Оптика для DLP - проектора, Методолог
Сайт присвячений винахідницьким завданням та методам їх вирішення.
Submitted by content manager на нд, 11/11/2012 - 00:26
Оптика для DLP - проектора
Асланов Е.Р., Москва 2012 р.
Аннотація
У цій роботі ми сформулювали та усунули технічну суперечність (ТП), що виникає при зменшенні кількості оптичних елементів та вартості в DLP-проекторі.
1. Опис роботи цифрового проектора
Опис роботи підготовлений за матеріалами сайту [1].
Технологія DLP
Технологія DLP (Digital Light Processing, цифрова обробка світла) або, як її називають, DMD (Digital Micromirror Device, пристрій з цифровими мікродзеркалами) використовує принцип відображення. Цифровий сигнал перетворюється на команди мікродзеркалам, які або відбивають, або відбивають світло, випромінюваний лампою проектора.
Принцип роботи
Все почалося 1987 року, коли Texas Instruments розробила систему дзеркал, названу DMD. Пристрій використовував матрицю, що має 1,3 мільйонів мікроскопічних дзеркал, розташованих на шарнірах, які орієнтували їх по відношенню до джерела світла. В цілому, можна сказати, що кожне дзеркало відповідає одному пікселю зображення, що проектується. Оскільки роздільна здатність матриці становить 1280x1024, то ми отримуємо картинку на 1,3 мільйона пікселів. У проекторі також є джерело світла (лампа) і система лінз. Все це разом і складає технологію DLP.
Мікродзеркала розташовані на шарнірах, що повертають площину дзеркала у напрямку джерела світла (позиція ВКЛ) і проти (позиція ВИМК). В результаті пікселі формують зображення, що складається зі світлих і темних точок. Але якби всебуло так просто, ми отримали б монохромне зображення без відтінків сірого. Отже потрібно додати відтінки. Для цього пристрій перетворює цифровий сигнал на швидкі коливання дзеркала, аж до декількох тисяч разів на секунду. Чим більше дзеркало встигне відобразити світла, тим світлішим буде піксель. І навпаки. Зміна частоти коливання дзеркала дозволяє вивести 1024 рівнів сірого кожного пікселя.
Після того, як ми створили чорно-біле зображення, необхідно додати до нього кольори. Існує два способи: моно-DMD та три-DMD. У проекторах моно-DMD (найпоширеніших) світло проходить від лампи до пофарбованого диска, що складається з трьох секторів (червоний, зелений та синій). Диск обертається дуже швидко і пропускає, відповідно, червоне, зелене або синє світло. Комбінація яскравостей мікродзеркал та поточного фільтра створює ілюзію кольорового зображення (16,7 мільйонів відтінків).
Проектори три-DMD, як і раніше, вважаються high-end електронікою і здатні виводити до 35 мільярдів відтінків. Спочатку біле світло проходить через призму, яка поділяє його на три потоки: червоний, зелений та синій, потім кожен потік потрапляє на свою матрицю. Відповідно, картинка створюється трьома окремими DMD-матрицями – для червоного, зеленого та синього кольорів.
2. Формулювання протиріччя
Мал. 5 Оптична система для освітлення DMD матриці
Для отримання якісного зображення необхідно освітити рівномірно матрицю DMD. З цією метою використовується спеціальна оптична система, що складається з двох мікролінзових масивів та однієї лінзи (рис. 5).
Мал. 6 (а) Розподіл інтенсивності світла перед оптикою, що формує
(б) розподіл інтенсивності світла післяформуючої оптики
Пучок променів після колімації, наприклад, світлодіода має нерівномірний розподіл інтенсивності (рис. 6а). Тобто. його не можна спрямовувати безпосередньо на DMD матрицю. В іншому випадку вийде зображення з темною плямою посередині. Після використання формуючої оптики із рис. 5 вдається отримати пучок променів, що рівномірно висвітлює DMD матрицю (рис. 6б).
Недоліком рішення є необхідність використання кількох оптичних елементів, що зумовлює збільшення вартості проектора т.к. збільшуються витрати на виготовлення прес-форм для оптичних елементів та витрати на компонування та юстування цих елементів. Якщо ми обмежимося використанням лінзи з одним мікролінзовим масивом, це дозволить знизити вартість системи, але призведе до погіршення однорідності освітлення DMD матриці.
Отже, ми можемо сформулювати технічне протиріччя (ТП) рис. 7: зі збільшенням числа оптичних елементів покращується однорідність освітлення DMD-матриці, але зростає вартість системи; і навпаки.
3. Рішення
Для усунення ТП було запропоновано таке рішення. На рис. 8а зображено пластину з масивом мікролінз. Кожна мікролінза має складну поверхню (поверхня вільної форми) – рис. 8б. Залежно від відстані до DMD матриці, поверхня вільної форми для всіх лінз може бути однаковою.
Мал. 8 (а) Масив мікролінз вільної форми (б) Поверхня від одного елемента
Якщо DMD матриця розташована відносно близько до пластини, кожна мікролінза повинна мати унікальну форму поверхні, відмінну від інших. У будь-якому випадку цей елемент може бути розрахований та виготовлений.
Детальну інформацію про розрахунок поверхні мікролінз можназнайти у роботах [3-5].
Висновок
У роботі було запропоновано використання пластини з лінзами вільної форми. Рішення дозволяє скоротити вартість матриці оптики, що висвітлює DMD, майже в 2 рази за рахунок використання меншої кількості елементів.
Джерела
[3]Sun, L. Free-form microlens for illumination applications/ Liwei Sun, Shangzhong Jin і Songyuan Cen// Applied Optics, 2009. - Vol. 48, No. 29.
[4]Wu, R. Freeform lens arrays для off-axis ilumination в optical lithography system / Rengmao Wu, Haifeng Li, Zhenrong Zheng, Xu Liu // Applied Optics, 2011. - Vol. 48, No. 29, 725-732.
[5]Е. Асланов, Л. Досколович, Розрахунок компактної оптики для формування заданих розподілів освітленості/ Комп'ютерна оптика36, з 96-101, 2012.