CN114442333A - 消除dmd杂散光的投影成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及投影成像装置，具体为消除DMD杂散光的投影成像装置。本发明的目的在于提供一种适用于体积较小、波长较长的DMD且能消除DMD杂散光的投影成像装置，包括激光光源，激光光源发出面光源入射至中继系统，经过中继系统的光源平行入射微透镜阵列，经过微透镜阵列将面光源整形后变成点光源后再入射至TIR棱镜，然后经TIR棱镜后入射至DMD，经DMD反射后将图像投影至成像系统,从而使得DMD无衍射。本发明通过微透镜阵列缩小了DMD的入射光斑，从源头上杜绝了DMD闪耀光栅衍射，将衍射产生的杂散光提前屏蔽于DMD之外，提高了投影成像装置的成像质量和图像对比度，效果显著且简便。
Description
技术领域
本发明涉及投影成像装置，具体为消除DMD杂散光的投影成像装置。
背景技术
投影成像装置，包括激光光源、中继系统、数字微镜阵列、TIR棱镜、包含投影透镜的成像系统，激光光源发出面光源入射至中继系统，经过中继系统准直后平行入射至TIR棱镜，然后经TIR棱镜后入射至数字微镜阵列，经数字微镜阵列反射后将图像投影至包含投影透镜的成像系统，其中数字微镜阵列(Digital Micromirror Device，DMD)(为描述方便，下文中数字微镜阵列用DMD代替)是一种由许多微反射镜片组成的反射式空间光调制器，被广泛应用于数字光刻技术。DMD的微镜有三种状态：偏转角为0°的非工作态；沿着斜对角线偏转角为+12°的“on”态，经过微镜片的反射光线全部进入投影系统而呈现亮态；沿着斜对角线偏转角为-12°的“off”态，反射光线偏离投影系统，被吸收装置吸收而呈现暗态，因而得到不同灰度的图像。DMD的微镜片间隔排列时就会像光栅一样发生栅格衍射、产生杂散光且微镜中心还有个开孔，开口率(透光区域)小于100％，这严重影响着投影成像装置的成像对比度。现有技术通过设计各种参量来限制位于DMD后面的投影透镜的分辨率(如调整数值孔径)从而滤掉高频衍射成分进而优化投影成像装置的成像对比度。然而，在应用过程中，很多企业对DMD提出了缩小体积以及增加波长的设计要求，但这样的结构设计会使得DMD的杂散光现象更加严重，原来的通过调整DMD后面的投影透镜的分辨率来优化投影成像装置的成像对比度的方法已经不能满足其成像对比度的要求，故现阶段急需设计一种适用于体积较小、波长较长的DMD且能消除DMD杂散光的投影成像装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于体积较小、波长较长的DMD且能消除DMD杂散光的投影成像装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：消除DMD杂散光的投影成像装置，包括激光光源、中继系统、微透镜阵列、DMD、TIR棱镜、成像系统，激光光源发出面光源入射至中继系统，经过中继系统准直后平行入射至微透镜阵列，经过微透镜阵列将面光源整形后变成点光源后再入射至TIR棱镜，然后经TIR棱镜后入射至DMD，经DMD反射后将图像投影至成像系统,从而使得DMD无衍射。
原理说明步骤如下：1)现根据DMD结构及其工作原理将DMD等效为二维闪耀光栅的结构模型，闪耀角为工作态偏转角θc＝±12°，光栅常数d对应DMD的像素周期，即DMD光栅常数d等于DMD像素尺寸a与像素间隙b之和。如美国TI公司开发的DLP9500系列DMD产品，像素尺寸a为10.8μm×10.8μm，像素个数为1920×1080，像素间隙b为1μm，可等效为光栅常数为11.8μm的闪耀光栅；2)根据光栅理论分析DMD衍射特性，光栅即单缝衍射因子
对多缝干涉因子
的调制结果，反射式闪耀光栅能将单槽衍射与槽间干涉的零级错开，从而把光能集中到所需的一级衍射光谱上。θi、θr分别表示入射光线、出射光线与DMD表面法线的夹角，θi'、θr'分别表示入射光线、出射光线与光栅平面法线的夹角，其中θi'＝θi-θc，θr'＝θr+θc。出射光的总光强分布为I，点的光强为IP。
由公式(1)与公式(3)得出光栅方程：mλ＝d(sinθ'i+sinθ'r) (4)
故对于波长λ和光栅常数d一定的闪耀光栅，衍射级次m的分布由入射角度θi和DMD的偏转角θc决定，而衍射级次m的增加会导致杂散光现象，影响成像对比度。
根据上述对DMD的闪耀光栅衍射特性分析以及原来的通过调整DMD后面的投影透镜的分辨率来优化成像对比度的方法已经不能满足成像对比度的要求，故打破常规思路从问题的根源出发即采用消除衍射的思路入手，将来自中继系统的面光源通过微透镜阵列整形成点光源后再通过TIR棱镜入射至DMD，从而直接消除DMD的栅格衍射，消除由于DMD的衍射导致的投影成像装置的杂散光，提高投影成像装置的成像质量。
本发明所产生的有益效果如下：本发明通过微透镜阵列将入射到DMD的面光源整形成点光源，从源头上杜绝了DMD闪耀光栅衍射，将衍射产生的杂散光提前屏蔽于DMD之外，提高了投影成像装置的成像质量和图像对比度，无需后续通过设计各种参量来限制DMD后面的投影透镜的分辨率来减少杂散光的影响，效果显著且简便。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为DMD的结构示意图；
图3为DMD等效为闪耀光栅的原理图；
图4为微透镜阵列的结构示意图。
图中：1—激光光源，2—中继系统，3—微透镜阵列，4—DMD，5—TIR棱镜，6—成像系统，7—球面透镜。
具体实施方式
消除DMD4杂散光的投影成像装置，包括激光光源1、中继系统2、微透镜阵列3、DMD4、TIR棱镜5、成像系统6，激光光源1发出面光源入射至中继系统2，经过中继系统2准直后平行入射微透镜阵列3，经过微透镜阵列3将面光源整形变成点光源后再入射至TIR棱镜5，然后经TIR棱镜5后入射至DMD4，经DMD4反射后将图像投影至成像系统6,从而使得DMD4无衍射。
原理说明步骤如下：1)现根据DMD4结构及其工作原理将DMD4等效为二维闪耀光栅的结构模型，闪耀角为工作态偏转角θc＝±12°，光栅常数d对应DMD4的像素周期，即DMD4光栅常数d等于DMD4像素尺寸a与像素间隙b之和。如美国TI公司开发的DLP9500系列DMD4产品，像素尺寸a为10.8μm×10.8μm，像素个数为1920×1080，像素间隙b为1μm，可等效为光栅常数为11.8μm的闪耀光栅；2)根据光栅理论分析DMD4衍射特性，光栅即单缝衍射因子
对多缝干涉因子
的调制结果，反射式闪耀光栅能将单槽衍射与槽间干涉的零级错开，从而把光能集中到所需的一级衍射光谱上。θi、θr分别表示入射光线、出射光线与DMD4表面法线的夹角，θi'、θr'分别表示入射光线、出射光线与光栅平面法线的夹角，其中θi'＝θi-θc，θr'＝θr+θc。出射光的总光强分布为I，点的光强为IP。
由公式(1)与公式(3)得出光栅方程：mλ＝d(sinθ'i+sinθ'r) (4)
故对于波长λ和光栅常数d一定的闪耀光栅，衍射级次m的分布由入射角度θi和DMD的偏转角θc决定，而衍射级次m的增加会导致杂散光现象，影响成像对比度。
由公式(3)与公式(4)得出：
故对于波长λ和光栅常数d一定的闪耀光栅，衍射级次m的分布由入射角度θi和DMD4的偏转角θc决定，而衍射级次m的增加会导致杂散光现象，影响成像对比度。
根据上述对DMD4的闪耀光栅衍射特性分析以及原来的通过调整DMD4后面的投影透镜的分辨率来优化成像对比度的方法已经不能满足成像对比度的要求，故打破常规思路从问题的根源出发即采用消除衍射的思路入手，将来自中继系统2的面光源通过微透镜阵列3整形成点光源后再通过TIR棱镜5入射至DMD4，从而直接消除DMD4的栅格衍射，消除由于DMD4的衍射导致的投影成像装置的杂散光，提高投影成像装置的成像质量。
具体实施方式，微透镜阵列3为正方排列的微透镜阵列3。微透镜阵列3为由多个其截面为圆形的球面透镜7组成，相比方形截面的球透镜提高了光能利用率和照明均匀度。
Claims (3)
1.消除DMD杂散光的投影成像装置，包括激光光源（1）、中继系统（2）、DMD、TIR棱镜（5）、成像系统（6），其特征在于，还包括微透镜阵列（3），激光光源（1）发出面光源入射至中继系统（2），经过中继系统（2）准直后平行入射微透镜阵列（3），经过微透镜阵列（3）将面光源整形后变成点光源后再入射至TIR棱镜（5），然后经TIR棱镜（5）后入射至DMD，经DMD反射后将图像投影至成像系统（6）。
2.根据权利要求1所述的消除DMD杂散光的投影成像装置，其特征在于，微透镜阵列（3）为正方排列的微透镜阵列（3）。
3.根据权利要求1所述的消除DMD杂散光的投影成像装置，其特征在于，微透镜阵列（3）为由多个其截面为圆形的球面透镜（7）组成。
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| CN202210077091.3A CN114442333A (zh) | 2022-01-22 | 2022-01-22 | 消除dmd杂散光的投影成像装置 |
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