Технология DLP

Термин «обычное освещение» подразумевает, что помещение не затемняется перед тем, как включить проектор. Однако, необходимо избегать прямого солнечного света, а также лучше выключить яркое потолочное освещение, расположенное перед экраном, чтобы избежать отсвечивания изображения.

До винтика: мультимедийные проекторы на основе технологии DLP

Что же такое DLP? DLP расшифровывается как Digital Light Processing, что в переводе на русский язык означает «цифровая обработка света». Данная технология основывается на использовании специализированных микрозеркальных микросхем, на английском языке известной как DMD (Digital Micromirror Device).

DLP-технология была разработана в Соединенных Штатах в результате инновационных разработок оборонного агентства DARPA.

DARPA — это уникальная организация, аналогов которой практически нет в мире. Это агентство, принадлежащее Министерству обороны США, отвечает за создание новых технологических решений для вооружённых сил. DARPA готово финансировать даже самые необычные проекты, понимая, что 90% из них могут не оправдать ожидания, но среди оставшихся 10% может оказаться значительное открытие, способное принести технологический прорыв для Пентагона.

Трудно сказать, какую именно задачу решало агентство DARPA, размещая в конце 1980-х годов крупный государственный заказ в компании Texas Instruments. Возможно, его специалисты рассчитывали создать систему точной фокусировки мощного лазерного луча на боеголовке баллистической ракеты, либо им была необходима надёжная технология для отображения показаний приборов на стекле кабины истребителя, аналогично тем, которые были у советских самолетов. Однако не столь важно, какая конкретно задача была поставлена, а важен тот факт, что в 1987 году учёный-оптик Ларри Хорнбек, работающий в Texas Instruments, изобрел первую в мире DMD-микросхему.

Следует отметить, что руководство компании мгновенно оценило потенциал данного изобретения и запустило проект, направленный на исследование коммерческой жизнеспособности DMD. В результате через семь лет, в 1994 году, был продемонстрирован прототип DLP-проектора. Эта технология быстро заслужила признание среди специалистов как многообещающая, хотя в то время было непросто затмить позиции LCD проекторов.

С этого момента начинается успешное продвижение DLP проекторов, которые в итоге значительно опередили все прочие технологии и, согласно некоторым оценкам, в настоящее время занимают до 70% рынка профессиональных проекторов.

Кроме того, компания Texas Instruments приобрела и до сих пор поддерживает исключительное право на патенты DMD-микросхем, что означает, что все DLP проекторы и все видео кубы с DLP проекцией по всему миру используют именно их микросхемы.

Как это работает?

Основой работы DLP проектора является матрица из DMD микросхем.

Рассмотрим ее конструкцию более детально.

Рис. 1 DMD микросхема

DMD-микросхема представляет собой кремниевый кристалл КМОП-памяти, на котором сформирована матрица из квадратных алюминиевых микрозеркал (изображенных на рис. 1). Эти микрозеркала имеют возможность поворачиваться под определённым углом, что позволяет либо отражать падающий свет, либо направлять его в специальный поглотитель. Таким образом, на экране возникает либо светлая, либо тёмная точка.

Поскольку угол поворота зеркала определяется параметрами структуры, созданной с помощью точной кремниевой фотолитографии, все элементы DMD-матрицы представляют собой практически идентичные устройства. Первоначально размер зеркал составлял 16×16 мкм, а угол их поворота — 10°. В современных матрицах размеры зеркал зависят от разрешения, а угол отклонения может достигать 12°. Следует отметить, что в центра зеркала отсутствует небольшой квадратик, который присутствовал в более ранних версиях микросхем.

Каждое микрозеркало закреплено на так называемом торсионном подвесе, что позволяет DLP-матрице надёжно функционировать на протяжении многих лет. Торсионный подвес состоит из специальной формы лент, изготовленных из сверхпрочного материала (подвижные пластины на рисунке). В соответствии с оценками компании Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ в трёхматричном проекторе достигает 76 000 часов. Управление поворотами микрозеркал осуществляется на основе явления электростатического притяжения между адресным электродом и зеркалом.

Информация о состоянии каждого пикселя изображения записывается в соответствующую ячейку памяти — обычный триггер. Противофазные выходы последнего подключены к адресным электродам микроструктуры, что позволяет содержимому ячейки памяти влиять на положение зеркала.

Работа DMD-матрицы подразумевает шесть различных состояний. В состоянии готовности памяти все триггеры матрицы заполнены необходимой информацией (загрузка происходит последовательно, по строкам). В состоянии сброса все микрозеркала притягиваются к адресным электродам импульсом повышенного напряжения, которое подается на шину смещения, т. е. на сами зеркала. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала освобождаются, выстраиваясь в одном нейтральном положении. Состояние дифференциации предусматривает подачу на шину смещения промежуточного напряжения (между логическим нулём и единицей), при котором электростатические поля между адресными электродами и зеркалом подталкивают освобождённое зеркало в нужную сторону, что определяется содержимым ячейки памяти. В состоянии приземления на шину смещения подается такое напряжение, при котором зеркала ускоренно притягиваются к адресным электродам, поворачиваясь на максимальный угол. В процессе загрузки памяти зеркала остаются неподвижными в одном из двух наклонных положений, а содержимое ячеек памяти обновляется по строкам.

DMD-матрица в процессе работы проходит шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти и готовность памяти. Фаза сброса позволяет преодолеть силы прилипания. Оказывается, что в малых механических структурах эти силы так велики, что одной упругости ленточного подвеса для освобождения зеркала недостаточно.

Управление зеркалами в DMD-матрице осуществляется изменением напряжения на шине смещения, которое формируется специальными электронными схемами, расположенными за пределами DMD-кристалла. Все зеркала в структуре поворачиваются синхронно, что способствует улучшению динамических характеристик матрицы, т. е. она обеспечивает хорошую передачу движения.

Технология DLP

Основным элементом мультимедиапроекторов, созданных с использованием технологии DLP, является матрица микроскопических зеркал (DMD-элементов), изготовленных из алюминиевого сплава, обладающего высоким коэффициентом отражения. Каждое зеркало прикреплено к жёсткой подложке, соединённой через подвижные пластины с основанием матрицы. Под противоположными углами зеркал расположены электроды, которые соединены с ячейками памяти CMOS SRAM. Под действием электрического поля подложка с зеркалом может принимать одно из двух положений, отличающихся углом 20°, благодаря ограничителям, размещённым на базе матрицы.

Эти два положения соответствуют отражению поступающего светового потока либо в объектив, либо в эффективный светопоглотитель, который отвечает за надёжный отвод тепла и минимизацию отражения света.

Шина данных и сама матрица сконструированы так, чтобы обеспечить до 60 и более кадров изображения в секунду с разрешением в 16 миллионов цветов.

Матрица зеркал вместе с CMOS SRAM составляет DMD-кристалл — основной компонент технологии DLP.

Впечатляют также небольшие размеры кристалла. Площадь каждого зеркала матрицы составляет 16 микрон и менее, а расстояние между зеркалами – около 1 микрона. Кристалл, и не один, легко помещается на ладони.

• SVGA: 848×600; 508,800 зеркал
• XGA: 1024×768 с черной апертурой (межщелевым пространством); 786,432 зеркал
• SXGA: 1280×1024; 1,310,720 зеркал

Итак, у нас есть матрица, что же мы можем сделать дальше? Конечно, важно осветить её мощным световым потоком и поместить оптическую систему, которая обеспечит фокусировку изображения на экране, на одном из направлений отражений зеркал. В другом направлении имеет смысл установить светопоглотитель, чтобы ненужный свет не создавал неудобств. Таким образом, мы можем проецировать однокрасочные изображения. Но как получить цвет? Где же яркость?

И вот здесь кроется суть изобретения, сделанного Ларри, о котором речь шла ранее. Если вы ещё не поняли, в чем дело, то приготовьтесь, так как сейчас вас ждёт шок, поскольку это решение оказывается наиболее передовым и технологичным в области проецирования изображения на сегодняшний день. Вспомните детский фокус с вращающимся фонариком — свет от него в определённый момент сливается и образует светящийся круг. Эта игра света, выдающаяся результат нашего восприятия, позволяет полностью отказаться от аналоговых систем построения изображения в пользу полностью цифровых. Даже цифровые мониторы на последнем этапе выходят в аналоговую плоскость. Но что же произойдет, если мы заставим зеркало переключаться с высокой частотой между двумя состояниями? Если пренебречь временем переключения зеркала (и благодаря его микроскопическим размерам этому времени можно действительно пренебречь), видимая яркость упадет ровно в два раза. Изменяя пропорции времени нахождения зеркала в одном и другом положении, мы можем управлять видимой яркостью изображения. А так как частота переключения очень высока, видимого мерцания не будет. Эврика! Хотя это совершенно не ново, всё это уже известно. И последнее дополнение: если скорость переключения достаточно велика, мы можем расположить последовательно световые фильтры вдоль светового потока, тем самым создавая цветное изображение. Вот, собственно, и вся суть технологии. Дальнейшую эволюцию мы проследим на примере устройств мультимедиапроекторов.

Устройство DLP-проекторов

Компания Texas Instruments не занимается производством DLP-проекторов, подробно этим занимаются многие другие компании, такие как 3M, ACER, PROXIMA, PLUS, ASK PROXIMA, OPTOMA CORP., DAVIS, LIESEGANG, INFOCUS, VIEWSONIC, SHARP, COMPAQ, NEC, KODAK, TOSHIBA, LIESEGANG и многие другие. Большинство из произведённых проекторов является портативными, с массой от 1,3 до 8 кг и мощностью до 2000 ANSI lumens. Проекторы делятся на три типа.

Одноматричный проектор

Самый простой тип — это одноматричный проектор, в котором между источником света и матрицей установлен вращающийся диск с цветными светофильтрами (синим, зеленым и красным). Частота вращения диска определяет привычную нам частоту кадров.

Изображение формируется последовательно каждым из основных цветов, что приводит к получению обычного полноцветного изображения. Практически все портативные проекторы работают на принципе одноматричного устройства. Дальнейшим развитием этой технологии стало добавление четвёртого прозрачного светофильтра, что позволяет значительно увеличить яркость изображения.

Трехматричный проектор

Наиболее сложным типом проекторов является трехматричный проектор, в котором свет расщепляется на три цветовых потока и одновременно отражается от трёх матриц. Такой проектор обеспечивает наивысшую чистоту цвета и частоту кадров, не ограниченную скоростью вращения диска, как в одноматричных проекторах.

Точное соответствие отражённого потока от каждой матрицы (сведение) обеспечивается с помощью призмы, как видно на рисунке.

Двухматричный проектор

Промежуточным типом проекторов является двухматричный проектор, в котором свет расщепляется на два потока: красный свет отражается от одной DMD-матрицы, в то время как синий и зеленый свет — от другой. Светофильтр, соответственно, убирает из спектра либо синюю, либо зеленую компоненты поочередно.

Двухматричный проектор обеспечивает промежуточное качество изображения по сравнению с одноматричным и трехматричным типом.

Как работают DLP-проекторы?

Технология цифровой обработки света использует множество зеркал и микросхем, управляющих этими зеркалами.

DLP-проекторы содержат цифровое микрозеркальное устройство (DMD-чип), которое состоит из более чем двух миллионов крошечных зеркал. Эти зеркала на чипе DMD могут либо направлять свет на монохромное изображение, либо отклонять его от него. Для этого они перемещаются к источнику света или от него.

Важную роль в технологии DLP играет вращающееся цветовое колесо. Оно отвечает за передачу цвета и проекцию в однокристальных системах.

В качестве источника света в DLP-проекторе могут использоваться светодиоды, лазеры или лампы.

Существует также так называемый эффект сохранения зрения. Мозг воспринимает много неподвижных изображений, быстро сменяющихся друг за другом, как одно изображение. Это создает иллюзию движения. Вращающееся цветовое колесо использует этот эффект для добавления цвета к монохромным изображениям. DLP-проекторы могут быть одночиповыми или трехчиповыми.

Посмотреть ассортимент и купить проектор DLP можно на нашем сайте по ссылке ˃˃

Одночиповые DLP

В данной системе белый свет от лампы проходит через вращающееся цветовое колесо и попадает на DMD-чип. Колесо разделяет свет на красный, синий и зеленый. Зеркала на чипе отражают эти цветные лучи и передают их через объектив проектора на экран.

Глаза зрителя смешивают эти изображения, создавая нужные цвета.

Изображение быстро переключается между красным, синим, зеленым, черным и белым цветами. За секунду могут происходить тысячи переключений, поэтому глаза воспринимают только одно целостное изображение.

Вращающееся цветовое колесо также может вызывать эффект радуги.

3-чиповый DLP

В некоторых DLP-проекторах вместо цветового колеса используется система 3-Chip. Это распространено в кинопроекционных системах.

Здесь белый свет проходит через призму, которая разделяет его на красный, синий и зеленый пиксели. Каждый чип представляет собой один из трёх цветов и его крошечные зеркала отражают цветной свет. Он рекомбинируется, проходит через объектив и проецируется на экран проектора как единое изображение.

Как работают LCD-проекторы?

Технология ЖК-дисплея проекторов схожа с принципом работы жидкокристаллического дисплея в электронных часах.

Эта технология повсеместно используется в современных проекторах. Первый ЖК проектор был разработан японской компанией Epson в 1980-х годах.

ЖК-проекторы работают по следующей последовательности шагов. Белый свет от источника проходит через поляризационный фильтр и попадает на дихроичные зеркала. Дихроичные зеркала разделяют свет на три составляющие: красную, синюю и зеленую. Затем эти зеркала отражают отдельные лучи на ЖК-панель.

Цветные лучи фильтруются через ЖК-панель и дихроичную призму, где свет рекомбинируется в единое изображение.

Изображение проецируется через объектив проектора на экран.

Проекторы 3LCD

Эти проекторы немного отличаются от стандартных ЖК-проекторов, так как они содержат в совокупности три панели вместо одной. Каждая из панелей управляет лишь одним цветом.

Изображение может иметь синие и красные оттенки без включения зелёного. Это означает, что зелёная панель блокирует зеленый свет, не позволяя ему попасть на дихроичную призму и выйти через объектив.

Соблюдение разрешения или резкости ЖК-дисплея зависит от количества дихроичных зеркал, которыми он оснащён. Они называются пикселями. Чем больше их количество, тем выше четкость изображения. Каждая панель контролирует цвета своих пикселей.

Проекторы 3LCD потребляют меньше электроэнергии и обеспечивают большую яркость в сравнении с обычными ЖК-проекторами. Они могут использовать сдвиг линз и зум-объективы.

LCD-проекторы идеально подходят для классных комнат. Они также хорошо подходят для домашних кинотеатров и официальных учреждений, поскольку обеспечивают хорошее качество изображения и стабильность работы.

Посмотреть ассортимент и купить проектор LCD можно на нашем сайте по ссылке ˃˃

Dolby Digital Cinema 3D

Компания Infitec разработала спектральные фильтры для вращающегося диска и 3D-очков, которые позволяют проецировать разные кадры для каждого глаза в различных частях спектра. В результате, каждый глаз видит свою, практически полноцветную картину на обычном белом экране. Это контрастирует с системами с поляризацией изображений, такими как IMAX, которые требуют специального серебряного экрана для сохранения поляризации при отражении.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Как устроены DLP проекторы

Устройства DLP (Digital Light Processing) состоят из:

• источника света;
• матрицы микроскопических зеркал;
• движущегося светофильтра.

Световой поток от лампы попадает на маленькие зеркала, или DMD-элементы. Это легкие и прочные отражатели, изготовленные из алюминиевого сплава. Гроздья зеркал размещены на жесткой подложке, которая соединена с панелью управления.

Эти отражатели могут поворачиваться влево и вправо от центральной оси, при этом максимальный угол отклонения составляет 10 градусов. Каждый зеркало перемещается двумя электродами, которые расположены по бокам. При подаче электрического импульса к проводникам происходит изменение положения зеркала.

Монохромные световые потоки проходят через вращающийся цветовой фильтр, разные области которого окрашены в красный, синий и зеленый цвет. Частота вращения фильтра определяет период обновления кадров. В современных моделях используется дополнительный прозрачный светофильтр, который увеличивает яркость изображений.

Виды DLP-проекторов

По конструкции оборудование делится на:

• одноматричные;
• двухматричные;
• трехматричные.

Одноматричные модели отличаются классической конструкцией: источник света, отражающая панель и светофильтр. Первые DLP проекторы с одной матрицей появились в конце 1980-х годов.

Двухматричные устройства делят световой поток на две части. Различные матрицы окрашиваются в разные цвета — красный, сине-зеленые оттенки.

Трехматричные проекторы распределяют свет на три группы цветовых генераторов, каждая из которых излучает красные, синие или зеленые оттенки. Такие проекторы обладают более качественной цветопередачей и высокой частотой обновления кадров.