Dai proiettori ai display HUD: principio di funzionamento della tecnologia DLP

Nell'ultimo decennio, chiunque abbia assistito alla proiezione di un film in una sala cinematografica o abbia tenuto una presentazione utilizzando un proiettore, ha quasi certamente "visto all'opera" la tecnologia DLP (Digital Light Processing). Messa a punto nei laboratori di Texas Instruments, DLP è una tecnologia optoelettronica basata su MEMS (al seguente link un articolo dal titolo "Le soluzioni MEMS per applicazioni ad alta vibrazione") estremamente versatile che può essere utilizzata nei più diversi segmenti di mercato. In questo articolo verranno illustrate le basi di questa tecnologia e i numerosi vantaggi legati alla sua adozione.

Introduzione

La tecnologia DLP si basa sull'uso di dispositivi DMD (Digital Micromirror Device). Si tratta di array composti da milioni di micro-specchi in grado di manipolare la luce in base ai segnali elettrici che vengono applicati ad essi. Le dimensioni di ciascuno specchio sono ovviamente piccolissime. Questi specchi, inclinandosi da una parte all'altra migliaia di volte al secondo, sono in grado di creare immagini molto luminose ad alta risoluzione. Oltre a ciò, grazie all'uso della tecnologia MEMS, è garantito il funzionamento per un lungo periodo di tempo a fronte di costi estremamente contenuti. Anche se la tecnologia DLP è comunemente adottata per la proiezione dei film nelle sale cinematografiche, essa può essere utilizzata anche in numerose altre applicazioni. Questa tecnologia trova spazio in apparecchi televisivi, display HUD (Heads-Up Display) e persino in stampanti 3D. Nonostante la tecnologia DLP sia oggigiorno ampiamente sfruttata in un'ampia gamma di dispositivi mutimediali, essa può essere adottata anche in numerose applicazioni nei settori industriale, medicale e automotive. Al seguente link la categoria Automotive per ulteriori approfondimenti.

Tecnologia DLP: un po' di storia

La tecnologia DLP è una metodologia per l'elaborazione del segnale luminoso che Texas Instruments ha sviluppato dopo l'invenzione, avvenuta nel 1987 ad opera del fisico Larry Hornbeck, del DMD, un MEMS che si può definire come uno specchio micro-deformabile. I primi chip DLP messi a punto da Texas Instruments, seppure relativamente "grezzi" per gli standard attuali, ai temi della loro introduzione erano decisamente rivoluzionari. L'obbiettivo era sostituire le tecniche di proiezioni analogiche, che peraltro avevano iniziato a mostrare i propri limiti, sfruttando una metodologia più sofisticata basata su MEMS in grado di garantire una migliore fedeltà, una maggiore affidabilità e tutti i vantaggi legati all'uso delle funzionalità di natura digitale (figura 1).

 

Figura 1: dispositivi DMD (ciascuno di larghezza pari a 5,4µ in) osservati attraverso un microscopio elettronico a scansione

Ogni pixel di un dispositivo DMD (in pratica ogni micro-specchio è l'equivalente del pixel di un'immagine digitale) è un dispositivo multi-strato formato da uno specchio di alluminio montato su cerniere. Questi pixel sono posizionati sullo stesso substrato che ospita la cella di memoria CMOS che li alimenta. Variando il valore della cella di memoria, le forze elettrostatiche possono modificare l'angolo dello specchio montato sopra la cella stessa. I primi array DMD erano formati da 848 pixel (con risoluzione pari a 29x29 pixel). Questi primi prototipi, sebbene piuttosto elementari, erano in grado di evidenziare i vantaggi che la tecnologia DLP poteva apportare in termini di modalità di funzionamento dei sistemi di visualizzazione e dei proiettori. Invece di utilizzare le tradizionali tecniche analogiche di proiezione dei film, con tutte le loro limitazioni intrinseche, le unità di proiezione basate su DLP (abbinate a una sorgente luminosa) erano in grado di generare immagini controllate in modo digitale.
Dopo aver costituito una divisione "ad hoc" focalizzata sulle attività di ricerca e sviluppo nel settore dei dispositivi DMD, il cui obiettivo era migliorare le prestazioni e permettere la commercializzazione di questa tecnologia, Texas Instruments ha introdotti i primi prodotti basati sulla tecnologia DLP nella primavera del 1996. Essa è stata integrata in un gran numero di prodotti elettronici, compresi alcuni dei primi apparecchi televisivi ad alta definizione (HDTV). Prima dell'avvento di questa tecnologia le televisioni a schermo piatto a proiezione erano apparecchi ingombranti, caratterizzati da una luminosità irregolare e bassa risoluzione. Il fattore di forma ridotto e le elevate prestazioni rese possibili dalla tecnologia DLP hanno contribuito alla realizzazione dei primi "veri" apparecchi HDTV che garantivano non solo una risoluzione migliore, ma anche una qualità dell'immagine superiore rispetto ai precedenti televisori a schermo piatto.

L'avvento dei sistemi di proiezione basati sulla tecnologia DLP ha comportato grandi vantaggi non solo per le applicazioni in ambito domestico, ma anche nel settore delle sale cinematografiche. Al contrario dei film analogici (registrati su pellicola) che subiscono un processo di deterioramento ogni volta che si esegue una copia, la tecnologia DLP consente di digitalizzare l'intero processo, dalla fonte alla visualizzazione.

Grazie alla riproduzione digitale il pubblico può osservare esattamente ciò che il regista "ha visto" attraverso l'obiettivo della fotocamera, con dettagli precisi e ad alta risoluzione senza quei tipici artefatti (disturbi) visivi prodotti dal processo di produzione e distribuzione analogica. Anche nel caso delle produzioni tradizionali dei film, la visualizzazione e la distribuzione di tipo digitale garantiscono una proiezione dei film caratterizzata da una maggiore accuratezza e una durata degli stessi superiore rispetto ai film che utilizzano le tradizionali bobine analogiche, oltre ad assicurare notevoli risparmi per quanto concerne la logistica. L'inventore della tecnologia DLP, Larry Hornbeck, ha ricevuto un Academy Award nel 2015 come riconoscimento al suo contributo all'industria del cinema.

La tecnologia DLP è stata utilizzata per la realizzazione di alcuni dei primi sistemi di proiezione digitale. Le ridotte dimensioni e i bassi consumi di potenza dei chip DLP hanno permesso la realizzazione di sistemi di presentazione mobili caratterizzati da un elevato livello di risoluzione, particolarmente apprezzati dal mondo delle imprese. I proiettori basati sulla tecnologia DLP consentono la visualizzazione di presentazioni di tipo digitale in sale riunioni e anche in viaggio.

Tecnologia DLP: principi di funzionamento

Come già sottolineato in precedenza, ciascun micro-specchio di un chip DLP è montato su una cerniera. Poiché questi micro-specchi sono in grado di supportare velocità di commutazione estremamente elevate, utilizzando una modulazione di tipo PWM (Pulse Width Modulation) per variare ciclicamente il tempo di on/off dei pixel, è possibile generare diverse scale di grigi. Per produrre immagini a colori la luce può essere fatta passare attraverso una ruota colore RGB verso un singolo chip DLP oppure modulata utilizzando tre chip DLP RGB separati (figura 2).

 

Figura 2: i micro-specchi modificano la loro inclinazione per modulare la luce attraverso la riflessione

Una soluzione su chip singolo rappresenta il modo più efficiente, in termini di compattezza dimensionale e di costi, per ottenere immagini a colori. In questo sistema una sorgente di luce viene fatta passare attraverso una ruota colore che esegue la multiplazione temporale nei tre elementi primari: rosso, verde e blue. Il chip DLP modula in maniera idonea ciascuno colore. A causa dell'elevata frequenza di questo processo, l'occhio umano percepisce un'immagine risultante a colori. Un approccio di questo tipo, basato su un chip singolo, risulta quindi molto efficiente in termini di costo e di occupazione di spazio, consentendo la realizzazione di proiettori basati sulla tecnologia DLP a costi accessibili e di dimensioni contenuti (figura 3).

 

Figura 3: un sistema di proiezione DLP a 3 chip esegue la multiplazione della luce per generare un'immagine RGB

 

I sistemi che adottano un approccio che prevede l'uso di tre chip per la proiezione dell'immagine basata sulla tecnologia DLP, anche se senza dubbio più costosi e voluminosi, sono in grado di produrre immagini molto più luminose e garantire prestazioni nettamente superiori in termini di colore. In questo caso la sorgente luminosa è separata mediante filtri dicroici e prismi nella luce RGB che è viene diretta verso il corrispondente chip DLP. Quest'ultimo esegue la modulazione della luce e la invia per essere ricombinata dallo stesso sistema prismatico e successivamente proiettata sullo schermo.

Una proiezione verso il futuro

Anche se la tecnologia DLP è stata utilizzata principalmente per la visualizzazione di presentazioni in PowerPoint e film, il numero di potenziali applicazioni è in continuo aumento. Le moderne soluzioni basate su questa tecnologia prevedono l'uso di chip più piccoli di una moneta di 5 centesimi di euro, consentendone in tal modo l'integrazione in una grande varietà di dispositivi che spaziano dai laptop agli handset per smartphone. Oltre che nei proiettori portatili compatti, la tecnologia DLP può essere utilizzata per la realizzazione di display HUD (Heads-Up Display), in applicazioni di cartellonistica digitale (digital signage) e nei dispositivi indossabili che sfruttano tecniche di realtà aumentata. La tecnologia DLP è anche in grado di supportare tecniche di scansione in 3D: proiettando una serie di pattern su un oggetto e analizzando la distorsione luminosa, è possibile utilizzare un sistema di visione artificiale per generare un modello 3D per l'analisi. Un altro settore applicativo di sicuro interesse è la stampa 3D. In questo caso un array DMD è impiegato per polimerizzare in modo selettivo ciascuno strato di un materiale fotosensibile come ad esempio una resina fotopolimerica liquida. Rispetto all'esposizione di tipo puntuale, o alle tradizionali tecniche di stampa 3D a punto singolo, è possibile garantire tempi di realizzazione molto più rapidi indipendentemente dalla complessità degli strati.

La litografia digitale è un altro comparto che può trarre significativi vantaggi dall'uso della tecnologia DLP. Analogamente al caso della stampa 3D, l'array di DMD può fornire un percorso luminoso preciso e ad alta risoluzione e velocità per l'esposizione della pellicola di materiale fotoresistente o di altri materiali fotosensibili senza la necessità di ricorrere a maschere di contatto. Ciò permette di ridurre il costo del materiale, migliorare il tasso di produzione ed eseguire modifiche di progetto in tempi brevi.

La tecnologia DLP può essere utilizzata anche nel campo della spettroscopia. In questo caso differenti lunghezze d'onda di luce sono fatte convergere su determinati materiali e il pattern risultante viene rilevato al fine di analizzare il contenuto molecolare. In modo del tutto analogo a quel che avviene nei sistemi di proiezione DLP basati su 3 chip, la luce viene separata nelle lunghezze d'onda costituenti utilizzando un prisma o un reticolo di diffrazione. Alcuni sotto-insiemi dell'array DMD sono associati a lunghezze d'onda specifiche e proiettano la luce sul materiale. Un approccio di questo tipo consente la realizzazione di analizzatori spettrali compatti caratterizzati da maggiori prestazioni e costi più contenuti.

Originariamente sviluppata e utilizzata per sostituire i tradizionali proiettori cinematografici analogici, la tecnologia DLP ha trovato nel corso degli anni nuovi sbocchi applicativi. A partire dai primi dispositivi a bassa risoluzione, la più recente generazione di chip DLP disponibile sul mercato è caratterizzata dalla presenza di 500.000 specchi che cambiano stato migliaia di volte al secondo permettendo la generazione di immagini con risoluzione 4K. Essi rappresentano un valido ausilio nella realizzazione dei sistemi più avanzati attaulmente disponibili e contribuiscono all'implementazione dei dispositivi delle prossime generazioni. Per supportare i progettisti nelle fase di sviluppo di sistemi basati sulla tecnologia DLP Mouser mette a disposizione sia l'hardware necessario per la valutazione sia sevizi di consulenza tecnica qualificati e professionali.

 

A cura di, Mark Patrick - Mouser Electronics

 

Una risposta

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 12 ottobre 2017

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