專利名稱：基于dmd的紅外場景仿真器的場鏡光學(xué)構(gòu)架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，特別的，涉及一種基于DMD器件應(yīng)用的紅外光學(xué)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)用于紅外場景仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外動態(tài)場景仿真技術(shù)以計(jì)算機(jī)、信息處理、微電子等高新技術(shù)為依托，將大量紅外仿真測試和有限的外場試驗(yàn)相結(jié)合，不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(zhì)量；另外，通過使用仿真技術(shù)還可以大大減少外場實(shí)驗(yàn)次數(shù)，從而起到縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、提高系統(tǒng)性能的目的。DMD是迄今為止世界上最先進(jìn)的快速反射式數(shù)字光開關(guān)器件，DMD是機(jī)械與電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它是用數(shù)字電壓信號控制微鏡片執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能的裝置。由于DMD器件是反射式光調(diào)制器，不限制調(diào)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(dāng)前應(yīng)用的熱點(diǎn)。DMD應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)一般情況下分成照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)兩部分，前者是非成像光學(xué)，后者是成像光學(xué)。整個光學(xué)系統(tǒng)中，照明的優(yōu)劣對于整個系統(tǒng)的性能影響至關(guān)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(xué)系統(tǒng)架構(gòu)遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)和非遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，照明部分系統(tǒng)采用像方遠(yuǎn)心光路，使照射到DMD平面上的主光線都是平行的。由于遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，照明系統(tǒng)的出瞳和投影系統(tǒng)的入瞳都在無窮遠(yuǎn)，所以這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。一般情況下，這種結(jié)構(gòu)里，投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)用一個TIR(total-internal-ref Iectance)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(gòu)下，DMD無需偏置，照明均勻性也能做到很好。非遠(yuǎn)心光路，就是照明光路是非遠(yuǎn)心光路，DMD上接收不是平行的光錐照射。由于不是遠(yuǎn)心光路，考慮光能利用率問題，設(shè)計(jì)應(yīng)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(yuǎn)心光路系統(tǒng)，照明和投影系統(tǒng)不能分開設(shè)計(jì)。非遠(yuǎn)心光路相比遠(yuǎn)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(fù)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(diǎn)是照明入射角更大，DLP投影效果的對比度更高，而且結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得緊湊，適合小型化設(shè)計(jì)。但是由于非遠(yuǎn)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(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的。紅外TIR棱鏡吸收較大，且不容易設(shè)計(jì)。本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種光學(xué)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(xué)系統(tǒng)能既有遠(yuǎn)心架構(gòu)的均勻照明性能，又能達(dá)到非遠(yuǎn)心架構(gòu)的緊湊結(jié)構(gòu)。

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(xué)架構(gòu)。該架構(gòu)照明性能良好，能量利用率高，且結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)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(zhì)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(yuǎn)心系統(tǒng)，所以入瞳處在無窮遠(yuǎn)。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(yuǎn)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(yuǎn)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(zhì)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(gòu)成一個投影系統(tǒng)。場鏡須設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需要考慮到其焦距和照明角的關(guān)系，這點(diǎn)參照具體實(shí)施方案中的說明。平面反射鏡的角度和位置可以調(diào)節(jié)，以不遮擋照明光線和投影系統(tǒng)無漸暈為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。投影物鏡的設(shè)計(jì)需要參考紅外仿真器的工作待測系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，需要做到其出瞳與待測系統(tǒng)的入瞳匹配，視場角匹配。


圖I為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的場鏡配置示意圖。圖3為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)例在DMD平面上的照明效果圖(二維空間分布)。圖4為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)例在DMD平面上的照明效果圖(角空間分布)。
具體實(shí)施例方式按照附圖I的示意圖所標(biāo)示，整個光路光線依次通過光源，勻光棒，照明中繼透鏡組，照明系統(tǒng)光闌，場鏡，DMD，場鏡，投影系統(tǒng)光闌，平面反射鏡，投影物鏡。勻光棒的入口位置與照明系統(tǒng)光闌共軛，勻光棒的出口位置與DMD共軛，以此來保證照明的均勻性。按照附圖2的示意圖所標(biāo)示，照明系統(tǒng)光闌和投影系統(tǒng)光闌位于場鏡的焦面處， 以此來保證系統(tǒng)的遠(yuǎn)心性。設(shè)場鏡的焦距為f，照明系統(tǒng)的偏心量為h，照明系統(tǒng)光闌直徑為d, h需要滿足h = f/tan24。
以此來保證照明光線主光線平行，且照明角為24°。24°的照明角是由DMD芯片上微鏡的擺角12°決定的。照明系統(tǒng)光闌和投影系統(tǒng)光闌在同一個平面，所以還需要保證 h大于d，以保證光闌之間不相互影響。按照本實(shí)施方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，照明均勻性良好，且照明角度集中。(參見附圖3，附圖4)
權(quán)利要求
1.一種基于DMD紅外場景仿真器的光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)以光線通過順序依次為光源，勻光棒，照明中繼透鏡組，照明系統(tǒng)光闌，場鏡，DMD，場鏡，投影系統(tǒng)光闌，平面反射鏡，投影物鏡，其特征在于所述的場鏡位于DMD正上方，照明系統(tǒng)光闌和投影系統(tǒng)光闌都在場鏡的另一側(cè)的焦平面上；照明系統(tǒng)光束使用場鏡的離軸部分，照明系統(tǒng)的照明中繼透鏡組和照明系統(tǒng)光闌相對于場鏡的離軸偏移量為場鏡的焦距除以照明角；所述的照明中繼透鏡組位于勻光棒和照明系統(tǒng)光闌之間，且勻光棒的入口與照明系統(tǒng)光闌的位置通過照明中繼透鏡組形成共軛， 勻光棒的出口與DMD的位置在照明中繼透鏡組和場鏡組合作用下形成共軛。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于基于DMD的紅外場景仿真器的場鏡光學(xué)架構(gòu)。本發(fā)明提出一種用場鏡分離紅外場景仿真器的照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的光路架構(gòu)，該光學(xué)架構(gòu)包括光源，勻光棒，照明中繼透鏡組，照明系統(tǒng)光闌，場鏡，DMD，投影系統(tǒng)光闌，平面反射鏡，投影物鏡。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅外場景仿真器的核心器件DMD芯片的均勻照明和場景投射功能，并解決了DMD應(yīng)用中的照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)相互干擾的問題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于照明光斑均勻，系統(tǒng)能量損失低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很緊湊且容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G02B27/09GK102591018SQ20121001909
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者于洋, 潘兆鑫, 蹇毅 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所