郭欢庆1，黄涛2，王金城1
( 1. 中国海洋大学光学光电子实验室，山东 青岛 266071；
2. 中国海洋大学网络中心 山东 青岛 266003)
摘要：通过彻底改装明基7763PS投影仪的方法，得到了新型空间光调制器数字微反射镜（DMD），以它作为核心元件模块化的设计实现了数字合成全息系统（DSHS），包括DMD成像子系统，自动分区伺服和曝光子系统以及计算机程控子系统，整个系统工作是全自动化的。实验还发现DMD的入射角度不必拘泥于20 o，减小了光路搭建难度。对系统进行了综合测试并拍摄出了合成全息图。
关键词：合成全息；数字微反射镜；数字全息
中图分类号：O438.1 文献标示码：A
1 引言
美国德克萨斯仪器公司（TI）生产的新型反射式空间光调制器－数字微反射镜（DMD），目前广泛应用在光通讯、三维显示、数字光微拷贝、DNA合成、全息存储、数字光化学、数字平板印刷等方面，与其它的调制器如硅基上液晶（Lcos）、液晶显示器（LCD）等相比，DMD具有更高的分辨率、更宽的响应范围和更快的响应速度、信噪比和光能利用率高、工作温度范围大、偏振无关等特点 , 。因此把DMD应用到合成全息中设计数字合成全息系统（DSHS）比使用其它空间光调制器具有更多的优点 ，一些全息领域的研究者也注意到了这一点 ， ，相关的研究正在开展，但工作还不够彻底。
在使用LCD做空间光调制器设计数字合成系统的工作基础上1，本文讨论了使用DMD做空间光调制器设计系统的技术实现方法，采用了彻底改装明基7763PS投影仪的特殊方法获得了系统的核心元件DMD，并围绕DMD的成像要求和合成全息技术要领，分别设计实现了系统不同模块并把它们整合在一起完成了数字合成全息系统的搭建。
2 基本光路
数字合成全息系统要实现系列二维图片的三维合成，针对合成全息的特点和要求，设计数字合成全息系统主要包括以下几个模块：空间光调制器DMD及其成像子系统、自动分区伺服与自动曝光快门子系统以及计算机全自动监控子系统等。系统完整光路如图1所示。
3 系统各部分的设计与实现
3.1 DMD的获取与使用
尽管TI公司自1990年首次研制出第一代DMD产品以来至今已发展到第五代，在技术上已相当成熟，但它一直没有正式通过分销商单独销售DMD及其伺服电路，而只批量供给松下、LG、三星、惠普、索尼、明基等大的投影机制作厂商。直到2002的三、四月份，DMD才单独作为电子元件正式推向市场，TI公司称之为DMD Discovery计划，主要产品是DMD及其控制电路板和控制软件包。TI公司指定的代理商是一家叫PSI的公司，从该公司的网址http://www.prodsys.com/）中可以得到有关的产品和价格信息。
购买单独销售的DMD产品的最大问题是其价格过于昂贵，为了降低系统研制成本，在系统设计中为了获得DMD，采用的方法是改装了一台使用DMD做空间光调制器的明基7763PS大屏幕投影仪。用这种方法首先可以节约至少60%的成本费用；其次在改装过程中可以更好的了解DMD成像性质，从而对接下去的实验工作有帮助和指导作用。
明基7763PS投影仪结构比较复杂，其各个组成部分如DMD伺服电路、投影仪控制电路、投影灯光路和冷却风扇电路、颜色控制部分等是相互影响的，改装时需要综合考虑这些因素。经过拆除之后得到了投影仪内部的光路如图2所示，其中数字合成全息系统所需要的只是DMD及其伺服电路板，其它各部分都被拆除掉。此过程中需要注意的是投影灯、颜色转盘和制冷风扇的拆除工作，7763PS内部有一些保护和限制电路，风扇没有转动、投影灯未开启或者颜色转盘没有转动都会导致DMD的拒绝工作。在研究的最初阶段，参考MIT媒体实验室发表的一篇文章 ，我们采取的是用引线将它们引出到实验台外进行拍摄工作，实验中发现这种做法不能保证系统的稳定性且有诸多的不便。后用示波器查看波形后发现这些装置的驱动信号都是易于模拟的方波和脉冲信号，用适当的函数发生器可以很好的模拟出来，这样就可以把它们完全拆除掉。图3的照片是拆除之后的DMD及其伺服电路的照片。
图2中的虚框内光学器件的作用是保证平行光以20o角度入射到DMD上，这是DMD本身微反射镜反射角度与成像物镜之间的配合所要求的，这一点TI公司（http://www.dlp.com） 的技术资料上也予以反复强调。然而在数字合成全息系统的实验中不需要此光学器件，并且入射光入射角度并不是必须保持在20o，而是可以根据DMD后面的投影装置的改变而在一定范围内变化。实验证明，只要出射光的方向与投影物镜共轴，就能够清晰的成像而对角度的依赖性并不大，如此一来就大大减小了系统光路搭建的困难程度。
3.2 自动分区伺服与自动曝光快门子系统
传统合成全息制作中狭缝的移动是靠手工完成的，由于人为的因素造成了操作步骤繁琐、移动速度慢、移动步长和狭缝宽度不够精确等缺点，严重影响了全息图的制作质量。为数字合成全息系统设计的自动分区伺服系统是，要求它可以在程序控制下自动移动预设的狭缝并且移动距离和移动步长要精确，狭缝宽度可调以适应不同的拍摄要求，与计算机的接口要标准化。另外其整体上的设计必须符合全息实验的需要，稳定性要好、各部分不能影响光的传播等等。图4是我们所设计的自动分区伺服系统的外观照片，其中也显示了一个自动曝光快门，它的作用是在程序控制之下按照预先设定自动断开激光光束或者让其通过，把它的控制部分与分区子系统集成到了一起便于进行程控。表1是自动分区伺服系统部分参数表。
这部分设计出的自动分区伺服与曝光快门子系统可以单独使用于传统合成全息的拍摄中，可以提高全息制作质量和效率。
3.3 自动程序监控
由于数字合成全息系统需要全自动的工作，所以要有一个控制系统动作和监视系统运作的软件平台。这个平台要在一台PC机上完成全部的操作，主要包括以下几点：
1) 把处理后的系列二维图像按顺序输出到DMD；
2) 设定每幅图像的曝光时间、曝光间隔时间；
3) 设定自动分区伺服系统的初始位置、移动步长、停留时间；
4) 在曝光过程中，对系统状态进行监控并输出监控信息，包括已经曝光的图像个数、伺服系统的狭缝位置、工作进度等信息；
5) 随时暂停、恢复、复位、动态调整整个系统；
在程序控制过程中，计算机的屏幕上需要显示的是软件平台的监控部分，而向DMD输出的是要拍摄的二维图像。而许多PC机的标准配置一般只使用一个显示适配器，只能接一个显示设备，若使用视频分束线，可以接两个以上显示设备，但是却显示的是同一内容。Microsoft公司的Windows98以上版本的操作系统支持多个显示适配器连接不同的显示设备，可以实现不同显示内容的多显示功能，但实验发现使用这种功能时许多应用程序会发生莫名其妙的问题。因此，我们最终选择了Matrox公司的带有两个视频接口的双头显示适配器Matrox Millennium G450 Dualhead-English，其中一个接口接显示器，另外一个接口接DMD空间光调制器。这样我们就可以编制程序实现在显示器上显示的是负责控制和监控的软件窗口界面，而从DMD上输出的是二维图像。经过测试证明此适配器要比使用两个不同的显示适配器性能稳定，极少出现应用程序的非正常错误。
实验使用Microsoft Visual C++6.0编程语言编制了数字合成全息系统软件平台的1.0版，实现了上述的系统全自动工作与监控操作。
4 系统综合实验
通过上述的工作得到了用数字微反射镜（DMD）作空间光调制器的数字合成全息系统。按照图1所示的系统光路进行综合实验，采用波长633nm、额定输出功率45mw的He－Ne激光器，狭缝宽度取0.4mm，二维图像个数取60幅，从系统开始工作到曝光结束共历时170分钟，其间没有任何人工干预，完成了数字合成菲涅儿全息图的拍摄，并用得到的菲涅儿全息图作为母板拍摄了像面全息图。
5 结论
数字合成全息系统最终研制成功的是能够将二维透视图片合成为三维立体全息图的系统，并且系统的工作过程是全自动化的。这种系统属于一种新的光信息处理技术，它拓展了全息术的研究领域，创造了21世纪图像显示手段的新概念，在防伪商标、商业广告、工业设计、大型展览、装饰装潢等各个领域有广阔应用前景。
目前系统所用的是不带自动角度编码的分区系统，对于实现彩色全息图的工作不能全自动的完成，这是需要进一步改进的；另外的努力方向是把DMD及其成像系统封装成为专供全息用的样机，从而简化整个系统构建。
摘自 光纤新闻网
|
