Mikrospiegelaktor (DMD) und der Einsatz in der Bühnentechnik

Digital Micromirror Device (Mikrospiegelaktor) in Projektoren sind vorteilhafter gegenüber mechanischen Systemen. Der Beitrag beschreibt die Funktionselemente eines solchen Systems.

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Die Möglichkeit, Parameter wie Helligkeit, Farbe und Lichtverteilung eines Beleuchtungskörpers zu variieren, ist in vielen Anwendungen durchaus sinnvoll. Denn sie erlaubt völlig neue Funktionalitäten und kann Szenen abhängig von bestimmten Aktivitäten durch dynamische Effekte aufwerten. Als ein zentrales Bauteil von DLP-Chipsätzen, dem Digital Light Processing, ist es mit den Digital Micromirror Devices (DMD, Mikrospiegelaktor) möglich, Licht in Anwendungen wie digitalen Kinos oder Projektionen bei Großveranstaltungen zu steuern und auszurichten. Möglich ist das nicht nur bei großen Projektoren, sondern auch bei tragbaren oder eingebauten Projektoren. Solche Systeme sind oft mit LEDs bestückt.

Damit ein Entwickler einen Eindruck von den Möglichkeiten beim Einsatz von LEDs zusammen mit DLP-Chipsätzen bekommt, beschreibt der nachfolgende Text eine Architektur, welche die DMDs für die Bühnenbeleuchtung nutzt. Sie beruht auf der DLP-Technik von Texas Instruments und dient der Projektion mithilfe mehrerer kleiner, gebündelter Lichtquellen. Abgesehen von LEDs kommt die Lösung auch für andere Beleuchtungs-Anwendungen auf der Basis von Lasern oder Laser und Phosphor zum Einsatz. Zudem lässt sich das Konzept auf geringere Helligkeit skalieren – mit einem kleineren DMD, einer einfacheren Optik und niedrigeren Kosten.

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Die Mikrospiegel und wie sie funktionieren

DLP ist eine auf MEMS (Micro Electro-Mechanical System) basierende Technik, die Licht mithilfe eines DMD moduliert. Jedes DMD kann aus Millionen unabhängiger Spiegel bestehen, die in der Diagonale nur wenige Mikrometer messen und jeweils einem oder mehreren Pixeln eines Bildes entsprechen. Die Mikrospiegel lassen sich sehr schnell zwischen den beiden Zuständen ein und aus wechseln, um ankommendes Licht zu steuern und umzuleiten. Aufgrund ihrer geringen Größe können die Mikrospiegel in wenigen Mikrosekunden zwischen beiden Zuständen umschalten.

Bild 1 zeigt ein DMD, dessen Mikrospiegel sich einzeln ansteuern lassen. Das DMD nutzt die Mikrospiegel, um zu kontrollieren, wann und wo Licht auf eine Projektionsfläche fällt. Viele DLP-basierte Systeme enthalten nur ein einziges DMD, welches das Licht steuert. Nutzt ein Entwickler einen DMD, um Farbe ständig darzustellen, erleichtert das Systemdesign im Vergleich mit einem mehrfarbigen System. Ein einzelnes DMD kann auch mehrfarbige Bilder und Videos darstellen, wenn das System ein Farbelement enthält, das aus unabhängigen roten, grünen und blauen Lichtquellen oder einem rotierenden Farbrad bestehen kann.

Die Mikrospiegel in einem DMD sind so schnell, dass sehr kurze Blitze aus farbigem Licht auf die einzelnen Pixel der Projektionsfläche fallen. Unsere Augen setzen diese kurzen Lichtblitze so zusammen, dass wir Bilder oder Videos in brillanten Farben erkennen. Großen Erfolg verzeichnet die DLP-Technik in Kinos: Mehr als 80% der digitalen Filmtheater weltweit sind mit DLP ausgestattet. Abgesehen von Kinos, dem Ausbildungssektor und Beamern für den Hausgebrauch, kommt die DLP-Technik noch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen in Frage: Head-up-Displays in Autos, Lithografie, Spektrografie und 3D-Druck.

DLP-Technik in der Bühnenbeleuchtung

Bühnenbeleuchtungen werden schon seit einiger Zeit dafür benutzt, bei Live-Auftritten oder Konzerten den visuellen Eindruck für die Zuschauer zu verbessern. In der Tat lässt sich mit der richtigen Beleuchtungstechnik die Stimmung eines Akteurs auf der Bühne visuell hervorheben. Darüber hinaus sind weitere visuelle Effekte realisierbar. Auch aktuelle Systeme können bereits eine Vielzahl von Mustern und Farben darstellen, doch die genaue Anzahl hängt davon ab, wie viele Gobos (Graphical Optical Blackout) das einzelne System speichern kann.

Anstatt eines Gobo-Filters, der Muster erzeugt, kann ein auf der DLP-Technik basierendes Bühnenbeleuchtungs-System ein DMD zur dynamischen Erzeugung von Bildern und Mustern verwenden. Der Ersatz der traditionellen Gobo-Filter durch ein DMD eröffnet den Produzenten eröffnet eine große Auswahl an ein- oder mehrfarbiger Muster und Videos, womit sich visuelle Effekte darstellen lassen. Da zur Darstellung des neuen Bildes keinerlei weitere mechanische Bauteile benötigt werden, kann ein DLP-basiertes System während eines Auftritts oder einer Show unbegrenzt viele Bilder wiedergeben.

Die Konstruktion eines Systems für die Bühnenbeleuchtung mit der DLP-Technik hat noch einen weiteren Vorteil: Die mechanischen Bauteile zum Wechsel der Gobos während eines Auftritts entfallen. Soll ein herkömmliches System ein neues Muster darstellen, muss ein neues Gobo zwischen Lichtquelle und Projektionsoptik platziert werden. Notwendig ist hierfür ein Rotationswechsler oder eine andere mechanische Vorrichtung, die für den Wechsel mehrere Sekunden benötigen kann. Die DMDs punkten mit ihrer hohen Geschwindigkeit und ihrer Programmierbarkeit. Sie kommen ohne ohne mechanische Komponenten aus, wenn sie ein neues Bild darstellen. Diese Eigenschaft kann die Abmessungen des Systems ebenso reduzieren wie den Wartungsaufwand und die Reparaturkosten. Obwohl die DLP-Technik in der Bühnenbeleuchtung von Vorteil ist, so lassen sich mit der Gobo-Projektion immer noch hellere Systeme realisieren. Die Tabelle bietet eine Gegenüberstellung grundsätzlicher Eigenschaften von DLP und Gobo-Projektion.

Die Elektronik eines DLP-Systems

Zwar sind DMDs die wesentlichen Bauteile für die DLP-Technik. Allerdings kommen weitere Aspekte hinzu, die von den Entwicklern berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören die zusätzlich erforderlichen elektronischen Bauelemente, der Lichtweg von der Lichtquelle zum DMD und zum Projektionsobjektiv, das Thermomanagement und schließlich die verwendete Lichtquelle. Zur Illustration ist in Bild 2 das Blockschaltbild eines typischen DLP-basierten Systems dargestellt. Die Elektronik eines DLP-Systems lässt sich in vier Hauptkomponenten aufteilen: Frontend-Prozessor, die Leiterplatte (PCB), DMD-Platine und Treiber für die Lichtquelle. Jede Komponente ist entscheidend für die Funktion des gesamten Systems und ist beim Design des Komplettsystems.

Der Frontend-Prozessor wandelt ankommende Bilder oder Videos in ein Format um, das der DLP-Controller verarbeiten kann. Man kann sich hier für einen Prozessor mit zusätzlichen Features wie etwa Bluetooth- oder Wi-Fi-Konnektivität entscheiden. Damit kann der Anwender seine Designs individuell gestalten. Zudem lässt sich der Frontend-Prozessor mit applikationsspezifischer Bildverarbeitungs-Software ausstatten. Die Leiterplatte enthält den DLP-Controller und die notwendige Elektronik, um den Chip anzusteuern. Der DLP-Controller sendet Daten vom Frontend-Prozessor an das DMD in einem für das DMD geeigneten Format.

Für jedes DMD gibt es einen bestimmten digitalen Controller und teilweise ein Power-Management-IC, damit die Leistungsfähigkeit optimiert wird. Die Platine enthält das DMD selbst sowie die gesamte Elektronik, die für seinen Betrieb erforderlich ist. Die DMD-Platine ist an den DLP-Controller auf der Leiterplatte angeschlossen, damit sie Daten entgegennehmen und das gewünschte Bild darstellen kann. Abgesehen davon ist die DMD-Platine Bestandteil der Optikeinheit.

Das Subsystem mit der Beleuchtungs-Elektronik umfasst sämtliche Komponenten, die zum Ansteuern der Lichtquelle benötigt werden. Die Beleuchtungs-Elektronik kann Schnittstellen zum DLP-Controller und zur Leiterplatte enthalten, damit die Stärke des auf das DMD treffenden Lichts für eine bessere Schwarzdarstellung strategisch variiert werden kann. Die Treiberelektronik kann aus Platzgründen auf der Leiterplatte untergebracht werden.

Wenn es auf die eingesetzte Optik ankommt

Obwohl sie in Bild 2 nicht dargestellt ist, stellt die thermische Lösung einen entscheidenden Bestandteil des DLP-basierten Systems dar. Ihre Aufgabe ist es, das DMD innerhalb des empfohlenen Betriebstemperaturbereichs zu halten. Eine effiziente und effektive thermische Lösung verbessert Lebensdauer und Zuverlässigkeit des DMD. Nicht nur das DMD muss gekühlt werden, auch andere ICs verlangen nach Kühlmaßnahmen. Nicht zu vergessen die Lichtquellen wie LEDs.

Die Hersteller optischer Module für DLP-Anwendungen produzieren ganz unterschiedliche Optiken. Sie sind unterschiedlich groß, nutzen verschiedene DMDs und bieten zusammen mit den Lichtquellen ein breites Spektrum von Helligkeiten. Entwickler optischer Systemkomponenten müssen abschätzen, wie viel Helligkeit (Lumen) das Design benötigt, welche Lichtquelle verwendet werden soll, welche Größenrestriktionen es gibt und wie das System insgesamt zu konfigurieren ist. So fügt sich eine flexible Single-Chip-Architektur einfacher in ein System ein. Da die Mikrospiegel extrem kurze Schaltzeiten erreichen, lassen sich mit einem DMD-Chip per Pulsweiten-Modulation sowohl eine Grauskalen-Darstellung und eine sequenzielle Farbwiedergabe realisieren.

Die Vorteile des Digital Light Processing

Lichttechnische Anlagen, die DLP nutzen, eignen sich gut als Ersatz für Gobos auf der Bühne. Lichtszenarien lassen sich dynamisch umprogrammieren, womit verschiedene Lichtmuster möglich sind. Kommt beispielsweise ein SXGA-DMD mit einer Diagonalen von 0,95 Zoll in einem Typ-A-Gehäuse zum Einsatz, lässt sich zusammen mit ausreichender Zwangsbelüftung eine Lichtstärke von 15.000 Lumen erzeugen. Bei lichtschwächeren Systemen können kleinere DMDs und LEDs verwendet werden.

* Zhongyan Sheng ist Entwickler für optische Anwendungen. Brandon Seiser arbeitet in einem interdisziplinären Rotationsprogramm. Beide sind im DLP-Geschäft von Texas Instruments.

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