CN102591018A - 基于dmd的红外场景仿真器的场镜光学构架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于基于DMD的红外场景仿真器的场镜光学架构。本发明提出一种用场镜分离红外场景仿真器的照明系统和投影系统的光路架构，该光学架构包括光源，匀光棒，照明中继透镜组，照明系统光阑，场镜，DMD，投影系统光阑，平面反射镜，投影物镜。该系统实现了红外场景仿真器的核心器件DMD芯片的均匀照明和场景投射功能，并解决了DMD应用中的照明系统和投影系统相互干扰的问题。本发明结构的主要特点在于：照明光斑均匀，系统能量损失低，结构设计可以很紧凑且容易实现。

Description

基于DMD的红外场景仿真器的场镜光学构架

技术领域：

本发明涉及一种光学系统，特别的，涉及一种基于DMD器件应用的红外光学系统，该系统用于红外场景仿真领域。

背景技术：

红外动态场景仿真技术以计算机、信息处理、微电子等高新技术为依托，将大量红外仿真测试和有限的外场试验相结合，不仅可以优化系统设计、提高系统性能，而且可以及时诊断并排除隐患和故障、能有效地提高研制质量；另外，通过使用仿真技术还可以大大减少外场实验次数，从而起到缩短研制周期、节约研制经费、提高系统性能的目的。

DMD是迄今为止世界上最先进的快速反射式数字光开关器件，DMD是机械与电子技术有机结合的产物，它是用数字电压信号控制微镜片执行机械运动来实现光学功能的装置。由于DMD器件是反射式光调制器，不限制调制光波长，所以可以适用于红外波段。用DMD器件作为红外场景仿真器的核心器件——场景发生器是当前应用的热点。

DMD应用的光学系统一般情况下分成照明光学系统和投影光学系统两部分，前者是非成像光学，后者是成像光学。整个光学系统中，照明的优劣对于整个系统的性能影响至关重要。在Texas Instrument Co公司官方提供的DLP光路参考资料《Single-Panel DLPTM Projection System Optics》给出了两种典型的单芯片式DLP投影光学系统架构：远心结构和非远心结构。

远心结构的光学系统，照明部分系统采用像方远心光路，使照射到DMD平面上的主光线都是平行的。由于远心结构，照明系统的出瞳和投影系统的入瞳都在无穷远，所以这种结构设计起来比较容易，投影系统和照明系统可以分开来同时设计。一般情况下，这种结构里，投影系统和照明系统用一个TIR(total-internal-reflectance)棱镜隔开，所以投影部分和照明部分相互没有参数影响。这种架构下，DMD无需偏置，照明均匀性也能做到很好。

非远心光路，就是照明光路是非远心光路，DMD上接收不是平行的光锥照射。由于不是远心光路，考虑光能利用率问题，设计应将照明系统的出瞳与投影系统的入瞳向相匹配。所以非远心光路系统，照明和投影系统不能分开设计。非远心光路相比远心光路，由于照明光束不平行，一般不用TIR棱镜来分开照明系统和投影系统。采用DMD偏置，以及大的照明入射角，甚至复杂的自由曲面反射镜才能将照明系统和投影系统分开足够的角度。其优点是照明入射角更大，DLP投影效果的对比度更高，而且结构可以设计得紧凑，适合小型化设计。但是由于非远心光路的照明光束不是平行的，所以其照明光束的角度均匀性不如采用远心结构的。

红外TIR棱镜吸收较大，且不容易设计。本发明旨在设计一种光学器件来替代TIR棱镜来分离照明系统和投影系统，使光学系统能既有远心架构的均匀照明性能，又能达到非远心架构的紧凑结构。

发明内容：

本发明提出了一种用于基于DMD的红外场景仿真器的场镜光学架构。该架构照明性能良好，能量利用率高，且结构紧凑，易于实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括：光源，匀光棒，照明中继透镜组，DMD芯片，场镜，平面反射镜，投影物镜。红外光源可以选用黑体辐射源或者硅碳棒，红外光源利用椭球反光碗的性质将光束汇聚于后面匀光棒的入口。在匀光棒内部要镀上对红外中波波段反射率90％以上的反射膜。光线进入匀光棒后，在匀光棒内多次反射后，起到一个光积分器的作用，在匀光棒出口处得到均匀的光强分布。匀光棒的作用还可以看成是将光源的像通过内部多次反射，形成许许多多的光源虚拟像。这些虚拟光源像形成的网格将单一光源的不均匀性降低。本发明照明系统采用科勒式照明，并不直接将光源成像到照明面，而是成像到后续投影系统的入瞳。所以为了满足均匀照明DMD表面和投影系统入瞳的要求，照明中继透镜和场镜要满足将匀光棒出口得到的均匀光强分布成像到DMD表面，同时还要将匀光棒入口处的虚拟光源像成像到投影系统入瞳处。投影系统是远心系统，所以入瞳处在无穷远。将投影系统光阑和照明系统光阑位于场镜的焦面上，既可以保证系统的远心性，又可以使照明系统的出瞳与投影系统的入瞳匹配。将匀光棒入口处的虚拟光源像成像在照明系统光阑处，即可以满足均匀照明无穷远处的投影系统入瞳。场镜的作用是分离投影系统和照明系统。

照明对于成像质量要求不高，所用用场镜的离轴部分，投影系统利用的是其轴上部分。场镜和投影系统光阑，投影物镜一起构成一个投影系统。场镜须设计成薄透镜，使离轴部分的焦距与轴上焦距大致相同(球差小)。场镜的设计需要考虑到其焦距和照明角的关系，这点参照具体实施方案中的说明。

平面反射镜的角度和位置可以调节，以不遮挡照明光线和投影系统无渐晕为设计准则。投影物镜的设计需要参考红外仿真器的工作待测系统的光学参数，需要做到其出瞳与待测系统的入瞳匹配，视场角匹配。

附图说明：

图1为本发明光学系统具体结构示意图。

图2为本发明的光学系统的场镜配置示意图。

图3为本发明的光学系统的实例在DMD平面上的照明效果图(二维空间分布)。

图4为本发明的光学系统的实例在DMD平面上的照明效果图(角空间分布)。

具体实施方式：

按照附图1的示意图所标示，整个光路光线依次通过光源，匀光棒，照明中继透镜组，照明系统光阑，场镜，DMD，场镜，投影系统光阑，平面反射镜，投影物镜。匀光棒的入口位置与照明系统光阑共轭，匀光棒的出口位置与DMD共轭，以此来保证照明的均匀性。

按照附图2的示意图所标示，照明系统光阑和投影系统光阑位于场镜的焦面处，以此来保证系统的远心性。设场镜的焦距为f，照明系统的偏心量为h，照明系统光阑直径为d，h需要满足：

h＝f/tan24°

以此来保证照明光线主光线平行，且照明角为24°。24°的照明角是由DMD芯片上微镜的摆角12°决定的。照明系统光阑和投影系统光阑在同一个平面，所以还需要保证h大于d，以保证光阑之间不相互影响。

按照本实施方案设计的系统，照明均匀性良好，且照明角度集中。(参见附图3，附图4)

Claims (1)

1.一种基于DMD红外场景仿真器的光学系统，其结构以光线通过顺序依次为光源，匀光棒，照明中继透镜组，照明系统光阑，场镜，DMD，场镜，投影系统光阑，平面反射镜，投影物镜，其特征在于：

所述的场镜位于DMD正上方，照明系统光阑和投影系统光阑都在场镜的另一侧的焦平面上；照明系统光束使用场镜的离轴部分，照明系统的照明中继透镜组和照明系统光阑相对于场镜的离轴偏移量为场镜的焦距除以照明角；所述的照明中继透镜组位于匀光棒和照明系统光阑之间，且匀光棒的入口与照明系统光阑的位置通过照明中继透镜组形成共轭，匀光棒的出口与DMD的位置在照明中继透镜组和场镜组合作用下形成共轭。

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