固態物理學家、并擔任德州儀器(TI)公司研究員的Larry Hornbeck由于了發明數位微型反射鏡元件(DMD)而榮獲Emmy技術工程獎。 DMD是TI公司用于投影顯示器之數位光學處理(DLP)核心的微機電系統(MEMS)。

    除了推動數位劇院、前投式投影機和HDTV的技術發展之外，Hornbeck的MEMS微型反射鏡還實現了3D度量系統、可消除螢光取樣點周圍常因失焦而產生‘模糊影像’的共軛焦(confocal)顯微鏡，以及采用3D而非僅2D寫入資料的全像儲存系統。

    當TI在1977年著手開發MEMS時，您是否正專注于光學處理等特殊應用的研究？

    Hornbeck：不僅是在1977年，在更早之前，我們就已經對以MEMS來調整光感到興趣了。當時我從Case Western大學獲得固態物理學博士學位后，才在TI公司工作沒多少年。但由于TI獲得了美國國防部(DOD)一項透過可變形微型反射鏡開發空間光學調變器的合約，因此我們很早就展開MEMS研究。 DOD打算將這項類比技術用于光學運算方面。

    我想，即使MEMS的研究才剛展開，你們就必須發明所需的制造技術。

    Hornbeck：在1981年時，MEMS意味著采用體微加工(bulk micromachining)的單晶矽，這使得元件的制造非常昂貴。然而，隨著一些大學展開更具經濟效益的表面微加工(surface micromachining)多晶矽試驗，這種元件已成為目前制作MEMS的傳統方法。

    隨著微型反射鏡的成功，TI是否計劃為MEMS建立一個專用制造廠？

    Hornbeck：我們從未曾需要專用的制造廠，因為我們的MEMS制造能夠相容于傳統的CMOS制程。我們先完成所有電晶體和用于電晶體互連的金屬層，然后采用低溫制程將MEMS放在完成的CMOS晶片上。

    也就是說，你們先完成整個晶片的制造，然后預留最后可增加MEMS的區域嗎？

    Hornbeck：這種方法與其他MEMS制造方法全然不同，我相信TI目前仍是采用這種方法的唯一一家公司。具體實現步驟是為機械單元選用鋁合金材料，并以傳統光阻作為犧牲空間。所有工作都在200℃以下完成，因此在晶片上增加MEMS時不會影響金屬化制程或電晶體，也不會影響已經完成的CMOS電路。這種方法至今已經形成了我們制造MEMS微型反射鏡的標準基礎，但在當時卻與其他制造方法截然不同。

    對MEMS供應商來說，最主要的目標是能像他們連結電路一樣，在相同的CMOS晶片上無縫地整合MEMS結構。整體來看，我認為TI是由于在CMOS晶片上整合了MEMS結構，因此從一開始就處于領先地位。

    Hornbeck：這是我們得以成就DLP所依據的主要支柱之一。

    但起初你們就打算制作類比微型反射鏡嗎？

    Hornbeck：是的，我們努力了好多年的時間，試圖利用2400面呈線性排列的類比微型反射鏡，來取得足夠的一致性和光學效率，以便實現簡單的靜電印刷技術。但直到1986年，我們都未能獲得成功。不但無法取得一致性，我們的類比電壓也高達30V，同時也缺乏足夠的鏡面反射角度；這些全都是因為我們試圖制作類比微型反射鏡之故。因此，相較于當時曾嘗試過的各種方法，后來我們所作的第二個最大改變便是走向數位化。

    那時是什么時候呢？

    Hornbeck：我在1987年發明了數位微型反射鏡元件并申請了專利，獲得核準的專利就成為后來所有DMD架構的基礎。接下來，我不再繼續開發必須取決于靜電吸引力和彎曲恢復力之間精確平衡的類比MEMS微型反射鏡，轉而制作可在兩個數位狀態之間轉動的微型反射鏡。這種微型反射鏡的觸點可依照正反方向來停止微型反射鏡。與缺乏停止控制功能的類比微型反射鏡相較，這種類比技術更容易控制角度。

    采用數位化技術還有其他的好處嗎？

    Hornbeck：當然。因此，透過可運作在雙穩態模式的微型反射鏡，我們可使用更低的工作電壓，因為微型反射鏡可被觸發為任一種穩態。與類比微型反射鏡相較，這種新型的數位架構可實現更大的旋轉角度、更好的一致性和更低的工作電壓。這也一直是我們在MEMS領域成功的基礎。

    在你先前所提到的頁面印刷應用中，也采用了數位設計技術嗎？

    Hornbeck：事實上，第一個DMD的商用產品是機票印表機。當初用于列印機票的撞擊式印表機非常成功，但后來舊式的紅色復寫紙逐漸改成單張票券。列印單張票券提高了速度，但我們的撞擊式印表機已無法符合要求。為了保持市場占有率，我們決定采用更高速的靜電印刷技術。 TI決定使用線性DMD－840 X 1陣列的微鏡取代傳統多邊掃描器。首款產品便是1990年上市的DMD2000機票印表機。

    對于DMD來說，HDTV似乎是機票印表機的另一種延伸應用。是什么因素影響了TI公司朝向HDTV方向發展？

    Hornbeck：1989年，美國國防先進研究計劃署(DARPA)展開了一項鼓勵美國HDTV技術發展的研究計劃，并給予了TI公司數百萬美元的資助來開發高解析DMD原型晶片。

    這項計劃也推動了你們從列印轉變到光學投影嗎？

    Hornbeck：是啊，不過那只是開始。英國Rank公司旗下的Rank-Brimar公司當時正在尋找一種能在電影院和禮堂的大型螢幕上投影高解析電視的技術。他們在1989年投資并協助我們開發一款三晶片的DMD原型投影機。

    1991年，TI決定啟動一項合資計畫，并投入了大量人力物力，我們稱這項計劃為數位成像風險專案(DIVP)，其目標在于開發高解析電視。這在1991年時聽起來有點奇怪，因為當時的電視是類比的，沒有人在那樣的層次上用MEMS來做任何東西，也沒有任何現成產品、標準或任何相關事物。因此，我們決定要做的是數位高解析電視，但以投影機為起點，因為我們在此領域已經擁有經驗和用戶了。到了1996年時，我們便發布了第一款DLP產品。

    當時所用的是什么樣的投影機？

    Hornbeck：1994年時，一款傳統的投影機通常重達35~40磅，亮度相對較暗，價格約在15000~18000美元之間。因此，我們認為應該能夠明顯地改變投影機的重量、亮度和成本。前投式投影便成為我們早期成功的秘訣。我們從1996年時只有InFocus、nView和Proxima等三家用戶開始，現在已經有了75家客戶了。此外，當時愛普生的一款LCD投影機是我們的主要競爭產品。

    當時因為缺乏熟悉數位光學投影機設計的工程師，我們便為OEM提供完整的數位光學引擎。但現在我們能為OEM提供晶片組和軟體。該晶片組由1個或3個DMD、1個用于影像處理和格式化的ASIC，以及一個驅動DMD的波形晶片所組成。 DLP Composer軟體可協助OEM設計定制化的投影機。

    如今，DLP擁有約50%的全球前投式投影機市場，提供350多種產品。在顯示器尺寸超過40英寸的1080p HDTV技術中，DLP已經是市場上的領導技術。

    TI如何跨入數位劇院方面的業務？

    Hornbeck：1997年，在我們推出商用投影機后，更發表了第一款用于大型場地的高亮度三晶片DLP系統。 DMD非常適合這一類的應用，因為它能為亮度極高的投影燈減輕熱負載。我們開始向電影制片商推薦適合他們的技術，最終我們贏得了他們的信任。

    在此期間，由于該三晶片系統擁有卓越的色彩穩定性，使得電視廣播公司也將它用在新聞主播背后的監視器，以及比賽節目中。這也是我和TI能獲得‘電視藝術科學學院’頒發Emmys獎的由來。 TI獲得DLP TV方面的獎項，而我則是由于發明數位微型反射鏡而獲獎。

    下一步的計劃是什么呢？

    Hornbeck：TI已開始采用DLP劇院投影技術的3D版本來裝配其數位劇院系統。另一方面，TI也展示了一款微型DLP晶片的原型，這種又小又便宜的晶片足以置入手持設備中，以增加投影功能，并能從手機等手持設備上將影像投影至相對較大的顯示器上。

    至于數位微型反射鏡的未來，你大可恣意想像任何可能的應用。我們正針對可能會用到DLP系統的各種物件開發參考設計，不久的將來，我們便會陸續發布有關新應用領域方面的重要資訊。

    Larry J. Hornbeck

    德州儀器(TI)公司數位影像研究員，美國Case Western Reserve大學固態物理學博士

    1998年獲美國電視藝術科學學院頒發Emmy獎－杰出工程技術開發，擁有電荷耦合元件(CCD)、紅外線影像感測器，以及DMD技術等30多項專利。