CN107966872B - 基于双dmd的红外双波段光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双DMD的红外双波段光学引擎，包括投影光学系统、用于将入射的红外长波光调制成红外长波图像光的第一DMD、用于将入射的红外中波光调制成红外中波图像光的第二DMD、分别位于投影光学系统光轴两侧且以红外长波、中波光分别照射第一、第二DMD靶面的第一、第二照明光学系统。本发明的双照明光学系统分别以不同红外波段的柯勒远心光路直接照明两DMD靶面，采用空间立体布局避免不同光路间干扰，有效提升能量利用率；投影光学系统通过引入两非球面完成了红外中波和长波的双波段色差校正，且实现了前无焦设计，该光学引擎不但可以投影红外双波段仿真场景，还可以模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异。

Description

基于双DMD的红外双波段光学引擎

技术领域

本发明涉及红外动态场景仿真领域，尤其涉及一种基于双DMD的红外双波段光学引擎。

背景技术

红外双波段场景模拟器，比如红外中/长波场景模拟器，作为红外双波段成像系统的性能测试和评估设备，可以在其工作波段内生成与真实红外动态场景辐射特性相一致的仿真场景。在测试过程中，由其光学引擎中的投影光学系统将带有辐射信息的红外图像光平行投射到待检红外双波段成像系统的入瞳处，以模拟远场辐射，因此，光学引擎的性能直接影响红外双波段场景模拟器对红外动态场景的仿真能力。

目前，红外中/长波场景模拟器的光学引擎，通常为基于单DMD设计，也就是说，红外中、长波两个波段的红外图像光只能由同一个DMD产生，共用一个通道，虽然可以用于投影红外中波和长波仿真场景，但无法用于模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异，而红外双波段成像系统正是通过比对场景中不同红外波段在其探测器靶面的能量分布差异来识别真实目标，因此，现有红外中/长波场景模拟器的光学引擎，只能满足红外双波段成像系统的工作波段需求，不能测试其抗干扰性能，限制了使用范围。

发明内容

本发明提供了一种基于双DMD的红外双波段光学引擎，不但可以投影红外双波段仿真场景，还可模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异，适用于测试红外双波段成像系统的抗干扰性能。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

提供一种基于双DMD的红外双波段光学引擎，包括：投影光学系统、用于将入射的红外长波光调制成红外长波图像光的第一DMD、用于将入射的红外中波光调制成红外中波图像光的第二DMD、分别位于投影光学系统光轴两侧且以红外长波光和红外中波光分别照射第一DMD靶面和第二DMD靶面的第一照明光学系统和第二照明光学系统，其中，所述投影光学系统，还包括含有两非球面透镜的共口径部分及用于将红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射到共口径部分的双色合束镜。

本发明提供的基于双DMD的红外双波段光学引擎，一方面，基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的双DMD设计的光学引擎，不但可以投影红外双波段仿真场景，还可模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异；另一方面，在投影光学系统的共口径部分引入两非球面，可增加光焦度分配的自由度，从而实现波段内的色差校正和波段间的像差校正；再一方面，采用双照明光学系统分别从投影光学系统光轴两侧以红外长波光和红外中波光直接照明两DMD的靶面，利用空间立体式的布局避免不同光路间的干扰，可提高光学引擎的能量利用率及集成度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的结构示意图；

图2为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的光路图；

图3为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的空间布局示意图；

图4为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的投影光学系统光路图；

图5为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的照明光学系统光路图；

图6-1及图6-2分别为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的投影光学系统红外长波点列图及红外中波点列图；

图7-1及图7-2分别为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的投影光学系统红外长波畸变曲线及红外中波畸变曲线图；

图8为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的照明光学系统照度均匀性评价结果图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案。

在本实施例中，提供了一种基于双DMD的红外双波段光学引擎，尤其可应用于红外双波段场景模拟器中，其技术原理在于，该光学引擎为基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的双DMD设计的光学引擎，包括投影光学系统、双DMD、双照明光学系统，且投影光学系统包括设置两非球面透镜的共口径部分及对入射的由双DMD生成的红外双波段图像光合束到共口径部分的双色合束镜。首先，基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的双DMD设计的光学引擎，不但可以投影红外双波段仿真场景，还可模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异；其次，在投影光学系统的共口径部分引入两非球面，可增加光焦度分配的自由度，从而实现波段内的色差校正和波段间的像差校正；再次，采用双照明光学系统分别从投影光学系统光轴两侧以红外长波光和红外中波光直接照明两DMD的靶面，利用空间立体式布局避免不同光路间的干扰，可提高光学引擎的能量利用率及集成度。

如图1所示，其为本发明实施例中基于双DMD的红外双波段光学引擎的结构示意图，该基于双DMD的红外双波段光学引擎可包括：投影光学系统10、第一数字微镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)20，可简称为第一DMD、第二数字微镜器件30，可简称为第二DMD、第一照明光学系统40及第二照明光学系统50。

其中，第一DMD20，比如可为红外长波动态景象生成器件，可用于将入射的红外长波光调制成红外长波图像光；第二DMD30，比如可为红外中波动态景象生成器件，可用于将入射的红外中波光调制成红外中波图像光。

在具体实现时，第一DMD20、第二DMD30应采用同型号产品，不同型号DMD的分辨率与像元尺寸均不同，本发明虽然使用两个DMD，但是要求投影出来的是两个DMD产生的不同红外波段图像经图像配准后叠加的效果，如果两个DMD为不同型号，则投影出来的两幅图像不能进行图像配准，从而导致叠加后的图像出现重影现象。

第一照明光学系统40及第二照明光学系统50，可分别位于投影光学系统10光轴两侧且以红外长波光和红外中波光分别照射第一DMD20、第二DMD30的靶面，在本实施例中，靶面为DMD的感光表面。

如果采用电阻阵列作为景象生成器件，由于电阻阵列属于自发辐射型，它的每一个像元都是一个可自发辐射能量的小电阻，所以无需配合使用照明光学系统。

参看图2，投影光学系统10，可包括共口径部分11及双色合束镜12，其中，共口径部分11可包括多个透镜且多个透镜中包括两个非球面透镜；双色合束镜12可用于将入射的红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射并合束到共口径部分11。在本实施例中，红外长波图像光入射到双色合束镜12的透射表面，红外中波图像光入射到双色合束镜12的反射表面，经由双色合束镜12合束后进入共口径部分11，波段内的像差校正和波段间的色差校正可完全由共口径部分承担，使得红外中波和红外长波的双波段焦距差值小于系统最小焦深，两波段红外图像光最终以平行光出射到待检红外双波段成像系统的入瞳处。

采用双DMD作为不同红外波段的景象生成器件，并将其分别生成的红外长波图像光、红外中波图像光经合束后叠加且以平行光投射，待检红外双波段成像系统中的探测器则会接收到能量分布不同的红外长波图像光及红外中波图像光，以此模拟场景中不同红外波段在探测器靶面的能量分布差异，从而测试红外双波段成像系统的抗干扰性能，但如果采用单DMD，单DMD不能对红外双波段入射光进行分别调制，因此，待检红外双波段成像系统中的探测器只能接收到能量分布相同的红外长波图像光及红外中波图像光，虽然两不同红外波段图像整体上亮暗会有区别，但仍无法测试红外双波段成像系统的抗干扰性能。

参看图3，在实际应用中，投影光学系统10的光轴、双色合束镜12的光轴、第一DMD20的靶面几何中心法线、第二DMD30的靶面几何中心法线四者共面，以投影光学系统10的光轴为主光轴，其中，双色合束镜12的光轴与主光轴的子午角为30°，此时合束效果最理想，第一DMD20的出射红外长波图像光沿其靶面几何中心法线入射到双色合束镜12的透射表面，所以DMD20的靶面几何中心法线与主光轴重合，第二DMD30的出射红外中波图像光沿其靶面几何中心法线入射到双色合束镜12的反射表面，由于红外双波段图像光合束后需沿主光轴进入共口径部分11，则根据几何关系，DMD30的靶面几何中心法线与主光轴的子午角为60°。

DMD由微反射镜阵列构成，每一个微反射镜单元均可绕对角线进行正负12°的反转，为确保正12°翻转时的能量经合束后可沿主光轴进入共口径部分11，第一照明光学系统40的光轴与第一DMD20的靶面几何中心法线的子午角为24°且弧矢角为45°，第二照明光学系统50的光轴可与第二DMD30的靶面几何中心法线的子午角为24°且弧矢角为45°。

参看图2及图4，在本实施例中的投影光学系统10中，包括共口径部分11和双色合束镜12。

其中，共口径部分11，可包括沿投影光学系统10光轴从光束出射方向依次设置的第一负透镜111、第一正透镜112、第二负透镜113、第二正透镜114、第三正透镜115、第三负透镜116、第四正透镜117、第四负透镜118，其中，第一负透镜111及第三负透镜116的至少一个表面为非球面。

其中，第一负透镜111可为双弯月负透镜，可由ZNS_BROAD材料制成，其焦距与投影光学系统焦距的比值可在-3～-2之间，比如可将第一负透镜朝向光束出射的方向设置为非球面；

第一正透镜112可为双弯月正透镜，可为AMTIR1材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值可在0.8～0.9之间；

第二负透镜113可为双凹面负透镜，可为AMTIR1材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值可在-0.3～-0.2之间；

第二正透镜114可为双弯月正透镜，可为ZNSE材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值在0.5～0.6之间；

第三正透镜115可为双弯月正透镜，可为AMTIR1材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值在0.5～0.6之间；

第三负透镜116可为双弯月负透镜，可由GERMANIUM材料制成，其焦距与投影光学系统焦距的比值在-0.6～-0.5之间，比如可将第三负透镜朝向光束出射的方向设置为非球面；

第四正透镜117可为双弯月正透镜，可为AMTIR1材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值在0.2～0.3之间；

第四负透镜118可为单凹面负透镜，可为ZNS_BROAD材料制成的球面镜，其焦距与投影光学系统焦距的比值在-0.7～-0.6之间。

双色合束镜12，可为ZNSE材料制成的平行平板。

关于投影光学系统中光学元件参数可参见如下表1所示。

表1

在具体实现时，投影光学系统10的主光路为红外长波图像光通道，折转光路为红外中波图像光通道，两不同红外波段的图像光由第一DMD20和第二DMD30调制入射的红外光后产生，并经双色合束镜12合束后进入投影光学系统10的共口径部分11，共口径部分11中的各透镜的光焦度分配满足总光焦度和消色差方程，由于满足消色差条件时，光学系统对于单色像差的校正能力十分有限，因此，可将第一负透镜111朝向光束出射方向的表面加工有非球面，第三负透镜116朝向光束出射方向的表面加工有非球面，通过引入非球面可以增加光焦度分配的自由度，从而平衡色差校正与单色像差校正间的矛盾，此外，红外双波段图像光还会被共口径部分准直，最终以平行光出射。

其中，总光焦度公式为(1)，消色差方程为(2)。

其中，Φ_i——第i个透镜光焦度；h_i——近轴光线在第i个面上的入射高度；Φ——投影光学系统总光焦度。

其中，w_i——第i个透镜的色散因子。

参看图2，在本实施例中，第一照明光学系统40，可包括沿光轴从光束出射方向依次设置的长波滤光片41、第一单凸面正透镜42、第一反射镜43(可为大尺寸反射镜)、第二反射镜44(可为小尺寸反射镜)、第二单凸面正透镜45及第一黑体光源46。其中，长波滤光片41可为锗材料制成的平行平板，可将第一照明光学系统出射的红外光波段限制在8μm～12μm之间；第一单凸面正透镜42可为球面镜，其焦距与第一照明光学系统焦距的比值在-2.1～-2.0之间；第一反射镜43可为铝6061材料制成的平面反射镜；第二反射镜44可为铝6061材料制成的平面反射镜；第二单凸面正透镜45可为球面镜，其焦距与第一照明光学系统焦距的比值可在-0.7～-0.6之间。

第二照明光学系统50，可包括沿光轴从光束出射方向依次设置的中波滤光片51、第三单凸面正透镜52、第三反射镜53(可为大尺寸反射镜)、第四反射镜54(可为小尺寸反射镜)、第四单凸面正透镜55及第二黑体光源56。其中，中波滤光片51，可为硅材料制成的平行平板，可将第二照明光学系统出射的红外光波段限制在3.7μm～4.2μm之间；第三反射镜53，可为铝6061材料制成的平面反射镜；第四反射镜54，可为铝6061材料制成的平面反射镜；第三单凸面正透镜52可为球面镜，其焦距与第二照明光学系统焦距的比值可在-2.1～-2.0之间，第四单凸面正透镜55可为球面镜，其焦距与第二照明光学系统焦距的比值可在-0.7～-0.6之间。

参看图5，上述第一照明光学系统在光学设计时，可设定为红外中波3.7μm～4.2μm和红外长波8μm～12μm均可透，照明方式可为柯勒照明，通过长波滤光片41限制波段带宽，第二单凸面正透镜45起到聚光作用，将第一黑体光源46的像成在第一单凸面正透镜42的焦面处，再由第一单凸面正透镜42成像到无穷远处，构成柯勒远心光路，即红外长波光最终平行入射到第一DMD20的靶面，为减少第一照明光学系统的总长，便于结构设计和装调，使用了第一反射镜43和第二反射镜44以压缩照明光路。

上述第二照明光学系统则与第一照明光学系统相同，区别在于通过中波滤光片51限制波段带宽，源于第二黑体光源56的红外中波光最终平行入射到第二DMD30的靶面。

其中，上述照明光学系统的光学元件参数可参见如下表2所示。

表2

光学引擎的工作波段设置为红外中波3.7μm～4.2μm和红外长波8μm～12μm，由于红外材料受温度变化影响较大，为了保证光学引擎正常工作，在本实施例中，将工作温度范围限制在10℃～30℃。

此外，如图6-1和图6-2所示，基于双DMD的红外双波段光学引擎的投影光学系统红外长波和红外中波各视场弥散斑RMS半径均小于艾里斑半径，说明大部分能量集中在艾里斑内，像差得到良好校正，成像质量较好。

如图7-1和图7-2所示，基于双DMD的红外双波段光学引擎的投影光学系统红外长波和红外中波畸变均在0.5％以内，由此可知投影光学系统的畸变较小。

由图8所示，基于双DMD的红外双波段光学引擎的照明光学系统照度均匀性优于94％，子午与弧矢方向无明显差别，说明照明均匀性良好，图中高频区域为追迹有限光线数所造成的误差，实际应用中不会发生此类现象，由于滤光片对照明均匀性不产生影响，因此在分析过程中省略了滤光片。

本实施例中的基于双DMD的红外双波段光学引擎在产业上的可用性：适用于红外中/长波成像系统的半实物仿真测试，不但可以投影红外双波段仿真场景，还可模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异，亦可用于测试红外中波或红外长波单波段成像系统，只需关闭相应的黑体光源即可。

本实施例提供的基于双DMD的红外双波段光学引擎，包括投影光学系统、双DMD、双照明光学系统，且投影光学系统包括含有两非球面透镜的共口径部分及对入射的由双DMD生成的红外双波段图像光合束到共口径部分的双色合束镜部分。一方面，基于分别可生成红外长波图像光和红外中波图像光的双DMD设计的光学引擎，不但可以投影红外双波段仿真场景，还可模拟该场景中不同红外波段在像面的能量分布差异；另一方面，在投影光学系统的共口径部分引入两非球面，可增加光焦度分配的自由度，从而实现波段内的色差校正和波段间的像差校正；再一方面，采用双照明光学系统分别从投影光学系统光轴两侧以红外长波光和红外中波光直接照明两DMD的靶面，利用空间立体式的布局避免不同光路间的干扰，可提高光学引擎的能量利用率及集成度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，包括：投影光学系统、用于将入射的红外长波光调制成红外长波图像光的第一数字微镜器件DMD、用于将入射的红外中波光调制成红外中波图像光的第二DMD、分别位于投影光学系统光轴两侧且以红外长波光和红外中波光分别照射第一DMD靶面和第二DMD靶面的第一照明光学系统和第二照明光学系统，其中，所述投影光学系统，还包括含有两非球面透镜的共口径部分及用于将红外长波图像光及红外中波图像光分别进行透射及反射到共口径部分的双色合束镜，

所述投影光学系统的共口径部分，包括沿主光轴从光束出射方向依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜、第四负透镜，其中，第一负透镜及第三负透镜的至少一个表面为非球面，

所述第一负透镜为双弯月负透镜，所述第一正透镜为双弯月正透镜，第二负透镜为双凹面负透镜，第二正透镜为双弯月正透镜，第三正透镜为双弯月正透镜，第三负透镜为双弯月负透镜，第四正透镜为双弯月正透镜，第四负透镜为单凹面负透镜。

2.根据权利要求1所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，投影光学系统的光轴、双色合束镜的光轴、第一DMD的靶面几何中心法线、第二DMD的靶面几何中心法线四者共面，以投影光学系统的光轴为主光轴，

其中，双色合束镜的光轴与主光轴的子午角为30°，第一DMD的靶面几何中心法线与主光轴重合，第二DMD的靶面几何中心法线与主光轴的子午角为60°。

3.根据权利要求1所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，第一照明光学系统的光轴与第一DMD的靶面几何中心法线的子午角为24°且弧矢角为45°，第二照明光学系统的光轴与第二DMD的靶面几何中心法线的子午角为24°且弧矢角为45°。

4.根据权利要求1所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，第一负透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在-3～-2之间，第一正透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在0.8～0.9之间，第二负透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在-0.3～-0.2之间，第二正透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在0.5～0.6之间，第三正透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在0.5～0.6之间，第三负透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在-0.6～-0.5之间，第四正透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在0.2～0.3之间，第四负透镜的焦距与投影光学系统焦距的比值在-0.7～-0.6之间。

5.根据权利要求1所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，所述第一照明光学系统，包括沿光轴从光束出射方向依次设置的长波滤光片、第一单凸面正透镜、第一反射镜、第二反射镜、第二单凸面正透镜及第一黑体光源；

所述第二照明光学系统，包括沿光轴从光束出射方向依次设置的中波滤光片、第三单凸面正透镜、第三反射镜、第四反射镜、第四单凸面正透镜及第二黑体光源。

6.根据权利要求5所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，在所述第一照明光学系统中，所述长波滤光片将所述第一照明光学系统出射的红外光波段限制在8μm～12μm之间；所述第一单凸面正透镜为球面镜，其焦距与第一照明光学系统焦距的比值在-2.1～-2.0之间；所述第二单凸面正透镜为球面镜，其焦距与第一照明光学系统焦距的比值在-0.7～-0.6之间；

在所述第二照明光学系统中，所述中波滤光片将所述第二照明光学系统出射的红外光波段限制在3.7μm～4.2μm之间，所述第三单凸面正透镜为球面镜，其焦距与第二照明光学系统焦距的比值在-2.1～-2.0之间，所述第四单凸面正透镜为球面镜，其焦距与第二照明光学系统焦距的比值在-0.7～-0.6之间。

7.根据权利要求1所述的基于双DMD的红外双波段光学引擎，其特征在于，光学引擎的工作波段为红外中波3.7μm～4.2μm和红外长波8μm～12μm；光学引擎的工作温度范围为10℃～30℃。

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