Óptica - Como funcionam os projetores DLP

Óptica - Como funcionam os projetores DLP

07/03/2018

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  Este artigo marca o início das explicações de como funcionam os aparelhos eletrônicos que utilizam a óptica para reproduzir, armazenar e enviar informações.

  Este artigo é sobre os projetores com tecnologia mais antiga: os DLPs.

  DLP é a sigla para Digital Light Processing que significa processamento digital de luz. Tudo começou por volta de 1977, quando um colaborador da Texas Instruments, o cientista Dr. Larry Hornbeck começou a estudar a manipulação da luz através dos princípios da reflexão. Em dez anos de pesquisa, surgiu o DMD, sigla para Digital Mirror Device, um chip feito de semicondutor capaz de direcionar fótons com alta precisão. Somente em 1993 surgiu o primeiro semicondutor comercial e a partir daí que começou a ser fabricado projetores multimídia com a tecnologia DLP.

  Mas como funciona o chip DMD? Em que parte do projetor ele está?

  Através de estudos com um projetor e pesquisas no site da Texas Instruments consegui documentos técnicos de alguns modelos deste componente.

A LÂMPADA

  O projetor necessita de uma luz branca para gerar as cores. Esta luz é gerada por uma lâmpada, normalmente feita de quartzo e que produz uma luminosidade muito alta e também muito calor. Sobre a lâmpada há uma lente que foca a luz na faixa de cor do disco.

  Nas lâmpadas, normalmente há uma grade para a refrigeração. Uma ventoinha com sensor de temperatura é adicionada para gerar uma circulação forçada do ar.

 

O DISCO DE CORES

  Para gerar as cores a partir da luz branca, há um disco com filtros do sistema RGB (vermelho, verde e azul) e CMYK (magenta, ciano e amarelo).

  O espaço ocupado por cada filtro de cor no disco depende do comprimento de onda e da frequência (Hz) de cada cor.

  Um exemplo de chip controlador do motor, também chamado de driver do motor é o Texas Instruments DLPA100.

  Para posicionar a cor requerida pelo controlador gráfico, há um motor e um sensor. O motor posiciona a cor selecionada sobre a entrada de luz gerada pela lâmpada e o sensor é o responsável por verificar se a parte do disco posicionada é a que possui a cor requerida.

 

O CHIP DMD

  A luz branca, ao incidir no filtro de cor, somente o comprimento de onda da cor do filtro passa, então, essa cor é direcionada para outra lente que posiciona a luz no chip DMD.

  O chip DMD possui bilhões de micro espelhos que trocam de posição ao receber um pulso elétrico 0 (nível baixo de tensão) ou 1 (nível alto de tensão). Ao receber 1, um micro espelho passa a refletir a luz e ao receber 0, ele volta a posição normal (se desliga) impedindo a reflexão da luz. Cada micro espelho equivale a um Pixel. Para quem não sabe, Pixel significa Picture Element e é a menor parte de uma imagem. Se você chegar bem próximo da tela de sua TV, ou celular, enfim, verá que a imagem é composta de pequenos pontos de luz, os Pixels. Observe a imagem abaixo:

  Um projetor DLP que possua resolução de 1280 x 720 pixels possui 921.600 micro espelhos em um chip de aproximadamente 1 cm². O Chip Texas Instruments modelo DLP470NE possui resolução full HD (1920 x 1080 pixels) em um tamanho de 0,47 polegadas (medida na diagonal). Observe o diagrama abaixo:

  Os pinos são feitos de ouro para que se tenha uma melhor condutividade da energia. Para estes chips há um soquete. Este soquete está atrás do conjunto de lentes do bloco óptico. Observe a imagem:

 

A INTERFACE LVDS

  Mas como tão poucos pinos distribuem sinal para milhares ou até milhões de micro espelhos?

  A interface entre o processador gráfico(normalmente é um simples DSP) e o DMD é feita por uma interface LVDS que transmite todos os dados numa velocidade muito alta e sem requerer um fio para cada ponto de luz. Ao contrário da interface HDMI, DVI, VGA e DisplayPort, a interface LVDS é interna, ou seja, a transferência de dados de vídeo entre o processador e o controlador da tela LCD ou o chip DMD é feita pela interface LVDS. Isso vale para projetores, monitores, TVs, SmartTVs, Notebooks...

  Vou dar uma breve explicação sobre a interface LVDS: A sigla significa Low Voltage Differential Signaling, que em português é Sinalização Diferencial de Baixa Tensão. São utilizados pares diferencias para a transmissão digital de dados de vídeo. Os pulsos são em baixa tensão e baixa corrente, na faixa de 1,0 a 1,5 Volts e alguns miliAmperes, gerando um consumo na casa dos miliWatts. Isso faz com que não tenha interferência eletromagnética entre os fios e os dados possam ser transferidos em quantidades muito altas, chegando aos Gigabits por segundo em alguns projetos. Um exemplo é o chip TI DLP5500 que possui resolução de 1024 x 768 pixels e uma interface LVDS de 16 bits (16 pares diferenciais) a 200MHz com padrão DDR (dupla taxa de transferência).

  Há vários padrões de cabos flat LVDS, que transmitem os dados do processador para o chip DMD ou o controlador de display LCD. Bons exemplos são o FDP-Link (Flat Panel Display Link) e LDI (LVDS Display Interface). No caso do DLP há um barramento na placa lógica, isto é, um conjunto de trilhas que são conectadas a um slot onde a placa com o soquete do chip DMD é encaixada. Veja a imagem abaixo:

 

  Interface VGA, DVI, enfim, isso será mais detalhado num artigo sobre as interfaces de vídeo.

  É importante frisar que nem todos os chips DMD possuem o mesmo soquete, pois cada um tem um resolução diferente e precisa de uma interface e um processador apropriado, o que faz cada modelo de projetor funcionar apenas com um modelo de chip. Se pudesse ser trocado o chip DMD de um projetor por um modelo de maior resolução, maior desempenho, isso geraria um gargalo e sobrecarga no processador da placa lógica.

 

O BLOCO ÓPTICO

  O bloco óptico é posicionado acima do chip DMD e possui lentes que focam a luz refletida e espalham ela no telão.

  Para exibir a luz refletida pelo chip DMD há um conjunto de lentes contendo uma lente para o foco e outra divergente para a ampliação da imagem.

   Observe o desenho abaixo com o diagrama de todo o projetor:

  Como foi dito, o chip DMD possui milhares ou até milhões de micro espelhos que trocam de posição ao receberem pulsos elétricos a todo o instante. A formação de imagens nos projetores DLP é sequencial, ou seja, uma cor de cada vez é projetada para formar uma imagem colorida.

  A imagem é processada e transformada numa sequência de pulsos elétricos que fará com que cada espelho se comporte de maneira diferente e reflita um tom de cada cor vinda do filtro de cores. Como são milhares de espelhos, cada um poderá refletir um tom diferente de cada cor e devido a rapidez da sobreposição das cores, nem notamos esse processo que acontece no mínimo 30 vezes por segundo (os aparelhos de reprodução de imagem atuais trabalham a no mínimo 30 FPS).

  A lâmpada apenas gera a luz branca e o filtro de cores é posicionado na frente desta luz, através do motor e do sensor(este último controla o posicionamento do filtro certo a cada instante) para gerar a cor primária que será refletida pelo chip DMD.

  Para fazer toda esta "mágica", há uma peça extremamente importante:

 

A PLACA LÓGICA

  É a placa lógica a responsável pelo processamento da informação recebida pela interface de vídeo e através dessa informação controlar o motor, o sensor e o os micro espelhos do chip DMD. Veja a abaixo o diagrama simplificado deste circuito:

   O chip marcado com o número "1" controla o disco de cores (motor e sensor). Em alguns modelos de projetores, na placa lógica há também um chip controlador de áudio.

  Não foi incluído o circuito que controla a temperatura do projetor e as ventoinhas dele.

  O chip marcado com o número "2" é o cérebro do circuito: ele tem as interfaces de vídeo (VGA, DVI, HDMI, DisplayPort, Vídeo Composto(Verde, Azul, Vermelho), Vídeo Componente(Amarelo)), a interface com a memória RAM para armazenar dados de vídeo temporariamente, a interface com o chip que armazena o firmware (marcado com o número "3") e a interface com o chip DMD (interface LVDS - dados e controle do chip).

  Alguns modelos de projetores utilizam 3 chips DMD: Cada um recebe uma cor primária(verde, vermelho e azul). Não há um disco com filtros de cores, mas sim, dois espelhos dicróicos: o primeiro recebe a luz branca e deixa passar apenas o comprimento de onda da cor vermelha, o restante é refletido para o próximo espelho dicróico. O segundo espelho deixa passar só o comprimento de onda da luz verde e reflete o restante, que é a cor azul e, será direcionada para o terceiro chip DMD. Desta forma, as cores que compõem a imagem podem ser tratadas individualmente, agilizando o processo e melhorando a qualidade de imagem. A organização dos espelhos dicróicos pode variar de aparelho para aparelho.

  Este tipo de projetor é muito utilizado nos cinemas e consegue trabalhar com uma profundidade de cor de 32 bits (são 4.294.967.296 cores que podem ser reproduzidas) enquanto que os projetores comuns, com apenas um chip DMD trabalham com profundidade de cor de 24 bits (16.777.216 cores podem ser reproduzidas). Esta limitação de projetores com apenas um chip é devido a geração de imagem ser sequencial e o dispositivo não ser rápido o bastante para conseguir combinar 3 cores primárias com determinados tons. Apenas os projetores com 3 chips, um para a cor verde, outro para a cor vermelha e outro para a cor azul conseguem reproduzir uma quantidade de cores muito maior sem dificuldades.

  Quando estudei este tipo de projetor, na época em que fiz estágio no núcleo de educação da cidade de Cascavel, gravei uns vídeos durante o desmonte do aparelho. Eu os compilei num arquivo só e disponibilizo o vídeo abaixo:

  Ficou com alguma dúvida? O que achou da explicação? O que achou do artigo? Deixe sua opinião nos comentários ou mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com

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FONTES e CRÉDITOS

 

Texto, desenhos e vídeos: Leonardo Ritter

Fontes: Texas Instruments; TecMundo; InfoWester.

Veja a documentação técnica de um DMD (Está em inglês): http://www.ti.com/lit/ds/dlps013f/dlps013f.pdf

 

Última atualização: 25 de Março de 2018.

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