基于数字微镜器件(DMD)技术：原理、应用及展望

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@小白创作中心

基于数字微镜器件(DMD)技术：原理、应用及展望

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来源

https://www.china-vision.org/cases-detail/226974.html

数字微镜器件（DMD）技术凭借其高速、高分辨率的独特优势，在智能制造领域展现出巨大的应用潜力。本文将深入探讨DMD技术在微纳制造和3D机器视觉领域的应用原理、关键技术、最新进展以及未来发展方向。

DMD技术原理及优势

DLP（Digital Light Processing）技术的核心是数字微镜器件（DMD）。DMD芯片由数百万个可独立控制的微机电系统（MEMS）镜面构成，每个微镜如同一个微型反射镜，可在静电力驱动下绕铰链结构进行±12°或±17°的偏转。当微镜处于“开”状态时，入射光线被反射到投影镜头，形成明亮像素；反之，当微镜处于“关”状态时，入射光线被反射到其他方向，形成暗像素。通过控制每个微镜的偏转状态，DMD可以实现对光线的空间调制，进而实现高精度图形的生成。

DMD技术在智能制造领域具有以下显著优势：

高分辨率：最新DMD芯片（如DLP9000系列）拥有超过400万个微镜，像素间距仅为5.4 μm，能够实现亚微米级别的特征尺寸控制。
高速度：DMD芯片的刷新率可达30 kHz，远高于传统掩模光刻技术，有利于提高制造效率。
高对比度：DMD芯片的“开”和“关”状态之间具有极高的对比度，可达10000:1以上，有利于提高图形的边缘清晰度。
灵活的编程特性：DMD芯片的每个微镜都可以独立控制，可以方便地生成各种复杂的图形和结构，无需制作昂贵的掩模版。
非接触式加工：DMD光刻技术是一种非接触式加工方法，不会对基板造成损伤，适用于各种敏感材料和器件的制造。

DMD直写光刻技术

DLP直写光刻系统主要由光源、照明光学系统、DMD芯片、投影光学系统、精密运动平台和控制系统等部分组成。其工作原理如下：首先，来自光源的光束经过照明光学系统进行整形和均匀化，照射到DMD芯片上。DMD芯片根据预先设定的图形信息，控制每个微镜的偏转状态，将光线选择性地反射到投影光学系统。投影光学系统将DMD芯片上的图形像缩小投影到涂覆有光刻胶的基板上。精密运动平台控制基板在X-Y平面内进行精确移动，实现大面积图形的拼接曝光。最后，经过显影、蚀刻等工艺流程，将DMD芯片上的图形转移到基板上。

DLP直写光刻关键技术

灰度曝光技术：通过控制每个微镜的“开”状态时间占比，实现对曝光剂量的精确控制，从而在单次曝光中创建出具有连续灰度变化的图形。
多波长曝光技术：利用不同波长的光源对光刻胶进行选择性曝光，实现多层或多材料结构的制备。
反向曝光技术：利用DMD芯片生成与目标图形互补的掩模图形，然后通过反转光刻工艺将图形转移到基板上。
步进拼接技术：通过精密运动平台控制基板在X-Y平面内进行步进移动，将DMD芯片上的图形逐次曝光到基板上，最终拼接成完整的图形。
三维微纳结构制造：DMD直写光刻技术可以与双光子聚合（TPP）等三维微纳加工技术相结合，实现复杂三维微纳结构的制备。

DLP直写光刻技术优势及应用

相比于传统的掩模光刻技术，DLP直写光刻技术具有以下优势：

灵活性高：无需制作掩模版，可以快速切换不同图形。
成本低：减少了掩模版的制作成本和时间。
精度高：能够实现亚微米级别的特征尺寸控制。
速度高：刷新率可达30 kHz，提高制造效率。

DLP直写光刻技术在微纳制造领域具有广阔的应用前景，例如：

微流控芯片：制造具有复杂通道结构和功能单元的微流控芯片，应用于生物医学、化学分析、环境监测等领域。
微光学元件：制造各种微透镜、衍射光栅、光波导等微光学元件，应用于光通信、光传感、光显示等领域。
柔性电子器件：制造柔性电路、传感器、天线等柔性电子器件，应用于可穿戴设备、柔性显示屏、生物医疗等领域。
三维细胞培养：制造具有生物相容性的三维支架结构，用于构建体外三维细胞培养模型，应用于药物筛选、组织工程等领域。

面结构光三维成像技术

DMD芯片不仅可以用于图形的生成，还可以用于结构光的投影，从而实现三维形貌的测量。DMD三维成像技术主要应用于以下方面：

结构光投影三维成像

结构光投影三维成像技术是一种主动式三维成像技术，使用结构光三角测量技术（其中，使用 DLP® 技术在物体上投射高度灵活的图案），其基本原理是将预先设计好的结构光图案投影到被测物体表面，通过分析物体表面反射的光线，获取物体的三维形貌信息。DMD芯片可以作为高精度的结构光投影器件，实现对投影图案的快速切换和相位调制，提高三维测量的精度和效率。

常用的DMD结构光投影三维成像方法包括：

二值条纹投影：将一系列明暗相间的条纹图案投影到物体表面，根据条纹的变形情况计算物体的高度信息。
相移条纹投影：将多个具有固定相移量的条纹图案投影到物体表面，通过分析相位信息计算物体的高度信息。

DMD三维成像技术优势及应用

高精度：DMD芯片的高分辨率和精确的相位控制能力，最高实现1um的水平分辨率和实现50nm精度的三维形貌测量。
高速度：DMD芯片的高刷新率可以实现高速的三维扫描，适用于动态目标的测量。
非接触式测量：对被测物体无损伤，适用于精密器件和生物样品的测量。

DMD三维成像技术在以下领域具有广泛的应用：

工业检测：用于检测产品表面的缺陷、尺寸偏差等，例如手机外壳检测、汽车零部件检测，在半导体封测领域，对于IC芯片如BGA、LGA，QFN、IGBT等芯片的检测、以及SMT的3D检测，最为主流的技术路线就是基于DMD三维成像等。
逆向工程：用于获取物体表面的三维数据，建立数字模型，例如文物数字化、模具制造等。
生物医学：使用可编程结构光图形来实现高度精确的非接触式牙科 3D 实时扫描。使用小型扫描仪来投影结构光图形，或使用紧凑型台式扫描仪来扫描模具和印模。点云可直接用于牙科 3D 打印、模具和其他高级分析。可将数据导出为各种不同的 CAD 建模格式。也可用于获取生物样品的三维形貌信息，例如细胞成像、组织结构分析等。