基于雙DMD的紅外場景投影儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭雅衛(wèi),胡 煜,郭云強(qiáng),高教波,王 軍,李俊娜,吳江輝,劉 方,陳 青

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.西安北方光電技術(shù)有限公司,陜西 西安 710043)

1 引 言

隨著紅外成像傳感器的發(fā)展,紅外導(dǎo)引頭、紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)等紅外光電系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高,這對(duì)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)提出了更高的要求。對(duì)于以數(shù)字微反射鏡器件(DMD)作為紅外場景生成器件的紅外場景投影儀而言,紅外成像傳感器積分時(shí)間的縮短要求DMD在較短的積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高灰度等級(jí)的紅外場景,以提高半實(shí)物仿真測(cè)試的逼真度,由于DMD器件內(nèi)部微反射鏡本身的偏轉(zhuǎn)時(shí)間有上限,因此單個(gè)DMD無法在很短的積分時(shí)間內(nèi),通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成高灰度等級(jí)的動(dòng)態(tài)紅外場景,為解決這個(gè)問題,可采用雙DMD通過同步調(diào)制的模式來有效地提高紅外場景投影儀輸出紅外場景的幀速和灰度等級(jí)。

本文重點(diǎn)討論了基于雙DMD的紅外場景投影儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中包括能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)DMD調(diào)制疊加的照明系統(tǒng)和能夠提供無窮遠(yuǎn)動(dòng)態(tài)紅外場景的特大相對(duì)孔徑、長出瞳距的準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)。

2 光學(xué)系統(tǒng)方案

2.1 雙DMD工作方式

紅外場景投影儀采用DMD作為紅外場景生成器件。DMD驅(qū)動(dòng)器接收?qǐng)D形計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字圖像信號(hào),將圖形計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外輻射圖像。由于被測(cè)紅外光電系統(tǒng)只能在探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)探測(cè)到目標(biāo)和背景信號(hào),DMD調(diào)制時(shí)間與被測(cè)系統(tǒng)積分時(shí)間的相對(duì)關(guān)系決定了被測(cè)系統(tǒng)能否完全接收DMD調(diào)制產(chǎn)生的輻射信號(hào)。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)的圖像生成方式是利用DMD微反射鏡的快速偏轉(zhuǎn),通過對(duì)前一位產(chǎn)生時(shí)間的倍數(shù)累加而生成相應(yīng)的灰度等級(jí)[1-2],在這種情況下,DMD的物理特性限制了其產(chǎn)生較高灰度等級(jí)的最小時(shí)間,因此當(dāng)光電系統(tǒng)探測(cè)器的積分時(shí)間大約小于2.2 ms時(shí),接收基于單個(gè)DMD場景投影儀產(chǎn)生的場景,會(huì)出現(xiàn)灰度缺損、接收輻射能量下降的現(xiàn)象。雙DMD同步調(diào)制模式采用兩個(gè)DMD分別調(diào)制圖像的紅外輻射強(qiáng)度和圖像的空間分布特征,通過同步控制器與被測(cè)光電系統(tǒng)同步工作,聯(lián)合完成灰度等級(jí)和空間分布的調(diào)制,即DMD1在一幀時(shí)間內(nèi),以相同的時(shí)間間隔按照不同比例開態(tài)生成均勻分布的格紋或條形圖案,再反射到產(chǎn)生二進(jìn)制圖像的DMD2上,DMD2只需按照同一間隔時(shí)間產(chǎn)生灰度圖像的N位二進(jìn)制編碼的分解二進(jìn)制圖像即可,這樣原來1個(gè)DMD調(diào)制空間分布的同時(shí)利用時(shí)間積累調(diào)制輻射強(qiáng)度的任務(wù)分配給了2個(gè)DMD來完成,每個(gè)DMD負(fù)責(zé)其中的一部分工作,降低了單個(gè)DMD的數(shù)據(jù)處理帶寬,使整個(gè)系統(tǒng)的幀速和顯示灰度等級(jí)得到提高,即在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高灰度等級(jí)。

2.2 投影儀光學(xué)系統(tǒng)的組成

如圖1所示,紅外投影儀光學(xué)系統(tǒng)由黑體、DMD、照明系統(tǒng)和準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)組成,DMD1用于調(diào)制圖像的紅外輻射強(qiáng)度,DMD2用于調(diào)制圖像的空間分布特征；照明系統(tǒng)使DMD1上的紅外輻射強(qiáng)度調(diào)制和DMD2上圖像空間分布調(diào)制相疊加,實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光束的同步調(diào)制；準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)將經(jīng)過DMD2調(diào)制得到的紅外圖像,準(zhǔn)直投射出去,模擬來自無窮遠(yuǎn)的動(dòng)態(tài)紅外場景。照明系統(tǒng)中的TIR棱鏡1連接光源和照明系統(tǒng)、TIR棱鏡2連接照明系統(tǒng)和準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng),兩組TIR棱鏡是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光路折轉(zhuǎn)和銜接的關(guān)鍵元件。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of optical systems

3 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 柯勒照明系統(tǒng)

如圖1所示,照明光學(xué)系統(tǒng)包括2組TIR棱鏡和2個(gè)聚焦鏡。照明光學(xué)系統(tǒng)[3-4]的作用就是盡可能多地收集光源發(fā)出的光,均勻地照射DMD器件。本設(shè)計(jì)選擇柯勒照明系統(tǒng),如圖2所示,光源通過聚光鏡1、聚光鏡2輸出平行光,光闌通過聚光鏡1、聚光鏡2成像在DMD2(照明系統(tǒng)的出瞳)上,這樣DMD2就獲得了均勻照明。

圖2 柯勒照明系統(tǒng)Fig.2 Kohler illumination system

在照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,為了保證光源的能量有效地照明2個(gè)DMD,照明系統(tǒng)的物面及物方數(shù)值孔徑應(yīng)與DMD1的有效輻射口徑及偏轉(zhuǎn)角度相匹配,照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與DMD2的大小相匹配或略大于DMD2 的大小。系統(tǒng)反向設(shè)計(jì),為校正TIR棱鏡組帶來的像差,兩組TIR棱鏡1展開為玻璃平板和照明系統(tǒng)透鏡組一起優(yōu)化計(jì)算。系統(tǒng)采用2片Ge透鏡,并利用非球面來減小包括光闌像差在內(nèi)的各種像差。

圖3為光線經(jīng)過照明系統(tǒng)后在DMD上的三維光強(qiáng)分布,表1為照明系統(tǒng)在21個(gè)視場點(diǎn)的相對(duì)照度。

圖3 DMD上的三維光強(qiáng)分布Fig.3 3D map of light distribution on the DMD

表1 相對(duì)照度Tab.Relative illumination of the Kohlerillumination system

(1)

由標(biāo)準(zhǔn)差公式得到照度的均勻性公式:式中,Ei為1～21個(gè)視場點(diǎn)的相對(duì)照度,EAv為21個(gè)視場點(diǎn)相對(duì)照度的平均值,將表1的數(shù)據(jù)代入公式(1),得到照度的均勻性U=99 %。圖3和照度均勻性計(jì)算結(jié)果表明照明系統(tǒng)的均勻性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 三片式全反射棱鏡設(shè)計(jì)

全反射棱鏡是照明系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。DMD是一種反射式空間光調(diào)制器,器件中的微反射鏡陣列由七十八萬多個(gè)(1024×768分辨率)可轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁質(zhì)方形微反射鏡構(gòu)成,它有“開”態(tài)、“平”態(tài)和“關(guān)”態(tài)三種狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)偏轉(zhuǎn)+12°、0°和-12°,投影系統(tǒng)接收“開”態(tài)時(shí)的反射光線完成圖像的投影。

為了保證DMD在“開”態(tài)時(shí)所有光線都能進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng),避免DMD在“平”態(tài)和“關(guān)”態(tài)時(shí)所有光線進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了3片式全反射棱鏡[5-7],光路如圖4所示。當(dāng)DMD偏轉(zhuǎn)到+12°(“開”態(tài)),出射光線由棱鏡Ⅲ出射,進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)中,當(dāng)DMD偏轉(zhuǎn)到0°(“平”態(tài))和-12°(“關(guān)”態(tài)),出射光線均由棱鏡Ⅱ尖角處出射,不會(huì)進(jìn)入投影光學(xué)系統(tǒng)。

圖4 全反射棱鏡光路Fig.4 Ray path of TIR prism

由全反射定律可知,入射光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì),入射角大于臨界角時(shí),入射光發(fā)生全反射。全反射棱鏡設(shè)計(jì)就是利用全反射定律來確定各片的角度,如圖4所示光線進(jìn)入棱鏡后,經(jīng)過DMD反射,“開”態(tài)、 “平”態(tài)和“關(guān)”態(tài)三種狀態(tài)的光線均在棱鏡Ⅱ的界面1上發(fā)生全反射,這就要求角α和角β要保證其入射光線的入射角不小于臨界角,而對(duì)于其他界面上折射的光線,要保證其入射角要小于臨界角。

對(duì)于中波紅外波段,棱鏡的材料可選擇CaF2、BaF2等紅外材料,這些材料在中波紅外波段具有很高的透過率。本設(shè)計(jì)中采用CaF2作為棱鏡材料,CaF2在紫外、可見光到紅外波段平均透過率高達(dá)93 %。和BaF2相比,CaF2在3～5 μm波段的折射率為1.4～1.42,折射率更小,有利于棱鏡角度的設(shè)計(jì),減小棱鏡的外形,CaF2的密度為3.181 g/cm3,也小于BaF2的密度,另外CaF2硬度更高,化學(xué)性能更穩(wěn)定,便于光學(xué)加工。圖5為全內(nèi)反CaF2棱鏡實(shí)物圖,其外形尺寸為45 mm×33 mm×30 mm。

圖5 全反射棱鏡Fig.5 TIR prism

4 準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2為準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)(按光路追跡方向)。光學(xué)系統(tǒng)入瞳位于透鏡組前,大于800 mm處,F數(shù)為0.94,系統(tǒng)入瞳距長,相對(duì)孔徑特大,像差校正困難,所以合理選擇光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)材料是滿足投影儀對(duì)光學(xué)系統(tǒng)要求的關(guān)鍵[8]。

表2 準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 Design specifications of the collimatingprojection optics

4.2 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及優(yōu)化

根據(jù)以往設(shè)計(jì)大口徑、長入瞳距準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu),壓縮光束,減小透鏡口徑和重量。由于受視場、入瞳大小及入瞳距的制約,第一片的口徑約為200 mm左右,軸外像差較大,因此合理選擇前物鏡組和后物鏡組的片數(shù)和材料是得到良好的優(yōu)化結(jié)果,滿足像質(zhì)要求的關(guān)鍵。

如圖6所示,在二次成像結(jié)構(gòu)中,前物鏡組為無限遠(yuǎn)成像系統(tǒng),后物鏡組為近距成像系統(tǒng)。

圖6 二次成像結(jié)構(gòu)光路Fig.6 Ray path of re-imaging configuration

(2)

前物鏡組的F1數(shù)和后物鏡組的放大倍數(shù)β、整個(gè)系統(tǒng)的F數(shù)存在以下關(guān)系:

(3)

而光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)和像方數(shù)值孔徑NA的關(guān)系為:

(4)

光學(xué)系統(tǒng)材料的選擇要考慮光譜范圍、材料的物理化學(xué)特性以及成本等因素。在中波紅外波段常用的材料有Ge、Si、CaF2、BaF2等。紅外材料具有較高的折射率,可有效地校正像差,但紅外材料是以晶體生長或化學(xué)汽相沉積的方式制造,口徑和厚度會(huì)受到限制,而且有些材料的物理化學(xué)特性會(huì)增加加工難度,比如CaF2和BaF2。由于Si密度小,價(jià)格相對(duì)便宜且容易得到較大口徑,第1片口徑200 mm的透鏡可考慮使用Si,可減輕重量,節(jié)約成本。而CaF2和BaF2盡量用于口徑較小的透鏡。

系統(tǒng)優(yōu)化可根據(jù)每組的參數(shù)先分別優(yōu)化,再組合優(yōu)化,三片式棱鏡展開為平行平板和整個(gè)系統(tǒng)一起優(yōu)化。系統(tǒng)光闌位于鏡組前850 mm處,軸外光線在鏡組上的投射高很大,造成慧差、像散、場曲、畸變和垂軸色差等軸外像差增大。不控制前物鏡組的焦距有利于這些像差的校正,但會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較長,因此在優(yōu)化計(jì)算時(shí),在保證像質(zhì)的前提下應(yīng)控制系統(tǒng)總長；另外畸變雖然不影響圖像的清晰度,但會(huì)引起投影圖像的變形和失真,隨著系統(tǒng)長度,畸變有可能增加,這時(shí)可在優(yōu)化操作數(shù)中加入畸變加以控制,系統(tǒng)還可使用非球面提高像質(zhì),減少透鏡片數(shù),減小成本、增大系統(tǒng)的透過率。

4.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

如圖7所示,最終設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)由8片透鏡組成。前物鏡組由材料分別為Si-Ge-Si-Ge的4片透鏡組成,后物鏡組由材料分別為Ge-Si-CaF2-Si的4片透鏡組成,其中采用2個(gè)2次非球面進(jìn)一步提高像質(zhì)。

圖7 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Collimating projection optics layout

光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)和畸變分別如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 點(diǎn)列圖Fig.8 Spot diagram

圖9 調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.9 Modulation transfer function

圖10 畸變Fig.10 Distortion

光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)及像質(zhì)如表3所示。通過和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比,由均方根彌散圓計(jì)算得到的角分辨率小于0.2 mrad,畸變小于2 %,達(dá)到投影儀系統(tǒng)的指標(biāo)要求。被測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器的分辨率為640×512,像元為15 μm,其對(duì)應(yīng)的空間頻率為33 lp/mm,此處的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.45,光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)良好,完全可以滿足投影儀的使用要求。

表3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.3 Design results of collimating projection optics

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

圖11為紅外場景投射儀實(shí)物圖。利用標(biāo)定好的紅外熱像儀對(duì)投影儀進(jìn)行測(cè)試與仿真,可以驗(yàn)證投影儀軟件及硬件(包括光學(xué)系統(tǒng))的性能。

圖11 紅外場景投射儀Fig.11 Infrared scene projector

利用FLIR公司的中波熱像儀對(duì)投影儀進(jìn)行仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖12為系統(tǒng)輸出的灰度圖。圖中的灰度曲線基本呈線性分布,圖像具有良好的灰度。圖13為當(dāng)黑體溫度為600 ℃時(shí),輸入黑白圖像的測(cè)試結(jié)果,圖像全黑時(shí),熱像儀得到圖像的非均勻?yàn)?.5/22.2=2.2 %,均勻性為98.1 %；圖像全白時(shí),熱像儀得到圖像的非均勻?yàn)?.3/168.7=1.9 %,均勻性為97.8 %,均大于95 %,優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求。圖14(a)為計(jì)算機(jī)輸入的靜態(tài)源圖像,圖14(b)為熱像儀得到仿真圖像,像質(zhì)優(yōu)良,圖像逼真。測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)完全可以滿足投影儀的使用要求。

圖12 灰度測(cè)試結(jié)果Fig.12 Testing results of the grey level

圖13 均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.13 Testing results of the uniformity

圖14 仿真圖像Fig.14 Simulation images

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的場景投影儀采用雙DMD同步調(diào)制模式來提高系統(tǒng)的幀速和顯示灰度等級(jí)。照明系統(tǒng)采用柯勒照明系統(tǒng)來勻化光源,并采用三片式CaF2全內(nèi)反棱鏡實(shí)現(xiàn)光路的折轉(zhuǎn)、銜接。準(zhǔn)直投影光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu)來減小系統(tǒng)的口徑及重量,利用Ge、Si、CaF2等紅外材料組合消像差,其F數(shù)小于1,入瞳距850 mm,像質(zhì)優(yōu)良,結(jié)構(gòu)緊湊。采用此光學(xué)系統(tǒng)的紅外場景投影儀實(shí)現(xiàn)了在較短積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高灰度等級(jí)紅外場景的目的。