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一种基于高分辨率DMD的空间光调制器及其应用

李耀棠  张世超  吴卫丹  黄泽文  范少武  黄云  徐文  陈洁芸  
【摘要】:数字微反射镜器件(Digital Micro—mirror Device,DMD)是一种基于MEMS和CMOS大规模集成电路技术制成的电寻址空间光调制器。作为非相干光调制器,它已在多媒体投影显示及高清晰度电视得到日益广泛的应用并显示出优越的光学性能。与其它类型的空间光调制器相比较,如TFT-LCD, DMD同时具有高分辨率、高反射率、高对比度和响应速度快的特性,一块XVGA分辨率(1024×768像素)的DMD芯片,它含有近80万个规则排列的、可作±10°旋转运动的微型反射镜,每个反射镜的大小约16μm×16μm,反射镜之间的间隔为1μm,填充因子接近90%,光能量的利用率非常之高。然而, 利用DMD作为相干光学的信息处理系统接口器件的报道并不多,原因是与其研发者TI公司采用特许供货方式,DMD芯片不易单独得到并且价格过于昂贵有关;另外,DMD的控制电路通常由寻址与复位、帧数据装载与刷新、图像尺度变换、PWM灰阶调制、时序彩色合成等几个主要部分组成,这几部分的电路结构比较复杂,在一般的光学实验室条件下难以实现。本文详细介绍了DMD的结构及工作原理,研究和分析了几种常见型号的商用DLP投影机的电路结构及控制信号,并在此基础上将DLP投影机的启动控制与连锁保护、UHP灯控制与检测、色轮控制与检测等电路成功地分离,仅保留DMD的主控电路板并采用数字电路模拟出必要的控制信号,把多台XVGA分辨率的商用DLP投影机改装成可把数字图像输入转换为相干光图像输出的高分辨率空间光调制器。实验详细研究了经改装后的DMD空间光调制器对入射光的调制特性,并且设计了一个紧凑的4f傅立叶变换系统用丁相干光图像读出。作为一个应用实例, 我们利用改装的DMD空间光调制器构建了一个合成全息图的拍摄系统,在DMD上输入数十幅分立时间序列的数字图像,采用面积分割法在感光版上记录系列的子全息图h1、h2…hn,最后用二步彩虹法拍摄了具有动态视觉效果、低噪音的合成全息图。此外,实验还探讨了DMD空间光调制器在快速制作衍射光学可变图像中的应用。实验结果表明,DMD是一种具良好光学特性的空间光调制器,是相干光学信息处理系统的理想器件;通过改装商用DLP投影机可获得性价比极高的DMD空间光调制器。

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