I benefici di un’architettura straordinaria, 25 anni dopo la sua invenzione. Larry Hornbeck di Texas Instruments, ha inventato il DLP nel 1987, utilizzando dispositivi nati per tutt’altri scopi in anni precedenti. Scopriamo cos’è la tecnologia DLP Digital Light Processing e quali sono i segreti del suo successo.

Cos’è la tecnologia DLP?

DLP Digital Light Processing è una tecnologia che si applica ai videoproiettori e che si basa sulla modulazione della luce di una sorgente attraverso il DMD, un array di milioni di microspecchi di dimensione micrometrica che possono essere ruotati di +/- 12° per deviare opportunamente un fascio luminoso e creare così l’immagine con l’ausilio di una lente di proiezione.
Da quel lontano 1987 non è mai cessata l’evoluzione, sia in termini di risoluzione che di miniaturizzazione; ciò ha permesso la realizzazione di applicazioni sempre nuove e il successo nel mercato della proiezione, attraverso la vendita di milioni di pezzi in ambito consumer, con un monopolio quasi indiscusso in ambito del Digital Cinema.

I fondamentali: vantaggi della tecnologia DLP

Il successo della tecnologia DLP lo si deve ai seguenti aspetti:

– la tecnica costruttiva del pannello, simile a quella della realizzazione dei circuiti integrati, permette il raggiungimento di elevati standard qualitativi e la pratica assenza di difetti, ossia di pixel ‘spenti’ e una sempre maggiore risoluzione, dai full HD consumer ai 2K e 4K cinematografici;

– la rapidità di commutazione del singolo pixel, inferiore ai 12µs, ha determinato la possibilità di utilizzare, per ciascun pixel, schemi di modulazione puramente digitali a divisione di tempo (PWM), rendendo la risposta dei proiettori DLP intrinsecamente e incomparabilmente lineare dando, in più, l’opportunità di supportare la riproduzione di video ad elevata frequenza di quadro (frame rate);

– la tecnica di separazione della luce, ottenuta attraverso i microspecchi, ha dato l’opportunità di sviluppare sistemi ottici semplici ma efficaci, per ottenere immagini con un livello elevato di contrasto, grande luminosità e un’ottima saturazione dei colori;

– l’elevata affidabilità e durata dei dispositivi la cui vita media, esente da difetti di sorta ai singoli pixel, è sperimentalmente stata misurata nell’ordine delle centinaia di migliaia di ore.

La possibilità di mantenere ben separati coni di luce fino ad f/2.4, determina la capacità di ottenere un bassissimo livello del nero e quindi un elevato contrasto

Single Chip e 3 Chip

Ecco come vengono realizzati i livelli di grigio attraverso la tecnica di modulazione digitale PWM dei microspecchi DMD: il convertitore Digitale Analogico è l’occhio. Questa tecnica puramente digitale permette una corrispondenza lineare perfetta tra valore modulante e luminosità percepita dall’occhio

La maggior parte dei proiettori DLP venduti in questi 25 anni si basano sull’architettura a singolo pannello DMD: la luce bianca di una sorgente, ad esempio una lampada, passa attraverso un filtro di colore rotante variabile, generando un flusso di luce color rosso, verde, blu, e anche di colori secondari come giallo, ciano, magenta, illuminando in sequenza la superficie del chip DMD.

La commutazione degli specchi e la percentuale di tempo con il quale restano ‘on’ oppure ‘off’ sono sincronizzati con i flussi colorati d’illuminazione, generando diverse immagini colorate in sequenza. Data la rapida generazione delle immagini, esse sono impercettibili singolarmente all’occhio e si fondono, nel nostro sistema visivo, per creare un’immagine a colori. Tale architettura, intrinsecamente molto semplice, ben si è adattata anche alla realizzazione di prodotti consumer di larga diffusione.

Pochi ricordano però che le prime applicazioni significative della tecnologia DLP, risalenti al 1996, sono state quelle cinematografiche, realizzate con tre pannelli DMD. In un sistema 3 chip, la luce bianca generata dalla lampada passa attraverso un prisma che lo divide nelle tre componenti rosso, verde e blu. Ogni chip DMD è associato a ciascuno dei tre colori. La luce colorata che riflettono i microspecchi viene poi ricombinata attraverso un’elegante struttura ottica, chiamata ‘prisma di Philips’ e fatta passare attraverso la lente di proiezione per formare un’immagine a colori di notevole qualità. Il Cinema Digitale, attraverso l’uso quasi esclusivo della tecnologia DLP a 3 pannelli DMD, ha decretato e decreta ancor oggi lo straordinario successo di questa architettura per alcune peculiari caratteristiche. Analizziamole nel dettaglio.

Risoluzione e separazione fra i pixels

A sinistra: la luce incidente su un pannello di tipo H-LCD o LcoS deve essere polarizzata dal ‘polarized beam splitter’ poichè il pannello opera ruotando il piano di oscillazione dell’onda elettromagnetica. A destra: un’architettura DLP 3 chip con prisma di Philips che non necessita di alcune polarizzazione in quanto il DMD opera in pura riflessione. L’uso di luce polarizzata provoca una riduzione dell’efficienza del 50% nel punto in cui il polarizzatore agisce. Questa inefficienza può essere solo attenuata da tecniche di ‘polarization recovery’. Tale inefficienza è del tutto assente nei proiettori DLP. La struttura ottica, caratteristica dei sistemi a 3 pannelli DMD chiamata ‘Prisma di Philips’ permette una perfetta suddivisione della luce bianca nelle tre componenti R, G e B e la ricombinazione verso la lente di proiezione con elevatissime efficienza

Sono disponibili architetture a tre pannelli DMD con risoluzioni che vanno da 1080p (Full HD) fino a versioni cinematografiche 2K e 4K, ossia da 2 a 8 Mpixel, con dimensioni del pannello che variano da 0,9” a 1,3”. La separazione fra i pixel è inferiore al micron. Questo determina un’estrema efficienza nella modulazione e una retinatura praticamente invisibile, anche in proiezione su schermi di grandi dimensioni.

Potenza ed efficienza luminosa

A sinistra: la luce incidente su un pannello di tipo H-LCD o LcoS attraversa il cristallo mentre. A destra: su un pannello DLP la luce viene riflessa dallo strato metallico esterno. Questa tecnica previene nei pannelli DLP ogni tipo di degrado dovuto dalla luce incidente, garantendo prestazioni costanti nel tempo

L’architettura a tre pannelli DLP consente una grande efficienza complessiva e una favorevole distribuzione della potenza luminosa. I due aspetti sono entrambi legati alla possibilità di utilizzare sempre, per tutto il tempo, l’intero spettro della luce visibile opportunamente diviso dai filtri dicroici del prisma di ‘Philips’ sui tre pannelli DMD che operano contemporaneamente. Al lordo delle bande di transizione dei filtri dicroici presenti nel prisma di Philips, l’aumento di efficienza rispetto ai sistemi a singolo pannello DMD è del 300%. Inoltre, operando in pura riflessione, non necessita di particolari qualità della luce , ossia può operare con luce visibile non polarizzata. Questo è un grande vantaggio rispetto a tecnologie a tre pannelli della concorrenza, come gli H-LCD o gli LcoS , che operano esclusivamente con luce polarizzata.

Infatti, la modulazione della trasmissività della luce, da parte dello strato di cristallo liquido, si basa proprio sulla rotazione del piano di polarizzazione e sul successivo attraversamento del polarizzatore d’uscita. La polarizzazione provoca una perdita di efficienza del 50%.

L’altro grande vantaggio citato è la possibilità di operare con potenze maggiori, poiché la potenza viene suddivisa fra le diverse bande dello spettro, corrispondenti a ciascun DMD; inoltre, non viene assorbita potenza da parte di componenti come filtri colore o polarizzatori. Da tenere conto, poi, che la tecnologia DLP opera in pura riflessione su superficie metallica, il microspecchio DMD. Questo componente ha una riflettività del 92% e tende ad assorbire solo una piccola quantità di energia che, nel tempo, non ne altera le caratteristiche e il funzionamento.

Una cosa ben diversa dal comportamento degli H-LCD e degli LcoS, attraversati dalla luce intensa della sorgente, che tendono ad avere assorbimenti maggiori di energia nel tempo. Questa energia può provocare, nel lungo periodo, alterazioni alla trasmissività e alterazioni colorimetriche.

Modulazione e linearità

Il sistema DLP opera in maniera totalmente lineare essendo la modulazione digitale e l’occhio parte del sistema. I pannelli LCD spesso sono di tipo analogico o comunque hanno risposta non-lineare. La risposta non-lineare dei display LCD provoca la necessità di una pre-correzione altrettanto non-lineare. Ogni correzione non-lineare causa la perdita di risoluzione e può provocare artefatti come la presenza di scalini sulla rampa dei grigi. La perdita di risoluzione è determinata dal fatto che la rappresentazione di una curva nel dominio digitale quantizzato è molto spesso una corrispondenza non biunivoca. Quando la pendenza della curva è troppo bassa due o più valori di ingresso possono avere lo stesso valore di uscita o viceversa

Come già descritto all’inizio della nostra esposizione, la modulazione del DMD è ‘digitale’ in quanto l’intensità luminosa di ciascun pixel dipende unicamente dal tempo con il quale il singolo specchietto rimane orientato verso l’obiettivo di proiezione, che a sua volta dipende unicamente dal valore digitale di modulazione.

La modulazione della luce avviene, infatti, con adottando lo schema ‘modulazione di impulso’ o ‘Pulse Width Modulation’ (PWM) che dura complessivamente tutto il tempo di quadro perché, essendoci tre dispositivi DMD, ognuno può modulare il solo colore di competenza per tutto il tempo.
Questi due fatti da un lato determinano l’estrema linearità della risposta del display e lo contraddistinguono da sistemi di modulazione ottenuti dai tre pannelli H-LCD, il cui ultimo elemento è sempre analogico.

L’altro vantaggio che ne deriva, è l’elevato numero di bit che si possono indirizzare durante un periodo di quadro dedicato a modulare un singolo colore, dato che il tempo a disposizione di ciascun pannello DMD per modulare la luce è triplicato, grazie all’assenza della ruota colore.

Si determina così, nelle architetture DLP a tre pannelli DMD una notevole densità di livelli di modulazione che, associata alla linearità, permette di realizzare un’insuperabile qualità dell’immagine e una più precisa correzione colorimetrica. Questo è uno dei motivi che ha deterninato il successo e la diffusione dei proiettori DLP nel cinema elettronico e, anche, nelle applicazioni domestiche di fascia alta.

Refresh e switch, assenza di artefatti temporali

A causa della ‘scansione’, i sistemi LCD necessitano di elevate frequenze di refresh per realizzare un’opportuna separazione di due frame successivi, specialmente in 3D. Inoltre, i contenuti filmici a 24Hz (o 48Hz) vengono convertiti a 96Hz. l display DLP 3 chip permettono tempi di blanking inferiori e la possibilità di riprodurre i contenuti filmici 3D ad un mutiplo intero della frequenza di quadro originale. Si realizza così la magia del “Triple Flash” utilizzato nel Cinema Digitale. Nel “Triple Flash” ogni coppia di fotogrammi della pellicola corrispondente a una coppia di quadri a 48Hz. Viene riprodotta sullo schermo esattamente tre volte, ossia a 144Hz, permettendo una visione fluida e priva di ogni possibile causa di affaticamento per l’occhio e di alterazione del contenuto originale
La differenza tra un display a pellicola, DLP e LCD a scansione. Il display DLP ha un tempo di commutazione brevissimo e presenta l’immagine su tutto il quadro contemporaneamente, esattamente come la pellicola cinematografica. Un LCD a scansione ha un caricamento dell’immagine dall’alto al basso che dura tutto il quadro e una risposta di ciascun pixel che dura alcuni millisecondi. Ecco perché il display DLP è più simile alla proiezione cinematografica

La stessa modulazione della luce viene effettuata contemporaneamente e in parallelo, su tutti e tre i pannelli DMD del sistema DLP 3 chip.Questo fatto determina l’assenza di qualsiasi artefatto, di tipo temporale, che affligge tecnologie meno performanti: è totalmente assente il ‘raimbow effect’ da taluni percepibile sui sistemi DLP a pannello singolo ed è assente qualsiasi tipo di flicker sull’immagine.

La stessa disponibilità di tempo di modulazione della luce, determinata dal parallelismo dell’architettura a tre pannelli DMD, permette di ottenere elevate frequenze di refresh di quadro. Oggi, le più avanzate applicazioni 3D vengono soddisfatte con frequenze di quadro effettive di 144 Hz. Si noti che l’immagine, a differenza di quanto accade nei display di tipo H-LCD, permane sullo schermo tutto il tempo di quadro perché non vi è alcuna scansione ma un passaggio diretto da un quadro all’altro, con un intervallo di poche decine di microsecondi.

Al contrario, i display LCD che sono a scansione, per ottenere prestazioni di analoga efficienza necessitano incrementi di frame rate, per raggiungere valori di 240 Hz o 480 Hz; a ciò bisogna poi aggiungere la risposta del display, che è pur sempre di alcuni millisecondi.
Il tipico comportamento dei tre pannelli DLP di ‘tenere l’immagine sullo schermo’ e di avere un rapidissimo tempo di switch, li fa assomigliare al comportamento della pellicola cinematografica, che veniva illuminata e visualizzata per 1/24 di secondo, cui seguiva un rapido cambio d’immagine. La somiglianza di comportamento fra tecnologia DLP e la pellicola è una delle componenti che ha decretato il successo del DLP nel campo cinematografico.

Efficienza 2D 3D

Talvolta, nei sistemi LCD a scansione vi è una separazione insufficiente fra i quadri L e R dell’immagine 3D. Ciò provoca la presenza di un fastidioso Crosstalk fra i due canali. La tecnologia DLP 3 chip, con il suo caricamento digitale dell’immagine permette una separazione completa fra i due quadri. Nella tecnologia DLP 3 chip si riesce a dividere perfettamente le due immagini L ed R senza dover far ricorso ad un aumento del blanking di quadro. Questo determina immagini allo stesso tempo molto luminose, esenti dal Crosstalk

Con la tecnologia DLP, la velocità di switch e l’elevata frequenza di refresh determinano numerosi vantaggi nella visione dei contenuti sia 2D che, soprattutto, 3D.
Per la visione 2D si può decidere, a seconda del tipo di contenuto, di assegnare un maggior numero di bit/colore all’immagine, ad esempio per una pellicola da Blu-ray a 24 Hz, oppure utilizzare sofisticati frame rate converter, con funzione di dejudder, per aumentare il frame rate, e con esso la fluidità della visione, fino ad esempio a 120Hz.

Come già spiegato precedentemente, l’efficienza totale è altissima perché il tempo di switch, a 60 Hz, è dell’ordine di qualche millesimo del tempo di quadro. L’efficienza del sistema è accentuata ancor di più se si parla dei sistemi 3D. I brevi tempi di switch e l’assenza di scansione permettono di utilizzare potenzialmente tutto il tempo di quadro per la visione 3D attiva o passiva. Il vero e unico collo di bottiglia diventano gli elementi di barriera commutabili (occhiali attivi o filtri polarizzatori commutabili) per l’occhio destro o sinistro, che hanno tempi di commutazione intorno al millisecondo.

Ottica

Ottica e complessità di un H-LCD e di un DLP 3 chip a confronto. La complessità di un proiettore a tre pannelli LCD è notevolmente superiore a quella di un 3 pannelli DLP, sia in termini di numero di elementi ottici che della loro criticità

Da ultimo, uno sguardo all’ottica dei sistemi DLP a tre pannelli DMD. È da sempre considerata un punto problematico, a causa della possibile complessità e dei costi di un sistema tre chip rispetto al pannello singolo. Da questo punto di vista bisogna notare che lo schema ottico di un proiettore a tre pannelli DMD non ha una complessità superiore rispetto a soluzioni multi-pannello a LCD o LCOS.

Viceversa la peculiarità della separazione degli stati ON ed OFF del singolo microspecchio, con un angolo di 12 + 12 gradi, ha reso possibile la realizzazione di strutture con un livello di contrasto, sia full ON/OFF che ANSI, notevole. L’architettura a 3 Chip nel DLP non è, infatti, una necessità poiché è dimostrato che si può ottenere una grande qualità dell’immagine anche con strutture di proiezione a DMD singolo, ma costituisce un notevole valore aggiunto in termini qualitativi. Al contrario nei sistemi LCOS non è possibile realizzare strutture a pannello singolo per cui la realizzazione a tre pannelli è una necessità che non offre alternative.

Dopo 25 anni, l’architettura i proiezione DLP 3 chip ha dimostrato tutta la sua validità in ambito cinematografico. I suoi vantaggi tecnologici rimangono ancora insuperati.
I progressi industriali, invece, permettono di scalare l’architettura e di renderla disponibile ad ambiti sempre nuovi: sono apparse, in questi ultimi anni, strutture di proiezione a tre pannelli molto compatte che hanno permesso di ridisegnare il campo d’azione di questa architettura: dal puro Cinema Digitale alle applicazioni domestiche.

Si ringrazia per il contributo la divisione
Ricerca & Sviluppo di SIM2 Multimedia

BIBLIOGRAFIA E IMMAGINI

Texas instruments How DLP Technology Works;
Sony : SXRD 4K Projection Technology for Visualization, Simulation, Auditoriums and Postproduction 2008;
JVC D-ILA Projector Technology: The Path to High Resolution Projection Displays 2007.