数字微反射镜器件dmd的原理与应用

数字微反射镜器件dmd的原理与应用

任何检测系统都必须在现场进行测试，以验证和评估其性能。然而,现场试验往往是异常复杂的,要花费大量的时间和经费。目标模拟器的研制实现对目标及背景、环境图像的模拟,在实验室内提供精确可控、可重复的实验条件,大大缩短探测系统研制周期,节省研制经费。目标模拟器的显示帧频决定了整个目标模拟器的性能。帧频越高,不仅越能逼近真实现场情景,而且可以匹配积分时间越短的高速CMOS探测器,为其在实验室提供仿真环境。1微反射镜的转动DMD器件是一种基于半导体基底的快速反射式数字光开关,集成在CMOS存储器上的可旋转铝制微镜面阵列。每个微镜都相当于一个数字光开关,能够旋转±12°。微镜的转动由它下面的存储器单元的状态来控制,是由微镜本身与下面存储单元之间电压差所产生的静电吸引来完成的。如图1所示,当存储器单元为“1”状态时,微反射镜将偏转+12°,反射光线几乎全部通过投影光学系统;当存储器单元为“0”时,微反射镜将偏转-12°,反射光线几乎没有通过投影光学系统;微反射镜不偏转而保持初始状态时,反射光线部分通过投影光学系统,此时DMD处于平态。2dmd投影显示及其同基本粒子DMD常用的显示稳态是开态和关态,得到的只是黑白二值图像。而DMD投影显示灰度信息,需要对DMD进行灰度调制。常用的灰度调制方案有空间调制法和时间调制法。2.1素单元合并显示图像空间灰度调制从显示的面积上来解决灰度问题。如图2所示,在单帧图像内,将附近一定数目的基本像素单元合并成为一个“大像素”,然后控制“大像素”内各子像素的亮态和暗态的数目,在一定距离外观察,能让人眼感受到不同的灰度等级。优点:不需要微镜动态地翻转刷新,故可以静态地显示灰度图像;缺点:实现灰度等级越高,则在空间上合成“大像素”所需的小像素数目越多,则图像分辨率就越低。2.2时间间隔调整常用的时间灰度调制法有:帧灰度调制和脉冲宽度调制。2.2.1基于像素4个帧的动态调制方案该调制法是取一定数量的帧作为一个时间单元,控制该时间单元内处于亮态和暗态的帧数。如图3所示,不同“子帧”在同一位置的像素亮度将被叠加,由于人眼的视觉暂留特性,从而达到灰度显示的目的。用4个子帧进行像素亮度的叠加可以实现5个灰度等级,也就是用4bit数据才实现5个灰度等级。优点:在动态调制方案中,调制时序相对简单;缺点:灰度等级的提高,需要牺牲帧频。实现一帧256个灰度等级的图像需要255帧作为一个单元进行叠加,也就是需要255bit数据,故需要加载数据255次,微镜翻转255次。2.2.2脉冲宽度大小脉冲的宽度可以划分为多个等级,不同的宽度等级代表不同的灰度信息,从而可以使被选通的像素实现不同的灰度等级。如图4所示,图像数据的最高有效位(MSB)对应的脉冲宽度最大,最低有效位(LSB)对应的脉冲宽度最小,并根据权重等比例决定脉冲宽度的大小。PWM脉宽调制克服空间灰度调制的低分辨率及帧灰度调制的低帧频的问题,同样实现一帧256个灰度等级的图像只需要8bit数据即可完成,故只需加载数据8次,微镜翻转8次,故实现高帧频得采用PWM脉宽调制法。3dmd的并行工作方式DMD工作方式分为串行和并行两种方式。串行工作方式如图5所示,首先将DMD所有数据加载完毕,然后对DMD进行“GlobalReset”,完成DMD所有的微镜片翻转,然后进行PWM脉宽调制。同理,进行下一位平面的操作。故由分析可知,帧周期=位平面加载时间+PWM调制时间+微镜翻转时间。以目前最高时钟频率400MHz,7XGA(分辨率1024×768)的DMD显示8bit灰度图像为例,则时钟的周期为2.5ns,加载一行DMD需要16个时钟周期,故加载整个DMD的时间为tall·row=30.72μs。DMD的微镜片翻转需要5μs,翻转到位后需要8μs的稳定时间。如图6所示,位平面0加载完毕,然后对DMD进行GlobalReset,微镜片翻转后,紧接着加载位平面1的所有数据,同样进行“GlobalReset”,这时DMD才开始显示位平面1的数据,所以位平面0显示的时间就是位平面1的数据加载时间30.72μs。根据PWM脉宽调制原理,位平面1显示的时间是30.72×2,故位平面1只需要额外延时30.72μs再加上下一个位平面数据的加载时间就可以完成2倍时间关系。所以显示一帧8bit灰度图像的时间为:t1=35.72×8+30.72×(247+1)μs=7904.32μs帧频为126.51Hz。采用DMD的并行工作方式,如图7所示,相对串行工作方式而言可以巧妙地避过5μs的微镜翻转时间,所以显示一帧8bit灰度图像的时间为:帧频为127.15Hz。相对串行,帧频提升有限,而且时序相对复杂,故使用意义不大。由上述分析可知,约束DMD帧频提高的主要因素如下:(1)高灰度等级的实现。PWM调制显示灰度图像,灰度等级越高,不仅数据加载次数多,增加数据加载时间开销,而且PWM调制时间成倍增加,故图像的帧频就越低。(2)DMD的结构所限。DMD的每个微镜对应1bit存储器,DMD必须在显示完当前位平面数据后才可以加载下一个位平面的数据,同时将下一个位平面的加载时间作为当前位平面的显示时间。按PWM调制原理,高位的显示时间是数据加载时间的2n倍,数据加载时间比较长,严重限制帧频的提高。而如果DMD微镜对应的存储器是8bit,如图8所示,则完全可以先将8个位平面的数据先加载进去,然后以8μs作为PWM调制的基本时间单位,每完成一个位平面的显示后,对微镜的存储器进行移位显示下一位平面数据。在这种情况下,显示一帧8bit灰度图像的时间为:则帧频为429.96Hz,而且再次刷新该图像,可以不用再加载图像数据,所以帧频仍有提升的空间。4合理选择灰份质量选取帧频对于约束因素高灰度等级的实现,要提高帧频只能根据应用场合,合理地选择灰度等级换取帧频的提高;而DMD的结构是固定的,这点是无法改变的,但是可以根据DMD结构带来的限制帧频的原因来适当地调整灰度调制方案,以实现帧频进一步提高。4.1gm调制的时间改进后的方案如图9所示。以DMD微镜稳定的8μs作为PWM调制的基本时间,虽然位平面0和位平面1的显示时间是30.72μs,但是从位平面2开始,显示的时间符合PWM调制的时间关系。在这种方式下,显示一帧8bit灰度图像的时间为:可以得到帧频为465.514Hz,通过适当地牺牲低2bit数据的作用,可以实现帧频的进一步提高,而且灰度等级越高,低2bit数据牺牲影响相对减小。4.2dmd的清除在改进方案中,位平面0和位平面1显示30.72μs,不满足PWM脉宽调制的时间关系。可以在位平面0显示8μs后,通过“BlockClear”指令将DMD显示清除,直到位平面1显示。同理,在位平面1显示16μs后,也通过“BlockClear”对DMD进行清除。“BlockClear”是将DMD的存储器中数据全部清0。作为一条指令,它的速度是普通加载数据的16倍,只需1.92μs即可完成整个7XGADMD的清除。这样能够保证图像各位平面的显示时间关系依然符合PWM调制的时间要求,补偿后的方案如图10。对位平面0和位平面1采用图10所示的补偿方法,对于显示完8μs和16μs后剩余的时间通过“BlockClear”来清除显示,使得图像信息显示的时间满足PWM脉宽调制的时间关系。在这种方式下,显示一帧8bit灰度图像的时间比图9所示的方案多出37.84μs,所以一帧显示时间为:可以得到帧频为457.45Hz,通过补偿措施,8bit灰度图像的显示帧频下降8Hz,并未有较大下降,故本设计采用该补偿措施。5合成图像的帧频测试本设计通过CY7C68013芯片从上位机读取图像数据,对于视频数据则通过外接存储器对读取的数据进行缓存,然后对读取到得数据进行相关处理,采用PWM脉宽调制法并采取改进后的方案对DMD进行调制,最终通过DMD完成显示,程序流程图如图11所示。理论上帧频为126.51Hz的DMD投影显示图像如图12所示,其帧频测试图如图13所示,波形图是由光电二极管对投影图像的某个区域进行测试,用示波器测二极管的输出电压得来的。从图13可以得到,波形的周期为7.9ms,故帧频为126.58Hz,与理论的126.51Hz差0.07Hz,误差相较126.51不到其1%,并且存在读测试图周期的误差所以可以认为帧频达到预期值。理论上帧频为457.45Hz的投影图像如图14所示,其帧频测试波形图如图15所示,从图15可以得到波形的周期为2.19ms,故帧频为456.62Hz,与理论的457.45Hz仅差0.83Hz,同样误差值相比457.45不到其1%,可以认为帧频达到预期值。可以看到采用改进后的方案,并采取补偿措施后,8bit灰度图像投影显示帧频由原来的126.51Hz提升到了为457.45Hz,使得图像的帧频也