数字微镜器件反射效率测试方法及装置

高 毅，于 瀛，张 靖

（1.中国刑事警察学院 痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁 沈阳 110035；2.光电信息控制和安全技术重点实验室，天津 300308；3.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 100081）

引言

数字微镜器件（digital micro-mirror device，以下简称“DMD”）是一种反射式光学调制器件，在空间结构上是由N行、M列μm 量级微镜排布组成的长方形阵列[1]。由于其具有体积小、质量轻、性价比高、分辨率高[2]等优点，目前已广泛应用于DLP投影显示系统[3]、多目标成像光谱探测以及荧光光谱探测等众多领域[4-5]。

由于DMD 的微镜单元呈周期性排布，在相干光照明条件下，会呈现出与二维光栅类似的衍射特性。不同于二维光栅，微镜单元中心位置存在孔道结构，并且相邻微镜单元之间存在间隙，这些间隙形成规则的网状结构，称为像差栅格[6]。像差栅格结构会引起衍射效应，因而不能将微镜器件简单视为各个微镜单元反射的叠加。而且DMD微镜单元的偏转角度误差、不同微镜单元偏转轴之间的差异、光束照明角度的误差、光源带宽都会对DMD 的反射效率产生影响[7-9]，因此在使用DMD开发相关仪器时，需要通过实验对DMD 的反射效率进行测试。

由于微镜单元的尺寸在μm 级别，因此无法使用常规方法去测试DMD 的反射特性[10]。为了测得DMD 的反射效率指标，我们搭建了实验装置，并选用某一商用型号DMD 产品进行了测试，通过与铝反射镜进行比对，得到了DMD 的相对反射效率。这些研究对于DMD 在成像、光谱等领域的应用会有一定参考价值[11-12]。

1 DMD 结构原理介绍

DMD 芯片和其内部结构示意图如图1 所示，从图中可以看出单个微镜单元由4 层结构组成，依次为双CMOS 型存储单元、金属层级、转动铰链及最外面的反射镜面[13]。以中部的通路和底部的铰链对最外层的镜面进行联结，将支架与设备轴的两边侧相互联结。底部的存储单元通过控制逻辑状态“0”、“1”形成不同的静电场，继而引发镜面绕铰链轴转动[14]。

图 1 微镜单元三维结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure of micro-mirror unit

本次测试所使用的DMD 微镜单元数量为86 000，相邻微镜单元的中心距是13.7 μm，单个微镜单元的倾斜角度为12°。DMD 中各微镜单元可独立寻址，其状态是由与之对应的CMOS 存储单元中的数据决定：当CMOS 的值为1 时，微镜偏转12°，为开启状态，入射光线进入后续光学系统；反之，微镜偏转-12°，对应关闭状态，入射光线被吸收装置吸收。微镜单元可以进行单独控制，因此可以通过编程控制任意一个或者几个微镜单元，按照使用者的意图偏转到指定方位，以此来实现多目标选择[15-17]。

2 测量装置组成

测试系统由照明系统、被测DMD 以及成像系统3 部分组成，如图2 所示。其中照明系统由光源、光纤准直器、可变光阑、滤光片、75 mm 焦距聚焦镜头、DMD、DMD 安装座、二维位移台以及控制板卡组成；成像系统由相机以及位于相机前端的前置镜头组成。

图 2 测试装置实物照片Fig.2 Physical photo of testing device

3 测试实验与结果

光源发出的光束经光纤准直器后扩束为平行光。首先将所有微镜单元全部设为关闭状态，调节光纤准直器位置，直到反射光束和入射光束共轴；接下来将可变光阑放置于光纤准直器后端，调整光阑位置，直到光阑与光束共轴；最后调整可变光阑通光孔径的大小，直到聚焦镜头焦平面上的会聚光斑变为最小。

第1 步，将所有微镜单元全部设为开启状态，沿着反射光束的方向安装好相机，手动调节75 mm焦距聚焦镜头F数，直到光斑尺寸变为最小。设500 ms 为时间间隔连续拍摄120 帧图像后取平均值作为DMD 的测试结果。

第2 步，以铝反射镜代替DMD，调整铝反射镜姿态，确保光斑中心位置与上一步测试时相同，在轴向上微调支架，使得光斑的能量最为集中。记录此时的测量读数，并拍摄spot 图像以计算FWHM宽度。通过多次调节相机和前置镜头间的位置，计算FWHM 宽度，验证焦平面的位置，安装固定好反射镜。同样以500 ms 为时间间隔连续拍摄120帧图像后取其平均值作为反射镜的测试结果。

从光斑中心峰值开始，将平均图像裁剪成每个方向15 像素的正方形。将像素的平均强度作为中心像素半径的函数进行分块绘制。使用trapz 函数获取每条曲线下的积分，以此来计算每种方法的相对效率。

分别使用632.8 nm 波长激光器和白光LED 两种光源对DMD 的反射效率进行测试，测试结果分别如图3 和图4 所示。其中图3 为632.8 nm 波长激光器作为光源时的测试结果；图4 为白光LED作为光源时的测试结果。从图中可以看到，在使用632.8 nm 波长激光器作为光源时，DMD 的相对反射效率为45.33%，相比之下在使用白光LED 作为光源时DMD 的相对反射效率为71.75%，后期经过多次重复测量发现2 种光源照射下的测试结果重复精度均为±5%左右。从测试结果可以看出，DMD 的整体反射效率相对较低，并且微镜单元表层材料对不同波长光束的反射率差异很大，因此在使用DMD 设计相关仪器时，应特别注意能量衰减以及能量分布不均对设计结果的影响。

图 3 使用632.8 nm 激光器作为光源时的测试结果Fig.3 Test results when using 632.8 nm laser as light source

图 4 使用白光LED 作为光源时的测试结果Fig.4 Test results when using white LED as light source

4 结论

为了测试DMD 的反射效率，提出了一种相对反射效率的概念，并搭建测试装置对数字微镜器件和平面反射镜的光积分曲线进行了测试。测试结果表明，当以激光器作为光源时，测试区域内DMD 的相对反射效率为45.33%左右，远远低于预期；当选用白光LED 为照明光源时，测得的相对反射效率为71.75%，经过多次测试发现2 种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述结果可为今后使用DMD 开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。