dmd在衍射光学元件中的应用

dmd在衍射光学元件中的应用

数字微镜器是利用数字电压信号控制微镜的机械操作并实现光学功能的设备。它的前身是变形反射镜器件(deformablemirrordevice)。两种名称的英文缩写恰好都是DMD,它是由美国德州仪器公司(TI)的一名科学家I.J.Hornbeck在1987年发明的,最初设计的目的主要用于数字投影和硬复制。由于DMD具有较高的分辨率、开口率、对比度、灰度等级、响应速度和宽带等优点,近几年其应用领域得到较大扩展,在光纤通信网络的路由器、衰减器和滤波器、数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、B-52飞机上的多晶平面光学显示器、快速原型制造系统、物体三维轮廓测量仪、全息照相、数字图像处理、联合变换相关器、光学神经网络、显微系统中的数字可变光阑以及空间成像光谱等领域得到了成功的应用。目前,DMD已广泛应用于DLP(digitallightprocessing)投影系统,在高清晰电视(HDTV)、微型显示、数字掩模等领域也有巨大的发展潜力。本文在介绍数字微镜工作原理的同时,重点介绍了其在DLP投影机、数字全息系统以及数字掩模技术领域的应用。特别是基于DMD的数字掩模技术结合高质量精缩投影光刻系统,可制作亚微米级复杂面形浮雕结构的衍射光学元件,对解决目前衍射光学元件制作技术相对滞后于设计理论,从而导致其商品化进程缓慢的现实矛盾具有重大意义。dmd的工作原理DMD单个微镜的结构如图1所示。器件的基底是硅,用大规模集成电路的技术,在硅片上制出RAM,每一个存储器有两条寻址电极(addressingelectrodes)和两个搭接电极(1andingelectrodes)。两个支撑柱上,通过扭臂梁铰链(torsionhinge)安装一个微形反射镜,形成一个“跷跷板”的结构。器件工作时,在反射镜上加负偏压,一个寻址电极上加+5V(数字“l”),另一寻址电极接地(数字“0”),这样一来就形成一个差动电压,它产生一个力矩,使反射镜绕扭臂梁旋转,直到触及搭接电极为止。在扭转力矩的作用下,反射镜将一直锁定于这一位置,不管它下面的存储器的数据是否变化,直到复位信号出现为止,对应旋转角θL=10°(下一代DMD的尺寸更小,转动角度可望达到12°)。这样一来,每一单元都有三个稳态:+10°、-10°和0°,θ=0°对应于没有寻址信号(两个寻址电极都是0的情况)。DMD是通过半导体微细加工技术精密制作的,因此反射镜列阵的三个稳态一致性相当好,对应于DMD的三个平面:与基平面成±θL角的倾斜平面及平行于基面的平面。作为非相干光调制器,DMD用于投影仪时工作原理参见图2,光源发出的光束与光学系统光轴的夹角为2θL,倾斜照射DMD,当某一像素的反射镜θ=0°或θ=-θL时,反射光通不过投影物镜。当θ=θL,它反射的光束正好沿光轴方向通过投影物镜,成像到屏上,称此状态为“开(ON)”;θ=-θL则对应于DMD的状态“关(OFF)”,θ=0°为“平态”。DMD一般由视频信号驱动。在每一帧的时间内,某一像素处于两种状态的占空比,决定了该像素的灰阶,亦即灰阶是由入射光的二元脉冲宽度调制实现,人的眼睛再把这一“数字”图像翻译成“模拟”图像。一般灰阶数为28=256。在dmd系统中设置投影图像DLP投影系统的核心器件是DMD芯片。根据芯片个数可以分为单片DLP系统、两片DLP系统和三片DLP系统。下面介绍单片DLP系统实现彩色图像输出的方法。在单片投影系统的光路中,存在一个R、G、B三原色滤色镜的调色盘(又叫色轮),它与视频信号严格同步,在每一帧的时间Δt内转一圈,在各色盘范围内再分别用像素ON/OFF的占空比调节R、G、B的强度比,从而在一帧的时间Δt内合成所要求的颜色。由于每种颜色的灰阶都是8bit即256种,总共可产生2563约1600万种不同的颜色,色彩是相当丰富的。用这种方法合成颜色,只需一个DMD,所以称单片DLP系统。DMD微镜在工作时由相应的存储器控制在两个不同的位置上进行切换转动。当光源投射到反射镜片上时,DMD微镜就通过由红绿蓝三色块组成的滤色轮来产生全色彩的投影图像,这个滤色轮以60转/秒的速度在旋转着,这样就能保证光源发射出来的白色光变成红绿蓝三色光循环出现在DMD微镜的芯片表面上。当其中某一种颜色的光投射到DMD微镜芯片的表面后,DMD芯片上的所有微镜,根据自身对应的像素中该颜色的数量,决定了其对这种色光处于开位置的次数,也即决定了反射后通过投影镜头投射到屏幕上的光的数量。当其他颜色的光依次照射到DMD表面时,DMD表面中的所有微镜将极快地重复上面的动作,最终表现出来的结果就是在投影屏幕上出现彩色的投影图像。与单片DLP投影机一样,两片DLP投影机同样在投射光源的路径上设置有高速旋转的滤色轮,不过这里的滤色轮并不是由红绿蓝三色块组成的,而是由洋红和黄色两色块组成,这样当洋红色块通过旋转的色轮时,会相应地过滤白色光中的绿色光,而通过的蓝色光和红色光则被分隔开来,其中红色光单独投射到两片DMD芯片中的一片上,蓝色光则投射到由蓝色光和绿色光共享使用的另一片DMD芯片上。当某一颜色的光投射到DMD微镜芯片上后,对应DMD芯片上的所有微镜,同样会根据自身对应的像素中该颜色的数量,决定了其对这种色光处于开位置的次数,从而决定反射后通过投影镜头投射到屏幕上的光的数量。当黄色色块通过旋转的色轮时,光线中的红色和绿色光就会被通过,而蓝色光就会被过滤掉,这样红色光和蓝色光就会被分隔投影。三片DLP投影机的工作原理与单片、两片投影机的原理是完全不同的,最大的区别就是三片DLP投影机中根本就没有采用滤色轮,三片DLP投影机中的每一片DMD分别直接反射红绿蓝中的一种颜色,然后将红、绿、蓝三种颜色分别投射到投影屏幕上。数字合成全息系统dshs在合成全息中,使用DMD产生的图形图像作为掩模,通过全息记录过程把这些图形图像集成起来,并且整个过程用计算机自动控制和监视,即全息技术、数字图像处理与显示技术和计算机技术相结合创建一种三维立体动态全息术,把这种技术叫做数字合成全息(DSH)技术,实现这种技术的系统叫做数字合成全息系统(DSHS)。图3是DSHS实验光路图。DSHS实验光路图中核心部件是DMD芯片,其与计算机标准视频卡相连。计算机输出的二进制图形图像信号可控制DMD芯片上的微镜片在两种稳定状态下快速切换。因此由DMD输出的光场将载有图形图像信息,该输出光与另一路参考光在全息记录介质上发生干涉,从而合成数字全息图。记录盘被分成许多细槽,每个细槽可记录一张全息图。在计算机的控制下,细槽可实现自动移动。因此,一系列的数字全息图可自动合成。数字合成全息系统能够将二维透视图合成为三维立体全息图,它创造了21世纪图像显示手段的新概念。与光刻模压技术相结合,可实现光、机、电、算一体化合成全息图的机械化生产。dmd的成像及其文化特点图4是数字掩模技术的实现原理图。掩模图形经视频卡以二进制数字形式输出到DMD芯片上的SRAM,再传送到每个微镜下面的CMOS存储电路。均匀平行光束的入射方向与DMD的表面法线夹角为20°。DMD正常工作时,每个微镜偏转+10°,因此,反射光束刚好沿垂直方向入射到精缩镜组并成像在涂有敏感材料的感光基片上。显微镜组用于精确调焦对准。图形的灰阶颜色不同,DMD上对应微镜的偏转频率就不同,单位时间内反射光通量也不同,因此,投影精缩后在感光基片上产生变化的曝光强度。整张掩模图形被DMD上的微镜离散成上百万个正方形像素,每一个像素由精缩光学系统精缩成像为一个亚微米级的光点。每个光点对应的光强由DMD的像素翻转频率决定,可形成至少256级强度调制。DMD掩模制作系统的曝光量不仅可以由曝光时间控制,还可以通过计算机调整DMD的像素灰阶控制,而且DMD的像素由纯数字化的二元数据控制,因此是一种全新的数字化灰度掩摸制作技术。DMD的高灰度等级保证