基于雙DMD的紅外場景投影儀光學系統設計

鄭雅衛,胡 煜,郭云強,高教波,王 軍,李俊娜,吳江輝,劉 方,陳 青

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

1 引 言

隨著紅外成像傳感器的發展,紅外導引頭、紅外搜索與跟蹤系統、紅外告警系統等紅外光電系統性能進一步提高,這對半實物仿真試驗系統提出了更高的要求。對于以數字微反射鏡器件(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間的縮短要求DMD在較短的積分時間內產生高灰度等級的紅外場景,以提高半實物仿真測試的逼真度,由于DMD器件內部微反射鏡本身的偏轉時間有上限,因此單個DMD無法在很短的積分時間內,通過脈沖寬度調制(PWM)生成高灰度等級的動態紅外場景,為解決這個問題,可采用雙DMD通過同步調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。

本文重點討論了基于雙DMD的紅外場景投影儀光學系統的設計,其中包括能夠實現兩個DMD調制疊加的照明系統和能夠提供無窮遠動態紅外場景的特大相對孔徑、長出瞳距的準直投影光學系統。

2 光學系統方案

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驅動器接收圖形計算機輸出的數字圖像信號,將圖形計算機輸出的數字圖像信號轉換為紅外輻射圖像。由于被測紅外光電系統只能在探測器積分時間內探測到目標和背景信號,DMD調制時間與被測系統積分時間的相對關系決定了被測系統能否完全接收DMD調制產生的輻射信號。

脈沖寬度調制(PWM)的圖像生成方式是利用DMD微反射鏡的快速偏轉,通過對前一位產生時間的倍數累加而生成相應的灰度等級[1-2],在這種情況下,DMD的物理特性限制了其產生較高灰度等級的最小時間,因此當光電系統探測器的積分時間大約小于2.2 ms時,接收基于單個DMD場景投影儀產生的場景,會出現灰度缺損、接收輻射能量下降的現象。雙DMD同步調制模式采用兩個DMD分別調制圖像的紅外輻射強度和圖像的空間分布特征,通過同步控制器與被測光電系統同步工作,聯合完成灰度等級和空間分布的調制,即DMD1在一幀時間內,以相同的時間間隔按照不同比例開態生成均勻分布的格紋或條形圖案,再反射到產生二進制圖像的DMD2上,DMD2只需按照同一間隔時間產生灰度圖像的N位二進制編碼的分解二進制圖像即可,這樣原來1個DMD調制空間分布的同時利用時間積累調制輻射強度的任務分配給了2個DMD來完成,每個DMD負責其中的一部分工作,降低了單個DMD的數據處理帶寬,使整個系統的幀速和顯示灰度等級得到提高,即在很短的時間內實現高灰度等級。

2.2 投影儀光學系統的組成

如圖1所示,紅外投影儀光學系統由黑體、DMD、照明系統和準直投影光學系統組成,DMD1用于調制圖像的紅外輻射強度,DMD2用于調制圖像的空間分布特征；照明系統使DMD1上的紅外輻射強度調制和DMD2上圖像空間分布調制相疊加,實現對紅外光束的同步調制；準直投影光學系統將經過DMD2調制得到的紅外圖像,準直投射出去,模擬來自無窮遠的動態紅外場景。照明系統中的TIR棱鏡1連接光源和照明系統、TIR棱鏡2連接照明系統和準直投影光學系統,兩組TIR棱鏡是實現系統光路折轉和銜接的關鍵元件。

圖1 光學系統組成Fig.1 Composition of optical systems

3 照明系統設計

3.1 柯勒照明系統

如圖1所示,照明光學系統包括2組TIR棱鏡和2個聚焦鏡。照明光學系統[3-4]的作用就是盡可能多地收集光源發出的光,均勻地照射DMD器件。本設計選擇柯勒照明系統,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(照明系統的出瞳)上,這樣DMD2就獲得了均勻照明。

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

在照明系統的設計中,為了保證光源的能量有效地照明2個DMD,照明系統的物面及物方數值孔徑應與DMD1的有效輻射口徑及偏轉角度相匹配,照明系統的出瞳應與DMD2的大小相匹配或略大于DMD2 的大小。系統反向設計,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透鏡組一起優化計算。系統采用2片Ge透鏡,并利用非球面來減小包括光闌像差在內的各種像差。

圖3為光線經過照明系統后在DMD上的三維光強分布,表1為照明系統在21個視場點的相對照度。

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

表1 相對照度Tab.Relative illumination of the Kohlerillumination system

(1)

由標準差公式得到照度的均勻性公式:式中,Ei為1～21個視場點的相對照度,EAv為21個視場點相對照度的平均值,將表1的數據代入公式(1),得到照度的均勻性U=99 %。圖3和照度均勻性計算結果表明照明系統的均勻性達到了設計要求。

3.2 三片式全反射棱鏡設計

全反射棱鏡是照明系統中的關鍵元件。DMD是一種反射式空間光調制器,器件中的微反射鏡陣列由七十八萬多個(1024×768分辨率)可轉動的鋁質方形微反射鏡構成,它有“開”態、“平”態和“關”態三種狀態,分別對應偏轉+12°、0°和-12°,投影系統接收“開”態時的反射光線完成圖像的投影。

為了保證DMD在“開”態時所有光線都能進入投影光學系統,避免DMD在“平”態和“關”態時所有光線進入投影光學系統。本文設計了3片式全反射棱鏡[5-7],光路如圖4所示。當DMD偏轉到+12°(“開”態),出射光線由棱鏡Ⅲ出射,進入投影光學系統中,當DMD偏轉到0°(“平”態)和-12°(“關”態),出射光線均由棱鏡Ⅱ尖角處出射,不會進入投影光學系統。

圖4 全反射棱鏡光路Fig.4 Ray path of TIR prism

由全反射定律可知,入射光由光密介質進入光疏介質,入射角大于臨界角時,入射光發生全反射。全反射棱鏡設計就是利用全反射定律來確定各片的角度,如圖4所示光線進入棱鏡后,經過DMD反射,“開”態、 “平”態和“關”態三種狀態的光線均在棱鏡Ⅱ的界面1上發生全反射,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。本設計中采用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計,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,化學性能更穩定,便于光學加工。圖5為全內反CaF2棱鏡實物圖,其外形尺寸為45 mm×33 mm×30 mm。

圖5 全反射棱鏡Fig.5 TIR prism

4 準直投影光學系統設計

4.1 設計指標

表2為準直投影光學系統的設計指標(按光路追跡方向)。光學系統入瞳位于透鏡組前,大于800 mm處,F數為0.94,系統入瞳距長,相對孔徑特大,像差校正困難,所以合理選擇光學系統結構、光學材料是滿足投影儀對光學系統要求的關鍵[8]。

表2 準直投影光學系統設計指標Tab.2 Design specifications of the collimatingprojection optics

4.2 初始結構參數確定及優化

根據以往設計大口徑、長入瞳距準直投影光學系統的經驗,系統采用二次成像結構,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和材料是得到良好的優化結果,滿足像質要求的關鍵。

如圖6所示,在二次成像結構中,前物鏡組為無限遠成像系統,后物鏡組為近距成像系統。

圖6 二次成像結構光路Fig.6 Ray path of re-imaging configuration

(2)

前物鏡組的F1數和后物鏡組的放大倍數β、整個系統的F數存在以下關系:

(3)

而光學系統的F數和像方數值孔徑NA的關系為:

(4)

光學系統材料的選擇要考慮光譜范圍、材料的物理化學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汽相沉積的方式制造,口徑和厚度會受到限制,而且有些材料的物理化學特性會增加加工難度,比如CaF2和BaF2。由于Si密度小,價格相對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,節約成本。而CaF2和BaF2盡量用于口徑較小的透鏡。

系統優化可根據每組的參數先分別優化,再組合優化,三片式棱鏡展開為平行平板和整個系統一起優化。系統光闌位于鏡組前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,但會造成系統結構較長,因此在優化計算時,在保證像質的前提下應控制系統總長；另外畸變雖然不影響圖像的清晰度,但會引起投影圖像的變形和失真,隨著系統長度,畸變有可能增加,這時可在優化操作數中加入畸變加以控制,系統還可使用非球面提高像質,減少透鏡片數,減小成本、增大系統的透過率。

4.3 設計結果

如圖7所示,最終設計的光學系統由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2次非球面進一步提高像質。

圖7 光學系統結構圖Fig.7 Collimating projection optics layout

光學系統點列圖、調制傳遞函數和畸變分別如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 點列圖Fig.8 Spot diagram

圖9 調制傳遞函數Fig.9 Modulation transfer function

圖10 畸變Fig.10 Distortion

光學系統的光學參數及像質如表3所示。通過和設計指標對比,由均方根彌散圓計算得到的角分辨率小于0.2 mrad,畸變小于2 %,達到投影儀系統的指標要求。被測系統探測器的分辨率為640×512,像元為15 μm,其對應的空間頻率為33 lp/mm,此處的調制傳遞函數大于0.45,光學系統像質良好,完全可以滿足投影儀的使用要求。

表3 光學系統設計結果Tab.3 Design results of collimating projection optics

5 系統測試結果

圖11為紅外場景投射儀實物圖。利用標定好的紅外熱像儀對投影儀進行測試與仿真,可以驗證投影儀軟件及硬件(包括光學系統)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投影儀進行仿真測試實驗。圖12為系統輸出的灰度圖。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為當黑體溫度為600 ℃時,輸入黑白圖像的測試結果,圖像全黑時,熱像儀得到圖像的非均勻為0.5/22.2=2.2 %,均勻性為98.1 %；圖像全白時,熱像儀得到圖像的非均勻為3.3/168.7=1.9 %,均勻性為97.8 %,均大于95 %,優于技術指標要求。圖14(a)為計算機輸入的靜態源圖像,圖14(b)為熱像儀得到仿真圖像,像質優良,圖像逼真。測試結果表明本文設計的光學系統完全可以滿足投影儀的使用要求。

圖12 灰度測試結果Fig.12 Testing results of the grey level

圖13 均勻性測試結果Fig.13 Testing results of the uniformity

圖14 仿真圖像Fig.14 Simulation images

6 結 論

本文設計的場景投影儀采用雙DMD同步調制模式來提高系統的幀速和顯示灰度等級。照明系統采用柯勒照明系統來勻化光源,并采用三片式CaF2全內反棱鏡實現光路的折轉、銜接。準直投影光學系統采用二次成像結構來減小系統的口徑及重量,利用Ge、Si、CaF2等紅外材料組合消像差,其F數小于1,入瞳距850 mm,像質優良,結構緊湊。采用此光學系統的紅外場景投影儀實現了在較短積分時間內產生高灰度等級紅外場景的目的。