A DLP (Digital Light Processing) technológia hosszú évek óta folyamatosan fejlődik, és a pikoprojektoroktól az óriás fényerejű vetítőkig minden projektorkategóriában használják. Jelenleg egyike a két uralkodó projektortechnológiának, vagyis az LCD tehnológiával versengve osztozik a projektorpiac túlnyomó részén. Már ebből a tényből is következik, hogy aki komolyan gondolja az általa megcélzott felhasználási területhez legmegfelelőbb vetítő kiválasztását, annak illik ismernie legalábbis a DLP technológia alapjait (ez vonatkozik persze az LCD technológiára, és a harmadikként egyre erősődő LCoS technológiára és változataira is).
Digitális “fényfeldolgozás”
A DLP projektorok működése egy mikro-elektromechanikai rendszerű (MEMS = microelectromechanical system) eszközön alapul, amely „digitális mikrotükrös eszköz” néven vált ismertté (Digital Micromirror Device, azaz DMD). A DMD, amelyet 1987-ben fejlesztett ki a Texas Instruments, egy félvezető alapú, gyors, fényvisszaverő digitális fénykapcsolókból álló elrendezés, egyszerűbben szólva egy tükröcskék százezreiből vagy millióiból álló, a kívánt képformátumnak megfelelő téglalap alakú chip. A DMD chip, megfelelő elektronikai háttérrel és optikai rendszerrel kiegészítve képes egy kontrasztos, meglehetősen homogén és igen nagy fényerejű kép előállítására. A DMD-t tartalmazó, minden elemében digitális feldolgozó rendszert, illetve technológiát pedig DLP-nek (Digital Light Processing) nevezzük.
ATexas Instruments egyik DMD chipje a sok közül
Az elektronikus képfeldolgozás fejlődésének általános iránya a digitális technológia. A DLP alapú megjelenítők a bemenettől egészen a szemhez vezető teljes láncon át digitálisan működnek.
A DLP vetítőrendszer elvi vázlata. A rendszer bemeneti jele digitális (ha nem, akkor az analóg jelet rögtön a bemeneten átalakítják), és a teljes láncban digitális marad, egészen a szemünkig, mivel a DMD fénykapcsolók maguk is tisztán digitális (kétállapotú) elemek. A digitális-analóg átalakítást maga a szem végzi el a lánc végén
A fénykapcsoló
A DMD “fénykapcsolót” a CMOS chipek gyártásához hasonló technológiával, monolit úton készítik egy CMOS memória felületére. Minden fénykapcsolóhoz tartozik egy 16 µm-es, négyzet alakú alumínium tükör, amely az alatta elhelyezkedő memóriacella állapotától függően két irányba verheti vissza a fényt. A tükör mozgatása elektrosztatikus tér segítségével történik, melyet a tükör és az alatta elhelyezkedő memóriacella közötti feszültségkülönbség létrehozásával érnek el. Ha a memóriacella bekapcsol, akkor a tükör +10 fokos helyzetbe kerül, ha kikapcsol, a tükör –10 fokra áll be. Vagyis a logikai “1”-esnek a +10 fokos helyzet, a logikai “0”-nak a –10 fokos helyzet felel meg. Vezérlés nélkül a tükröcskék a 0 fokos (vízszintes) helyzetbe állnak be.
A DMD egy CMOS hordozóra integrált mikrotükör-rendszer. Az ábra két tükröt mutat a sok százerből. Az egyik "bekapcsolt", azaz logikai "1" állapotban van (+10 fokos szögben elmozgatva), a másik pedig "kikapcsolt", azaz logikai "0" állapotban. Az, hogy egy tükör a fényforrás fényének mekkora hányadát tükrözi a vetítőobjektív irányába, a bekapcsolt és kikapcsolt állapot időtartamának arányától függ
A fentiekből már nagyjából sejthető a működési elv. Ha a tükör “bekapcsolt” állapotban van, akkor az izzó által kibocsátott fényt a vetítőobjektívbe irányítja, egyébként pedig más irányba tereli, ahol nagyrészt elnyelődik.
Ez az ábra némi magyarázatot igényel. A megvilágító fénysugár a tükörre merőleges iránnyal vezérlés nélkül (vízszintes tükör) 20 fokot zár be, így ugyancsak 20 fok alatt verődik vissza (az ábrán: Egyenes (0 fok). Bekapcsolt tükör esetén (+10 fokban elbillentett tükör) a fény az objektív tengelye irányába verődik vissza, míg kikapcsolt tükör esetén (-10 fokban elbillentett tükör) a beeső fény 30 fokot zár be a merőlegessel, tehát ugyancsak 30 fokban verődik vissza. Így az objektív tengelyéhez képes 40 fokban fog egy fényelnyelő felületre vetődni. Ennek a fénynek ugyanis lehetőleg nem szabad az objektívbe szóródnia
A színes képet egy vagy három DMD chippel kombinált forgó, illetve rögzített színszűrők segítségével állítják elő. (Kezdetben volt egy kétchipes lehetséges elrendezés is, de életképtelennek bizonyult.) Ha egyetlen chippel építik a vetítőt, színtárcsát alkalmaznak, amelyen a fény három alapszínösszetevőjének (vörös, zöld, kék) megfelelő szűrő kap helyet. (Ez az alapeset, mert gyakran egy fehér szegmens is helyet kap a színtárcsán, illetve az RGB szűrők két szegmensre bontva ismétlődhetnek.) Ezeken a forgó szűrőkőn kell átereszteni a fényforrás fehér fényének adott színösszetevőjét a megfelelő időközökben, azaz a színtárcsának szinkronban kell működnie az elektronikával (időosztásos vagy szekvenciális színátvitel).
Az egychipes DLP vetítő elvi felépítése. Maga a DMD chip természetesen "színvak", a színes kép szekvenciális (időosztásos) összeállításáról a színtárcsa színszűrői gondoskodnak. Az R, G, B színjelek a színszűrők forgásával szinkronban érkeznek a DMD chipre
A háromchipes megoldásnál nem forgó tárcsát, hanem három különálló, rögzített szűrőt alkalmaznak a három alapszínhez, amelyek információtartalmáért a chipek egyenként felelnek. A színes kép felépítése itt az alapszínek egyidejű additív színkeverésének elvén történik.
A háromchipes DLP vetítő elvi felépítése
A DMD fénykapcsoló optikai kapcsolóideje kb. 2 µs, ami az emberi szem számára érzékelhetetlenül rövid. Ezt a hihetetlen sebességet használják fel a megfelelő árnyalatok és tónusok megvalósításához. Ennek lényege, hogy a chip egyes kis tükörcellái nemcsak arra kapnak parancsot, hogy be, illetve ki legyenek kapcsolva, hanem arra is, hogy mennyi időre. Amikor csak egy rövid pillanatra gyullad ki a képpont, azt sötétebbnek, ha hosszabb időre, azt világosabbnak fogjuk találni.
A DMD tükrök hihetetlenül apró területűek (16 µm az odalhosszúságuk, bár vannak ennél még kisebbek is), és a maximális visszaverő képesség érdekében alumíniumból készültek. Úgy vannak elrendezve, hogy egy nagy (90%-nál nagyobb) kitöltési tényezővel rendelkező mátrixot alkossanak, azaz sűrűn álljanak egymás mellett (1 µm távolságban). Ennek köszönhetően nem érzékelhető a közöttük lévő rés.
A tükröcskék mozgatása és mechanikai kialakítása eléggé bonyolult és több gyártási fázist igénylő munka, melynek eredményeképpen a tükrök stabilan helyezkednek el a rácson, és precízen működnek. A mozgatást úgy történik, hogy elektrosztatikus teret gerjesztenek a tükör és címelektródái, valamint a rögzítő járom és címelektródái között, létrehozva ezzel egy hatékony elektrosztatikus forgatónyomatékot. Ez a nyomaték a torziós felfüggesztés (szál) ellentétes értelmű nyomatékával szemben hat, így a tükröcske elfordul, majd a gerjesztés megszüntével visszaáll. Az, hogy egy pixel (egy tükör) esetében adott idő, pl. egy képkocka alatt mennyi az objektív felé irányított fénymennyiség, attól függ, hogy mennyi ideig (hányszor) van a tükör +10 fokos helyzetben. A DMD pixel a sajátos meghajtási módja révén eleve digitális (kétállapotú) elem. A képfrissítés nem soronként, hanem egyidőben, minden pixelen egyszere történik.
Rendszerleírás és működés
Nézzük meg, hogy hogyan is dolgozza fel a videojelet egy háromchipes rendszer!
A digitális processzor fogadja a jelet és négy lépésben átalakítja. Az első lépésben történik a letapogatási konverzió, amire akkor van szükség, ha a forrásanyag váltott soros. A váltott soros formátum páros sorokat ad az egyik félképben és páratlan sorokat a másikban. A progresszív letapogatási konverzió az a folyamat, amikor (egy interpoláló algoritmus) új sorokat képez minden páros és a páratlan félkép sorai közé. A digitális processzor következő lépése a „skálázás”, azaz a felbontás átméretezése. Ez a folyamat „újraméretezi” a videoinformációt, hogy az megfeleljen a DMD pixel-elrendezésének.
A skálázás után a képinformáció bekerül a színtér-konverziós egységbe. Kivéve azt az esetet, amikor a kép már R, G, B jelek formájában érkezik, ez a fokozat alakítja át a világosságjelet és színkülönbségi jeleket (pl. Y, Cr, Cb) RGB rendszerbe. A következő lépés a gamma beállításának funkciója, mert a katódsugárcsővel és más megjelenítőkkel ellentétben a DMD lineáris megjelenítő, viszont a szabványos gammakorrekciót (inverz gamma) a forrás oldalán egy videoláncban mindig elvégzik. A nemlineáris átalakítás (gamma) létre tud hozni kis fényerejű zavaró kontureffektusokat, ezeket minimalizálni kell egy “hibaszétterítő” (error diffusion) egységgel.
Miután a processzor elvégezte a feladatát, az RGB jel belekerül a digitális formázó és képtároló egységbe. Ez értelmezi a jelet, és kiadja az utasításokat a DMD pixeleknek, illetve összehangolja azok működését.
Az optikai elemek
A DLP optikai rendszer konfigurációját a rendszerben lévő DMD chipek számától függően (egy vagy három – a kétchipes rendszer tárgyalásától eltekintünk, mert nincs gyakorlati jelentősége) alakítják ki. Láttuk, hogy az egychipes rendszerek egyik meghatározó része egy forgó színtárcsa a színek előállításához. Az egychipes konfigurációt az alacsonyabb fényerejű felhasználásokhoz fejlesztették ki, ez a legkompaktabb.
Az egychipes DLP vetítő optikai rendszere a fényforrrástól a vetítőobjektívig zárt rendszert alkot. A DMD chip hatékony hűtést igényel
A háromchipes projektor optikai része a következőképpen épül fel: Mivel a DMD chip “fénykapcsolók” egyszerű együttese, nincs szükség polarizátorokra. Egy kondenzorlencse összegyűjti a fényforrás fényét. A DMD fénykapcsoló megfelelő működtetéséhez ennek a fénynek a DMD chipre a merőlegeshez képest 20 fokos szögben kell beesnie. Ahhoz, hogy a fényforrás fénye ne jusson be direkt módon a vetítőobjektívbe, egy teljes belső reflexiós (total internal reflection – TIR) prizma van elhelyezve a vetítőobjektív és a DMD színbontó/színösszegező prizma közé.
A színbontó/színösszegező prizmák szűrőket használnak, amelyek a felületükön vannak elhelyezve, és ezek állítják elő a vörös, zöld és kék összetevőket. A három DMD logikai “1”-es, azaz +10 fokos helyzetben lévő tükreiről visszavert fénysugarak a prizmákon keresztül újra egyesülnek. Az összetevőkből egyesített fény ezután áthalad a TIR prizmán és bejut a vetítőobjektívbe.
Ez az ábra a háromchipes DLP projektor optikai rendszerének felépítését szemlélteti. A szűrőkkel ellátott prizmahármas szétválasztja az alapszíneket, majd egyesíti a három részképet. A TIR (total internal reflexion) prizma hivatott megakadályozni, hogy a fényforrás fénye és más szórt fények az objektívbe jussanak
Néhány gyakorlati szempont
A DLP vetítőrendszerek, ill. A DMD chipek különféle felbontású és képformátumú kivitelben készülnek, a VGA-tól (640 x 480), a Full HD-ig (1920 x 1080), sőt professzionális célokra gyártanak WUXGA (1920 x 1200), 2K (2048 x 1080), illetve 4K (4096 x 2160) felbontású paneleket is.
A DMD chipcsalád túlnyomórészt hasonló pixelstruktúrával készül, ahol a 16 mikrométeres tükrök egymástól 1 mikrométernyi távolságra sorakoznak. Ahogy nő a DMD felbontása, úgy nő a chip átlója, állandó pixeltávolság mellett. A chip ilyetén felépítése a következő előnyökkel jár:
- A pixelek nagy optikai hatásfoka és magas kontrasztaránya minden felbontás esetén tartható.
- A pixelidőzítés minden felépítés esetén megegyezik.
- A chip átlója nő a felbontással arányosan, ami javítja a DMD rendszerek optikai hatékonyságát.
Bizonyos alkalmazásokban a nagy fényerő elérésével járó túl magas hőmérséklet a DMD hosszútávú megbízhatóságát csökkentheti a csuklók/pántok deformációjának felgyorsítása révén, amely a tükör nagy terhelése esetén fordulhat elő. Speciális „zsanérötvözetet” fejlesztettek ki, hogy ezt a deformációt minimalizálni lehessen. Nagy terhelésről akkor beszélünk, ha a tükörnek az egyik irányba az átlagosnál többet kell fordulnia, mint a másikba. A 95/5 terhelési mutató azt fejezi ki, hogy a tükör az idő 95%-ában az egyik állapotba forog (pl. –10 fok), az idő maradék 5%-ában pedig a másik állapotba (+10 fok). Ez annak felel meg, amikor a képforrás 5%-os (vagy 95%-os) átlagos fényű a csúcsfényességhez képest. Bár ezek az extrém időszaki átlagok kis valószínűséggel fordulnak elő tartósan, a 95/5 terhelési szintet választották, mint a legrosszabb lehetséges esetet a zsanérdeformáció tesztelésénél. A jelenlegi zsanérötvözetekkel hosszú távon 95/5-ös terhelési szintnél a DMD működése megbízható, feltéve, hogy a működési hőmérséklet nem haladja meg a 65 °C-ot.
Az egyedüli DMD gyártó Texas Instruments már kezdetek óta együttműködik sok projektorgyártóval, átfogva az üzleti szektort (konferenciatermek), a háztartásokat (házimozi) és a professzionális piacot (nagy fényerejű vetítők). Az első DLP vetítők 1996-ban készültek, és a DLP techológia azóta nagy utat tett meg. Néhány területen vezető szerepet játszik, más szegmensekben pedig egyenrangú vetélytársa a 3LCD technológiának.
Nagy Árpád
jehu@projektor.hu
