dmd在衍射光學(xué)元件中的應(yīng)用

dmd在衍射光學(xué)元件中的應(yīng)用

數(shù)字微鏡器是利用數(shù)字電壓信號(hào)控制微鏡的機(jī)械操作并實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能的設(shè)備。它的前身是變形反射鏡器件(deformablemirrordevice)。兩種名稱的英文縮寫恰好都是DMD,它是由美國德州儀器公司(TI)的一名科學(xué)家I.J.Hornbeck在1987年發(fā)明的,最初設(shè)計(jì)的目的主要用于數(shù)字投影和硬復(fù)制。由于DMD具有較高的分辨率、開口率、對比度、灰度等級(jí)、響應(yīng)速度和寬帶等優(yōu)點(diǎn),近幾年其應(yīng)用領(lǐng)域得到較大擴(kuò)展,在光纖通信網(wǎng)絡(luò)的路由器、衰減器和濾波器、數(shù)字相機(jī)、高頻天線陣列、新一代外層空間望遠(yuǎn)鏡、B-52飛機(jī)上的多晶平面光學(xué)顯示器、快速原型制造系統(tǒng)、物體三維輪廓測量儀、全息照相、數(shù)字圖像處理、聯(lián)合變換相關(guān)器、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、顯微系統(tǒng)中的數(shù)字可變光闌以及空間成像光譜等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。目前,DMD已廣泛應(yīng)用于DLP(digitallightprocessing)投影系統(tǒng),在高清晰電視(HDTV)、微型顯示、數(shù)字掩模等領(lǐng)域也有巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文在介紹數(shù)字微鏡工作原理的同時(shí),重點(diǎn)介紹了其在DLP投影機(jī)、數(shù)字全息系統(tǒng)以及數(shù)字掩模技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是基于DMD的數(shù)字掩模技術(shù)結(jié)合高質(zhì)量精縮投影光刻系統(tǒng),可制作亞微米級(jí)復(fù)雜面形浮雕結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件,對解決目前衍射光學(xué)元件制作技術(shù)相對滯后于設(shè)計(jì)理論,從而導(dǎo)致其商品化進(jìn)程緩慢的現(xiàn)實(shí)矛盾具有重大意義。dmd的工作原理DMD單個(gè)微鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件的基底是硅,用大規(guī)模集成電路的技術(shù),在硅片上制出RAM,每一個(gè)存儲(chǔ)器有兩條尋址電極(addressingelectrodes)和兩個(gè)搭接電極(1andingelectrodes)。兩個(gè)支撐柱上,通過扭臂梁鉸鏈(torsionhinge)安裝一個(gè)微形反射鏡,形成一個(gè)“蹺蹺板”的結(jié)構(gòu)。器件工作時(shí),在反射鏡上加負(fù)偏壓,一個(gè)尋址電極上加+5V(數(shù)字“l(fā)”),另一尋址電極接地(數(shù)字“0”),這樣一來就形成一個(gè)差動(dòng)電壓,它產(chǎn)生一個(gè)力矩,使反射鏡繞扭臂梁旋轉(zhuǎn),直到觸及搭接電極為止。在扭轉(zhuǎn)力矩的作用下,反射鏡將一直鎖定于這一位置,不管它下面的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)是否變化,直到復(fù)位信號(hào)出現(xiàn)為止,對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角θL=10°(下一代DMD的尺寸更小,轉(zhuǎn)動(dòng)角度可望達(dá)到12°)。這樣一來,每一單元都有三個(gè)穩(wěn)態(tài):+10°、-10°和0°,θ=0°對應(yīng)于沒有尋址信號(hào)(兩個(gè)尋址電極都是0的情況)。DMD是通過半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)精密制作的,因此反射鏡列陣的三個(gè)穩(wěn)態(tài)一致性相當(dāng)好,對應(yīng)于DMD的三個(gè)平面:與基平面成±θL角的傾斜平面及平行于基面的平面。作為非相干光調(diào)制器,DMD用于投影儀時(shí)工作原理參見圖2,光源發(fā)出的光束與光學(xué)系統(tǒng)光軸的夾角為2θL,傾斜照射DMD,當(dāng)某一像素的反射鏡θ=0°或θ=-θL時(shí),反射光通不過投影物鏡。當(dāng)θ=θL,它反射的光束正好沿光軸方向通過投影物鏡,成像到屏上,稱此狀態(tài)為“開(ON)”;θ=-θL則對應(yīng)于DMD的狀態(tài)“關(guān)(OFF)”,θ=0°為“平態(tài)”。DMD一般由視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)。在每一幀的時(shí)間內(nèi),某一像素處于兩種狀態(tài)的占空比,決定了該像素的灰階,亦即灰階是由入射光的二元脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn),人的眼睛再把這一“數(shù)字”圖像翻譯成“模擬”圖像。一般灰階數(shù)為28=256。在dmd系統(tǒng)中設(shè)置投影圖像DLP投影系統(tǒng)的核心器件是DMD芯片。根據(jù)芯片個(gè)數(shù)可以分為單片DLP系統(tǒng)、兩片DLP系統(tǒng)和三片DLP系統(tǒng)。下面介紹單片DLP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彩色圖像輸出的方法。在單片投影系統(tǒng)的光路中,存在一個(gè)R、G、B三原色濾色鏡的調(diào)色盤(又叫色輪),它與視頻信號(hào)嚴(yán)格同步,在每一幀的時(shí)間Δt內(nèi)轉(zhuǎn)一圈,在各色盤范圍內(nèi)再分別用像素ON/OFF的占空比調(diào)節(jié)R、G、B的強(qiáng)度比,從而在一幀的時(shí)間Δt內(nèi)合成所要求的顏色。由于每種顏色的灰階都是8bit即256種,總共可產(chǎn)生2563約1600萬種不同的顏色,色彩是相當(dāng)豐富的。用這種方法合成顏色,只需一個(gè)DMD,所以稱單片DLP系統(tǒng)。DMD微鏡在工作時(shí)由相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制在兩個(gè)不同的位置上進(jìn)行切換轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)光源投射到反射鏡片上時(shí),DMD微鏡就通過由紅綠藍(lán)三色塊組成的濾色輪來產(chǎn)生全色彩的投影圖像,這個(gè)濾色輪以60轉(zhuǎn)/秒的速度在旋轉(zhuǎn)著,這樣就能保證光源發(fā)射出來的白色光變成紅綠藍(lán)三色光循環(huán)出現(xiàn)在DMD微鏡的芯片表面上。當(dāng)其中某一種顏色的光投射到DMD微鏡芯片的表面后,DMD芯片上的所有微鏡,根據(jù)自身對應(yīng)的像素中該顏色的數(shù)量,決定了其對這種色光處于開位置的次數(shù),也即決定了反射后通過投影鏡頭投射到屏幕上的光的數(shù)量。當(dāng)其他顏色的光依次照射到DMD表面時(shí),DMD表面中的所有微鏡將極快地重復(fù)上面的動(dòng)作,最終表現(xiàn)出來的結(jié)果就是在投影屏幕上出現(xiàn)彩色的投影圖像。與單片DLP投影機(jī)一樣,兩片DLP投影機(jī)同樣在投射光源的路徑上設(shè)置有高速旋轉(zhuǎn)的濾色輪,不過這里的濾色輪并不是由紅綠藍(lán)三色塊組成的,而是由洋紅和黃色兩色塊組成,這樣當(dāng)洋紅色塊通過旋轉(zhuǎn)的色輪時(shí),會(huì)相應(yīng)地過濾白色光中的綠色光,而通過的藍(lán)色光和紅色光則被分隔開來,其中紅色光單獨(dú)投射到兩片DMD芯片中的一片上,藍(lán)色光則投射到由藍(lán)色光和綠色光共享使用的另一片DMD芯片上。當(dāng)某一顏色的光投射到DMD微鏡芯片上后,對應(yīng)DMD芯片上的所有微鏡,同樣會(huì)根據(jù)自身對應(yīng)的像素中該顏色的數(shù)量,決定了其對這種色光處于開位置的次數(shù),從而決定反射后通過投影鏡頭投射到屏幕上的光的數(shù)量。當(dāng)黃色色塊通過旋轉(zhuǎn)的色輪時(shí),光線中的紅色和綠色光就會(huì)被通過,而藍(lán)色光就會(huì)被過濾掉,這樣紅色光和藍(lán)色光就會(huì)被分隔投影。三片DLP投影機(jī)的工作原理與單片、兩片投影機(jī)的原理是完全不同的,最大的區(qū)別就是三片DLP投影機(jī)中根本就沒有采用濾色輪,三片DLP投影機(jī)中的每一片DMD分別直接反射紅綠藍(lán)中的一種顏色,然后將紅、綠、藍(lán)三種顏色分別投射到投影屏幕上。數(shù)字合成全息系統(tǒng)dshs在合成全息中,使用DMD產(chǎn)生的圖形圖像作為掩模,通過全息記錄過程把這些圖形圖像集成起來,并且整個(gè)過程用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和監(jiān)視,即全息技術(shù)、數(shù)字圖像處理與顯示技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合創(chuàng)建一種三維立體動(dòng)態(tài)全息術(shù),把這種技術(shù)叫做數(shù)字合成全息(DSH)技術(shù),實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的系統(tǒng)叫做數(shù)字合成全息系統(tǒng)(DSHS)。圖3是DSHS實(shí)驗(yàn)光路圖。DSHS實(shí)驗(yàn)光路圖中核心部件是DMD芯片,其與計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)視頻卡相連。計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制圖形圖像信號(hào)可控制DMD芯片上的微鏡片在兩種穩(wěn)定狀態(tài)下快速切換。因此由DMD輸出的光場將載有圖形圖像信息,該輸出光與另一路參考光在全息記錄介質(zhì)上發(fā)生干涉,從而合成數(shù)字全息圖。記錄盤被分成許多細(xì)槽,每個(gè)細(xì)槽可記錄一張全息圖。在計(jì)算機(jī)的控制下,細(xì)槽可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)。因此,一系列的數(shù)字全息圖可自動(dòng)合成。數(shù)字合成全息系統(tǒng)能夠?qū)⒍S透視圖合成為三維立體全息圖,它創(chuàng)造了21世紀(jì)圖像顯示手段的新概念。與光刻模壓技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、算一體化合成全息圖的機(jī)械化生產(chǎn)。dmd的成像及其文化特點(diǎn)圖4是數(shù)字掩模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理圖。掩模圖形經(jīng)視頻卡以二進(jìn)制數(shù)字形式輸出到DMD芯片上的SRAM,再傳送到每個(gè)微鏡下面的CMOS存儲(chǔ)電路。均勻平行光束的入射方向與DMD的表面法線夾角為20°。DMD正常工作時(shí),每個(gè)微鏡偏轉(zhuǎn)+10°,因此,反射光束剛好沿垂直方向入射到精縮鏡組并成像在涂有敏感材料的感光基片上。顯微鏡組用于精確調(diào)焦對準(zhǔn)。圖形的灰階顏色不同,DMD上對應(yīng)微鏡的偏轉(zhuǎn)頻率就不同,單位時(shí)間內(nèi)反射光通量也不同,因此,投影精縮后在感光基片上產(chǎn)生變化的曝光強(qiáng)度。整張掩模圖形被DMD上的微鏡離散成上百萬個(gè)正方形像素,每一個(gè)像素由精縮光學(xué)系統(tǒng)精縮成像為一個(gè)亞微米級(jí)的光點(diǎn)。每個(gè)光點(diǎn)對應(yīng)的光強(qiáng)由DMD的像素翻轉(zhuǎn)頻率決定,可形成至少256級(jí)強(qiáng)度調(diào)制。DMD掩模制作系統(tǒng)的曝光量不僅可以由曝光時(shí)間控制,還可以通過計(jì)算機(jī)調(diào)整DMD的像素灰階控制,而且DMD的像素由純數(shù)字化的二元數(shù)據(jù)控制,因此是一種全新的數(shù)字化灰度掩摸制作技術(shù)。DMD的高灰度等級(jí)保證