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数字光处理

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DLP标志

数字光处理(DLP)是一组使用数字微镜器件的基于光学微机电技术的芯片组。它最初是由德州仪器公司的拉里·霍恩贝克于1987年开发的。虽然DLP成像设备是由德州仪器公司发明的,但第一台基于DLP的投影仪是由数字投影有限公司在1997年推出的。1998年,数字投影和德州仪器都因DLP投影仪技术获得艾美奖。DLP用于各种显示应用,从传统静态显示器到交互式显示器,还有非传统嵌入式应用,包括医疗、安全和工业应用。

DLP技术用于DLP前置投影仪(主要用于教室和商业的独立投影设备)、DLP背投电视机和数字标牌。它还被用在大约85%的数码相机产品中,以及在一些打印机中作为三维打印技术的光源,以固化树脂成型为固态3D物体。[1]

较小的“微微”芯片组用于移动设备,包括手机配件和直接嵌入手机的投影显示功能。

1 数字微镜器件编辑

数字微镜示意图显示, 安装在镜架的微镜,与从左下到右上方的铰链(浅灰色),以及下面的复位电极(左上和右下)相连

在DLP投影仪中,图像是由在半导体芯片上以矩阵形式排列的微镜产生的,这种矩阵式微镜被称为数字微镜器件(DMD)。这些微镜非常小,DMD像素间距可能是5.4 um或更小。[2] 每个微镜代表投影图像中的一个或多个像素。微镜的数量与投影图像的分辨率相一致(由于抖动,微镜的数量通常是建议的分辨率的一半)。800×600、1024×768、1280×720和1920×1080(HDTV)矩阵是一些常见的数字微镜器件尺寸。这些微镜可以快速重新定位,将光线通过透镜或散热器(在Barco术语中称为光收集器) 反射。

在这两个方向(基本上是开和关)之间快速切换微镜会产生灰度,由开和关时间的比率控制。

2 DLP投影中的颜色编辑

DLP投影系统创建彩色图像有两种主要方法:单芯片DLP投影仪和三芯片投影仪。第三种方法是由三个彩色发光二极管顺序照明,目前正在三星制造的电视机中使用。

2.1 单片投影仪

单芯片DLP投影仪的内部视图显示光路。灯发出的光进入反向鱼眼,穿过旋转的色轮,穿过主透镜下方,从正面反射镜反射,并传播到数字微镜装置上(红色箭头)。从那里,光或者进入透镜(黄色),或者从顶盖向下反射到光接收器(蓝色箭头),以吸收不需要的光。顶行显示了整体组件、四段RGBW色轮的特写镜头以及顶盖上的光沉漫射器/反射板。

在具有单个DLP芯片的投影仪中,通过在白光灯和DLP芯片之间放置色轮或者通过使用单独的光源来产生原色,例如LEDs或激光器。色轮分为多个部分:主要相加色为红色、绿色和蓝色,在许多情况下会使用白色(透明)。较新的系统用相减色:青色、品红色和黄色代替白色。相减色的使用是新的色彩表现系统BrilliantColor的一部分,该系统对相加色和相减色进行处理,以在屏幕上创建更宽范围的可能颜色组合。

DLP芯片与色轮的旋转运动同步,因此当色轮的绿色部分在灯的前面时,绿色分量显示在DMD上。红色、蓝色和其他部分也是如此。因此,颜色以足够高的速率顺序显示,使得观察者看到合成的“彩色”图像。在早期的模型中,这是每帧旋转一次。现在,大多数系统以高达10倍的帧速率运行。

单芯片DLP的黑电平取决于未使用的光是如何被处理的。如果未使用的光被散射以在DMD /透镜室的粗糙内壁上反射和消散,当图像完全暗时,该散射光将在投影屏幕上以暗灰色可见。通过将未使用的HID光从数字微镜器件/透镜室引导到单独的区域进行耗散,并屏蔽光路免受不希望的内部二次反射,更深的黑色和更高的对比度是可能实现的。

色轮“彩虹效应”

在使用机械旋转轮的DLP投影仪中发现彩虹效应。

使用机械旋转色轮的DLP投影仪可能会出现被称为“彩虹效应”的异常现象。这种现象最好的解释是可感知的红蓝绿三色闪光留下的“影子”,经常发生在投影内容为明亮或者白色物体且出现在几乎全暗或者黑色的背景上时。常见的例子是许多电影的滚动字幕,以及用黑色粗线包围移动对象的动画。当观察者在投影图像上快速移动他们的眼睛时,颜色的短暂可见分离也是显而易见的。一些人经常看到这些彩虹现象,而另一些人可能根本看不到它们。

这种效果是由眼睛跟随投影上的运动物体造成的。当屏幕上的对象移动时,眼睛会跟随物体不停地运动,但是投影仪会在整个帧的持续时间内,在相同的位置显示每种交替颜色。因此,当眼睛移动时,它会看到一个特定颜色的这一帧(例如红色)。然后,当显示下一种颜色(例如绿色)时,尽管它显示在与前一种颜色重叠的同一位置,但眼睛已经移向对象的下一帧目标。因此,眼睛会看到特定的帧颜色略有偏移。然后,显示第三种颜色(例如蓝色),眼睛看到该帧的颜色再次轻微移动。这种效果不仅仅是对运动物体的感知,而是对整个画面的感知。基于多色发光二极管和基于激光的单片投影仪能够消除旋转轮并最小化彩虹效应,因为发光二极管和激光的脉冲速率不受物理运动的限制。三芯片DLP投影仪在没有色轮的情况下工作,因此不会显示彩虹伪像。[3]

2.2 三片投影仪

三片DLP投影仪使用棱镜从灯中分离光,然后每种原色光被投射到它自己的DMD芯片,然后重新组合并通过透镜投射出去。三芯片系统被用在高端家庭影院投影仪、大型场馆投影仪和数字影院使用的DLP影院放映系统中。

根据DLP.com的说法,电影院使用的三芯片投影仪可以产生35万亿种颜色。人眼被认为能够检测到大约1600万种,在理论上用单芯片解决方案是可能的。然而,这种高颜色精度并不意味着三片DLP投影仪能够显示我们能够区分的所有颜色(对于任何通过添加三种恒定基色来合成颜色的系统来说,这根本是不可能的)。相比之下,单芯片DLP投影仪具有在足够快的滤色器轮中允许任意数量的原色的优势,因此可以获得改进的色域。

2.3 光源

InFocus的IN34,DLP投影仪

DLP技术中的光源可替换,因此可以有效地用于各种光源。历史上,DLP显示系统上使用的主要光源是可替换的高压氙弧灯单元(包含石英电弧管、反射器、电连接,有时还包含石英/玻璃屏蔽),而大多数皮科类(超小型)DLP投影仪使用高功率发光二极管或激光器作为照明源。

氙弧光灯

对于氙气弧光灯,在启动期间,灯由来自电流调节镇流器的5–20千伏脉冲点燃,以在石英管中的两个电极之间引发电弧。预热后,镇流器的输出电压下降到大约60伏,同时保持相对电流较高。随着灯的老化,电弧管的电极磨损,光输出有所下降,而灯的无用发热增加。是否需要更换灯管通常由装置上的发光二极管或屏幕上的文本警告来指示。

当灯超过其额定寿命运行时,效率显著下降,光投射可能变得不均匀,并且灯温在运行中会变得很高,以至于电源线可能熔化掉灯端子。最终,所需的启动电压也将上升到点火不再发生的程度。温度监控器等二级保护可能会关闭投影仪,但过热的石英电弧管也可能会破裂和爆炸。然而,实际上所有灯壳都包含耐热屏障(除了灯本身的屏障),以防止炽热的石英碎片离开该区域。

基于于LED的DLPs

2006年,三星HL-5679 W是第一款商用的基于LED的DLP高清电视,它也取消了色轮的使用。除了不需要更换灯并且不使用色轮从而延长了使用寿命,LED照明的其他优点还包括即时启动和改善的色彩,增加了色彩饱和度,并将色域改善到NTSC色域的140%以上。三星在2007年扩大了LED型号系列,推出了50英寸、56英寸和61英寸屏幕尺寸的产品。2008年,三星第三代发光二极管DLP产品有61英寸(HL61A750)和67英寸(HL67A750)屏幕尺寸可供选择。

普通的LED技术不能产生代替弧光灯所需的强度和高流明输出特性。三星DLP电视中使用的特殊专利LED是PhlatLight LED,由美国路明斯设备公司(Luminus Devices)设计制造。单个RGBPhlatLight  LED芯片组照亮这些投影电视。PhlatLight LEDs还被用于一种通常称为“袖珍投影仪”的新型超小型DLP前投投影仪,并已在LG电子(HS101)、三星电子(SP-P400)和Casio (XJ-A系列)的新型号中使用。家庭影院投影仪是下一类使用PhlatLight  LED技术的DLP投影仪。在2008年6月的InfoComm上,鲁明斯和TI宣布将他们的技术用于家庭影院和商用投影仪,并展示了一款基于PhlatLight  LED的DLP家庭影院前投投影仪的原型。他们还宣布,2008年末, Optoma和其他公司的产品将会上市并命名。

Christie Digital也在其基于DLP的MicroTiles显示系统中使用Luminus Devices PhlatLight LEDs。[4] 这是一个模块化系统,由小(对角线20英寸)背投立方体构建而成,这些立方体可以堆叠并平铺在一起,形成接缝非常小的大型展示帆布。显示器的比例和形状根据实际情况可以有不同的大小。

基于激光的DLPs

第一台商用激光DLPHDTV是2008年的MitsubishiL65-A90 LaserVue,它也取消了色轮的使用。三个独立的彩色激光照射这些投影电视中的数字微镜器件(DMD),产生比其他方法更丰富、更有活力的调色板。

3 数字电影编辑

DLP CINEMA。德州仪器技术

德州仪器,DLP电影原型放映机,Mark V,2000

2006年日本电气公司电影DLP放映机

自1999年以来,DLP影院系统已经在剧院进行了商业部署和测试。1999年6月,《星球大战:第一集——幽灵的威胁》是第一部被完全扫描并传送给影院的电影。四家影院安装了数字放映机来放映这部电影。同年,传统和电脑动画混合电影《泰山》也是如此。那年晚些时候,《玩具总动员2》是第一部完全以数字方式创作、编辑和发行的电影,为了放映此影片,更多的影院安装了数字投影仪。截至2011年12月,DLP Cinema是首个商业数字电影技术,也是领先的数字电影技术,在全球拥有大约85%的市场份额。数字电影比胶卷有一些优势,因为胶卷容易褪色、跳跃、刮擦和积污。数字电影能够保障电影内容随着时间的推移仍保持相同的质感。如今,大多数电影内容也是以数字方式制作的。第一部没有胶卷的全数字现场动作片是2002年发行的《星球大战第二集:克隆人的进攻》。

DLP Cinema不制造终端投影仪,而是提供投影技术,并与制造终端投影单元的Barco、Christie数码和NEC密切合作。根据展览者的需要,剧院所有者可以使用多种分辨率的DLP影院。其中包括2K——对于大多数剧院屏幕,4K——对于大型剧院屏幕,以及专门为小型剧院特别是全球新兴市场设计的S2K。

2000年2月2日,法国高蒙特数字电影项目技术经理菲利普·比南特(Philippe Binant)利用德克萨斯仪器公司开发的DLP CINEMA技术,实现了欧洲第一个数字电影放映项目[5]。DLP目前是专业数字电影放映领域的市场份额领导者[6] ,这主要是因为与其他数字前投影技术相比,DLP具有高对比度和可用分辨率。截至2008年12月,全球安装了超过6000个基于数字电影平台的数字电影系统。[7]

DLP投影仪也用于真实影院和较新的三维电影IMAX影院。

4 制造商和市场编辑

56英寸DLP背投电视

自1996实现商业化以来,DLP技术在前投投影市场上迅速获得了市场份额,目前在前投投影市场上占据了全球50%以上的份额,在全球数字电影市场上占据了85%的份额。此外,在微小类型(小型移动显示器)中,DLP技术占据了大约70%的市场份额。超过30家制造商使用DLP芯片组为投影显示系统供电。

4.1 优点

  • 平滑(分辨率为1080p),无抖动图像。
  • 可实现完美的几何形状和出色的灰度线性度。
  • 通常ANSI对比度极好。
  • 使用可更换光源意味着比CRTs和等离子显示器可能具有更长的寿命(这也可能是下面列出的一个缺点)。
  • 与LCDs中使用的背光相比,光源更容易更换,而且是用户可更换的。
  • 来自投影图像的光不是固有偏振的。
  • 新的LED和激光DLP显示系统或多或少消除了更换灯的需要。
  • DLP从单个单元提供合适的的3D投影,在主动式和被动式3D中均可使用。
  • 重量比LCD和等离子电视轻。
  • 与LCD和等离子显示屏不同,DLP显示屏不依赖流体作为投影介质,因此其尺寸不受固有镜面机制的限制,是越来越大的高清剧院和场馆显示屏的理想选择。
  • DLP投影仪最多可以处理七种不同的颜色,从而使它们具有更宽的色域。

4.2 缺点

三菱XD300U的后面板显示了可用的输出和输入插孔。

  • 一些观众被色轮模型中出现的“彩虹效应”所困扰——尤其是在旧模型中(如上所述)。通过使用摄影机的数字取景器在投影内容上就很容易地观察到这种现象。
  • 尽管截至2008年的一些型号已经可安装在墙上(虽然厚度仍为10英寸至14英寸)[8],但是背投DLP电视不像LCD或等离子平板显示器那么薄(虽然重量大致相当)[8]
  • 更换灯装置中的灯/灯泡。弧光灯的平均寿命为2000-5000小时,根据品牌和型号,更换成本从99-350美元不等。新一代设备使用LEDs或激光器,有效地消除了这一问题,虽然为了延长电视机的寿命可能需要更换LED芯片。
  • 一些观众发现色轮的噪音令人烦恼。[9][10][11] 然而,驱动系统可以设计为静音,一些投影仪不会产生任何听得见的色轮噪音。
  • 抖动噪声可能很明显,尤其是在暗图像区域。较新一代的(2004年后)芯片代比旧的芯片噪音小。
  • 误差扩散伪影,由不同像素上的平均阴影引起,因为像素不能精确渲染阴影。
  • 视频游戏中的响应时间可能会受到升级延迟的影响。虽然所有高清电视在将较低分辨率的输入放大到其原生分辨率时都会有一些延迟,但据报道,延迟时间通常更长。较新的具有高清输出信号的控制台没有这个问题,只要它们与支持高清的电缆连接。[12]
  • 与CRT、等离子体和液晶显示器等直视技术相比,视角降低。
  • 可能比竞争技术使用更多的电力,产生更多的热量。

4.3 DLP、液晶显示器和LCoS背投

与DLP最相似的竞争系统被称为LCoS(硅上液晶),它使用安装在芯片表面的固定反射镜来创建图像,并使用液晶矩阵(类似于液晶显示器)来控制反射的光量。[13]基于DLP的电视系统也被认为比传统投影电视深度更小。

参考文献

  • [1]

    ^"How Digital Light Processing Works". THRE3D.com. Archived from the original on 21 February 2014. Retrieved 3 February 2014..

  • [2]

    ^Texas Instruments. "DLP3010 Mobile HD Video and Data Display Description & parametrics". Retrieved 2014-10-13..

  • [3]

    ^The Great Technology War: LCD vs. DLP. By Evan Powell, December 7, 2005. Accessed online at: http://www.projectorcentral.com/lcd_dlp_update7.htm?page=Rainbow-Artifacts. Accessed on Dec. 27, 2011..

  • [4]

    ^"Luminus Devices' PhlatLight LEDs Illuminate Christie MicroTile's New Digital Canvas Display". Businesswire. Archived from the original on 2012-09-19..

  • [5]

    ^Cahiers du cinéma, n°hors-série, Paris, April 2000, p. 32..

  • [6]

    ^Texas Business Archived 2012-01-26 at the Wayback Machine.

  • [7]

    ^TI (2008-02-15). "European Cinema Yearbook". Mediasalles. Retrieved 2008-02-15..

  • [8]

    ^Futurelooks.com.

  • [9]

    ^"DLP TV : Why Is There A Noise Coming From My DLP TV?". Archived from the original on 2010-10-05..

  • [10]

    ^"Samsung LNT2653H 26-Inch LCD HDTV forum: High pitched noise"..

  • [11]

    ^"Ecoustics: Noise with the Samsung DLP HLP series"..

  • [12]

    ^"HDTVs and Video Game Lag: The Problem and the Solution". AVS Forum. 2005-07-11. Retrieved 2007-08-13..

  • [13]

    ^"4 styles of HDTV". CNET.com. 2007-03-13. Retrieved 2007-08-13..

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