Корпорация Texas Instruments (TI) прежде всего известна как гигант в области военной электроники. Однако и гражданским потребителям символы TI на фоне контуров карты штата Техас столь же знакомы, как и логотип Intel. Дело в том, что Texas Instruments - крупнейший производитель микросхем для сотовых телефонов, жестких дисков, устройств цифровой и аналоговой обработки сигналов. В течение ряда лет корпорация выпускала и добротные калькуляторы, в том числе самые современные: программируемые, графические и даже со встроенной жидкокристаллической панелью - с нее изображение проецируется на большой экран с помощью кодоскопа.
Еще одна разработка корпорации TI, о которой и пойдет речь дальше, фактически изменила перспективы всей отрасли производства мультимедийных проекторов.
История изобретения
В ноябре 1977 г. TI, имевшая к тому времени опыт обработки светового сигнала в приборах ночного видения, выиграла правительственный грант на создание мембранного светомодулятора, получившего название DMD - Deformable Mirror Device (устройство с деформируемым зеркалом). С этого и начались работы, приведшие к созданию устройства с тем же сокращенным, но по-другому раскрываемым названием: DMD - Digital Micromirror Device (цифровое микрозеркальное устройство).
Среди участников проекта был Ларри Дж. Хорнбек (Larry J. Hornbeck), получивший всеобщую известность как изобретатель современных DMD. В течение десяти лет (с 1977 по 1987 г.) он и его сотрудники разработали ряд устройств, в которых гибкая зеркальная поверхность деформируется под действием электростатических сил.
В 1987 г. родилось принципиально новое техническое решение. Оно заключалось в переходе к дискретной структуре отражающей матрицы, каждый пиксел которой представлен отдельным жестким поворотным зеркалом с двумя устойчивыми положениями. Именно с этим решением (в противоположность прежним вариантам с деформацией зеркал под действием аналогового сигнала) связано появление слова “цифровой” в названии устройства и технологии DMD.
Получив в 1989 г. грант Минобороны США на разработку дисплея высокой четкости, TI начала сотрудничать с британской компанией Rank-Brimar (впоследствии - Digital Projection), специализировавшейся на выпуске мощных проекторов и взявшей на вооружение технологию DMD. Промышленное применение технология впервые получила в 1990 г. в скоростных принтерах для печати авиабилетов. Тогда же состоялась первая демонстрация проекционного устройства на основе тех же принтерных DMD-матриц.
DMD послужила ключевым элементом разработанной Texas Instruments комплексной технологии цифровой обработки света DLP (Digital Light Processing), которая заслуженно считается одной из вершин технической мысли ХХ столетия. Технология базируется на DMD-матрицах, содержащих от нескольких сот тысяч до миллиона и более управляемых микрозеркал, способных за время жизни совершить триллионы поворотов. При разработке DLP были найдены новые решения во всех основных элементах проекционных технологий: спроектированы источник света оригинальной конструкции, система охлаждения, эффективная оптика, учитывающий физиологию зрения блок обработки сигнала.
Как устроен DLP-проектор
Основное отличие DLP-проекторов от проекционных устройств иного типа заключается в том, что для формирования изображения в них используются DMD-матрицы. В современном проекторе таких матриц бывает от одной до трех.
DMD-матрица представляет собой кремниевую пластину с прямоугольным массивом размещенных на ее поверхности отражающих элементов. Каждый такой элемент (рис. 1) содержит микрозеркало. Оно жестко прикреплено к подвижной индивидуальной подложке, которая в свою очередь соединена с неподвижным основанием посредством упругих пластин. Под действием электростатических сил, формируемых интегрированной в пластину MOS-микросхемой, подложка с зеркалом поворачивается вокруг оси, параллельной одной из диагоналей зеркала (направления осей вращения всех зеркал совпадают). При работе устройства поворот осуществляется в одну или в другую сторону всегда на 10 градусов (считая от горизонтального положения зеркала) - до упора. При разработке DMD-матриц исследователи столкнулись со сложнейшей проблемой прилипания углов подложек к неподвижному основанию. Решить ее помогли открытые еще в прошлом веке свойства китового жира - в результате было создано покрытие с прилипанием вчетверо меньшим, чем у тефлона.
Рис. 1. Устройство DMD-кристалла
В одноматричном блоке DLP (рис. 2) световой поток лампы фокусируется на входе световода, в котором достигается равномерность потока по сечению. Затем, проходя через систему линз и призму полного внутреннего отражения, световой поток формируется по размеру DMD-матрицы и попадает на нее. В зависимости от положения каждого микрозеркала отраженная им часть светового потока направляется либо в объектив, проецирующий изображение на экран, либо “в никуда”, т. е. в поглотитель, сводящий к минимуму паразитную засветку экрана.
Рис. 2. Оптическая схема одноматричного DLP-проектора
Описанная схема позволяет получить изображение в соответствии с цветом подаваемого на вход света. Яркость при этом варьируется за счет быстрого чередования во времени черных и освещенных элементов, воспринимаемых человеческим глазом усредненно (чем чаще пиксел изображения воспроизводится черным, тем темнее он кажется).
При формировании многоцветного изображения используется тот же принцип усреднения визуально воспринимаемой информации. Для этого в проекторе имеется вращающийся цветовой фильтр, состоящий из трех секторов: красного, синего и зеленого. Цикл работы микрозеркала (от одного поворота до следующего) составляет около 15 мкс. Человеческий глаз усредняет видимые изображения, получаемые им примерно в течение 30 мс. За это время на экране можно сгенерировать около 2000 изображений трех базовых цветов и черного (когда свет не попадает на экран), чего вполне достаточно для того, чтобы получить (после усреднения по времени) полноцветное (24-разрядное) изображение.
Описанная одноматричная схема (с цветовым фильтром) применяется главным образом в очень легких (массой до 3,5 кг) проекторах. В недорогих моделях могут отсутствовать световод и призма полного внутреннего отражения. В этом случае изображение оказывается несколько смещенным относительно оптической оси объектива, что, впрочем, мало влияет на качество.
Появление двухматричных проекторов (рис. 3) связано со спецификой источников света, использовавшихся на определенном этапе развития технологии. В таких проекторах фильтр содержит сектора только двух цветов: желтого (смесь красного и зеленого) и фиолетового (красный с синим). После разделения с помощью дихроичных призм прошедшего через фильтр света на составляющие поток красного цвета постоянно направляется на одну из двух DMD-матриц, а на вторую в зависимости от положения фильтра поступает то зеленый, то голубой. Такая схема с избытком красного цвета позволяет применять в качестве источника наиболее долгоживущие лампы с характерным для их спектра излучения недостатком красной составляющей.
Рис. 3. Оптическая схема двухматричного DLP-проектора
Трехматричные проекторы (рис. 4) концептуально устроены проще, хотя по размеру, массе и цене все они на порядок или два превосходят одно-двухматричные. Дело в том, что они снабжены более совершенной оптикой, электроникой и более мощной лампой. Цветовой фильтр в таких проекторах отсутствует. Прошедший через призму полного внутреннего отражения световой поток поступает в систему дихроичных призм, разделяющих его на потоки базовых цветов, каждый из которых направляется на предназначенную только для него DMD-матрицу.
Рис. 4. Оптическая схема трехматричного DLP-проектора
Для трехматричной схемы был разработан специализированный процессор Andromeda - он преобразует видеосигнал, описывающий состояние экрана компьютера или телевизора, в последовательность из нескольких сот загрузок матриц DMD. На одну загрузку затрачивается около 200 мкс, что соответствует скорости передачи данных 400 Мбит/с. Чтобы учесть особенности восприятия человеком частой смены цветов, были разработаны специальные алгоритмы группировки блоков каждого из трех основных цветов и правильного их расположения в последовательности загрузки матриц. Процессор Andromeda реализует также функцию цветокоррекции, причем OEM-производитель может менять ее параметры.
Преимущества технологии DLP
Одно из основных преимуществ DMD-матриц перед LCD состоит в их большей световой эффективности. Это обусловлено, во-первых, тем, что формирующие изображение элементы (микрозеркала) поглощают меньше света, а во-вторых, более эффективным использованием площади кристалла. В LCD-матрицах значительную часть светового потока блокируют элементы схемы управления пикселами, и в результате темные межпиксельные “перегородки” занимают 30 - 50% площади изображения. У DMD-матриц этот показатель составляет менее 15%, а в новейших модификациях понижается до 10%. Как следствие, существенно улучшается качество проецируемой на экран картинки, более четкими оказываются границы окрашенных в разные цвета участков изображения. Важно также, что для DLP решена проблема инерционности, присущая LCD-технологии.
В DLP-проекторах легче решается задача теплоотвода: неиспользуемая часть светового потока направляется на специальный поглотитель, преобразующий свет в тепло. При этом упрощается конструкция проектора по сравнению с аппаратами на просветных LCD-матрицах, в которых тепло приходится отводить непосредственно от самой матрицы.
В настоящее время в высококачественных LCD-проекторах используется три формирователя изображения и соответственно три оптических блока. В DLP-проекторах того же качества применяется только одна матрица, что опять-таки (несмотря на наличие вращающегося фильтра) облегчает и удешевляет их конструкцию. В результате DLP-технологии заняли доминирующее положение на рынке сверхлегких проекторов (массой до 3,5 кг).
Совершенствование технологии
Продолжая работать над совершенствованием DLP-технологии, специалисты TI в последнее время добились определенных успехов.
Уменьшение отверстия в микрозеркале. Если посмотреть на фотографии или схематические изображения DMD-матриц, то можно заметить, что в центре алюминиевого зеркала выделяется прямоугольник размером 4х3 мкм - это торец держателя. В настоящее время изменена форма держателя (в сечении он представляет собой восьмиугольник) и уменьшена его площадь (восьмиугольник вписывается в квадрат со стороной 2 мкм). В результате удалось повысить яркость формируемого изображения на 5%, а контрастность - на 20%.
Уменьшение зазоров. В первых DMD-матрицах зазоры между зеркалами составляли 1 мкм. Теперь их удалось уменьшить до 0,8 мкм. В итоге коэффициент заполнения экрана повысился с 88,5 до 90% и на 20% улучшилась контрастность изображения вследствие снижения паразитной засветки темных участков.
Уменьшение размеров матрицы. Продолжая выпускать матрицы с размером пиксела 17 мкм, TI запускает в производство и новые модели, в которых размер пиксела составляет 13,8, а зеркала - 13,0 мкм. Легко подсчитать, что для получения разрешения 1024х768 точек подобная матрица должна иметь диагональ около 1,8 см (0,7 дюйма). В ближайшие годы компания планирует выпускать матрицы с диагональю 0,7; 0,9 и 1,1 дюйма (для самых больших проекторов).
Уменьшение габаритов электронной схемы управления. TI удалось вдвое уменьшить геометрические размеры электронной части проектора.
Блочная адресация. Изначально поворот микрозеркал выполнялся одновременно после последовательной загрузки соответствующих команд во все ячейки матрицы. По новому алгоритму матрица разбивается на 16 блоков и загрузка в них идет параллельно. Таким образом почти в пять раз снижается время регенерации изображения, что способствует повышению его качества.
Прозрачный сектор. Первоначально в одноматричных DLP-проекторах использовали трехцветный вращающийся светофильтр. Введение четвертого сектора, прозрачного, позволило на 10 - 30% повысить яркость изображений с преобладанием белого фона (например, компьютерных).
Расширение интервала активности. Обычно DMD-матрица не формирует изображение в те моменты, когда светофильтр оказывается в промежуточном положении (световой поток проходит вблизи границы секторов). Такие интервалы неактивности занимают около 10% времени. Найдена возможность использовать и это время.
Все эти меры в совокупности позволили примерно вдвое увеличить яркость и контрастность изображения современных DLP-проекторов.
Стратегия бизнеса
В качестве корпоративной стратегии внедрения на рынок проекционного оборудования TI выбрала прямые поставки DLP-модуля основным производителям проекторов на OEM-условиях. Альтернативным решением могло стать развертывание собственного проекционного производства, тем более что TI фактически разработала несколько законченных вариантов проекторов. Однако корпорация предпочла не включаться в борьбу со всеми основными игроками на этом рынке, а предоставить им возможность конкурировать между собой на платформе TI. В результате уже сейчас начальные вложения начинают окупаться.
Начав продажи DLP-блоков в конце 1995 г., TI на выставке Infocomm’98 объявила о поставке стотысячного устройства, а к настоящему моменту их продано уже более 200 000. Сегодня компания Texas Instruments остается единственным производителем DMD-матриц, причем большинство производителей DLP-проекторов закупают их в составе всего модуля DLP, включающего источник света, оптику, вращающийся фильтр (для одноматричных моделей) и всю поддерживающую электронику. Иногда в закупку входит и источник питания.
География и ниши DLP
Сегодня практически все основные американские и европейские производители и поставщики мультимедиа-проекторов предлагают устройства, выполненные по технологии DLP. Корректируют свою техническую политику и японские производители, продолжающие развивать LCD-технологии. В течение 1999 г. о выходе на рынок DLP-проекторов заявили компании Panasonic, Sharp, Mitsubishi и Sony.
По DLP-технологии изготавливаются почти все сверхлегкие проекторы. Первыми в этом классе стали модели LP330 фирмы InFocus (масса - около 2,1 кг, разрешение - XGA, световой поток - 650 ANSI-лм) и MP1600 корпорации Compaq (1,9 кг, XGA, 600 ANSI-лм). Среди сравнимых по массе и цене их конкурентов с LCD-формирователем можно упомянуть разве что Scout компании Lightware (2,4 кг, SVGA, 500 ANSI-лм).
Некоторые компании, в частности Davis, успешно продвигают одноматричные DLP-проекторы на рынок домашних кинотеатров, где подобные устройства пока не занимают лидирующих позиций. Недавно с аналогичным предложением на этот рынок вышла и знаменитая аудиофирма Marantz. Все говорит о том, что в ближайшую пару лет борьба технологий в этом секторе будет очень жесткой.
Около 70% продаваемых в настоящее время мощных проекторов (со световым потоком более 5000 лм) выполнены по технологии DLP. Лидером здесь является фирма Digital Projection International, которую недавно приобрела корпорация IMAX - владелец около 200 высококлассных кинотеатров в различных странах мира. Компания выпускает проекторы со световым потоком до 12 000 лм и планирует выпуск устройств на 15 000 лм (прототипы уже демонстрировались).
Другая крупная компания этого сектора - Electrohome - также поставляет в основном DLP-системы. Характерно, что и она была приобретена недавно лидером кинопроекционного рынка фирмой Christie. К числу ведущих компаний в области поставки мощного проекционного оборудования на основе DLP-технологии принадлежит и BARCO.
Типичный проектор из этой ниши может весить от 50 до 150 кг, иметь собственное разрешение от VGA до SXGA и контрастность от 200:1 до 400:1. Как правило, в таких устройствах используется высококачественная электроника (например, компаний Cintel или Faroudja Lab).
Дополнительная информация о корпорации TI и продукте DLP содержится на сайте: www.ti.com.
С автором можно связаться по Е-mail: alsemenov@mtu-net.ru.
