【开发故事】DLP投影仪：坚持20年不放弃的男人

clark

【开发故事】DLP投影仪：坚持20年不放弃的男人 [复制链接]

 

不多的文章，与大家分享下：你有你的开发故事么？

 

美国德克萨斯州最大的城市达拉斯。在这个有着牧牛和牛仔历史的城市里，一项技术宣告诞生。这项技术在很长时间里“养在深闺人未识”，甚至一度处于行将消亡的境地。然而，凭借一个男人长年累月的苦斗，成就了时至今日的一项无人不晓的核心技术。这个男人无论如何也不肯放弃的技术就是采用微镜的“DLP（Digital Light Processing）”光学技术。

 

 

从在美国大受欢迎的大屏幕背投电视、小到可放在手掌上的前投式投影机、以及美国好莱坞的电影公司开始全力以赴的数字电影……。近年来轰动显示器业界的这些产品、及其应用所不可或缺的关键技术。这就是“DLP（Digital Light Processing，数字光处理）”。

DLP是一种利用了微镜对光的反射原理的光学技术。开发出该技术的是美国德州仪器（Texas Instruments，TI），但目前采用DLP的企业却涵盖了各行各业。配备DLP的背投电视的机型数迄今为止达到50多种，占前投式投影机总体40％的机型采用了DLP。而且采用DLP的机型还呈增长趋势。

在这一市场人气的影响下，TI生产和销售的DLP元器件的累计供货量迅速增长。1996年～2001年的6年间仅供货100万件，但随后的2年内就供货200万件。接下来的200万件供货只用了短短的8个月。目前，供货量仍在不断提高。

支撑着供货量持续增长的DLP核心部件，是名为DMD（Digital Micromirrordevice）的芯片。这是利用硅的微加工（Micro Machining）技术，在半导体芯片上制作可动的微镜而形成的。在LSI上设置可动部件的崭新思路，成了催生新产品及应用的原动力。

完成DMD开发的核心人物，是TI的Larry J. Hornbeck。从着手开发到首批产品问世，共花了20年……。在此期间，他从未放弃，为了DMD实现产品化呕心沥血。Hornbeck的这项业绩受到高度评价，他获得了目前在TI的研究人员中相当于最高评价的“Fellow”称号。

在TI，他已是无人不晓的人物。之所以这样说，是因为想必今天他也还是穿着心爱的牛仔靴，咚咚作响地走在研究部门之间，不停地对开发工作下达指示……。

“Larry”。TI的同事以及下属带着亲密和尊敬之意这样称呼他。说起来，Larry开始着手这种新型光学元件开发的契机，要追溯到距今大约30年前。

clark

发端是光信号处理

“如果让微镜动起来会怎样？”

“哎呀，那样一来特性会变得不稳定”

“而且，使微镜变成可动时，怎样才能提高动作的稳定性呢？” 　　

1977年11月，美国德克萨斯州达拉斯近郊。TI的中央研究所“CRL（Central Research Laboratory）”就坐落在这个城市的一角。3个男人正聚在一起，无休无止地热烈讨论着什么。 　　

这3人都是TI的技术人员。而且还是美国政府资助的用于光信息处理的空间光调制器开发项目的成员。 　　

当时，作为信息处理系统中的图形识别等实现高速化的一种方法，利用光的处理方法受到了关注。要想实现这种光信息处理，可使光的通路任意变化的元器件就不可或缺。TI派了3名精通光学技术的人员开发空间光调制器用元件。其中1名就是Larry。 　　

Larry于1974年大学毕业后，在CRL从事照相机用CCD型固体摄像元件的研究开发。他作为“图像传感器等光学技术的专家”，参与到了该项目中。

clark

DLP的核心技术——DMD的工作原理

美国德州仪器（Texas Instruments，TI）开发的光学技术DLP，利用了通过MEMS技术制造的显示器元件“DMD（Digital Micromirror Device）”。DMD采用在硅底板上排列大量极小的微镜的构造。通过用电控制这种微镜的朝向，来决定是否将来自光源的光反射到屏幕方向（图A-1）。

微镜以设在微镜下部的铰链作为轴，倾斜±12度（第1代产品为±10度）。微镜的倾斜开关控制借助静电引力来实现。这种开关动作控制可达到1秒钟最多数千次。虽然微镜的尺寸没有公布，但在SVGA尺寸下有48万个微镜密布在CMOS芯片上，在SXGA尺寸下则有131万个微镜密布在CMOS芯片上。每个微镜相当于1个像素。开发之初的像素数约为16×16或者128×128。

clark

能耐受数亿次的开关动作

　　DMD通过PWM（Pulse Width Modulation）的双值脉冲宽度调制，将数字信号的输入数据转换成光的数字输出后再予以使用。受到PWM控制的“1”“0”数字数据（Digital Data）通过微镜的“开”“关”来表示。通过调整微镜的开/关次数来表示浓淡。在微镜处于关状态时入射的光，被光吸收板所吸收。相反，处于开状态时的入射光则被透镜收集并投影。

　　在微镜的下部，有使微镜一端接地的接地（Landing）部件以及电极。电极下部的硅底板上形成有SRAM。工作原理是，通过在这种SRAM中写入“0”或者“1”，来切换与微镜之间的静电引力。

　　开关动作方面，微镜可承受数亿次的重复动作。TI透露，之所以能实现这样的动作，“是因为微镜的开关所采用的铰链材料单晶硅不会产生金属疲劳”。

　　之所以能实现彩色显示，是因为来自光源的光是通过R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）的色轮（Color Wheel，滤光器）入射到DMD中的。在单板式DMD系统中，反射到微镜上的光透过透镜投影到屏幕上。如果是大型投影机以及数字电影等，则对每个RGB分配1个DMD。即采用3板式。

tx_xy

真的很佩服这些前辈 。。。
俺现在搞DLP都还一头雾水 。。。

soso

嘿嘿 你也可以一头扎进多少年嘛 到时我给你写文章

tx_xy

原帖由 soso 于 2010-6-23 09:11 发表 嘿嘿 你也可以一头扎进多少年嘛 到时我给你写文章

啊哦 。。。
俺说的搞DLP 是用DLP 。。。
到做DLP的距离  估计得以光年为单位进行衡量 。。。

clark

Larry最初的工作，是制作有机械构造的微镜阵列。这种微镜阵列是将金属覆膜的薄塑料板载于硅制芯片上而成。这是Larry自己的创意。他们首先试制出了用锑对硝酸纤维素（Nitrocellulose）进行覆膜的微镜。

 

可变形的微镜器件 　　

 

这种微镜阵列的构造非常复杂。首先，为了使微镜可动，用等离子蚀刻在微镜下部设置了空间。接着，在空间的底部设置晶体管以及电容器，通过调整静电引力使微镜发生凹陷。通过微镜的这种变形，使入射的光发生散射。 　　

 

由于微镜会变形（Deform），因此，Larry等人将这种构造命名为“Deformable Mirror Device（DMD）”。当时做梦也没想到，DMD居然会成为将来显示设备的核心技术。

 

“能用于打印机吗？”

 

 研究进展顺利。在开发起步2年后的1979年，Larry等试制出了纵16×横16的微镜阵列，2年之后的1981年，又试制出了128×128像素的微镜阵列。虽然当时的定位是用于光信息处理的器件，但为了演示微镜的可控性，他们使像素凹陷或者不凹陷，从而在阵列上显示出了简单的图形。 　　

 

也就是在那个时候，Larry的同事W. Ed Nelson问了这样一个问题。 　　

 

“这种DMD，不知是否可用在激光打印机内部扫描的光学系统上？” 　　

 

的确，仔细想来，DMD能够使光的行进方向任意变化。将其应用于扫描的想法也许可行。如果能取代现有的激光式扫描头，那么应该能开拓出一个巨大的市场。虽然Larry此前并没有强烈意识到可将DMD应用于新的用途，但同事的一句话却一下子引起了他的兴趣。 　　

 

“有意思……。做做试试看吧。” 　　

 

从那以后，研究方向不再只是面向光信息处理，而是大幅转向了打印机的扫描头。对DMD的要求条件也变得截然不同。在反复进行各种特性评估的过程中Larry和他的同事发现，使塑料薄膜发生弯曲的这种构造非常不稳定，并得出了工作寿命等存在问题，不适合在打印机上使用的结论。他们发现，尤其在制作应用于激光打印机时的那种纵横比较高的微镜元件时，会变得更加困难。 　　

 

“这种构造不可行。必须采用新的构造……” 　　

 

Larry尝试了多种构造，还改良了制造工艺。终于，他找到了在单晶硅上构成单支撑悬臂的方法。通过在这种悬臂的制造工艺上下工夫，1984年成功试制出了2400×1像素的直线型微镜阵列。这是向打印机目标又走近了一步的瞬间。

 

“再给我些资金”

“哎，Larry。用这种微镜显示点什么的话应该有点意思。”

“当然了，你看看这个。” 　　

Larry这样说着，将微镜阵列拿给同事看。 　　

微镜阵列上赫然显示着：“Send More Money George” 　　

 

这是Larry等向公司领导层要求更多开发资金的呼声。他们的项目虽然从起步已过了7年，但仍未找到具体的用途。研发资金存在因此而被中断的危险。 　　

 

这可是好不容易才开发出来的DMD。曾有一时，让人感到了DMD能够用于打印机的希望。然而，却不够完善。随着时间的流逝，悬臂的角度会出现微妙的变化。由此带来的稳定性问题怎么都没能解决。研发预算也被削减，研究方向也是乌云笼罩。总之，Larry的研发到了生死的关头。

clark

会变形的微镜器件。美国德州仪器的Larry J. Hornbeck开始着手在LSI上将其变成现实。 如果得以实现，便可应用于打印机及投影仪等多个领域。 然而，由于是全新器件的开发，开发工作并没有如人所愿地取得进展。在投产无望的情况下，10年的时光转眼逝去。 　　

 

“不会是原本这个思路本身就行不通吧……” 　　

 

采用可动的微镜来控制光的行进方向的器件。用电来控制微镜的角度，并将其应用到打印机上，这是在美国德州仪器（Texas Instruments，TI）进行微镜器件研究的Larry J.Hornbeck的目标。 　　

 

Larry精通光学技术。TI公司内优秀的技术人员也是人才济济。另外还有出色的半导体工艺技术。在当时，有划时代的元器件面世……是理所应当的。

 

为了获得将微镜器件改为单支撑悬臂式的新创意，Larry J. Hornbeck一直在孜孜以求。　　

 

然而，世上没有那么容易的事。Larry当时寄予厚望的单支撑悬臂式微镜器件，要保持微镜角度的稳定性非常困难。 　　

 

除此之外，各种难题也层出不穷。Larry发现，作为可动单支撑悬臂与支架体的连接部件的铰链太硬，不实用。当时要求的是既薄又容易变形的铰链。否则就不能高速且任意地改变微镜的角度。 　　

 

Larry为了实现新的单支撑悬臂构造而导入了新的工艺技术，想方设法制造出了前所未有的又薄又软的铰链。 　　

 

然而，这反过来却使微镜的动作变得不稳定，Larry等陷入了困境。

 

第10个年头的结论 　　

 

“应该怎么办……。说不定，我们面对的是异乎寻常的难题……” 　　

 

沉闷的气氛笼罩着Larry等开发人员。无数次的失败，无数次的挫折……真可谓是走投无路。 　　

 

尽管如此，为了找到解决问题的突破口，以Larry为首的研究人员依然没日没夜地埋头进行研究。然而，他们总也无法使单支撑悬臂倾斜振摆的均一性达到所要求范围。 　　

 

“是铰链材料的问题，还是铰链的构造不可行？” 　　

 

铰链还存在另一个问题。即时序变化带来的影响。每过一段时间，单支撑悬臂的角度都会歪斜一点。不单是受到时间的影响，还受到了温度等环境变化的影响。当时的情况是，测定的次数越多，特性差异也就越大。 　　

 

“单支撑悬臂也许行不通” 　　

 

研究团队最后达成了一个结论：“放弃单支撑悬臂式微镜器件研究”。时间是在1987年，自开始微镜器件研究之日算起正好是第10个年头。

 

停止研究吗？

clark

 

在单支撑悬臂式微镜器件中，微镜的4个角中的1个与底板相连接，以这一部分作为支架体，微镜在静电引力作用下向下倾斜。

 

在达成停止单支撑悬臂式微镜器件研究的结论的同时，Larry不得不做出一个更大的选择。这就是自1977年起德州仪器中央研究所（Central Research Laboratories）推进的微镜器件研究开发。是坚决果断地放弃这项研发，还是再次构思新的构造，并发起又一次挑战呢？既然已经决定停止研究被认为是最适合于微镜器件构造的单支撑悬臂式微镜器件，那么就不得不考虑停止微镜器件的研究。 　　

 

不管怎么说，研究已经进行了10年，却毫无能够投产的迹象。研究遇到了一面无法逾越的墙壁。“干净利索地停止开发？”。这样的想法在Larry的头脑中出现了又消失，消失了又出现。可是，好不容易走到了今天这一步，可能的话还是希望继续进行下去。或许这是一个制造出前所未有的划时代的器件的机会。……这肯定是一个不常见的机会，是千载难逢的良机。相信自己的感觉！所以，如果现在就此放弃的话，将来绝对会后悔的。既然如此，干脆一不做二不休，直到公司叫停这项研究为止。 　　

 

Larry用上了能想到的所有点子，投入到新的微镜器件构造的研发工作中。哪怕是稍微有一点可能的方案，只要发现了就着手进行一番研发。当时的状况可真像着了魔一样。 　　

 

突然有一天，一个创意突然来临了。应该说这个创意使得频临绝境的研究见到了光明。1987年年底，Larry构思出了全新概念的器件构造。

 

从模拟式到数字式

clark

当时，一个概念浮上Larry的脑海。那是一个完全改变支撑微镜构造的想法。在此前研究的单支撑悬臂式微镜器件中，采用了在1个部位支撑微镜的构造。而新的构造是，取而代之的是在对角线上配备铰链，以铰链为轴心的弯曲（倾斜）横梁。该横梁弯曲到触及下部底板上配置的电极座。 　　

 

Larry根据这个创意马上试制出了器件。这种构造与以往开发的产品截然不同。此前是以模拟方式使微镜的角度产生微妙变化，此次则是其上载有微镜器件的横梁先发生倾斜，然后吸附到位于下方底板上的电极座上。或者是吸附于底板的状态，或者是离开的状态。只有这两种状态。

 

“这不是数字式的吗？” 　　

 

或者吸附，或者不吸附。可以0和1来表示。这是一个从模拟方式改变角度向以数字式改变的巨大转变。 　　

 

横梁倾斜的角度，取决于电极座与横梁之间的空间距离以及横梁的大小。其倾斜的方向，可通过向配置在对角线上的成对地址电极的哪一方外加电压来进行选择。在此次试制的构造中，在地址电极的下部设置了内存单元，可通过对该单元的控制来控制横梁的倾斜方向。另外通过对横梁外加偏置电压，即使外加在地址电极上的电压很微小，也能大大改变横梁的倾斜角度。 　　

 

“这能行得通。” 　　

 

Larry决定正式着手开发这种构造。 　　

 

新构造的优越之处是可解决一直困扰Larry的各种问题。