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DLP - Digital Light Processing

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen der DMD-Technologie

Die Technologie für eine Hochleistungsprojektion von elektronischen Videosignalen mit „Lichtventilen“ geht bis in die Mitte der 40er Jahre zurück. Der Schweizer Dr. Fritz Fischer entwickelte aus der sog. Schlieren-Optik ein Projektionssystem, den EIDOPHOR, das bis in die 80er Jahre eingesetzt wurde. Uns allen sind zum Beispiel die Bilder des NASA Mission Control Room mit den meterhohen Eidophor-Rückprojektionen der ersten Live-Bilder vom Mond bekannt. Das Eidophor wurde bei Großveranstaltungen, in Hörsälen, Theatern Kinos usw. eingesetzt. Die komplexe Technik erlaubte allerdings nie einen Einsatz in der Consumer-Elektronik.
Erst das Aufkommen neuentwickelter Lichtventile wie verschiedene LCD-Verfahren (Durchlicht-und Reflexionstypen) und DMD (Digital Micromirror Device) lösten den Eidophor mit seiner komplizierten Technik ab. Von allen neuen Technologien kann aber nur die DMD-Technik mit seinem digitalen Lichtprocessing (DLP - Digital Light Processing) an die Leistungsfähigkeit des Eidophor heranreichen. Einfache, robuste Technik und kostengünstige Massenfertigung erlauben den Einsatz von Lichtventilen nun auch im Konsumentenbereich. Produkte mit DLP-Projektionstechnik sind in Kinos, Table Top Business-Projektoren oder in Rückprojektions-TV-Geräten zu finden.

1.1 Die Entwicklung des DMD

Abb. 1: 128x128 Pixel Membran-DMD (1981)
Abb. 1: 128x128 Pixel Membran-DMD (1981) [1]

Im November 1977 erhielten die zentralen Forschungslabore von Texas Instruments (TI) im Rahmen eines kleinen regierungsgeförderten Projektes den Entwicklungsauftrag für einen CCD-adressierten Lichtmodulator auf Membranbasis. Aus dieser Keimzelle heraus wurden verschiedene Ansätze gemacht, die aber nie zu einem vertriebsfähigen Produkt führten. Die Abkürzung DMD stand zu dieser Zeit noch für "Deformable Mirror Device". 1981 wurde so ein analoges DMD-Array von 128 x 128 Pixeln zum ersten Mal demonstriert.
1984 erprobte man bei TI eine 2400 x 1 DMD-Zeile als Ersatz für den Polygonscanner in Laserdruckern. Die Funktionstests waren zwar erfolgreich, aber die Lebensdauer der Mikrospiegel war nicht ausreichend. Sie tendierten dazu, im gekippten Zustand am Untergrund festzukleben. Anfang 1987 stand man bei TI vor der Entscheidung das gesamte Projekt fallen zulassen oder einen komplett neuen Ansatz machen zu müssen. Man entschied sich für das Letztere und bereits am Ende des gleichen Jahren erreichte man einen bedeutenden Durchbruch. Neue Prozesse in der Halbleiterherstellung ermöglichten nun die Herstellung von digital arbeitenden, bistabilen Mikrospiegeln. Auf dieser Basis wurden in vielen Zwischenstufen Mikrospiegelarrays weiterentwickelt, die 1996 zum ersten kommerziell einsetzbaren Farb-DMD (DMD steht nun für "Digital Micromirror Device") führten.

Abb. 2: DMD-Chip 1920x1080p
Abb. 2: DMD-Chip 1920x1080p [2]

1.2 Aufbau einer DMD-Zelle

Abb. 3: DMD-Strukturen unter dem Elektronenmikroskop (Foto: TI)
Abb. 3: DMD-Strukturen unter dem Elektronenmikroskop [3]

Ein DMD-Pixel besteht aus einem monolithisch integrierten Mikro-Elektomechanischen System (MEMS = MicroElectro-Mechanical System) als Überbau auf einer CMOS SRAM-Zelle. Ein durch ein Plasma-Ätzverfahren entfernter organischer Opfer-Layer erzeugt Luftspalte zwischen den einzelnen Metall-Layern dieses Überbaues. Die Luftspalte ermöglichen es der Struktur sich um zwei nachgiebige Drehgelenke zu drehen. Die Spiegel sind mit einem darunterliegendem Joch verbunden, welches wiederum über die zwei dünnen Drehgelenke mit zwei Stützen verbunden ist.
Das Joch wird elektrostatisch von den darunterliegenden Adress-Elektroden angezogen, während der Spiegel von den Spiegel-Adresselektroden elektrostatisch angezogen wird. Joch und Spiegel drehen sich zusammen so lange, bis das Joch mit den Landespitzen am mechanischen Anschlag, den Landestellen anstößt. Diese haben das gleiche Potential wie das Joch. Die mechanischen Anschläge begrenzen die Rotation des Spiegels auf -12° und +12°. Der Status der SRAM-Zelle (1, 0) bestimmt den Rotationswinkel. Da der mechanische Aufbau der Struktur den Rotationswinkel bestimmt, sind die Winkel von -12° oder +12° fest definiert und ein digitaler (bistabiler) Betrieb ist möglich.
Die Spiegel haben, je nach Typ des DMD-Bausteins, eine Seitenabmessung zwischen 10,8 und 16 μm und bestehen aus Aluminium. Durch den geringen Abstand von nur 0,6-1mm zwischen den Spiegeln wird ein Füllfaktor von ca. 92,5% erreicht. Dieses garantiert neben einer hohen und gleichmäßigen Ausleuchtung der Projektionsfläche auch ein nahezu strukturloses (pixelfreies) Bild.
Um Umwelteinflüsse auszuschließen, befindet sich das DMD-Array in einem hermetisch geschlossenem Gehäuse mit einem Glasfenster.

Abb. 4: Aufbau einer DMD-Zelle
Abb. 4: Aufbau einer DMD-Zelle [4]

1.3 Digitale Lichtmodulation mit DMD

Abb. 5: Prinzip der Lichtmodulation
Abb. 5: Prinzip der Lichtmodulation [4]

Digital arbeitende Mikrospiegel-Schaltkreise kennen im Betrieb nur zwei erlaubte Zustände:
EIN = Licht wird auf die Projektionsfläche geworfen und AUS = Das Licht wird auf eine Absorberfläche geworfen. Das Umlenken des Lichtstrahls wird durch ein Kippen der Mikrospiegel (Micro Mirrors) vorgenommen. Der Kippvorgang wird durch elektrostatische Kräfte ausgelöst. Ladungsspeicher ist jeweils eine CMOS-Speicherzelle für jeden Spiegel (= Pixel). Eine Helligkeitsmodulation des Pixels erreicht man durch eine schnelles Umschreiben des Speicherinhalte mit einer Pulsweitenmodulation. Der angesteuerte Spiegel schaltet hierdurch abhängig von der Helligkeit des Videosignales mehr oder weniger häufig zwischen Absorberfläche und Projektionsfläche hin und her.
Aktuelle DMDs aus der Massenfertigung haben eine Auflösung von bis zu 4090 x 2160 Pixeln. Die Spiegel haben einen Neigungswinkel von ± 12°. Die Lampe hat gegenüber der Achse der Projektionslinse (Licht = EIN) einen Winkeloffset von -24°. Im "EIN"-Zustand befindet sich der Microspiegel in der +12°-Position. Der zur Senkrechten des Spiegels gemessene Einfallwinkel des Licht beträgt 12°. Dementsprechend beträgt der Ausfallwinkel ebenfalls 12°. Der umgelenkte Lichtstrahl trifft die Projektionsfläche. Das zum Mikrospiegel gehörende Pixel wird abgebildet.
Im "AUS"-Zustand ist der Microspiegel  auf -12° gekippt. Der Einfallwinkel und der Ausfallwinkel des Lichts betragen nun jeweils 36°. Der Lichtstrahl trifft auf die Absorberfläche. Das zum Spiegel gehörende Pixel auf der Projektionsfläche ist dunkel getastet.
Wird ein Mikrospiegel nicht angesteuert, kippt er in die 0°- (oder Flat-) Position zurück. Der Lichtstrahl befindet sich in einer nicht definierten Position, die nur übergangsweise während des Umschaltens zwischen den Endpositionen eingenommen werden darf.

Abb. 6: Ablenkwinkel im Lichtpfad
Abb. 6: Ablenkwinkel im Lichtpfad

1.4 Ansteuerung des DMD

Abb. 7: Organisation eines DMD-Chips (Quelle: TI)
Abb. 7: Organisation eines DMD-Chips [4]

Die DMD-Pixel werden in einem elektrostatisch bistabilen Modus betrieben, was die Anforderungen an Adress-Signale wesentlich vereinfacht. Normale 5V- (bzw. 3,3V)-CMOS-Pegel sind ausreichend.
Die Adress-Elektroden des Spiegel und des Jochs sind mit den komplementären Seiten der darunterliegenden SRAM-Zelle verbunden. Der Spiegel und das Joch sind mit dem Ansteuer- /Reset-Bus verbunden. Dieser Bus verbindet die Spiegel und Jochs aller Pixel mit einem Gehäuse-Anschluß. Ein sich außerhalb des DMD-Chips befindlicher Treiber erzeugt das für einen digitalen Betrieb notwendige Ansteuerungssignal.

Die Ansteuer-/Resetspannung hat drei Aufgaben. Zuerst sorgt sie für ein bistabiles Umschalten der Spiegel um sie dann in der Landeposition zu fixieren. Eine weitere Aufgabe ist es, die Spiegel mit einem Reset zu versorgen, damit sie die Adhäsionskrafte der Landepunkte überwinden können, sich lösen und auf die neu adressierte Position drehen.

Abb. 8: Typische Signalformen und Umschaltzeiten
Abb. 8: Typische Signalformen und Umschaltzeiten [4]

Eine DMD-Adress- und Reset-Sequenz besteht aus sechs Phasen:

  1. MEMORY READY (Speicher vorbereitet)
    Alle Speicherzellen unter dem DMD sind mit neuen Adressdaten für die Spiegel geladen. Die Spiegel befinden sich noch in der im letzten Zyklus vergebenen Position. Die Ansteuer- /Reset-Spannung beträgt ca. 26V
  2. RESET
    Die Ansteuer- /Resetspannung wird kurz auf ca. -27V gelegt. Alle Spiegel werden mit einem gegenpoligen Feld aus ihrer Position gezogen und somit zurückgesetzt.
  3. UNLATCH (Entriegeln)
    Die Ansteuer- /Resetspannung wird abgeschaltet. Alle Spiegel schwingen frei in Richtung Mittel- (Flat-) Position zurück.
  4. DIFFERZIERUNG
    Die vom SRAM ausgehenden elektrostatischen Felder bewirken eine leichte Neigung jedes Spiegels in die vorgegebene Richtung.
  5. LAND AND LATCH (Landen und Verriegeln)
    Die Ansteuer- /Restspannung wird wieder auf ca. 26V legt. Ein starkes elektrostatisches Feld wird wirksam und zieht die Spiegel in die Richtung, in der sie vorgeneigt sind, bis zum Anschlag auf die Landepunkte und hält sie dort fest.
  6. UPDATE DES MEMORY ARRAYS
    Die Ansteuer- /Resetspannung bleibt eingeschaltet und verriegelt sie in der jeweiligen Position, während zeilenweise der Speicher unter den DMD mit den neuen Videodaten beschrieben wird.
  7. WIEDERHOLUNG DER SEQUENZ BEGINNEND MIT PHASE 1

1.5 Helligkeitssteuerung

Die Helligkeitssteuerung (Modulation) wird über eine Ansteuerung der Pixel mit einer binären Pulsweitenmodulation erreicht. Um eine Helligkeitsauflösung von 8 Bit pro Primärfarbe = 256 Graustufen bzw. 16,7 Millionen Farben zu erhalten, darf die maximale Schaltzeit bei 50Hz Progressiv 20ms : (3 x 256) = 26μs betragen. Die tatsächliche mechanische Umschaltzeit eines DMD-Spiegels beträgt etwa 15μs. Die optische Umschaltzeit liegt bei etwa 2μs.
Als Beispiel ist das Timing des einfachsten Algorithmus zur Helligkeitmodulation im folgenden Bild dargestellt:

Abb. 9: Lineare PWM zur Helligkeitsteuerung
Abb. 9: Lineare PWM zur Helligkeitsteuerung [4]

Am Anfang jedes Farbkomponenten-Vollbildes (Color Frame) eines Zeitfensters (= Farbfeld) im Farbrad wird zuerst das höchstwertige Bit (MSB, Most Significant Bit) als erstes in jede SRAM-Zelle unter den Spiegeln geschrieben. Alle Spiegel verbleiben dann für die Hälfte der Zeit des Frame in der vom MSB bestimmten Lage. Dann wird das nächsthöchstwertigste Bit in den Speicher geschrieben. Nun verbleiben die Spiegel für ein Viertel der Zeit eines Frames in der jeweiligen Position. So werden nacheinander alle Bits jeweils niedrigerer Wertigkeit mit jeweils halbierter Verweildauer nacheinander in das SRAM geschrieben, bis nach dem niedrigstwertigen (LSB, Least Significant Bit) mit 1/256 einer Framezeit wieder das nächste MSB geladen wird. Dieser Algorithmus hat allerdings einige gravierende Nachteile durch einen hohen Bandbreitenbedarf, aufwendige Refresh-Steuerung und störende Bildartefakte. Verbesserte Algorithmen (z.B. Bit-Splitting) und daran angepasste Speicherstrukturen ermöglichen kürzere Schaltzeiten, die Auflösungen mittlerweile bis zu 12 Bit ermöglichen.

1.6 Farbsteuerung

Bei der Farbsteuerung kommen abhängig von der Verwendung des Projektors verschiedene Konstruktionsprinzipien von Projektoren zur Anwendung:

1-Chip-Projektoren mit weißer Lichtquelle

DMD-Projektoren für den Massenmarkt sind ausschließlich 1-Chip-Geräte. Diese sind einfach aufgebaut und selbstkonvergierend. Als Lichtquelle dient meist eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe oder eine weiße High Power LED.

Abb. 10: Prinzip eines 1-Chip-Projektors mit weißer Lichtquelle
Abb. 10: Prinzip eines 1-Chip-Projektors mit weißer Lichtquelle

Für die Farbsteuerung muss das weiße Licht sequentiell mit Filtern in die Primärfarben Rot, Grün und Blau zerlegt werden. Nacheinander werden dann Vollbilder in den einzelnen Farbkomponenten projiziert. Die Trägheit des menschlichen Wahrnehmungsvermögens integriert die monochromen Teilinformationen zu einem polychromen Gesamteindruck.
Zur Trennung der Farben werden mit Elektromotoren angetriebene Filterscheiben, sogenannte Farbräder, die sich im Projektionspfad befinden, verwendet. Die Filterscheiben sind als  RGB-, RGBW- oder auch als dichroitische RGB-Filter ausgelegt. Das weiße Feld in RGBW-Farbrädern hebt noch einmal den Luminanzanteil der projizierten Bildes an. Unterschiedliche Längen der Farbsegmente linearisieren das ungleichmäßige Farbspektrum der Lampe.
Farbräder mit drei oder vier Farbfeldern rotieren einmal pro Vollbild. Sie drehen sich also mit 3000U/min. Diese relativ niedrige Drehzahl hat zwar den Vorteil, dass auch in leiser Umgebung die Laufgeräusche des Farbrades fast unhörbar sind, doch erzeugen die relativ langsamen Farbwechsel bei empfindlichen Personen einen "Regenbogeneffekt" an hellen senkrechten Kanten im Bild. Eine deutliche Verbesserung schafft die Verdopplung der Farbsegmente und/oder eine Erhöhung der Drehzahl des Farbrades.

Abb. 11: Diverse Farbräder (Dichr. RGBRGB / RGBW / RGBRGB)
Abb. 11: Diverse Farbräder (Dichr. RGBRGB / RGBW / RGBRGB)

Ein (modernes) 6-Segment-Farbrad dreht sich mit 6000U/min oder mehr (z.B. 7500U/min). Die Filter auf dem Farbrad werden sehr schnell für jeweils nur ca. 1,6ms (1,3ms) nacheinander in den Strahlengang des Lichtes gebracht.  Die Abfolge und die Phasenlage des Filterwechsels muss natürlich mit der Videoinformation, die vom DMD-Chip dargestellt wird, synchronisiert werden. Das Farbrad ist daher über ein Servosystem mit der Ansteuerung des DMD-Chips verknüpft. Ein Lagengeber (z.B. ein Hallelement) am Rotor des Motors liefert mit jeder Umdrehung ein Phasensignal, das vom DLP Data Prozessor (DDP) auf dem DLP-Board ausgewertet wird.

1-Chip-Projektoren mit mehrfarbigen LEDs

Mit der Verfügbarkeit von (mehr)farbigen Hochleistungsleuchtdioden (Power-LEDs) bieten sich diese als ideale Lichtquelle für Projektoren an. Durch die separate Ansteuerbarkeit der einzelnen Farben wird ein Farbrad überflüssig. Die Synchronisation der LEDs mit dem Videosignal erfolgt direkt aus dem DLP Data Prozessor (DDP).
Das von den LEDs erzeugte farbige Licht wird über Sammellinsen und dichroitische Spiegel in einen gemeinsamen Lichtpfad vereinigt. Durch die geringe Wärmeentwicklung und kleine Bauform der LEDs lassen sich sehr kompakte Projektionsgeräte herstellen.

Abb. 12: Prinzip eines 1-Chip-Projektors mit RGB-LEDs
Abb. 12: Prinzip eines 1-Chip-Projektors mit RGB-LEDs

Die zur Zeit (Ende 2009) einzigen Nachteile von LED-Projektoren sind der (noch) relativ geringe Lichtfluss (Pico-Projektoren: 7-20 Lumen, kompakte Mobilprojektoren 100-350 Lumen) und die (noch) geringe Auflösung (Pico-Projektoren: 480x240 Pixel, kompakte Mobilprojektoren 800x600 Pixel).

3-Chip Projektoren

Projektoren, die z.B. für Großprojektionen in höchster Qualität (30Bit Farbauflösung = >1Milliarde Farben, z.B. in Kinos, Simulatoren usw.) verwendet werden, sind meist mit drei DMD-Chips ausgestattet. Die Zerlegung des weißen Licht erfolgt mit dichroitischen Filterprismen, die, wie ein Bandpassfilter, nur einen definierten Wellenlängenbereich des Lichtes passieren lassen und den Rest reflektieren. Jede der drei Farben wird dann auf einen eigenen DMD-Chip geleitet und von diesem auf eine gemeinsame Projektionsfläche reflektiert.

Abb. 13: Prinzip eines 3-Chip-Projektors mit weißer Lichtquelle
Abb. 13: Prinzip eines 3-Chip-Projektors mit weißer Lichtquelle

Als Lichtquellen für so konstruierte Projektoren kommen Halogen- oder Xenon-Dampflampen zum Einsatz. Bei bis zu 6500W  Leistungsaufnahme (Strom: 155A) realisieren diese Strahler einen Lichtfluss bis zu  270.000 Lumen.

2. DLP in der Consumer Electronic

2.1 Die optische Einheit

Lampe, Ballaststufe, Optik und DMD-Platine bilden meist eine mechanische Einheit, die oft auch als "Light Engine" bezeichnet wird.

2.1.1 Lichtquellen

Entladungslampen
Abb. 14: Lampe und Ballaststufe
Abb. 14: UHP-Lampe und Ballaststufe [5]

Im Konsumerbereich kommen als Lichtquellen meist Entladungslampen mit einem kurzen (1-2mm) Lichtbogen (z.B. UHP = Hochdruck- Quecksilberdampflampen) zum Einsatz. Der Reflektor ist integrierter Bestandteil des Lampenkörpers. Die unterschiedliche Leistungsverteilung der Farben im Spektrum des abgestrahlten Lichts werden durch unterschiedliche Längen der Farbsegmente des Farbrades und durch Look Up Tabellen für den DDP (DLP Data Processor) kompensiert.
Die Lampen sind oft mit ihrer Zünd- und Betriebsspannungsquelle, der sog. Ballaststufe, in einem Schutzkäfig untergebracht. Die Ballaststufe erzeugt zum Zünden der Lampe eine hohe Impulsspannung von 15-18kV. Im Betrieb wird die Lampe mit einem 120-180Hz Wechselstrom gespeist. Dieser Impulsbetrieb sorgt für einen stabilen Lichtbogen.
Lampentyp, Ballaststufe, Farbrad und Gerätesoftware sind konstruktiv aufeinander abgestimmt und sind bei einer Reparatur unbedingt zu beachten.

Hochdruck-Quecksilberdampflampen für Standard-Videoprojektoren haben eine Brenndauer von ca. 1000-6000 Stunden. Der Austausch ist relativ teuer (250 bis 400 €). Jede Lampe enthält 10-50mg Quecksilber, das beim Entsorgen der Lampe nicht in die Umwelt gelangen darf.

Abb. 15: Spektrum einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe (Quelle: Osram)
Abb. 15: Spektrum einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe [2]
Projektions-LEDs
Abb. 16: Leistungs-LED
Abb. 16: Einfarbige Projektions-LED
             (Osram Ostar Projection P2W [7])

Für kleine und mittlere Projektionsanwendungen bis 1700 Lumen werden vermehrt LEDs als Lichtquelle eingesetzt. Die meisten Vorteile bieten Lösungen mit drei separaten einfarbigen LEDs, da dabei das Farbrad eingespart werden kann. Lösungen mit weißen LEDs zeigen  zum Teil die gleichen Nachteile wie Entladungslampen auf (ungleichmäßiges Farbspektrum des abgestrahlten Lichts und die Notwendigkeit eines Farbrades).
RGB-LEDs ermöglichen sehr kleine Projektorbauformen bis zu der Größe eines Buches oder eines Mobiltelefons (Pico-Projektoren). Auch ist die Integration von Beamern direkt in Laptops  oder Abspielgeräte (Portable Projection Media Player) ist möglich.
Vorteile von LED-Projektoren:

  • klein & leicht
  • kein Lüfter notwendig
  • bei R-, G-, B-LEDs kein Farbrad notwendig
  • Lichtquelle hält ca. 30.000 - 100.000 Stunden
  • geringe Lampenkosten
  • geringe Leistungsaufnahme
  • keine Freisetzung von Schwermetallen bei der Entsorgung


2.1.2 Der Lichtpfad

Das von der Lampe abgestrahlte Licht hat hohe Anteile an UV- und IR-Strahlung. Ein Filter entfernt diese unerwünschten Lichtanteile, da sie die Farbpigmente des Farbrades verändern können und das System unnötig aufheizen.  Das gefilterte Licht wird mit einer Sammellinse auf die Eingangsfläche eines Lichtintegrators fokussiert. Dieser ist praktisch ein Glasstab, massiv oder hohl, oft mit teilverspiegelten Enden. Lichtintegratoren sollen den Lichtstrahl in seinen Querschnitt homogenisieren. Zusätzlich werden die Lichtanteile, die vom Farbrad reflektiert werden von der teilverspiegelten Eintrittsfläche des Integrators zurück aufs Farbrad geworfen. Dies senkt die Temperaturbelastung der Lampe und verbessert die Lichtausbeute.
Die grundsätzliche Funktion des Farbrades wurde bereit weiter oben beschrieben. In der Praxis kommen viele verschiedene Konstruktionen zum Einsatz: z.B. einfache RGB, doppelt RGB (6-Segment-Farbräder), RGBW, spiralförmig angeordnete RGB-Felder (SCR-Rad) oder auch in Trommeln eingefügte Filter. Das vom Farbrad in die Primärfarben zerlegte Licht wird nun mit einer Sammellinse auf den DMD-Chip fokussiert. Konstruktiv bedingt können sich im Strahlengang Spiegel oder Prismen zur Strahlumlenkung befinden.
TIR-(Total Internal Reflection-) Prismen lassen nur senkrecht auftreffende Lichtstrahlen durch und stellen so sicher, dass nur das Licht, welches in der Ein-Position von den Mikrospiegeln des DMD-Chips reflektiert wird, auf die Projektionsfläche gelangt. Die Projektionsoptik letztlich fokussiert das vom DMD-Chip reflektierte Licht auf die Projektionsfläche.

Abb. 18: Aufbau einer optischen Einheit ("Periskop"-Typ)
Abb. 18: Aufbau einer optischen Einheit ("Periskop"-Typ)

2.2 Ansteuerung der optischen Einheit

Das Herz eines jeden DLP-Systems ist der DMD-Lichtmodulator. Dieser befindet sich auf dem DLP Driver-Board und besteht aus dem DMD-Chip, einem DDP (DLP DATA PROCESSOR), einem DAD Reset-ASIC und dem SH Motor-Controller für das Farbrad. Wegen der hohen Prozessgeschwindigkeit müssen die Leiterbahnen in diesen Stufen sehr kurz gehalten werden. Deshalb befinden sich die ASICs in unmittelbarer Nähe des DMD-Chips auf einer Leiterplatte, der DLP-Treiber-Platine, direkt an der Light Engine. Als Eingangssignal liegt das vom Signal-Board kommende, über eine HDMI-Verbindung eingespeiste digitale Videosignal an.

Abb. 19: Blockbild der Ansteuerung einer optischen Einheit
Abb. 19: Blockbild der Ansteuerung einer optischen Einheit
DDP (DLP Data Processor)

Der DDP ist ein spezialisierter Videoprozessor (ASIC=Application Specific Integrated Circuit) zum Anpassen und Aufbereiten des Videosignalstroms. Für eine optimale Bildqualität müssen die spektralen Eigenschaften von Lampe und Farbrad berücksichtigt und kompensiert werden. Da die in den Projektionsgeräten eingesetzte Light Engine mit verschieden Typen von Lampen eingesetzt werden kann, muss der Farbtemperaturabgleich über angepasste Lookup-Tabellen vorgenommen werden. Die Eingabe des Lampentyps erfolgt im Service-Mode. DMD-Displays weisen ein lineares Verhältnis zwischen dem zur Ansteuerung der Spiegel verwendeten Grauwert und der der tatsächlich angezeigten Lichtstärke. Die Luminanzkennlinie vieler Videosignale (z.B. TV) sind wegen der Nichlinearität von Bildröhren vorverzerrt. Diese sog. „Gamma“ -Kennlinie muss bei DLP-Bildgebern linearisiert werden. Die hierfür notwendigen spezifischen De-Gamma-Werte sind ebenfalls in ladbaren Lookup-Tabellen im EEPROM der DLP-Treiberplatine abgelegt. Eine weitere Aufgabe des DDP ist das Erzeugen der PWM zur Helligkeitssteuerung der einzelnen Pixel. Spezielle Algorithmen erzeugen angepasste Bitmuster und vermeiden Alias- und False Contour- Effekte. Um die hohen Echtzeitanforderungen zu erfüllen, ist ein schneller (RAMBUS-)DRAM-Speicher über einen schnellen Bus an den DDP angebunden. Zur Steuerung der Prozesse im Signalweg und zur Überwachung wichtiger Systemfunktionen ist der DDP mit einem internen Microcontroller ausgestattet. Der Programmcode, die Konfigurationsparameter und die PWM-Sequenzen (Bitmuster) zur Helligkeitssteuerung sind in einem externen FLASH-RAM gespeichert.

DAD (DMD Power and Reset Driver)
Abb. 20: DLP Driver Board (Bestückungsseite)
Abb. 20: DLP Driver Board (Bestückungsseite)


Der DAD liefert dem DMD-Chip die Betriebsspannungen und die zum dynamischen Betrieb der Mikrospiegel benötigten Steuerspannungen. Diese Steuerspannungen werden aus den ebenfalls vom DAD erzeugten Spannungen VBIAS (je nach DMD-Typ 19-26V), VRESET (-19 - -26V) und VOFFSET (4,5 - 8V) zusammengesetzt. Die Flankensteilheit der Ansteuersignale liegt im Nanosekunden- Bereich.

SH (Motorsteuerung Farbrad)

Das Farbrad der Light Engine wird von einem bürstenlosen Dreiphasen-Gleichspannungsmotor direkt angetrieben. Die Ansteuerung der Treiber-FETs des Motors übernimmt der SH-Controller. Zur Synchronisation der Phasenlage des Farbrades mit dem Videosignal wertet der DDP ein mit einem Optokoppler erzeugtes Phasensignal in einem Vergleich mit dem Vertikal-Sync aus. Korrekturdaten werden über ein serielles Interface an den SH übertragen. Der manuelle Abgleich der Phasenlagenverzögerung erfolgt im Produktions- bzw. im Service-Mode. Der Abgleich wird bei den meisten Herstellern durch ein integriertes Service-Tool erleichtert. Beim Aufrufen des Abgleichs wird ein vom Image Prozessor erzeugtes Testbild (meist ein Farbkeil) eingeblendet. Mit der Fernbedienung kann dann die Verzögerung der Phasenlage (Color Wheel Index) in  feinen Schritten eingestellt werden.

Lüftersteuerung

Die Light Engine verfügt über zwei Lüfter: Einen zur Kühlung des DMD-Chip und einen zur Kühlung der Lampe. Da sowohl die Lampe als auch der DMD-Chip sehr empfindlich gegen Übertemperatur sind, kommt der Überwachung und Steuerung der Lüfter erhöhte Aufmerksamkeit zu. Die Drehzahl beider Lüfter wird ständig vom DDP überwacht und mit einer PWM nachgeregelt. Die Drehzahl des Lampen-Lüfters ist meist konstant, die des DMD-Lüfters ist über einen Sensor temperaturgeregelt. Sollte die Drehzahl eines der Lüfter abfallen oder sollte die Temperatur auf der DLP-Treiberplatine zu weit ansteigen, wird sofort die Lampe abgeschaltet. und ggf. eine Fehlermeldung angezeigt. Nach einigen zehn Sekunden Abkühlzeit wird die Light Engine neu gestartet.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto: "128 x 128 membrane DMD (first projected image, 1981)", Zusatz: "'Courtesy of Texas Instruments'". Quelle: Larry J. Hornbeck: From cathode rays to digital micromirrors: A history of electronic projection display technology / Seite 38. Heruntergeladen am 26.03.2004 von http://www.ti.com/dlp/resources/whitepapers/pdf/titj03.pdf (am 21.08.2014 Dokument nicht mehr verfügbar).

[2] Foto: "DMD-Chip 1920x1080p", Zusatz: "'Courtesy of Texas Instruments'". Quelle: HD-72.jpg, Heruntergeladen am 26.03.2004 von: http://www.dlp.com/about_dlp/about_dlp_image_library.asp Archiv: HD.zip (am 21.08.2014 Dokument nicht mehr verfügbar).

[3] Foto: "DMD-Strukturen unter dem Elektronenmikroskop", Zusatz: "'Courtesy of Texas Instruments'". Quelle: dmdmirror.tif, Heruntergeladen am 26.03.2004 von: http://www.dlp.com/about_dlp/about_dlp_image_library.asp Archiv: dmdmirror.zip (am 21.08.2014 Dokument nicht mehr verfügbar).

[4] Abbildungen 4, 5, 7, 8, 9: Quelle: Texas Instuments. Zeichnungen neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

[5] Foto: "Lampe und Ballaststufe" Quelle: Philips Pressefoto

[6] Abbildung: "Spektrum einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe" Quelle: Philips Broschüre uhp_highefficiencyleaflet.pdf. Heruntergeladen am 26.03.2004 von www.uhp.philips.com (am 21.08.2014 Dokument nicht mehr verfügbar). Zeichnung neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

[7] Foto: "Osram Ostar Projection P2W" Quelle: Osram Pressemitteilung "Osram Ostar Projection: High-power version for projectors with a system output of up to 1700 lumen " am 17.12.2013

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