專利名稱：一種紅外dlp遠心投影系統(tǒng)光學引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別的，涉及一種數(shù)字光處理(DLP)的紅外光學系統(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)以計算機、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相結(jié)合，不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)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(zhì)量；另外，通過使用仿真技術(shù)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。紅外圖像仿真器包括紅外目標和背景發(fā)生系統(tǒng)和光學系統(tǒng)，功能是把計算機生成的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)譜段的紅外圖像，并投射到紅外成像系統(tǒng)的入瞳處并充滿入瞳，使得紅外景象與真實目標和背景在探測器上的像斑的大小一致，輻射能量的空間分布一致。 要求它投射的光是時空間不相干的、非偏振的?，F(xiàn)代投影技術(shù)中，TFT-IXD，LCOS和DLP是比較主流的先進投影顯示技術(shù)。IXD和 LCOS均不適用于紅外波段，而DLP由于是反射光調(diào)制，與投影光波長無關(guān)，所以可以適用于紅外波段。相比電阻橋等主動發(fā)光投影技術(shù)，使用DLP投影技術(shù)完成紅外圖像仿真器的光學系統(tǒng)具有高分辨率、高幀頻、無死像元和均勻性好等特點。DLP投影技術(shù)中，光學系統(tǒng)使用Texas Instrument Co公司研發(fā)的數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD)。DMD 既是一種微電子機械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System, MEMS)，也是一種半導體空間光調(diào)制器(SLM)。把DMD稱為MEMS是因為它是由成千上萬個可翻轉(zhuǎn)的微小反射鏡(不同型號DMD的微鏡大小不同)建造在靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)上方的鉸鏈結(jié)構(gòu)上面而組成。另一方面，因為這些微反射鏡是以高速反射的方式來調(diào)制光的，所以DMD也可以稱作是一種反射式SLM。DMD的微反射鏡有三種狀態(tài)，分別是開、關(guān)、平狀態(tài)。具體工作原理就是，入射的照明光以一定的角度照射到DMD上，而電路控制每一片DMD的狀態(tài)。如果是 “開”狀態(tài)，照明入射光將通過DMD反射進入后續(xù)的投影光學系統(tǒng)，如果是“關(guān)”狀態(tài)，照明入射光不進入投影系統(tǒng)。這樣，在探測器的一次積分周期中，控制DMD處于“開” “關(guān)”狀態(tài)的時間，便控制了進入投影系統(tǒng)的光能量。于是通過控制這些反射能量不同的DMD陣列，便可以產(chǎn)生并投影需要的灰度圖像。DLP所處的整個光學系統(tǒng)包括照明光學系統(tǒng)和投影光學系統(tǒng)，前者是非成像光學， 后者是成像光學。DLP投影系統(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 DLP 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(gòu)遠心結(jié)構(gòu)和非遠心結(jié)構(gòu)。遠心結(jié)構(gòu)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(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，所以這種結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計。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TIRaotal-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(gòu)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(shè)計應(yīng)將照明系統(tǒng)的出瞳與投影系統(tǒng)的入瞳向相匹配。所以非遠心光路系統(tǒng)，照明和投影系統(tǒng)不能分開設(shè)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IlR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(jié)構(gòu)可以設(shè)計得緊湊，適合小型化設(shè)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遠心結(jié)構(gòu)的。遠心結(jié)構(gòu)簡單，但是TIR棱鏡對光束的分光作用，即使理論上，也最多只有25%的能量能投射出去，且TIR棱鏡膠合材料對于紅外的吸收較大，致使該結(jié)構(gòu)的能量損失太大， 不適用于紅外光學系統(tǒng)。而非遠心架構(gòu)，最大的問題是設(shè)計和制造成本較大，可能還需要用到自由曲面反射面來分開照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。自由曲面的設(shè)計比較復雜，研發(fā)和加工成本很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要完成的是提出一種紅外DLP光學系統(tǒng)，克服遠心結(jié)構(gòu)和非遠心結(jié)構(gòu)的限制和缺點，使之具有制造簡單，可靠性高，成本相對低廉的特點。本發(fā)明應(yīng)用于紅外場景仿真器的制造。本發(fā)明提出一種遠心照明的紅外DLP投影光路。遠心投影結(jié)構(gòu)有照明均勻度高， 投影精度高等特點。本發(fā)明的遠心系統(tǒng)，不需要使用IlR棱鏡，對于紅外系統(tǒng)能量利用率提高是非常有利的。同時也不需要偏置DMD芯片，從而可以方便的搭建起光路。照明系統(tǒng)的設(shè)計，主要考慮的是照明均勻性和能量利用率。利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以得到均勻的照明效果和較高的能量利用率。本發(fā)明DLP光學引擎，完全適用紅外波段。紅外光學系統(tǒng)，鏡片材料價格昂貴，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小，有利于控制紅外場景產(chǎn)生器的制造成本。本發(fā)明中，照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)均可采用較常見的紅外光學材料制備。必須指出的是DMD微鏡陣列的光學窗口的光譜透射問題。普通DMD陣列封裝好，上的光學窗口材料不能透過紅外光，為了適用于紅外波段，因此在本發(fā)明中必須使用更換過光學窗材料的DMD。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，具體包括紅外光源，橢球型反光碗，空心方棒，照明中繼透鏡，DMD芯片，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，紅外光源置于橢球反光碗的一個焦點上，其光束匯聚在橢球型反光碗的另一個焦點上。在匯聚的另一焦點上放置空心方棒入口。空心方棒內(nèi)部要鍍上對紅外中波波段反射率90%以上的反射膜。光線進入方棒后，在方棒內(nèi)多次反射后，起到一個光積分器的作用， 在方棒出口處得到均勻的光強分布。在空心方棒后放置照明中繼透鏡組。該組透鏡是一種臨界照明設(shè)計，使方棒出口處的均勻分布的光強成像到DMD微鏡陣列處。由于采用的遠心架構(gòu)，所以該透鏡組出瞳應(yīng)在無窮遠處。照明透鏡組對像差并無較高要求，盡量消除球差即
4可。DMD芯片與照明光路的光軸傾斜放置在照明透鏡的像面上。在DMD芯片正上方安放一個平面反射鏡，反射鏡用于改變光軸方向，使照明中繼透鏡組和投影物鏡分開，而不至于相互影響。平面反射鏡幾乎不可避免的會擋住一部分照明光束。理論和實驗可以得出， 如果平面反射鏡在空心方棒入口對照明中繼透鏡組的共軛處，這一部分被遮擋的光束幾乎不會影響DMD照明的均勻性。平面反射鏡與投影光路光軸夾角為50°，這樣可以自然分開投影系統(tǒng)與DMD芯片的空間位置。經(jīng)DMD微鏡陣列調(diào)制過的反射光(紅外場景)經(jīng)過遠心投影物鏡投射出。由于是遠心架構(gòu)，透鏡物鏡的入瞳應(yīng)在負無窮遠處。為了提高能量利用率，投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)應(yīng)有相等的工作F數(shù)。而投影系統(tǒng)F 數(shù)的確定，一般由整個系統(tǒng)的分辨率和衍射極限來確定。


圖1是本發(fā)明的紅外DLP光學引擎結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的紅外DLP光學引擎中照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的紅外DLP光學引擎中投影系統(tǒng)的示意圖。圖4是本發(fā)明中，照明系統(tǒng)以及反射鏡位置說明示意圖。圖5是本采用發(fā)明系統(tǒng)后，計算機照明軟件仿真得到DMD表面的照明效果圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括紅外光源1，橢球型反光碗2，空心方棒3，照明中繼透鏡 4，DMD微鏡陣列5，平面反射鏡6，投影物鏡7。紅外光源1置于橢球反光碗2的一個焦點上，根據(jù)橢圓的幾何性質(zhì)，其光束將匯聚在橢球型反光碗的另一個焦點上。反光碗內(nèi)部要鍍反射膜，并在紅外波段有90%以上的反射率。反光碗2碗口大小，應(yīng)由后續(xù)照明透鏡系統(tǒng)4 的數(shù)值孔徑?jīng)Q定?？招姆桨?吸收紅外光源和反光碗反射的光，進行光積分，在空心方棒3的出口形成空間分布均勻的光束分布。照明中繼透鏡4將空心方棒3出口成像到DMD微鏡陣列5的表面，形成均勻的照明。由于DMD微鏡陣列翻轉(zhuǎn)角度是12°，TI公司推薦入射光與DMD平面法線方向成角入射，這時投影圖像具有最高的對比度和亮度，光能利用率最高。DMD 微鏡陣列將照明光束空間調(diào)制后，調(diào)制光經(jīng)過平面反射鏡6反射到投影物鏡7中。如圖2所示，為本發(fā)明中的照明系統(tǒng)示意圖。本發(fā)明中，空心方棒3出口處是均勻的光強分布，所以照明系統(tǒng)采用臨界照明，空心方棒出口與DMD微鏡陣列的位置是一對物象共軛關(guān)系。本發(fā)明中，照明中繼透鏡組4除了要滿足空心方棒3出口與DMD微鏡陣列 5的物象關(guān)系(消除像差優(yōu)化，一般消除球差即可)，還應(yīng)滿足空心方棒3入口與平面反射鏡6位置的物象共軛關(guān)系(滿足高斯光學物象關(guān)系即可)。而且照明中繼透鏡4需要滿足光源/方棒與顯示/投影物鏡之間的光學擴展量的匹配，提高整個系統(tǒng)的能量利用率。根據(jù)紅外場景產(chǎn)生器分辨率的要求和紅外波段的衍射極限，確定照明系統(tǒng)的工作F數(shù)和數(shù)值孔徑。為保證是遠心光路，照明中繼透鏡4的出瞳應(yīng)在無窮遠處。如圖3所示，為本發(fā)明中投影物鏡示意圖。采用物方遠心光路，必須優(yōu)化消除各類初級像差，點陣圖控制在衍射極限內(nèi)。必須注意的是，在紅外場景仿真系統(tǒng)中，投影物鏡系統(tǒng)的參數(shù)應(yīng)配合后續(xù)待測系統(tǒng)的光學參數(shù)來確定，投影系統(tǒng)的出瞳需和待測系統(tǒng)的入瞳匹配，視場角應(yīng)在待測系統(tǒng)測試范圍內(nèi)。設(shè)計本發(fā)明中投影光學鏡頭時，務(wù)必留出足夠的DMD 到第一片鏡片的距離，以方便安裝平面反射鏡6。如圖4所示現(xiàn)在通過傅立葉光學角度來分析本發(fā)明中臨界照明系統(tǒng)。在投影光路中，由于照明光束和反射光束之間只有的夾角，所以考慮到安裝鏡筒等因素，照明透鏡和投影物鏡極有可能空間上接觸。為了避免互相影響，在DMD芯片前放置平面反射鏡6?？梢钥闯觯矫娣瓷溏R6擋住了部分照明光束。各個方向的照明光線進入空心方棒3內(nèi)部，由于進入的角度不同，在方棒內(nèi)發(fā)生不同次數(shù)的反射。光線反射后，形成一個虛擬光源，多次反射后，就形成一個虛擬的二維光源陣列8。該二維光源陣列在空心方棒3的入口處，應(yīng)與放置平面反射鏡6的位置形成共軛關(guān)系。從傅立葉光學的角度來看，二維光源陣列8是光源，空心方棒3的出口是物面，平面反射鏡6的位置是頻譜面(帶常相位因子)，DMD微鏡陣列5的位置是像面。具體的理論分析和推導參考蘇顯渝，李繼陶的《信息光學》第二章。 根據(jù)空間濾波的方法，在頻譜面上，遮擋住離中心點較遠的頻譜分布，將濾掉物空間的高頻信息。濾掉部分高頻信息并不會影響成像的均勻性。甚至遮住一半的光線，都可以實現(xiàn)均勻照明。平面反射鏡與投影光路光軸夾角為50°，這樣可以自然分開投影系統(tǒng)與DMD芯片的空間位置。如圖5所示，為用計算機仿真后DMD陣列上照明效果。左圖是未放置平面反射鏡 6時，DMD芯片上的照明效果，右圖是放置平面反射鏡到圖5所示的頻譜面后，DMD芯片上的照明效果?？梢钥闯觯斯鈴娪邢跬?，其空間均勻性幾乎沒有變化。
權(quán)利要求
1.一種紅外DLP投影光學系統(tǒng)，包括紅外光源(1)、橢球型反光碗O)、空心方棒(3)、 照明中繼透鏡G)、DMD微鏡陣列(5)、平面反射鏡(6)和投影物鏡(7)，其特征在于紅外光源(1)置于橢球反光碗的一個焦點上，其光束匯聚在橢球型反光碗的另一個焦點上；在匯聚的另一焦點上放置空心方棒C3)入口，光線進入方棒后，在方棒內(nèi)多次反射后，起到一個光積分器的作用，在方棒出口處得到均勻的光強分布；在空心方棒(3)后放置照明中繼透鏡組G)，使方棒出口處的均勻分布的光強成像到DMD微鏡陣列處；DMD微鏡陣列(5)與照明光路的光軸傾斜放置在照明中繼透鏡的像面上，平面反射鏡(6)放置在在微鏡陣列 (5)的正上方，與DMD微鏡陣列(5)法線方向成50°，平面反射鏡(6)將DMD反射出的調(diào)制光引入投影物鏡(7)形成紅外目標。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外DLP投影光學系統(tǒng)，其特征在于所述的空心方棒 (3)的入口位置與平面反射鏡(6)的位置在照明中繼透鏡(4)的系統(tǒng)中處于物像共軛關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外DLP遠心投影系統(tǒng)光學引擎，它主要用于紅外場景仿真器的研究。本發(fā)明提出一種無需TIR棱鏡的遠心光路結(jié)構(gòu)，該光學結(jié)構(gòu)包括一個紅外光源，一個橢球型反光碗，一個空心方棒，一組照明中繼透鏡，一個DMD芯片，平面反射鏡，一組投影物鏡。該系統(tǒng)實現(xiàn)紅外波段的遠心DLP投影光路的設(shè)計。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主要特點在于可適用于紅外波段，遠心投影，且制造簡單，可靠性高，便于優(yōu)化，成本相對低廉。
文檔編號G03B21/20GK102213906SQ20111011742
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者施家明, 朱承希, 潘兆鑫, 蹇毅 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所