深度解读大屏幕主流投影技术DLP极致色彩

2017-05-11 00:00

     不知道大家有没有发现一个有趣的现象,微型投影机几乎都是使用的是DLP技术,家用市场中也有较大的部分使用DLP技术。DLP技术到底是什么?有什么核心优势呢?为什么受到这么多厂商的青睐,今天我们来聊一聊投影的主流核心技术之——DLP。

    DLP投影机可以将DLP投影机分为单片式DLP投影机,双片式DLP投影机和三片式DLP投影机三种类型。目前市场中几乎没有双片DLP投影机的存在,三片式DLP主要应用在高端工程、影院级投影机中,我们本文主要探讨的则是单片式DLP技术。其实DLP技术的拥有者德州仪器并不生产投影机,而仅仅为厂商提供DMD芯片和视频处理芯片,这在一定程度上保证了DLP投影机市场的竞争的公平性。

    DLP的全称是Digital Light Processing,中文意思为“数字光学处理技术”。DLP投影机的核心元器件DMD,全称为Digital Micromirror Device,中文意思为“数据微镜装置”,通过控制从镜片的开启和偏转达到显示图像的目的。DLP成像原理大致为灯泡发出的光线经过聚透镜和色轮后,被分解为R、G、B三原色投射到DMD芯片上,光线再经过DMD镜片的反射后由投影镜头投影成像。

    DLP投影机核心——DMD芯片

    如果说在色轮的研发上,投影机制造商们还能根据自己的实际需要生产不同的产品,那么DMD芯片就完全掌握在了德州仪器的手中了。经过十多年的发展,DMD芯片不仅尺寸上从0.55吋到0.95吋,技术上也从SDR DMD芯片组发展到了DDR 芯片组,同时分辨率最高已经可以达到了4K(第一块DMD的分辨率仅为16×16),德州仪器甚至将DMD芯片称为世界上最精密的光学元器件。

DMD的作用就是将色轮透过来的三原色光混合在一起,并且通过数据控制转换为彩色图像。虽然看似简单,但是技术含量极高,那么DMD又是如何实现这一功能的呢?

    DMD是一种整合的微机电上层结构电路单元,利用COMS SRAM记忆晶胞所制成。DMD上层结构的制造是从完整CMOS内存电路开始,再透过光罩层的使用,制造出铝金属层和硬化光阻层交替的上层结构,铝金属层包括地址电极、绞链(hinge)、轭(yoke)和反射镜,硬化光阻层做为牺牲层(sacrificiallayer),用来形成两个空气间隙。铝金属经过溅镀沉积及等离子蚀刻处理,牺牲层则经过等离子去灰(plasma—ashed)处理,制造出层间的空气间隙。

    如果从技术角度来看,DMD芯片的构造包括了电子电路、机械和光学三个方面。其中电子电路部分为控制电路,机械部分为控制镜片转动的结构部分,光学器件部分便是指镜片部分。

   当DMD正常工作的时候,光线经过DMD芯片,DMD表面布满了体积微小的可转动镜片便会通过转动来反射光线,每个镜片的旋转都是由电路来控制的。每个镜子一次旋转只反射一种颜色(例如,投射紫颜色像素的微镜只负责在投影面上反射红蓝光,而投射桔红色像素的微镜只负责在投影面上按比例反射红和绿光(红色的比例高、绿色比例低),镜子的旋转速度可达到上千转,如此之多的镜子以如此之快的速度进行变化,光线通过镜头投射到屏幕上以后,给人的视觉器官造成错觉,人的肉眼错将快速闪动的三原色光混在一起,于是在投影的图像上看到混合后的颜色。

DLP投影机核心——色轮

    色轮(COLOR WHEEL)在DLP投影机中的作用是色彩的分离和处理,只有单片式DLP和双片式DLP投影机需要安装色轮,三片式DLP投影机则不需要色轮。那么色轮又是如何实现色彩的分离和处理的呢?

    这需要从光的原理谈起,太阳光、白炽灯光、荧光灯光都是复合光,投影机灯泡发出的光线当然也在复合光的范畴之内。复合光总包含了不同演示、不同频率的光线(单频率光线为激光)。色轮通过高速旋转将复合光过滤成红、绿、蓝三原色光。色轮的表面是非常薄的金属层,这层金属层采用的是真空镀膜技术,镀膜的厚度根据红绿蓝三色的光谱波长相对应。白色光通过金属镀膜层时,所对应的光谱波长的色彩将透过色轮,其它色彩则被阻挡和吸收,从而完成对白色光的分离和过滤。

    目前单片DLP投影机,色彩与亮度是成倒数关系的,亮度提高,则色彩一定会损失,而色彩提高,亮度一定会降低,这是因为DLP投影机的颜色是通过色轮的RGB三色组合而成的,其光效率只能达到60%。当然,要提高光效率,可以用在色轮上增加一片无色的滤光片来实现。增加无色滤光片后,光效率可以提高20%左右,但由于无色滤光片透过的是白光,叠加在三原色光上,使画面比其原始的表现要明亮些,以至降低了色彩饱和度,使DLP的画面表现的色彩单薄,并且产生抖动或者说是闪烁感。

    由于转速有限,同时DMD中的微镜的工作原理,早期的DLP投影机极易出现彩虹现象。彩虹现象是指观众会看到DLP投影机的画面中物体的边缘有红绿蓝色的拖影。彩虹现象的发生不仅与投影的硬件参数有关,与人眼也有相当大的关系。为了解决彩虹现象,各大投影机厂商便在色轮上做足了功夫,最简洁有效的方法便是提升色轮的转速,6倍速的色轮基本上消灭了彩虹现象。

    除了提升色轮的转速,DLP投影机制造商们还在增加色轮的段数。早期的色轮由红绿蓝三段式组成,不仅容易产生彩虹现象,光的利用率也只有60%左右,这也是为什么早期的DLP投影机亮度始终在几百流明以下徘徊的原因。后来德州仪器和DLP投影机制造商又先后推出了四段式、五段式、六段式、七段式、八段式色轮。

    极致色彩技术(BrilliantColor)是德州仪器在2005年宣布问世的新型色彩处理增强技术。简单来说,极致色彩技术便是采用三原色和三补色结合的色轮,以及适当的色彩调配算法电路,以达到提升单片式DLP投影机色彩显示能力的目的。不过需要注意的是,德州仪器仅仅提出了这一技术理念,各家DLP投影机制造商根据实际情况的不同设计的极致色彩技术色轮也各不相同,所以成像质量也有很大的差别。但是极致色彩技术引领DLP投影机从传统的三色处理全面进入到多色处理的新时代。

总结

     DLP投影机镜片的移动可控性更高带来较高原生对比度。DLP投影机采用的是反射式原理,实现高开口率更为简单,光路系统更小,机器当然可以做到更小。DMD芯片采用的是半导体结构,在高温下运作镜片也不易发生太大的变化,所以DLP投影机采用封闭式光路,降低了灰尘进入了概率。所以现在微型投影机采用DLP技术,不仅成本会少很多,更可以吧投影的体积尽可能的缩小。但是DLP投影机的色彩表现力与色轮和DMD芯片关系紧密,单芯片DLP投影系统比采用三原色混合LCD投影机色彩表现里上差一些,色彩不够艳丽。(厦门瑞屏电子科技股份有限公司-详询:0592-8265361)



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