Digital Light Processing
Ein Mikrospiegelaktor (engl. Spatial Light Modulators, SLM) ist ein mikromechanischer Baustein, der mit Hilfe einzeln beweglicher Spiegel zur gezielten Lichtlenkung genutzt werden kann. Mithilfe einer matrixförmigen Anordnung können Mikrospiegelaktoren das Licht einer starken Lichtquelle so ablenken, dass ein Bild projiziert wird. Bezeichnungen, unter denen diese Technologie zu finden ist, sind Digital Micromirror Device (DMD, von Texas Instruments) und die Marke Digital Light Processing (DLP).
Prinzip
Die Mikrospiegelaktoren bestehen in der Regel aus matrixförmig angeordneten Einzelementen, bei dem der einzelne Mikrospiegel aus einer verkippbaren spiegelnden Fläche mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern besteht; die Mikrospiegel auf einem DMD-Chip besitzen beispielsweise eine Kantenlänge von etwa 16 µm und sind damit kleiner als ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares. Die Bewegung wird durch die Kraftwirkung elektrostatischer Felder hervorgerufen. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände, zwischen denen sie innerhalb einer Sekunde bis zu 5000-mal wechseln können.
Anwendungen
Die Technologie wird vorwiegend bei DLP-Projektoren (unter anderem für besonders leistungsfähige Beamer beziehungsweise Video-Projektoren) und Rückprojektionsbildschirmen verwendet. Des Weiteren können sie für 2D-Scanner-Spiegel (Beispielsweise bei Kassenautomaten) oder gar für Maskenbelichter in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden.
Mikrospiegelaktoren zur Lichtlenkung könnten in Zukunft auch in der Gebäudetechnik eingesetzt werden: Die Spiegel sollen dabei zwischen den beiden Scheiben einer Isolierverglasung installiert werden und lassen sich wie oben beschrieben elektrostatisch schalten. Die Beleuchtung im Raum (Stärke und Richtung) würde dann von der Stellung der Spiegel abhängen. Diese Technologie lässt sich zwar bereits im Labormaßstab mit kleinen Prototypen anwenden, allerdings fehlt für den kommerziellen Einsatz noch eine großskalierte Herstellungsmethode der Spiegel.[1]
DMD-Chip und DLP-Projektoren
Die Mikrospiegelfeld-Technologie wurde von dem US-Unternehmen Texas Instruments (TI) entwickelt, patentiert und als Marke Digital Light Processing (kurz DLP) registriert. Die Technik wird an verschiedene Hersteller lizenziert. DMD-Chips mit einer XGA-Bildauflösung von 1024 × 768 Pixel enthalten eine Anordnung von 786.432 winzigen Spiegeln. Mittlerweile sind DMD-Chips mit Auflösungen bis zu 2048 × 1080 Pixel erhältlich.
Bilderzeugung beim DMD-Chip
Verschiedene Helligkeitsstufen der einzelnen Bildpunkte werden über eine binäre pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spiegel erzeugt. Zur Darstellung von zum Beispiel 32 (= 25) Helligkeitsstufen werden 5 Zustände benötigt. Diese unterscheiden sich dadurch, wie lange der DMD geschaltet ist (siehe auch Binärcode und Dualsystem). Beim ersten Zustand (Bit 0) ist der Spiegel die kürztmöglichste Zeit an oder aus (1 oder 0). Beim nächsten Zustand (Bit 1) verdoppelt sich die Zeit und so weiter. Die Gesamtzeit für einen Zyklus beträgt damit bei 5 Bit insgesamt 496 µs. Das Prinzip ist in nebenstehender Zeichnung illustriert. In der Praxis wird für eine visuell bessere Darstellung eine leicht modifizierte Ansteuerung verwendet. Alle Bits außer Bit 0 und 1 werden dabei in einzelne Abschnitte unterteilt, welche über den Gesamtzyklus verteilt werden (sogenannte Bitaufteilung).
Farbdarstellung
Da die DMD-Chips das weiße Licht der Projektionslampe reflektieren, sind für ein farbiges Bild zusätzliche Schritte erforderlich.
1-Chip-Technologie
Bei einem 1-Chip-Projektor wird in den Lichtweg vor dem DMD-Chip ein Farbrad geschaltet, auf dem Farbfilter der Grundfarben (in der Regel rot, grün und blau, teilweise aber auch noch weitere) rotieren. Um bessere Helligkeitswerte im Weißen zu erreichen, kann dem Farbrad auch noch ein weißer Sektor hinzugefügt werden. Mit der Position des Farbfilters wechselt die Elektronik das Teilbild, das vom DMD reflektiert wird. Aufgrund der Drehgeschwindigkeit des Farbrads und der Trägheit des menschlichen Auges werden die Teilbilder zu einem farbigen Bildeindruck addiert. Da die Erkennungsfrequenz von Mensch zu Mensch verschieden ist, gab es vor allem bei den ersten Modellen (x1) Berichte über einen sogenannten Regenbogeneffekt, der dann eintrat, wenn der Betrachter die einzelnen Farben wahrnimmt. Daher wurde in einem ersten Schritt die Umdrehungszahl des Rades verdoppelt (x2) und bei neueren Modellen die Farbsegmente von 4 (RGB und Weiß) auf 7 (2×RGB und 1×Weiß) erhöht (x4).
3-Chip-Technologie
In einem 3-Chip-Projektor wird das Licht nach der Lampe mit dichroitischen Spiegeln in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt und einzeln auf drei DMD-Chips verteilt. Die jeweilige Teilreflexion der einzelnen DMDs wird in einem sogenannten dichroitischen Prisma, welches zwei gekreuzte dichroitische Spiegel enthält, wieder zum kompletten Farbbild addiert.
Der Regenbogeneffekt kann bei diesen Modellen nicht auftreten. Aufgrund des gegenüber 1-Chip-Modellen wesentlich höheren Preises werden diese Geräte wegen ihrer hohen Farbtreue vor allem in Filmstudios oder anderen farbkritischen Anwendungen eingesetzt.
Vor- und Nachteile
Dank des direkteren Lichtweges im Vergleich zur LCD-Technik und der fehlenden Polarisierung des Lichts werden höhere Ausgangslichtleistungen erreicht als bei einem LCD-Projektor. Vergleicht man das Bild eines DLP-Projektors mit dem eines LCD-Projektors, fällt einem die weichere Rasterung des Bildes auf, was sich positiv auf den Eindruck auswirkt. Dank des großen Neigungswinkels der Mikrospiegel werden hohe Kontrastwerte erzielt. Zudem schaltet die DLP-Technik im Bereich von Mikrosekunden, so dass Nachzieheffekte vermieden werden.
Ältere 1-DMD-Chip-Projektoren zeigen an kontrastreichen Übergängen (meist schwarz-weiß) aber einen Regenbogeneffekt, vor allem wenn sich die Bilder rasch ändern oder die Augen rasch über das Bild schweifen. Dabei werden die Grundfarben des Farbrades an den Konturen des Objekts sichtbar, was auf viele Betrachter sehr störend wirken kann. Diesen Effekt kann man noch deutlicher erkennen, wenn man seine Hand in den Strahlengang streckt, die Finger spreizt und hin- und herbewegt.
Die Hersteller versuchen diesen Effekt dadurch zu reduzieren, dass Farbräder mit mehr als drei Segmenten beziehungsweise mit höherer Drehzahl verwendet werden. Geräte, die anstelle eines Farbrads drei Sätze verschiedenfarbiger LEDs verwenden, beispielsweise der Samsung HL-S5679W, sollten aufgrund der bei LEDs möglichen höheren Schaltgeschwindigkeit zum Farbwechseln keinen Regenbogeneffekt mehr zeigen.
Lebensdauer
Im Gegensatz zu der LCD-Technik sind die DLP-Projektoren weniger bis gar nicht von verblassenden und einbrennenden Farben betroffen. Das Farbrad welches sich ständig während der Projektion dreht hat eine Standzeit von ca. 20.000 Stunden, hingegen ist das LCD-Panel in LCD-Projektoren schon nach 4000 bis 6000 Stunden verblasst und nicht mehr für den Einsatz geeignet. Durch die weniger stark benötigte Lichtstärke sind auch die Leuchtmittel der DLP-Projektoren von der Lebensdauer bis zu 6000 Stunden einsatzfähig bevor sie ausgewechselt werden müssen.
Dauertests haben gezeigt, dass DLP-Projektoren egal von welcher Marke den LCD-Projektoren überlegen sind, da diese ohne jegliche Beeinträchtigungen und Qualitätseinbußen noch projiziert haben, während man bei LCD-Projektoren die Farben nicht mehr auseinander halten konnte oder das Bild jegliche Gestalt verloren hatte. [2]
Siehe auch
- LCoS: spiegelnder Flüssigkristall-Chip
- Grating Light Valve: Bilderzeugung durch Beugung auf einem Chip
Literatur
- D. Kallweit, W. Mönch, H. Zappe: Kontrolliert kippen: Silizium- Mikrospiegel mit integriertem optischen Feedback. In: Photonik. Band 2, 2006, S. 62–65 (PDF).
Einzelnachweise
- ↑ Volker Viereck, Qingdang Li, Andreas Jäkel, Hartmut Hillmer: Großflächige Anwendung von optischen MEMS: Mikrospiegel-Arrays zur Tageslichtlenkung. In: Photonik. Nr. 2, 2009, S. 28–29 (PDF).
- ↑ Beamer Test - Projektoren Test - Datenbeamer Test. Mediastar GmbH, abgerufen am 7. Januar 2009.