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(chǎng)景生成器件的紅外場(chǎng)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(chǎng)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(wú)法在很短的積分時(shí)間內(nèi),通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成高灰度等級(jí)的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景,為解決這個(gè)問(wèn)題,可采用雙DMD通過(guò)同步調(diào)制的模式來(lái)有效地提高紅外場(chǎng)景投影儀輸出紅外場(chǎng)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(chǎng)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(wú)窮遠(yuǎn)動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景的特大相對(duì)孔徑、長(zhǎng)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(chǎng)景投影儀采用DMD作為紅外場(chǎng)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(guò)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(chǎng)景投影儀產(chǎn)生的場(chǎng)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(guò)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(kāi)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(lái)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(lái)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(guò)DMD2調(diào)制得到的紅外圖像,準(zhǔn)直投射出去,模擬來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)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(guò)聚光鏡1、聚光鏡2輸出平行光,光闌通過(guò)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(lái)的像差,兩組TIR棱鏡1展開(kāi)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(lái)減小包括光闌像差在內(nèi)的各種像差。

圖3為光線經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)點(diǎn)的相對(duì)照度,EAv為21個(gè)視場(chǎng)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(wàn)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(kāi)”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(kāi)”態(tài)時(shí)的反射光線完成圖像的投影。

為了保證DMD在“開(kāi)”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(kāi)”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(lái)確定各片的角度,如圖4所示光線進(jìn)入棱鏡后,經(jīng)過(guò)DMD反射,“開(kāi)”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(guò)率。本設(shè)計(jì)中采用CaF2作為棱鏡材料,CaF2在紫外、可見(jiàn)光到紅外波段平均透過(guò)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(zhǎng),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(zhǎng)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(chǎng)、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(wú)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(zhǎng)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(kāi)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(chǎng)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(zhǎng),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(zhǎng)；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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景投影儀采用雙DMD同步調(diào)制模式來(lái)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(lái)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)景的目的。