干货| 详解DLP数字光处理技术

新机器视觉 · 公众号 · · 2024-09-13 11:45

正文

DLP是“Digital Light Processing”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。

▊ 综述

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。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。

DLP技术成像原理图

▊ 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。

▉ 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像素，变换速率为1000次/秒，或更快。每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm），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°，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°。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。

▊ 系统分类

单片

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。

两片

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。

三片

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。

▊ 技术特点

技术优点

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。

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。

“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。

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。

图象逼真自然

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。

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。