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. 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