顧法權(quán)，張寧，徐熙平，喬楊

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈主要具有探測(cè)手段隱秘、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在紅外成像制導(dǎo)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與仿真過(guò)程中，需要對(duì)紅外成像系統(tǒng)的導(dǎo)引頭進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估。傳統(tǒng)的方法為進(jìn)行大量的外場(chǎng)飛行試驗(yàn)，然而這種方式實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，可重復(fù)性差。所以需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行半實(shí)物仿真來(lái)模擬生成紅外景象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

目前紅外目標(biāo)模擬器主要分為直接調(diào)制型和輻射調(diào)制型兩種。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了屬于輻射調(diào)制型的數(shù)字微鏡陣列（DMD）技術(shù)，這種方式具有圖像分辨率高、圖像刷新頻率高、圖像灰度等級(jí)可精確控制、全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，在紅外成像系統(tǒng)仿真測(cè)試中受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1 系統(tǒng)的基本組成與工作原理

基于DMD的紅外景象仿真系統(tǒng)主要由黑體光源、照明系統(tǒng)、分光棱鏡、數(shù)字微鏡陣列（DMD）和投影系統(tǒng)等構(gòu)成。

DMD器件是以微電子機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ)的反射式空間光調(diào)制器，它在數(shù)字芯片上集成了成千上萬(wàn)個(gè)可繞對(duì)角線轉(zhuǎn)動(dòng)的微反射鏡，每個(gè)微反射鏡都受到獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的偏轉(zhuǎn)。DMD有三種狀態(tài)，開(kāi)狀態(tài)為+12°，平狀態(tài)為0°，關(guān)狀態(tài)為-12°。工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

由黑體光源發(fā)出的光線進(jìn)入照明光學(xué)系統(tǒng)，照明系統(tǒng)使入射光線均勻照射到DMD表面，當(dāng)DMD為開(kāi)狀態(tài)時(shí)，反射光線與入射光線夾角為24°，反射光線進(jìn)入投影系統(tǒng)，并經(jīng)投影系統(tǒng)將像投射到成像導(dǎo)引頭上；當(dāng)DMD為關(guān)狀態(tài)時(shí)，反射光線與入射光線夾角為72°，不能進(jìn)入投影系統(tǒng)而被吸收。通過(guò)控制每個(gè)微反射鏡開(kāi)與關(guān)狀態(tài)的頻率，調(diào)節(jié)仿真圖像的溫度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處紅外圖像的模擬。DMD參數(shù)如表1所示。

表1 DMD技術(shù)參數(shù)

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中光學(xué)系統(tǒng)主要采用遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)TIR棱鏡將投影系統(tǒng)與照明系統(tǒng)相連接。遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)使照明光線入射角分布均勻，從而使投影圖像灰度均勻；使入瞳位于無(wú)限遠(yuǎn)，保持放大倍率不變；TIR棱鏡置于照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)之間，縮短光路長(zhǎng)度，同時(shí)減小投影系統(tǒng)的后工作距，減小系統(tǒng)尺寸；由于遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的采用，使得照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)可以相互獨(dú)立設(shè)計(jì)。

2.1 照明系統(tǒng)

系統(tǒng)采用科勒照明，科勒照明將光源成像在投影系統(tǒng)的入瞳處，使光源的每一點(diǎn)都對(duì)物面進(jìn)行照明。即使是非均勻發(fā)光體作為光源時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)均勻照明。雖然科勒照明結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，但是可以使圖像實(shí)現(xiàn)較高對(duì)比度。

圖2 照明系統(tǒng)示意圖

由公式（1）可計(jì)算出sinθ1=0.18。所以照明光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA=n?sinθ1=0.18。系統(tǒng)工作波段為8～12μm，選擇鍺和硫化鋅作為透鏡材料，使光源均勻照明DMD表面，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 TIR棱鏡

TIR棱鏡工作原理：光線經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)后進(jìn)入棱鏡，在棱鏡1斜面處發(fā)生全反射，到達(dá)DMD表面，當(dāng)DMD處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，光線在棱鏡1斜面處折射，從棱鏡3處出射；當(dāng)DMD處于關(guān)狀態(tài)時(shí)，光學(xué)進(jìn)入棱鏡2，在棱鏡2斜面處發(fā)生全反射，不會(huì)進(jìn)入投影系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用硫化鋅作為棱鏡的材料，硫化鋅的折射率隨著波長(zhǎng)的增加而減小，在遠(yuǎn)紅外波段折射率變化較小，適合作為TIR棱鏡的材料。

圖4 TIR棱鏡結(jié)構(gòu)圖

2.3 投影系統(tǒng)

由系統(tǒng)的工作原理可知，DMD表面為投影系統(tǒng)的物面，且出射光為平行光，在這種情況下，投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用反向設(shè)計(jì)，實(shí)際中的入瞳在反向設(shè)計(jì)時(shí)作為系統(tǒng)的出瞳。相當(dāng)于物鏡將無(wú)窮遠(yuǎn)處像成在DMD表面。

為使投影系統(tǒng)的出瞳與導(dǎo)引頭有效匹配，以提高光能利用率和避免雜散光進(jìn)入導(dǎo)引頭從而降低圖像分辨率，本系統(tǒng)將出瞳放置在投影系統(tǒng)第一塊透鏡之前。為保證投影系統(tǒng)輸出的能量能夠完全充滿導(dǎo)引頭的入瞳，則要求投影系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該稍大于導(dǎo)引頭的入瞳。紅外系統(tǒng)導(dǎo)引頭參數(shù)如表2所示。

表2 紅外導(dǎo)引頭技術(shù)參數(shù)

投影系統(tǒng)不僅要與紅外導(dǎo)引頭相匹配，同時(shí)還要與照明系統(tǒng)相匹配。在與照明系統(tǒng)的匹配過(guò)程中，主要通過(guò)使投影系統(tǒng)的拉赫不變量大于照明系統(tǒng)的拉赫不變量，來(lái)使照明系統(tǒng)的光線通過(guò)投影系統(tǒng)被充分利用，投影系統(tǒng)光路如圖5所示。

圖5 投影系統(tǒng)示意圖

在圖5中：

根據(jù)照明系統(tǒng)最大照明角度，uDMD取8.5°，由公式（2）得出F/#=3.4。為使投影系統(tǒng)與紅外導(dǎo)引頭相匹配，系統(tǒng)出瞳應(yīng)大于導(dǎo)引頭入瞳，取系統(tǒng)出瞳D為120mm。則 f′=405mm。

為滿足投影系統(tǒng)小型化的要求，選擇了四片透鏡的初始結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)工作在8～12μm波段，考慮到紅外材料高折射率低色散的特性與滿足消色差的要求，選取鍺和錫化鋅作為投影物鏡的材料。最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 光學(xué)系統(tǒng)整體建模

由于系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)，得以使照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)計(jì)。在這里，將通過(guò)對(duì)照明系統(tǒng)、TIR棱鏡、投影系統(tǒng)進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體建模，模型如圖7所示。

由圖7可以看出，在DMD處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，入射光經(jīng)DMD反射進(jìn)入投影系統(tǒng)，產(chǎn)生平行光出射；而在DMD處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，入射光不會(huì)進(jìn)入投影系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)DMD“開(kāi)”“關(guān)”狀態(tài)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光線進(jìn)行調(diào)制，生成紅外圖像。

圖7 DMD處于開(kāi)/關(guān)狀態(tài)時(shí)整體模型

3.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)

由于紅外導(dǎo)引頭的分辨率為320×240，像元尺寸為25μm，對(duì)應(yīng)的空間分辨率為20lp/mm，所以主要考察投影系統(tǒng)在10lp/mm處的傳遞函數(shù)。如圖8所示，所有視場(chǎng)的MTF在10lp/mm處都大于0.5，像質(zhì)良好。

圖8 投影光學(xué)系統(tǒng)在10lp/mm處的MTF曲線

由公式3得艾里斑半徑R=41.5μm，由圖9可以看出，三個(gè)視場(chǎng)的均方根（RMS）半徑分別為14.708，15.556，21.831μm，均小于艾里斑半徑，像差較小，像質(zhì)良好。

圖9 投影光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑

4 結(jié)論

本文研究了基于DMD的紅外景象生成技術(shù)，并基于這種技術(shù)對(duì)紅外目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)采用遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，將照明光學(xué)系統(tǒng)與投影光學(xué)系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)計(jì)，由TIR棱鏡將照明與投影系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合。分別對(duì)照明系統(tǒng)，投影系統(tǒng)和TIR棱鏡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并給出了可行的具體設(shè)計(jì)結(jié)果。MTF在10lp/mm處大于0.5，彌散斑均方根半徑小于衍射極限，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性能良好。

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