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安防视频监控系统使用数字微镜器件的DLP投影显示器

数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,DMD)是由美国TI的科学家Larry J.Hom-beck在1987年发明的,它是一种快速响应、反射式的数字光开关器件。目前,其显示分辨率已达2048x1080像素。一块1280x1024像素的DMD,它含有130万个规则排列相互皎接的微型反射镜,每个反射镜的大小约为16μm x16μm,反射镜之间的间隔约为1μm,可以将DMD与图像信号、光源和光学投影单元,彼此协调组合成一个图像显示系统。由于其优越的技术性能,DMD近年在多媒体数字投影仪、高清晰度电视和数字电影院系统中得到了广泛的应用。

一、数字微镜器件的结构和工作原理

一块DMD是由成千上万个微小的、可倾斜的铝合金镜片组成的,这些镜片被固定在隐藏的辘上,扭转钗链结构连接轴和支柱,并允许镜片旋转±10°(最新产品为±12°)。支柱连接下面的偏置/复位总线,使得偏置和复位电压能够提供给每个镜片。镜片、钗链结构及支柱都在互补金属氧化物半导体(CMOS)上地址电路及一对地址电极上形成。在一个地址电极上加上电压,连带着把偏置/复位电压加到镜片结构上,将在镜片与地址电极一侧产生一个静电吸引,镜片倾斜直到与具有同样电压的着陆点电极接触为止。在这点,镜片以机电方式锁定在位置上。在存储单元中存入一个二进制数字1,使镜片倾斜+10°;同时在存储单元中存入一个二进制数字0,使镜片倾斜-10°。

图1是一个DMD上单独镜片的结构分解示意图。


图1 DMD中单个反射镜的结构

DMD上每一个16|imxl6gm的镜片包括这样三个物理层和两个“空气隙”层,“空气隙”层分离三个物理层,并且允许镜片倾斜+10°或-10°。

DMD上的每一微反射镜都能将入射的光线从两个方向反射出去,实际反射方向则由底层存储单元的状态而定。当存储单元处于“ON”状态时,反射镜会旋转至+12°,若存储单元处于“OFF”状态,反射镜会旋转至-12°。只要结合DMD以及适当光源和投影光学系统,反射镜就会把入射光反射进入或者离开投影镜头的透光孔,使得“ON”状态的反射镜看起来非常明亮,“OFF”状态的反射镜看起来就很黑暗。利用二位脉冲宽度调变可以得到灰阶效果,如果使用固定式或旋转式彩色滤镜,再搭配一枚或三枚DMD芯片,即可得到彩色显示效果。

DMD的输入是由电流代表的电子字符,输出则是光学字符,这种光调变或开关技术又称为二位脉冲宽度调变,它会把8位数字符送至DMD的每个数字光开关输入端,产生28或256级灰阶。最简单的地址序列是将可供使用的字符时间分成8个部分,再从最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB),依序在每个位时间使用一个地址序列。当整个光开关数组都被最高位寻址后,再将各个像素致能(重设),使它们同时对最高有效位的状态(1或0)做出反应。在每个位时间,下个位会被加载内存数组,等到这个位时间结束时,这些像素会被重设,使它们同时对下一个地址位做出反应。此过程会不断重复,直到所有的地址位都加载内存。

入射光进入光开关后,会被光开关切换或调变成为一群光包,然后反射出来,光包时间则由电子字符的个别位所决定。对于观察者来说,由于光包时间远小于眼睛的视觉暂留时间,因此可以看到固定亮度的光线。

二、使用数字微镜器件的投影系统

DMD为美国德州仪器公司研发的成像器件,它为数字光学处理器(Digital Light Processor,DLP)的实现提供了技术保障,从而使DLP技术开辟了投影机技术发展的数字时代。

DLP投影成像系统有单片DMD式、两片与三片式三种,单片式主要用在便携式投影产品;两片式主要用于大型拼接显示墙;三片式则主要用于屏幕和高亮度应用领域,如数字电影院。DLP投影机清晰度高,画面均匀,色彩锐利,三片机可达到很高的亮度,且可随意变焦,调整十分方便。

使用DMD的投影显示器的基本构架如图2所示,由图可知,使用DMD的投影显示系统主要有下列几个组成部分。

图2 使用DMD的投影显示系统框图

(1)光源。采用Philips公司首创的超高压(UHP)弧光灯,其功率一般在100-200W,寿命一般在3000~6000h。

(2)光学系统。采用椭圆形凹面镜,其任务是将光源发出的光汇聚集中到成像引擎中。成像引擎后的光学系统利用一系列的微透镜,将光源发出的高斯光束整理转变为亮度基本一致的均匀的矩形光。

(3)成像引擎。其作用是把图像信号转变为光学信号,它涵盖了一系列用于生产适于作为计算机显示器的轻量级投影机的技术。DMD的微反射镜具有每秒切换(开关)1000次左右的能力,通过控制该点切换次数的快慢可以决定该点所控制图像的灰度等级,也就是说这些镜面每秒切换次数越快,再现的图像层次就越丰富。目前单个镜面可以进行这样的工作大约1万亿个时钟周期,也就是大约可以无故障地工作20年。这种技术的优势就在于具有极高的反应速度,因为它使用了DLP芯片。

(4)显示屏幕及投影方式。显示屏幕实际上已经不是投影机内的部分,但却是完整的投影显示系统必可少的部分。屏幕投影方式分为前投影和背投影两种:大多数投影机都采用前投影方式,这同电影院放映模式一样。由于便携式投影机亮度非常高,可不使用专用屏幕,直接投在白色或浅色墙壁上即可;背投影式的投影机位于半透明的屏幕之后,而观众在屏幕的前方观看。显然,它需要将输出的光线经处理反射到屏幕上,很多大屏幕投影电视就是采用这种显示方法。

三、DLP与其他常见投影显示技术的比较

随着经济技术的发展,各种投影显示技术也逐步走向成熟。到目前为止,根据成像原理的不同,投影显示大致可分为CRT投影、LCD投影、DLP投影、LCOS投影,以及后面文章要讲的LV(光阀)投影5种技术,现将这几种投影显示技术作一比较,如表1所示。

表1 DLP与其他几种投影显示技术的比较
种类 工作原理 优点 缺点
CRT投影 通过红绿蓝三个阴极射线管的电子束轰击玻壳上涂的荧光物质发光成像,经光学透镜放大后,在投影屏或幕上会聚成一幅彩色图像 图像细腻、色彩还原性好、逼真自然、分辨率调整范围大、几何失真调整功能强 亮度低、亮度均匀性差、体积大、重、调整复杂、长时间显示静1上画面会使管子灼伤
LCD投影 透射式LCD投影机将光源发出的光分解成红绿蓝三色后,射到一片液晶板的相应位置或各自对应的三片液晶板上,经信号调制后的透射光合成为彩色光,通过透镜成像并投射到屏幕上 体积小、重量轻、操作简单、成本低 光利用率低、像素感强
DLP投影 由微镜的转动(土10°)控制调制光的反射方向,即控制该点信号的通断,然后通过透镜成像并投射到屏幕上 光利用率高、色彩丰富、响应速度快、亮度和色均匀性好、体积小、质量轻  
LCOS投影 将透射式电极转换成反射膜,调制光经液晶反射后,通过透镜投射到屏幕上 控制电路不影响亮度,提高了光的利用率  
光阀(LV)投影 根据寻址技术、光阀及上述两者之间所用的转换介质的不同可以分成许多种类,目前市场上常见的是由CRT、转换器和液晶光阀组成的大型光阀投影机。它使用高清晰度CRT做像源,经转换后通过光阀成像 分辨率高、没有像素结构、亮度高,可用于光线明亮的环境和超大屏幕显示 成本高、体积大、重量大、维护困难