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一、 百科名片 DLP DLP DLP 是“Digital Light Procession”的缩写,即为数字光处理,也就是说这种技术要先 把影像信号经过数字处理,然后再把光投影出来。它是基于 TI(美国德州仪器) 公司开发的数字微镜元件——DMD(Digital Micromirror Device)来完成可视数字 信息显示的技术。说得具体点,就是 DLP 投影技术应用了数字微镜晶片(DMD) 来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。 二、 数字光处理 其原理是将通过 UHP 灯泡发射出的冷光源通过冷凝透镜,通过 Rod 将光均 匀化,经过处理后的光通过一个色轮(Color Wheel),将光分成 RGB 三色(或 者 RGBW 等更多色),再将色彩由透镜投射在 DMD 芯片上,最后反射经过投影 镜头在投影屏幕上成像。 数字光处理(Digital Light Processing,缩写:DLP)是一项使用在投影仪 和背投电视中的显像技术。DLP 技术最早是由德州仪器开发的。它至今仍然是此 项技术的主要供应商。现在,DLP 技术被很多许可制造商所采用,他们销售的产 品都是基于德州仪器芯片组的。德国德累斯顿 Fraunhofer 学院(The Fraunhofer Institute of Dresden)也生产有着特殊用途的数字光处理器,并把它称作空间光 调节器(Spatial Light Modulators,SLM)。例如,瑞典 Micronic 激光系统公司 (Micronic Laser Systems of Sweden)就在其开发的 Sigma 印版硅模板刻印机中, 利用 Fraunhofer 生产的空间光调节器来生成远紫外线图像。 在 DLP 投影仪中,图像是由 DMD(Digital Micromirror Device,数字微 镜器件)产生的。DMD 是在半导体芯片上布置一个由微镜片(精密、微型的反 射镜)所组成的矩阵,每一个微镜片控制投影画面中的一个像素。微镜片的数量 与投影画面的分辨率相符,800×600、1024×768、1280×720 和 1920 x 1080(HDTV) 是一些常见的 DMD 的尺寸。 这些微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度,一旦接收到相 应信号,微镜片就会倾斜 10°,从而使入射光的反射方向改变。处于投影 状态的微镜片被示为“开”,并随数字信号而倾斜+10°;如果微镜片处于 非投影状态,则被示为“关”,并倾斜-10°。与此同时,“开”状态下被 反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上;而“关”状态下反射 在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。 本质上来说,微镜片的角度只有两种状态:“开”和“关”。微镜片在 两种状态间切换的频率是可以变化的,这使得 DMD 反射出的光线呈现出黑 (微镜片处于“关”状态)与白(微镜片处于“开”状态)之间的各种灰度。 DLP 投影仪主要通过两种方法来产生彩色图像,这两种方法分别被用在单片 DLP 投影仪和三片 DLP 投影仪中。 单片 DLP 投影仪 单片 DLP 投影仪内部只安装一片 DMD 芯片,颜色是通过在光源与 DMD 之 间安装一个色轮来产生的。色轮通常被分为四个区域:红区、绿区、蓝区和 一个用来增加亮度的透明区域。由于透明区域会减弱色彩的饱和度,所以在 某些型号的投影仪中可能会被禁用或者干脆省略掉。 DMD 芯片与色轮的转动保持同步,这样,当色轮中蓝色部分位于光源前 面的时候,DMD 就显示画面中蓝色的部分。红色和绿色的情况也非常类似。 红、绿、蓝三种画面按照顺序以非常高的速度被投射出来,因此观察者就能 看 见 合 成 的 “ 全 彩 色 ” 画 面 了 。在 早 期 的 型 号 中 ,每 显 示 一 帧 画 面 ,色 轮 只 旋转一周。后期的型号中,色轮按照帧速率的两到三倍旋转,其中也有一些 型号同时将色轮上的颜色区域重复两次,这意味着红绿蓝三色序列图像将在 一帧之中重复六次。 三、 成像原理 光源通过色轮后折射在 DMD 芯片上,DMD 芯片在接受到控制板的控制信 号后将光线发射到投影屏幕上。DMD 芯片外观看起来只是一小片镜子,被封 装在金属与玻璃组成的密闭空间内,事实上,这面镜子是由数十万乃至上百 万个微镜所组成的。以 XGA 解析度的 DMD 芯片为例,在宽 1cm,长 1.4cm 的 面积里有 1024×768=786432 个微镜单元,每一个微镜代表一个像素,图像 就由这些像素所构成。由于像素与芯片本身都相当微小,因此业界也称这些 采用微型显示装置的产品为微显示器。 四、 起源 1991 年,30 万像素的液晶投影机已经被推出了,1996 年液晶投影已经 迅速发展到 VGA 甚至 SVGA 数据投影和家庭影院投影的阶段了,但是因为技 术瓶颈,亮度与对比度都很难突破。在这样的背景下,DLP 投影技术走上历 史的舞台顺理成章。 DLP 的技术核心是 DMD 芯片,是由美国 Larry Hornback 博士于 1977 年 发 明 的 。最 开 始 ,主 要 是 为 了 开 发 印 刷 技 术 的 成 像 机 制 ,先 以 模 拟 技 术 开 发 微型机械控制,1981 年才改用数字式的控制技术,正式命名为 Digital Micro-mirror Devices,并开始分成印刷技术与数字成像两个方向来研发。 到了 1991 年德州仪器决定将数字成像的开发独立成一个事业部,并于 1996 年开发出第一个数字图像产品,1997 年正式终止印刷技术的研发,全力进 行数字图像的研发。 五、 DLP 的工作过程 DMD 器件是 DLP 的基础,一个 DMD 可被简单描述成为一个半导体光开关, 50~130 万个微镜片聚集在 CMOS 硅基片上。一片微镜片表示一个象素,变换 速率为 1000 次/秒,或更快。每一镜片的尺寸为 14μ m×14μ m(或 16μ m×16μ m),为便于调节其方向与角度,在其下方均设有类似铰链作用 的转动装置。微镜片的转动受控于来自 CMOS RAM 的数字驱动信号。当数字 信号被写入 SRAM 时,静电会激活地址电极、镜片和轭板(YOKE)以促使铰 链装置转动。一旦接收到相应信号,镜片倾斜 10°,从而使入射光的反射 方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”,并随来自 SRAM 的数字信 号 而 倾 斜 +12°;如 显 微 镜 片 处 于 非 投 影 状 态 ,则 被 示 为 “ 关 ” ,并 倾 斜 -12°。 与此同时,“开”状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏 幕上;而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。简而言之, DMD 的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光,同时通过光吸收器吸收不 需要的光来实现影像的投影,而其光照方向则是借助静电作用,通过控制微 镜片角度来实现的。 通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行寻址,DMD 阵列 上的每个镜片以静电方式倾斜为开或关状态。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,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形像素投影 图像。当 DMD 座板、投影灯、色轮和投影镜头协同工作时,这些翻动的镜 面就能够一同将图像反射到演示墙面、电影屏幕或电视机屏幕上。 六、 DMD 成像的优势 DMD 可以提供 1670 万种颜色和 256 段灰度层次,从而确保 DLP 投影机 可投影的活动影像画面色彩艳丽的细腻、自然逼真。 DMD 最多可内置 2048×1152 阵列,每个元件约可产生 230 万个镜面, 这种 DMD 已有能力制成真正的高清晰度电视。 1. 抹去图象中的缺陷 DMD 微镜器件非凡的快速开关速度与双脉冲宽度调制的一种精确的图像 颜色和灰度复制技术相结合,使图像可以随着窗口的刷新而更加清晰,通过 增强对比度,描绘边界线以及分离单个颜色而将图像中的缺陷抹去。 2. 避免“纱门”效应 在许多 LCD 投影图像中,我们会看到当一个图像尺寸增加时,LCD 图像 中的缝隙将变得更大,而在 DLP 投影机中则不会出现这样的情况,DMD 镜面 的大小和形状决定了这一切。每个镜片 90%的面积动态地反射光线以生成一 个投影图像,由于一个镜头与另一个镜头之间是如此的接近,所以图像看起 来没有缝隙。DMD 镜片体积微小,每一侧边的长度为 16 微米,相邻镜头之 间的缝隙小于 1 微米。镜头是方形的,所以每一个镜片显示的内容要比实际 图像更多。再加上当分辨率增加时大小及间距仍保持一致,因此无论分辨率 如何变化,图像始终能够保持很高的清晰度。 3. 与光亮并存 许多观众经常会希望在观看投影时保持亮度或打开窗帘,与传统投影机 相比,DLP 投影机将更多的光线打到屏幕上,这也有赖于 DLP 本身的技术特 点。DMD 的强反射表面通过消除光路上的障碍以及将更多的光线反射到屏幕 上,而最大化地利用了投影机的光源。DLP 技术依据图像的内容对图像进行 反射,DLP 的光源有两种工作方式,或者通过一个透镜打到屏幕上,或者直 接进入一个吸光器。更为有利的是,基于 DLP 技术的投影机的亮度是随着分 辨率的增加而增加的。在如 XGA 和 SXGA 等更高分辨率的情况下,DMD 提供 更多的反射面积,如此一来就可以更为有效地利用灯光的亮度。 4. 图象更加逼真自然 DLP 不仅仅是简单地投影图像,它还对它们进行了复制。在它的处理过 程中,首先将源图像数字化为 8 到 10 位每色的灰度图像。然后,这些二进 制图像输入进 DMD,在那里它们与来自光源并经过仔细过滤的彩色光相结合。 这些图像离开 DMD 后就成像到屏幕上,保持了源图像所有的光亮和微妙之处。 DLP 独一无二的色彩过滤过程控制了投影图像的色彩纯度,此技术的数字化 控制支持无限次的色彩复制,并确保了原始图像栩栩如生地再现。随着其它 显示技术及摄影技术的出现,DLP 使得那些无生命的图像拥有了逼真的色彩。 数字色彩的再现保证了图像与真实物质的还原性,而且没有发亮的斑点或其 它投影机典型的冲失现象。 5. 可靠性高 DMD 不仅通过了所有的标准半导体资格测试,系统制造非常严格,需要 经过一连串的测试,所有元件均经过挑选证实可靠才能用作制造数码电子部 分驱动 DMD,而且还证明了在模拟操作环境中,它的生命期超过 10 万个小 时。测试证明,DMD 可以进行超过 1700 万亿次循环无故障运行,这相当于 投影机的实际使用时间超过 1995 年。其它测试结果显示,DMD 在超过 11 万 个电力周期和 11000 个温度周期下无故障,以确保在需求较大的应用领域中 提供 30 年以上的可靠运行期。 6. 更便利的可移动性 根据一般应用需求来看,一个单片 DMD 就可以实现大小、重量和亮度的 统一,目前,大部分的家用或商用 DLP 投影机都采用了单片结构,而更高级 的三片结构一般只应用在数字影院或高端领域,因此,用户可以得到一个更 小、更亮、更易于携带而且足以提供出色图像质量的系统 DLP 技术是全数字 底层结构,具有最少的信号噪音。 七、 DLP 系统的分类 1. 单片 DLP 系统 在一个单 DMD 投影系统中,需要用一个色轮来产生全彩色投影图像。色 轮由红、绿、蓝滤波系统组成,它以 60Hz 的频率转动。在这种结构中,DLP 工作在顺序颜色模式。输入信号被转化为 RGB 数据,数据按顺序写入 DMD 的 SRAM,白光光源通过聚焦透镜聚集焦在色轮上,通过色轮的光线然后成像在 DMD 的表面。当色轮旋转时,红、绿、蓝光顺序地射在 DMD 上。色轮和视频 图像是顺序进行的,所以当红光射到 DMD 上时,镜片按照红色信息应该显示 的位置和强度倾斜到“开”,绿色和蓝色光及视频信号亦是如此工作。人体 视觉系统集中红、绿、蓝信息并看到一个全彩色图像。通过投影透镜,在 DMD 表面形成的图像可以被投影到一个大屏幕上。 2. 双片 DLP 系统 这种系统利用了金属卤化物灯红光缺乏的特点。色轮不用红、绿、蓝滤 光片,取而代之使用两个辅助颜色,品红和黄色。色轮的品红片段允许红光 和蓝光通过,同时黄色片段可通过红色和绿色。结果是红光在所有时间内都 通过,蓝色和绿色在品红-黄色色轮交替旋转中每种光实质上占用一半时间。 一旦通过色轮,光线直接射到双色分光棱镜系统上。连续的红光被分离出来 而射到专门用来处理红光和红色视频信号的 DMD 上,顺序的蓝色与绿色光投 射到另一个 DMD 上,专门处理交替颜色,这一 DMD 由绿色和蓝色视频信号驱 动。 3. 三片 DLP 系统 另外一种方法是将白光通过棱镜系统分成三原色。这种方法使用三个 DMD,一个 DMD 对应于一种原色。应用三片 DLP 投影系统的主要原因是为了 增加亮度。通过三片 DMD,来自每一原色的光可直接连续地投射到它自己的 DMD 上。结果更多的光线到达屏幕,给出一个更亮的投影图像。这种高效的 三片投影系统被用在超大屏幕和高亮度应用领域。 八、 DLP 的潜在问题 人们常常提到的 DLP 投影机弱点只有一个,即“彩虹效应”,具体表现 是色彩被简单地分离出明显的红、绿和蓝三种单色,看起来像雨后彩虹一样。 这是由于用一个旋转色轮来调制图像色彩而产生的,同时因为有些人的视觉 系统特别灵敏,能察觉出一种彩色转换到另一种彩色的过程,而不是像大多 数人那样靠视觉暂留现象把几种单色混合成新的色彩。除了某些用户能把色 彩分离出来,还有些用户可能因为色彩的迅速变化,而产生眼睛胀痛和头痛 的情况。而 LCD 投影机和三片式 DLP 投影机都不会有这种现象,它们在物理 结构上就是把三个固定的红、绿、蓝图像叠加而成。 这 一 问 题 对 不 同 的 人 ,作 用 是 不 一 样 的 。某 些 人 能 看 出 彩 虹 效 应 ,甚 至 严重到画面几乎不能看。有些人只是偶尔会看到彩虹痕迹,远没到无法欣赏 画面的程度。对于后者来说,DLP 的这一缺点就没有实用上的影响。更幸运 的是大多数人既看不出彩虹痕迹,也不会被眼胀、头痛所困惑。请想想如果 人人都能在 DLP 投影机上看到彩虹效应,DLP 投影机也就失去了存在的机会。 但不管怎样彩虹效应总是一个问题。德州仪器公司和用 DLP 技术制造投 影机的厂商还是在尽力解决这一问题。第一代 DLP 投影机色轮每秒旋转 60 次,相当于帧频 60Hz,或每分钟 3600 转。在色轮中,红、绿、蓝像素各一 段,所以,每种颜色每秒刷新也是 60 次。这种第一代产品称为“1X”转速。 第一代产品还有少数人能看到彩虹效应,改进的第二代产品的色轮转速 上升到 2X,即 120Hz 和 7200RPM,能看到彩虹效应的人就更少了。 今天,很多专为家庭影院市场设计的 DLP 投影机用六段色轮、色轮转一 圈出现两次红、绿、蓝,且色轮又以 120Hz 或 7200RPM 旋转,这样在商业上 就称之为 4X 转速。不断提高色彩刷新速度,看得出彩虹效应的人数也就愈 来愈少。但到目前,彩虹疚对少部份观众来说还是个问题。 九、 DLP 技术的应用 DLP 技术是一种独创的、采用光学半导体产生数字式多光源显示的解决 方案。 它是可靠性极高的全数字显示技术,能在各类产品(如大屏幕数字电 视、公司/家庭/专业会议投影机和数码相机(DLP Cinema))中提供最佳图像 效果。同时,这一解决方案也是被全球众多电子企业所采用的完全成熟的独 立技术。自 1996 年以来,已向超过 75 家的制造商供货 500 多万套系统。 DLP 技术已被广泛用于满足各种追求视觉图像优异质量的需求。它还是 市场上的多功能显示技术。它是唯一能够同时支持世界上最小的投影机(低 于 2-lbs)和最大的电影屏幕(高达 75 英尺)的显示技术。这一技术能够 使图像达到极高的保真度,给出清晰、明亮、色彩逼真的画面。 十、 DLP 的技术特点 1. 技术优点: DLP 显示板的优点是它们有极快的响应时间。你可以在显示一帧图像时 将独立的像素开关很多次。它使利用一块显示板通过逐场过滤 (field-sequential)方式产生真彩图像。步骤如下:首先,绿光照射到面 板上,机械镜子进行调整来显示图像的绿色像素数据。 然后镜子再次为图 像的红色和蓝色的像素数据进行调整。(一些投影仪通过使用第四种白色区 域来增加图像的亮度并获得明亮的色调。)所有这些发生得如此之快,以致 人的眼睛无法察觉。循序出现的不同颜色的图像在大脑中重新组合起来形成 一个完整的全彩色的图像。 对高质量的投影系统,可以使用 3 块 DLP 显示板。每块板分别被被打上 红 色 、绿 色 和 蓝 色 ,图 像 被 重 组 为 一 个 单 一 的 真 彩 色 的 图 像 。这 种 技 术 已 经 被用在一些数字电影院中的大型投影设备上。DLP 显示板有高分辨率而且非 常可靠。 它们的对比度大约是多晶硅 LCD 投影仪的两倍,这使它们在明亮 的房间中更有效。 2. 技术缺点: DLP 本身几乎没有什么问题,但是它们比多晶硅面板更贵。当你仔细观 察屏幕上移动的点的时候,(尤其是在黑色背景上的白点),你会发现采用 逐场过滤方式的图像将会分解为不同的颜色。使用投影机时,电机带动色轮 旋转时会发出一定的噪音。现在市面上的一种新的固态滤色系统可以较好的 解决这个问题。

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