專利名稱：一種用于紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種基于DMD(數(shù)字微鏡器件)的動(dòng)態(tài)寬波段紅外投影光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于DMD的投影技術(shù)已成功用于可見(jiàn)光投影機(jī)，將此技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)生動(dòng)態(tài)紅外仿真景象，評(píng)估和驗(yàn)證紅外成像系統(tǒng)性能，具有重要的軍事及民用價(jià)值，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。由美國(guó)德州儀器(Tl)公司生產(chǎn)的DMD器件，采用二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)控制生成仿真景象的灰度，具有空間分辨率高、幀頻高、無(wú)死像元、均勻性好的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)已將該技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)，可用于紫外、可見(jiàn)、紅外波段傳感器和導(dǎo)彈尋的器的動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試與評(píng)估。近幾年，國(guó)內(nèi)一些工業(yè)部門和院校開(kāi)始研究基于DMD的紅外景象仿真器。參見(jiàn)附圖1，它是基于DMD的動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的工作原理示意圖，計(jì)算機(jī)圖像生成器1生成的數(shù)字圖像，或由紅外實(shí)拍設(shè)備得到的數(shù)字視頻圖像，通過(guò)DMD信號(hào)處理電路 2和驅(qū)動(dòng)電路3，輸入到DMD芯片4，根據(jù)圖像像元的灰階值驅(qū)動(dòng)DMD各像元進(jìn)行相應(yīng)開(kāi)關(guān)操作，DMD起反射調(diào)制入射光的作用；黑體輻射源5發(fā)出的紅外光通過(guò)照明光學(xué)系統(tǒng)6和分束板(BS) 7反射后，入射并均勻照明DMD芯片；入射紅外輻射經(jīng)DMD芯片調(diào)制后，透過(guò)分束板，經(jīng)投影光學(xué)系統(tǒng)8后，將仿真景象放大投射到待測(cè)試紅外成像設(shè)備9，驗(yàn)證紅外成像設(shè)備。該仿真器的輸出景象隨著圖像生成器輸出圖像的變化而動(dòng)態(tài)地變化。投影光學(xué)系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的重要組成部分，決定著投影景象的逼真性能，目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于紅外投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)導(dǎo)主要有透射式、折射衍射混合式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但為了消除色差，必須采用多種寬波段紅外材料，包括ZnS和
等，不僅可用材料不多，而且隨著口徑的增大，材料的價(jià)格昂貴，受可用于校正寬波段色差的紅外材料的限制，成像質(zhì)量并不能滿足現(xiàn)代紅外成像儀的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種適用波段寬、成像質(zhì)量好、 結(jié)構(gòu)緊湊的用于動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種用于動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，它的工作波段為中波和長(zhǎng)波紅外波段；該投影光學(xué)系統(tǒng)為純反射系統(tǒng)， 采用離軸三反射式結(jié)構(gòu)，沿光線入射方向，三片反射鏡依次為主反射鏡、次反射鏡和第三反射鏡；主反射鏡和第三反射鏡為凹面反射鏡，次反射鏡為凸面反射鏡；三片反射鏡的光焦度依次為Φ81、Φ82和Φ83，相對(duì)于鏡頭焦距歸一化時(shí)代取值范圍為 0.30彡Φ81^0. 70,-1.0^ Φ82彡-1.50和0.5彡Φ83彡1. 0 ；三片反射鏡的二次非球面系數(shù)依次為e82和e83，取值范圍為-1. 5 ^ e81 ^ -2. 8,-0. 9彡e82彡0和0彡e83彡1。本發(fā)明提供的一種用于動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，其體積小于 170mmX 300mm X 150mm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于本發(fā)明的特點(diǎn)在于具有適用波段寬、無(wú)色差和熱差影響小的固有優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量好、畸變小，與用于遙感的三反射鏡系統(tǒng)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的離軸系統(tǒng)對(duì)面視場(chǎng)成像，而不是只對(duì)線視場(chǎng)成像。本發(fā)明設(shè)計(jì)采用反射系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不受可用紅外投射材料的限制，對(duì)于大口徑投影系統(tǒng)具有特別重要的意義，原則上使用波段不受透鏡材料的限制，有利于降低材料成本。


圖1是動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器的工作原理示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)格畸變圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線； 圖中，1、計(jì)算機(jī)圖像生成器；2、DMD信號(hào)處理電路；3、驅(qū)動(dòng)電路；4、DMD芯片；5、黑體輻射源；6、照明光學(xué)系統(tǒng)；7、分束板；81、主反射鏡；82、次反射鏡；83、第三反射鏡；8ο、投影光學(xué)系統(tǒng)物面；Si、投影光學(xué)系統(tǒng)像面；9、待測(cè)試紅外成像設(shè)備。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作進(jìn)一步的具體闡述。實(shí)施例一
在本實(shí)施例中，系統(tǒng)的F數(shù)F/No. =2. 8，工作波長(zhǎng)在中波紅外(3-5 μ m)，全視場(chǎng)角大于 3. 5 ο參見(jiàn)附圖2，它是本實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；8ο為投影光學(xué)系統(tǒng)的物面；8i為投影光學(xué)系統(tǒng)的像面；投影光學(xué)系統(tǒng)由主反射鏡81、次反射鏡82和第三反射鏡83組成，為避免傳統(tǒng)同軸反射光學(xué)系統(tǒng)存在中心遮攔的問(wèn)題，和同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，一方面保證紅外光充滿待測(cè)設(shè)備的光瞳，另一方面，可實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)為尺寸小于 170mmX 300mm X 150mm。投影光學(xué)系統(tǒng)中，為獲得接近衍射極限的成像性能，利用高次非球面校正高級(jí)像差，沿光線方向，三塊反射鏡主依次為反射鏡81、次反射鏡82和第三反射鏡83，它們的二次非球面系數(shù)分別為e81=_l. 2、e82=-0. 35、e83=0. 45。該光學(xué)系統(tǒng)的其他有關(guān)參數(shù)如下焦距觀0讓，三塊反射鏡的曲率半徑依次分別為-590mm、-200mm和_290mm ；相對(duì)于鏡頭焦距歸一化時(shí)的曲率半徑依次分別為R81=2. 1，R82=0. 7，R83=l. 0。各反射鏡及其與物面、像面之間的間距分別為 410mm、-140mm、140mm、-140mm 和 _70mm。參見(jiàn)附圖3，它是本實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景仿真器投影光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖；圖3中，在不同視場(chǎng)處的圓表示Airy斑，由圖3可見(jiàn)，像面上各視場(chǎng)處的點(diǎn)列圖都基本落在Airy斑以內(nèi)，表明該光學(xué)系統(tǒng)具有接近衍射理論極限的聚焦特性。本實(shí)施例所述的光學(xué)系統(tǒng)畸變用柵格圖表示如圖4所示，其中柵格表示理想像， “ X ”表示相應(yīng)柵格交叉點(diǎn)的實(shí)際像點(diǎn)，在全視場(chǎng)內(nèi)最大相對(duì)畸變絕對(duì)值小于0. 52%，在待測(cè)設(shè)備視場(chǎng)2. 75° X2.75。全視場(chǎng)內(nèi)的相對(duì)畸變值約0.3%?？梢?jiàn)設(shè)計(jì)的投影光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量滿足要求。參見(jiàn)附圖5，它是本實(shí)施例所述的光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，圖中的T和S分別表示子午和弧矢面，由圖可以看出，該光學(xué)系統(tǒng)具有衍射極限的成像性能。本實(shí)施例所提供的適用于投影中波和長(zhǎng)波紅外寬波段仿真景物的離軸三反射鏡系統(tǒng)，具有無(wú)色差、結(jié)構(gòu)較緊湊、成像質(zhì)量好、畸變小、相對(duì)孔徑大等優(yōu)點(diǎn)，與用于遙感的三反射鏡系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的離軸系統(tǒng)對(duì)面視場(chǎng)成像，而不是只對(duì)線視場(chǎng)成像。采用反射系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不受可用紅外透射材料的限制，對(duì)于大口徑投影系統(tǒng)具有特別重要的意義， 原則上使用波段不受透鏡材料的限制，有利于降低材料成本。實(shí)施例二
本實(shí)施例中，F(xiàn)數(shù)F/No.=2.8，工作波長(zhǎng)在長(zhǎng)波紅外(8-12 μ m)，全視場(chǎng)角大于3. 5度， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)實(shí)施例一。光學(xué)系統(tǒng)的其余參數(shù)如下焦距278mm，沿光線方向，三塊反射鏡的曲率半徑分別為-585mm、-197mm和_289mm ；相對(duì)于鏡頭焦距歸一化時(shí)的曲率半徑依次分別為I 81=2. 1， R82=O. 7，R83=L 0。三塊反射鏡的二次非球面系數(shù)分別為e81=-l. 3、e82=-0. 31、e83=0. 48。各反射鏡及其與物面、像面之間的間距分別為407mm、_138mm、138mm、-138mm和-67. 5mm。
權(quán)利要求
1.一種用于動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于它的工作波段為中波和長(zhǎng)波紅外波段；該投影光學(xué)系統(tǒng)為純反射系統(tǒng)，采用離軸三反射式結(jié)構(gòu)，沿光線入射方向，三片反射鏡依次為主反射鏡(81)、次反射鏡(82)和第三反射鏡(83)；主反射鏡和第三反射鏡為凹面反射鏡，次反射鏡為凸面反射鏡；三片反射鏡的光焦度依次為Φ81、Φ82和 Φ83，相對(duì)于鏡頭焦距歸一化時(shí)代取值范圍為0.30彡Φ81彡0.70、-1.0彡Φ82彡-1.50 和0. 5彡Φ83 ( 1. 0 ；三片反射鏡的二次非球面系數(shù)依次為e381、e82和％3，取值范圍為-1. 5 彡 e81 彡-2. 8,-0. 9 彡 e82 彡 0 和 0 彡 e83 彡 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動(dòng)態(tài)紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于其體積小于 170mmX 300mmX 150mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于紅外景象仿真器的投影光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種基于DMD的動(dòng)態(tài)寬波段紅外投影光學(xué)系統(tǒng)。投影光學(xué)系統(tǒng)由兩塊凹面反射鏡和一塊凸面反射鏡構(gòu)成，是由三塊反射鏡構(gòu)成的離軸三反鏡結(jié)構(gòu)，為獲得接近衍射極限的成像性能，三塊反射鏡均采用高次非球面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于適用波段寬、無(wú)色差和熱差影響小。結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量好、畸變小，與用于遙感的三反射鏡系統(tǒng)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的離軸系統(tǒng)對(duì)面視場(chǎng)成像，而不是只對(duì)線視場(chǎng)成像。本發(fā)明設(shè)計(jì)采用反射系統(tǒng)，不受可用紅外投射材料的限制，對(duì)于大口徑投影系統(tǒng)具有特別重要的意義，原則上使用波段不受透鏡材料的限制，有利于降低材料成本。
文檔編號(hào)G02B17/06GK102200643SQ20111012423
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月14日
發(fā)明者季軼群, 沈?yàn)槊?申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)