נכתב ע"י :  שמשון סיני –  Electronic Design.

 

רבים שמעו ואף ראו במו-עינם את חיישני התמונה מסוג CCD  ו- CMOS אשר מהווים את הליבה של המצלמות הדיגיטליות ומצלמות הוידאו. חיישנים אלה ממירים את פילוג עוצמות האור אשר מגיעות מהאוביקט המצולם אל המצלמה וממירים אותו לסיגנל חשמלי. בליבה של מקרני הוידאו קיים רכיב Microdisplay אשר דומה במראהו החיצוני לחיישן התמונה (ובזה מסתיים הדמיון) אולם תפקידו הפוך לזה של החיישן. כאן הוא קולט את הסיגנל החשמלי + מקור תאורה וממיר אותם לדמות המוקרנת על מסך.

גם כאן ניטשת מלחמת חורמה בין שתי טכנולוגיות עיקריות המתחרות על ליבם של יצרני המקרנים –  ה- DMD (Digital Mirror Device)  וה- LCOS (Liquid Crystal On Silicon) .  כל אחת על יתרונותיה וחסרונותיה. ה-DMD  מיוצר ע"י חברת TI  בלבד מאחר ומדובר בפטנט רשום ומוגן היטב של החברה. טכנולוגיה זו שימושית בכמחצית המקרנים תחת שם המותג DLP (Digital Light Projector) . ה- LCOS יוצר בעבר ע"י מספר יצרנים אולם כיום נותרה בעיקר JVC  עם המותג DILA (Digital Image Light Amplifier)  ומספר חברות קטנות.

שתי הטכנולוגיות שימושיות גם במקרני טלויזיה, אם-כי בתחום זה ה- LCD הולך וכובש את השוק.

גירסה זעירה של ה- LCOS  משמשת בתחום נוסף והוא העינית האלקטרונית ( View finder ) אשר במצלמות הדיגיטליות.

נישה קטנה ואקזוטית נוספת בה משתמשים במקרני LCOS  ו- DMD היא הסימולטורים הדינמיים אשר משמשים בעיקר באפליקציות צבאיות, כגון  סימולטור טיסה או סימולטור דינמי לבחינת מערכות העקיבה של טילים (כגון הוידאו פרוז'קטור המתואר באתר זה).

 

DMD – עקרון פעולה

ה-DMD הינו אלמנט אלקטרומכני זעיר השייך במובן זה למשפחת ה- MEMS . הוא בנוי ממטריצה של מראות מיקרוניות. כל מיקרומראה מיצגת פיקסל של התמונה. מערך המיקרומראות מואר ע"י אלומת אור חזקה אשר מוסטת באמצעות המיקרומראות לעבר עדשת ההקרנה של הפרוז'קטור, או לחילופין, לעבר משטח שחור הבולע את הקרינה.

הערה – אלומת האור מופקת ע"י מכלול אופטי שנקרא light engine שתפקידו להפיק אלומה בעלת פילוג מרחבי אחיד מאוד.

דרייבר החומרה שולט על כל מיקרומראה ומחליט אם עליה להסיט את קרן האור שנופלת עליה לעבר העדשה או לעבר משטח הבליעה. יש לשים לב לכך שמשמעות פעולה זו היא שהמיקרומראה הינה בינרית – העברת הקרן במלואה או חסימתה המלאה. כאמור, המיקרומראה מיצגת פיקסל של התמונה ומאחר וכל פיקסל צריך ליצג עוצמת אור אינדיווידואלית במרחב ובזמן אזי עלינו למצוא דרך להפוך את פילוג העוצמות הבינרי לפילוג פסיאודו אנלוגי. לשם-כך הגה היצרן פתרון מקורי שהינו סוג של PWM :

כידוע העין האנושית מבצעת אינטגרציה על קוונטות האור אשר מגיעות אליה. ככל שכמות הקוונטות ליחידת זמן גדולה יותר, כן תחושת עוצמת האור שתרגיש העין תהיה גדולה יותר, ומכאן שעלינו לדאוג לכך שבמסגרת פרים בודד של הוידאו שמגיע ל-DMD יהבהב כל פיקסל כמספר רמות האפור אותן הוא מיצג. התוצאה – העין חשה פילוג עוצמות אור זהה לפילוג העוצמות של תוכן הפרים כפי שנדרש במקור, דהינו העין רואה תמונה או רצף תמונות. במילים אחרות – סרט וידאו.

התאור הנ"ל מסביר למעשה כיצד מקבלים סרט וידאו בשחור/לבן. בשביל לייצר וידאו צבעוני משתמשים באחת משתי הטכניקות הבאות:

  • טכניקת fusion  של שלושה רכיבי DMD –  כל אחד מהשלושה מואר באחת משלוש אלומת צבעי היסוד R,G,B . הפלט של שלושת ה-DMD מאוחד באמצעות מנסרות ומפצלי אור ומוקרן לעבר העדשה.
  • טכניקת גלגל צבעים –  טכניקה זו מאפשרת שימוש ברכיב יחיד. כל פרים מוקרן על המסך שלוש פעמים, כל פעם עם פילוג עוצמות רלוונטי לאחד מצבעי היסוד ובכל פעם ה-DMD  מואר בצבע היסוד הרלוונטי. כיצד מיצרים פולסי צבע מחזוריים אלה? פשוט ע"י העברת האלומה של הנורה דרך גלגל צבעוני שמסתובב במהירות רבה.

 

LCOS – עקרון פעולה

ה-LCOS הינו מודיפיקציה של ה-LCD המוכר.  על-מנת להבין ביתר קלות את עקרון הפעולה של ה- LCOS  כדאי שנקדים ונבין כיצד פועל ה-LCD :

כידוע ה- LCD  בנוי ממטריצה של פיקסלים שמכילים גביש נוזלי ומשני צידיה של מטריצת הגבישים ישנו מקטב אור אופטי. אלומת האור המוקרנת מצדו האחורי של ה-LCD  עוברת בחלקה את המקטב הראשון וחולפת דרך הגבישים אל עבר המקטב השני. במידה ואלומה מקוטבת זו אינה מושפעת מהגבישים ובמידה והמקטב השני מונח מרחבית באותה אורינטציה של הראשון אזי האלומה תחלוף גם את המקטב השני במלואה ותגיע אל עדשת ההקרנה ומשם אל עבר העין הצופה. במידה ודרייבר החומרה של ה-LCD מפיל מתח חשמלי על אחד הפיקסלים אזי הגביש של פיקסל זה מסובב את קיטוב קרן האור שעובר דרכו בזוית שהינה פונקציה של עוצמת המתח שהוא חש. התוצאה: כמות האור שתחלוף גם את המקטב השני קטנה יותר והינה פונקציה של המתח הלוקאלי על הפיקסל (מתח סיגנל הוידאו) . במילים אחרות, הצופה רואה פילוג עוצמות משתנה במרחב ובזמן, דהיינו סרט וידאו.

ה- LCOS  שונה מה-LCD בראש ובראשונה בכך שאין עליו מקטבים אלא ישנה מראה בחלקו האחורי. אלומת האור המופקת ממנוע התאורה מגיעה אליו לא מאחור אלא מלפנים, חודרת את  הפיקסלים עם הגביש הנוזלי ומוחזרת ע"י המראה. אמנם ל- microdisplay  עצמו אין מקטבים אבל ישנו לפחות מקטב אחד מחוץ לרכיב. הוא נקרא Polarizing beam splitter  והוא מונח בדרכה של אלומת האור אל עבר ה- LCOS  . גם אלומת האור המוחזרת ממשטח ה-LCOS  עוברת את המקטב בדרכה אל עדשת המקרן (המקטב הינו גם מפצל אור), ומכאן שמתקבל שוב האפקט הנ"ל שמתרחש ב-LCD – עם אפנון ה-LCOS ע"י סיגנל הוידאו מגיע פילוג אור משתנה אל העדשה ומתקבל סרט הוידאו.

יתרונו של ה-LCOS  על-פני ה- LCD  הוא בראש ובראשונה בכך שטכניקה זו מאפשרת ייצור הרכיב בדרך דומה לייצור רכיבי סיליקון ובכך מאפשרת מיזעור והוזלה משמעותיים. בנוסף מאפשר חוסר המקטבים להפיל על ה-LCOS עוצמת תאורה גבוהה ללא גרימת נזק לרכיב.

גם כאן משתמשים בשתי טכניקות עיקריות להפקת וידאו צבעוני:

  • טכניקתfusion  של שלושה רכיבי LCOS –  בדומה למתואר למעלה עם ה-DMD  .
  • מטריצת Bayer –  הטכניקה הנפוצה בחיישני תמונה LCD  ו- CMOS  . כל פיקסל מורכב מארבעה תתי פיקסלים אשר מודבקים אליהם מסנני צבע RGB  .
  • שימוש בתאורת LED -ים  –  כל פרים מואר מחזורית שלוש פעמים בצבעי היסוד באמצעות LED –ים צבעוניים. פתרון זה שימושי בעינית אלקטרונית.

הערה:  כפי שראינו ה-  LCD/LCOS  הקונבנציונליים מאפננים את האור באפנון אנלוגי, להבדיל מזה הבינרי של ה-DMD  , אולם ישנו סוג שלLCOS  שנקרא FLCOS אשר גם הוא מאפנן את האור באפן בינרי.

 

יתרונות וחסרונות

יתרונו העיקרי של ה- DMD  על-פני ה- LCOS  הוא בכך שאלומת האור עוברת דרך מראות בלבד ומכאן שנצילות האור גבוה יותר. לעומת זאת האפנון האנלוגי של ה-LCOS  הקונבנציונלי מספק תמונה טבעית יותר וכתוצאה מכך במידה ומכוונים מצלמה אל מוצא המקרן (כפי שנעשה בסימולטורים) ולא עין אדם, אזי אם הליבה מבוססת LCOS התמונה המוקרנת על מוניטור המצלמה אינה מהבהבת כפי שקורה עם ליבה שלDMD .

 

מעונין בפיתוח מערכת וידאו….?

   צור קשר!

 

ראה גם ….

פיתוח כרטיסי CPU ותקשורת

סוגי מצלמות תרמיות