基于DMD成像控制系统的研究

卢毅，徐熙平，丁浩，杜轶男

（长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

基于DMD成像控制系统的研究

卢毅，徐熙平，丁浩，杜轶男

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

基于数字微镜器件DMD的工作原理，提出一种应用于激光防护的DMD成像控制系统，利用DMD对光的调制作用，来保护光电成像器件CCD不受激光致盲武器的干扰或破坏。介绍了DMD的工作原理，并从整体上分析了DMD成像控制系统的结构。DMD系统控制和CCD图像采集上进行了软件设计，实现了CCD通过Camera Link图像采集卡采集图像数据及干扰激光光斑的识别。在DMD和CCD像素对应问题上，采用了相移莫尔法的调校方法，通过分析莫尔条纹的相位分布来实现像素的一一对应。最终通过DMD调制后的图像可以清晰看出，系统有效地识别了激光光斑及对DMD的控制，抑制了图像产生的饱和现象，达到了排除干扰激光保护光电成像器件的目的。

数字微镜器件；CCD；激光防护；激光光斑；图像采集

现代战争中，精确制导武器凭借着命中精度高、射程远、机动性好、火力强等优点作为主战武器频繁出现。随着光电成像制导技术在导弹制导武器系统中的大量应用，使精确制导武器的作战能力极具增强，为了应对这种制导技术带来的巨大威胁，激光致盲作为一种新型的软杀伤激光武器应运而生［1，2］。激光致盲武器主要是利用强激光照射到精确制导武器的光电成像器件中，干扰光信号的传输，使其损坏或过载，它具有命中精度极高、攻击速度快、操作灵活和耗能少等优点［3，4］。光电制导武器中的成像器件面临巨大的危机，为了在现代战争中有效防御激光致盲武器的杀伤，本实验采用了一种基于DMD成像的控制系统，利用数字微镜器件的光调制作用，来保护光电成像器件［5，6］。

1　DMD成像控制系统的构建

1.1DMD及成像系统工作原理

数字光处理（DLP），是一项应用于数字电视、数码相机及投影仪中的显像技术，其核心是数字微镜晶片（DMD）。DMD是上世纪八十年代美国德州仪器公司首先发明的，实际上它是运用微电子机械系统（MEMS）技术，将百万个可以转动的微小方形铝制反射镜，以阵列的方式集成在CMOS硅基片上的半导体光开关。每个微型反射镜表示一个像素，可以由数字信号控制，利用其下方类似铰链作用的转动装置，实现镜片沿对角线为轴的独立转动，进而达到调制光线的目的。DMD结构与实物如图1所示。

图1　DMD结构与实物图

DMD每个反射镜都有三种独立的工作状态，即+12°（处于投影状态被示为“开”态）、-12°（处于非投影状态被示为“关”态）、0°（投影物镜光轴与反射镜的中垂线重合被示为“平”态）。DMD在工作时，通过开关控制反射光线角度，进而控制光线是否进入成像器件，其作用相当于一个布尔开关。并通过开关的频率控制成像器件的积分时间，来改变图像的灰度等级。DMD具有快速开关、衍射效率高、偏振不相关、显示精度高和宽带调制等特点，被广泛应用于高清大屏幕投影等领域。

图2　DMD成像分析系统工作原理图

DMD成像系统包括数字微晶器件DMD及其驱动、投影光学系统、转像光学系统和CCD。系统由投影光学系统接收入射光，入射光分成环境光和强激光，本实验系统的目的就是要排除入射光中的强激光，来保护CCD相机的成像。经过投影光学系统的入射光照射到DMD，由DMD进行光调制处理，再通过转像光学系统反射到CCD相机的表面进行成像。上位机接收CCD实时产生的视频信号，通过光斑检测的算法进行图像处理，分析出图像中由强激光照射所产生的光饱和区域，并形成DMD能识别的模板图片发送给DMD驱动控制系统。DMD根据控制信号进行光学调制，极大地减弱入射光中强激光的能量，有效地抑制了视频图像产生的光饱和现象，从而达到防护目的。DMD成像分析系统工作原理图如图2所示。

1.2子系统的构建

1.2.1DMD驱动控制系统

数字微镜晶片DMD是本系统的核心器件，主要由TI公司生产，其控制电路的核心芯片也是该公司为微反射镜器件设计开发的。本系统选用XD-ED01N 型DMD开发系统，具体参数如表1所示。

表1　XD-ED01N型DMD开发系统参数

XD-ED01N型DMD是分离式，通过高密度数据线与控制板相连，这样有利于进行光路调整，同时带有板载DDR2内存，可以实现图像以超过1000Hz的速度循环播放，外触发方式也更有了可靠性上的保证，其实物图如图3所示。

图3　XD-ED01N型DMD开发系统

1.2.2CCD相机的选型与图像采集

由于转像光学系统无法实现DMD与CCD单一像素的一一对应，又为了实现后续的对应关系，所以需要选择分辨率高的CCD。但高分辨率就会以牺牲帧频为代价，在保证DMD与CCD像素一一对应关系，又保证帧频的前提下，本实验系统选择SONY公司的140万像素CCD型号为ICX285AL，其具体参数如表2所示。

表2　ICX285AL型CCD参数

系统采用Silicon Software公司提供具有两路Camera Link通道的MicroEnable IV系列图像采集卡AD1-CL，采用PCI Epress总线接口，最高时钟频率达到85MHz。Camera Link协议是为了解决工业相机和计算机的高速数据传输而提出的一种标准接口规范，由全球一些知名的工业相机厂商和图像采集卡厂商共同提出。

2　DMD成像控制系统的设计

转像光学系统中，由于DMD和CCD的像素尺寸都非常小，所以DMD各个反射镜和CCD各个像素之间的通讯并不稳定。本实验系统采用了基于相移莫尔法的像素通信调校方法，此方法只需采集一幅图像，分析DMD反射镜和CCD像素之间不匹配或错位时的莫尔条纹的相位分布。这种方法的调校精度很高，能够准确检测到不匹配和错位情况，误差小于1/25像素。

产生莫尔条纹的两个光栅的空间频率分别为fA和 fB，则此莫尔条纹的空间频率为 fA-fB。DMD反射镜和CCD像素之间的空间频率存在线性差异时产生莫尔条纹，说明DMD反射镜和CCD像素之间不是一一对应的，存在不匹配或偏移量，产生的原因可能是DMD和CCD大小不等或错位旋转不一致，如图4所示。

图4　DMD和CCD的不匹配和错位

图5为DMD像素与CCD像素对应原理图。为了更方便观察莫尔条纹，本系统采用了稀疏图像和复制图像两种成像的方法。稀疏图像是在原始图像中每四个像素取一个得到的，这些被采集的像素称为“稀疏化”像素。复制图像就是一幅稀疏化的像素复制到下一幅稀疏化的图像。复制图像中出现莫尔条纹，说明存在不匹配或错位，反之不会出现莫尔条纹。

图5　DMD像素与CCD像素对应原理图

图6为相移莫尔法示意图，（a）中黑点表示CCD相机的采样点位置；（b）表示DMD反射镜与CCD各个像素一一对应时图像；（c）为（b）的稀疏化图像；（d）为（c）的复制图像；（e）为DMD反射镜与CCD像素不对应时的采样点；（f）为DMD的图案间距为采样点间距的1.125倍；（g）—（j）为相位间隔为π/2的稀疏化图像；（k）—（n）为（g）—（j）代替前面的点图像所得的复制图像。图6显示出莫尔条纹是可见的，并且还显示了不匹配时，莫尔条纹是如何被用来调整像素与像素对应关系的。

图6　相移莫尔法示意图

四幅相移图像表示如下：

其中，Ib（x，y）为图像背景强度，Ia（x，y）为光栅振幅强度，φ（x，y）为初始值。莫尔条纹相位分布由公式（5）表示：

在相移莫尔法中，四个像素为校准图像的一个周期，所以四个像素不匹配或错位位置对应的相位为2π。不匹配或错位量m为：

其中，Δφ为相位差，p为校准图像的间距。

莫尔条纹的相位分布反应了不匹配或错位的情况，莫尔条纹数量越多不匹配程度越大，所以要减少莫尔条纹，直到CCD图像中不出现莫尔条纹。

3　实验结果及分析

图7　实验模拟结果

DMD成像控制系统软件在Microsoft Visual Studio 2008环境下，基于对话框MFC编程。界面中包含图像信息区域、图像显示区域、DMD控制区域、采集区域和状态显示区域。在实验室环境下模拟强激光干扰，没有经过DMD调制的图像产生了饱和区域，而经过DMD调制的图像，强激光干扰处显示为黑色区域，模拟实验结果如图7所示。

4　结论

本实验系统基于DMD对光调制作用的原理，通过对CCD相机图像的处理，分析干扰激光产生的CCD饱和区域，反馈并控制DMD相应的微镜处于关闭状态，使干扰激光不能进入CCD成像，从而达到了排除干扰激光保护CCD相机的目的。

［1］ Instruments T.Single panel DLP projection system optics［J］.Application Report，Discovery DLPA002，2005 （3）：1-32.

［2］ Saldner HO，Huntley JM.Profilometry using temporal phase unwrapping and a spatial light modulator-basedfringeprojector［J］.OpticalEngineering，1997，36（2）：610-615.

［3］ 陈怀章，王延杰，孙宏海，等.DMD结合图像传感器的高动态场景成像探测［J］.红外与激光工程，2013，43 （12）：3402-3409.

［4］ 陈笑，颜玢玢，宋菲君，等.DMD光栅的衍射特性及其在可调谐激光中的应用［J］.光学学报，2012，32（7）：5031-5037.

［5］ 丁晟，张智诠.基于DMD的多元探测成像系统设计的几个问题［J］.红外技术，2014，36（6）：457-462.

［6］ 庄佳衍，何伟基，陈钱.基于DMD的区域积分时间可控成像［J］.光学技术，2012，38（6）：689-692.

Research on DMD Imaging Control System

LU Yi，XU Xiping，DING Hao，DU Yinan
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Based on the digital micromirror device DMD working principle presents a DMD imaging used in laser protection control system，using DMD light modulation，to protect the photovoltaic CCD imaging device without interference or disruption of blinding laser weapons.This paper describes the working principle of DMD and overall analysis of the structure DMD imaging control system.DMD system control，the CCD image acquisition software were designed to achieve the recognition via CCD Camera Link picture acquisition card collecting picture data and interfering laser spot.On DMD and CCD pixel corresponds issue，using a phase shift Moiré tuning method by analyzing the phase distribution moiré to achieve the corresponding pixel.Ultimately through DMD imaging system control and contrast，you can clearly see，the system effectively identify and control the laser spot on the DMD，suppress saturation phenomenon of generated image，and achieve the purpose of laser protection correct the interference by optical imaging device.

digital micromirror device；CCD；laser protection；laser spot；image acquisition

O614.33

A

1672-9870（2015）06-0021-04

2015-10-22

卢毅（1985-），男，硕士，实验师，E-mail：luyi@cust.edu.cn