Elaborare il segnale luminoso con il Digital Light Processing

Il Digital Light Processing o Dlp è una metodologia di elaborazione digitale del segnale luminoso che Texas Instruments ha sviluppato dopo l’invenzione, nel 1987 da parte del fisico dello stato solido Larry Hornbeck del Digital Micromirror Device o Dmd, un chip in tecnologica Moems (Micro Optical Electro Mechanical Systems) definibile come “specchio microdeformabile”. Il principio base del Dmd che ha consentito a Texas Instruments di mettere a punto la tecnologia microelettronica denominata Dlp è la realizzazione di una superficie riflettente realizzata tramite la composizione di milioni di microspecchi singolarmente controllabili nella loro inclinazione, quindi capaci nell’insieme di conferire qualsiasi forma alla superficie totale dello specchio con un completo controllo digitale. Poiché ogni microspecchio è l’equivalente di un pixel di un’immagine digitale e la quantità di microspecchi è dell’ordine delle decine di milioni, la precisione di elaborazione è elevatissima e di conseguenza la qualità di produzione delle immagini è altrettanto elevata.

Il chip Dlp di Texas Instruments rilasciato in volumi nel 2004 e successivamente in versione miniaturizzata (Dlp Pico) nel 2009, fino alla recente presentazione nel 2014 del chipset Dlp Trp, è un commutatore di luce allo stato solido estremamente sofisticato, costituito da una matrice rettangolare di specchi microscopici (fino a 8,8 milioni) singolarmente montati a cerniera. Ogni microspecchio ha le dimensioni dell’ordine di un cinquantesimo delle dimensioni di un capello ed è controllabile in termini di rotazione di ±10-12 gradi 5000 volte al secondo, potendo quindi controllare in maniera molto fine (10 bit di precisione, 1024 livelli di grigio) la riflessione del singolo punto (pixel) luminoso da uno stato di spento (off) a uno stato di massima luminosità (on). Per produrre i vari gradi di grigio, dal bianco al nero, il microspecchio viene rapidamente ruotato dalla posizione off a quella on e il grado di grigio prodotto dalla proiezione di tale specchio è determinato dal rapporto tra il tempo di permanenza nello stato on e il tempo di permanenza nello stato off. Il controllo dei microspecchi avviene sulla base del bitstream dell’immagine da proiettare che viene fornito all’ingresso del chip. Questo bitstream viene rapidamente elaborato per poter essere applicato alla matrice di microspecchi per ottenere il pieno controllo della riproduzione dell’immagine in termini di colore, brillantezza e nitidezza. Il processing completo di uno stream di bit (frame di immagine) viene completato in solo 16 microsecondi. Nella posizione off il raggio di luce relativo al pixel viene diretto verso un assorbitore di luce, determinando in tal modo il nero assoluto. L’immagine a colori viene ottenuta utilizzando una sorgente di luce bianca che viene fatta passare attraverso un filtro di colori (disco Rgb) che fa arrivare ai microspecchi la luce in modo che questi proiettino verso lo schermo raggi di luce colorati alternativamente come R, G , B dell’intensità prevista per lo specifico pixel. Il mix dei colori R, G, B viene determinato dalla rapida sovrapposizione temporale di questi. In questo modo si riescono ad ottenere fino a 16,7 milioni di colori. Utilizzando un disco dotato di una quantità maggiore di colori fondamentali è possibile ottenere variazioni di colore estremamente realistici.

Nel 2015 Texas Instruments ha rilasciato il Dlp9000X, il chipset con elevata velocità e risoluzione per applicazioni di stampa 3D e litografia. Il chipset, è costituito dal dispositivo a microspecchi digitali Dlp9000X e dal nuovo controller DlpC910. Applicazioni del Dlp9000X riguardano la stampa 3D, la litografia a incisione diretta, la marcatura laser, la riparazione di Lcd/Oled, i sistemi computer-to-plate (incisione di lastre da stampa direttamente da Pc), i sistemi di visione in 3D e la spettroscopia a immagini. I vantaggi della tecnica di visualizzazione delle immagini e del video con la tecnica Dlp basata sui dispositivi Dmd sono molteplici. Prima di tutto il completo controllo digitale e allo stato solido del processo di elaborazione della luce è fondamentale per le applicazioni embedded, soprattutto relativamente ai requisiti di miniaturizzazione e di affidabilità. Un altro importante vantaggio sta nelle superiore qualità di riproduzione dell’immagine, sia dal punto di vista della naturalezza, sia dal punto di vista della qualità. Ogni singolo specchio è in grado di controllare un numero di variazioni di scala di grigio pari alla potenza di 2 del numero di bit associato al pixel. Ciò significa che con 8 bit di quantizzazione del pixel si ottengono 256 livelli di grigio che, applicati ai tre colori Rgb, producono 2563 = 16.7 milioni di variazioni di colore. I microspecchi, oltre che di piccolissima dimensione, sono anche molto vicini tra loro, cioè a una distanza di 1 micron. Ciò consente di ottenere una copertura della superficie riflettente al 90% (contro il 70% dei sistemi Lcd), eliminando in tal modo l’effetto pixelation.

Dal micro Dlp al pico Dlp
Dopo il rilascio da parte di Texas Instruments della tecnologia Dmd nei dispositivi Dlp come circuiti integrati in tecnologia Moems, vi è stato un ulteriore avanzamento in termini miniaturizzazione con la recente realizzazione dei picoDlp. La riduzione delle dimensioni del chip Dlp di un notevole fattore di scala, ha aperto nuove aree applicative del Digital Light Processing, soprattutto nel campo dei dispositivi portatili e di quelli indossabili. Oltre a poter realizzare dispositivi di proiezione di piccolissime dimensioni (un volume dell’ordine dei 3 cc e uno spessore inferiore ai 6 mm), il picoDlp risulta facilmente integrabile in dispositivi portatili come gli smartphone (per disporre di una capacità di visualizzazione simile o superiore a quella dei display desktop) o in dispositivi indossabili come per esempio gli smartglass per ottenere un’interfaccia uomo-macchina integrata e naturale. Le dimensioni del pixel sono state ulteriormente ridotte a 5.4 micron e l’angolo di rotazione è stato portato a 17 gradi. Questo avanzamento tecnologico è risultato particolarmente significativo nelle applicazioni di natura embedded e ultra embedded in termini di elevata risoluzione, bassissimo consumo di potenza e di capacità di elaborazione dell’immagine on-chip. Nel 2014 Texas Instruments ha presentato la nuova classe di chip Dlp Pico basata su un’innovazione della tecnologia Dlp denominata Dlp Trp. Il chipset consiste del chip Dmd, del chip controller e del chip Pmic/Led driver. Il chip controller e il chip Pmic sono molto piccoli (rispettivamente 7 x 7 mm e 3,4 x 3,2 mm).

Molteplici applicazioni Dlp
Le applicazioni della tecnologia del Digital Light Processing che vanno oltre l’applicazione nativa della visualizzazione di immagini ad altissima qualità e definizione, sono molteplici. Grazie al controllo digitale e alla possibilità di utilizzare sorgenti di luce di qualsiasi tipo, in accordo con le necessità dell’applicazione. In ambito automotive un applicazione innovativa è l’Head Up Display, cioè la visualizzazione di informazioni di guida e di navigazione nella stessa direzione della visione del guidatore, quindi senza deviazioni di attenzione rispetto alla visione primaria, quella della scena frontale. Il sistema di visualizzazione proietta direttamente sul vetro parabrezza fontale in modo da ottenere la sovrapposizione della scena stradale reale con la scena virtuale (dati, immagini, testo, ecc.) relativa all’applicazione di supporto alla guida. Un’altra applicazione innovativa è quella della virtualizzazione delle superfici per applicazioni di interazione tra uomo, sistemi e ambienti. Si tratta delle superfici interattive, un campo applicativo caratterizzato da un’enorme potenzialità applicativa se si considera che qualsiasi tipo di superficie può essere adattata a tale scopo. Un campo applicativo particolarmente importante della virtualizzazione delle superfici è quello della domotica e dello smart home. La visione automatica 3D è possibile grazie alla possibilità di gestire la luce strutturata in maniera programmabile tramite i dispositivi Dlp. Con tale metodo è possibile proiettare una serie di pattern su un oggetto target mentre un sensore rileva le distorsioni dei pattern conseguenti alla non uniformità delle superfici. Uno dei principali vantaggi di questa metodologia è la non invasività in quanto non vi è contatto con la superficie e la semplicità implementativa in quanto meno complessi dei sistemi di scansione laser. La spettrometria è un altro campo applicativo con illimitate possibilità e allo stesso tempo semplicità ed economicità implementativa. Data la miniaturizzazione ottenuta con i dispositivi PicoDlp, è possibile integrare in dispositivi palmari, come ad esempio gli smartphone, applicazioni che consentono di eseguire l’analisi di sostanze solide e liquide in contesti non di laboratorio, per esempio in campo oppure in contesti consumer, per monitorare o ispezionare lo stato di qualità dei cibi (per esempio valutare il grado di qualità di un olio indipendente dalla qualità dichiarata dal produttore).

Applicazioni medicali innovative possono essere basate sulla tecnologia Dlp, sia innovando e migliorando metodologie e sistemi esistenti, sia implementando nuove modalità di indagine e di cura. La visualizzazione sulla pelle del pattern venoso di un paziente è un’utile applicazione che consente a un operatore sanitario di sapere esattamente la posizione di una vena e di seguire con continuità un processo di iniezione endovenosa. Lo strumento, basato sul Dlp, proietta sulla pelle una luce prossima all’infrarosso, il sangue l’assorbe e le pareti delle vene la riflettono. Tale riflessione viene catturata da un sensore e riproiettata come immagine sulla pelle, creando una perfetta mappatura della morfologia delle vene. Un’altra applicazione medicale riguarda la cura tramite esposizione alla luce ultravioletto della pelle. Si tratta della fototerapia, una prassi di cura medica consolidata nella cura della psoriasi. La tecnologia Dlp, grazie alla sua precisione, consente di proiettare con la precisione dei microscopici la luce ultravioletta sotto forma di pixel solo sul punto della pelle da curare, non esponendo al potenziale effetto cancerogeno le parti sane della pelle. Le posizione delle lesioni viene individuata tramite la proiezione di luce bianca sulla pelle e la successiva cattura tramite sensore ottico ed elaborazione dell’immagine per la ricerca dei contorni delle lesioni. Tali informazioni servono per creare una mappa di proiezione della luce ultravioletta sulle lesioni con un errore di sovrapposizione estremamente piccolo (i pixel sulla pelle sono dell’ordine del decimo di millimetro per lato). Oltre alla precisione di irraggiamento è possibile controllare l’intensità dell’irraggiamento. Un sistema di questo tipo è Skintrek di Lumedtec, uno strumento per la fototerapia della pelle basato su un dispositivo a microspecchi Dlp.

Pubblica i tuoi commenti