CN102200643B - 一种用于红外景象仿真器的投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于红外景象仿真器的投影光学系统，特别涉及一种基于DMD的动态宽波段红外投影光学系统。投影光学系统由两块凹面反射镜和一块凸面反射镜构成，是由三块反射镜构成的离轴三反镜结构，为获得接近衍射极限的成像性能，三块反射镜均采用高次非球面。与现有技术相比，本发明的特点在于：适用波段宽、无色差和热差影响小。结构紧凑、成像质量好、畸变小，与用于遥感的三反射镜系统相比，本发明设计的离轴系统对面视场成像，而不是只对线视场成像。本发明设计采用反射系统，不受可用红外投射材料的限制，对于大口径投影系统具有特别重要的意义，原则上使用波段不受透镜材料的限制，有利于降低材料成本。

Description

一种用于红外景象仿真器的投影光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于红外景象仿真器的投影光学系统，特别涉及一种基于DMD（数字微镜器件）的动态宽波段红外投影光学系统。
背景技术
基于DMD的投影技术已成功用于可见光投影机，将此技术应用于产生动态红外仿真景象，评估和验证红外成像系统性能，具有重要的军事及民用价值，是目前国内外研究的热点之一。由美国德州仪器(TI)公司生产的DMD器件，采用二进制脉宽调制技术控制生成仿真景象的灰度，具有空间分辨率高、帧频高、无死像元、均匀性好的优点。美国已将该技术应用于动态红外场景仿真系统，可用于紫外、可见、红外波段传感器和导弹寻的器的动态仿真测试与评估。近几年，国内一些工业部门和院校开始研究基于DMD的红外景象仿真器。
参见附图1，它是基于DMD的动态红外景象仿真器的工作原理示意图，计算机图像生成器1生成的数字图像，或由红外实拍设备得到的数字视频图像，通过DMD信号处理电路2和驱动电路3，输入到DMD芯片4，根据图像像元的灰阶值驱动DMD各像元进行相应开关操作，DMD起反射调制入射光的作用；黑体辐射源5发出的红外光通过照明光学系统6和分束板（BS）7反射后，入射并均匀照明DMD芯片；入射红外辐射经DMD芯片调制后，透过分束板，经投影光学系统8后，将仿真景象放大投射到待测试红外成像设备9，验证红外成像设备。该仿真器的输出景象随着图像生成器输出图像的变化而动态地变化。
投影光学系统是动态红外景象仿真器的重要组成部分，决定着投影景象的逼真性能，目前，国内关于红外投影光学系统设计的报导主要有透射式、折射衍射混合式结构，系统具有结构紧凑的优点，但为了消除色差，必须采用多种宽波段红外材料，包括ZnS和ZnSe等，不仅可用材料不多，而且随着口径的增大，材料的价格昂贵，受可用于校正宽波段色差的红外材料的限制，成像质量并不能满足现代红外成像仪的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种适用波段宽、成像质量好、结构紧凑的用于动态红外景象仿真器的投影光学系统。
本发明所采用的技术方案是：提供一种用于动态红外景象仿真器的投影光学系统，它的工作波段为中波和长波红外波段；该投影光学系统为纯反射系统，采用离轴三反射式结构，沿光线入射方向，三片反射镜依次为主反射镜、次反射镜和第三反射镜；主反射镜和第三反射镜为凹面反射镜，次反射镜为凸面反射镜；三片反射镜的光焦度依次为φ81、φ82和φ83，相对于镜头焦距归一化时代取值范围为0.30≤φ81≤0.70、-1.0≤φ82≤-1.50和0.5≤φ83≤1.0；三片反射镜的二次非球面系数依次为e81、e82和e83，取值范围为-1.5≤e81≤-2.8、-0.9≤e82≤0和0≤e83≤1。
本发明提供的一种用于动态红外景象仿真器的投影光学系统，其体积小于170mm×300mm×150mm。
与现有技术相比，本发明的特点在于：本发明的特点在于：具有适用波段宽、无色差和热差影响小的固有优点。结构紧凑、成像质量好、畸变小，与用于遥感的三反射镜系统相比，本发明设计的离轴系统对面视场成像，而不是只对线视场成像。本发明设计采用反射系统的另一个优点是,不受可用红外投射材料的限制，对于大口径投影系统具有特别重要的意义，原则上使用波段不受透镜材料的限制，有利于降低材料成本。
附图说明
图1是动态红外场景仿真器的工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的光线追迹点列图；
图4是本发明实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的网格畸变图；
图5是本发明实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的调制传递函数曲线；
图中，1、计算机图像生成器；2、DMD信号处理电路；3、驱动电路；4、DMD芯片；5、黑体辐射源；6、照明光学系统；7、分束板；81、主反射镜；82、次反射镜；83、第三反射镜；8o、投影光学系统物面；8i、投影光学系统像面；9、待测试红外成像设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方案作进一步的具体阐述。
实施例一：
在本实施例中，系统的F数F/No.=2.8,工作波长在中波红外（3-5μm），全视场角大于3.5度。
参见附图2，它是本实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的结构示意图；8o为投影光学系统的物面；8i为投影光学系统的像面；投影光学系统由主反射镜81、次反射镜82和第三反射镜83组成，为避免传统同轴反射光学系统存在中心遮拦的问题，和同时实现紧凑的结构，本发明采用离轴光学系统的设计原则，一方面保证红外光充满待测设备的光瞳，另一方面，可实现紧凑的结构，整个光学系统为尺寸小于170mm×300mm×150mm。
投影光学系统中，为获得接近衍射极限的成像性能，利用高次非球面校正高级像差，沿光线方向，三块反射镜主依次为反射镜81、次反射镜82和第三反射镜83，它们的二次非球面系数分别为：e81=-1.2、e82=-0.35、e83=0.45。该光学系统的其他有关参数如下：焦距280mm，三块反射镜的曲率半径依次分别为-590mm、-200mm和-290mm；相对于镜头焦距归一化时的曲率半径依次分别为R81=2.1，R82=0.7，R83=1.0。各反射镜及其与物面、像面之间的间距分别为410mm、-140mm、140mm、-140mm和-70mm。
  参见附图3，它是本实施例提供的动态红外场景仿真器投影光学系统的光线追迹点列图；图3中，在不同视场处的圆表示Airy斑，由图3可见，像面上各视场处的点列图都基本落在Airy斑以内，表明该光学系统具有接近衍射理论极限的聚焦特性。
本实施例所述的光学系统畸变用栅格图表示如图4所示，其中栅格表示理想像，“×”表示相应栅格交叉点的实际像点，在全视场内最大相对畸变绝对值小于0.52%，在待测设备视场2.75°×2.75°全视场内的相对畸变值约0.3％。可见设计的投影光学系统成像质量满足要求。
参见附图5，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，图中的T和S分别表示子午和弧矢面，由图可以看出，该光学系统具有衍射极限的成像性能。
本实施例所提供的适用于投影中波和长波红外宽波段仿真景物的离轴三反射镜系统，具有无色差、结构较紧凑、成像质量好、畸变小、相对孔径大等优点，与用于遥感的三反射镜系统相比，设计的离轴系统对面视场成像，而不是只对线视场成像。采用反射系统的另一个优点是不受可用红外透射材料的限制，对于大口径投影系统具有特别重要的意义，原则上使用波段不受透镜材料的限制，有利于降低材料成本。
实施例二：
本实施例中， F数F/No.=2.8,工作波长在长波红外（8-12μm），全视场角大于3.5度，系统结构参见实施例一。
光学系统的其余参数如下：焦距278mm，沿光线方向，三块反射镜的曲率半径分别为-585mm、-197mm和-289mm；相对于镜头焦距归一化时的曲率半径依次分别为R81=2.1，R82=0.7，R83=1.0。三块反射镜的二次非球面系数分别为e81=-1.3、e82=-0.31、e83=0.48。各反射镜及其与物面、像面之间的间距分别为407mm、-138mm、138mm、-138mm和-67.5mm。

Claims (2)

1. 一种用于动态红外景象仿真器的投影光学系统，其特征在于：它的工作波段为中波和长波红外波段；该投影光学系统为纯反射系统，采用离轴三反射式结构，沿光线入射方向，三片反射镜依次为主反射镜(81)、次反射镜(82)和第三反射镜（83）；主反射镜和第三反射镜为凹面反射镜，次反射镜为凸面反射镜；三片反射镜的光焦度依次为φ81、φ82和φ83，相对于镜头焦距归一化时代取值范围为0.30≤φ81≤0.70、-1.0≤φ82≤-1.50和0.5≤φ83≤1.0；三片反射镜的二次非球面系数依次为e81、e82和e83，取值为e81=-1.2、e82=-0.35和e83=0.45，或者，e81=-1.3、e82=-0.31和e83=0.48。
2. 根据权利要求1所述的一种用于动态红外景象仿真器的投影光学系统，其特征在于：其体积小于170mm×300mm×150mm。
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