V nabídce technologií pro zpracování světla lze nalézt i zkratky DMD a DLP. Zatímco DLP představuje celou technologii pro převod digitálního elektrického záznamu obrazu na digitální optický signál, DMD přestavuje zajímavou součástku/převodník, bez které by DLP nemohlo fungovat.

Ve světě mnoha zobrazovacích systémů a principů jsem narazil na jeden velmi zajímavý svojí konstrukcí. Jde o technologii DLP (Digital Light Processing™). Ta si již za posledních 6 let našla cestu do oblasti zobrazovací techniky jako projekční systém. Uvedená technologie s použitím součástky nazvané DMD (Digital Micromirror Device™) umožňuje vyrábět velmi malé projektory s vysokým rozlišením a věrností barev, velkoplošné tiskárny, spektrometry a mikroskopy.

Co je DLP ?

Technologie DLP - Digital Light Processing™ - umožňuje převádět digitální obrazový signál na optický tak, že k oku je vysílán sled digitálních impulsů světla (modulované světlo), které oko interpretuje jako barevný analogový obraz. Využívá se zde setrvačnosti lidského oka, stinítka, nebo podložky, na které světlo dopadá. Posloupnost různě dlouhých a však dostatečně krátkých impulsů (max. 20 ms) oko vnímá díky své pomalé reakci jako analogový optický signál - světlo s měnící se intenzitou, tedy jasem. Systém DLP je založen na mikromechanickém systému MEMS označovaný jako DMD.

Celý vizualizační systém DLP se v základu skládá z následujících komponent (viz obrázky 1, 2 a 3):   Zdroj světla DMD chip + digitální zpracování signálů Barevné filtry Zaostřovací a projekční optika Zdroj světla, obvykle bílého, vyrábí široký paprsek, který je nasměrován tak aby dopadal na celý povrch DMD chipu. Ten provádí rozdělení jednoho širokého paprsku na tisíce úzkých paprsků o průměrech setin milimetru, modulaci digitální modulaci jejich intenzity a jejich vychylování. To například umožňuje z jednoho zdroje světla a přivedeného elektricky digitalizovaného obrazu vytvořit na libovolném stinítku jeho klasický optický obraz s vysokým rozlišením i kontrastem. Nejnovější projektory pracující s technologií DLP umožňují promítat obraz (video) až s HDTV rozlišením (2048 x 1024 pixelů) a s vysokým kontrastem až 1000:1. Například projektory na bázi LCD dosahují kontrastu max. 300:1.

Obr. 2. DLP je založeno na přerušování a vychylování světla na stinítko pomocí DMD

Obr. 3. DLP provádí převod digitálního elektrického signálu na optický pomocí DMD

Co je DMD ?

Optoelektronická součástka DMD – Digital Micromirror Device™ - je mikromechanický systém MEMS, umožňující zpracovávat digitální optický signál. Konkrétně ji lze označit jako reflexní digitální optický přepínač. MEMS součástka je vyráběna CMOS technologií a kombinuje miniaturní pohyblivé prvky s chipem podobný CMOS paměti.

DMD je vlastně optický přepínač a modulátor v jednom, který odráží světlo od zdroje do jednoho ze tří směrů, dle přivedeného elektrického digitálního signálu. Například při stavu log. 1 se mikroodrazná plocha pootočí o + 10 °, při stavu log. 0 naopak o - 10 °. Světlo se tak například odráží do projekční optiky nebo mimo ni, podle toho, zda bod má nebo nemá být vidět. Z pohledu projekce obrazu se příslušný pixel jeví jako různě světlý nebo tmavý. Pokud se bude takto optický signál přepínat rychlostí větší než 50 Hz, lze dosáhnout binární pulsně-šířkovou modulací světla celou škálu odstínů šedé. Barevné škály se dosahuje použitím barevných filtrů, buď v pevném nebo rotujícím provedení v kombinaci s jedním, dvěma nebo třemi DMD chipy (například pro RGB složky).

Princip a struktura DMD

DMD chip se využívá k digitalizaci světla, například v zobrazovací technologii DLP. DMD chip je součástka tvořená mechanickou mikrostrukturou s hliníkovými mikrozrcadly (mirror), vahadly (yoke) a závěsy (hinge) monoliticky vyrobených nad CMOS substrátem - viz obrázek 5 a 6. Ten pak obsahuje implementovanou řídící elektroniku v podobě pole paměťových CMOS SRAM buněk. Každá SRAM buňka přísluší k jednomu mikrozrcadlu a umožňuje jeho samostatné adresování pro rotační pohyb +- 10° (nebo dnes i 12°) limitovaný mechanickými zarážkami. Hliníková zrcátka jsou vyráběna spolu s chipem depozicí hliníku přes oxidové masky a organických distančních podložek, které dovolují zrcátkům se volně pohybovat.

Obr. 5. Kresba struktury dvou vedlejších pixelů

Konkrétně překlápění DMD pixelu (zrcátka) pracuje na principu elektrostatického bistabilního režimu, aby se minimalizovali požadavky velikost adresovacího napětí. K rotaci dochází přivedením společného vychylovacího napětí (bias voltage) a adresovacím napětím (address voltage) na elektrody strukturu pixelu. Nejdříve je nutné přiložit dostatečně velké vychylovací napětí (předpětí). Pokud má nulovou hodnotu, je pixel automaticky mechanickou strukturou držen v základní vodorovné poloze, není jej možné přepnout ani vychýlit. S přiloženým kladného vychylovacího napětí se sice struktuře dodává energie v podobě vytvořeného elektrostatického pole, ale protože to působí stejně na obě strany zrcátka, stále nedochází k jeho natočení. Pouze s přivedením adresovacího napětí z CMOS SRAM buňky na vybranou stranu zrcátka, vznikne v této části struktury moment síly a zrcátko začne být přitahováno na zvolenou stranu.

Protože je závislost potřebné energie na natočení nelineární (parabolická), s rostoucím přiblížením kraje zrcátka adresovací elektrodě roste i přitahovací síla a zrcátko se tak automaticky překlopí do krajní/mezní polohy definované mechanickou strukturou. Pokud tedy hodnota vychylovacího napětí (bias voltage) překročí určitou potřebnou úroveň (bistable threshold voltage), stačí již jen malé CMOS napětí několika voltů k překlopení zrcátka na tu či druhou stranu, podobně jako stačí malé cvrnknutí do kuličky na vrcholu kopce, aby se skutálela na jednu či druhou stranu. Právě ten kopec zde vytváří vychylovací napětí a to cvrnknutí provede přivedením malého adresovací impulsu CMOS napětí (např. 3 nebo 5V). Pro návrat však nelze jen napětí odpojit, protože Van der Waalovy síly neumožní samovolně vrátit zrcátko do vodorovné polohy. Je proto nutné přiložit tzv. resetovaní napětí/impuls, které mechanickým pružným úchytům pomůže přitáhnou zrcátko do klidové vodorovné pozice.

Adresovací elektrody (address electrodes) pro výběr příslušného zrcátka jsou připojeny na dvě komplementární strany pod nimi ležících SRAM buněk - viz obrázek 7. Ty si totiž mají v sobě zaznamenané, zda se má a kam natočit zrcátko. Dále je však pohyblivá struktura zrcátka připojena k potřebnému vychylovacímu napětí prostřednictvím tzv. bias bus (vychylovací sběrnice). Celá struktura tak nad křemíkovým podkladem s CMOS SRAM paměťovými buňkami vyžaduje 3 vrstvy přesné metalizace.

Provedení součástky DMD firmy Texas Instruments

Podobně jako u jiných dnešních integrovaných obvodů a součástek, i v případě DMD je pole pixelů s řídícími CMOS SRAM doplněné řídící a periferní bloky na společném chipu. Vše je pak zapouzdřené do odolného pouzdra s okénkem pro přístup světla na odraznou plochu a kontaktními ploškami pro povrchovou montáž na desku plošných spojů. Typické provedení DMD součástky v nabídce firmy Texas Instruments je na obrázku 9.

Základem ovládání DMD je komunikace s řídícím systémem a příjem adresovacích sekvencí pro ovládání pixelů. Na obrázku 10. je blokové schéma řídící logiky DMD chipu firmy Texas Instruments s rozlišením 1024 x 768 pixelů (XGA). V centru je posuvný registr 64 x 16 bitů. Binární data jsou do jednotlivých řádků (row) načítány přes 64bitovou datovou sběrnici. Adresový posuvný registr zvolí jeden ze 768 řádků. Do každého řádky se vždy načtou data pro 64 pixelů (nejdříve pro pixely 15, 31,.....1007,1023; nakonec pro pixely 0, 16, ....992,1008). Celkově se tak 1024 pixelů chipu načte do 16 řádů v 16 po sobě jdoucích hodinových cyklech. DMD pixely jsou pak seskupeny do 16 individuálně řízených bloků, kde každý blok obsahuje 48 řádků.

Každý DMD pixel má definované slovo reprezentující intenzitu zobrazovaného bodu, tj. úroveň šedé. Tímto údajem pak DMD moduluje dopadající světelný paprsek technikou binární PWM (pulse-width modulation) - viz obrázek 4. Obvykle se používá 4 nebo 8bitové slovo a lze rozlišit 16, resp. 256 úrovní šedi.

Na následující obrázku 11. je ukázka přerodu řídícího 4bitového slova na signál pro modulaci světla, resp. řízení překlápění zrcátek. Každý bit udává přesný čas, kdy bude příchozí paprskem světla na pixelu směrován na zobrazovací plochu a kdy bude odcloněn. Čas, po který bude paprsek směrován na požadované místo, je funkcí jeho světlosti. Nejvýznamnější bit – MSB určuje 8/15 celkově vyhrazené doby modulace, naopak jednička na posledním bitu (LSB) definuje jen 1/15 doby.

Například při 8bitové modulaci světla pro projektor na videoformát NTSC je modulační čas pro jednu barvu 5.3 ms a tak logická 1 na LSB bitu udává čas 0.021 ms, tzn. 21 mikrosekund bude světlo dopadat na místo konkrétního pixelu na stínítko zobrazovací plochy a definuje tak úroveň nejmenší možné změny jasu obrazu. V případě použití DMD pro zpracování barevného obrazu pak každá barva svůj vlastní DMD, tzn. 3x DMD pro RGB.

Velikosti a rozlišení DMD chipů TI, které se vyráběly nebo vyrábí:

• 840 x 1 (první vyráběné DMD pro tiskárny s malým rozlišením)
• 640 x 480 (VGA rozlišení)
• 848 x 600 (SVGA rozlišení)
• 1024 x 768 (XGA rozlišení)
• 1280 x 1024 (SXGA rozlišení)
• 7056 x 64 (vysoké rozlišení pro tisk)
• 2048 x 1024 (vysoké rozlišení pro HDTV)

Závěr

V tomto článku jsem chtěl ukázat zajímavý princip a součástku, kterou lze najít v nabídce firmy Texas Instruments, například pod názvy typu DMD 0.7 XGA 12° DDR DMD Discovery nebo 0.7XGA LVDS DMD. I když je DMD hlavně spojen s technologií projekce digitálního obrazu, jeho použití může být i širší. Prakticky ho lze použít na různé optoelektronické zpracování signálů. Ať již má DMD budoucnost nebo nemá, minimálně jde o zajímavou ukázka uplatnění systémů MEMS pro oblast optoelektroniky.

.

DOWNLOAD & Odkazy

• Výrobce DMD chipů, firma Texas Instruments: www.ti.com, focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/dmd-discovery-3000-chipset.html
  


• Larry J. Hornbeck: "Digital Light Processing™: A New MEMS-Based Display Technology", Texas Instruments
• Dana Dudley, Walter Duncan, John Slaughter: "Emerging Digital Micromirror Device (DMD) Applications", DLPTM Products New Applications, Texas Instruments, Inc.
• Dr. Jeffrey B. Sampsell: "An Overview of the Performance Envelope of Digital Micromirror Device™ (DMD)
  Based Projection Display Systems", Texas Instruments
• Larry J. Hornbeck: "A history of electronic projection display technology", TI TECHNICAL JOURNAL, JULY–SEPTEMBER 1998
  


• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz