基于双DMD的红外场景投影仪光学系统设计

郑雅卫,胡 煜,郭云强,高教波,王 军,李俊娜,吴江辉,刘 方,陈 青

(1.西安应用光学研究所,陕西 西安 710065；2.西安北方光电技术有限公司,陕西 西安 710043)

1 引 言

随着红外成像传感器的发展,红外导引头、红外搜索与跟踪系统、红外告警系统等红外光电系统性能进一步提高,这对半实物仿真试验系统提出了更高的要求。对于以数字微反射镜器件(DMD)作为红外场景生成器件的红外场景投影仪而言,红外成像传感器积分时间的缩短要求DMD在较短的积分时间内产生高灰度等级的红外场景,以提高半实物仿真测试的逼真度,由于DMD器件内部微反射镜本身的偏转时间有上限,因此单个DMD无法在很短的积分时间内,通过脉冲宽度调制(PWM)生成高灰度等级的动态红外场景,为解决这个问题,可采用双DMD通过同步调制的模式来有效地提高红外场景投影仪输出红外场景的帧速和灰度等级。

本文重点讨论了基于双DMD的红外场景投影仪光学系统的设计,其中包括能够实现两个DMD调制叠加的照明系统和能够提供无穷远动态红外场景的特大相对孔径、长出瞳距的准直投影光学系统。

2 光学系统方案

2.1 双DMD工作方式

红外场景投影仪采用DMD作为红外场景生成器件。DMD驱动器接收图形计算机输出的数字图像信号,将图形计算机输出的数字图像信号转换为红外辐射图像。由于被测红外光电系统只能在探测器积分时间内探测到目标和背景信号,DMD调制时间与被测系统积分时间的相对关系决定了被测系统能否完全接收DMD调制产生的辐射信号。

脉冲宽度调制(PWM)的图像生成方式是利用DMD微反射镜的快速偏转,通过对前一位产生时间的倍数累加而生成相应的灰度等级[1-2],在这种情况下,DMD的物理特性限制了其产生较高灰度等级的最小时间,因此当光电系统探测器的积分时间大约小于2.2 ms时,接收基于单个DMD场景投影仪产生的场景,会出现灰度缺损、接收辐射能量下降的现象。双DMD同步调制模式采用两个DMD分别调制图像的红外辐射强度和图像的空间分布特征,通过同步控制器与被测光电系统同步工作,联合完成灰度等级和空间分布的调制,即DMD1在一帧时间内,以相同的时间间隔按照不同比例开态生成均匀分布的格纹或条形图案,再反射到产生二进制图像的DMD2上,DMD2只需按照同一间隔时间产生灰度图像的N位二进制编码的分解二进制图像即可,这样原来1个DMD调制空间分布的同时利用时间积累调制辐射强度的任务分配给了2个DMD来完成,每个DMD负责其中的一部分工作,降低了单个DMD的数据处理带宽,使整个系统的帧速和显示灰度等级得到提高,即在很短的时间内实现高灰度等级。

2.2 投影仪光学系统的组成

如图1所示,红外投影仪光学系统由黑体、DMD、照明系统和准直投影光学系统组成,DMD1用于调制图像的红外辐射强度,DMD2用于调制图像的空间分布特征；照明系统使DMD1上的红外辐射强度调制和DMD2上图像空间分布调制相叠加,实现对红外光束的同步调制；准直投影光学系统将经过DMD2调制得到的红外图像,准直投射出去,模拟来自无穷远的动态红外场景。照明系统中的TIR棱镜1连接光源和照明系统、TIR棱镜2连接照明系统和准直投影光学系统,两组TIR棱镜是实现系统光路折转和衔接的关键元件。

图1 光学系统组成Fig.1 Composition of optical systems

3 照明系统设计

3.1 柯勒照明系统

如图1所示,照明光学系统包括2组TIR棱镜和2个聚焦镜。照明光学系统[3-4]的作用就是尽可能多地收集光源发出的光,均匀地照射DMD器件。本设计选择柯勒照明系统,如图2所示,光源通过聚光镜1、聚光镜2输出平行光,光阑通过聚光镜1、聚光镜2成像在DMD2(照明系统的出瞳)上,这样DMD2就获得了均匀照明。

图2 柯勒照明系统Fig.2 Kohler illumination system

在照明系统的设计中,为了保证光源的能量有效地照明2个DMD,照明系统的物面及物方数值孔径应与DMD1的有效辐射口径及偏转角度相匹配,照明系统的出瞳应与DMD2的大小相匹配或略大于DMD2 的大小。系统反向设计,为校正TIR棱镜组带来的像差,两组TIR棱镜1展开为玻璃平板和照明系统透镜组一起优化计算。系统采用2片Ge透镜,并利用非球面来减小包括光阑像差在内的各种像差。

图3为光线经过照明系统后在DMD上的三维光强分布,表1为照明系统在21个视场点的相对照度。

图3 DMD上的三维光强分布Fig.3 3D map of light distribution on the DMD

表1 相对照度Tab.Relative illumination of the Kohlerillumination system

(1)

由标准差公式得到照度的均匀性公式:式中,Ei为1～21个视场点的相对照度,EAv为21个视场点相对照度的平均值,将表1的数据代入公式(1),得到照度的均匀性U=99 %。图3和照度均匀性计算结果表明照明系统的均匀性达到了设计要求。

3.2 三片式全反射棱镜设计

全反射棱镜是照明系统中的关键元件。DMD是一种反射式空间光调制器,器件中的微反射镜阵列由七十八万多个(1024×768分辨率)可转动的铝质方形微反射镜构成,它有“开”态、“平”态和“关”态三种状态,分别对应偏转+12°、0°和-12°,投影系统接收“开”态时的反射光线完成图像的投影。

为了保证DMD在“开”态时所有光线都能进入投影光学系统,避免DMD在“平”态和“关”态时所有光线进入投影光学系统。本文设计了3片式全反射棱镜[5-7],光路如图4所示。当DMD偏转到+12°(“开”态),出射光线由棱镜Ⅲ出射,进入投影光学系统中,当DMD偏转到0°(“平”态)和-12°(“关”态),出射光线均由棱镜Ⅱ尖角处出射,不会进入投影光学系统。

图4 全反射棱镜光路Fig.4 Ray path of TIR prism

由全反射定律可知,入射光由光密介质进入光疏介质,入射角大于临界角时,入射光发生全反射。全反射棱镜设计就是利用全反射定律来确定各片的角度,如图4所示光线进入棱镜后,经过DMD反射,“开”态、 “平”态和“关”态三种状态的光线均在棱镜Ⅱ的界面1上发生全反射,这就要求角α和角β要保证其入射光线的入射角不小于临界角,而对于其他界面上折射的光线,要保证其入射角要小于临界角。

对于中波红外波段,棱镜的材料可选择CaF2、BaF2等红外材料,这些材料在中波红外波段具有很高的透过率。本设计中采用CaF2作为棱镜材料,CaF2在紫外、可见光到红外波段平均透过率高达93 %。和BaF2相比,CaF2在3～5 μm波段的折射率为1.4～1.42,折射率更小,有利于棱镜角度的设计,减小棱镜的外形,CaF2的密度为3.181 g/cm3,也小于BaF2的密度,另外CaF2硬度更高,化学性能更稳定,便于光学加工。图5为全内反CaF2棱镜实物图,其外形尺寸为45 mm×33 mm×30 mm。

图5 全反射棱镜Fig.5 TIR prism

4 准直投影光学系统设计

4.1 设计指标

表2为准直投影光学系统的设计指标(按光路追迹方向)。光学系统入瞳位于透镜组前,大于800 mm处,F数为0.94,系统入瞳距长,相对孔径特大,像差校正困难,所以合理选择光学系统结构、光学材料是满足投影仪对光学系统要求的关键[8]。

表2 准直投影光学系统设计指标Tab.2 Design specifications of the collimatingprojection optics

4.2 初始结构参数确定及优化

根据以往设计大口径、长入瞳距准直投影光学系统的经验,系统采用二次成像结构,压缩光束,减小透镜口径和重量。由于受视场、入瞳大小及入瞳距的制约,第一片的口径约为200 mm左右,轴外像差较大,因此合理选择前物镜组和后物镜组的片数和材料是得到良好的优化结果,满足像质要求的关键。

如图6所示,在二次成像结构中,前物镜组为无限远成像系统,后物镜组为近距成像系统。

图6 二次成像结构光路Fig.6 Ray path of re-imaging configuration

(2)

前物镜组的F1数和后物镜组的放大倍数β、整个系统的F数存在以下关系:

(3)

而光学系统的F数和像方数值孔径NA的关系为:

(4)

光学系统材料的选择要考虑光谱范围、材料的物理化学特性以及成本等因素。在中波红外波段常用的材料有Ge、Si、CaF2、BaF2等。红外材料具有较高的折射率,可有效地校正像差,但红外材料是以晶体生长或化学汽相沉积的方式制造,口径和厚度会受到限制,而且有些材料的物理化学特性会增加加工难度,比如CaF2和BaF2。由于Si密度小,价格相对便宜且容易得到较大口径,第1片口径200 mm的透镜可考虑使用Si,可减轻重量,节约成本。而CaF2和BaF2尽量用于口径较小的透镜。

系统优化可根据每组的参数先分别优化,再组合优化,三片式棱镜展开为平行平板和整个系统一起优化。系统光阑位于镜组前850 mm处,轴外光线在镜组上的投射高很大,造成慧差、像散、场曲、畸变和垂轴色差等轴外像差增大。不控制前物镜组的焦距有利于这些像差的校正,但会造成系统结构较长,因此在优化计算时,在保证像质的前提下应控制系统总长；另外畸变虽然不影响图像的清晰度,但会引起投影图像的变形和失真,随着系统长度,畸变有可能增加,这时可在优化操作数中加入畸变加以控制,系统还可使用非球面提高像质,减少透镜片数,减小成本、增大系统的透过率。

4.3 设计结果

如图7所示,最终设计的光学系统由8片透镜组成。前物镜组由材料分别为Si-Ge-Si-Ge的4片透镜组成,后物镜组由材料分别为Ge-Si-CaF2-Si的4片透镜组成,其中采用2个2次非球面进一步提高像质。

图7 光学系统结构图Fig.7 Collimating projection optics layout

光学系统点列图、调制传递函数和畸变分别如图8、图9和图10所示。

图8 点列图Fig.8 Spot diagram

图9 调制传递函数Fig.9 Modulation transfer function

图10 畸变Fig.10 Distortion

光学系统的光学参数及像质如表3所示。通过和设计指标对比,由均方根弥散圆计算得到的角分辨率小于0.2 mrad,畸变小于2 %,达到投影仪系统的指标要求。被测系统探测器的分辨率为640×512,像元为15 μm,其对应的空间频率为33 lp/mm,此处的调制传递函数大于0.45,光学系统像质良好,完全可以满足投影仪的使用要求。

表3 光学系统设计结果Tab.3 Design results of collimating projection optics

5 系统测试结果

图11为红外场景投射仪实物图。利用标定好的红外热像仪对投影仪进行测试与仿真,可以验证投影仪软件及硬件(包括光学系统)的性能。

图11 红外场景投射仪Fig.11 Infrared scene projector

利用FLIR公司的中波热像仪对投影仪进行仿真测试实验。图12为系统输出的灰度图。图中的灰度曲线基本呈线性分布,图像具有良好的灰度。图13为当黑体温度为600 ℃时,输入黑白图像的测试结果,图像全黑时,热像仪得到图像的非均匀为0.5/22.2=2.2 %,均匀性为98.1 %；图像全白时,热像仪得到图像的非均匀为3.3/168.7=1.9 %,均匀性为97.8 %,均大于95 %,优于技术指标要求。图14(a)为计算机输入的静态源图像,图14(b)为热像仪得到仿真图像,像质优良,图像逼真。测试结果表明本文设计的光学系统完全可以满足投影仪的使用要求。

图12 灰度测试结果Fig.12 Testing results of the grey level

图13 均匀性测试结果Fig.13 Testing results of the uniformity

图14 仿真图像Fig.14 Simulation images

6 结 论

本文设计的场景投影仪采用双DMD同步调制模式来提高系统的帧速和显示灰度等级。照明系统采用柯勒照明系统来匀化光源,并采用三片式CaF2全内反棱镜实现光路的折转、衔接。准直投影光学系统采用二次成像结构来减小系统的口径及重量,利用Ge、Si、CaF2等红外材料组合消像差,其F数小于1,入瞳距850 mm,像质优良,结构紧凑。采用此光学系统的红外场景投影仪实现了在较短积分时间内产生高灰度等级红外场景的目的。