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高效能MEMS微型投影機設計

上網時間: 2014年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  微型投影機  DLP  Pico  微機電系統 

作者:Carlos Lopez,TI DLP微投產品部門策略行銷經理

在過去幾年,已有數百萬台內建微型投影的產品銷售到市場上,開發人員也正針對這類快速成長的顯示裝置開發各種創新應用。微型投影的應用包括近眼顯示、互動數位招牌、頭戴式顯示、超短焦投影電視、獨立可攜式投影機,以及內建投影功能的智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦等。此外,更多的新應用也不斷出現,例如我們可以想像恆溫器透過互動投影實現觸控功能。

內建DLP Pico微型投影晶片的智慧型手機
圖1:內建DLP Pico微型投影晶片的智慧型手機

在構想出如何應用微投影技術創造出新的創意後,開發人員面臨到幾個需加以考量的因素。如圖2所示,這些因素包括挑選顯示技術、光源、光學以及開發軟體。在這些變數中挑選出理想的方案,可使最終產品擁有最佳的功率與光效,提供明亮、高畫質的影像。

典型的DLP Pico顯示系統
圖2:典型的DLP Pico顯示系統

那麼,要設計一台微型投影機時,哪些因素將會影響提高最大限度的效能,並產生清晰、明亮的巨大影像?本文將逐一檢視這些變數。

成像技術

設計人員面臨眾多成像技術選項,挑選光利用效率最高的成像設備是很重要的。市面上有兩種不同的光徑結構:透射式與反射式。大多數微型投影機所採用德州儀器(TI)的DLP Pico技術,這種反射結構利用一系列微鏡來產生影像,利用反射光使光效最大化(參見圖3)。

典型的DLP微型投影顯示系統
圖3:典型的DLP微型投影顯示系統

相較之下,其他技術使用透射技術或透射和反射相結合的系統,需要偏振光來控制每個畫素的強度—這兩種技術均會產生重大的光耗損,因而會降低光效。

挑選顯示技術的另一項考量因素是使微鏡傾斜的能力。DLP技術使用微機電系統(MEMS)的上方結構,使微鏡朝向或背離光路傾斜來產生每一個顯示畫素,請參見圖4。傾斜微鏡可使設備可更有效地捕獲光,無須擔心偏振,進而以更低的系統功耗獲得更高的亮度。

DLP MEMS微鏡陣列
圖4:DLP MEMS微鏡陣列

挑選顯示技術還有一項考量因素,就是速度的切換。在這方面,開發者應該考慮切換速度盡可能快的技術,這將允許設計快速控制系統的光路和色源。更快的切換速度不僅提供更好的色彩,而且能降低切換所帶來的視覺模糊,所以能提供更好的影像品質,造就更好的觀看體驗。以實際數據來說,DLP微型裝置能以每秒3,000次的速度切換每個畫素/微鏡,是市場上現有的最佳解決方案。

光源

在考量光源時,主要有三種選項:燈泡、LED以及雷射。燈泡通常用在會議室與家庭劇院投影機,這類產品需要高流明(1000至2000流明)。

對於微型投影機而言,最常用的光源為LED,特別是獨立的紅色、綠色和藍色三原色LED。LED的好處是能完美平衡成本、尺寸、亮度(流明/瓦)和可靠性。

雷射光源的優勢是體積小、通量密度(流明)高,並呈現高度飽和的色彩,對於那些只需要數百流明且可接受雷射成本的的微型投影機而言,雷射光源是極具吸引力的選項。

光學引擎

開發一個光學引擎需要權衡許多因素,每個選擇都影響到產品的尺寸、成本和光學效能。DLP已經開發出一個成熟的代工廠商(OEM)網路,能提供有現成測試資料(OTS)的設計方案。

使用OTS設計方案是產品上市的最快途徑。如果沒有滿足開發者需要的OTS設計,則DLP OEM也具備足夠的能力,能開發出半客製化或全客製化的設計(參見圖5)。

典型的DLP光學引擎
圖5:典型的DLP光學引擎

對於大多數微型投影機來說,電池的執行效率相當重要。電源管理的一個重要組成是採用演算法一格一格來分析影像。如此一來,每個LED的發光強度都可以充分作用於每一格畫面。例如,蔚藍的天空下就不需要太多的紅色與綠色,而在紅色的夕陽下則不需要太多的藍色與綠色。

內容自適應照明控制算法的效果
圖6:內容自適應照明控制算法的效果

這種調整方案最高能省下50%的能耗,而且不會影響影像品質或亮度,實際上在多數的情況下,更可同時提高影像品質與亮度。設備製造商可自行調整TI DLP IntelliBright的影像處理演算法套件,根據設備的具體用途,智慧地自動調整最理想的亮度、能耗和對比度。

該套件的第一種演算法是內容自適應照明控制(CAIC)。演算法的操作原理是一格一格地調整紅色、綠色和藍色的光源強度。演算法亦可進行設定配置以保持「一致的影像亮度」(進而降低功耗),或是維持「恆定的光源功率」(產生更高的影像亮度)。開發人員可根據自己的需要來選擇增加亮度和降低功耗之間的比例。

第二個演算法是區域亮度增強(LABB),先在一格畫面內確定「暗區」和「亮區」,然後調高影像暗區的亮度,以呈現亮度更均衡的逼真影像。

此外,在微型投影機中增加環境光感測器可讓演算法能調整影像亮度,以適應不同的環境光條件。這樣可進一步延長電池壽命、最佳化觀看體驗。藉由審慎挑選影像技術、光源、光學以及軟體,開發人員可開發出各種創新且先進的微型投影應用。

圖7:局部亮度增加算法的效果
圖7:局部亮度增加算法的效果

(參考原文:An introduction on how to design an efficient MEMS-based pico projector ,by Carlos Lopez)





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