數(shù)字微鏡器件反射效率測試方法及裝置

高 毅，于 瀛，張 靖

（1.中國刑事警察學(xué)院 痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110035；2.光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308；3.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 100081）

引言

數(shù)字微鏡器件（digital micro-mirror device，以下簡稱“DMD”）是一種反射式光學(xué)調(diào)制器件，在空間結(jié)構(gòu)上是由N行、M列μm 量級微鏡排布組成的長方形陣列[1]。由于其具有體積小、質(zhì)量輕、性價比高、分辨率高[2]等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于DLP投影顯示系統(tǒng)[3]、多目標(biāo)成像光譜探測以及熒光光譜探測等眾多領(lǐng)域[4-5]。

由于DMD 的微鏡單元呈周期性排布，在相干光照明條件下，會呈現(xiàn)出與二維光柵類似的衍射特性。不同于二維光柵，微鏡單元中心位置存在孔道結(jié)構(gòu)，并且相鄰微鏡單元之間存在間隙，這些間隙形成規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為像差柵格[6]。像差柵格結(jié)構(gòu)會引起衍射效應(yīng)，因而不能將微鏡器件簡單視為各個微鏡單元反射的疊加。而且DMD微鏡單元的偏轉(zhuǎn)角度誤差、不同微鏡單元偏轉(zhuǎn)軸之間的差異、光束照明角度的誤差、光源帶寬都會對DMD 的反射效率產(chǎn)生影響[7-9]，因此在使用DMD開發(fā)相關(guān)儀器時，需要通過實(shí)驗(yàn)對DMD 的反射效率進(jìn)行測試。

由于微鏡單元的尺寸在μm 級別，因此無法使用常規(guī)方法去測試DMD 的反射特性[10]。為了測得DMD 的反射效率指標(biāo)，我們搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，并選用某一商用型號DMD 產(chǎn)品進(jìn)行了測試，通過與鋁反射鏡進(jìn)行比對，得到了DMD 的相對反射效率。這些研究對于DMD 在成像、光譜等領(lǐng)域的應(yīng)用會有一定參考價值[11-12]。

1 DMD 結(jié)構(gòu)原理介紹

DMD 芯片和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，從圖中可以看出單個微鏡單元由4 層結(jié)構(gòu)組成，依次為雙CMOS 型存儲單元、金屬層級、轉(zhuǎn)動鉸鏈及最外面的反射鏡面[13]。以中部的通路和底部的鉸鏈對最外層的鏡面進(jìn)行聯(lián)結(jié)，將支架與設(shè)備軸的兩邊側(cè)相互聯(lián)結(jié)。底部的存儲單元通過控制邏輯狀態(tài)“0”、“1”形成不同的靜電場，繼而引發(fā)鏡面繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動[14]。

圖 1 微鏡單元三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure of micro-mirror unit

本次測試所使用的DMD 微鏡單元數(shù)量為86 000，相鄰微鏡單元的中心距是13.7 μm，單個微鏡單元的傾斜角度為12°。DMD 中各微鏡單元可獨(dú)立尋址，其狀態(tài)是由與之對應(yīng)的CMOS 存儲單元中的數(shù)據(jù)決定：當(dāng)CMOS 的值為1 時，微鏡偏轉(zhuǎn)12°，為開啟狀態(tài)，入射光線進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)；反之，微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，對應(yīng)關(guān)閉狀態(tài)，入射光線被吸收裝置吸收。微鏡單元可以進(jìn)行單獨(dú)控制，因此可以通過編程控制任意一個或者幾個微鏡單元，按照使用者的意圖偏轉(zhuǎn)到指定方位，以此來實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)選擇[15-17]。

2 測量裝置組成

測試系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、被測DMD 以及成像系統(tǒng)3 部分組成，如圖2 所示。其中照明系統(tǒng)由光源、光纖準(zhǔn)直器、可變光闌、濾光片、75 mm 焦距聚焦鏡頭、DMD、DMD 安裝座、二維位移臺以及控制板卡組成；成像系統(tǒng)由相機(jī)以及位于相機(jī)前端的前置鏡頭組成。

圖 2 測試裝置實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Physical photo of testing device

3 測試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

光源發(fā)出的光束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后擴(kuò)束為平行光。首先將所有微鏡單元全部設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)節(jié)光纖準(zhǔn)直器位置，直到反射光束和入射光束共軸；接下來將可變光闌放置于光纖準(zhǔn)直器后端，調(diào)整光闌位置，直到光闌與光束共軸；最后調(diào)整可變光闌通光孔徑的大小，直到聚焦鏡頭焦平面上的會聚光斑變?yōu)樽钚　?/p>

第1 步，將所有微鏡單元全部設(shè)為開啟狀態(tài)，沿著反射光束的方向安裝好相機(jī)，手動調(diào)節(jié)75 mm焦距聚焦鏡頭F數(shù)，直到光斑尺寸變?yōu)樽钚?。設(shè)500 ms 為時間間隔連續(xù)拍攝120 幀圖像后取平均值作為DMD 的測試結(jié)果。

第2 步，以鋁反射鏡代替DMD，調(diào)整鋁反射鏡姿態(tài)，確保光斑中心位置與上一步測試時相同，在軸向上微調(diào)支架，使得光斑的能量最為集中。記錄此時的測量讀數(shù)，并拍攝spot 圖像以計算FWHM寬度。通過多次調(diào)節(jié)相機(jī)和前置鏡頭間的位置，計算FWHM 寬度，驗(yàn)證焦平面的位置，安裝固定好反射鏡。同樣以500 ms 為時間間隔連續(xù)拍攝120幀圖像后取其平均值作為反射鏡的測試結(jié)果。

從光斑中心峰值開始，將平均圖像裁剪成每個方向15 像素的正方形。將像素的平均強(qiáng)度作為中心像素半徑的函數(shù)進(jìn)行分塊繪制。使用trapz 函數(shù)獲取每條曲線下的積分，以此來計算每種方法的相對效率。

分別使用632.8 nm 波長激光器和白光LED 兩種光源對DMD 的反射效率進(jìn)行測試，測試結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示。其中圖3 為632.8 nm 波長激光器作為光源時的測試結(jié)果；圖4 為白光LED作為光源時的測試結(jié)果。從圖中可以看到，在使用632.8 nm 波長激光器作為光源時，DMD 的相對反射效率為45.33%，相比之下在使用白光LED 作為光源時DMD 的相對反射效率為71.75%，后期經(jīng)過多次重復(fù)測量發(fā)現(xiàn)2 種光源照射下的測試結(jié)果重復(fù)精度均為±5%左右。從測試結(jié)果可以看出，DMD 的整體反射效率相對較低，并且微鏡單元表層材料對不同波長光束的反射率差異很大，因此在使用DMD 設(shè)計相關(guān)儀器時，應(yīng)特別注意能量衰減以及能量分布不均對設(shè)計結(jié)果的影響。

圖 3 使用632.8 nm 激光器作為光源時的測試結(jié)果Fig.3 Test results when using 632.8 nm laser as light source

圖 4 使用白光LED 作為光源時的測試結(jié)果Fig.4 Test results when using white LED as light source

4 結(jié)論

為了測試DMD 的反射效率，提出了一種相對反射效率的概念，并搭建測試裝置對數(shù)字微鏡器件和平面反射鏡的光積分曲線進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)以激光器作為光源時，測試區(qū)域內(nèi)DMD 的相對反射效率為45.33%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期；當(dāng)選用白光LED 為照明光源時，測得的相對反射效率為71.75%，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)2 種測試模式下的重復(fù)精度均為±5%左右。上述結(jié)果可為今后使用DMD 開發(fā)相關(guān)儀器時的能量傳遞效率計算以及器件選擇起到一定參考作用。