单片DLP投影仪原理和提高光效率的方法 |
| 2012-06-14 14:43 作者：刘 成 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：介绍当今投影仪的分类，特别介绍DLP投影仪的重要组成部件和工作原理，根据DLP投影仪的工作原理浅析提高投影仪光效率的方法。为大家进一步认识单片DLP投影仪提供参考。
关键词：投影仪；DLP；光效率
中图分类号：TN946.1文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0420
【《硅谷》杂志2012年4月刊文】根据投影仪的显示技术把投影仪分为三类：液晶技术投影仪、CRT技术投影仪、DLP技术投影仪。
液晶技术投影仪是采用CRT管和液晶光阀作为成像器件。能解决图像分辨率与亮度键的矛盾。亮度和分辨率高，亮度可达6000ANSI流明，分辨率可达2500*2000。主要用于大规模的指挥中心、会议中心等场所。
CRT技术投影仪显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力。但是这类投影仪亮度较低，操作复杂，体积庞大，对安装环境要求较高。所以应用不是很广泛。
DLP技术投影仪：DLP（DigitalLightProcessor）数字光学处理器。以DMD（DigitalMicirmirrorDevice）数字微镜装置作为成像器件，通过控制镜片的开启和偏转显示图像。DLP技术是由美国德州仪器的LarryHornbeck博士所研发成功的。1993年以DMD为核心的光学系统被命名为DLP。1996年DLP产品上市，1999年国内的DLP投影仪正式进入市场。DLP投影仪性能稳定可靠、体积小、重量轻，具有画面清晰、逼真、层次丰富、色彩锐利、明亮、画面均匀的显示效果。
DMD是一个半导体光开关阵列。它的表面由数百万个可以转动的金属小反射镜组成。如果有光线照射在旋转的镜面上，它可以选择把光线反射到投影输出方向，也可以将入射光线反射到另一个完全不相干的角度上。这些镜面经由下面被称为“轭”的装置链接，并被“扭力铰链”控制，可以左右翻转。在最初的产品上小镜子翻转角度只有10度，但是随着其下部链接部分技术的简化，最大翻转角度提升到了12度。DMD芯片上的镜面和镜面之间的空隙非常狭小，最新产品的有效光学面能达到整个芯片面积90%以上，拥有极高的光学利用率。DMD芯片的下层电路采用CMOS电路，最新的产品的底层电路与电脑内存的DDR结构方式非常相似。这一层电路用于控制其上的机械部件的运动或者静止。DMD芯片是一个结合了电子电路、机械和光学技术的产品：这一技术又被称为微电子机械学“MEMS”这一层电路用于控制其上的机械部件的运动或者静止。其性能水平直接决定着DMD芯片完成一个基本镜片翻转的工作速度。DMD芯片控制镜面旋转的部件采用被称为“面微加工（surfacemicromachining）多晶矽”方法制作，具有机构稳固性、灵活性强，成本低廉的特点。
在DMD像素技术方面，DLP技术使用电子集成技术降低驱动功率以适应便携式应用的需求，不断减少微镜尺寸，从开始的17微米，减小到7.6微米，在封装方面，努力缩小封装尺寸，减少封装组件以缩小体积，降低成本。在改进DMD的同时，IT公司也在不断开发高效算法，提高DLP的亮度和主观效果。比如BrightSync技术，它是DDP内部的算法，动态分析每帧图像的平均场景亮度和每帧图像中红，绿，蓝，黄，青，紫六种色彩的比例和最大亮度，根据这些数据，调整微镜的像素显示时间，优化图像的增益和剪切。从而达到提高系统亮度提高的目的。
按照采用DMD芯片数目的不同，目前可以分为单片式系统、二片式系统和三片式系统三类。
单片式DLP投影系统，就是指只含有一片DMD芯片的投影系统。该系统采用场序（时序）的方式实现彩色图像的显示。其核心组建除了DMD芯片外，还包括起到时序分光作用的色轮。该系统消费者实际看到的是间断的以脉冲方式出现的各个基色的光波信号。由于这些信号间断的时间很短，以至于人眼不能分辨，因此看起来呈现出完美的连续的彩色画面。
双片式DLP投影系统是对单片式系统的折中改进。但单片系统中成像的基色（例如，红绿蓝三原色）全部由一片DMD芯片处理，而在双片系统中，则会由每个芯片处理一部分基色，最后再有镜头等光学组件将两片DMD成像组合形成投影画面。
三片DLP系统是最高级的DLP投影方式。其不仅具有DLP投影机传统的优势，甚至融合了所有LCD液晶投影机的显示优势。是目前数字投影技术中“性能”最完美的解决方案。但是，由于采用三片DMD微镜芯片，所以其成本也不低。因此，这类型的机型主要出现在高端工程投影机和数字影院放映机中。三片DLP系统将白光通过棱镜系统分成三原色。使用三个DMD芯片，一个DMD对应于一种原色。应用三片DLP投影系统的主要优势是增加亮度和色彩表现。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。结果是更多的光线到达屏幕，给出一个更亮的投影图像。同时也可使用更高位数的颜色调教技术，使每种颜色以10比特灰度或者更高的等级显示，展示出更加完美的色彩。三片式系统采用的是场同步的成像方式。
现在一般的DLP商用、家用投影机都采用价廉物美的单片式方案。单片DLP投影仪只包含一片DMD芯片，这个芯片就是在一块硅晶片上紧密排列着许多片微小的正方形反射镜片，这里的每一片反射镜片都对应生成图像的一个像素，所以DMD芯片中的反射镜片数量越多，那么投影仪所能达到的物理分辨率也就越高。比如分辨率为1024×768的投影仪就是在DMD芯片上共有1024×768（786432）个反射镜片，反射镜的大小还不及头发丝的粗细，所以芯片也能控制得很小。每个反射镜都有独立控制光线的能力，将输入的彩色图像分成各种颜色的单色帧，在很短的时间里通过DMD按色轮的颜色排列顺序依次显示这些单色帧。利用人眼视觉反应延时的原理，使人眼看到彩色的图像，这就是时间混色原理。
这种混色的原理使用色轮，光源发出的光通过色轮，由原来的白光，变成色轮上滤光膜对应的颜色的光。假设不考虑其他光路的效率问题，单单考虑彩色滤光膜造成的光能量损失。我们假设使用RGB滤光膜的色轮，RGB平分色轮的360度，每种颜色的色段为120度，每种颜色对白光的透过率为VR，VG，VB，在一定的时间T里，光源发出的光总能量E经过色轮后，在使用色轮的分时混色系统里的能量E”=（E/3×VR）+（E/3×VG）+（E/3×VB），而采用三片DLP的系统，假设每颗DMD对应的滤光膜也和色轮上用的一样的，它的能量公式则为E”=（E×VR）+（E×VG）+（E×VB）。公式里的VR，VB，VG不大于1，其中VR和VB还远远小于1。从两组公式可以看出，分时混色系统对光的利用率相对于三片DLP系统的效率只有三分之一。由E”=（E/3×VR）+（E/3×VG）+（E/3×VB）公式，我们可以找到提高E”的方向。
①提高E，增加光源提供的能量；②改变VR，VB，VG，这种方法可能改变显示的色调，能调整的空间很小；③考虑在色轮上增加光通过率高的色段，如白色、黄色等；④调整光源的能量在时间上的分配，在显示透光率高色段颜色的图像时，以高于平均功率的功率输出、在显示透光率低的颜色的图像时，降低输出的功率。这样虽然总能量不变，但是由于光利用率高时输出能量多，光利用率低时输出能量少，总的输出的能量便增加了。
根据以上思路，我们可以采取以下技术来提高单片DLP系统的效率，增加DLP输出的光能量。
1）研制出效率更高的灯，这是从增加E的角度来提高光能量。
2）极致色彩技术，它是从在色轮上增加光利用率的高色段的方向来提高光能量。这种技术支持在DLP投影仪的色轮上增加黄、青、紫、白等色段。我们可以在效率和效果之间找到平衡点，从而增加系统的光利用率，在光源不变的条件下增加亮度，提高显示效果。
3）OSRAM的UNSHAPE技术，它是从改变E的时间分配的角度来提高光能量。UNSHAPE技术是一种点灯器（ballast）可以任意调整驱动电流的技术。点灯器可以在一个周期内（通常是色轮转动的一个周期）分配电流大小。使用UNSHAPE技术，调整光源能量在色轮上的分布，可以部分的改善光效率，提高亮度。
4）分析色轮的颜色，其中，红色，蓝色滤光膜的能量通过率最低，紫色，绿色其次，黄色和青色的效率最高。同时考虑到用户实际观看图像时对红色的亮度相对敏感，另外，一般图像中，红色场景和绿色的场景出现较多，而紫色，青色场景较少。如果我们把光源在色轮中黄色和青色部分分配的能量提高，红色和蓝色色段分配的能量降低。这样出来的效率最高。
通过不断的改进，DLP投影技术会逐渐完善。我相信在未来投影仪的发展中DLP投影技术的应用范围会越来越广，并逐步应用到3D立体投影（现在生产的大部分产品都能支持2D和3D画面的切换）和微型投影（现在有些手机上就能支持投影）上去，会给我们带来更便捷、更有质量的生活。
参考文献：
[1]邹静娴、吴荣治，数字光处理（DLP）投影系统[J].电视技术，2003（04）.
[2]凌健博、王素平、李支阳、许士文，DLP投影显示系统的优势及发展前景[J].现代显示，2005（04）.
[3]白瑞克，DLP技术解密[J].中国数字电视，2006（05）.
[4]李定川，DMD数字微镜器件与DLP投影技术一览[J].电子制作，2006（08）.
作者简介：
刘成（1981-），男，：四川绵阳人，本科毕业于西南科技大学电子信息工程专业，现在西南科技大学计算机技术专业继续攻读在职研究生，从2005年开始就职于四川中医药高等专科学校，担任计算机基础的教学工作。（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载） |
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