[發(fā)明專利]基于DMD的紅外場景仿真器的場鏡光學構架

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210019096.7
• 申請日: 2012-01-20
• 公開（公告）號: CN102591018A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設計）人: 蹇毅;于洋;潘兆鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/18;G02B27/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別的，涉及一種基于DMD器件應用的紅外光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于紅外場景仿真領域。

背景技術：

紅外動態(tài)場景仿真技術以計算機、信息處理、微電子等高新技術為依托，將大量紅外仿真測試和有限的外場試驗相結合，不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)設計、提高系統(tǒng)性能，而且可以及時診斷并排除隱患和故障、能有效地提高研制質量；另外，通過使用仿真技術還可以大大減少外場實驗次數(shù)，從而起到縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費、提高系統(tǒng)性能的目的。

DMD是迄今為止世界上最先進的快速反射式數(shù)字光開關器件，DMD是機械與電子技術有機結合的產(chǎn)物，它是用數(shù)字電壓信號控制微鏡片執(zhí)行機械運動來實現(xiàn)光學功能的裝置。由于DMD器件是反射式光調制器，不限制調制光波長，所以可以適用于紅外波段。用DMD器件作為紅外場景仿真器的核心器件——場景發(fā)生器是當前應用的熱點。

DMD應用的光學系統(tǒng)一般情況下分成照明光學系統(tǒng)和投影光學系統(tǒng)兩部分，前者是非成像光學，后者是成像光學。整個光學系統(tǒng)中，照明的優(yōu)劣對于整個系統(tǒng)的性能影響至關重要。在Texas?Instrument?Co公司官方提供的DLP光路參考資料《Single-Panel?DLPTM?Projection?System?Optics》給出了兩種典型的單芯片式DLP投影光學系統(tǒng)架構：遠心結構和非遠心結構。

遠心結構的光學系統(tǒng)，照明部分系統(tǒng)采用像方遠心光路，使照射到DMD平面上的主光線都是平行的。由于遠心結構，照明系統(tǒng)的出瞳和投影系統(tǒng)的入瞳都在無窮遠，所以這種結構設計起來比較容易，投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)可以分開來同時設計。一般情況下，這種結構里，投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)用一個TIR(total-internal-reflectance)棱鏡隔開，所以投影部分和照明部分相互沒有參數(shù)影響。這種架構下，DMD無需偏置，照明均勻性也能做到很好。

非遠心光路，就是照明光路是非遠心光路，DMD上接收不是平行的光錐照射。由于不是遠心光路，考慮光能利用率問題，設計應將照明系統(tǒng)的出瞳與投影系統(tǒng)的入瞳向相匹配。所以非遠心光路系統(tǒng)，照明和投影系統(tǒng)不能分開設計。非遠心光路相比遠心光路，由于照明光束不平行，一般不用TIR棱鏡來分開照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。采用DMD偏置，以及大的照明入射角，甚至復雜的自由曲面反射鏡才能將照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)分開足夠的角度。其優(yōu)點是照明入射角更大，DLP投影效果的對比度更高，而且結構可以設計得緊湊，適合小型化設計。但是由于非遠心光路的照明光束不是平行的，所以其照明光束的角度均勻性不如采用遠心結構的。

紅外TIR棱鏡吸收較大，且不容易設計。本發(fā)明旨在設計一種光學器件來替代TIR棱鏡來分離照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)，使光學系統(tǒng)能既有遠心架構的均勻照明性能，又能達到非遠心架構的緊湊結構。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明提出了一種用于基于DMD的紅外場景仿真器的場鏡光學架構。該架構照明性能良好，能量利用率高，且結構緊湊，易于實現(xiàn)。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，具體包括：光源，勻光棒，照明中繼透鏡組，DMD芯片，場鏡，平面反射鏡，投影物鏡。紅外光源可以選用黑體輻射源或者硅碳棒，紅外光源利用橢球反光碗的性質將光束匯聚于后面勻光棒的入口。在勻光棒內(nèi)部要鍍上對紅外中波波段反射率90％以上的反射膜。光線進入勻光棒后，在勻光棒內(nèi)多次反射后，起到一個光積分器的作用，在勻光棒出口處得到均勻的光強分布。勻光棒的作用還可以看成是將光源的像通過內(nèi)部多次反射，形成許許多多的光源虛擬像。這些虛擬光源像形成的網(wǎng)格將單一光源的不均勻性降低。本發(fā)明照明系統(tǒng)采用科勒式照明，并不直接將光源成像到照明面，而是成像到后續(xù)投影系統(tǒng)的入瞳。所以為了滿足均勻照明DMD表面和投影系統(tǒng)入瞳的要求，照明中繼透鏡和場鏡要滿足將勻光棒出口得到的均勻光強分布成像到DMD表面，同時還要將勻光棒入口處的虛擬光源像成像到投影系統(tǒng)入瞳處。投影系統(tǒng)是遠心系統(tǒng)，所以入瞳處在無窮遠。將投影系統(tǒng)光闌和照明系統(tǒng)光闌位于場鏡的焦面上，既可以保證系統(tǒng)的遠心性，又可以使照明系統(tǒng)的出瞳與投影系統(tǒng)的入瞳匹配。將勻光棒入口處的虛擬光源像成像在照明系統(tǒng)光闌處，即可以滿足均勻照明無窮遠處的投影系統(tǒng)入瞳。場鏡的作用是分離投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。

照明對于成像質量要求不高，所用用場鏡的離軸部分，投影系統(tǒng)利用的是其軸上部分。場鏡和投影系統(tǒng)光闌，投影物鏡一起構成一個投影系統(tǒng)。場鏡須設計成薄透鏡，使離軸部分的焦距與軸上焦距大致相同(球差小)。場鏡的設計需要考慮到其焦距和照明角的關系，這點參照具體實施方案中的說明。