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DLP技术差点腹死胎中 幸亏遇到死磕的Larry

2022-07-05 芦伟 依马狮视听工场


2015年2月,手捧着高13.5英寸重8.5磅的奥斯卡小金人,业已白发苍苍、有些秃顶的Larry Hornbeck激动万分。年轻时的死磕,如今得到了至高无上的肯定,值了!

DLP技术差点腹死胎中   幸亏遇到死磕的Larry

Larry Hornbeck是谁?为什么能获得奥斯卡奖?

Larry是数字微镜装置(DMD,或称为DLP芯片)的发明人。而DLP的发明直接推进了全球电影产业从35毫米胶片电影到数字电影的转型。

与传统35毫米胶片电影相比,DLP数字影院投影机所呈现的影像色彩更鲜艳、更精准。这种技术不仅让电影公司在影片的包装和发行上变得更得心应手,同时也让观众能享受到更精彩的视觉盛宴。

目前全球90%以上的影院采用的都是DLP数字影院投影机。奥斯卡小金人的颁发就是对Larry Hornbeck所做贡献的充分肯定。

奥斯卡奖委员会在宣布该奖项时称:“数字微镜装置DMD是促成了DLP影院技术成为电影行业标准的核心技术。”
其实,不只是数字影院投影机,目前全球80%以上的各种投影机采用的都是DLP技术。

DLP技术差点腹死胎中   幸亏遇到死磕的Larry

Larry与DLP的结缘

DLP全称Digital Light Processing,中文意思是数字光学处理技术。

这项技术是由美国德州仪器(TI)公司研发出来的, DLP的核心是DMD芯片。DMD芯片是一种数字微镜装置,通过控制微镜片对光线的偏转来实现显示投影图像的目的。

完成DMD开发的核心人物,是TI的Larry Hornbeck博士。他从1977年着手开发,到1987年发明DMD芯片,共花费了11年。期间遇到无数困难,多次都要进行不下去了,但Larry一根筋,非要死磕,才使得差点腹死胎中的DMD得以出生。

那么Larry是如何与DLP结缘的呢?

上个世纪70年代后期,信息处理系统已经获得相当发展。为了进一步加快信息处理速度,利用光的处理方式受到了人们的关注。但要想实现光信息处理,可以让光的通路实现变化的元器件必不可少。于是在1977年TI成立了用于光信息处理的空间光调制器开发项目小组,Larry有幸成为此项目成员之一。

Larry之所以被选入项目小组,是因为他在图像传感器方面具有丰富研发经验,此前他在TI从事照相机用CCD固体摄像元件的开发。

DMD的由来

项目小组初期的构想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,不久他们就试制出了用锑对硝酸纤维素进行覆膜的微镜。

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。

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16×16像素微镜阵列

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128×128微镜阵列演示,通过黑白两色反转形成花纹


由于微镜会变形,Larry等人将它命名为“ Deformable Mirror Device ( DMD )”。

你可能发现了,这与我们现在熟知的DMD的诠释 “Digital Micromirror Device”并不相同,原因我们后边再说。
初期的研究开发比较顺利,1979年16×16像素的微镜阵列试制成功,两年后,又成功试制出128×128微镜阵列。

研究方向转向打印机

为了演示微镜的可控性,Larry还让像素凹陷或不凹陷,从而在阵列上显示出了简单的图形。
这个现象,激起了Larry一个同事的灵感。

他问Larry,“这种DMD,是否可以用在激光打印机扫描光学系统上呢?”

Larry一想,DMD 能使光的行进方向任意变化,将其用于扫描也许可行。如果能取代现有的激光扫描头,那将是一个巨大的市场。

说干就干,此后Larry所在项目小组的研究方向不再只是面向光信息处理,而是转向了打印机扫描头。

DLP技术差点腹死胎中   幸亏遇到死磕的Larry

单支撑悬臂微镜结构图

遭遇困难

研发方向的变化,使得对DMD的要求条件也变得不同。在评估过程中,Larry和他的同事发现,使塑料薄膜发生弯曲的这种DMD构造非常不稳定,如应用在打印机上,不仅使用寿命短,而且还会出现各种问题。

说白了,就是不能用,所以必须采用新的构造。

经过反复尝试,Larry最终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功夫, 1984年他成功试制出了2400×1像素的直线型微镜阵列。

这回应该能够应用了吧?

但答案是:还不行!

因为悬臂的角度,会随着使用时间的增加出现微妙的变化,而激光打印机要求精度很高,一点点的变化,就会带来使用故障,稳定性问题依然没有获得解决。

困难继续

同时,Larry还发现,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。只有既薄又容易变形的铰链才符合要求,否则就不能高速且任意地改变微镜角度。

 Larry 为了实现新的单支撑悬臂构造导入了新的工艺技术,想方设法制造出了又薄又软的铰链。然而这又使微镜的动作变得不稳定,Larry 等人陷入了困境。

他们虽然继续没日没夜地埋头研究,但总也无法使单支撑悬臂倾斜振的均一性达到所要求范围。

这时,时间已经到了1987年,距离1977年项目立项,已经过去了10年。TI高层正在失去耐心,研发预算大幅削减。

面对迟迟无法突破的研发难题,除Larry之外的项目小组其他成员也渐渐失去了信心,他们想要放弃DMD的研究。 DMD的研发到了生死关头。

放弃?还是坚持?

是放弃?还是坚持?Larry做着激烈的思想斗争。

10年了,人生能有几个10年?放弃就意味着10年时光一无所获,如果再坚持一下,或许一个前所未有划时代的器件就会诞生。

最终Larry决定,继续坚持,死磕自己,直到公司叫停这个项目为止。于是,他又重新投入到DMD微镜器件构造的研发工作中,连吃饭睡觉都想着这事,像着了魔一样。

1987年年底的一天,突然一个此前从未出现的创意在Larry脑海中蹦出。正是这个创意让差点腹死胎中的DMD见到了光明。

这是一个什么创意呢?

新创意的诞生

这是一个完全改变了之前支撑微镜构造的创意。此前研究的单支撑悬臂式微镜器件采用的是在1个部位支撑微镜的构

造。而新的构造是在对角线上配备铰链,以铰链为轴心配有可弯曲的横梁,该横梁可弯曲触及到下部底板上配置的电 极座。

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角度产生微妙变化,此次则是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。

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。与以前开发出的悬臂式微镜器件相比,工作稳定性大幅提高。

Larry 将这个新器件称为双稳定DMD。Larry最初试制的芯片为512×1像素的直线型微镜阵列,这是着眼于在打印机上应用而设计的,目的是为了尽早实现 DMD 的应用。

Larry 采用制成的试制芯片,马上进行各种试验。不仅证实了这种芯片可自由控制明暗,而且还做了打印机的实际演示。

另外,他还首次将红蓝颜色透明塑料板试配在DMD上,成功地显示出了彩色图像,这是划时代的一步,DLP芯片的雏形诞生了。

记住这一刻

请记住这一刻,1987年11月,Larry发明了DLP芯片。此后,风靡世界的投影机DLP之路即将展开。

这时,距离项目开启的1977年,已经过去了11年,距离Larry打算停止研究,不到1年。

“有志者事竟成”,虽然过程艰难,但Larry坚持住了, DLP历史上永远留下了Larry的名字。

DLP

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