IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"
Оптика для DLP - проектора
Асланов Э.Р., Москва 2012 г.
Аннотация
В данной работе мы сформулировали и устранили техническое противоречие (ТП) которое возникает при уменьшении количества оптических элементов и стоимости в DLP-проекторе.
1. Описание работы цифрового проектора
Описание работы подготовлено по материалам сайта [1].
Технология DLP
Рис. 1 Современный DLP-проектор
Технология DLP (Digital Light Processing, цифровая обработка света) или, как её ещё называют, DMD (Digital Micromirror Device, устройство с цифровыми микрозеркалами) использует принцип отражения. Цифровой сигнал преобразуется в команды микрозеркалам, которые либо отражают, либо не отражают свет, излучаемый лампой проектора.
Принцип работы
Всё началось в 1987 году, когда Texas Instruments разработала систему зеркал, названную DMD. Устройство использовало матрицу, имеющую 1,3 миллиона микроскопических зеркал, расположенных на шарнирах, которые ориентировали их по отношению к источнику света. В целом, можно сказать, что каждое зеркало соответствует одному пикселю проецируемого изображения. Поскольку разрешение матрицы составляет 1280x1024, то мы получаем картинку на 1,3 миллиона пикселей. В проекторе также присутствует источник света (лампа) и система линз. Всё это вместе и составляет технологию DLP.
Рис. 2 DMD матрица для DLP-проектора
Микрозеркала расположены на шарнирах, поворачивающих плоскость зеркала по направлению к источнику света (позиция ВКЛ) и против (позиция ВЫКЛ). В результате пиксели формируют изображение, состоящее из светлых и тёмных точек. Но если бы всё было так просто, то мы получили бы монохромное изображение без оттенков серого. Следовательно, нужно добавить оттенки. Для этого устройство преобразует цифровой сигнал в быстрые колебания зеркала, вплоть до нескольких тысяч раз в секунду. Чем больше зеркало успеет отразить света, тем светлее будет пиксель. И наоборот. Изменение частоты колебания зеркала позволяет вывести 1024 уровней серого для каждого пикселя.
Рис. 3 Микрозеркала DMD матрицы
После того, как мы создали чёрно-белое изображение, к нему необходимо добавить цвета. Существует два способа: моно-DMD и три-DMD. В проекторах моно-DMD (наиболее распространённых) свет проходит от лампы к окрашенному диску, состоящему из трёх секторов (красный, зелёный и синий). Диск вращается очень быстро и пропускает, соответственно, красный, зелёный или синий свет. Комбинация яркостей микрозеркал и текущего фильтра создаёт иллюзию цветного изображения (16,7 миллионов оттенков).
Проекторы три-DMD по-прежнему считаются high-end электроникой и способны выводить до 35 миллиардов оттенков. Сначала белый свет проходит через призму, которая разделяет его на три потока: красный, зелёный и синий, затем каждый поток попадает на свою матрицу. Соответственно, картинка создаётся тремя отдельными DMD-матрицами - для красного, зелёного и синего цветов.
Рис. 4 Cхема работы DLP-проектора
2. Формулировка противоречия
Рис. 5 Оптическая система для освещения DMD матрицы
Для получения качественного изображения необходимо осветить равномерно DMD матрицу. С этой целью используется специальная оптическая система, которая состоит из двух микролинзовых массивов и одной линзы (рис. 5).
а) б)
Рис. 6 (а) Распределение интенсивности света перед формирующей оптикой
(б) распределение интенсивности света после формирующей оптики
Пучок лучей после коллимации, например, от светодиода имеет неравномерное распределение интенсивности (рис. 6а). Т.е. его нельзя направлять непосредственно на DMD матрицу. В противном случае получится изображение с тёмным пятном посередине. После использования формирующей оптики из рис. 5 удаётся получить пучок лучей, который равномерно освещает DMD матрицу (рис. 6б).
Недостатком решения является необходимость использования нескольких оптических элементов, что приводит к увеличению стоимости проектора т.к. увеличиваются затраты на изготовление пресс-форм для оптических элементов и затраты на компоновку и юстировку этих элементов. Если мы ограничимся использованием линзы с одним микролинзовым массивом, то это позволит снизить стоимость системы, но приведёт к ухудшению однородности освещения DMD матрицы.
Рис. 7 ТП для DLP проектора
Таким образом, мы можем сформулировать техническое противоречие (ТП) рис. 7: с увеличением числа оптических элементов улучшается однородность освещения DMD-матрицы, но возрастает стоимость системы; и наоборот.
3. Решение
Для устранения ТП было предложено следующее решение. На рис. 8а изображена пластина с массивом микролинз. Каждая микролинза имеет сложную поверхность (поверхность свободной формы) – рис. 8б. В зависимости от расстояния до DMD матрицы поверхность свободной формы для всех линз может быть одинаковой.
а) б)
Рис. 8 (а) Массив микролинз свободной формы (б) Поверхность от одного элемента
Если DMD матрица расположена относительно близко к пластине, то каждая микролинза должна иметь уникальную форму поверхности, отличную от других. В любом случае данный элемент может быть рассчитан и изготовлен.
Подробную информацию о расчёте поверхности микролинз можно найти в работах [3-5].
Заключение
В данной работе было предложено использование пластины с линзами свободной формы. Решение позволяет сократить стоимость освещающей DMD матрицу оптики почти в 2 раза за счёт использования меньшего количества элементов.
Источники
[3] Sun, L. Free-form microlens for illumination applications/ Liwei Sun, Shangzhong Jin and Songyuan Cen// Applied Optics, 2009. - Vol. 48, No. 29.
[4] Wu, R. Freeform lens arrays for off-axis illumination in an optical lithography system / Rengmao Wu, Haifeng Li, Zhenrong Zheng, Xu Liu // Applied Optics, 2011. – Vol. 48, No. 29, 725-732.
[5] Э. Асланов, Л. Досколович, Расчёт компактной оптики для формирования заданных распределений освещённости/ Компьютерная оптика 36, с 96-101, 2012.
