基于DMD的动态红外场景投影光学系统设计

为了能够在实验室内实物模拟红外成像,降低光电系统的研发成本和提供可重复的实验环境,需要红外场景仿真器。动态红外投影技术是红外成像测试与评估的关键技术,与传统仿真器相比,采用数字微镜器件(DMD)的红外仿真器可以在更大动态范围内进行高速模拟,这种模拟方法空间分辨率和温度分辨率较高,能满足较高的帧频要求,有较好的应用前景。回顾了动态红外场景投影技术及其分类,描述了基于DMD动态红外场景系统的原理。分析了红外光学系统的特点,给出了投影系统的设计参数,系统使用800×600的DMD,工作在长波波段。使用像差平衡理论设计了投影系统的基本结构,为了得到更好的分辨率和成像质量,利用CODEV软件进行了设计优化,并给出了设计结果及其像差曲线,结果表明:设计满足要求。

基于DMD的红外场景仿真系统光学引擎设计

针对DMD(Digital Micromirror Device)器件是针对可见光波段设计,直接用于红外波段会遇到问题,提出了一种远心投影光学引擎架构,包括投影光学系统和照明光学系统.该光学引擎采用柯勒远心照明架构,并引入一片场镜来分离投影和照明光束.这种光学引擎结构紧凑、照明均匀、光能利用率高.

基于DMD的动态红外投影系统分光系统设计

动态红外投影技术是红外硬件闭环仿真(HWIL)和红外成像测试与评估的关键技术,它能够在实验室内实物模拟红外成像,从而降低光电系统的研发成本和提供可重复的实验环境。介绍了动态红外场景投影技术及其分类,描述了基于DMD动态红外场景分光系统的设计过程。为了解决系统中分光的问题,采用棱镜设计的理论设计了分光棱镜,给出了设计结果,经验证满足要求。为了获得更好的透过率和更紧密的结构,可以选取更好的材料来改进设计。

基于DMD的红外场景仿真系统光学性能分析

随着红外成像系统在目标探测、夜间导航以及精确制导等领域的广泛应用,利用模拟红外场景对红外成像系统进行成像测试已逐渐成为研究的热点。介绍了数字微镜器件(DMD)的封装结构和工作原理,给出了一种基于DMD的红外场景仿真系统设计方案,提出了系统设计过程中需要重点考虑的几个问题。对系统成像过程中芯片反射系数、能量传递效率、输出图像对比度等光学性能等进行了重点分析。在光学器件选定的情况下,根据各部分相对位置,可计算出仿真系统的能量传递效率,最后分析了影响输出图像对比度的主要因素。

双DMD变焦红外双波段场景模拟器光学引擎设计

为仿真现实场景中目标和干扰的光谱分布差异,设计了一种基于双数字微镜器件(DMD,Digital Micro-mirror Device)的双通道、共口径、变焦光学引擎,包括投影光学系统和两套照明光学系统.光学引擎以红外中波和长波柯勒远心光路分别直接照明两DMD靶面,采用空间立体布局避免不同光路间干扰.设计结果表明:照明光学系统的照度均匀性优于94%;中波(3.7~4.8μm)和长波(8~12μm)内,变焦投影光学系统在10 1p/mm处的调制传递函数(MTF,Modulation Transfer Function)值分别优于0.7和0.4;系统畸变小于0.5%,满足使用要求.

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路消热差设计

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路是仿真系统的关键组成部分。设计了一种准直投影光学系统，利用不同材料热性能互补的无热化光学设计方法，得到系统的初始结构，将某一面设计为二元面，降低了系统像差，提高了光学传递性能，达到系统的消热差设计。投影光路采用折射式结构，工作在8-12μm长波红外波段，焦距为113mm，半视场角为4．5°，F数为1．3°利用ZEMAX软件对光学系统进行了优化，满足了仿真系统的使用要求。

基于DMD的红外目标模拟器分光系统设计

基于DMD(数字微镜阵列)的红外目标模拟器是利用DMD反射调制入射的红外辐射,在实验室内模拟真实目标和背景的红外成像,对红外探测和传感设备进行性能测试和评估。介绍了基于DMD的红外目标模拟器的整体结构,阐述了DMD的工作原理,分析了分光系统的设计思想。为了解决照明系统和投影系统结构容易发生重叠的问题,设计了分光棱镜将DMD的照明光束和由DMD反射的投影光束分离开,并用ZEMAX对分光棱镜进行了优化和模拟,设计结果符合使用要求。

基于DMD的红外景象模拟投影光学系统设计

数字微镜器件(DMD)动态红外(IR)景象模拟技术具有大动态范围、高空间分辨率、高帧频、空间均匀性好、体积小等特点,能够在实验室内模拟红外景像,降低红外系统的研发成本,缩短研发周期。根据基于DMD的红外景象模拟系统的要求,分析了红外投影光学系统的特点,确定了其技术指标。从初始结构选取入手,利用像差平衡理论和非球面技术,针对DLP5500DMD(1024pixel×768pixel),设计出一种成像质量高、性价比高,工作在8～12μm波段的红外投影光学系统。系统采用三片透射式结构,焦距为200mm,相对孔径为1…3。应用Zemax光学设计软件进行像质评价,各视场调制传递函数(MTF)接近衍射极限,各视场的点列图均方根(RMS)半径远小于艾里斑的半径,满足设计要求。

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5°,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。

动态红外场景准直投射光学系统的设计

描述了动态红外场景模拟系统的光学原理,概述了一种准直投射光学系统的设计过程,此投射光学系统工作波段在8～12μm,焦距为112.97mm,相对孔径为1:1.5,视场角为20°,入瞳距为30mm,工作距离为120mm左右.最后给出的像差曲线及传递函数曲线,表明光学系统的像质满足使用要求.

数字微镜阵列动态红外景象投射器光学系统设计

利用二次成像原理。采用准直物镜组和放大倍率为1／3的投影系统的组合方式，设计了小F数、短焦距、长出瞳距、长工作距离的基于DMD的中波红外景象投射器光学系统。整个光学系统采用锗和硅两种材料，包含11片透镜，其中：准直物镜3片，投影镜头7片，场镜1片。为了实现15～40℃范围内消热差和消色差，将投影系统设计成折衍混合系统。投射器光学系统在工作温度范围内，全视场空间频率16lp／mm处的MTF〉0．6，具有较好的成像效果。

长波红外景象模拟器投影光学系统无热化设计

基于数字微镜器件（digital micromirror device,DMD）的红外景象模拟器能够为红外系统性能测试与评估提供先进的手段。根据DMD的工作原理,确定了以分光棱镜来连接照明系统和投影系统的红外景象模拟器总体方案。探讨了红外景象模拟器投影光学系统的像差特性、光学设计和无热化的设计方法,设计了一套工作在长波红外8~12μm,F#为2.8,视场角为3°的投影光学系统,并对该系统在40~60℃之间进行光学被动式无热化设计。结果表明：该系统在所要求的温度范围内,光学传递函数均接近衍射极限,成像质量满足系统的设计要求,并具有辐射能量损失小、分辨率高、结构紧凑等特点。

红外双波段景象模拟器光学系统设计

为了满足现代红外探测器的性能测试与评估,基于DMD(数字微镜阵列)的工作原理,设计了一种工作在3~5μm和8~12μm双波段,具有大孔径、长出瞳距的红外双波段景象模拟器的光学系统。光学系统由照明系统、棱镜、DMD和投影物镜组成,其中照明系统采用双片式结构,其均匀性达到94%,通过采用TIR棱镜,有效地增加了系统能量利用率。系统焦距为200 mm,半视场角为2.5°,出瞳直径为90 mm,出瞳距为300 mm。最终优化结果显示在截止频率17 lp/mm处,光学系统长波红外MTF大于0.7,在截止频率17 lp/mm处中波红外MTF大于0.5,设计结果接近衍射极限,系统畸变小于0.05%,成像质量良好。

红外场景产生器双波段光学系统设计

为满足红外双波段制导弹药性能测试与评估的实际需求,根据动态红外场景产生器的工作原理,设计了长波8μm～14μm和近红外0.8μm～1.1μm双波段复合共口径红外场景产生器光学系统,系统中长波准直光学系统使用了衍射光学元件,结果表明:在双波段的视场为7.6°,出瞳直径为82mm,出瞳距离为400mm的情况下,长波红外准直光学系统在1.25lp/mm时,MTF大于0.9;近红外准直光学系统在1.8lp/mm时,MTF大于0.8,表明光学系统的像质满足使用要求。

红外捕获跟踪设备辐射式仿真试验技术研究

介绍了基于DMD红外动态场景投射器的红外捕获跟踪设备辐射式仿真试验系统。分析了DMD场景投射器成像原理,研究了其与被测系统光学匹配条件及调整方法。分析了DMD场景投射器灰度等级调制原理,研究了其与被测系统信号同步条件及调整方法,并对信号同步过程中可能出现的现象进行了分析。分析了影响DMD场景投射器至被测系统探测器能量传输的主要因素,研究了DMD场景投射器辐射特性定标方法、及与被测系统能量匹配方法。利用所设计的仿真试验系统及试验方法,针对某型红外捕获跟踪设备开展了辐射式仿真实验,对被测系统部分性能指标进行了初步的考核。