数字微镜器件(DMD)技术的主要应用一直是在显示系统中,而用户正在探索更多新的应用场景。使用激光器与DMD结合是一个可行的扩展方向。激光器应用连续或脉冲模式操作激光。其中脉冲模式特点之一是在脉冲期间可达到非常高的峰值功率,且平均功耗相对较低。这一特点带来很多适用场景。
然而在考虑脉冲激光照明条件时,DMD的像素瞬态温度不能被忽视。大温差和高温会降低DMD的半导体器件使用寿命。因此希望DMD像素表面温度保持在150°C的临界温度以下。即使极短时间到达此温度,在多周期操作过程后也可能损坏器件。由此需要一个更鲁棒的伪瞬态模型预测脉冲激光系统中DMD的像素峰值温度,给出相关条件。有了这样一个模型结合DMD所处的环境条件,就有可能根据占空比、重复频率(脉冲频率)、波长和峰值激光功率来确定脉冲激光功率的极限。
《DMD的激光功率处理》白皮书介绍(二)
《《DMD的激光功率处理》白皮书介绍(一)》中提到DMD在不断拓展应用场景时面临许多挑战。而在脉冲激光系统中应用时,激光功率和其造成的数字微镜升温问题尤为重要。我们需要知道其中制约关系,防止在实际使用中损坏DMD器件。前文介绍了单个DMD微镜在不同脉冲激光条件下升温降温过程,并建立描述这一过程的物理模型。
接下来的内容是将单个微镜的升温过程置于微镜阵列和基底环境中,以求得在DMD使用场景下应当遵循的一般使用条件。
前文模型仅预测单像素温度上升模式,为确定总像素温度,必须知道阵列温度。阵列温度取决于特定的封装。在确定的输入光能量时,阵列温度一般与封装背面的陶瓷温度有一定关系。
这一关系中阵列温度与陶瓷温度差值ΔT。阵列对封装背面陶瓷的热阻、电铝热负载以及不同封装的温差等效25W/cm2激光输入的ΔT,相应的取值在DMD数据手册体现。典型的消费级投影系统可在散热陶瓷基底上达到50–55°C。必须将像素温度置于此环境温度以评估最终能到达的峰值温度。临界温度150°C,假设阵列温度50°C,ΔT必须保持在100°C以下。临界关系如下所示。
接下来的三张图显示:平均功率密度为25W/cm2时,ΔT高于阵列温度的情况。对于每个脉冲持续时间和峰值功率密度,都有重复率。
图 1.像素ΔT,适用于 7.56 μm 像素
图 2.像素ΔT,适用于 10.86 μm 像素
图 3.像素ΔT代表13.68 μm 像素
由上图可知,即使峰值功率密度和脉冲持续时间符合平均功率公式限制条件,在过高的重复率下,也会有超过ΔT = 150°C–T阵列的情况出现。例如图二峰值功率为4kW/cm2,脉冲持续时间为100μs,重复频率为60Hz,平均功率为24W/cm2。ΔT≈150°C对于这个峰值功率和脉冲持续时间,没有留下余量。因此,不能使用这类操作参数。
结论:
模型给出了DMD在给定像素类型和封装下可以处理的脉冲能量的限制。由此给出两个限制条件:
1.平均功率密度(峰值功率密度•占空比)不能超过25W/cm2的规格。
2.如果瞬时传递的总脉冲能量密度会导致像素温度超过(150°C – T阵列)到ΔTinst,则脉冲持续时间必须大于 :
其中,如果Tarray+ΔT≤150°C不违反100°C,则可以放松100°C的值限制。所以如果阵列温度低于50°C,那么ΔT可以大于100°C。
使用这些原理作为指南有助于确保防止脉冲激光系统中DMD的长期热损伤 。
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