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德仪专利 数字光学处理(DLP)技术介绍

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  数字光学处理(DLP™)是投影和显示信息的一个革命性的新方法。基于Texas仪器公司开发的数字微反射镜器件(DMD™),DLP完成了显示数字可视信息的最终环节。数字光学处理(DLP™)技术在消费者、商业和投影显示工业的专业领域方面被作为子系统或“发动机”提供给市场主管。正如CD在音频领域的革命一样,DLP将在视频投影方面带来革命。

  DLP有三个超过现有投影技术的关键优势。DLP固有的数字性质能使噪声消失,获得具有数字灰度等级的精细的图像质量以及颜色再现。它的数字性质也把DLP置于数字视频底层结构的最后环节。DLP比与此竞争的透射式液晶显示(LCD)技术更有效,因为它以反射式DMD为基础,不需要偏振光。最后,封闭间隔的微反射镜使视频图像投影成具有更高可见分辨率的无缝隙图像。对于影视投影显示、计算机幻灯展示或全球范围内多人通过交互技术进行合作方面,DLP是现在和未来在数字可视通信方面的唯一选择。

  数字光学处理:如何工作

  正如中央处理单元(CPU)是计算机的核心一样,DMD是DLP的基础。单片、双片以及多片DLP系统被设计出来以满足不同市场的需要(附录A)。一个DLP为基础的投影系统包括内存及信号处理功能来支持全数字方法。DLP投影机的其它元素包括一个光源、一个颜色滤波系统、一个冷却系统、照明及投影光学元件。

  一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上万个微小的方形16x16um镜片,被建造在静态随机存取内存(SRAM)上方的铰链结构上而组成DMD(图1)。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜,+10度为“开”。-10度为“关”,当镜片不工作时,它们处于0度“停泊”状态(附录B)。

  根据应用的需要,一个DLP系统可以接收数字或模拟信号。模拟信号可在DLP的或原设备生产厂家(OEM’s)的前端处理中转换为数字信号,任何隔行视频信号通过内插处理被转换成一个全图形帧视频信号。从此,信号通过DLP视频处理变成先进的红、绿、蓝(RGB)数据,先进的RGB数据然后格式化为全部二进制数据的平面。

  一旦视频或图形信号在一种数字格式下,就被送入DMD。信息的每一个象素按照1:1的比例被直接映射在它自己的镜片上,提供精确的数字控制,如果信号是640x480象素,器件中央的640x480镜片采取动作。这一区域处的其它镜片将简单的被置于“关”的位置。

  图1:一个848x600数字微镜器件。器件中部反射部分包括508,800个细小的、可倾斜的镜片。一个玻璃窗口密封和保护镜片。DMD显示为实际尺寸。

  通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址,DMD阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态。决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。镜片可以在一秒内开关1000多次,这一相当快的速度允许数字灰度等级和颜色再现。

  在这一点上,DLP成为一个简单的光学系统。通过聚光透镜以及颜色滤波系统后,来自投影灯的光线被直接照射在DMD上。当镜片在开的位置上时,它们通过投影透镜将光反射到屏幕上形成一个数字的方型象素投影图像(图2)。

图2:三个镜片有效地反射光线来投影一个数字形象

  入射光射到三个镜片象素上,两个外面的镜片设置为开,反射光线通过投影镜头然后投射在屏幕上。这两个“开”状态的镜片产生方形白色象素图形。中央镜片倾斜到“关”的位置。这一镜片将入射光反射偏离开投影镜头而射入光吸收器,以致在那个特别的象素上没有光反射上去,形成一个方形、黑色象素图像。同理,剩下的508797个镜片象素将光线反射到屏幕上或反射离开镜片,通过使用一个彩色滤光系统以及改变适量的508,800DMD镜片的每个镜片为开态,一个全彩色数字图像被投影到屏幕上。

  数字优势:

  早在十年前音频世界已开始数字技术的流行趋势。目前,大量的新的数字视频技术已经进入娱乐及通信市场。数字卫星系统(DSS)很快成为所有时期内销售最快的电子产品,按照于它进入市场的第一年销售记录。Sony,JVC和Panasonic最近都已引进了数字照相设备。

  EPSON、Kodak和Apple是现在在市场上已经拥有数字照像机的几家公司。数字万用盘(DVD),被广泛地认为是新的存储媒介,将以其好于少许光视盘视频质量的在一张盘面上存放17G字节信息的能力放映全长度电影。

  今天,我们已经拥扑拥捉、编辑、广播、接收数字信息的能力,不过必须先把它转换成模拟信号后才能显示。DLP具有完成数字视频底层结构的最后环节的能力,并且为开发数字可视通信环境提供一个平台。信号每次由数字转换为模拟(D/A)或从模拟转换为数字(A/D),信号噪音都会进入数据通道。转换越少噪声越降,并且当(A/D)、(D/A)转换器减少时成本随之降低。DLP提供了一个可以达到的显示数字信号的投影方法,这样就完成了全数字底层结构(图3)。

图3:视频底层结构。DLP为一个完全数字视频底层结构提供了最后环节


  DLP的另一个数字优势是它的精确的灰度等级与颜色水平的再生,并且因为每个视频或图像帧是由数字产生,每种颜色8位到10位的灰度等级,精确的数字图象可以一次又一次地重新再现。例如:一个每种颜色为8位的灰度等级使每个原色产生256不同的灰度,允许数字化生成256x3,或16.7百万个不同的颜色组合(图4)。

图4:DLP可产生数字灰度等级和颜色等级

  假设每种颜色用8位,可以数字化地产生16.7x10的6次方个颜色组合。以上是每一种原色不同灰度的几种组合和产生的数字象素颜色。

  反射优势:

  因为DMD是一种反射器件,它有超过60%的光效率,使得DLP系统比LCD投影显示更有效率。这一效率是反射率、填充因子、衍射效率和实际镜片“开”时间产生的结果。

  LCD依赖于偏振,所以其中一个偏振光没有用。这意味着50%的灯光甚至从来不进入LCD,因为这些光被偏振片滤掉了。剩下的光被LCD单元中的晶体管、门、以及信号源的线所阻挡。除了这些光损失外,液晶材料本身吸收了一部分光,结果是只有一少部分入射光透过LCD面板照到屏幕上。最近,LCD在光学孔径和光传输上有经验上的进展,但它的性能仍然有局限,因为它们依赖于偏振光。

  无缝图像优势

  DMD上的小方镜面积为16um平方,每个间隔1um,给出大于90%的填充因子。换言之,90%的象素/镜片面积可以有效地反射光而形成投影图像。整个阵列保持了象素尺寸及间隔的均匀性,并且不依赖于分辨率。LCD最好也只有70%的填充因子。越高的DMD填充因子给予出越高的可见分辨率,这样,加上逐行扫描,创造出比普通投影机更加真实自然的活生生的投影图像(图5,6a和6b)。

  主导的视频图形适配器(VGA)LCD投影机用来投影图5的鹦鹉照片。在图6a中,可以很容易看到LCD投影机中常见的象素点、屏幕门效应。同样这副鹦鹉的照片用DLP投影机投影成像,如图6b所示。由于DLP的高填充因子,屏幕门效应不见了,我们所看到的是由信息的方形象素形成的数字化投影图像。尽管,如证明过的一样,两个投影机投影的图像分辨率是相同的,通过DLP人眼可以看到更多的可视信息、察觉到更高的分辨率。如照片表明的一样,DLP提供令人喜爱的更加优质的画面。图5:用来证明DLP优点的照片。一个鹦鹉的数字化照片被用来证明无缝的象胶片一样效果的DLP图像的优点,其细节将在图6a和6b演示。

图6:LCD投影图像(a)和DLP投影图像(b)中实际的特写图像

  一个三板多晶硅VGA分辨率的LCD投影机(a)和一个单片VGA分辨率的DLP投影机(b)都投影显示在图5中的鹦鹉的照片,LCD和DLP照片都在相同条件下摄得,每个投影机都把聚焦、亮度和颜色调到最佳。注意,LCD图像中象素的高水平对照于无缝DLP图像。DLP提供了优越的图像质量,因为DMD镜片象素间隔仅为1um,这样消除了象素。

  可靠性

  DLP系统成功地完成了一系列规定的、环境的及操作的测试。选择已证明可靠的标准元件来组成用于驱动DMD的数字电路。对于照明和投影透镜,无明显的可靠性降低的现象。绝大部分可靠性测试集中在DMD上,因为它依赖于移动铰链结构。为测试铰链失灵,大约100个不同的DMD被用于模拟一年的操作。一些DMD已经被测试了超过1G次循环,相当于20年的操作。在这些测试以后检查这些器件 ,发现在任何器件上均无铰链折断现象。铰链失灵不是DMD可靠性的一个因素。

  DMD已通过所有标准半导体合格测试。它还通过了模拟DMD实际操作环境条件的障碍测试,包括热冲击、温度循环、耐潮湿、机械冲击,振动及加速实验。基于数千小时的寿命及环境测试,DMD和DLP系统表现出内在的可靠性。

  结论

  简而言之,DLP是由数字电路驱动的光学系统。数字电路及光学元件会聚于DMD。用一个视频或图形输入信号,DLP创造出具有史无前例图像质量的数字投影图像。

  DLP有三个关键的优势超过现在的投影技术。DLP的数字本质能实现数字灰度等级和颜色再现,并且把DLP置于数字视频底层结构的最后一环。因为它以反射DMD为基础,所以DLP比与其竞争的透过式LCD技术更有效。最后,DLP有产生无缝、胶片式图像的能力,DLP使图像更为好看。你已听说过数字革命,那么现在你可以用数字光学处理看到它。


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