DLP技术在投影仪光电成像的应用与分析

DLP技术在投影仪光电成像的应用与分析李健敏【摘要】介绍了DLP投影仪的结构、成像原理及成像特点。【关键字】数字光处理；数字微镜元件；投影成像；色盘【Abstract】DLPtechnologyusingprojectorisintroduced.Theprincipleofsingle,doubleandthreeDMDinProjectorareanalyzed.ThetechnologyandcharacteristicsofcolorfilterinDLPtechnologyareexplained.【Keywords】DLP;DMD;projectiondisplay;colorfilter一引言投影仪作为一种重要的计算机图形图像输出设备。在教学、演示、娱乐等方面正得到越来越广泛的应用。DLP是“DigitalLightProcessing”的缩写，即为数字光处理，这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。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(德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(DigitalMicromirrorDevice)来完成显示数字可视信息的技术。DMD芯片是一个基于半导体的MEMS长方形阵列，阵列由数百万个微镜镜面所组成。这些微镜镜面和投影图像中的像素相对应，它们和数字信号、投影光源和投影镜头协同工作，就能够在屏幕上忠实地再现影像和图形。二DLP投影成像的结构与原理DLP投影仪的核心部件为DMD芯片，其它的部件还有：灯泡、光学棱镜和投射镜头。DLP投影仪根据DMD芯片的数量又分为单片、双片和三片DMD投影仪。1．单片DMD式投影机单片式是三种DLP投影仪中结构最简单的一种，所谓单片式是指只使用一块DMD模组。如上图所示，单片DMD式投影机系统的光源发射各种色彩的光线，经过光学透镜聚焦后投射到一个RGB色彩滤光器（colorfilter）上，滤光器为一彩色转盘，转盘上被分割成红、绿、蓝三个区域。工作时，该盘高速旋转，借助时分方案(time-sharingformula)，光透过此转盘会分为红、绿、蓝三色光，随后这些光线再通过光学透镜平行投射到DMD上，DMD芯片上有很多微小的镜片组成(如果分辨率800×600，则DMD芯片上有48万个小镜片)，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器DLP调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，每个小镜片均可在一定角度之间自由旋转并且由电磁定位。信号输入后，在经过处理后作用于DMD芯片，从而控制镜片的开启和偏转。入射光线在经过DMD镜片的反射后由投影镜头投影成像。最终重现在投影屏幕上的是最多可达1870万种颜色、色彩斑斓的彩色影像。很明显，这一系统的色彩重现质量主要取决于RGB色彩转盘的性能。单片式DLP中的RGB三元色其实是由色彩滤光器产生的。先让投射光源产生规则的红、绿、蓝光线，再利用数位影像信号处理技术让DMD的镜子变化与RGB光源变化形成同步，因为人眼有视觉暂留的现象，不仅可以感觉到RGB重组的彩色信号，也可以让快速移动的画面感觉出连续动作。目前标准NTSC影像信号的每一扫描时间是16.7ms，单片式DLP投影仪呈现数字化后的NTSC影像的话，转盘的转动速度至少要在5.6ms以下，DMD可以提供的256段角度变化等于提供了256种颜色变化，所以单片DLP投影仪可以呈现256*256*256（等于16777216）种颜色。目前常用的几种色盘处理技术及特点：由于单片DMD投影仪色盘在同一时间内一次只能处理一种颜色，因此会带来部分的亮度的损失，同时由于不同颜色光的光谱波长的固有特性存在着差别，从而会产生色彩还原的不同，画面色彩往往表现出红色不够鲜艳。因此，如何使投影仪既具有足够的显示亮度，同时又能充分的保证色彩的真实还原，是每个DLP投影仪在产品设计中的一个关键的问题，而其中一个最重要的因素，就是色盘技术的设计解决方案。（1）三段色盘RGB：由红R、绿G、蓝B三元色组成，不同产品其红、绿、蓝的开口角度的设计各不相同。一般来说，红色开口角度较大，这样可以弥补图像红色的不足。采用该色盘技术的前提条件是投影仪光机部分具有比较足够的光亮度，否则可能会带来图像的亮度问题，使用三段色盘技术的色彩还原性相对来说比较好。（2）四段色盘RGBW：由红R、绿G、蓝B、白W四段色组成，加白段色的目的主要是为了进一步提高投影机亮度，一般可比三段色盘提高20%左右。但同时这种色盘技术也会带来投影仪的色彩还原不够的问题，使图像色彩失真，降低了画质。另外，在设计中可以将脉冲信号同步锁定在W段中，脉冲宽度与W段宽度对应，可以一定程度上减少画面的闪烁现象。该技术主要应用在会议室、教学用投影机。（3）六段色盘RGBRGB：由于DLP技术越来越广泛的应用在具有巨大市场潜力的家庭影院投影和背投电视，因此人们对DLP的色彩体现和播放连续动态视频画面效果提出了更高的要求。六段色盘是由RGBRGB共6段颜色组成的色盘，随着色盘转速相应提高（180Hz）和单位时间内处理画面更多，因此这种设计有效地减少了运动图象和边缘的彩虹效应，视频动态效果更好，图像的色彩更丰富、更艳丽。但由于六色分段分隔较多，集光柱通过各色段之间时光损耗也较多，投影机的光亮度往往比较低，因此也有少数投影机厂家开始设计采用7段色轮RGBRGBW技术，以提高投影机亮度和减少画面的闪烁。该技术主要用于针对家用消费和视频要求较高的应用。（4）增益型色轮SCR：SCR（SequentialColorRecapture）也称连续色彩补偿技术，其基本原理与以上色轮技术相似，不同之处在于色轮表面采用阿基米德原理螺旋状光学镀膜，集光柱（光通道）采用特殊的增益技术，可以补偿部分反射光，使系统亮度有较大提高（约40%）。但该色盘的处理技术相对较复杂，从技术发展方向来说，该技术非常具有市场潜力。2．三片DMD式投影机以上我们分析了单片式DLP的工作原理，三片DMD式投影机系统采用3片DMD对光线信号进行分析，在相同的光源下可以較单片式DLP投影仪拥有更大的亮度表现。三片式DLP的工作原理是，光通过一个色彩滤光镜被分成红、绿、蓝三色光的。为了重现红、绿、蓝三色，三棱镜会将光分别分配给三片DMD，反射在DMD上的光借助色彩三棱镜再重新聚焦在一起，并通过透镜被投影到屏幕上。由于每一片DMD仅承担一种颜色的反射，因此相对单片式DLP系统而言，光在三片式DLP系统获得了更有效的使用。在该系统，光源的亮度越高，那么投影到屏幕上的影像画面也就越明亮。此类投影机的亮度可高达10000流明(ANSI)。3．双片DMD式投影机双片式DLP算得上是单片式和三片式的综合体，双片式拥有会旋转的彩色转盘，同時也使用兩片DMD。比较不同的是双片式的紅色依然位于一个DMD之上，另一片DMD负责的则是蓝色与绿色的混合色青色（Cyban），色盘上则是黄和紫红两种颜色，双板式的彩色原理使用的正是CMYK印刷四色原理。在双片式DLP的色盘上只有黄色以及紫红两种颜色，两个DMD也是利用棱镜将光源平分，两个DMD分別是红色以及青色，在CMYK四色的理论上，红色无论加上黄色或是紫红色，它依然是红色，而青色加上黄色则是绿色，紫红色加上青色则是蓝色，这样一来，双片式DLP依然可以重现RGB三元色。双片式最大的好处就是可以有效的提升画面的亮度。为什么这么说呢？以黑色及白色为例，在三片式DLP当中如果想要呈现这两种颜色，等于是要让三片DMD全开或是全关，此时画面表现会受到光源本身色溫的影响，就好像LCD投影仪的黑色没办法做到纯黑，白色没办法做到纯白。使用CMYK四色理论之后，构成白色、黑色画面时不再需要DMD全开或是全关，画面的整体平均色溫可以做得更亮更准确，依照TI公司的测试结果，双片式的效率可以比单片式提升约3流明，纯黑及纯白也比三片式要自然。三DLP投影成像的技术特点1、DLP投影仪采用发射式原理，对比度高，黑白图像清晰锐利，暗部层次丰富，细节表现丰富；黑色和白色更纯正，灰度层次更加丰富，文本清晰，尤其是一些小字号文本时非常清晰。2、大多数的DLP光机使用单片结构，光学结构简单，可以实现更小的体积和更轻的重量。3、由于DLP投影机提供特别快的响应速度，所以影像重现质量更好。正是由于DLP投影机具备以上优点，因此备受关注，尤其是用于家庭影院更有优势。吸引了不少开发商步入此类产品的开发行列。目前，DLP投影机的品种和类型不断增多，使用范围也不断拓宽，从超小型业务型投影机到家庭影院用甚至专业影院用的投影机已一应俱全。四总结通过上面的分析可以知道，DLP投影技术是一项划时代的全数字式投影技术。并且有理由可以相信，随着DMD成品率的提高和DLP投影技术的发展，以及解决视频信号转换和进一步增强DLP的显示质量，它必将会拥有更加广阔的前景。参考文献：〔1〕邹静，吴荣治.数字光处理（DLP）投影系统〔J〕.电视技术，2003（4）：36-38.〔2〕范朝勋.移动投影和LED投影机〔J〕.现代显示，2005，10（56）：32-36