4.3.5. Dmd/dlp-проекторы

Добиться мощного светового потока позволяют отражательные проекторы, в которых модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. Фирма Texas Instruments разработала отражательные проекторы, использующие технологию DMD/DLP. В таких проекторах в качестве модулятора используется матрица DMD (Digital Micromirror Device – цифровой микрозеркальный прибор).

Устройство DMD-матрицы. DMD-матрица представляет собой кремниевую пластину с массивом размещенных на ее поверхности отражательных элементов – микроскопических зеркал размером 16×16 мкм. На рис. 4.18 приведена часть массива отражающих элементов DMD-матрицы.

Рис. 4.18. Часть массива отражающих элементов DMD-матрицы (при большом увеличении)

На рис. 4.19 показано устройство DMD-кристалла. Зеркало жестко прикреплено к подвижной индивидуальной подложке, которая соединена, в свою очередь, с неподвижным основанием посредством упругих пластин (на рис. 4.19 эти пластины выделены белым цветом).

Рис. 4.19. Устройство DMD-кристалла:

1 – зеркало, отклоняющееся на –10; 2 – зеркало, отклоняющееся на +10; 3 – подвеска; 4 – подложка зеркала; 5 – поворотная пластина; 6 – база матрицы

Под действием электростатических сил, формируемых интегрированной в пластину микросхемой, подложка с зеркалом поворачивается вокруг оси, параллельной одной из диагоналей зеркала (направления осей вращения всех микрозеркал совпадают). При работе устройства поворот осуществляется в одну или другую сторону всегда на 10, считая от горизонтального положения зеркала до упора. Когда конкретное микрозеркало поворачивается так, что свет отражается в направлении оптической системы проектора, на экране «включается» пиксель. При другом положении зеркала свет отражается в специальный поглотитель и на экране формируется темный пиксель.

При работе DMD-матриц исследователи столкнулись со сложнейшей проблемой прилипания углов подложек к неподвижному основанию. На основе китового жира было создано покрытие с прилипанием вчетверо меньшим, чем у тефлона.

DMD послужила ключевым элементом технологии DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка света). Существуют одно- , трех- и двухматричные DLP-проекторы. С увеличением количества матриц улучшается качество выводимого на экран изображения. Но и цена проектора также возрастает. Считается, что на сегодняшний день наилучшим соотношением цена/качество обладают одноматричные DLP-проекторы.

Одноматричные DLP-проекторы. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора приведена на рис. 4.20.

Рис. 4.30. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора: 1 – источник света; 2 – вращающийся диск с цветными светофильтрами (R, G, B); 3 – световод; 4 – DMD; 5 – объектив; 6 – призма полного внутреннего отражения

Световой поток от лампы фокусируется на входе световода, в котором достигается равномерность потока по сечению. Затем, проходя через систему линз и призму полного внутреннего отражения, световой поток формируется по размеру DMD-матрицы и попадает на нее. В зависимости от положения каждого микрозеркала, отраженная им часть светового потока направляется либо в объектив, проецирующий изображение на экран, либо в поглотитель, сводящий к минимуму засветку экрана. Цветной кадр формируется в результате последовательного отображения трех быстроменяющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Монохромные кадры формируются путем последовательного освещения DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания света проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами. Управление микрозеркалами осуществляется синхронно с вращением диска. Черный цвет формируется за счет поворота микрозеркала в такое положение, когда свет направляется в поглотитель. Яркость изображения варьируется за счет быстрого чередования во времени черных и освещенных моментов времени воспроизведения пикселей, воспринимаемых человеческим глазом усредненно (чем чаще пиксель изображения воспроизводится черным, тем темнее он кажется).

Цикл работы микрозеркала (от одного поворота до следующего) составляет около 15 мкc. Человеческий глаз усредняет видимые изображения, получаемые им, примерно в течение 30 мс. За это время на экране можно сгенерировать около 2000 изображений трех базовых цветов и черного (когда свет не попадет на экран), чего вполне достаточно для того, чтобы получить полноцветное (16,7 млн оттенков) изображение.

Рассмотренная одноматричная схема применяется главным образом в очень легких (массой до 3,5 кг) проекторах. В недорогих моделях могут отсутствовать световод и призма полного внутреннего отражения. В этом случае изображение оказывается несколько смещенным относительно оптической оси объектива, но этот эффект практически не влияет на качество формируемого на экране изображения.

Одноматричные DLP-проекторы имеют недостатки.

Заметно мелькание кадров. Чтобы сделать его незаметным, частоту смены монохромных кадров необходимо увеличить в три раза по сравнению с частотой кадров в трехматричном DLP-проекторе. Это требует повышения скорости вращения светофильтра, что значительно усложняет схему управления DMD-матрицей.

При использовании вращающегося светофильтра невозможно обеспечить раздельную регулировку яркости и насыщенности изображения, т.к. насыщенность определяется площадью цветных светофильтров, а яркость – площадью неокрашенного участка светофильтра, предназначенного для формирования монохромного изображения, то увеличение яркости ведет к снижению насыщенности, и наоборот.

Более качественное изображение формирует трехматричный DLP- проектор.

Трехматричный DLP-проектор. Оптическая схема трехматричного DLP-проектора приведена на рис. 4.21.

Рис. 4.21. Оптическая схема трехматричного DLP-проектора: 1 – источник света; 2 – схема формирования параллельного светового потока (система линз и зеркал, тепловой фильтр, интегральный конденсор); 3 – DMD (B); 4 – DMD (G); 5 – DMD (R); 6 – призма полного внутреннего отражения; 7 – объектив; 8 – дихроичная призма; 9 – полноцветный световой поток

Трехматричные проекторы концептуально устроены проще, хотя по размеру, массе и цене они на порядок или два превосходят одно- и двухматричные проекторы. Дело в том, что они снабжены более мощной лампой, более совершенной оптикой и электроникой.

Цветовой фильтр в трехматричных DLP-проекторах отсутствует. Прошедший через призму полного внутреннего отражения световой поток поступает в систему дихроичных призм, разделяющих его на потоки базовых цветов, каждый из которых направляется на предназначенную только для него DMD-матрицу.

Для трехматричной схемы были разработаны специализированные процессоры; они преобразуют видеосигнал, описывающий состояние экрана монитора компьютера в последовательность из нескольких сот загрузок матриц DMD.

Двухматричный DLP-проектор. Оптическая схема двухматричного DLP-проектора приведена на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Оптическая схема двухматричного DLP-проектора: 1 – источник света; 2 – цветовой фильтр (Y, M); 3 – световод; 4 – DMD (R); 5 – DMD (G, B); 6 – призма полного внутреннего отражения; 7 – объектив

Появление двухматричных проекторов связано со спецификой источников света, использовавшихся на определенном этапе развития технологии. В таких проекторах фильтр содержит секторы только двух цветов: желтого (смесь красного и зеленого: Y=R+G) и фиолетового (красный с синим: M=R+B). После разделения с помощью дихроичных призм прошедшего через фильтр света на составляющие поток красного цвета постоянно направляется на одну из двух DMD-матриц, а на вторую, в зависимости от положения фильтра, поступает то зеленый, то голубой. Такая схема с избытком красного цвета позволяет применять в качестве источника наиболее долгоживущие лампы с характерным для их спектра излучения недостатком красной составляющей. В DMD/DLP-проекторах потери энергии светового потока значительно сократились, т.к. система работает на «отражение», не требуется поляризация светового потока. Световая эффективность DMD на 60 % выше по сравнению с LС. Микрозеркала (16×16 мкм²) разделены зазором всего в один микрон, поэтому 90 % площади зеркальной панели способно отражать свет, в то время как только 70 % площади LС-матриц пропускает свет.

Однако DMD/DLP-проекторы имеют недостатки, ограничивающие их применение. DMD-матрица содержит механические элементы (упругие пластины, подвижные подложки, микрозеркала), что существенно усложняет, а следовательно и удорожает их производство. Увеличение разрешения DMD-матрицы требует увеличения ее размера.

Исследователи искали для проецирования технологию, которая бы использовала отраженный свет, но, в то же время, производство светомодулирующей матрицы легко вписывалось в типовой процесс изготовления CMOS-структур и, следовательно, светомодулирующая матрица потенциально могла стать относительно недорогой. Такой технологией стала LCOS ( Liquid Crystal on Silicon – жидкие кристаллы на кремниевой подложке).