Цифровая обработка света ( DLP ) — это набор микросхем , основанных на оптической микроэлектромеханической технологии, которая использует цифровое микрозеркальное устройство . Первоначально он был разработан в 1987 году Ларри Хорнбеком из Texas Instruments . В то время как устройство формирования изображений DLP было изобретено Texas Instruments, первый проектор на основе DLP был представлен Digital Projection Ltd в 1997 году. Digital Projection и Texas Instruments были удостоены премии «Эмми» в 1998 году за технологию проекторов DLP. DLP используется в различных приложениях отображения: от традиционных статических дисплеев до интерактивных дисплеев, а также в нетрадиционных встроенных приложениях, включая медицинские, охранные и промышленные приложения.
Технология DLP используется в фронтальных проекторах DLP (автономные проекционные устройства для учебных классов и бизнеса в первую очередь), телевизорах с обратной проекцией DLP и цифровых вывесках. Она также использовалась примерно в 85% цифровых кинопроекций по состоянию на 2011 год и в аддитивном производстве в качестве источника света в некоторых принтерах для отверждения смол в твердые 3D-объекты. [1]
Меньшие «пико»-чипсеты используются в мобильных устройствах, включая аксессуары для сотовых телефонов и функции проекционного дисплея, встроенные непосредственно в телефоны.
В DLP-проекторах изображение создается микроскопически малыми зеркалами, размещенными в матрице на полупроводниковом чипе, известном как цифровое микрозеркальное устройство (DMD). Эти зеркала настолько малы, что шаг пикселя DMD может составлять 5,4 мкм или меньше. [2] Каждое зеркало представляет один или несколько пикселей в проецируемом изображении. Количество зеркал соответствует разрешению проецируемого изображения (часто вдвое меньше зеркал, чем заявленное разрешение из-за вобуляции ). Матрицы 800×600 , 1024×768 , 1280×720 и 1920×1080 ( HDTV ) являются некоторыми распространенными размерами DMD. Эти зеркала можно быстро перепозиционировать для отражения света либо через линзу, либо на радиатор ( называемый световым дампом в терминологии Barco ).
Быстрое переключение зеркала между этими двумя ориентациями (по сути, включение и выключение) создает оттенки серого , контролируемые соотношением времени включения и выключения.
Существует два основных метода, с помощью которых проекционные системы DLP создают цветное изображение: те, которые используются одночиповыми DLP-проекторами, и те, которые используются трехчиповыми проекторами. Третий метод, последовательная подсветка тремя цветными светодиодами, разрабатывается и в настоящее время используется в телевизорах производства Samsung .
В проекторе с одним чипом DLP цвета воспроизводятся либо путем размещения цветового круга между белой лампой и чипом DLP, либо путем использования отдельных источников света для создания основных цветов, например светодиодов или лазеров . Цветовой круг разделен на несколько секторов: основные аддитивные цвета : красный, зеленый и синий, а во многих случаях белый (прозрачный). Более новые системы заменяют основные субтрактивные цвета : голубой, пурпурный и желтый на белый. Использование субтрактивных цветов является частью новой системы цветовой производительности под названием BrilliantColor, которая обрабатывает аддитивные цвета вместе с субтрактивными цветами для создания более широкого спектра возможных цветовых комбинаций на экране.
Чип DLP синхронизирован с вращающимся движением цветового круга, так что зеленый компонент отображается на DMD, когда зеленая секция цветового круга находится перед лампой. То же самое справедливо для красной, синей и других секций. Таким образом, цвета отображаются последовательно с достаточно высокой скоростью, чтобы наблюдатель видел составное «полноцветное» изображение. В ранних моделях это было одно вращение на кадр. Теперь большинство систем работают с частотой до 10× кадров.
Уровень черного однокристального DLP зависит от того, как распределяется неиспользуемый свет. Если неиспользуемый свет рассеивается, отражаясь и рассеиваясь на шероховатых внутренних стенках камеры DMD/линзы, этот рассеянный свет будет виден как тусклый серый на проекционном экране, когда изображение полностью темное. Более глубокие оттенки черного и более высокие коэффициенты контрастности возможны за счет направления неиспользуемого света HID из камеры DMD/линзы в отдельную область для рассеивания и экранирования светового пути от нежелательных внутренних вторичных отражений.
Проекторы DLP с одним чипом, использующие механическое вращающееся цветовое колесо, могут демонстрировать аномалию, известную как «эффект радуги». Это лучше всего описывается как кратковременные вспышки воспринимаемых красных, синих и зеленых «теней», которые чаще всего наблюдаются, когда проецируемый контент содержит высококонтрастные области движущихся ярких или белых объектов на преимущественно темном или черном фоне. Обычными примерами являются прокручивающиеся титры многих фильмов, а также анимации с движущимися объектами, окруженными толстым черным контуром. Кратковременное видимое разделение цветов также может быть заметно, когда взгляд зрителя быстро перемещается по проецируемому изображению. Некоторые люди часто видят эти радужные артефакты, в то время как другие могут вообще никогда их не видеть.
Этот эффект вызван тем, как глаз следует за движущимся объектом на проекции. Когда объект на экране движется, глаз следует за объектом с постоянным движением, но проектор отображает каждый чередующийся цвет кадра в одном и том же месте на протяжении всего кадра. Таким образом, пока глаз движется, он видит кадр определенного цвета (например, красного). Затем, когда отображается следующий цвет (например, зеленый), хотя он отображается в том же месте, перекрывая предыдущий цвет, глаз перемещается к цели следующего кадра объекта. Таким образом, глаз видит этот определенный цвет кадра слегка смещенным. Затем отображается третий цвет (например, синий), и глаз снова видит цвет этого кадра слегка смещенным. Этот эффект воспринимается не только для движущегося объекта, но и для всей картинки. Многоцветные светодиодные и лазерные одночиповые проекторы способны устранить вращающееся колесо и минимизировать эффект радуги, поскольку частота импульсов светодиодов и лазеров не ограничена физическим движением. Трехчиповые DLP-проекторы работают без цветовых дисков и, следовательно, не проявляют этот радужный артефакт». [3]
Трехчиповый DLP-проектор использует призму для разделения света от лампы , и каждый основной цвет света затем направляется на свой собственный DMD-чип, затем рекомбинируется и направляется через линзу . Трехчиповые системы используются в проекторах для домашних кинотеатров более высокого класса, проекторах для больших помещений и проекционных системах DLP Cinema, используемых в цифровых кинотеатрах.
По данным DLP.com, трехчиповые проекторы, используемые в кинотеатрах, могут воспроизводить 35 триллионов цветов. [ требуется цитата ] Предполагается, что человеческий глаз способен распознавать около 16 миллионов цветов [ требуется цитата ] , что теоретически возможно при использовании одночипового решения. Однако эта высокая точность цветопередачи не означает, что трехчиповые DLP-проекторы способны отображать всю гамму цветов, которую мы можем различать (это принципиально невозможно с любой системой, компонующей цвета путем добавления трех постоянных базовых цветов). Напротив, именно одночиповые DLP-проекторы имеют преимущество, позволяя использовать любое количество основных цветов в достаточно быстром колесе цветовых фильтров, и поэтому доступна возможность улучшения цветовых гамм.
Технология DLP не зависит от источника света и, как таковая, может эффективно использоваться с различными источниками света. Исторически основным источником света, используемым в системах отображения DLP, был сменный блок ксеноновой дуговой лампы высокого давления (содержащий кварцевую дуговую трубку, отражатель, электрические соединения и иногда кварцевый/стеклянный экран), тогда как большинство DLP-проекторов категории пико (сверхмалых) используют в качестве источника освещения мощные светодиоды или лазеры . С 2021 года лазерный источник света стал очень распространенным во многих профессиональных проекторах, например, Panasonic PT-RZ990. [4]
Для ксеноновых дуговых ламп используется источник постоянного тока, который начинается с достаточно высокого напряжения холостого хода (от 5 до 20 кВ, в зависимости от лампы), чтобы вызвать дугу между электродами, и как только дуга установлена, напряжение на лампе падает до заданного значения (обычно от 20 до 50 вольт [5] ), в то время как ток увеличивается до уровня, необходимого для поддержания дуги при оптимальной яркости. По мере старения лампы ее эффективность снижается из-за износа электродов, что приводит к уменьшению видимого света и увеличению количества отработанного тепла. Окончание срока службы лампы обычно обозначается светодиодом на блоке или текстовым предупреждением на экране, требующим замены блока лампы.
Продолжение работы лампы после истечения ее номинального срока службы может привести к дальнейшему снижению эффективности, световой поток может стать неравномерным, а лампа в конечном итоге может нагреться настолько, что провода питания могут расплавиться на клеммах лампы. В конце концов, требуемое пусковое напряжение также возрастет до точки, при которой зажигание больше не произойдет. Вторичные средства защиты, такие как температурный монитор, могут отключить проектор, но термически перенапряженная кварцевая дуговая трубка также может треснуть или взорваться. Практически все корпуса ламп содержат термостойкие барьеры (в дополнение к тем, что находятся на самом ламповом блоке), чтобы не допустить вылета раскаленных кварцевых осколков за пределы области.
Первым коммерчески доступным телевизором DLP HDTV на основе светодиодов стал Samsung HL-S5679W в 2006 году, который также исключил использование цветового круга. Помимо длительного срока службы, устраняющего необходимость замены лампы и устранения цветового круга, другие преимущества светодиодной подсветки включают мгновенное включение и улучшенный цвет с повышенной насыщенностью цвета и улучшенной цветовой гаммой до более чем 140% цветовой гаммы NTSC . Samsung расширила линейку моделей LED в 2007 году продуктами, доступными с размерами экрана 50, 56 и 61 дюйм. В 2008 году третье поколение продуктов Samsung LED DLP было доступно с размерами экрана 61 (HL61A750) и 67 дюймов (HL67A750).
Обычная светодиодная технология не обеспечивает интенсивность и высокую светоотдачу, необходимые для замены дуговых ламп. Специальные светодиоды, используемые во всех телевизорах Samsung DLP, — это светодиоды PhlatLight, разработанные и произведенные американской компанией Luminus Devices. Один чипсет RGB PhlatLight LED освещает эти проекционные телевизоры. Светодиоды PhlatLight также используются в новом классе сверхкомпактных фронтальных проекторов DLP, обычно называемых «карманными проекторами», и были представлены в новых моделях от LG Electronics (HS101), Samsung electronics (SP-P400) и Casio (серия XJ-A). Проекторы для домашних кинотеатров станут следующей категорией проекторов DLP, которые будут использовать светодиодную технологию PhlatLight. На выставке InfoComm в июне 2008 года компании Luminus и TI объявили о сотрудничестве по использованию своей технологии в домашних кинотеатрах и бизнес-проекторах и продемонстрировали прототип фронтального проектора для домашних кинотеатров DLP на основе светодиодов PhlatLight. Они также объявили, что продукция Optoma и других компаний, названия которых будут названы позднее в этом году, появится на рынке в конце 2008 года .
Светодиоды Luminus Devices PhlatLight также использовались Christie Digital в их системе отображения MicroTiles на основе DLP . [6] Это модульная система, построенная из небольших (диагональю 20 дюймов) кубов обратной проекции, которые можно складывать и накладывать друг на друга, образуя большие полотна отображения с очень маленькими швами. Масштаб и форма отображения могут иметь любой размер, ограниченный только практическими пределами.
Первым коммерчески доступным лазерным DLP HDTV был Mitsubishi L65-A90 LaserVue в 2008 году, который также исключил использование цветового круга. Три отдельных цветных лазера освещают цифровое микрозеркальное устройство (DMD) в этих проекционных телевизорах, создавая более богатую, более яркую цветовую палитру, чем другие методы. Для получения дополнительной информации см. статью о лазерном видеодисплее .
Системы DLP Cinema были развернуты и протестированы в коммерческих целях в кинотеатрах с 1999 года. В июне 1999 года « Звездные войны: Эпизод I – Скрытая угроза» стал первым фильмом, который был полностью отсканирован и распространен в кинотеатрах. [7] [8] [9] [10] [11] Четыре кинотеатра установили цифровые проекторы для выпуска фильма. [12] То же самое было сделано для анимационного фильма «Тарзан» в том же году . [13] Позже в том же году «История игрушек 2» стала первым фильмом, который был полностью создан, смонтирован и распространен в цифровом формате, и большее количество кинотеатров установило цифровые проекторы для его выпуска. DLP Cinema была первой коммерческой технологией цифрового кино и является ведущей технологией цифрового кино с долей рынка примерно 85% во всем мире по состоянию на декабрь 2011 года. [ необходима цитата ] Цифровое кино имеет некоторые преимущества перед пленкой, поскольку пленка может подвергаться выцветанию, скачкам, царапинам и накоплению грязи. Цифровое кино позволяет сохранять неизменное качество контента фильма с течением времени. Сегодня большая часть киноконтента также записывается в цифровом формате. Первым полностью цифровым фильмом, снятым без пленки, был фильм 2002 года « Звездные войны: Эпизод II: Атака клонов» . [ необходима цитата ]
DLP Cinema не производит конечные проекторы, а предоставляет проекционную технологию и тесно сотрудничает с Barco, Christie Digital и NEC, которые производят конечные проекционные устройства. DLP Cinema доступен владельцам кинотеатров в различных разрешениях в зависимости от потребностей экспонента. К ним относятся 2K — для большинства экранов кинотеатров, 4K — для больших экранов кинотеатров и S2K, который был специально разработан для небольших кинотеатров, особенно на развивающихся рынках по всему миру.
2 февраля 2000 года Филипп Бинант, технический менеджер проекта цифрового кино в Gaumont , во Франции, реализовал первую цифровую кинопроекцию в Европе [14] с технологией DLP Cinema, разработанной Texas Instruments. DLP является нынешним лидером по доле рынка в профессиональной цифровой кинопроекции, [15] в основном из-за ее высокого коэффициента контрастности и доступного разрешения по сравнению с другими цифровыми технологиями фронтальной проекции. По состоянию на декабрь 2008 года по всему миру установлено более 6000 цифровых киносистем на основе DLP. [16]
Проекторы DLP также используются в кинотеатрах RealD Cinema и более новых кинотеатрах IMAX для показа 3D фильмов .
С момента своего коммерческого внедрения в 1996 году технология DLP завоевала долю рынка фронтальной проекции и теперь занимает более 50% мировой доли фронтальной проекции в дополнение к 85% доли рынка цифрового кино во всем мире. [ необходима цитата ] Кроме того, в категории пико (маленькие мобильные дисплеи) технология DLP занимает около 70% доли рынка. Более 30 производителей используют чипсет DLP для питания своих проекционных систем отображения.
Наиболее схожая с DLP конкурирующая система известна как LCoS ( жидкий кристалл на кремнии ), которая создает изображения с помощью неподвижного зеркала, установленного на поверхности чипа, и использует жидкокристаллическую матрицу (похожую на жидкокристаллический дисплей ) для управления количеством отражаемого света. [22] Телевизионные системы на основе DLP также, возможно, считаются имеющими меньшую глубину, чем традиционное проекционное телевидение.