MEMS quang học đã giành được giải Oscar

MEMS quang học là một ngành phụ của MEMS là những hệ thống vi cơ điện tử, định hướng, điều chỉnh hoặc dẫn đường cho ánh sáng
ngày nay người ta đã thử áp dụng MEMS quang học vào LiDAR
nhưng thành công thương mại hoá sản phẩm MEMS quang học đáng kể đầu tiền là DMD - một hệ thống được làm từ hàng triệu tấm gương cực kỳ nhỏ, di chuyển nhịp nhàng với nhau để phản chiếu ảnh sáng cường độ cao
ngày nay, những hệ thống dựa trên MEMS quang học đang chiếm ưu thế ngành chiếu sáng rạp hát cao cấp
bài này sẽ nhìn vào những dãy [array] gương nhỏ cỡ micromet đã thống trị ngành chiếu phim và giành được một giải Oscar

Rạp chiếu phim
phòng chiếu phim càng to thì hệ thống càng phải sản sinh thêm ánh sáng, cần được cân bằng với chi phí, kích thước và khối lượng
với những phòng lớn, như rạp phim, ta cần hệ thống có thể sản sinh một hình ảnh phải rất sáng - hàng nghìn lumen - đồng thời cũng phải đảm bảo chi tiết sắc nét
trong nửa thế kỷ, hệ thống chủ yếu được sử dụng để có hình ảnh sắc nét và sáng trong các phòng lớn là hệ thống phim dầu, như máy chiếu Eidophor

Eidophor
ý tưởng đầu tiên được kỹ sư Thuỵ Sĩ là Fritz Fischer là giáo sư của học viện công nghệ liên bang ở Zurich
Fischer nghiên cứu một đề xuất máy chiếu từ nhà quang học Bernhard Schmidt
hệ thống của Schmidt đề xuất sử dụng một tấm gương cầu để thu thập ánh sáng từ một ống tia âm cực rất sáng để chiếu một hình ảnh lên một màn hình rạp phim
Fischer không tin rằng những ống tia âm cực có thể cung cấp đủ ánh sáng để chiếu sáng toàn bộ rạp phim - nếu thử, hình ảnh được chiếu sẽ không được sinh động
truyền thuyết kể rằng Fischer đã phác thảo ý tưởng mới lên lưng một hộp xì gà rỗng trên tàu đi Zurich
tin rằng phương án khả thi, Fischer sau đó đã lên kế hoạch xây dựng một mẫu công nghiệp, đặt tên là Eidophor nghĩa là người nắm hình ảnh trong tiếng Hy Lạp

Cách hoạt động của Eidophor
bên trong máy chiếu có một nguồn sáng và một ống ánh sáng để chỉnh và điều chỉnh ánh sáng
ống ánh sáng ở đây là một đĩa đã tráng gương - sau này là một tấm gương cầu lõm - phủ lên một tấm phim dầu chỉ mỏng 0.02 milimet
khi hệ thống đang được sử dụng, một súng electron bắn một tia electron vào đĩa tráng gương, tác động đến dầu và biến dạng bề mặt
hệ thống Eidophor sử dụng một nguồn sáng rất mạnh - đèn Super Ventarc - mạnh ngang với mặt trời
Super Ventarc là một đèn hình cung bằng carbọn, có thể sản sinh 375 nghìn lumen
khi ánh sáng xuyên qua phần bị biến dạng của phim dầu, nó bị nhiễu xạ và thâm nhập một hệ thống những gương, trước khi thâm nhập những tấm kính chiếu và cuối cùng là lên màn hình

Gretener
sau rốt Fischer và nhóm đã phát triển 2 mẫu, nhưng Giáng Sinh năm 1947 Fischer bất ngờ mất vì đau tim
không có Fischer, công việc làm Eidophor chìm vào quên lãng, cho đến khi lọt vào mắt của một người bạn - tiến sĩ Edgar Gretener sở hữu một công ty, sau này có tên là Gretag có vẻ chuyên môn lĩnh vực kỹ thuật cá biệt này
công ty Gretag còn sở hữu một đèn hồ quang cacbon và một động cơ mật mã
Edgar thấy được tiềm năng của Eidophor nên năm 1948 đã mua lại bản quyền phát minh, nhưng vẫn cần một số hoàn thiện như chiếu màu
Gretener đăng ký bản quyền một hệ thống màu RGB dựa trên ổ đĩa cứng [disk] từ CBS và tích hợp nó vào Eidophor
Gretener đem sản phẩm cho ngành làm phim Mỹ - các giám đốc làm phim đã nhìn vào màn hình siêu sáng rộng 4 mét rưỡi và ngay lập tức thấy rằng đây là "vũ khí" để cạnh tranh với ngành tivi đang lớn mạnh
hãng 20th Century Fox đã mua lại sản phẩm Eidophor và cài đặt ở rạp chiếu phim Pilgrim ở New York
năm 1953 tạp chí LIFE đăng bài quảng bá, gọi nó là "món vũ khí 4 mét rưỡi chống lại tivi"

Thống trị
dần dần qua hàng thập kỷ, Eidophor đã trở thành lựa chọn tốt nhất cho màn chiếu nếu cần đem lại độ sáng 4000 đến 1 vạn lumen cho khán giả
Eidophor được sử dụng cho chương trình hàng không vũ trụ NASA, trường đại học cho bài giảng, sự kiện tôn giáo và xưởng quay [studio] cho tivi
lựa chọn khác khả dĩ cạnh tranh nhất có lẽ là máy chiếu GE Talaria, hoạt động theo những nguyên tắc tương tự
GE đã phát triển hệ thống Talaria làm phiên bản riêng sau khi hợp tác với Gretag trong 3 năm
nhìn chung, hệ thống Eidophor sau này là đáng tin cậy và dễ bảo trì
Gretag đã sản xuất Eidophor với những ống chân không, bóng bán dẫn germani và sau đó là chip tích hợp làm bằng silic
đến năm 1991 đã có 600 máy được sử dụng trên thế giới - những hệ thống khổng lồ, đắt đỏ [nửa triệu đôla Mỹ] và "phức tạp quá mức cần thiết"
bản thân súng bắn electron đã là một công trình ấn tượng và từng cần một vùng chân không để hoạt động
rồi cả những vấn đề kỹ thuật với dầu: vấn đề bảo trì sẽ cần bắn vào một phim dầu bằng đạn electron trong thời gian dài
người ta nhận thấy rằng có lẽ có cách để thay thế hệ thống phim dầu kỳ cục này

Ống ma trận gương
năm 1975 RN Thomas, Jens Guldberg và Harvey Nathanson - người phát minh hệ vi cơ điện tử MEMS đầu tiên - đã xuất bản công trình ra mắt mảng gương-siêu-vi đầu tiên, bấy giờ gọi tên là "ống ma trận gương"
được chế tạo bên trên một chất nền saphir, ống được trang bị những gương được-bọc-nhôm rộng 50 micromet và dày 450 nanomet, với 500 gương mỗi inch vuông
nhóm miêu tả thiết bị này là một hệ thống "van ánh sáng" mới có thể được sử dụng để chiếu hình ảnh lên màn hình nhiều kích cỡ khác nhau
đầu tiên, sản phẩm này được xác định cho thị trường màn chiếu là một thị trường rất tiềm năng cho một hệ thống vi cơ điện tử MEMS quang được áp dụng; thú vị là, công ty sau rốt nhảy vào thị trường này thì chưa bao giờ có ý định làm thế từ đầu

DMD
năm 1977 bộ quốc phòng đã thuê Texas Instruments nghiên cứu một hệ vi cơ điện tử gương-biến-dạng-được để điều chỉnh hoặc thao túng ánh sáng, hệ vi cơ điện tử để sử dụng cho điện toán quang
Texas Instruments tuyển tiến sĩ Larry Hornbeck làm lãnh đạo nhóm nghiên cứu, sau vài năm nhóm đã sản xuất được cái họ gọi là thiết bị gương biến dạng được [DMD - deformable mirror device]
DMD ban đầu là một thiết bị tín hiệu tuần tự [analog], năm 1980 đăng ký bản quyền miêu tả cách một bóng bán dẫn có thể kích hoạt một điện áp tuần tự có thể biến dạng một màng kim loại bị treo
ý tưởng này, sau đó, đã cải tiến nhiều: những lo ngại sản xuất đã khiến nhóm biến màng thành một vi-gương rời rạc với một kiểu thiết kế dầm chìa [cantilever]
nhóm Texas Instruments hình dung rằng nó có thể được sử dụng để phát triển một máy photocopy hoặc máy in tốt hơn - nhưng làm sao để kiểm soát nó?
nhóm gặp khó khăn muốn kiểm soát liên tục tất cả những vi-gương này, sử dụng tín hiệu tuần tự
mặc dù làm việc với những mảng rất nhỏ chỉ 2400 gương và đẩy nhiều điện áp cao qua chúng, những gương không cùng phản chiếu ánh sáng một cách đồng bộ

Kỹ thuật 2 số
Hornbeck và nhóm đã cố gắng giải quyết vấn đề này trong cả một thập kỷ nhưng hệ thống vẫn chưa đạt kỳ vọng - cho nên nhóm đã chuyển từ tín hiệu tuần tự sang kỹ thuật số [1 và 0] - gương có thể ở trạng thái tắt hoặc bật
ở trạng thái bật, gương sẽ phản chiếu ánh sáng lên một điểm nhất định, và ở trạng thái tắt thì không có ánh sáng
truyền thuyết kể rằng nhóm lấy ý tưởng từ hình hoạ đồng diễn ở sân vận động bóng đá, nhưng Larry Hornbeck phủ nhận
DMD sau đó đã đổi từ viết tắt cho deformable mirror device [thiết bị gương biến dạng được] thành digital micro-mirror device [thiết bị vi gương kỹ thuật số]

Phương thức hoạt động
được fab sử dụng những tiến trình CMOS tiêu chuẩn, thiết bị vi gương được làm từ hàng nghìn gương, thuở đầu có 840 vi gương, DMD hiện đại có hàng triệu
mỗi gương hợp kim đồng có mỗi chiều với độ dài 16 micromet - gương được gắn lên trên một cái gông để kết nối với 2 bản lề xoắn - dưới đáy là một tế bào [cell] bộ nhớ SRAM để kiểm soát hoạt động của mỗi gương
khi kích hoạt, lực tĩnh điện sẽ khiến gương nghiêng 10-12 độ
DMD hiện đại rất tin cậy - ấy là những bản lề cơ học và gông nằm dưới mỗi gương - gương phải lật hàng tỷ, thậm chí đến hàng nghìn tỷ lần
chưa kể, điều kiện hoạt động có thể rất khắc nghiệt - nguồn sáng chất-lượng-rạp-chiếu có thể rất nóng - nguồn sáng cho máy chiếu Eidophor cũ đã sản sinh nhiều nhiệt hồng ngoại đến mức nếu ta để một mảnh gỗ hứng ánh sáng chiếu vào có thể bắt lửa
DMD ban đầu chỉ chịu được 100 giờ ở nhiệt độ 65 độ C - Texas Instruments đã phải phát triển thiết bị hoàn toàn mới để thẩm nghiệm
ngày nay, bản lề có thể hoạt động được hơn 3 nghìn tỷ chu kỳ gương [lật] mà chưa hỏng

Tìm ứng dụng
Texas Instruments đầu tiên sử dụng DMD để in vé máy bay, trước đó là in bằng giấy than đỏ, chuyển sang in kỹ thuật số
Texas Intruments sử dụng một mảng vi gương có 840 gương sắp thành 1 hàng để in nhanh: máy in vé máy bay DMD2000
năm 1989 DARPA thực hiện một chương trình nghiên cứu hàng triệu đôla để tìm hiểu công nghệ HDTV tương lai - Texas Instruments đăng ký và tạo được một chip DMD độ nét cao [high-definition]
sau rốt, bấy giờ mọi thứ đều là tín hiệu tuần tự, thương mại hoá ra tivi có vẻ không thích hợp
tuy nhiên một công ty con của tập đoàn Rank làm phim ở Anh đã quan tâm và uỷ nhiệm cho Texas Intrusment giúp phát triển một hệ thống chiếu sử dụng công nghệ DMD
Hornbeck và nhóm ngay lập tức đã từ bỏ ý tưởng máy in và bắt đầu trang bị lại công cụ để thích ứng với ngành máy chiếu
Texas Instrument đã phát triển một xưởng fab đĩa wafer chuyên biệt để gia công sản phẩm hệ vi cơ điện tử quang DMD

Thương mại hoá
Texas Instrument bắt đầu sản xuất công nghệ mới này đúng lúc, một thế hệ công nghệ mới đang lớn mạnh trong ngành trình chiếu: bắt đầu là LCD
hệ thống chiếu LCD - hoạt động bằng cách gửi ánh sáng qua những tấm panel silic đa tinh thể - đã có từ thập niên 1960
năm 1976 Westinghouse đã bày bán sản phẩm màn hình LCD 6x6 inch
nhưng phải cuối thập niên 1980 công nghệ LCD mới khả thi thương mại - năm 1986 Seiko-Epson ra mắt một máy chiếu LCD có độ phân giải 320x220 pixel và cho ra được 70 lumen
thế hệ công nghệ mới tiếp tục được cải tiến vì ngành hiển nhiên muốn một công nghệ để thay thế cho hệ thống chiếu van-ánh-sáng cũ cực kỳ đắt đỏ
năm 1992 hệ thống BarcoData 5000 được - đặt tên là pháo ánh sáng - ra mắt là máy chiếu LCD đầu tiên có đủ độ sáng để sánh vai với hệ thống phim dầu - đạt độ phân giải 756x556 và độ sáng 1250 lumen
pháo ánh sáng [light cannon] khởi động nhanh hơn nhiều so với hệ thống phim dầu và cũng rẻ hơn rất nhiều
một Talaria đạt độ sáng 1250 lumen bán giá 8-9 vạn đôla Mỹ trong khi pháo ánh sáng chỉ tốn 47 nghìn đôla
GE lo ngại về sản phẩm mới này đến nỗi công ty đã cử một phần ba số nhân viên bộ phận đi xem trực tiếp
thế hệ máy chiếu LCD mới sớm sau đó được tung ra, buộc GE từ bỏ mảng kinh doanh năm 1993 và Eidophor sớm theo chân
năm 2002 công ty Gretag phá sản
năm 2000 máy Eidophor cuối cùng ngừng hoạt động - mới một thập kỷ trước đó còn 600 máy phục vụ
cuộc chuyển đổi tương tự cũng diễn ra trong ngành hàng tiêu dùng, doanh nghiệp và phòng chiếu phim tại gia - máy chiếu LCD bé nhỏ thay thế công nghệ CRT [ống tia âm cực]
năm 1995 thị trường trình chiếu 4.6 tỷ đôla đã trải qua một cuộc chuyển đổi công nghệ lớn - hợp lý để Texas Instruments ra mắt hệ thống phụ chipset DLP

DLP
sau rốt Texas Instruments đã sản xuất 2 phiên bản hệ thống phụ DLP: máy chiếu một-chip và máy chiếu ba-chip
năm 1996 phiên bản một chíp ra mắt cho phòng hội thảo doanh nghiệp, hoạt động như sau:
đầu tiên, tín hiệu đầu vào được tách thành 3 phiên bản RGB: ánh sáng trắng được chiếu qua một bánh xe màu sắc đang quay đê tạo một ánh sáng màu để sau đó chạy lên DMD
ví dụ màu đỏ, vào đúng thời điểm đó, DMD sẽ lật những vi-gương để phản chiếu lại phiên bản màu đỏ của tín hiệu đầu vào đã tách
hình ảnh màu cơ bản đó, sau đó, được loé lên tường hoặc cái gì cũng được trong 1 phần 60 giây - mắt người không đủ nhanh để nhận biết, sẽ cảm thụ những màu sắc đó chỉ có một màu duy nhất
Texas Instruments làm việc với những công ty bán [OEM - original equipment manufacturer] máy chiếu như InFocus Systems, nView và Proxima bán những bộ [kit] linh kiện cho những OEM để lắp vào sản phẩm - cũng giống như Nvidia bán chip cho những hãng như Gigabyte, Asus làm thẻ đồ hoạ

DLP cho rạp chiếu
năm 1997 Texas Instruments ra mắt loạt hệ thống phụ DLP độ sáng cao, sử dụng 3 chipset DMD
hệ thống phụ sử dụng một lăng trụ xiên để tách ánh sáng trắng thành 3 màu cơ bản, sau đó được dẫn lối đến chip DMD màu-sắc-cụ-thể - cách này để tăng độ sáng nhận được, bởi vì không có bánh xe màu sắc cho nên mỗi màu sẽ giữ được dòng ánh sáng liên tục
bởi vì chipset DMD là một van ánh sáng, dựa vào phản chiếu ánh sáng, thay vì lọc ánh sáng giống như máy chiếu LCD, cho nên ánh sáng từ nguồn sáng được giữ lại nhiều hơn khi chiếu lên đích cuối [tường]
trong một số trường hợp, hiệu suất ánh sáng có thể đạt 60% - mang lại hình ảnh sáng hơn
đúng lúc ngành phim đang chuyển đổi sang kỹ thuật số, đã hợp tác với những xưởng phim Hollywood lớn để hoàn thiện cấu hình chi tiết, điều chỉnh sản phẩm cho những màu đen đen hơn và những độ phân giải cao hơn
tháng 6 năm 1999 hệ thống rạp chiếu phim DLP đã lần đầu tiên công chiếu tựa phim "Chiến tranh giữa các vì sao: Hiểm hoạ bóng ma"
George Lucas đã phải so sánh trực tiếp giữa hệ thống DLP với máy chiếu LCD của một công ty đối thủ hàng đầu bấy giờ - một liên doanh có lẽ là kỳ lạ giữa JVC của Nhật Bản và công ty máy bay Hughes [HJT] của Mỹ
DLP chiến thắng vì máy chiếu của HJT cho thấy khả năng tái tạo màu sắc bất ổn và những sọc màu lạ
ngành nhanh chóng chuyển sang DLP và kể từ đó HJT đã thoái lui khỏi thị trường rạp chiếu

Kết
ngày nay hệ vi cơ điện tử quang học DLP đang trang bị một tỷ lệ lớn rạp chiếu phim, theo sau là máy chiếu laser, và DLP đã trở thành một trong những mảng kinh doanh lời lãi nhất của Texas Instruments
năm 1998 DLP và Texas Instruments nhận giải Emmy
năm 2015 Larry Hornbeck giành giải Oscar cho công trình phát triển chip DMD