基于DMD的红外目标模拟器光学系统的设计

顾法权，张宁，徐熙平，乔杨

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

红外制导导弹主要具有探测手段隐秘、抗干扰能力强等特点，在红外成像制导的设计、实验与仿真过程中，需要对红外成像系统的导引头进行测试与评估。传统的方法为进行大量的外场飞行试验，然而这种方式实验周期长，可重复性差。所以需要在实验室内进行半实物仿真来模拟生成红外景象，对系统进行测试。

目前红外目标模拟器主要分为直接调制型和辐射调制型两种。本文在设计过程中采用了属于辐射调制型的数字微镜阵列（DMD）技术，这种方式具有图像分辨率高、图像刷新频率高、图像灰度等级可精确控制、全数字化等优点，在红外成像系统仿真测试中受到越来越多的关注。

1 系统的基本组成与工作原理

基于DMD的红外景象仿真系统主要由黑体光源、照明系统、分光棱镜、数字微镜阵列（DMD）和投影系统等构成。

DMD器件是以微电子机械系统为基础的反射式空间光调制器，它在数字芯片上集成了成千上万个可绕对角线转动的微反射镜，每个微反射镜都受到独立控制，实现对光线的偏转。DMD有三种状态，开状态为+12°，平状态为0°，关状态为-12°。工作状态如图1所示。

图1 系统工作原理

由黑体光源发出的光线进入照明光学系统，照明系统使入射光线均匀照射到DMD表面，当DMD为开状态时，反射光线与入射光线夹角为24°，反射光线进入投影系统，并经投影系统将像投射到成像导引头上；当DMD为关状态时，反射光线与入射光线夹角为72°，不能进入投影系统而被吸收。通过控制每个微反射镜开与关状态的频率，调节仿真图像的温度，以实现对无穷远处红外图像的模拟。DMD参数如表1所示。

表1 DMD技术参数

2 光学系统设计

本文中光学系统主要采用远心光路结构进行设计，通过TIR棱镜将投影系统与照明系统相连接。远心光路结构使照明光线入射角分布均匀，从而使投影图像灰度均匀；使入瞳位于无限远，保持放大倍率不变；TIR棱镜置于照明系统与投影系统之间，缩短光路长度，同时减小投影系统的后工作距，减小系统尺寸；由于远心结构的采用，使得照明系统与投影系统可以相互独立设计。

2.1 照明系统

系统采用科勒照明，科勒照明将光源成像在投影系统的入瞳处，使光源的每一点都对物面进行照明。即使是非均匀发光体作为光源时，也能实现均匀照明。虽然科勒照明结构相对比较复杂，但是可以使图像实现较高对比度。

图2 照明系统示意图

由公式（1）可计算出sinθ1=0.18。所以照明光学系统的数值孔径NA=n⋅sinθ1=0.18。系统工作波段为8～12μm，选择锗和硫化锌作为透镜材料，使光源均匀照明DMD表面，设计结构如图3所示。

图3 照明系统结构图

2.2 TIR棱镜

TIR棱镜工作原理：光线经照明光学系统后进入棱镜，在棱镜1斜面处发生全反射，到达DMD表面，当DMD处于开状态时，光线在棱镜1斜面处折射，从棱镜3处出射；当DMD处于关状态时，光学进入棱镜2，在棱镜2斜面处发生全反射，不会进入投影系统。

本系统采用硫化锌作为棱镜的材料，硫化锌的折射率随着波长的增加而减小，在远红外波段折射率变化较小，适合作为TIR棱镜的材料。

图4 TIR棱镜结构图

2.3 投影系统

由系统的工作原理可知，DMD表面为投影系统的物面，且出射光为平行光，在这种情况下，投影系统的设计采用反向设计，实际中的入瞳在反向设计时作为系统的出瞳。相当于物镜将无穷远处像成在DMD表面。

为使投影系统的出瞳与导引头有效匹配，以提高光能利用率和避免杂散光进入导引头从而降低图像分辨率，本系统将出瞳放置在投影系统第一块透镜之前。为保证投影系统输出的能量能够完全充满导引头的入瞳，则要求投影系统的出瞳应该稍大于导引头的入瞳。红外系统导引头参数如表2所示。

表2 红外导引头技术参数

投影系统不仅要与红外导引头相匹配，同时还要与照明系统相匹配。在与照明系统的匹配过程中，主要通过使投影系统的拉赫不变量大于照明系统的拉赫不变量，来使照明系统的光线通过投影系统被充分利用，投影系统光路如图5所示。

图5 投影系统示意图

在图5中：

根据照明系统最大照明角度，uDMD取8.5°，由公式（2）得出F/#=3.4。为使投影系统与红外导引头相匹配，系统出瞳应大于导引头入瞳，取系统出瞳D为120mm。则 f′=405mm。

为满足投影系统小型化的要求，选择了四片透镜的初始结构。由于系统工作在8～12μm波段，考虑到红外材料高折射率低色散的特性与满足消色差的要求，选取锗和锡化锌作为投影物镜的材料。最终设计结构如图6所示。

图6 投影系统结构图

3 设计结果分析

3.1 光学系统整体建模

由于系统采用了远心光路结构，得以使照明系统与投影系统分开设计。在这里，将通过对照明系统、TIR棱镜、投影系统进行整合，以实现系统的整体建模，模型如图7所示。

由图7可以看出，在DMD处于“开”状态时，入射光经DMD反射进入投影系统，产生平行光出射；而在DMD处于“关”状态时，入射光不会进入投影系统。通过对DMD“开”“关”状态的控制，实现对出射光线进行调制，生成红外图像。

图7 DMD处于开/关状态时整体模型

3.2 像质评价

由于红外导引头的分辨率为320×240，像元尺寸为25μm，对应的空间分辨率为20lp/mm，所以主要考察投影系统在10lp/mm处的传递函数。如图8所示，所有视场的MTF在10lp/mm处都大于0.5，像质良好。

图8 投影光学系统在10lp/mm处的MTF曲线

由公式3得艾里斑半径R=41.5μm，由图9可以看出，三个视场的均方根（RMS）半径分别为14.708，15.556，21.831μm，均小于艾里斑半径，像差较小，像质良好。

图9 投影光学系统的弥散斑

4 结论

本文研究了基于DMD的红外景象生成技术，并基于这种技术对红外目标模拟器的光学系统进行了设计。通过采用远心结构，将照明光学系统与投影光学系统分开设计，由TIR棱镜将照明与投影系统进行结合。分别对照明系统，投影系统和TIR棱镜的设计要点进行了分析，并给出了可行的具体设计结果。MTF在10lp/mm处大于0.5，弥散斑均方根半径小于衍射极限，该系统结构紧凑，性能良好。

［1］乔杨，徐熙平.消热差红外目标模拟器投影光学系统设计［J］.兵工学报，2013，34（4）：431-436.

［2］乔杨.基于DMD的双视场红外目标模拟器光学引擎的研究［D］.长春：长春理工大学，2013.

［3］王云萍，赵长明.基于DMD的动态红外景象仿真系统［J］.红外与激光工程，2009，38（6）：966-970.

［4］曲兆俊，吴玲.基于电阻阵列红外场景投射的准直光学系统设计［J］.红外技术，2009，31（8）：446-449.

［5］Dewald D Scott.Using zemax image analysis and user-defined surfaces for projection lens design and evaluation forDigitalLightProcessing projection system［J］.Opt.Eng，39（7）：1802-1807.