数字光处理投影系统成像质量测量方法

　　数字光处理(digital light processing, DLP)投影机是真正的全数字处理系统,与阴极射线管(cathod ray tube, CRT)和液晶显示器(liquid crys-tal display, LCD)投影机相比,具有图像清晰、色彩丰富、亮度高、响应快等独特优势,因而发展极其迅速.DLP的核心部件是数字微镜器件(digital mi-cromirror device, DMD),可以实现光脉冲宽度调制,形成不同亮度、灰度和对比度的图像.近些年来,随着DMD生产技术的改进,合格率提高,成本下降,DLP投影机在高清晰度电视(HDTV)和数字影院中都得到了广泛的应用^[1],生产厂家也越来越多.

　　为了保证产品质量,需要对生产的DLP投影系统进行成像质量(像质)评价.然而,国际上只有少数几家大公司(例如德国的蔡司公司)具有相关技术.像质评价是测量DLP投影系统光电特性参数的一项重要内容.目前普遍认为光学调制传递函数(modulation transfer function, MTF)是一种评价光学系统像质的较为完善的指标^[2].由于工作原理的不同,DLP投影系统的某些光电特性参数的测量方法不同于CRT和LCD^[3].DLP投影图像的色度和灰度是通过DMD快速翻转实现的,在时间同步方面要求非常严格.本文提出的像质测量方法主要解决这一问题.

　　1　DLP投影显示的工作原理

　　目前的DLP系统有单片、双片和三片DMD结构,由于采用的系统结构不同,图像颜色信息的产生方法也不同.单片DMD系统主要通过色轮和DMD的同步控制,依次输出三色图像,利用人眼的视觉暂留特性产生彩色视觉^[4].单片式DLP投影机由光源、色轮、导光棒、聚光透镜、光阑、全反射棱镜、DMD芯片和投影透镜组成,其结构如图1所示.

　　DLP的核心部件DMD是反射型空间光调制器,由一组集成在传统CMOS电路上的、可旋转的铝制微镜面列阵组成.每个铝制反射镜都相当于一个数字光开关,能够旋转±10°或者±12°.一块22mm×18 mm的DMD最高有1 280×1 024像素,最低也有768×576像素,而厚度只有0.5 cm左右.

　　图2为常规型DMD的内部结构图.DMD采用由半导体工艺制作的数字开关阵列,利用二进制脉宽调制技术精密地控制微镜的开关时间.在DMD的每个微反射镜下面都有一对寻址电极,它们分别与其下方的SRAM单元CMOS电路的电压互补端相连,因此每个微反射镜单元都有2个导电通道.系统依靠SRAM单元对每一个微反射镜进行寻址,并使用CMOS电路提供静电力驱动微反射镜绕扭轴转动.微反射镜运动的工作原理如图3所示.轭与微反射镜固连在一起,拥有相同的电位,2对寻址电极(寻址电极1、3和寻址电极2、4)有不同的补偿电位.轭和微反射镜与2对寻址电极存在不同的电位差,控制寻址电压1、3与2、4间的电位差,使轭和微反射镜两边受到不同的静电力作用,从而导致微反射镜向一边偏转.利用上述静电原理,每个微镜面沿着它的对角线轴线可以翻转±10°(或±12°).DMD采用二进制、时分脉宽调制技术进行控制.例如,对于图像格式为每一帧24位的RGB图像(每种颜色8位数据),分为24个独立的、二进制加权位,对二进制加权视频数据进行脉宽调制,对单个镜片开关的时间长短进行控制以形成图像的灰度等级.利用人眼的生理功能,对一帧图像中多个数字光脉冲进行整合以形成完整的图像.DLP成像原理不同于LCD和CRT的空间混色,而是时间混色,因此对DLP投影屏的测量装置亦有不同的要求.