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为何DLP芯片发明后 历经11年首台DLP投影机才问世?

2022-07-05 芦伟 依马狮视听工场


从1977年TI(美国德州仪器)DMD项目立项,到1987年DLP芯片(也称为DMD芯片)发明成功,历经11年之久。说起来,这个时间已经够漫长的了,按说之后的应用之路应该快些了吧。但事实是,又花费了11年时间,首台DLP芯片投影机才问世,这其中发生了怎样的故事和波折呢?我们今天就来聊一聊。

为何DLP芯片发明后  历经11年首台DLP投影机才问世?

DLP芯片发明后的挑战

1987年11月,耗费TI工程师Larry Hornbeck 11年心血的DMD芯片终于死磕完成,但如果以为这就可以举杯欢庆了,还为时尚早。

这是因为这个芯片只不过证明了可行性,但还不能直接应用于实际产品中。于是,DMD芯片发明人Larry又开始了DMD微镜耐久性以及开关特性等多个项目的评估。

然而,随着评估实验的不断深入,新的问题开始不断涌现出来。如微镜与电极座在接触数百万次后,前端就会刺入电极座。刺入之后,不仅微镜的运动性能变差,还可能变得不可控制。

这只是其中最显著的问题,同时还存在其他各种问题。

Larry 继续发扬死磕精神,经过不懈努力,终于找到了微镜刺入电极座的原因。原来是因为表面产生了范德瓦尔斯力(又叫范德华力,是指存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力)。

找到原因,就成功了一半。不久,Larry就想出了以电方式消除微镜端部与电极座之间吸引力的方法。

具体做法是:通过将电压脉冲外加在横梁上,使横梁发生变形。随后使其释放出能量,横梁便像弹簧一样变软,并脱离接触部位。

采用这种吸力消除技术的DMD微镜阵列,应用到打印机上后效果不错。1988年,DMD打印机试制机制造完成。

机票打印机首秀

试制机的完成证明DMD方案是可行的,接下来就是找到具体应用场景。

经过多次讨论,大家认为航空公司售票处使用的打印机,可能是目前最有需求、最适合应用的领域。因为现有的打印机速度太慢,经常引发排队,而DMD 微镜阵列的应用,则有望大大提高打印 速度。

不久,TI开发团队就设计出了专门面向打印机的840×1像素的DMD 微镜阵列,采用这种DMD的机票打印机可以实现每分钟40张机票的高速打印。 1990年,高速机票打印机成品正式面世。

面向投影机的初探索

除了打印机,面向其他应用的探索也在进行之中,这其中有一项就是投影电视。

灰阶表现对于投影电视精致画面的显示至关重要,而这正是 DMD的专长。DMD 微镜器件是一种数字式的光开关,其功能类似于打开及关闭电灯。如果提高开关速度,则会大大提升灰阶表现。

1990年,TI内部进行了DMD芯片投影电视的初次演示。以目前的眼光来看,这次演示做得相当简陋。当时还没有投影电视专用DMD芯片,用的是打印机用DMD 芯片。在这种芯片上装上可旋转的彩色滤光片,以时分复用方式显示红绿蓝三色,当时只能显示2条直线。

但不久之后,TI就试制出了投影电视用的首款芯片。进而在1991年,又成功试制了2048×1152像素的演示用芯片。

加速DMD应用开拓

1991年12月,为了实现DMD商业化,TI启动了DIVP(Digital Imaging Venture Project )项目,更多资金和人员投入其中,DMD应用开拓开始加速。

DIVP项目的启动,使得DMD在架构、制造工艺、封装及测试方法等许多方面都获得了提升。DMD 的名称也发生了变化,从此前的 “Deformable  Mirror  Device”变成了“ Digital Micromirror Device”。 

开发速度也加快了。1992年5月TI完成了768×576像素DMD的投影电视用器件的实际演示,1993年又完成了HD高清画质的DMD试制。

之后TI 开始寻找DMD投影电视芯片的买家,日本一家著名电视厂商表示出兴趣,TI随即派人赴日进行演示。

心惊胆战的演示

这是一场心惊胆战的演示。虽然现在DMD 能保证10万小时的使用寿命,但当时的试制品使用寿命只有几小时,根据使用条件的不同,甚至只有几分钟。

这是因为一高一下、像跷跷板一样左右倾斜的 DMD 微镜,有时会吸附在一方的底板上无法复位,原因在于铰链的金属疲劳。这样一来,画面就会进入死机状态。由于是刚刚试制出的HD画质DMD ,因此TI还没有足够的时间来改进使用寿命。

为了让DMD微镜的故障不那么明显,TI的演示人员开始频繁地切换场景进行演示。因为切换场景,可以使吸附在底板上的微镜有可能复原。

10分钟后演示结束了,TI紧张地等待着客户的回应,还好听到了肯定地声音,看来频繁切换场景的做法奏效了。

前投式投影机

尽管在日本电视厂商面前进行的演示还算成功,但之后并未带来商业定单,其他电视厂商对DMD也并表现出浓厚兴趣。虽然TI人员有些失落,但还得继续,之后他们将重心转向了前投式投影机。

为何DLP芯片发明后  历经11年首台DLP投影机才问世?

单片DLP引擎成像的光学原理

不久后,TI研发人员就做出了以DMD微镜器件为中心,与驱动用 ASIC 和背照灯及透镜等光学系统组合在一起的前投式投影机参考设计。TI 将这个参考设计称为“Engine”。 

那时,采纳液晶面板的前投式投影机已经开始投放市场。但TI人员认为DMD前投式投影机会更具优势,因为它可以实现比液晶投影机更高的亮度。

为了实现DMD在前投的应用,TI 决定将 “Engine”拿到展会上展出。

1995年,“Electronics Show 95”展会在日本大阪举行,TI的DLP演示机首次向公众亮相,日本普乐士(PLUS)对TI的这个演示表示出了极大的兴趣。

与普乐士(PLUS)结缘

展会上,普乐士(PLUS)对TI展示的“Engine” 非常感兴趣。展会后,双方进行了密切接触。普乐士管理层认为“Engine”是一项非常有前途的技术,决定使用 TI 供应的“ Engine ”来试制前投式投影机。

试制过程中,普乐士发现TI的光学系统还可以进行大幅简化,以往必不可少的棱镜不再需要,透镜也可实现小型化,这可以削减相当大的成本。这会让DLP投影机比液晶投影机更具成本优势。

初期DLP试制机的体积与当时的液晶投影机差不多。为了进一步提升优势,普乐士研发团队采用了自己的光学技术,与TI的DMD进行组合设计。 1997年年初,普乐士将DLP试制机的体积缩小到了原来的一半。

厚度只有10厘米

普乐士开发团队与DMD芯片发明者Larr y Hornbeck一样,都具有死磕精神。
他们想,体积还能不能继续缩小呢?能不能将厚度做到10厘米以下,重量做到10磅以下呢?这个标准对于当时的前投

式投影机来说,简直是像梦幻一般的数字。如果能实现这个目标,反响肯定非同一般。普乐士团队相信,这种尺寸可以做到,他们对自己的小型化技术充满自信。

普乐士定下的目标是在1997年6月完成试制机,为的是在同月美国举行的“Infocomm”展会上展出。此时,距离展会开展只有几个月时间了,开发人员不得不每天加班加点到深夜。

在 Infocomm 展会开幕前几天,开发团队终于完成了2台厚度不足10厘米的DLP投影仪试制机,并带到了展会现场。
人们不敢相信这么小的投影机还能正常工作,参观者蜂拥而至,媒体也进行了大肆报道,许多人表达了想要购买的欲望,希望普乐士赶快投产。

UP-800问世

为了不让竞争对手赶上来,普乐士决定争分夺秒马上投产。

管理层定下的目标是在1997年内投放市场,只有短短的6个月时间,能完成吗?

难度很大!因为试制机与量产机在许多方面截然不同,部件的选用也要重新进行,几乎相当于重新设计。

加班到深夜的工作模式又开启了,经过努力,这个目标在1997年底居然难以置信的实现了。

这是一款型号为UP-800的单片DLP产品,采用800×600像素 SVGA 画质DMD,亮度600流明,重量4.5公斤。这在当时可谓是划时代的产品。

为何DLP芯片发明后  历经11年首台DLP投影机才问世?

1998年2月,普乐士在东京举行了产品发布会上,现场聚集了2000多名观众,大家都是为了一睹厚度不足10厘米的UP-800而来。

此时,距离1987年DLP芯片问世,已过去了11年,DLP投影机终于实现了商业应用。

普乐士的成功,为身为DLP芯片供货方的TI打下了良好的基础。TI由此开始向更多投影机厂商提供DLP,DLP投影机阵营迅速壮大,直至如今占据了80%以上的市场份额。

虽然花费了11年,但看着DLP目前的风头无两,所付出的一切都值了。

DLP 投影机

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