第３２卷第４期 光学仪器 Ｖｏｌ＿３２，Ｎｏ．４ Ａｕｇｕｓｔ，２０１０ ２０１０年８月 ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ 文章编号：１００５—５６３０（２０１０）０４—００２５—０４ 基于ＤＭＤ的红外仿真光学系统设计＊ 耿康 ２０１２０３） （阿斯麦（天津）光刻设备有限公司上海分公司，上海摘要：红外仿真系统在红外成像制导系统的研制中起着重要作用，文中根据ＤＭＤ特性和红外 仿真的具体要求，进行了红外仿真光学系统的初始结构计算。并使用Ｚｅｎｍｘ光学设计软件对光 学系统进行优化，得到了满意的仿真结果，并对红外仿真的发展进行了展望。 关键词：红外仿真；红外光学系统；ＤＭＤ器件 中图分类号：ＴＮ ０２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５ ５６３０．２０１０．０４．００６ Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＤＭＤ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ＧＥＮＧＫａｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｆｆｉｃｅ，ＡＳＭ１ （Ｔｉａｎｊｉｎ）Ｃｏ．，Ｉ ｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＤＭＤ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｚｅｍａｘ，ａｎｄ ｇｅｔ ｇｏｏｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｆｉｎａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＤＭＤ ｄｅｖｉｃｅ 引 言 数字微镜器件（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ，ＤＭＤ）是由成千上万个可两维倾斜的铝合金微镜组成的 微机电系统（ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ），每一个微镜都可以通过电路单独控制，如图１所 示。它是美国德州仪器有限公司于１９７７年发明的数字光处理器（ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＬＰ）的核心空 间光调制器。数字光处理器由美国德州仪器有限公司授权销售给全球代工厂商，主要用于商用投影仪及 大屏幕家用背投影电视。近年来ＤＭＤ器件的分辨力、亮度、可靠性、制造工艺迅速成熟，而且很快得到了 大量投影机生产厂商的认可。 如图２所示，ＤＭＤ器件其成像是靠微镜转动完成的，每一个像素上都有一个可以转动的微镜，微镜 的位置不同，反射光的出射角度就不同，因此每一个微镜相当于一个光开关。当光开关处于“开”态时，反 射光可以通过投影透镜投到屏幕上，屏幕上出现亮态；当光开关处于“关”态时，反射光投不到屏幕上，屏 幕上出现了暗态。根据需要控制微镜的开、关状态，从而实现图像的显示［ 。 随着ＤＭＤ器件产品的不断发展，它的应用已经从初始阶段的可见光波段延伸至紫外和红外波段，产 品也已经从最初的商用投影仪、家用背投影电视扩展到紫外光谱仪、红外仿真系统等一系列商业化产品。 收稿日期：２００９ １２ １５ 作者简介：耿康（１９７９一），男，江苏扬州人，博士，主要从事深紫外光刻技术研究工作。 ・ ２６ ・ 光学仪器 第３２卷 美国光学科学公司（（）ｐｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）成功研制了基于１０２４ｐｉｘｅｌ×７６８ｐｉｘｅｌ ＤＭＤ的中长波 红外仿真系统，并成功应用于美国窄军仿真试验窒。文中将基于ＨＤ２型号的ＤＭＤ器件，介绍中波红外 仿真系统的光学系统设计。 －１０ １１ｕｒｒｏｒ 图１ ＤＭＤ器件 Ｆｉｇ．１ Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ＤＭＤ ｄｅｖｉｃｅ 图２ ＤＭＤ器件工作原理图 Ｆｉｇ．２ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＤＭＤ １红外仿真光学系统设计 红外仿真光学系统通常包括照明光学系统及投影光学系统：照明系统作为一种非成像系统，它的设计不 同于投影光学系统。投影光学系统以成像质量好坏为光学系统的主要评价标准，其设计结果的评价标准是： 系统的相对孔径，视场角，成像关系以及像差要求；照明系统则以光能利用率和照明均匀性为系统共同的评 价标准 。 １．１照明光学系统初始结构计算 照明系统是红外成像仿真器光学系统的重要组成部分，照明系统的设计和分析是投影显示的研究重 点，其设计关键在于提高光能利用和光能量在像面上的分布问题。照明系统提供的光能量的能力与光源 本身的发光强度、光源大小、聚光镜的孔径角等因素有关。当光源的发光强度一定时，光源的面积越大， 聚光镜的孔径越大，照明系统提供的光能 越多。 根据Ｔ１公司的参考设计和相关专利的描述，当照明光学系统的出射光孔径角为２４。时投影图像具有最 高的对比度和亮度，光能利用率最高。因此假设照明系统出射半孔径角 一１２。，入射光源半径Ｒ 一５ｍｍ， ＤＭＤ芯片外接圆半径Ｒ。一１０．１３ｒａｍ，将数据代人式（１）、式（２）、式（３）： 入射半孔径角： 照明系统Ｆ ： （１） （２） 放大率： （３） 经过计算可得，入射半孔径角：０＝２４．９。，照明系统Ｆ ，：ＦＮＯ￣－－２．４，放大率： ＝～２．１。 １．２投影光学系统初始结构计算 可见光投影光学系统设计中，双高斯物镜和反远物镜成像质量好，视场较大，是经常采用的设计结 构；但红外仿真光学系统视场相对较小，红外辐射能量在镜头红外材料中的衰减较大，故此两种物镜都不 适合红外投影光学系统。红外物镜片数的增加会导致光学传递函数（ＭＴＦ）和衍射极限的下降，应在设计 第４期 耿康：基于ＤＭＤ的红外仿真光学系统设计 ・ ２７ ・ 中尽量减少镜片的使用数量，而望远物镜视场小，Ｆ…大且结构简单，为此设计中投影光学系统可考虑按 照三片式望远物镜结构进行设计 。 。 由于红外仿真系统通常要求投影光学系统在无穷远处成像。故只要确定投影光学系统中两个关键 参数：焦距、ＦＮ¨，即可完成投影光学系统的初始结构的计算。 由上节可知，从照明光学系统出射的２４。光锥经过ＤＭＤ芯片反射之后仍然以同样的角度入射到投影 光学系统中，根据拉格朗日量保持不变光学系统能量利用率最高的原则，投影光学系统的半入射孔径角 为１２。，因此选择投影光学系统的Ｆ 为２．４。 仿真系统中选用的ＤＭＤ芯片型号为ＨＤ２，分辨力为１２８０×７２０，像元尺寸为０．０１３６８ｍｍ，芯片尺寸 为１７．５１ｍｍ×９．８５ｍｍ，假设红外制导系统的视场为５。×７。根据物像关系可求出投影物镜的焦距： 产 ｚ／２一 －１１２．９ｍｉｌｌ。 其中ｚ一９．８５ｍｍ为ＤＭＤ芯片短边尺寸，与之相对应的红外探测器的视场为 一５。。在确定了投影 光学系统的焦距、Ｆ 投影距离、ＤＭＤ的尺寸；照明光学系统的放大倍率，入射孔径角，ＦＮ０等参数后，运 用Ｚｅｍａｘ软件进行光学系统设计。 ２软件仿真光学设计结果 红外仿真投影光学系统的视场通常较小，视场边缘的成像质量一般允许适当的降低，所以不需要校 正对于像高二次方以上的各种单色像差（像散，场曲，畸变）和垂轴色差，只要校正球差、彗差和轴向色差。 在光学设计的前期过程中，球差、彗差、像散、场曲、畸变等像差需要按照望远物镜设计公差要求给出 相应的目标值，在光学设计软件Ｚｅｍａｘ中不断改变权值进行优化向目标值靠拢ｌＪｌ ］。 在中波红外波段，透镜制作的首选的材料是硅（Ｓｉ）和锗（Ｇｅ），这两种材料除具有较高的透过率外，折 射率相对较高，且折射率随波长的变化很小。 经过优化的红外４片式投影光学系统结构如图３，采取 正、负、负、正结构，锗作为负光焦度透镜材料，硅作为正光焦 度透镜材料。设计中通过一定量的光焦度分配，使得各视场 光线在后面３个面上的入射角较小，平衡了各镜片上分担的 偏向角，使得像差利于校正，此系统全部采用球面设计利于 加工。投影系统传递函数、点列图、场曲、畸变和能量分布如 图４～图７所示。 对图４～图７分析得出，投影光学系统光学传递函数 （ＭＴＦ）在２０１ｐ时接近衍射极限，弥散斑大小控制在一个像素 以内接近衍射极限，畸变不超过０．５ ，场曲不超过０．１２。 图３中波红外仿真光学系统结构 Ｆｉｇ．３ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｄｄｌｅ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ 图４投影系统光学传递函数 Ｆｉｇ．４ Ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ＭＴＦ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 图５投影系统点列图 Ｆｉｇ．５ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ・ ２８ ・ 光学仪器 第３２卷 豳１ １ 离开中心点距离／ｕｍ 图６投影系统场曲和畸变图 Ｆｉｇ．６ Ｆｉｅｌｄ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ／ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 图７投影系统能量分布 Ｆｉｇ．７ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｎｃｉｒｃｌｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ３结论 红外成像制导系统是根据目标与背景的热像进行识别和跟踪的，要对红外成像制导系统进行性能评 价，需进行大量的外场飞行试验，这种试验既费钱又费时，而且不能经历系统可能应用的所有场合，所以 有必要在实验室内进行实物模拟红外成像制导系统跟踪目标的全过程，即动态红外景象仿真。因为目前 国内光电武器的发展还相对落后，研制光电对抗装备性能较为先进的情况下，在一定程度上可以通过仿 真实验来缓解实弹演习难于进行的实际困难；仿真系统的建立还将从根本上改善现有的光电对抗论证、 科研手段，为国内进一步发展光电制导武器抗干扰技术提供一个比较逼真的对抗环境，同时也将促进中 国光电制导抗干扰武器技术的发展。 参考文献： ｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ，ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［ＥＢ／（）Ｉ ］．［ｚｏｏｓ～０６一Ｏ１］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ． ［１］ ＨＯＲＮＢＥＣＫ Ｌ Ｊ．Ｄｉｄｉｐ．ｃｏｒｎ． ｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＬＰ ）［ＥＢ／（）Ｉ ］．［２０ｏ６ ０５—０１］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｄｉｐ．ｃｏｍ． ［２］ ＹＯＤＥＲ Ｌ Ａ Ａｎ ｉＬ Ｊ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ＭＥＭＳ：Ｔｉｍｅｌｙ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｆｏｒ ａ ｂｒｉｇｈｔ ｆｕｔｕｒｅ［ＥＢ／Ｏｌ ］．ｇ２ｏｏ７ ０８—０１］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ． ［３］ ＨＯＲＮＢＥＣＫ ｄｉｐ．ｃｏｒｎ． ［４］ 郭小瑛，魏巍，李海峰．ＤＬＰ投影机拼接显示的基色坐标校正ｌ＿Ｊ］．光学仪器，２００７，２９（５）：ｌ８—２２． ［５］ 吕俊杰．红外成像制导系统目标模拟器的研究ｌＪ］．系统仿真学报，１９９４，６（３）：９一ｌ５． ［６］ 颜毅．红外成像仿真技术口］．红外与激光技术，１９９ｌ，３（４）：１ ７． ＿ＩＩ］．红外与激光工程，２０００，２９（２）：５１—５６． ［７］ 贡学平，费海伦．红外成像制导半实物仿真现状 ｊ发展＿ ［８］ 杨晓段，陈鸿林，红外制导武器仿真系统的发腰概况ｌＪ］．红外与激光工程，１９９８，２７（６）：１６—１９．［９］ 梁铨廷．物理光学［Ｍ］．北京：机械工、肚出版社，１９８７：２１２ ２１３． －２０３． Ｅｌ０］ 袁旭沧．光学系统没计［Ｍ］．北京，科学出版社，１９８５：２０１－［１１］ 吴福田，冯书文．红外成像三片分离物镜没汁ｌｌ１］．红外技术，１９９７，１９（１）：２６—２８． ４６０ ４６３． ＥｌＺ］ 沈为民，薛鸣球，余建军．大视场大相对孔径长波红外物镜［Ｊ］．光子学报，２００４，３３（４）：
