CN101943609A - 双套dmd显示图像在物面叠加的红外景象生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法。采用两套红外DMD动态图像转换器，每套DMD动态图像转换器在积分时间内显示m级灰度的图像，两幅m级灰度的图像在物面叠加生成具有m2个灰度数的动态红外景象。每增加一套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，使之满足相同的空间位置关系和光强关系，即可将生成的动态红外景象的灰度数提高到原来的m倍。本发明可用于短积分时间内大灰度数的基于DMD的红外景象模拟器的研制。
Description
(一)技术领域
本发明属于红外传感器技术领域，具体涉及一种用于室内条件下进行红外成像传感器功能和精度半实物仿真测试的双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法。
(二)背景技术
红外成像传感器广泛应用于天文学、空间科学、夜间观察、红外成像制导、搜索、跟踪、告警以及科学实验中。为了测试用于卫星、红外成像导引头、红外搜索与跟踪系统、红外告警系统的红外成像传感器的性能，需要在实验室内为其提供一定的与使用条件匹配的红外景象作为输入图像，使红外成像传感器产生一定的输出，进行半实物仿真测试。数字阵列器件(digital micromirror devices，DMD)可产生宽波段红外光学景象。美国光科公司最早将DMD用于中波红外和长波红外景象的产生(Proceedings of SPIE，Technologies for SyntheticEnvironments：Hardware-in-the- Loop Testing VI，2001，4366：96-102)。申请者也开发出基于DMD的红外景象模拟器(红外与激光工程，2008，37(5)：753)。现有的基于DMD的红外景象模拟器主要由图形计算机1、红外DMD动态图像转换器2和红外成像光学系统3组成，其工作原理如图1所示。红外DMD动态图像转换器包含黑体6、红外光源光学系统7、DMD 8和红外DMD动态图像转换器的驱动器9。红外DMD动态图像转换器的驱动器接收图形计算机输出的数字图像信号，驱动DMD工作。DMD通过调制光源发出的经红外光源光学系统会聚的光将图形计算机输出的数字图像信号转变为红外辐射图像，再由红外成像光学系统成像在成像面，待测试的红外成像传感器的探测面位于成像面，供光学成像传感器系统仿真测试使用。
DMD通常采用脉冲宽度调制实现对图像灰度的控制。在一帧时间内，DMD根据驱动器输入的脉宽信号，通过控制DMD的微镜反射照射其上的光进入成像光学系统的时间来实现对像素灰度的数字控制。
随着红外成像传感器的发展，红外成像传感器的积分时间越来越短。这意味着，在一帧时间内，只有在红外成像传感器的积分时间内控制DMD的微镜反射照射其上的光进入成像光学系统的时间才是有效的。例如，对于积分时间只有500μs的红外成像传感器，需要在500μs内通过脉冲宽度调制完成对像素灰度的数字控制。但是，现有的DMD及其驱动器控制一个微镜处于开态(能够反射照射其上的光进入成像光学系统的状态)的最短时间通常为15μs， 因此，DMD的微镜反射光进入成像光学系统的最短时间通常为15μs。这样，在500μs积分时间内通过脉冲宽度调制只能实现33级灰度。另一方面，在进行500μs短积分时间的红外成像传感器功能和精度半实物仿真测试时，需要提供更高灰度数的红外景象，例如256级灰度的红外景象，以提高半实物仿真测试的逼真度。因此，现有的基于单个DMD的红外景象生成方法无法在短积分时间内，通过脉冲宽度调制生成大灰度数的红外景象。
(三)发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足。
本发明的另外一个目的是提出一种双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法。
本发明的解决方案是：一种双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法，其特征在于图形计算机1将一幅原始数字灰度图像按照m进制方法分解为两幅数字灰度图像a和b，分别对应原始数字灰度图像的低灰度段和高灰度段；(m≥2，整数)；
两套红外DMD动态图像转换器2-1，2-2分别将两幅数字灰度图像a和b在待测试红外成像传感器的积分时间内同步转换为两幅m级灰度的红外辐射图像；
两套红外DMD动态图像转换器均包含红外光源6、红外光源光学系统7、位于红外成像光学系统3物面上的DMD 8和红外DMD动态图像转换器的驱动器9；
DMD 8采用脉冲宽度调制实现对图像灰度的控制；
两幅红外辐射图像在物面上叠加，对应像素重合；
两幅红外辐射图像经过其后面的红外分束器5合束，再经红外成像光学系统3成像在成像面4上；
通过设计红外分束器5的反射率和透过率以及选择红外DMD动态图像转换器的光源强度，使位于红外分束器5与红外成像光学系统3之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强满足关系E2/E1＝m，E2为第二套DMD动态图像转换器2-2的DMD 8处于开态的一个像素经过红外分束器反射后在面10上的光强，E1为第一套DMD动态图像转换器2-1的DMD 8处于开态的一个像素经过红外分束器透射后在面10上的光强，从而在该物面上实现m2级灰度图像的显示效果，生成具有m2个灰度数的动态红外景象。
本发明实现红外DMD动态图像转换器2输出红外图像在红外分束器5与红外成像光学系统3之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强关系的方法，并不要求红外分束器的反射率与透过率之比为m∶1，增加了实现的灵活性和可操作性。采用现有技术可实现对DMD动态图像转换器的光源强度的控制，例如，通过改变黑体的工作温度来控制黑体红外光源的强度。
本发明涉及的一种双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法，只需再增加一 套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，并使之满足相同的空间位置关系和光强关系，即可将生成的红外景象的灰度数提高到原来的m倍。
本发明具有以下效果：本发明采用两套DMD动态图像转换器，每套DMD动态图像转换器在积分时间内显示m级灰度的图像，两幅m级灰度的图像在物面叠加生成具有m2个灰度数的动态红外景象。每增加一套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，即可将生成的动态红外景象的灰度数提高到原来的m倍。本发明解决了现有的单个DMD红外景象模拟器不能在短积分时间内提供大灰度数的红外景象问题，可用于短积分时间内大灰度数的DMD红外景象模拟器的研制。
(四)附图说明
图1是现有的基于DMD的光学景象模拟器的工作原理图。
图2是本发明双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法的示意图。
图3实现256级灰度的16进制分解方法(未全给出)。
其中序号1是图形计算机，2是红外DMD动态图像转换器2-1，2-2，3是红外成像光学系统，4是待测试红外成像光学系统的成像面，5是红外分束器，6是红外光源，7是红外光源光学系统，8是DMD，9是红外DMD动态图像转换器的驱动器，10是位于红外分束器与红外成像光学系统之间的任意一个与光轴垂直的面。
(五)具体实施方式
结合图2说明本实施方式，在500μs积分时间内实现256级灰度的2-5μm红外景象生成。
图形计算机1将一幅原始256级灰度的数字图像按照16进制方法分解为两幅数字灰度图像a和b，分别对应原始数字灰度图像的低灰度段和高灰度段。参考图3实现256级灰度的16进制分解方法，若原始灰度数字图像一个像素的灰度数为248，则两幅数字灰度图像a和b对应像素的灰度数为8(低灰度段)和15(高灰度段)；若灰度数字图像一个像素的灰度数为122，则两幅数字灰度图像a和b对应像素的灰度数为10(低灰度段)和7(高灰度段)。
1024×768个微镜的2-5μm红外DMD动态图像转换器2-1和2-2的驱动器9分别接收图形计算机1输出的数字灰度图像a和b，驱动DMD在500μs积分时间内将数字灰度图像同步转换为16级灰度的红外输出图像。16级灰度中，0灰度数对应DMD的微镜处于关态(不能反射照射其上的光进入红外成像光学系统的状态)，1灰度数对应DMD的微镜处于开态的时间为31.25μs，2灰度数对应DMD的微镜处于开态的时间为62.5μs，依此类推。由于要求DMD的微镜处于开态的最短时间31.25μs大于现有的DMD及其驱动器所能控制一个微镜处于开态的最短时间15μs，现有的DMD及其驱动器能够在500μs积分时间内将数字灰度图像转换为16级灰度的红外输出图像。
红外DMD动态图像转换器2-1和2-2的DMD 8都位于红外成像光学系统3的物面上，两幅红外辐射图像在物面上叠加，对应像素重合，保证红外DMD动态图像转换器2-1和2-2输出的红外辐射图像经过红外分束器合束，再经过红外成像光学系统后成像在成像面4上。
设红外DMD动态图像转换器2-1的DMD处于开态的一个微镜输出的红外辐射在红外分束器5与红外成像系统之间的任意一个与光轴垂直的面10上的光强为E。红外DMD动态图像转换器2-1的驱动器控制DMD的每个微镜在500μs积分时间内处于开态的时间可为31.25n(n＝0，1，......，15)，对应面10上单位面积的能量为31.25nE。通过选择红外DMD动态图像转换器2-2的黑体温度来调整光源强度，使红外DMD动态图像转换器2-2的DMD处于开态的一个微镜输出的红外辐射在面10上的光强为16E。红外DMD动态图像转换器2-2的驱动器控制DMD的每个微镜在500μs积分时间内处于开态的时间可为31.25i(i＝0，1，......，15)，对应面10上单位面积的能量为31.25×16iE。红外DMD动态图像转换器2-1的DMD的一个微镜的输出与红外DMD动态图像转换器2-2的DMD的对应微镜的输出在面10上相加，在面10上可实现31.25lE(l＝0，1，......，255)共256级单位面积的能量，从而在物面上实现256级灰度图像的显示效果，生成具有256个灰度数的2-5μm红外动态光学景象。
前面的示范性实施例，不应该理解为是对本发明的限制。此外，对本发明示范性实施例的描述的用意是为了例示，而不是限制本发明的范围，许多替代、修改和改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
Claims (3)
1.一种双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法，其特征在于：
图形计算机(1)将一幅原始数字灰度图像按照m进制方法分解为两幅数字灰度图像a和b，分别对应原始数字灰度图像的低灰度段和高灰度段；(m≥2，整数)；
两套红外DMD动态图像转换器(2-1，2-2)将两幅数字灰度图像a和b在待测试红外成像传感器的积分时间内同步转换为两幅m级灰度的红外辐射图像；
两套红外DMD动态图像转换器均包含红外光源(6)、红外光源光学系统(7)、位于红外成像光学系统(3)物面上的DMD(8)和红外DMD动态图像转换器的驱动器(9)；
DMD(8)采用脉冲宽度调制实现对图像灰度的控制；
两幅红外辐射图像在物面上叠加，对应像素重合；
两幅红外辐射图像经过其后面的红外分束器(5)合束，再经红外成像光学系统(3)成像在成像面(4)上；
通过设计红外分束器(5)的反射率和透过率以及选择红外DMD动态图像转换器的光源强度，使位于红外分束器(5)与红外成像光学系统(3)之间的任意一个与光轴垂直的面(10)上的光强满足关系E2/E1＝m，E2为第二套DMD动态图像转换器的DMD(8)处于开态的一个像素经过红外分束器反射后在面(10)上的光强，E1为第一套DMD动态图像转换器的DMD(8)处于开态的一个像素经过红外分束器透射后在面(10)上的光强，从而在该物面上实现m2级灰度图像的显示效果，生成具有m2个灰度数的动态红外景象。
2.根据权利要求1所述的双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成系统，其特征在于图形计算机(1)与两套红外DMD动态图像转换器(2)连接，红外分束器(5)位于两套红外DMD动态图像转换器与红外成像光学系统(3)之间；
两套DMD动态图像转换器均包含红外光源(6)、红外光源光学系统(7)、位于红外成像光学系统(3)物面上的DMD(8)和红外DMD动态图像转换器的驱动器(9)。
3.根据权利要求1所述的双套DMD显示图像在物面叠加的红外景象生成方法，其特征在于只需再增加一套红外DMD动态图像转换器和红外分束器，并使之满足相同的空间位置关系和光强关系，即可将生成的红外景象的灰度数提高到原来的m倍。
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