• Leonardo Ritter

Óptica - Como funcionam os projetores DLP

Atualizado: há 7 dias

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

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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 semicondutores capaz de direcionar fótons com alta precisão. Somente em 1993 surgiu o primeiro componente 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.

Lâmpada EPSON ELPLP 58

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

Para saber mais sobre as lâmpadas fluorescentes, leia os seguintes artigos:

-> Óptica - Lâmpadas à descarga;

-> Óptica - Lâmpadas a descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio ou vapor de Sódio;

-> Óptica - Lâmpadas a descarga de alta pressão com vapor de Mercúrio ou Vapor de Sódio;

-> Óptica - Os circuitos que fazem as lâmpadas fluorescentes funcionarem.

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). Este disco é popularmente e comercialmente chamado de "Color Wheel".

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


CURIOSIDADE: O disco de cores também é chamado de "Disco de Newton", e é nada mais que um Prisma Rotativo, que decompõe a luz branca em várias componentes de forma serial, diferente de um Prisma comum de base triangular. Para entender melhor sobre, recomendo a leitura do tópico "Prismas" no artigo "A Óptica e a Tecnologia".


Existem os discos de cores segmentados e os que imitam uma Espiral de Arquimedes. Veja abaixo um disco de cores do tipo segmentado:

Imagem 4 - Disco de cores RGB-CMY do tipo segmentado


Para saber mais sobre filtros de cores e Geometria de Pixel, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: Estes discos de cores podem ser confeccionados com uma liga polimérica à base de Policarbonato (PC), assim como os CD's, DVD's e BluRay's. Para saber mais sobre polímeros, comece CLICANDO AQUI!


O Color Wheel é acionado por um pequeno motor elétrico, que por sua vez é comandado por um microcontrolador. Um exemplo de chip controlador do motor, também chamado de "driver do motor" é o Texas Instruments DLPA100.

Para monitorar a rotação e a posição dos filtros de cores sobre a luz branca há um sensor instalado no Color Wheel.


Através do sensor mencionado no parágrafo anterior, o chip DMD é sincronizado com o movimento de rotação do disco de cores, desta forma o componente verde é mostrado quando o a secção verde do disco está na frente da lâmpada. O mesmo vale para as secções vermelha e azul.

As imagens verdes, vermelhas e azuis são então sobrepostas em uma velocidade suficientemente alta para que o observador veja a imagem composta totalmente colorida. Nos primeiros modelos de projetores a rotação era de uma volta por frame. Nos modelos posteriores as rotações passaram a ser de duas ou três voltas por frame, e também com a repetição do padrão de cores no disco, significando a repetição da sequência em até seis vezes por frame.


O efeito Arco-Íris

Este artefato visual é melhor descrito como breves cintilações com sombreamentos das cores primárias, observadas na maioria das vezes quando o conteúdo projetado se caracteriza por objetos brancos e / ou brilhantes em um fundo predominantemente escuro e / ou preto, sendo a apresentação dos créditos no final de muitos filmes o exemplo mais comum.

Alguns espectadores dizem que sempre percebem estes pedaços de arco-íris, enquanto outros afirmam que só os percebem quando deixam os olhos sobre toda a imagem e não apenas em uma só região da projeção. Há ainda os que não percebem este efeito de maneira alguma. O efeito está intimamente ligado ao conceito do "Limiar de Fusão de Cintilação", ou em inglês "Flicker Fusion Threshold".

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A imagem acima mostra como um círculo branco se parece enquanto uma câmera está se deslocando horizontalmente, utilizando um longo tempo de exposição. A luz branca é visivelmente dividida entre seus componentes de cor. Quando isto é visto a olho nu chamamos de "efeito arco-íris". As várias imagens do círculo são apenas quadros individuais e não tem relação como efeito arco-íris. O efeito arco-íris ocorre apenas nos projetores DLP que possuem um chip DMD, visto que os projetores deste tipo usam um Color Wheel, e como descrito anteriormente, a decomposição das cores é em série. Como os olhos percorrem a imagem projetada, as cores separadas tornam-se visíveis, resultando na percepção do arco-íris.

Os fabricantes de deste tipo de projetor utilizam artifícios para minimizar este problema. Um destes artifícios é utilizar discos de cores com 2, 3 ou 4 velocidades. Por exemplo, um disco de seis segmentos (RGBRGB) girando à uma velocidade de 2x equivale a um disco de três segmentos (RGB) girando a 4x.

Uma outro artifício utilizado é trocar o Prisma Rotativo por outro em que as cores estejam dispostas em uma espiral arquimediana. Geralmente, com discos segmentados há uma pausa entre as cores enquanto ocorre a mudança de posição do Color Wheel sobre a luz branca. Isso significa que quanto mais segmentos houver, mais escura tende á ficar a tela. Em compensação, com um disco espiral, os espelhos podem projetar mais de uma cor por vez.


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:

Observe os pixels da imagem

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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:

Diagrama do TI DLP470NE

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Os pinos são recobertos com Ouro para que se tenha uma melhor condutividade elétrica. Para estes chips há um soquete. Este soquete está atrás do conjunto de lentes do bloco óptico. Observe a imagem:

Vista dianteira e traseira de um chip DMD

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A Sinalização 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 sinalização LVDS que pode utilizar o padrão RSDS (Reduce Swing Differential Signaling), que transmite todos os dados numa velocidade muito alta e sem requerer um fio para cada ponto de luz. A sinalização LVDS neste caso é uma conexão ponto-a-ponto com alguns pares diferenciais para envio do sinal da placa para o chip. Para saber mais sobre a sinalização LVDS, CLIQUE AQUI!

O chip TI DLP5500 que possui resolução de 1024 x 768 pixels e uma sinalização LVDS de 16 bits (16 pares diferenciais) a 200MHz com padrão DDR (dupla taxa de transferência). No caso do DLP há uma conexão ponto-a-ponto 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:

Um soquete para chips DMD

Imagem 7 - Placa com o soquete do chip DMD


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.

Bloco óptico do projetor

Imagem 8 - Bloco óptico de um projetor DMD


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.


CURIOSIDADE: Assim como nos projetores 3LCD e nas câmeras, um dos parâmetros essenciais no conjunto de lentes utilizado é o "valor F”, que consiste num cociente do comprimento focal de uma lente dividido pelo diâmetro. Para saber mais sobre o assunto, leia o trecho "Sobre o Valor da Lente" no artigo "Óptica - Como funcionam os projetores 3LCD". Outro artigo em que podes obter informações sobre o assunto é o "Óptica e tecnologia - Parte 2".

Observe o desenho abaixo, com o diagrama de todo o bloco óptico, bem como a fonte de luz:

Diagrama 1 - Representação genérica do funcionamento do bloco óptico de um projetor DLP


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 sincroniza o sistema) 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:

Diagrama de blocos de uma placa de projetor DLP

Diagrama 2 - Representação genérica da placa-mãe de um projetor DLP


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 neste diagrama 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 (Cabos Verde, Azul e Vermelho), Vídeo Componente (Cabo 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 com sinalização 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 dicroicos:

-> O primeiro recebe a luz branca e deixa passar apenas o comprimento de onda da cor azul, o restante é refletido para o próximo espelho dicroico.

-> O segundo espelho deixa passar só o comprimento de onda da luz verde e reflete o restante, que é a cor vermelha, que 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 dicroicos 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 16.777.216 cores que podem ser reproduzidas, juntamente com o Canal Alfa), 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.


Para saber mais sobre profundidade de cor, Canal Alfa, Sincronismo, Taxa de Atualização e vários outros assuntos, CLIQUE AQUI e leia o "Complemento sobre Ecrãs e Projetores".

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:

Vídeo do canal Hardware Central sobre o projetor DLP


Se quiser saber sobre o funcionamento dos projetores 3LCD, CLIQUE AQUI!


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.

Se gostou é só curtir, compartilhar e esperar pelo próximo artigo!

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 Julho de 2021.

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