CN110022468B - 基于双dmd的红外投影仪光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双DMD的红外投影仪光学系统，该投影仪光学系统包括红外光源、DMD红外图像转换器、照明系统、准直投影光学系统。本发明通过两个DMD完成时间‑空间同步调制提高红外场景投影仪的帧速和显示灰度等级。照明系统折转衔接光路，使两片DMD上的红外辐射强度调制和图像空间分布调制相叠加，同时避免杂散光进入准直投影光学系统，影响图像对比度；准直投影光学系统满足了红外场景投影仪长出瞳距、特大孔径、高像质的要求。本系统适用于中波、大相对孔径红外导引头的测试与评估，具有结构紧凑、动态范围大、高帧速、高灰度等级等特点。

Description

基于双DMD的红外投影仪光学系统

技术领域

本发明属于红外光电系统测试与评估技术领域，主要涉及一种红外投影仪光学系统，尤其涉及一种基于双DMD的红外投影仪光学系统。

背景技术

红外场景投影仪可实时生成动态红外场景，模拟目标/背景的红外辐射特性，用于实验室内红外导引头的仿真测试与评估。照明系统和准直投影光学系统是红外场景投影仪中的关键部件。

为了提高红外图像的帧速和灰度等级，红外场景投影仪采用两片DMD红外图像转换器对红外光束进行时间-空间同步调制，两片DMD上红外辐射强度调制和图像空间分布调制的叠加必须由照明系统来实现。而现有的照明系统，如姚园在2011年6月完成的哈尔滨工业大学硕士论文《红外成像制导目标仿真器的设计》以及边疆在在2013年3月完成的长春理工大学硕士论文《基于DMD动态红外景象模拟控制系统的研究》中，介绍了一种基于两片DMD的红外成像制导目标仿真器，系统采用两片DMD和一个灰度轮来提高灰度等级。高温光源和受灰度轮调制的高温光源，通过各自的照明系统均匀照亮DMD1表面，再通过转向照明镜组1:1成像至DMD2器件表面，投影物镜组将DMD器件调制后的反射光投射至无穷远处。转向镜组采用4片透镜的远心结构，并加入反射镜对光路进行折转，需要保证两片DMD器件的共轭关系以及两器件上的像元一一对应成像，对弥散斑大小及畸变等像质指标要求很高。整个系统包括4个光源和4个照明镜组，设计难度大且结构复杂，外形也不能满足红外场景投影仪照明系统结构必须紧凑的要求。

准直投影光学系统为红外导引头的测试与评估提供来自无穷远的动态红外场景，为了满足红外场景投影仪与转台的接口尺寸以及红外导引头测试的需要，红外场景投影仪中的准直投影光学系统必须具有长出瞳距和特大相对孔径。中国期刊《光学仪器》在2011年2月出版的第40卷第2期35～40页刊登了关英姿、杨亮发表的题为“数字微镜阵列动态红外景象投射器光学系统设计”的论文。文中介绍了一种用于中波红外的大相对孔径、长出瞳距投影系统，该投影系统采用二次成像结构，其焦距为71.6mm，视场8.5°，相对孔径为1：1.06，出瞳距为860mm，整个光学系统采用锗和硅两种材料，包含11片透镜，整个光学系统透镜多，成本高且光学参数仍不能保证红外投影仪所要求的868mm的长出瞳距和1：0.98的特大相对孔径。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于双DMD的红外投影仪光学系统，该光学系统可使红外投影仪为红外导引头的测试和评估提供高帧速、高灰度等级的动态红外场景且满足红外投影仪长出瞳距、特大相对孔径的要求。

本发明的技术方案为：

所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：包括红外光源(1)、第一DMD红外图像转换器(2)、第二DMD红外图像转换器(4)、照明系统(3)和准直投影光学系统(5)；

第一DMD红外图像转换器(2)、照明系统(3)、第二DMD红外图像转换器(4)沿照明方向依次排列且第一DMD红外图像转换器(2)位于照明系统(3)的物方焦平面上；

第二DMD红外图像转换器(4)、照明系统(3)中的第二TIR棱镜组(3-4)、准直投影光学系统(5)沿投影方向依次排列且第二DMD红外图像转换器(4)位于准直投影光学系统的物方焦平面上；

第一DMD红外图像转换器(2)用于调制图像的红外辐射强度，第二DMD红外图像转换器(4)用于调制图像的空间分布特征；照明系统(3)中的第一TIR棱镜(3-1)和第二TIR棱镜(3-4)分别实现红外光源(1)和照明系统(3)、照明系统(3)和准直投影光学系统(5)的光路折转和衔接，使第一DMD红外图像转换器(2)上的红外辐射强度调制和第二DMD红外图像转换器(4)上的图像空间分布调制相叠加，实现对红外光束时间-空间的同步调制；准直投影光学系统(5)将经过第二DMD红外图像转换器(4)调制得到的红外图像准直投射出去，模拟来自无穷远的动态红外场景。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述红外光源(1)选用黑体或红外灯。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述照明系统(3)包括第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)和第二TIR棱镜组(3-4)，所述第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)、第二TIR棱镜组(3-4)沿照明方向依次排列，其中：前组透镜(3-2)和后组透镜(3-3)均为一片非球面正透镜，第一TIR棱镜组(3-1)和第二TIR棱镜组(3-2)均由两片直角TIR棱镜组成。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述照明系统(3)还包括第一孔径光阑(S1)，所述第一孔径光阑(S1)位于第一TIR棱镜组(3-1)的第二表面上。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述第一TIR棱镜组(3-1)和所述第二TIR棱镜组(3-2)的材料折射率低于所述前组透镜(3-2)和所述后组透镜(3-3)。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述第一TIR棱镜组(3-1)和所述第二TIR棱镜组(3-2)采用低折射率的红外晶体CaF₂或BaF₂或ZnSe或ZnS材料；所述前组透镜(3-2)和所述后组透镜(3-3)采用高折射率的红外晶体Ge或Si材料。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述准直投影光学系统(5)包括中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)，所述中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)沿投影方向依次排列。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：中继物镜组(5-1)使用非球面透镜，包括四片分离透镜(L1～L4)；准直物镜组(5-2)使用非球面透镜，包括四片分离透镜(L5～L8)。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：所述准直投影光学系统(5)还包括第二孔径光阑(S2)，所述第二孔径光阑(S2)位于第八透镜(L8)前868mm处。

进一步的优选方案，所述基于双DMD的红外投影仪光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)选择高折射率的红外晶体Ge或Si材料，第二透镜(L2)选择低折射率的红外晶体CaF₂或BaF₂材料。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明在照明系统中采用两组TIR棱镜衔接和折转光路，使第一个DMD上的红外辐射强度调制和第二个DMD上图像空间分布调制相叠加，实现对红外光束时间-空间的同步调制，达到提高动态红外场景帧速和灰度等级的目的，照明系统结构简单、紧凑。

(二)本发明准直投影光学系统采用二次成像的结构型式，中继物镜组和准直物镜组均为复杂的多片组合透镜，满足视场8°，相对孔径1：0.98，出瞳距868mm的指标要求，从而保证了模拟器对特大相对口径、长出瞳距的要求。

附图说明

图1是本发明基于双DMD的红外投影仪光学系统的结构组成示意图。

图2是本发明中照明系统的结构及光路示意图。

图3是本发明中准直投影光学系统的结构及光路示意图。

图4是本发明中准直投影光学系统调制传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明优选实施例是针对基于双DMD工作模式，视场8°，相对孔径1：0.98的红外投影仪而提供的光学系统。红外投影仪通过双DMD的时间-空间同步调制方式来输出高帧频、高灰度等级的动态红外场景，因此红外投影仪光学系统包括能够实现第一个DMD红外辐射强度调制和第二个DMD图像空间分布调制相叠加的照明系统和能够提供无穷远动态红外场景的特大相对孔径、长出瞳距的准直投影光学系统。

1.照明系统

照明系统通常分为两类，临界照明方式和柯勒照明方式，临界照明方式是将光源处的光成像在像面处，结构简单；柯勒照明方式是把被红外光源照明的前组透镜通过后组透镜成像在被照明面上，从而起到均匀光源的作用，结构复杂。红外投影仪照明系统一方面要实现两个DMD调制的叠加，另一方面要保证另一个DMD上得到均匀的照明，因此本发明采用包括前后两组透镜的柯勒照明系统，由于照明系统对像差要求不高，前后组均可考虑使用单片透镜。

红外投影仪第一个DMD完成红外光束辐射强度的调制，而且是第二个DMD的照明光源；第二个DMD完成图像空间分布调制，且位于准直投影光学系统的物方焦平面上为模拟器提供来自无穷远的动态红外场景。本发明中在照明系统中加入TIR棱镜组实现光源和照明系统、照明系统和准直投影光学系统光路的折转和衔接，使第一个DMD上的红外辐射强度调制和第二个DMD上图像空间分布调制相叠加，实现对红外光束时间-空间的同步调制，达到提高帧速和灰度等级的目的。

TIR棱镜为全内反棱镜，TIR棱镜的设计是利用全反射定律完成。当入射光线大于临界角时，在TIR棱镜表面发生全反射，反射光线经DMD进行调制后，反射角小于临界角，光线从棱镜投射出去。棱镜斜边角度可根据全反射定律、折射定律以及在工作波段红外材料的折射率计算得出，角度值除了要保证在棱镜斜面上发生全反射，还要保证DMD“开”状态时所有入射光都能入射到准直投影光学系统入瞳，且“关”状态和“平”状态所有入射光都不能进入到投影光学系统入瞳。本发明中采用两片直角TIR棱镜构成棱镜组来实现光路的折转和衔接。

在照明系统的设计中，为了保证光源的能量有效地照明两个DMD，照明系统的物面及像方数值孔径应与第一个DMD的有效辐射口径及偏转角度相匹配，照明系统的出瞳应与准直投影光学系统中的第二个DMD的大小相匹配或略大于第二个DMD的大小。为校正TIR棱镜组带来的像差，两组TIR棱镜应和照明系统透镜组一起优化计算。

如图2所示，本优选实施例中柯勒照明系统包括第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)、第二TIR棱镜组(3-4)，第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)、第二TIR棱镜组(3-4)沿照明方向依次排列，其中：前组透镜(3-2)和后组透镜(3-3)均为一片非球面正透镜，第一TIR棱镜组(3-1)和第二TIR棱镜组(3-4)均由两片直角TIR棱镜组成；孔径光阑(S1)位于第一TIR棱镜组(3-1)的第二表面上；第一TIR棱镜组(3-1)和第二TIR棱镜组(3-4)材料选择低折射率的红外晶体CaF₂或BaF₂或ZnSe或ZnS；前组透镜(3-2)和后组透镜(3-3)材料选择高折射率的红外晶体Ge或Si。本优选实施例柯勒照明系统光学参数见表1、表2、表3。

表1柯勒照明系统光学参数表单位：(mm)

工作波长	3μm～5μm
		焦距	38.92mm
物方数值孔径	0.385
		物高	17.51

表2光学零件参数表单位：(mm)

表3光学零件非球面数据表

表面	k	A
			3-2第1表面	0	-1.5804826E-006
3-3第2表面	-0.3110278

2.准直投影光学系统

准直投影光学系统的设计，要满足红外导引头的测试和整个模拟系统装调的需要。为了保证模拟器光学系统与红外导引头光学系统光瞳的衔接以及模拟器的安装空间，红外投影仪要求光学系统的视场为8°，出瞳口径为Φ80mm，出瞳距大于等于868mm，在本发明中，使准直投影光学系统中的第二孔径光阑即系统的出瞳位于镜组前868mm处来满足这一要求。

如果采用一次成像镜组，由于受视场和入瞳距离(投影仪光路追迹方向与投影方向相反，光学系统的入瞳即为出瞳)的约束，光学系统的口径必然很大，因此本发明中的准直投影光学系统在结构型式上采用二次成像结构，其中中继物镜组为一个近距离成像的物镜组，它在两物镜组之间产生一个放大的中间像，准直物镜组将中间像以平行光投射出去。二次成像结构可减小中继物镜组的口径以实现和红外光源的配合，同时减轻重量，满足模拟器对重量的要求。二次成像系统的设计，首先要合理分配准直物镜组和中继物镜组的光焦度并确定中继物镜组的放大倍率，设计过程中，两组先单独优化，然后再组合校正像差，组合时两组物镜之间的光瞳必须匹配，照明系统中的第二组TIR棱镜同时位于投影系统光路中，具有衔接照明系统和投影系统的作用，棱镜组有一定的厚度，会产生各种像差，因此也必须参与准直投影光学系统的优化计算。对于特大相对孔径为1：0.98的光学系统，像差的校正要考虑轴上点球差、位置色差外，还要考虑轴外点的慧差、像散、场曲、畸变和垂轴色差等。光阑在镜组外会使轴外光束在镜组上的投射高很大，在透镜表面的入射角也很大，使轴外像差加剧，因此准直物镜组和中继物镜组均为复杂的多片组合透镜，材料上选择低折射率的红外晶体和高折射率的红外晶体组合。为了进一步校正像差，在准直物镜组和中继透镜组引入非球面。

如图3所示，本优选实施例包括中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)，中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)沿投影方向依次排列，其中：中继物镜组(5-1)使用非球面透镜，包括四片分离透镜(L1～L4)，准直物镜组(5-2)也使用了非球面透镜，包括四片分离透镜(L5～L 8)；第二孔径光阑(S2)位于第八透镜(L8)前868mm处；第一透镜(L1)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)选择高折射率红外晶体Ge或Si，第二透镜(L2)选择低折射率的红外晶体CAF2或BaF2。本优选实施例准直投影光学系统的光学参数见表4、表5、表6。

表4光学系统参数表单位：(mm)

工作波长	0.003～0.005
		视场	8°
相对孔径	1：0.98
		焦距	75.07

表5光学零件参数表单位：(mm)

表6光学零件非球面数据表

表面	k	A
			L4第1表面	-1.174766	5.0036102E-007
L5第1表面	0.338451

Claims (10)

1.一种基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：包括红外光源(1)、第一DMD红外图像转换器(2)、第二DMD红外图像转换器(4)、照明系统(3)和准直投影光学系统(5)；

第一DMD红外图像转换器(2)、照明系统(3)、第二DMD红外图像转换器(4)沿照明方向依次排列且第一DMD红外图像转换器(2)位于照明系统(3)的物方焦平面上；

第二DMD红外图像转换器(4)、照明系统(3)中的第二TIR棱镜组(3-4)、准直投影光学系统(5)沿投影方向依次排列且第二DMD红外图像转换器(4)位于准直投影光学系统的物方焦平面上；

第一DMD红外图像转换器(2)用于调制图像的红外辐射强度，第二DMD红外图像转换器(4)用于调制图像的空间分布特征；照明系统(3)中的第一TIR棱镜组(3-1)和第二TIR棱镜组(3-4)分别实现红外光源(1)和照明系统(3)、照明系统(3)和准直投影光学系统(5)的光路折转和衔接，使第一DMD红外图像转换器(2)上的红外辐射强度调制和第二DMD红外图像转换器(4)上的图像空间分布调制相叠加，实现对红外光束时间-空间的同步调制；准直投影光学系统(5)将经过第二DMD红外图像转换器(4)调制得到的红外图像准直投射出去，模拟来自无穷远的动态红外场景。

2.根据权利要求1所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述红外光源(1)选用黑体或红外灯。

3.根据权利要求1所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述照明系统(3)包括第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)和第二TIR棱镜组(3-4)，所述第一TIR棱镜组(3-1)、前组透镜(3-2)、后组透镜(3-3)、第二TIR棱镜组(3-4)沿照明方向依次排列，其中：前组透镜(3-2)和后组透镜(3-3)均为一片非球面正透镜，第一TIR棱镜组(3-1)和第二TIR棱镜组(3-4)均由两片直角TIR棱镜组成。

4.根据权利要求3所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述照明系统(3)还包括第一孔径光阑(S1)，所述第一孔径光阑(S1)位于第一TIR棱镜组(3-1)的第二表面上。

5.根据权利要求3所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述第一TIR棱镜组(3-1)和所述第二TIR棱镜组(3-4)的材料折射率低于所述前组透镜(3-2)和所述后组透镜(3-3)。

6.根据权利要求5所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述第一TIR棱镜组(3-1)和所述第二TIR棱镜组(3-4)采用低折射率的红外晶体CaF₂或BaF₂或ZnSe或ZnS材料；所述前组透镜(3-2)和所述后组透镜(3-3)采用高折射率的红外晶体Ge或Si材料。

7.根据权利要求1所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述准直投影光学系统(5)包括中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)，所述中继物镜组(5-1)和准直物镜组(5-2)沿投影方向依次排列。

8.根据权利要求7所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：中继物镜组(5-1)使用非球面透镜，包括四片分离透镜，分别为第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)；准直物镜组(5-2)使用非球面透镜，包括四片分离透镜，分别为第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)。

9.根据权利要求8所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：所述准直投影光学系统(5)还包括第二孔径光阑(S2)，所述第二孔径光阑(S2)位于第八透镜(L8)前868mm处。

10.根据权利要求8所述的基于双DMD红外投影仪光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)选择高折射率的红外晶体Ge或Si材料，第二透镜(L2)选择低折射率的红外晶体CaF₂或BaF₂材料。

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