（光学工程专业论文）基于dmd的像素级可程控反射式空间光调制器研究.pdf

浙江大学硕十论文 摘要 目前在信息光学领域，以空间光调制器为代表的动态元件研制受到了人们极 大的关注。空问光调制器起着输入、输出、动态连结以及控制、并行运算、联想 记忆等作用。空间光调制器大多采用t f t - l c d 的透射式空间光调制器作为动态 元件，由于液晶屏本身透过率低、对比度小，这种调制器在应用时存在局限性。 数字微镜器件d m d ( d i g i t a lm i r r o rd e v i c e ) 是一种具有微机电结构的新型空间光 调制器芯片，对比度高、反射率大，在反射式光调制应用场合优点突出，设计一 套基于d m d 的反射式空间光调制器具有十分重要的意义。本论文围绕着反射式 空间光调制器的设计研究展开。 本文第一部分主要介绍了目前空间光调制器的研究现状，重点说明基于 t f t - l c d 的透射式空间光调制器和基于d m d 的反射式空间光调制器的工作原 理，在比较这两种调制器的优、缺点后，选用d m d 作为课题研究方向，介绍了 利用d i 。p 光学投影系统改进成反射式空间光调制器的方案，其中d m d 驱动由 视频处理单元产生动态的单色视频信号间接控制。 第二部分是对反射式空间光调制器的系统设计部分。硬件设计部分将系统分 成系统控制和d m d 驱动两个模块，分别详细说明了各模块作用、组成部分及接 口技术。软件设计部分说明了系统模块流程，重点介绍了采用o s d 画图方式编 程产生视频信号的原理与方法。上位机软件设计部分根据需求分析设计目标，并 分块介绍软件开发流程。 第三部分是反射式空间光调制器的系统测试部分，以系统中d m d 芯片控制 的时间准度和空间精度两个方面为测试目标，介绍了两种测试方法，并分析实验 中获得的数据，验证了系统在时间和空间上精度控制的能力。 最后，对研究工作进行了总结，并对像素级控制反射式空间光调制器的后续 研究提出了方向。 关键词：反射式空问光调制器，d l p 投影系统，黑白单色图像，频率，占空比 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t d e v e l o p i n gs p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) a st h er e p r e s e n t a t i v eo ft h ed y n a m i c c o m p o n e n t s i n t h ei n f o r m a t i o no p t i c a la r em o s t l yc o n c e r n e d s p a t i a ll i g h t m o d u l a t o r sp l a yt h er o l eo fi n p u ta n do u t p u t , d y n a m i cl i n k i n ga n dc o n t r o l ，p a r a l l e l c o m p u t a t i o n , a s s o c i a t i v em e m o r y e t e m o s to fs l m a r et f t l c dt r a n s m i s s i o ns l m a sl c d st r a n s m i t t a n c ea n dc o n t r a s ti sv e r yl o w , i t sa p p l i c a t i o ni sl i m i t e d d i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e ( d m d ) i san e ws l md e v i c ew i t ht h em e m ss t r u c t u r e ，t h a ti t s r e f l e c t i v i t yi sl a r g e ，h a v et h eo b v i o u sa d v a n t a g e si nt h ef i e l do fr e f l e c t i v eo p t i c a l m o d u l a t i n g d e s i g n i n ga r e f l e xs l mb a s e do nd m di sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e ri s s t u d yf o rd e s i g no f r e f l e c t i v es l m 1 1 1 ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a t u so fs t u d y i n gi nt h es l m i t e x p l a i n st h ep r i n c i p l eo f t h et f r l c dt r a n s m i s s i o ns l m a n dt h ed m dr e f l e xs l m a f t e rc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et w om o d u l a t o r s ，i td e c i d e st o s e l e c td m da st h es t u d yo ft h es l m i ti n t r o d u c eap r o g r a mo fi m p f o v e di n t o r e f l e c t i v es l mu s i n gad l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) s y s t e m , d m di sd r i v e nb yt h e v i d e op r o c e s s i n gu n i t sc r e a t i n gd y n a m i cm o n o c h r o m ev i d e os i g n a li n d i r e c tc o n t r 0 1 s e c o n d l y ，p 印e rd e s c r i b e st h ed e s i g no f r e f l e xs l m i td i v i d e st h eo v e r a l ls y s t e m i n t oc o n t r o lm o d u l ea n ds y s t e md m dd r i v em o d u l ei nt h ep a r to f h a r d w a r e ，a n di ti sa d e t a i l o dd e s c r i p t i o no fs e p a r a t em o d u l e s ，c o m p o n e n t sa n di n t e r f a c et e c h n o l o g y s o f t w a r ed e s i g ne x p l a i n st h es y s t e mp r o c e s sm o d d e , i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n d m e t h o do fo s d d r a w i n gm o d ep r o g r a m m i n gp r o d u c i n gv i d e os i g n a l 1 1 1 ed e s i g no f p cs o f t w a r ei sb a s e do nt h ea n a l y s i sf o rd e m a n da n dg o a l s t h et l l i r dp a r to f p a p e ri sa b o u tm e a s u r i n go f t h er e f l e xs l m t h em e a s u r et a r g e t i ss p a t i a lp r e c i s i o na n dt i m en i c e t yo ft h ed m d ，i tg i v e st w om e a s 、】f em e t h o d s ，a n d a n a l y s e st h em e a s l i r ed a t a i tv a l i d a t e st h es y s t e m sc o n t r o la b i l i t yi ns p a c ea n dt i m e p r e c i s i o n f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o na n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o na r eg i v e n k e yw o r d s ：r e f l e xs l m , d l pp r o j e e t i o ns y s t e m ，b l a c ka n dw h i t ei m a g e ， f r e q u e n c y ，d u t yc i t e l e 浙江大学硕士论文 第一章绪论 在当今信息社会，信息的采集、处理、传输和存储及显示输出是信息科学 的重要组成部分。信息光学是近年来光学、计算机和电子信息等诸多领域交叉结 合而发展起来的新兴光电信息领域。主要研究目标是以光作为信息载体的信息输 入、处理、变换、调制、输出等环节的规律和应用。信息光学作为近代光学的一 个分支学科，3 0 多年来发展极其迅速，目前以空间光调制器为代表的动态元件 的研制受到了人们极大的关注。 1 1 空间光调制器概述 空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r s ，s l m ) 是指能将信息量加载于一维 或二维的光学数据场上，以便有效地利用光的固有速度、并行性和互连能力，并 在构成实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中作为基本的构造单元 或关键的主动器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号控制下，或者在另 外种空间光强分布的作用下改变空间上光分布的相位、偏振、强度、波长，或 是非相干光到相干光的转换等，因而被广泛地应用于光学，数字混合相关、自动 模式识别和机器人视觉系统等方面的光电实时接口、光逻辑运算、阀值开关、高 速互连、数据格式化、输入存储、输出显示等。 1 1 1 空间光调制器的分类 空间光一般按照读出光方式的不同，可分为反射式和透射式；而按照输入控 制信号方式的不同又可分为光寻址( o s l m ) 和电寻址( e s l m ) 嘲。当空间光 调制器的写入信号是光信号时，空间光调制器首先具备检测这一光学信号的功 能，把光学信号对应的光强分布转化成电荷分布、折射率分布等，也就是首先把 光学信号写入光寻址空间光调制器中，然后由读出光利用各种效应读出( 例如电 光效应、双折射效应等) ，因此具有连续的寻址机构和调制机构，实际上是光探 测器和光调制器的结合。当写入信号是电信号( 通常是视频信号或计算机电平信 号) 时，采用电寻址的方法来控制空间光调制器的复透过率。常用的电寻址方式 浙江大学硕士论文 是通过空间光调制器上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把信号加到对 应的单元上去。光寻址s l m 多为模拟的非像素单元构成，主要用于光光转换器 件；电寻址s l m 主要是由单个分离的元素或像素组成，主要用作电光实时接i ：1 器件，所以从应用角度可分为模拟和数字两类。 争 驱动光束 争 读出光束 a ) 透射式 卜 读出光束 小电控信号 c ) 透射式电寻址空间光调制器 读出光 反射光 b 1 反射式光寻址空间光调制器 读出光 反射光 写入信号 m 反射式电寻址空间光调制器 图1 - 1 各种空间光调制器工作原理图 1 1 2 空间光调制器的主要功能 在以光计算为代表的信息光学的研究中，空间光调制器起着输入、输出、动 态连接及控制、并行运算、联想记忆等作用。其中比较重要的功能有、模拟乘法 和加法、信号的转换( 如功率放大、串行并行转换、非相干光相干光转换、电光 转换等) 、非线性运算和光逻辑等。 光波通过介质的传播，其复数反射率或透过率完成复振幅的模乘法是电磁波 的基本性质，空间光调制器提供了快速改变介质透过率或反射率的一种方式，并 使写入数据以快速并行的方式送入光学处理器，从而具有两个二维模拟编码数据 阵列或图像高速并行乘法的功能。 空间光调制器还可完成写入和读出光束之间信号的转换，或是以不同方式使 模拟值( 连续的) 元素阵列变为数字的电子象元( 离散的) 。在光计算中的运算 一般是在相干光条件下进行的，因为是复振幅的信息，所以常用空间光调制器来 2 袁愀 赢 一托盘 一谢 一逮址 一透 囫翠nu煽口 浙江大学硕士论文 进行非相干到相干的转换。电寻址的空间光调制器可以完成从电子到光子域的串 并数据转换。光折空间光调制器的相位补偿可以完成位相的转换运算。在一般数 字光计算中更注意到利用空间光调制器的非线性实现模拟图像二进制的阀值化 处理。 1 1 3 液晶空间光调制器 电寻址空间光调制器是应用最多的空间光调制器，它将光学信息处理与近代 电子技术特别是计算机和多媒体技术结合起来，构成光电混合处理系统。常用 的电寻址调制器有以下几种： 1 薄膜晶体管液晶显示器( t h i n - f i l m - t r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , t f t - l c d ) ： 2 磁光空间光调制器( m a g n e t o o p t i c a ls l m m o s l m ) ： 3 数字微镜器件( d i g i t a lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ，d m d ) ： 4 c m o s 液晶显示器。3 其中应用最广的是t f t - l c d 。尽管t f t - l c d 是近年开发的，但作为非相干 空间光调制器，已率先投入大批量生产和完全商品化。以t f t - l c d 作为空间光 调制器的计算机控制投影仪和液晶大屏幕投影电视( l c d - p r o j e c t i o nt v , l c d p t v ) 已大批量生产并实际应用。 液晶是某些有机高分子物质在一定条件下呈现的一种特殊的物质状态叫，其 结构介于液体、固体之间，称为中间态或中间相。液晶分子一般呈长棒状，每个 分子的中心在液晶空间中的分布是随机的，但分子的取向具有有序性，亦即长棒 状分子的长轴方向在一定温度范围内倾向于彼此平衡。在外电场作用下，液晶分 子可以改变其排列状态，从而引起其液晶旋光特性的变化，这称为液晶的电光效 应。如图1 2 以基本的液晶扭曲相列( t n ) 为例，这种单元中液晶排成螺旋状， 在没有电场作用时可使得垂直入射的偏振光扭转9 0 。嘲。液晶置于两个透明的导 电层之间并在两端放置线偏振片，光源置于液晶的背面。不通电时，入射光进入 液晶层，只有垂直偏振光能穿过前偏振片，当光穿过后水平偏振片出射时，由于 液晶的作用，光的偏振方向旋转了9 0 。当有电场作用时，在液晶层中形成一个 电场，导致液晶分子排列发生变化，由于分子存在移动自由度与电偶极矩，因而 浙江大学硕士论文 会在电场作用下排列一致。在这种情况下，液晶传递光线但不旋转其偏振方向， 这样后水平偏振片不能传输垂直偏振光，因而就没有光线出射。 图i - 2t n 型液晶光调制原理图 t f t - l c d 电寻址的空间光调制器采用矩阵寻址的方案。通常在一块玻璃板 上，形成互相绝缘的行电极和列电极，在它们的交点上用大规模集成电路技术制 作薄膜晶体管t f t 。n 呵的栅极、源极和漏极分别连接行电极、列电极和显示像 素。在另一块玻璃板的表面，所有像素公用一个电极，两块玻璃板之间是扭曲型 液晶，当某一像素的行、列电极同时加上电信号时，n 叮型场效应管接通，该像 素透光。顺序选通各行电极，并同步地选通列电极，就可以控制各个像素的明暗， 电压大小可以控制像素的灰阶。由于t f t - l c d 采用大规模集成电路技术制造， 成品率很高，被广泛应用于显示领域。 尽管如此，t f t - l c d 也存在一些缺点，首先其透过率较低，一对偏振片的 透过率仅约o 3 ，而像素的开口率( 透光部分的面积与像素面积之比) 也较低( 不 到o 4 ) ，为使l c d 构成的产品结构更加紧凑，l c d 的尺寸有逐步减小的趋势， 虽然l c d 尺寸减小有助于降低成本，但由于电极和呵器件的尺寸不能成比例 减小，就使得小尺寸的l c d 开口率更低。 1 1 4d m d 空间光调制器 近年来，一种利用精微细加工和大规模集成电路技术、构思极为巧妙的电寻 址空间光调制器一数字微镜器件d m d 伽( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 问世。这种 4 浙江大学硕士论文 器件早期被称作可变形反射镜器件啪( d e f o r m a b l em i r r o rd e v i c e ) ，是由德州仪器公 司的科学家l j h o m b e c k 博士在1 9 8 7 年发明的。与t f t - l c d 透射式电寻址空间 光调制器不同，d m d 是一种反射式电寻址空间光调制器。由于近年来d m d 在 数字投影显示( d i g i t a lp r o j e c t i o nd i s p l a y ) 及高清晰度电视( h d t v ) 中显示出的优 越性能，引起科技和工业界越来越浓的兴趣。 d m d 器件是一种被集成在寻址集成芯片上的快速数字光开关反射阵列，是 由许多小型铝制反射镜面构成的“1 ，镜片的多少由显示分辨率决定，一个小镜片 对应一个像素。例如一个对角线尺寸为o 5 5 英寸的s v g a 分辨率的d m d ，微镜 数就高达8 0 0 x 6 0 0 个，方型微镜像素边长仅为1 3 6 8t u n ，像素间隔为l g m “1 。图 卜3 是显微镜放大后的d m d 照片。 图1 - 3 d m d 及d m d 局部放大图 通过电寻址，可以控制d m d 的每个微镜的旋转。微镜的旋转角度嘲只有两 种状态，分别是一1 0 0 和+ l 矿，最新的d m d 为- - 1 z 和+ 1 r 。数以百万计的微 镜面用铰链结构建造在由硅片衬托的c m o s 存储器上。图1 - 4 是d m d 单元的 微结构图”1 ，每个微小镜面单元下是一对寻址电极，寻址电极与其下方s r a m 单 元c m o s 电路的电压互补端通过导电通道连接。系统依靠s r a m 单元对每个微 镜寻址，通过改变每个微镜面在c m o s 下的地址电压，可产生静电力驱动微镜面 沿对角轴线正负翻转，图l 5 表示两相邻的镜面分别翻转正( + 1 0 a ) 、负( - - 1 0 0 ) 态的 三维立体图n 0 1 。 浙江大学硕士论文 图1 4 d m d 单元微结构图 图l - 5d m d 工作时的结构放大图 当d m d 受到光源照射时，微镜面的正负两态将入射光分别以不同角度反射， 调整入射光线角度，可以将这两态的微镜面对应成系统的亮暗两种像素，从而使 投射到d m d 上的光线有选择地反射而形成黑白点像素。图1 - 6 是d m d 显示工 作示意图，当微镜为正角度时( 图中的左右两镜面) ，光源通过微镜反射到屏幕 上，形成对应像素的亮态；当微镜为负角度时( 图中的中间镜面) ，光源通过微 镜反射到吸收层上，不能到达屏幕，从而形成对应像素的暗态。d m d 的微镜阵 列机械翻转时间很快，仅为1 5 9 s ，因而可大大提高对空间光的调制性能。 6 浙江大学硕士论文 图1 - 6d m d 显示工作示意图 利用这种原理，通过改变通断时间的长短，可以表现出不同的灰度层次， 1 r i 公司对d m d 通断时间的控制采用了脉宽调制的原理叫( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n , p 删。对于d m d 投影产品，视频信号被转换成p w m 格式后提供 给d m d 。p w m 次序中的最低位占整个周期的1 ( 2 n - 1 ) ，其中n 是用来表示颜色数据 的位数。两相邻位的后一位滞留时间均是前一位的2 倍，这样p w m 只需要n 位 数据就可以实现2 “种灰度等级。图1 7 是5 位p w m 序列示意图。上图表示一个 5 位二进制数据在p w m 下的时间分布；中图表示5 位二进制数据0 1 1 1 1 的调制 状态，其中第一位到第四位都为通态，只有第五位是断态，这样通态占整个周期 的比率是1 5 3 1 - - 4 8 ；下图表示5 位二进制数据1 1 0 1 0 的调制状态，其中第一位 和第三位是断态，其他位是通态，这样通态占整个周期的比率是2 6 3 1 = 8 2 。 d m d 投影系统中采用8 位数据的二进制脉宽调制，人眼视觉系统将这些调制光 在时间上积分，便可产生2 5 = 2 5 6 种灰度等级。使用这种方法的优点在于，只需 控制微镜的开关两态就可以实现灰度的显示，而不是去控制微镜的旋转角度，降 低了微镜生产的难度和成本，同时增加了微镜成品率；缺点在于，将像素的显示 时间分成了8 个时段，使d m d 的驱动芯片工作在很高的频率上，增加了外围驱 动电路的制造成本。 浙江大学硕士论文 _ 嚣脯 l o l l 2 i 3 i i = 壹l u o i l ! t 白调翻占空比为l s ，3 t = 靠 = 进翻l i o l 啪调爿占空i t ；y 哳3 a = e 2 s 图1 7p w m 序列示意图 与t f t - l c d 相比，d m d 有众多优点。d l p 采用反射技术，而且反射镜之 间的间隙比较小，使d m d 的光利用率高；d m d 上微镜的大小只有1 6 “r n ，每 个微镜之间的距离约l l u n ，可产生9 0 的开口率，而l c d 的开口率只有7 0 ， 因而d m d 比l c d 具有更高的分辨率；d m d 的反射镜面可以达到大于1 0 0 0 ：l 的对比度，而l c d 受液晶材料的限制，对比度要逊色很多；反射技术使d m d 芯片吸收能量较少；采用半导体器件，耐高温性能好，可长期使用。而l c d 面 板中的液晶分子长期受热会被分解破坏，寿命远没有d m d 的长；d m d 器件的 机械翻转时间小于1 5 归，光切换时间小于2 肛“”，因此，d m d 有比较高的翻转 频率。d m d 目前被广泛用于数字光处理器“”( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) ，它是德 州仪器开发的具有很高显示质量的数字式投影系统，被誉为世界微型机电系统最 伟大的发明之一。 1 2 课题研究意义 目前使用最多的t f t - l c d 空间光调制器，具有透过率低、对比度小、寿命 短、响应时间短等缺点，因此具有一定的局限性。采用d m d 作为反射式空间光 调制器将使调制器性能大大提高，并能得到广泛的应用。可以将d m d 设计成可 编程控制的反射式空间光调制器并应用于光谱扫描仪。 众所周知，一束白光射向一个光栅后将发生衍射，衍射光栅按角度分离各 种波长的光线。如图1 8 ，将发散的各波长光线通过一个会聚光路后得到一组包 括各种波长光线的平行光，按照波长顺序依次排列，照射到d m d 上，这样d m d 8 浙江大学硕士论文 横轴方向依次被不同波长的光线照射。如果让横轴上的d m d 设为亮态，入射的 光线会沿原路反射回去，如果将其设为暗态，光线被反射出光路而被吸收。根据 需要可以编制软件控制d m d 上各像素亮暗状态，反射出光谱扫描仪的光线便具 有可控性。利用d m d 响应时间短的优点，光谱扫描即可通过基于d m d 的可编 程控制空间光调制器实现。 图i - 8 光谱扫描仪原理图 分子和原子所具有的吸收光谱特性是由能级结构决定的，因此吸收光谱能够 被用来探测样品中一定物质的存在和数量。使用一个可编程控制的光谱扫描仪， 使得随意生成所需光谱的合成成为可能。照明光源的光谱能够通过编程与一定物 质的吸收光谱相匹配，然后结合吸收图谱将反映该物质是否存在及其浓度。照明 光源的波长和强度可以被定时地调制以便进一步增强这种技术。 1 3 本课题的研究内容 本课题主要利用单片微镜阵列器件投影系统设计成像素级可编程控制的反 射式空间光调制器，主要包括空间光调制器的概述与可编程控制的反射式空间光 调制器设计原理；可编程控制的反射式空间光调制器硬件、软件及上位机控制软 件的设计：对可编程控制的反射式空间光调制器性能测试及结论这三大部分。按 章节来分，本论文主要内容如下： 第一章主要介绍目前空间光调制器的研究及应用现状，并说明了电寻址空间 光调制器中的t f t - l c d 技术与d m d 技术的原理，比较了两种技术的优缺点， 说明d m d 是可编程控制的反射式空间光调制器理想元件，阐述了可编程控制的 反射式空间光调制器的研究意义。 9 浙江大学硕士论文 第二章，首先针对一套d l p 投影系统，介绍其构成及显示原理；其次，从 硬件组成和软件功能上理论分析研制可编程控制的反射式空间光调制器所需要 对单片式d l p 投影系统的改造方案；最后介绍这套r s l m ( r e f l e xs l m ) 需要达 到的功能要求。 第三章给出了反射式空间光调制器的硬件设计，介绍系统中两个模块的作用 和相互关系，再单独说明每个模块的组成部分及其作用，最后介绍系统硬件采用 的接口技术。 第四章介绍了系统的软件设计，分析系统软件需要满足的各项功能，介绍系 统软件的主流程，并说明了系统软件的串口通信模块、数据处理模块、消息队列 管理模块和定时器中断模块等四个主要模块的设计方法。 第五章重点介绍了上位机软件的设计，分析上位机软件的设计目标，并按功 能将软件分为两个模块：图像处理模块和串口通信模块，分别说明了两个模块的 软件实现过程。 第六章介绍了对系统的测试以及系统能够达到的主要性能。首先说明系统采 用的静态和动态两种测试方法，然后分别介绍两种方法的原理和目的，针对动态 测试方法还介绍了其硬件构成部分，并从频率测试和占空比测试两个方面对系统 的动态调制进行综合测试，利用实验所获得的数据分析其结论，说明整个反射式 空间光调制器在时间和空间上达到精确控制的目的，同时也指出了系统的不足， 即频率和占空比调节的有级性及频率上限限制。 第七章是课题的总结部分，指出了课题的成果，并给出了后续工作的方向。 浙江大学硕士论文 参考文献 【1 1 李育林，傅晓理空间光调制器及其应用北京：国防工业出版社1 9 9 6 【2 】赵达尊，张怀玉空间光调制器北京：北京理工大学出版社1 9 9 2 3 j 余飞鸿傅立叶光学及其应用杭州：浙江大学出版社2 0 0 5 【4 】施善定液晶与显示应用上海：华东化工学院出版社1 9 9 3 【5 】佐佐木昭夫液晶电子学基础和应用北京科学出版社1 9 8 5 【6 】rjg o v e d m dd i s p l a ys y s t e m s ：t h ei m p a c to fa na l l - d i g i t a ld i s p l a y s o c i e t yf o r i n f o r m a t i o no nd i s p l a yi n t e m a t i o n a ls y m p o s i u m1 9 9 4 【7 】s a m p s e l ljb a no v e r v i e wo ft e x a si n s t r u m e n t sd i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c ea n di t s a p p l i c a t i o nt oa r o j e c t i o nd i s p l a y s s o c i e t yf o ri n f o r m a t i o nd i s p l a y1 9 9 3 ( 2 4 ) ：1 0 1 2 - 1 0 1 5 【8 】a t c h i s o n d m d0 6 s v g ac u s t o m e rd a t as h e e t w w w t i c o m2 0 0 1 【9 】杨风和，蓝东辉d l p 投影显示中的特殊技术电视技术2 0 0 5 【1 0 h o m b e c klj d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n ga n dm e m s ，r e f l e c t i n gt h ed i g i t a ld i s p l a yn e e d so f t h en e t w o r k ss o c i e t y s p i ee u r o p t o p r o c e e d i n g s ，v 0 1 2 7 8 3 ：2 1 3 【11 】d a n ad u d l e y , w a l t e rd u n c a n , j o h ns l a u g h t e r e m e r g i n gd i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ( d m d ) a p p l i c a t i o n s s p i e 【】2 】l j h o m b e c k f r o mc a t h o d er a y st od i g i 伽m i c r o m i r r o r s ：ah i s t o r yo f e l e c t r o n i cp r o j e c t i o n d i s p l a yt e c h n o l o g y t e x a si n s t r u m e n t st e c h n i c a l j o u r n a l , v 0 1 1 5 , n o 3 ，p p 7 - 4 61 9 9 8 【1 3 】李定川，d l p 投影机的使用及技术特点，实用影音技术2 0 0 4 年第2 期 浙江大学硕士论文 第二章反射式空间光调制器的实现原理 利用一套d l p 光学投影系统进行硬件和软件上的改进是本课题实现像素级 可控空间光调制器的基础。本章首先针对一套d l p 投影系统，介绍其构成及显 示原理；其次从硬件组成和软件功能上进行理论分析，给出研制可编程控制的反 射式空间光调制器所需要的对单片式d l p 投影系统的改造方案；最后介绍r s l m 能够实现的功能。 2 1 反射式空间光调制器的整体构成及原理 采用视频信号间接控制d m d 的方法可以实现反射式空间光调制器的功能。 反射式空间光调制器是以d m d 芯片为核心的调制器，对d m d 芯片上的每个微 镜单元在时间上能精确控制是设计一套反射式空间光调制器的基本要求，即要求 在设定的时间内通过编程控制能将d m d 芯片上的微镜实现对应的翻转动作。 d m d 是一组矩形阵列微镜，对这种阵列微镜的翻转动作驱动是要分辨率大小与 d m d 相同的图像作为信息载体，图像的每个像素对应于d m d 的微镜，图像中 每个像素的颜色是载体所传递的信息，d m d 就是通过颜色信息来判断d m d 的 翻转动作。由于d m d 翻转只有两种状态，即通态( + 1 0 0 ) 和断态( 1 0 0 ) ，图像的像 素相应的由白黑两种颜色组成，分别代表d m d 翻转时的通态与断态。 图2 - 1 是空间光调制器的结构硬件原理框图。r s l m 的前端是上位机，作 用是提供人机交互界面，向下位机提供操作命令及调制时所需要的自定义图像信 息。系统的下位机是一个视频处理单元，能响应上位机的相关命令，并将其提供 的图像信号转换成视频信号，提供给r s l m 终端，即d m d ，d m d 接收到含有 调制信息的视频信号后，通过d m d 驱动电路，可以实现d m d 各个像素的翻转， 达到r s l m 调制的目的。 r s l m 系统软件由上位机软件和下位机软件构成。上位机软件一方面负责 系统人机交互功能，另一方面负责图像的输入并将图像信息以一定的格式传输给 下位机系统。人机交互功能提供了使用者控制系统的界面，可以通过界面上的输 入控件来设置系统的参数，例如光调制的频率，持续的时间，不同时刻调制的图 1 2 浙江大学硕士论文 像等等。软件通过对上述参数的处理后，以命令的形式发送给下位机以达到控制 系统的目的。 图2 - 1 反射式空间光调制器硬件结构原理图 上位机软件还具有输入调制图像的功能。输入的图像分为不同的两大类， 一类是简单的规则图像的输入，下位机已经事先存储了一些常用的规则图像，这 类图像的输入，采用上位机软件直接发送命令的方式来控制下位机生成该图像， 因而输入的过程十分迅速；另一类是不规则的自定义图像的输入，这类图像通过 上位机软件可以从常用的图像格式文件，例如b m p 、j p e o 文件中导入，或直接 在上位机画图区域中绘制，上位机软件会对导入的图像数据进行处理后，在调制 过程开始前使用该图像数据初始化下位机的显示缓冲区，因而会耗费一定的时 间，根据图像尺寸的不同，所耗费的时间也有所不同。 下位机软件主要的工作是：响应上位机软件发出的命令，对系统各个部分 做出相应的控制；根据上位机传输的数据对图像缓冲区进行初始化操作，以便在 调制开始后可以输出相应的视频信号。 r s l m 的调制功能分为静态调制和动态调制两种，利用上位机提供的单幅 图像通过视频处理单元产生固定的图像视频信号，d m d 驱动将固定的图像视频 信号调制d m d 便实现了r s l m 的静态调制，这样可以控制d m d 上任意一个像 素的固定翻转。单幅图像是在上位机软件上自定义生成，也可以通过从软件外部 导入。采用控制输入场图像的变化来对调制频率和占空比进行控制进而实现 r s l m 的动态调制，同样，变化的输入场图像视频是由上位机软件提供多幅图像 信号及操作命令，通过下位机软件控制视频处理单元产生，输入场图像变化的参 数需要通过上位机设定。 整个r s l m 的硬件设计可以从一套d l p 光学投影系统改进而成。 浙江大学硕士论文 2 2d l p 系统的组成 d l p 是英文d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r 的缩写，译作数字光处理器，是n 公司1 9 9 3 年公布的以d m d 为核心的高亮度、高清晰度投影显示技术。d l p 作为继阴极射 线管( c r d 、液晶技术( l c d ) 之后的第三代显示技术，具有体积小、重量轻、显 示屏幕大小可调、清晰度高和便携式的优点，尤其突出的是其峰值数字驱动电压 不超过2 4 v ，电磁辐射很低，可防止信息泄漏“1 。这一优点在军事领域和安全部 门极为重要。由于d l p 的驱动电压为数字电压，远低于c r t 和l c d 的驱动电压， 因此，d l p 耗能小的特点在能源短缺的今天尤为重要。根据d l p 中使用d m d 芯 片的数量，可将d l p 投影显示技术主要分为单片式和三片式两种o ) ，本课题主要 通过对单片式d l p 投影系统的改造来进行r s l m 的设计研究。 2 2 1 单片式d i p 投影系统光路结构 单片式d l p 投影系统只使用了一片d m d ，现在的d ip 投影机和背投电视 主要采用了这种结构。图2 - 2 是该系统的光路结构图0 1 。专用光源发出的光线通 过会聚镜头和反光镜后再透过u v i r 过滤镜进入方棒，得到符合要求的可见白 光，白光照射到具有红、绿、蓝三色滤色片组成的色轮上。d l p 系统正常工作 时，色轮高速旋转，通常为7 2 0 0 转分钟或者1 0 8 0 0 转分钟。白光通过色轮后 依次产生的红、绿、蓝光照射在d m d 镜面上，d m d 通过色轮控制电路与色轮 同步，当红光照射在d m d 镜面时，d m d 镜面就显示彩色图像中红色分量的灰 度图像，同理，当绿光和蓝光照射在d i v l d 镜面时，d m d 也显示对应颜色的灰 度图像，从而获得红、绿、蓝三色交错快速变化的图像。由于人眼存在视觉暂留 特性，利用时间混色的原理，人眼就可以看到一副彩色的图像砌。 1 4 浙江大学硕士论文 2 2 2d l p 的色轮 图2 2 单片式d l p 投影系统光路结构图 色轮在单片式d l p 投影系统中有着重要的作用，它是控制投影系统中颜色、 亮度与画面稳定性的重要部分。在课题研究中，对一套单片式d l p 投影系统改进 需要去掉色轮等光学部分，将色轮从一套d l p 投影系统中去掉并能正常启动系 统其他部件的关键是要了解色轮的工作原理以及色轮与d m d 驱动芯片的关系。 色轮在使用时高速转动，由步进电机驱动。以最常用的7 2 0 0 转分钟的三段色轮 为例，当显示输出图像的帧频为6 0 h z 时，每一帧图像需要色轮转动两周来实现。 为保证色轮频率与帧频的匹配，在色轮上有脉冲探测器，色轮每转一圈，脉冲探 测器会产生一个色轮反馈信号，d m d 驱动芯片在接收到正确的色轮反馈信号后， 启动d m d 的正常工作，否则，d m d 不能正常工作，确保了d l p 投影系统的颜 色准确性。色轮速度还关系着图像画质的稳定性，速度越高，画质越稳定，但同 时增加了电机驱动电路的工作频率，降低了电机的寿命。为解决稳定性问题，目 前广泛采用多段色轮，如使用6 段色轮，如图2 3 所示。在相同的转速下，使用 六段色轮在单位时间内转过的r g b 颜色序列次数是三段色轮的两倍，在色轮转 速不变的情况下，可以使图像的颜色更均匀。 浙江大学硕士论文 2 2 3d l p 的驱动电路 图2 - 3 六段色轮 在d l p 投影显示系统中，最关键的技术是d m d 芯片及其控制和信号处理电 路，图2 4 是d l p 投影系统的结构组成框图彻。 视频输入信号 图2 - 4 单片d l p 投影系统的结构组成框图 视频前端信号处理器是一个综合前置单元，其主要工作是首先对输入的视 频信号进行处理，例如对图像大小的裁剪，对输入信号刷新率的限制，使输入的 显示信号符合d m d 显示的要求；其次，要对输入图像进行g a m m a 校正，从而 确定输入图像的各灰度在输出图像中的亮度，使显示的图像与输入图像有相似的 灰度阶分布。由于d m d 在使用过程中需要间歇性的复位，d m d 有专门的复位芯 片来提供d m d 复位的时序。d m d 复位与驱动器将输入的视频图像转换成二进制 平面格式的数据，然后以二进制位为单位，每位执行一次d m d 复位序列，d m d 寻址与复位过程如图2 - 5 所示嘲。在每个二进制位代表的刷新时间里，d m d 微镜 进行光调制，此时可进行下一个二进制位的寻址及数据更新，在当前位所代表的 t 6 浙江大学硕士论文 调制时间结束后，所有的d m d 像素将同时被释放复位，然后再同时移动到下一 个寻址状态位置，这种处理过程重复进行，d m d 控制器控制色轮与d m d 上显示 图像的同步，将对应的图像显示在d m d 上。色轮驱动提供t d m d 控制色轮转速与 相位以达到接口的同步。 图2 - 5d m d 寻址和复位过程 2 3 利用d l p 系统改进的方案 d l p 光学投影系统就是一个空间光调制系统，也称为d l p 投影机的光学引 擎。光学引擎投影的图像是输入系统的数字视频信号通过d m d 对输入光进行反 射调制得到的。也就是说，控制数字视频信号的产生可以间接控制d m d 器件的 微镜阵列进行选择性翻转，进而实现对空间光的反射调制。将光学引擎改进成可 编程控制的反射式空间光调制器，应实现以下两个功能：一是新的反射式空间光 调制器可以显示自定义的静态图像；二是反射式空间光调制器可以对多幅自定义 静态图像实现动态切换，静态图像切换的频率及占空比可以按需要设定。原有光 学引擎不仅包含d m d 芯片，还包括d m d 驱动电路、光源、色轮、散热系统等， 对于一个可编程控制的反射式空间光调制器，原有光学引擎上的组件有很多多余 的部分，所以在改进过程中需要具有选择性。由于是通过数字视频信号间接控制 d m d ，需要设计一个视频发生及系统控制模块，可以利用视频处理芯片的o s d 画图功能产生连续的静态图像信息，通过这些变化的静态图像信息可以在时间上 控制d m d 进行连续翻转，达到空间光调制的目的。同时，为实现可编程控制， 需要设计上位机软件，可以实现自定义图像生成、多幅静态图像切换频率和占空 比的设定以及数据传输等功能。 1 7 浙江大学硕士论文 2 4 改进后空间光调制器的性能 经改进后，反射式空间光调制器的空间分辨率由d m d 芯片决定，如s v g a 格式为8 0 0 x 6 0 0 ，x g a 格式为1 0 2 4 x 7 6 8 。本课题采用的光学引擎是c o e t 品牌 的定型背投影引擎产品，其d m d 的分辨率是8 0 0 x 6 0 0 。反射式空间光调制器系 统可以通过编程实现像素级的调制控制，由视频处理单元提供视频信号间接控制 d m d ，可以实现对d m d 的静态调制和动态调制两种模式。对于静态调制，通 过编程控制视频处理单元为d m d 提供不变化的输入场图像视频信号，在d m d 上显示对应的静态图像，静态图像的显示能精确到每个像素；对于动态调制，采 用控制两幅输入场图像的存在时间来对调制频率进行控制，受视频信号的帧频限 制，图像翻转频率最高不能超过视频信号帧频的一半且频率和占空比的变化是有 级的，以6 0 h z 帧频的视频信号为例，对d m d 动态调制极限频率是3 0 h z