

歴史

この技術は、1973年にハーヴェイ・C・ナサニエル（1965年頃のMEMS発明者）が何百万もの極小の可動ミラーを使用して、現在のデジタルプロジェクターに見られるタイプのビデオディスプレイを作成したことに遡ります。^[1]

テキサスインスツルメンツのプロジェクトは、1977年にマイクロメカニカルアナログ光変調器を使用した可変形ミラーデバイスとして始まりました。DMDは、固体物理学者でテキサスインスツルメンツ名誉フェローのラリー・ホーンベック博士によって1987年に発明されました。 ^[2]最初のアナログDMD製品は、1990年に市場に投入され、レーザースキャナーの代わりにDMDを使用したTI DMD2000航空券プリンターでした。^[3]

建設と使用

DMDチップの表面には、表示される画像のピクセルに対応する長方形のアレイに配列された数十万個の微細なミラーがあります。ミラーとそれをサポートする機械構造は、表面マイクロマシニングを使用して構築されています。^[4]ミラーは個別に±10～12°回転して、オンまたはオフの状態にすることができます。オン状態では、プロジェクターの電球からの光がレンズに反射され、ピクセルが画面上で明るく表示されます。オフ状態では、光は別の場所（通常はヒートシンク）に向けられ、ピクセルは暗く表示されます。グレースケールを生成するために、ミラーのオンとオフを非常に速く切り替え、オン時間とオフ時間の比率によって生成される陰影が決まります（バイナリパルス幅変調）。^[5]現代のDMDチップは、最大1024のグレーの陰影（10ビット）を生成できます。^[6] DMDベースのシステムでカラー画像がどのように生成されるかについては、「デジタル光処理」を参照してください。

ミラー自体はアルミニウム製で、直径は約 16 マイクロメートルです。各ミラーはヨークに取り付けられており、ヨークは 2 つの支柱に柔軟なねじりヒンジで接続されています。このタイプのヒンジでは、軸は両端で固定され、中央でねじれます。規模が小さいため、ヒンジの疲労は問題にならず、テストでは 1 兆回(10 ¹² ) の操作でも目立った損傷は発生しないことが示されています。また、通常の衝撃や振動は DMD の上部構造によって吸収されるため、ヒンジが損傷を受けることはないこともテストで示されています。^[7]

2 対の電極が静電引力によってミラーの位置を制御します。各対にはヒンジの両側に 1 つの電極があり、一方の対はヨークに作用するように配置され、もう一方の対はミラーに直接作用します。ほとんどの場合、両側に同時に等しいバイアス電荷が適用されます。予想されるように中央の位置に反転する代わりに、実際にはミラーを現在の位置に保持します。これは、ミラーがすでに傾いている側の吸引力が、その側が電極に近いため、より大きくなるためです。^[8]

ミラーを動かすには、まず各ピクセルの下に位置するSRAMセルに必要な状態がロードされます。このセルは電極にも接続されています。すべての SRAM セルにロードされると、バイアス電圧が除去され、SRAM セルからの電荷が優勢になり、ミラーが動きます。バイアスが回復すると、ミラーは再び所定の位置に保持され、次に必要な動きをメモリセルにロードできます。

バイアスシステムが使用されるのは、ピクセルをアドレス指定するために必要な電圧レベルが下がり、ピクセルが SRAM セルから直接駆動できるようになるため、また、バイアス電圧がチップ全体で同時に除去されるため、すべてのミラーが同時に動くためです。後者の利点は、タイミングがより正確で、より映画のような動画が得られることです。

これらの故障モードは、通常、シール不良によるミラーサポートの腐食による内部汚染によって引き起こされます。関連する故障は、2007年から2013年の間に使用された接着剤で、熱と光により劣化してガスが発生します。これにより、通常はガラス内部に曇りが発生し、最終的には白/黒のピクセルが発生します。これは通常修復できませんが、欠陥のあるDMDチップは、既存の不良ピクセルを投影画像の一部にしたり、3Dスキャンなどの方法でマッピングしたりできる場合は、急速に変化するパターンを必要としないそれほど重要でないプロジェクトに使用されることがあります。 ^[9]

アプリケーション

参考文献

^ 米国特許 3746911、Nathanson 他、「投影ディスプレイ用の静電的に偏向可能なライトバルブ」、1973 年 7 月 17 日発行
^ 「ラリー・ホーンベック、デジタルマイクロミラーデバイス、米国特許番号 5,061,049、2009 年入会」、全米発明家殿堂
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^ 「最先端の照明技術」。Polygon Cellular-Resolution Optogenetics & Photostimulation。Mightex Systems 。 2021年5月28日閲覧。

外部リンク

DLP ホワイトペーパーライブラリ
DMD テクノロジーの概要と説明

[1] 米国特許 3746911、Nathanson 他、「投影ディスプレイ用の静電的に偏向可能なライトバルブ」、1973 年 7 月 17 日発行

[2] 「ラリー・ホーンベック、デジタルマイクロミラーデバイス、米国特許番号 5,061,049、2009 年入会」、全米発明家殿堂

[3] Johnson, R. Colin (2007-01-29). 「TI フェローの DLP について: ミラーを使って実現しました」. EE Times . 2021-05-29閲覧。

[4] 佐々木正之 (2021). 金属表面マイクロマシニング. MEMSの3D・回路集積化, 江刺正之 (編). https://doi.org/10.1002/9783527823239.ch6

[Brennesholtz-5] Brennesholtz, Matthew; Stupp, Edward H. (2008 年 9 月 15 日)。「第 5 章マイクロエレクトロメカニカルデバイス」。プロジェクションディスプレイ。John Wiley & Sons。pp. 57–69。ISBN 978-0-470-77091-7。

[6] Akride, Mike; Butler, Tim J.; Moss, Graham H. (1999年8月1日). 「デジタルマイクロミラーが明るい色の配列を生み出す」. Laser Focus World . 2021年6月7日閲覧。

[DMDReliability-7] Douglass, MR (1998). 「デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) の寿命推定値と固有の故障メカニズム」 1998 IEEE 国際信頼性物理シンポジウム議事録 36 回年次(PDF) . pp. 9–16. doi :10.1109/RELPHY.1998.670436. ISBN 0-7803-4400-6. S2CID 33779816。

[8] Horenstein, Mark N.; Pappas, Seth; Fishov, Asaf; Bifano, Thomas G. (2002). 「適応光学システムにおけるサブ開口のための静電マイクロミラー」(PDF) . Journal of Electrostatics . 54 (3–4): 321–332. doi :10.1016/S0304-3886(01)00159-0. 2021-09-23 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2021-05-29に取得。

[9] Schirmer, Eric. 「DLP チップの故障の説明: 白い点と白いもや?」DLP® 製品 - DLP 製品フォーラム. Texas Instruments Inc. 2019 年 12 月 19 日閲覧。

[10] 「Plano Cinema Firm、デジタル映写とセルフサービススナックを備えた劇場をオープン」。Texas Business。Old Mesquite LLC。2010年10月25日。2012年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年10月24日閲覧。

[11] Barreto, Raul (2011-05-13). 「3D 光学計測システム向け DLP® 開発キットの使用」(PDF) (アプリケーションレポート). DLPA026. Texas Instruments . 2021-05-29に閲覧。

[12] Heath, Daniel J; Feinaeugle, Matthias; Grant-Jacob, James A; Mills, Ben; Eason, Robert W (2015-05-01). 「固体ポリマーフィルムのパターン化されたレーザー誘起前方転送のためのデジタルマイクロミラーデバイスによる動的空間パルス整形」(PDF) . Optical Materials Express . 5 (5): 1129. Bibcode :2015OMExp...5.1129H. doi : 10.1364/ome.5.001129 . ISSN 2159-3930.

[liu-13] Liu et al., 2015「位相空間測定を用いた体積散乱媒体の 3D イメージング」

[14] Georgieva, Alexandra; Belashov, Andrei; Petrov, Nikolay V. (2022-05-11). 「ターゲット複合波面の分析によるDMDベースの独立した振幅および位相変調の最適化」. Scientific Reports . 12 (1): 7754. arXiv : 2010.00955 . Bibcode :2022NatSR..12.7754G. doi : 10.1038/s41598-022-11443-x . ISSN 2045-2322. PMC 9095630. PMID 35546600 .

[15] Lee, Kyeoreh; Kim, Kyoohyun; Kim, Geon; Shin, Seungwoo; Park, Yong-Keun (2017-02-28). 「光回折トモグラフィーのためのDMDを使用した時間多重構造化照明」. Optics Letters . 42 (5): 999–1002. arXiv : 1612.00044 . Bibcode :2017OptL...42..999L. doi :10.1364/OL.42.000999. ISSN 0146-9592. PMID 28248352. S2CID 46878533.

[16] 「最先端の照明技術」。Polygon Cellular-Resolution Optogenetics & Photostimulation。Mightex Systems 。 2021年5月28日閲覧。