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| DLP投影儀 讓一個(gè)男人堅(jiān)持20年不放棄 |
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DLP是一種利用微鏡對(duì)光的反射原理的光學(xué)技術(shù)。從在美國(guó)大受歡迎的大屏幕背投電視、小到可放在手掌上的前投式投影機(jī)、以及美國(guó)好萊塢的電影公司開(kāi)始全力以赴的數(shù)字電影……近年來(lái)轟動(dòng)顯示器業(yè)界的這些產(chǎn)品、及其應(yīng)用所不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。這就是”DLP（Digital Light Processing”數(shù)字光處理。
開(kāi)發(fā)出該技術(shù)的是美國(guó)德州儀器（Texas Instruments，TI），迄今為止配備DLP的背投電視的機(jī)型數(shù)達(dá)到50多種，占前投式投影機(jī)總體40％的機(jī)型采用了DLP。而且采用DLP的機(jī)型還呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，目前，供貨量仍在不斷提高……
美國(guó)德克薩斯州州府達(dá)拉斯。在從其市區(qū)北上大約30km之處，有一個(gè)叫”布蘭諾（Plano）”的城市。TI的DLP用元器件開(kāi)發(fā)基地就位于此處。
完成DMD開(kāi)發(fā)的核心人物是TI的Larry J. Hornbeck。從著手開(kāi)發(fā)到首批產(chǎn)品問(wèn)世，共花了20年。在此期間，他從未放棄，為了DMD實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化嘔心瀝血。Hornbeck的這項(xiàng)業(yè)績(jī)受到高度評(píng)價(jià)，他獲得了目前在TI的研究人員中相當(dāng)于最高評(píng)價(jià)的”Fellow”稱號(hào)。
DMD開(kāi)發(fā)的核心人物 Larry J. Hornbeck博士
在TI，他已是無(wú)人不曉的人物。之所以這樣說(shuō)，是因?yàn)橄氡亟裉焖策�是穿著心愛(ài)的牛仔靴，咚咚作響地走在研究部門(mén)之間，不停地對(duì)開(kāi)發(fā)工作下達(dá)指示。
“Larry”。TI的同事以及下屬帶著親密和尊敬之意這樣稱呼他。說(shuō)起來(lái)，Larry開(kāi)始著手這種新型光學(xué)元件開(kāi)發(fā)的契機(jī)，要追溯到距今大約30年前。
發(fā)端是光信號(hào)處理
“如果讓微鏡動(dòng)起來(lái)會(huì)怎樣？”
“哎呀，那樣一來(lái)特性會(huì)變得不穩(wěn)定”
“而且，使微鏡變成可動(dòng)時(shí)，怎樣才能提高動(dòng)作的穩(wěn)定性呢？”
1977年11月，美國(guó)德克薩斯州達(dá)拉斯近郊。TI的中央研究所”CRL（Central Research Laboratory）”就坐落在這個(gè)城市的一角。3個(gè)男人正聚在一起，無(wú)休無(wú)止地?zé)崃矣懻撝裁础?br>
這3人都是TI的技術(shù)人員。而且還是美國(guó)政府資助的用于光信息處理的空間光調(diào)制器開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的成員。
當(dāng)時(shí)，作為信息處理系統(tǒng)中的圖形識(shí)別等實(shí)現(xiàn)高速化的一種方法，利用光的處理方法受到了關(guān)注。要想實(shí)現(xiàn)這種光信息處理，可使光的通路任意變化的元器件就不可或缺。TI派了3名精通光學(xué)技術(shù)的人員開(kāi)發(fā)空間光調(diào)制器用元件。其中1名就是Larry。
Larry于1974年大學(xué)畢業(yè)后，在CRL從事照相機(jī)用CCD型固體攝像元件的研究開(kāi)發(fā)。他作為”圖像傳感器等光學(xué)技術(shù)的專家”，參與到了該項(xiàng)目中。
DLP的核心技術(shù)——DMD的工作原理
美國(guó)德州儀器（Texas Instruments，TI）開(kāi)發(fā)的光學(xué)技術(shù)DLP，利用了通過(guò)MEMS技術(shù)制造的顯示器元件”DMD（Digital Micromirror Device）”。DMD采用在硅底板上排列大量極小的微鏡的構(gòu)造。通過(guò)用電控制這種微鏡的朝向，來(lái)決定是否將來(lái)自光源的光反射到屏幕方向。
DMD的構(gòu)造
一邊分別控制無(wú)數(shù)微鏡的傾斜度，一邊改變從光源射入的光的反射方向，借此在屏幕上顯示想要的影像（a）。1981年當(dāng)時(shí)試制的DMD的像素?cái)?shù)為 128×128（b）。中心為微鏡器件（Mirror Device），其周圍連接有許多布線。
微鏡以設(shè)在微鏡下部的鉸鏈作為軸，傾斜±12度（第1代產(chǎn)品為±10度）。微鏡的傾斜開(kāi)關(guān)控制借助靜電引力來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制可達(dá)到1秒鐘最多數(shù)千次。雖然微鏡的尺寸沒(méi)有公布，但在SVGA尺寸下有48萬(wàn)個(gè)微鏡密布在CMOS芯片上，在SXGA尺寸下則有131萬(wàn)個(gè)微鏡密布在CMOS芯片上。每個(gè)微鏡相當(dāng)于1個(gè)像素。開(kāi)發(fā)之初的像素?cái)?shù)約為16×16或者128×128。
能耐受數(shù)億次的開(kāi)關(guān)動(dòng)作
DMD通過(guò)PWM（Pulse Width Modulation）的雙值脈沖寬度調(diào)制，將數(shù)字信號(hào)的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光的數(shù)字輸出后再予以使用。受到PWM控制的”1”“0”數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（Digital Data）通過(guò)微鏡的”開(kāi)”“關(guān)”來(lái)表示。通過(guò)調(diào)整微鏡的開(kāi)/關(guān)次數(shù)來(lái)表示濃淡。在微鏡處于關(guān)狀態(tài)時(shí)入射的光，被光吸收板所吸收。相反，處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)的入射光則被透鏡收集并投影。
在微鏡的下部，有使微鏡一端接地的接地（Landing）部件以及電極。電極下部的硅底板上形成有SRAM。工作原理是，通過(guò)在這種SRAM中寫(xiě)入”0”或者”1”，來(lái)切換與微鏡之間的靜電引力。
開(kāi)關(guān)動(dòng)作方面，微鏡可承受數(shù)億次的重復(fù)動(dòng)作。TI透露，之所以能實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)作，”是因?yàn)槲㈢R的開(kāi)關(guān)所采用的鉸鏈材料單晶硅不會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞”。
之所以能實(shí)現(xiàn)彩色顯示，是因?yàn)閬?lái)自光源的光是通過(guò)R（紅色）、G（綠色）、B（藍(lán)色）的色輪（Color Wheel，濾光器）入射到DMD中的。在單板式DMD系統(tǒng)中，反射到微鏡上的光透過(guò)透鏡投影到屏幕上。如果是大型投影機(jī)以及數(shù)字電影等，則對(duì)每個(gè)RGB 分配1個(gè)DMD。即采用3板式。
Larry最初的工作，是制作有機(jī)械構(gòu)造的微鏡陣列。這種微鏡陣列是將金屬覆膜的薄塑料板載于硅制芯片上而成。這是Larry自己的創(chuàng)意。他們首先試制出了用銻對(duì)硝酸纖維素（Nitrocellulose）進(jìn)行覆膜的微鏡。
可變形的微鏡器件
這種微鏡陣列的構(gòu)造非常復(fù)雜。首先，為了使微鏡可動(dòng)，用等離子蝕刻在微鏡下部設(shè)置了空間。接著，在空間的底部設(shè)置晶體管以及電容器，通過(guò)調(diào)整靜電引力使微鏡發(fā)生凹陷。通過(guò)微鏡的這種變形，使入射的光發(fā)生散射。
由于微鏡會(huì)變形（Deform），因此，Larry等人將這種構(gòu)造命名為”Deformable Mirror Device（DMD）”。當(dāng)時(shí)做夢(mèng)也沒(méi)想到，DMD居然會(huì)成為將來(lái)顯示設(shè)備的核心技術(shù)。
德州儀器2006年推出的DLP芯片
“能用于打印機(jī)嗎？”
研究進(jìn)展順利。在開(kāi)發(fā)起步2年后的1979年，Larry等試制出了縱16×橫16的微鏡陣列，2年之后的1981年，又試制出了128×128像素的微鏡陣列。雖然當(dāng)時(shí)的定位是用于光信息處理的器件，但為了演示微鏡的可控性，他們使像素凹陷或者不凹陷，從而在陣列上顯示出了簡(jiǎn)單的圖形。
也就是在那個(gè)時(shí)候，Larry的同事W. Ed Nelson問(wèn)了這樣一個(gè)問(wèn)題。
“這種DMD，不知是否可用在激光打印機(jī)內(nèi)部掃描的光學(xué)系統(tǒng)上？”
的確，仔細(xì)想來(lái)，DMD能夠使光的行進(jìn)方向任意變化。將其應(yīng)用于掃描的想法也許可行。如果能取代現(xiàn)有的激光式掃描頭，那么應(yīng)該能開(kāi)拓出一個(gè)巨大的市場(chǎng)。雖然Larry此前并沒(méi)有強(qiáng)烈意識(shí)到可將DMD應(yīng)用于新的用途，但同事的一句話卻一下子引起了他的興趣。
“有意思……做做試試看吧�！�
從那以后，研究方向不再只是面向光信息處理，而是大幅轉(zhuǎn)向了打印機(jī)的掃描頭。對(duì)DMD的要求條件也變得截然不同。在反復(fù)進(jìn)行各種特性評(píng)估的過(guò)程中 Larry和他的同事發(fā)現(xiàn)，使塑料薄膜發(fā)生彎曲的這種構(gòu)造非常不穩(wěn)定，并得出了工作壽命等存在問(wèn)題，不適合在打印機(jī)上使用的結(jié)論。他們發(fā)現(xiàn)，尤其在制作應(yīng)用于激光打印機(jī)時(shí)的那種縱橫比較高的微鏡元件時(shí)，會(huì)變得更加困難。
“這種構(gòu)造不可行。必須采用新的構(gòu)造……”
Larry嘗試了多種構(gòu)造，還改良了制造工藝。終于，他找到了在單晶硅上構(gòu)成單支撐懸臂的方法。通過(guò)在這種懸臂的制造工藝上下工夫，1984年成功試制出了2400×1像素的直線型微鏡陣列。這是向打印機(jī)目標(biāo)又走近了一步的瞬間。
“再給我些資金”。
“哎，Larry。用這種微鏡顯示點(diǎn)什么的話應(yīng)該有點(diǎn)意思�！�
“當(dāng)然了，你看看這個(gè)。”
Larry這樣說(shuō)著，將微鏡陣列拿給同事看。
微鏡陣列上赫然顯示著：”Send More Money George”
這是Larry等向公司領(lǐng)導(dǎo)層要求更多開(kāi)發(fā)資金的呼聲。他們的項(xiàng)目雖然從起步已過(guò)了7年，但仍未找到具體的用途。研發(fā)資金存在因此而被中斷的危險(xiǎn)。
這可是好不容易才開(kāi)發(fā)出來(lái)的DMD。曾有一時(shí)，讓人感到了DMD能夠用于打印機(jī)的希望。然而，卻不夠完善。隨著時(shí)間的流逝，懸臂的角度會(huì)出現(xiàn)微妙的變化。由此帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題怎么都沒(méi)能解決。研發(fā)預(yù)算也被削減，研究方向也是烏云籠罩�？傊琇arry的研發(fā)到了生死的關(guān)頭。(未完，待續(xù))
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