第39卷 第5期2007年5月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGYVo l 39N o 5M ay 2007基于D MD 的红外双波段景象投影光学系统设计常 虹,范志刚(哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001,E -m ai:l sunsh i ne8299@ )摘 要:描述了基于数字微镜器件(D M D )的动态红外景象投影系统的基本原理,设计了一种准直投影光学系统.此光学系统采用透射式,工作在(3~5) m 和(8~12) m 双红外波段,焦距为480mm,相对孔径为1 3 2,半视场角为1 3 ,入瞳距为240mm.最后对设计结果进行了分析,给出系统的调制传递函数曲线,表明光学系统的像质满足使用要求.关键词:数字微镜器件;红外景象投影;投影系统;光学设计中图分类号:TH 741 1+4;TN214文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)05-0838-03Optical syste m design of D M D -based dua-l band infrared scene projecti onCHANG H ong ,FAN Zh-i gang(School o fA stronautics ,H arb i n Institute of T echnology ,H arb i n 150001,Ch i na ,E -ma i:l sunsh i ne8299@ )Abst ract :The structure and funda m en tal pri n c i p l e o f D M D dyna m ic i n frared scene pro jecti o n syste m is de -scri b ed ,and t h e projection optics syste m is desi g ned .This pr o jecti o n syste m uses refracti o n m ode,l it co ll-im ates the infrared li g ht output fro m dig ita lm irror dev i c e i n 3~5 m and 8~12 m ,and enab l e s an i m age syste m to be tested out of 1 3 fi e l d o f v ie w .The effective focal length of th is F /3 2syste m is about 480mm.The resu lt o f th is desi g n is ana l y zed ,and the M odulati o n T ransfer Function (MTF)for fi v e-fie l d positi o n i n 3~5 m and 8~12 m sho w the better perfor m ance of the optica l syste m.K ey w ords :dig ita lm irror device ;I R scene pro jecti o n ;pr o jection syste m;optica l desi g n 收稿日期:2007-03-12.作者简介:常 虹(1982 ),女,博士研究生.随着愈来愈多的红外成像跟踪制导系统的开发和研制,其测试评估方法也发生了重大变化.利用动态红外景象半实物仿真技术,不仅可对红外系统进行快速实时的测试与评估,还可用来进行红外场景的投射,模拟真实的红外景象.景象投影方式是测试红外传感器系统的最完整的方法,也是最佳的选择[1],这种仿真方式如图1所示.在景象投影方式下,红外场景信号经过投影系统转换成相应频段的高逼真的红外动态图像,然后提供给红外导引头的光学及传感器部分,供导引头进行探测和识别.这种方式主要考察制导系统的成像、跟踪及抗干扰性能.景象投影的仿真模式已经成为目前导弹性能仿真的主要趋势[2].在动态红外景象投影系统中,红外投影仪是最关键、难度最大的部分.它的技术特点决定了景象生成器的性能.随着现代精确制导武器的发展,精确制导武器仿真系统的发展也随之而发展起来.双色导引头作为目前主要发展的精确制导武器之一,其仿真系统的研究也成为一项重要课题,而红外动态场景的生成是仿真系统中的关键技术之一.图1 景象投影方式半实物仿真系统1 技术原理此红外仿真系统采用数字微镜器件(D MD )作为景象生成器件,从物理原理上讲,该技术是对红外辐射进行反射调制而得到红外景象;但是在可见和紫外光波段,利用这种投影技术也可以产生逼真的动态景象,它具有高的空间分辨率、高帧频、无死像元、均匀性好、体积小、成本较低等特点[3].1 1 D MD 工作原理D MD 是一种用二进制脉宽调制的数字光开关,是目前世界上最复杂的光开关器件.D MD 是由成千上万个可倾斜的铝合金微镜组成的,其成像是靠微镜转动完成的,每一个像素上都有一个可以转动的微镜,每个微镜的尺寸为16 16 m ,微镜间隔约1 m,每个微镜都有 10 的偏转角分别对应 开 态和 关 态.平态时,像素微镜水平放置,投影镜头置于像素微镜的中垂线上;微镜偏转+10 时( 开 态),反射光线几乎全部通过投影系统;微镜偏转-10 时( 关 态),反射光线偏离投影系统,被吸收装置吸收,如图2所示.当光开关处于 开 态时,反射光可以通过投影透镜投射到屏幕上,屏幕上出现亮态;当光开关处于 关 态时,反射光投不到屏幕上,屏幕上出现了暗态,根据需要控制微镜的开、关状态,从而实现显示.图2 D M D 显示原理示意图1 2 D MD 红外景象投影系统工作原理D MD 动态红外景象投影系统,是基于T I 公司的DLP(D i g italL i g htProcessi n g)投影技术而开发的红外投影仪,它由以下几部分构成:照明系统、核心器件D MD 、投影系统、计算机图像生成器(C I G )、D MD 驱动电路等.整个仿真投影系统的结构如图3所示.微镜器件DMD 为系统的核心器件,位于系统中心.由计算机图像生成器产生图像数据,通过DLP 视频处理电路和D MD 驱动电路输入DMD 器件;用黑体辐射源均匀照射器件,利用D MD 反射调制入射辐射产生红外热图像.生成的红外景象通过图3 D M D 动态红外投影系统示意图光学准直投影系统投射到被测试单元(UUT)的入瞳处,使红外景象与真实目标和背景在探测器上的像斑大小、辐射能量空间分布一致.这样用D MD 产生的红外图像模拟真实目标和背景辐射,以达到评价制导系统性能的目的.由原理可以看出,准直投影光学系统对整个仿真系统至关重要.2 光学系统设计思想红外光学系统与可见光相比,红外光学系统必须具有大的通光孔径和大的相对孔径以收集更多的红外辐射,它的工作波段宽,与可见光相比,像差校正困难,红外光学材料的折射率都比较高,需要镀增透膜来减少反射损失.根据红外光学系统的特点,在设计时应遵循以下原则[4-5]:1)光学材料的选用,应保证在工作波段有较高的光学透过率;2)光学元件在加工工艺允许的范围内,使接收口径和相对孔径尽可能大以保证接收更多的能量,有较高的灵敏度.2 1 光学参数的确定由系统的工作原理可知,投影系统的物为景象生成器件(即DMD 芯片),且DMD 芯片置于投影系统的物方焦平面上,出射光为平行光.一般评价投影系统的成像质量时,将投影系统倒置.为设计方便采用反向设计方法,平行光入射,相当于无穷远物通过物镜成像,像面位于D M D 位置上.投影系统的出瞳(出瞳位置为倒置时的入瞳位置)应与导引头入瞳衔接,以有效利用辐射能量和避免不必要的杂散光进入导引头光学系统视场.为保证有一定误差时景象生成器输出能量也能完全充满导引头入瞳,可要求投影系统出瞳稍大于导引头入瞳.为有效利用景象生成器的各像元,又能完全覆盖整个导引头成像视场,最好使投影系统视场与导引头成像视场一致,或稍大于导引头视场.投影系统焦距由景象生成器的尺寸(D MD 的对角线尺寸)和投影系统视场确定.投影系统的分辨率受被测系统(导引头)和D MD 分辨率的限制,足够使用即可.综合考虑到能量、衍射、像差、测试以及装调等因素,确定指标如下:波段:(3~5) m 和(8~12) m 焦距:480mm ;F 数:3 2(>2 8)入瞳直径:150mm后焦距:>100mm分辨率:>4对线/mm (对应弥散斑直径125 m,弥散角约0 22m rad)2 2 初始结构型式选取受红外材料的限制,红外系统采用反射式比839 第5期常 虹,等:基于D M D 的红外双波段景象投影光学系统设计较多,但随着可用材料的增加,折射式红外系统在逐渐增多.为适应仿真系统小型化特点,红外物镜系统结构上选取折射式系统.此投影系统相对孔径比较大,焦距中等,视场较小,但系统的工作波段很宽,所以此红外投影系统至少要使用3片以上透镜.系统工作波段为(3~5) m 和(8~12) m 可用的材料主要有Si 、Ge 、ZnS 、ZnSe 等,红外材料具有高折射、低色散的特点,可透过(3~5) m 和(8~12) m 的红外辐射的材料很多,Ge 常用于(8~12) m 光谱带,Si 适用于(3~5) m 光谱带,硫化锌和硒化锌可用于(8~12) m 光谱带.考虑消色差条件,选取Ge 、ZnS 、ZnSe 作为红外物镜的材料.2 3 像质评价影响光学系统像质的因素,除了几何像差外,还有衍射效应.衍射是光波动产生的结果,它与波长及光学系统的F 数有关,而几何像差取决于光学零件表面的几何形状和材料的色散,可通过光学设计进行校正.对于红外光学系统,应结合衍射和几何像差两种因素来评价光学系统的像质.3 设计结果及分析经选择和分析,此光学系统选用4片透镜,如图4所示.从左至右第一片透镜材料为Ge ,第二片为ZnSe ,第三片为ZnS ,第四片为ZnSe .材料的折射率比较高,需要度增透膜.考虑到光瞳衔接的要求,将光阑置于系统第一个透镜之前240mm 处.图4 投影物镜结构由于实际光学系统中,光线通过一个半反半透镜,因此在第四片透镜后面加入一片材料为Ge 的半反半透镜.利用ZE MAX 优化得到最终结果.光学系统焦距f =480mm,入瞳直径150mm ,视场1 3 ,后焦距368 47mm .系统的传递函数曲线如图5和图6所示,图5为(3~5) m 波段系统的调制传递函数曲线,图6为(8~12) m 波段系统的调制传递函数曲线.由图5和图6可以看出,在(3~5) m 波段系统的分辨率可以达到10对线/mm ,在(8~12) m 波段系统的分辨率都可以达到7对线/mm ,设计要求只需满足4对线/mm .系统的像质能够满足使用要求.另外,影响像质的另一因素为衍射效应,系统的衍射艾里斑直径计算公式为=2 44 f /D.图5 (3~5) m波段各视场的调制传递函数曲线图6 (8~12) m 波段各视场的调制传递函数曲线光学系统的焦距480mm,入瞳直径150mm,利用上式计算系统艾里斑直径.对于(3~5) m 波段,中心波长取4 m ,可以得到,系统工作在(3~5) m 波段时,衍射艾里斑直径为31 232 m;对于(8~12) m 波段,中心波长取10 m,那么系统工作在(8~12) m 波段时,衍射艾里斑直径约为78 08 m.可以看到,艾里斑直径比较大,衍射效应比较强,这直接导致了系统像质的下降.4 结 论采用本文介绍的动态红外景象仿真系统,具有结构紧凑、响应速度快、空间分辨率高、动态范围宽等特点,得到的红外图像具有良好的分辨率、对比度及稳定性,可广泛用于红外半实物仿真系统.为此仿真系统设计的投影光学系统性能良好,能够满足中波红外和长波红外两个波段的使用要求.参考文献:[1]高德平.制导武器试验的半实物仿真技术[C]//中国航空学会电子专业委员会2003学术交流会论文集.北京:中国航空学会电子专业委员会,2003:123-139.[2]W I LL IAM S O M.Dyna m ic infrared scene projection :Arev ie w [J ].Infrared Physics &T echno logy ,1998,39(7):473-486.[3]陈二柱,梁平治.数字微镜器件动态红外景象投影技术[J].红外与激光工程,2003,32(4):331-334.[4]冯克成,刘景生.红外光学系统[M ].北京:兵器工业出版社,1995:124-149.[5]ROBERT E F .红外系统的光学设计[J].云光技术,2000,32(6):6-25.(编辑 张 宏)840 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第39卷。
