如今，從大屏幕背投拼接系統到便攜式前投投影機，從家庭背投電視到全球火熱的數字電影院，談到DLP技術幾乎是無人不知，它是顯示領域不可或缺的關鍵技術。目前采用DLP的企業涵蓋了各行各業。配備DLP的背投電視機型數迄今為止達到50多種，占前投式投影機40％的機型采用了DLP技術，而且還呈增長趨勢。

    TI生產和銷售的DLP元器件的累計供貨量迅速增長，支撐著供貨量持續增長的DLP核心部件正是DMD(Digital Micromirror Device)芯片。雖說如今DLP在顯示領域已經家喻戶曉，而DMD背后的故事卻鮮為人知。

從Larry J. Hornbeck和他的同事們說起

    30多年前，作為信息處理系統中的圖形識別等實現高速化的一種方法——利用光的處理方法受到了關注。要想實現這種光信息處理，可使光的通路任意變化的元器件就不可或缺。1977年11月，美國德克薩斯州達拉斯近郊的TI公司派了3名精通光學技術的人員開發空間光調制器用元件。

    Larry J. Hornbeck就在這三名研究人員之列，也正是因為他20年的嘔心瀝血、潛心研究，才成就了今天眾人皆知的DLP技術。

    DLP利用了通過MEMS技術制造的顯示器元件DMD。DMD采用在硅底板上排列大量極小的微鏡的構造，通過用電控制這種微鏡的朝向來決定是否將來自光源的光反射到屏幕方向。微鏡以設在微鏡下部的鉸鏈作為軸，傾斜±12度(第1代產品為±10度)。微鏡的傾斜開關控制借助靜電引力來實現。這種開關動作控制可達到1秒鐘最多數千次，雖然微鏡的尺寸沒有公布，但在SVGA尺寸下有48萬個微鏡密布在CMOS芯片上，在SXGA尺寸下則有131萬個微鏡密布在CMOS芯片上，每個微鏡相當于1個像素，開發之初的像素數約為16×16或者128×128。

    Larry最初的工作，是制作有機械構造的微鏡陣列，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。他們首先試制出了用銻對硝酸纖維素(Nitrocellulose)進行覆膜的微鏡。

能否應用于打印機？

    在開發起步兩年后的1979年，Larry等試制出了16×16的微鏡陣列，研發進展相當順利，1981年又試制出了128×128像素的微鏡陣列。雖然當時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單的圖形。

    那么這種DMD是否可用在激光打印機內部掃描的光學系統上呢？Larry的同事提出了這樣一個思索。DMD能夠使光的行進方向任意變化，那么將其應用于掃描的想法可能是可行的。如果能取代現有的激光式掃描頭，那么應該能開拓出一個巨大的市場。

    這一靈光一現的思考讓大家都驚呼不已。從那以后，大家研究方向不再只是面向光信息處理，而是大幅轉向了打印機的掃描頭，對DMD的要求條件也變得截然不同。在反復進行各種特性評估的過程中Larry和他的同事發現，使塑料薄膜發生彎曲的這種構造非常不穩定，并得出了工作壽命等存在問題，不適合在打印機上使用的結論。他們發現，尤其在制作應用于激光打印機時的那種縱橫比較高的微鏡元件時，會變得更加困難。

    Larry嘗試了多種構造，還改良了制造工藝。終于，他找到了在單晶硅上構成單支撐懸臂的方法。通過在這種懸臂的制造工藝上下工夫，1984年成功試制出了2,400×1像素的直線型微鏡陣列，這向打印機目標又走近了一步。

第十個年頭的艱難抉擇

    采用可動的微鏡來控制光的行進方向的器件，用電來控制微鏡的角度，并將其應用到打印機上，這是Larry J.Hornbeck的目標。然而，事情并不是想象中的那么容易。Larry當時寄予厚望的單支撐懸臂式微鏡器件，要保持微鏡角度的穩定性非常困難。 [Page]

    除此之外，各種難題也層出不窮。作為可動單支撐懸臂與支架體的連接部件的鉸鏈太硬，不實用。當時要求的是既薄又容易變形的鉸鏈，否則就不能高速且任意地改變微鏡的角度。Larry為了實現新的單支撐懸臂構造而導入了新的工藝技術，想方設法制造出了前所未有的又薄又軟的鉸鏈。

    然而，這反過來卻使微鏡的動作變得不穩定，Larry等陷入了困境。為了找到解決問題的突破口，以Larry為首的研究人員依然沒日沒夜地埋頭進行研究。然而，他們總也無法使單支撐懸臂傾斜振擺的均一性達到所要求范圍。

    研究團隊最后達成了一個結論：放棄單支撐懸臂式微鏡器件研究。時間是在1987年，自開始微鏡器件研究之日算起正好是第10個年頭。

    在單支撐懸臂式微鏡器件中，微鏡的4個角中的1個與底板相連接，以這一部分作為支架體，微鏡在靜電引力作用下向下傾斜。

    研究已經進行了10年，卻毫無能夠投產的跡象。研究遇到了一面無法逾越的墻壁。是停止開發還是繼續進行下去？憑借著研究人員的那份執著和堅持，Larry經過了反復的思考和琢磨之后，依然決定繼續投入到新的微鏡器件構造的研發工作中。哪怕是稍微有一點可能的方案，只要發現了就著手進行一番研發，像著了魔一樣。

    有一天，一個創意突然來臨了。1987年年底，Larry構思出了全新概念的器件構造。那是一個完全改變支撐微鏡構造的想法。在此前研究的單支撐懸臂式微鏡器件中，采用了在1個部位支撐微鏡的構造。而新的構造是，取而代之的是在對角線上配備鉸鏈，以鉸鏈為軸心的彎曲(傾斜)橫梁，該橫梁彎曲到觸及下部底板上配置的電極座。

模擬到數字的轉變

    橫梁傾斜的角度取決于電極座與橫梁之間的空間距離以及橫梁的大小。其傾斜的方向，可通過向配置在對角線上的成對地址電極的哪一方外加電壓來進行選擇。在此次試制的構造中，在地址電極的下部設置了內存單元，可通過對該單元的控制來控制橫梁的傾斜方向。另外通過對橫梁外加偏置電壓，即使外加在地址電極上的電壓很微小，也能大大改變橫梁的傾斜角度。新構造解決了迄今為止困擾Larry的各種問題。

    首先，傾斜角度貢獻最為重大。例如，可以傾斜±10度。此前的懸臂式微鏡器件無法傾斜如此大的角度。另外，此次的傾斜角度可不受周圍環境變化及時間變化的影響，一直保持恒定。其中，不受溫度變化的影響是非常重要的因素。而且，外加在地址電極上的電壓大約為5V，與此前相比只需很小的電壓即可。由此，與標準工藝技術的兼容性大為提高。

    Larry采用制成的試制芯片馬上開始了各種試驗，不僅證實了這種芯片可自由控制明暗，還進行了印刷的實際演示。1987年11月，據他打算停止研究還不到1年。之所以能實現彩色顯示，是因為來自光源的光通過R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)色輪(Color Wheel，濾光器)入射到DMD中。此時，如果是單板式DMD系統，則反射到微鏡上的光透過透鏡，投影到屏幕上。如果是大型投影機以及數字電影等，則對RGB各分配1個DMD專用，即3板式DMD。

    現行的DLP系統就是由這種DMD、DMD驅動ASIC、外部SDRAM以及視頻信號前端IC等構成的。

    Larry傾注心血的芯片終于完成，不過，隨著試驗繼續進行，新的問題不斷顯現了出來。微鏡只與電極座接觸了數百萬次，前端便刺入了電極座。刺入之后，微鏡的運動性能隨之變差。最壞的情況下，甚至有可能變得不可控制。

    經過在研究室里的艱苦奮斗，Larry最終想出了以電方式消除微鏡端部與電極座之間吸引力的方法。具體做法是，通過將電壓脈沖外加在橫梁上，使橫梁發生變形。隨后使其釋放出能量，橫梁便像彈簧一樣變軟，并脫離接觸部位。512×1像素的微鏡陣列導入了這種吸力消除技術。將其導入打印機的作業終于開始了，到1988年，數字式打印機的試制機制造完成。 [Page]

應用于投影機

    采用DMD的投影電視最早的實際演示，做得非常簡單。首先1990年首次進行的實際演示，是一種將打印機用DMD芯片嵌入到同一封裝內、只能顯示2條直線的產品。采用的是在這種芯片上組裝可旋轉的彩色濾光片，以時分復用方式顯示紅綠藍三色。

    在這種條件下進行的顏色灰階顯示是DMD的特長。DMD微鏡器件是一種數字式的光開關，其功能類似于打開及關閉電燈。如果逐漸提高開關的速度，則有可能用于灰階表現。開發團隊首先針對PAL制式電視節目播放用途，試制出了投影電視用的首款芯片。進而在1991年，又成功試制了2,048×1,152像素的演示用芯片，采用DMD器件的企業開始稍有增加。

DMD商業化投入

    在DMD器件終于實用化的推動下，TI公司內出現了基于該技術實現產品的高潮。1991年12月， TI啟動了DIVP(Digital Imaging Venture Project)項目，DMD應用的開拓也開始加速。DMD的名稱也由此前的Deformable Mirror Device變成了“Digital Micromirror Device”，與以往研究的模擬方式之間有了明確的差異。

    1992年5月，TI進行了768×576像素的投影電視用器件的實際演示，1993年完成了HD畫質的部件試制，并開始尋找HD畫質DMD的買家。隨后該公司選定了日本的一家著名電子廠商，隨即派遣幾名技術人員帶著器件從美國的達拉斯來到了日本東京都的品川區，并得到一次機會向日本一家大型電視機廠商實際演示。

以前投式投影機作為突破口

    雖然1993年在日本進行的現場演示還算成功，但之后并沒有帶來商業訂單。不僅如此，據說上次看了演示的那家企業開始獨自研發采用不同技術的投影式顯示器。TI的工作人員沒有時間去懊悔，他們將重心轉向了下一個應用。當時在DMD風險投資項目中，應用開拓進展最大的是前投式投影機。以微鏡器件DMD為中心，與驅動用ASIC、背照燈及透鏡等光學系統組合在一起，制作出了前投式投影機的參考設計，TI將這種參考設計稱為“Engine”。TI只負責提供附加值最高的DMD以及ASIC，其余的光學系統由OEM廠商負責。這是因為在光學系統方面，投影機廠商積累了更多的技術經驗。

    然而，這樣一來，對開發的技術支持難度將比以前翻一倍還多。而連同必要的光學系統一起配套提供的話，TI就能完成光學系統與DMD的匹配等微妙調整，連同光學系統整體提供的做法對TI來說更容易。

    當時在前投式投影機業界，采用液晶面板的透射型產品已開始投放市場，在日本，大型廠商也在產品開發方面展開了激烈競爭。DMD風險投資項目的工作人員堅信，DMD前投式投影機作為放射型比透射型投影機具有更高的亮度。

    為了促進DMD在前投式投影機領域的應用開拓，TI決定將這種“Engine”拿到國外的展會上展出。目的是以在展會上展出為契機，尋找OEM廠商。在1995年日本大阪舉辦的“Electronics Show 95”展會的TI展臺，展示了采用DMD的前投式投影機。

    令人驚喜的是，在展會后不到一個月時間里，日本德州儀器的總部里迎來了日本普樂士的投影機業務負責人一行。 他們正是在展會上看到了TI所展示的前投產品的巨大市場潛力，想試制采用DMD的前投式投影機。

開發出厚度為10厘米的投影機

    TI與普樂士組成的開發團隊開始認真考慮DMD與小型光學系統的組合。在1997年年初，他們完成了與采用TI的“Engine”相比，大小只有前者一半左右的試制機。這相對于當時的前投式投影機來說，簡直是像夢幻一般的數字。如果能實現這個目標，反響肯定非同一般。普樂士定下的目標是在1997年6月完成試制機，以便在同月于美國舊金山舉辦的InfoComm展會上展出。

    在InfoComm展會即將開幕之際，開發團隊完成了兩臺厚度不足10厘米的投影機試制機。然后，他們將其帶到了會場。 [Page]

    在特設會場參觀了試制機的人，大多都感慨不已，很多人表示希望接觸到真機。顯然他們不相信這么小的投影機真的能工作。 不知不覺之間，試制機在會場內成了一大話題，一傳十，十傳百，蜂擁而至的參觀者甚至多到特設會場都無法完全容納得下了。

    小型投影機的反響遠遠超出了TI的想像。不僅被美國以及日本的媒體大肆報道，市場營銷部門還收到了許多希望早日投產的消費者的呼聲。

    公司管理層立即批準了以投產為目標的開發，當初的目標是在對外公布試制機的1997年內投放市場，剩下的時間只有短短的6個月。產品化的道路相當險峻，試制機與量產機在許多方面截然不同，部件的選用也要重新進行。幾乎相當于重新設計。

    可喜的是，厚度為98毫米的投影機終于在1997年底完成了。 這是一款以單板方式采用800×600像素SVGA畫質DMD，亮度為600流明，重量為4.5千克的產品。這在當時，可謂是劃時代的產品性能，產品名稱為“UP-800”。

瞄準日立、松下及三菱

    普樂士的成功，對于身為DMD供貨方的TI而言也是一大成果。這是因為使用了DMD的DLP技術在日本國內一舉提高了認知度。除了普樂士以外，TI開始向多家北美的大型投影機廠商提供DLP，并在前投式投影機領域獲得了較大的市場份額。

    在促進DMD應用于前投式投影機的同時，TI還虎視眈眈地把DMD瞄準在了主營業務的背投電視領域。其目標是“在所有電視機中配備DMD”。為了實現這一宏圖大志，必需使DMD得到大型電視機廠商的采用。為此，TI希望與日本的電視機廠商進行聯合開發。

    最初瞄準的廠商有3家：日立制作所、松下電器產業以及三菱電機。如果采用DLP技術，也許就能以比較低廉的價格制造大屏幕電視，電視機廠商也對采用DLP技術的背投電視表現出了強烈的興趣。

    通過TI與松下技術人員的奮斗，具有充分表現力的試制機終于完成了。于是將其拿到了松下電器電視機業務部負責人列席的會議上進行實際演示。 試制機實際演示成功之后，松下電器決定在采用DLP技術的背投電視方面與TI進行聯合開發。

    在此之前對于制造什么樣的產品TI方面只有一個大致的設想，而松下電器對TI的DLP提出的技術參數要求非常高，通過松下電器技術團隊的指點，TI的目標也因此而變得明確了。

    與松下電器的會議結束后，TI修改了該公司所設想的背投電視技術參數，同時還大幅改變了開發策略。為了能更多地采納電視機廠商的要求，還相應完善了開發體制。

    面向電視機用途，TI將提供組裝有DMD、驅動用ASIC以及DSP的板卡。在板卡上將嵌入各電視機廠商的前端電路。
電視機廠商技術人員對畫質的要求極其精細。其中最為嚴格的，是控制用來實現DMD平滑灰階表現的“On”及“Off”的PWM調制算法、以及用于在DLP上實現彩色表現的色輪的調整。

    DLP的灰階取決于將DMD的微鏡角度切換到On或者切換到Off的比率(時間)。但是，如果只有On或者Off單方的時間連續不斷的話，灰階表現就會變得生硬。為了避免這種情況，可采用有意使切換到On及Off的順序分散開來的“劃分位區(Bit Splitting)”法。如何分配此時的順序(Sequence)，將決定灰階表現的平滑度。

    色輪的調整方面，TI成功地改變了顏色的深度等。例如，對于“想加強紅色”或者“想加深綠色”之類的要求，可通過增加色輪的特定顏色區域(色域)來滿足。比如，將紅色及綠色的色域在整個色輪中設得大一些。

    在色輪轉速方面苛意追求的技術人員也為數不少。如果提高轉速，顏色的反應速度會加快。然而與此同時，在色輪中將各顏色間隔開的區域(即輪輻)所占的時間將會增多。其結果便會帶來一個問題：來自DMD的反射光照射在輪輻上的時間增加，從而使效率降低。在這種色度平衡的調整，一切取決于電視機廠商技術人員的細微感覺。 [Page]

    此外，工作溫度范圍方面，要求能在-20℃?+85℃的較寬溫度范圍下進行驅動。在電視機領域理所當然的這些要求，對TI技術人員而言，每個卻都變成了巨大的挑戰。

    通過TI技術人員對DMD特性的改進以及松下電器技術人員的苛意追求，采用DLP技術的背投電視終于完成了。1999年，松下電器面向美國市場投放了首批產品。雖然價格超過了1萬美元，但作為旗艦產品具有重大意義。

    就在推進與松下電器的聯合開發的同時，TI還在與三菱電機進行背投電視的聯合開發，開發的內容是采用DLP技術的商業用顯示器。

    自此之后，DLP技術走上了家喻戶曉的道路。