DLP-Projektor

Elektronische Bausteine werden mit größter Sorgfalt und Präzision hergestellt. So auch ein DMD-Chip. Auf ein Basis-Substrat (Waver) werden in mehreren Arbeitsvorgängen dünne Materialschichten aufgebracht. In einem fotochemischen Verfahren wird dann eine Abdeckmaske angebracht. Im letzten Schritt wird das nicht benötigte Material wieder entfernt. Auf diese Weise entsteht nach und nach eine 3-dimensionale Struktur, bei dem an mikroskopisch feinen Aluminiumfäden ein quadratischer Spiegel beweglich angebracht wird. Das folgende Bild zeigt die einzelnen Schichten einer DMD-Spiegelzelle.

Grundsätzlicher Aufbau einer DMD-Spiegelzelle

Eine winzige Wippe (mit Ladetipper, Gabel und Verdrehgelenk) ist auf einer CMOS-Speicherzelle aufgebaut. Die elektrostatischen Kräfte lassen die Wippe nun in eine Richtung kippen. Entlädt sich die Zelle, kippt der Spiegel in die andere Richtung. Das Licht der Lampe trifft auf die Spiegel. Diese lenken es entweder in einen Absorber oder zum Projektionsobjektiv, wo der entsprechende Bildpunkt entsteht. Die Empfängerelektroden sorgen dafür, dass der Spiegel genau positioniert wird. Dies passiert mit einer unvorstellbaren Geschwindigkeit von 10 Mikrosekunden pro Bewegung.

DMD-Spiegelzellen im Einsatz

Aus technischen Gründen ist es nicht möglich, einen Spiegel über einen längeren Zeitraum in einer Position zu halten - auch bei gleichbleibend einfärbigen Bildteilen. Die Spiegel werden daher in einer gewissen Frequenz aus ihrer Position gelöst. Dadurch kann es teilweise zu Pixelflackern kommen.

Auf einer Platine befinden sich Tausende von kleinen Spiegeln. Die Anzahl der Spiegel hängt von der Auflösung des Chips ab. So hat ein Chip mit einer Auflösung von 1024 x 768 beispielsweise 786.432 einzelne Spiegel oder ein HDTV-Chip mit 1280 x 720 Pixeln insgesamt 921.600 einzelne Spiegel. Jeder dieser Spiegel ist etwa 13,7 Mikrometer (13,7 tausendstel Millimeter) klein und weniger als 1 Mikrometer vom Nachbarspiegel entfernt. Der Kippwinkel wurde von +/- 10° auf +/- 12° erhöht. Darüberhinaus konnte die Masse der Spiegel verringert werden. Somit konnte die Kippgeschwindigkeit verdoppelt werden, was den Regenbogeneffekt beinahe stark minimiert hat. Der Regenbogeneffekt, (englisch Rainbow Effect [RBE]), wird durch die Trägheit des menschlichen Auges verursacht. Bei 1 und 2 Chip DLP-Projektoren werden die drei Grundfarben schnell hintereinander auf die Leinwand projiziert. Manche Menschen nehmen diese zeitliche Verschiebung der Farben wahr und werden dadurch in ihrer Wahrnehmung gestört. Kopfschmerzen und Übelkeit können die Folge sein.

Die Videosignale werden durch ASICS ("Application Specific Integrated Circuit") zum DMD-Chip übertragen. Je schneller die Übertragung, desto besser die Bildqualität. Chips mit DDR ("Double Data Rate") arbeiten mit einer Übertragungsrate von 7,6 GB pro Sekunde. Neue Chips mit LVDS ("Low Voltage Differential Signaling") erreichen sogar Übertragungsraten von bis zu 12,8 GB pro Sekunde. Je schneller der Chip schalten kann und somit die Spiegel in den beiden Positionen wechseln, desto größer die Farbtiefe und Bildwiederholfrequenz. Letztere ist maßgeblich für den Regenbogeneffekt verantwortlich.

Die Spiegelmatrix wird von einer hellen Projektorlampe bestrahlt. Im Gegensatz zu LCD oder LCoS Geräten wird bei DLP kein polarisiertes Licht benötigt. Der DMD-Chip arbeitet mit jeder Lichtquelle - unabhängig von der Farbtemperatur. Damit ist der tatsächlich darstellbare Farbraum nur von der Lichtquelle, den Farbfiltern und anderen optischen Elementen abhängig. Sogar UV-Licht kann moduliert werden.

Für die Darstellung von Graustufen ist die Kippbewegung in lediglich 2 Positionen natürlich unvorteilhaft. Hier bedient man sich der "Pulsweitenmodulation". Soll ein dunkler Bildpunkt auf der Leinwand erscheinen, so wird ein sehr kurzer Lichtimpuls über den Spiegel geschickt. Soll ein heller Bildpunkt projiziert werden, so wird ein etwas längerer Lichtimpuls über den Spiegel reflektiert. Die Trägheit des menschlichen Auges dient als "Integrator" - so nehmen wir Graustufen wahr.

Lichtblitze unterschiedlicher Längen zur Graustufen-Darstellung

Die Pulsweitenmodulation arbeitet auf digitaler Basis, was in der DLP-Technik sehr vorteilhaft ist, da auch die DMD-Chips nur Digitalsignale kennen - 0 und 1 beziehungsweise +12° und -12° gekippt.

Eine klare Stärke des DMD-Chips ist sein hohes Kontrastverhältnis. Rein theoretisch könnte ein DLP-Projektor unendliche Werte wie ein CRT-Projektor erreichen - wird doch bei Schwarz das ganze Licht in den Absorber gelenkt. Wie oben bereits angesprochen entsteht in einem DLP-Projektor unvermeidlich Streulicht, das das Schwarz natürlich beeinflusst. Zum einen entsteht dieses aus der Bewegung. Bei jeder Kippbewegung wird das Licht quer über das Bild geführt - dieser Effekt ist jedoch sehr gering. Zum anderen verursachen kleine Dellen an den Spiegeln ungewollte Lichtreflektionen. Diese Dellen wurden seit den ersten Anfängen allerdings erheblich verbessert.

Um Streulicht zwischen den Spiegeln zu vermindern wurde die DM3 (Dark Metal) Technik geboren. Dabei wird der dritte metallische Layer vom DMD-Chip mit einem anorganischen Material beschichtet. Somit konnten der Schwarzwert und Kontrast deutlich verbessert werden. An das Schwarz von CRT-Projektoren kommen DLP-Projektoren aber noch immer nicht ran. Texas Instruments arbeitet jedoch bereits an der Beseitigung des letzten Streulichts. Der neue Chip "Matterhorn" mit 1024 x 576 Pixel kommt nahezu ohne Delle aus und vermindert ungewollte Reflektionen ausgezeichnet.

Entwickler von Texas Instrument machten die Erfahrung, dass der DMD-Chip besonders im oberen rechten Teil der Pupille besonders viel Streulicht erscheinen lässt. Dies wirkt sich natürlich auf die komplette Bildwahrnehmung aus und lässt den Schwarzwert schlapp aussehen. Aus diesem Grund setzt man eine Irisblende in Form eines Katzenauges dezentral zum Strahlengang so ein, dass der obere rechte Bereich abgeschottet wird. Bei manchen Projektoren ist die Iris-Blende auch verstellbar. Durch Öffnen der Iris verbessert sich die Helligkeit - der Kontrast sinkt, da neben Streulicht auch projiziertes Licht blockiert wird. Hier ist eine präzise Justierung von Nöten.

Iris-Blende in Katzenaugenform

Bei dieser Techniken wird somit versucht nur das eigentliche Bild vom Projektor durch das Objektiv zu senden, da nicht nur im sondern auch außerhalb des Bildes Streulicht vorhanden ist. Wird dieses vermieden, kann der Kontrastwert deutlich erhöht werden. Dieses Prinzip kann bei jedem digitalen Projektor auch ohne Irisblende den Kontrastwert erhöhen: Wenn der Projektor im Weitwinkel (Bild ganz groß gezoomt) oder im Tele (Bild ganz klein gezoomt) projiziert. Das Streulicht bleibt dann nicht an einer Irisblende sondern am Objektiv selbst hängen.

Der Platz auf einem DMD-Chip ist sehr kostbar. Mehr Platz auf einem DMD-Chip bedeutet mehr Spiegel und somit eine höhere Auflösung.

DMD-Chip von Texas Instruments, Quelle: Texas Instruments

Die folgende Tabelle zeigt einen Überblick über häufig eingesetzte DMD-Chips von Texas Instruments.

Bezeichnung	Einführung	Auflösung	Diagonale	Spiegelgröße	Winkel
0.9 XGA	1998	1024 x 768 (XGA)	0,9"	17 µm	+/- 10°
1.1 SXGA	1999	1280 x 1024 (SXGA)	1,1"	17 µm	+/- 10°
0.7 XGA SDR 12	2000	1024x768 (XGA)	0,7"	13,8 µm	+/- 12°
HD1 DDR	2000	1280 x 720 (WXGA)	0,8"	13,8 µm	+/- 10°
0.9 SXGA DDR	2001	848 x 600 (WSVGA)	0,7"	17 µm	+/- 10°
0.7 SVGA SDR	2001	848 x 600 (WSVGA)	0,7"	17 µm	+/- 10°
0.55 SVGA DDR	2001	800 x 600 (SVGA)	0,55"	13,68 µm	+/- 12°
0.7 XGA DDR	2002	1024 x 768 (XGA)	0,7"	13,68 µm	+/- 12°
HD2/Mustang LVDS	2002	1280 x 720 (WXGA)	0,8"	13,68 µm	+/- 12°
Matterhorn	2003	1024 x 576 (PAL)	-	13,68 µm	+/- 12°
HD3	2004	640 x 360 (WXGA/2)	0,55"	-	+/- 12°
HD3x	2004	960 x 540 (HDTV/2)	0,83"	-	+/- 12°
SXGA+	2004	1400 x 1050 (4:3)	-	-	+/- 12°

Texas Instrument entwickelte mit dem HD3- und HD3x-Chip eine Technik, die es schafft die Pixelzahl zu erhöhen ohne den Chip zu vergrößern. Somit erscheinen beim HD3 1280 x 720 anstatt der 640 x 360 Pixel und beim HD3x 1920 x 1080 anstatt der 960 x 540 Pixel. Texas Instrument schafft dies durch eine Verschiebung der Pixel bei jedem zweiten Bilddurchgang. Die gesamte Pixelmatrix wird also um ein halbes Pixel zur Seite und ein halbes Pixel nach unten verschoben.

HD3 - Pixelverschiebung zur feineren Auflösung

Diese Verschiebung wird durch einen Spiegel im Strahlengang erzeugt, der im benötigten Winkel hin und her kippt. Pixelstrukturen werden nun gänzlich unsichtbar, was sich speziell in der Rückprojektionstechnik für Rückpro-TV-Geräte bezahlt macht. Zugleich wird jedoch Kontrast und Farbreinheit an scharfen Kanten reduziert - überlagern sich nämlich ein schwarzer und weißer Bildpunkt, so wird das sichtbare Ergebnis ein Grauwert sein.

Farberzeugung

Mit einem einzigen DLP-Chip lässt sich noch nicht ohne weiteren Aufwand Farbe darstellen. Hierzu gibt es verschiedene Ansätze - 1, 2 oder gleich 3 DMD-Chips arbeiten mit unterschiedlichen Techniken. 3-Chip-Projektoren arbeiten pro Chip mit einer Grundfarbe. Deren Einzelbilder werden anschließend mit Hilfe eines Prismas überlagert. Da dies recht aufwendig ist, wird dieses Verfahren bislang nur in sehr teuren 3-Chip-DLP-Projektoren verwendet, die ab 20.000 Euro zu erhalten sind. 3-Chip-DLP-Projektoren, wie sie in Kinos für die Digitalprojektion verwendet werden, kosten zumeist sogar über 100.000 Euro.

1 und auch 2 Chip-DLPs erzeugen die Farben auf einem anderen Wege: Zwischen Lichtquelle und Spiegelfläche wird ein Farbrad mit den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau installiert. Durch die Drehung des Rades wird entsprechend abwechselnd ein rotes, ein grünes und ein blaues Bild dargestellt. Für die Farbprojektion wird die Ansteuerung des DMD-Chips mit der Drehbewegung des Farbrades synchronisiert. Sensoren auf dem Farbrad ermöglichen es, Farbrad und Spiegel so anzugleichen, dass keine Falschfarben dargestellt werden. Die Trägheit des Auges sorgt aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der sich das Farbrad dreht, dafür, dass der Zuschauer das Bild nicht in wechselnden Farben, sondern als ein Gesamtbild wahrnimmt. Allerdings kann bei DLP-Projektoren dafür mitunter bei einigen Menschen der bereits angesprochene Regenbogeneffekt auftreten, der durch die nicht 100%ige Trägheit des menschlichen Auges verursacht wird.

Eine Übersicht über verbreitete Farbräder gibt es auf der Detailseite Farbräder.

In 1-Chip-Projektoren werden Farbräder verwendet um die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zu erstellen. Dieses Farbrad wird von der Projektorlampe bestrahlt und dreht sich etwa 3600 Mal in der Sekunde. Das Bild wird bei-1-Chip Projektoren hintereinander deckungsgleich aufgebaut. Das heißt, dass nacheinander ein rotes, grünes und blaues Bild konvergent projiziert und das Bild somit erst auf der Leinwand zusammengesetzt wird. Je nach Lichtpulslänge der einzelnen Farben, ergeben sich die Helligkeiten (Pulsweitenmodulation) und somit die einzelnen Mischfarben. Sind bei Farbrädern 256 verschiedene Grauabstufungen möglich so macht das bei 256 x 256 x 256 etwa 16,7 Millionen Farben.

Innenleben eines 1-Chip-DLP-Projektors

Bei Datenprojektoren wird auch häufig das RGB-W-Farbrad verwendet um einen den hohen Weißanteil bei Datenprojektionen zu verbessern. Um dem störenden Regenbogeneffekt auf den Leib zu rücken werden auch häufig 2-fach-RGB-Farbräder verwendet.

In 2-Chip-Projektoren werden Farbräder verwendet, die die Farben Magenta und Gelb besitzen. Das Farbrad wirkt als Filter. Magenta lässt Rot und Blau passieren. Gelb lässt Rot und Grün passieren. Nach dem Farbrad gelangt das Licht in ein Prisma, das es auf 2 DMD-Chips aufteilt. Ein Chip ist dabei für Rot zuständig - der andere für Grün und Blau. Das macht deshalb Sinn, weil der Rot-DMD-Chip um 300 % und der Grün-Blau-DMD-Chip um 50 % mehr Helligkeit liefert. Das muss auch so sein, da am Farbrad immer Helligkeit verloren geht. Und je weniger Helligkeit verloren geht, desto weniger müssen der Kühler und die Lampe leisten.

Innenleben eines 2 Chip DLP-Projektors

Bei 3-Chip-DLP-Projektoren ist jeder Chip für eine Grundfarbe zuständig. Das Farbrad wird durch ein Farbteilprisma ersetzt, welches die jeweilige Farbe auf die 3 Chips lenkt und wieder zusammenführt. Dadurch geht kaum Licht verloren und deutlich hellere Bilder sind das Ergebnis. Den Produktdatenblättern zufolge schaffen 3-Chip-DLPs mehr als 12.000 ANSI-Lumen. Projektoren, wie sie in Kinos für die Digitalprojektion verwendet werden, kosten zumeist über 100.000 Euro. Für das Heimkino sind Geräte ab 20.000 Euro zu haben.

Innenleben eines 3 Chip DLP-Projektors