高均勻性長波紅外遠心照明系統(tǒng)設(shè)計

李卓，牟達，唐志方，周強

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.92785部隊，秦皇島 066200；3.61251部隊，秦皇島 066102）

高均勻性長波紅外遠心照明系統(tǒng)設(shè)計

李卓1，2，牟達1，唐志方1，周強3

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.92785部隊，秦皇島 066200；3.61251部隊，秦皇島 066102）

基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的紅外景象模擬器可在室內(nèi)環(huán)境下模擬真實景物及其環(huán)境的紅外輻射，實現(xiàn)對紅外成像系統(tǒng)性能的準確測試與評估。照明系統(tǒng)作為紅外景象模擬器的重要組成部分，為其提供紅外輻射能。為使光束均勻照射在DMD器件表面，通過分析研究黑體特性及朗伯定律，確定采用像方遠心光路作為照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。以拉氏不變量為依據(jù)研究確定的照明系統(tǒng)特性參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)與投影系統(tǒng)完美銜接。根據(jù)設(shè)計參數(shù)完成對照明系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的計算，利用ZEMAX進行調(diào)制、優(yōu)化，并完成像質(zhì)評價。設(shè)計結(jié)果表明，以此方式設(shè)計的照明系統(tǒng)均勻性高、球差小，可進一步提高模擬仿真效果。

光學設(shè)計；數(shù)字微鏡器件（DMD）；照明系統(tǒng)；遠心光路

紅外景象模擬器將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紅外輻射，模擬真實場景紅外輻射分布狀況，以實現(xiàn)測試與評估紅外成像系統(tǒng)的捕捉追蹤和抗干擾的能力［1，2］?；贒MD的紅外景象模擬器憑借空間均勻性和分辨率高、圖像幀頻高、灰度等級高及穩(wěn)定性高等技術(shù)優(yōu)勢，已成當今紅外仿真模擬技術(shù)發(fā)展的主流［3］。照明系統(tǒng)作為紅外景象模擬器光學系統(tǒng)的重要組成部分［4］，為生成模擬景象提供所必需的光束。其中，均勻性作為評判照明系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵性因素，直接影響仿真效果。

通過對紅外景象模擬器光源特性分析及對朗伯定律的研究，本文提出采用像方遠心光路結(jié)構(gòu)［5］的照明方式作為解決方案。此方式設(shè)計的照明系統(tǒng)綜合臨界照明和柯勒照明兩者的技術(shù)優(yōu)勢，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且光束照射在DMD表面均勻性高，雜散光影響小，能力利用率高，對照明系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)將會起到積極的推動作用。

1 照明方式選取

為滿足照明系統(tǒng)設(shè)計原則，需對影響照明系統(tǒng)均勻性的客觀因素進行相關(guān)研究。基于DMD的紅外景象模擬器采用黑體作為光源，黑體作為余弦輻射體滿足朗伯定律［6］。根據(jù)定律可確定，黑體上一個面積為dS的輻射單元在孔徑角U范圍內(nèi)發(fā)出的光通量為：

輻射光線在經(jīng)過透鏡的傳播過程中伴隨著光能損失，假設(shè)系統(tǒng)透過率為τ，則出射的光通量Φ′。當其全部投射在像面元dS′上，則像面中心點附近的光照度為：

通過朗伯定律確立的方程式（3）表明像面中心部分的光照強度與光束的像方孔徑角相關(guān)。因此，經(jīng)黑體出射的光束在像方處的孔徑角彼此間越接近，則照明的均勻性越高。

圖1 遠心照明原理圖

遠心照明結(jié)構(gòu)方式因采用像方遠心光路系統(tǒng)，像方光束主光線平行，每根主光線對應的像方孔徑角相等，工作原理如圖1所示。其特性符合上述對照明均勻性研究的結(jié)果，可實現(xiàn)照明系統(tǒng)設(shè)計的高均勻性要求。同時，遠心照明又符合光瞳銜接原則，光束可全部參與成像，系統(tǒng)的能量利用率高。綜合評價，遠心照明可作為紅外景象模擬器照明光學系統(tǒng)設(shè)計較為理想的解決方案。

2 照明系統(tǒng)技術(shù)指標及特性參數(shù)研究

2.1 照明系統(tǒng)技術(shù)指標

照明系統(tǒng)作為功能性器件，為紅外景象模擬器提供輻射能，其技術(shù)指標確定如下：

（1）工作波段：因用于對紅外成像系統(tǒng)進行測試與評估，工作波段參考被測系統(tǒng)，選為8～12μm。

（2）DMD型號：DLP6500，尺寸為0.65英寸，翻轉(zhuǎn)角度為±12°。

（3）F數(shù)：根據(jù)DMD微鏡±12°偏轉(zhuǎn)角，可算得F數(shù)為2.4，為使光束能夠充滿被測系統(tǒng)的入瞳，F(xiàn)數(shù)需大于此值。同時，較大的F數(shù)提高系統(tǒng)的分辨率，但又會減小進入系統(tǒng)的能量，綜合考量，系統(tǒng)F數(shù)定為2.7。

（4）均勻性：為保證照明效果，系統(tǒng)均勻性應高于90%。

2.2 照明系統(tǒng)特性參數(shù)

為實現(xiàn)照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)完美匹配，在光瞳銜接基礎(chǔ)上，還需照明系統(tǒng)的拉氏不變量大于等于投影系統(tǒng)的拉氏不變量，以使照明系統(tǒng)發(fā)出的光束能夠充滿投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑［7］。照明系統(tǒng)與投影系統(tǒng)的物像關(guān)系如圖2所示。

圖2 拉氏不變量匹配圖

照明光學系統(tǒng)中，黑體輻射的紅外光束經(jīng)聚光鏡會聚于DMD，即有：

其中，JDMD為照明系統(tǒng)像空間拉氏不變量。

投影光學系統(tǒng)中，經(jīng)DMD反射光經(jīng)系統(tǒng)成像于導引頭入瞳處，即有：

其中，J′DMD為投影系統(tǒng)物空間的拉氏不變量。

上述研究表明，DMD芯片在景象模擬器中不僅作為投影系統(tǒng)的物面，而且還作為照明系統(tǒng)的像面。并且拉氏不變量對整個光學系統(tǒng)各個面的物像空間量值都是不變的。對式（4）和式（5）聯(lián)立得

空間介質(zhì)為空氣，nDMD＝n′DMD＝1；yDMD與y′DMD為DMD器件的斜邊尺寸。則式（6）說明光學系統(tǒng)中照明部分的像方孔徑角與投影部分的物方孔徑角相等。

光束經(jīng)投影物鏡調(diào)制后為平行光，采用逆向計算，通過求解投影系統(tǒng)數(shù)據(jù)從而確定照明系統(tǒng)的特性參數(shù)，如表1所示。

表1 照明系統(tǒng)特性參數(shù)

3 照明系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)果

照明系統(tǒng)特性參數(shù)顯示，系統(tǒng)的放大率小于1，對于鏡組方面的考慮需選擇聚光鏡組。聚光鏡組結(jié)構(gòu)的選擇是以光束最大偏轉(zhuǎn)角作為依據(jù)。由于單片聚光鏡使光束偏轉(zhuǎn)的角度具有上限值，當偏轉(zhuǎn)角度大于這個極限，需增加透鏡來分擔剩余部分的偏轉(zhuǎn)角度。所以光束偏轉(zhuǎn)角越大，結(jié)構(gòu)中須使用的聚光鏡片數(shù)愈多。

單片透鏡使光束偏轉(zhuǎn)的角度不僅受聚光鏡的材料影響，而且與鏡面的曲率半徑有關(guān)。聚光鏡材料的折射率越大，其使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的能力越強。對曲率半徑而言，光線進入透鏡的入射角度會隨著曲率半徑的減小而增大，折射角度也隨之增大。由于受材料折射率的局限性，通常采取增大鏡面曲率的方式獲取較大的偏轉(zhuǎn)角。但過大的表面曲率不僅增加透鏡表面的反射損失，而且可能存在球差過大使系統(tǒng)出現(xiàn)漸暈，影響像面的均勻性。綜合平衡各種因素的影響，本照明系統(tǒng)選用2片透鏡，把入射光線與出射光線的偏轉(zhuǎn)角度平分到每片透鏡，以使系統(tǒng)達到最佳照明效果。

對于兩片聚光鏡的照明系統(tǒng)設(shè)計［8］，需確定各自焦距及四個面的曲率半徑。運用幾何光學定律，求解出兩透鏡的通光孔徑，結(jié)合光束在每片透鏡的偏轉(zhuǎn)角度，即可確定各自的焦距。通過光焦度公式可確定透鏡各曲面半徑。將系統(tǒng)參數(shù)輸入ZEMAX光學設(shè)計軟件模擬計算求解結(jié)構(gòu)的照明效果，如圖3所示，參與系統(tǒng)照明的輻射能低，結(jié)構(gòu)不合理，不能滿足使用要求。

圖3 計算求解初始結(jié)構(gòu)圖

為達到設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、調(diào)整。將第二片透鏡ZnSe更換為鍺材料，同時調(diào)整兩片透鏡的間距，并進行優(yōu)化處理，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理，使像面具有較為均勻的光照度。將物鏡的入射光瞳設(shè)置為無限遠，從而實現(xiàn)聚光鏡的孔徑光闌位于系統(tǒng)的物方焦平面上，使之滿足遠心照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。對調(diào)整孔徑光闌位置后的遠心光學系統(tǒng)優(yōu)化，最終設(shè)計的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)照明物鏡出射的主光線基本平行，符合設(shè)計理念。

圖4 照明系統(tǒng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)圖

圖5 照明系統(tǒng)相對照度曲線圖

照明系統(tǒng)作為非成像光學系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)光能傳遞的最大化。因其不注重成像的質(zhì)量，所以對其評價方式也有所不同。照明系統(tǒng)主要通過相對照度指標與球差指標對其系統(tǒng)性能做出評價。圖5顯示的是照明系統(tǒng)的相對光照度，可見每個視場對應的光照度保持同一個數(shù)值，相對照度曲線幾乎成一條直線，并且均在95%以上，表明采用遠心光路結(jié)構(gòu)設(shè)計的照明系統(tǒng)具有較高的均勻性。

圖6 照明系統(tǒng)的球差曲線圖

圖6顯示的照明系統(tǒng)的球差曲線，從圖中可以看出，最大球差不超過0.14mm，球差校正的很好。綜合評價，本文設(shè)計的照明系統(tǒng)采用遠心照明方式，結(jié)構(gòu)簡單，效果理想，實現(xiàn)了設(shè)計初衷。

4 結(jié)論

本文選用黑體為基于DMD的紅外景象模擬器照明光源，利用黑體特性完成對朗伯定律理論模型的相關(guān)研究，選用的像方遠心光路結(jié)構(gòu)形式與模型研究結(jié)論相符，應用此結(jié)構(gòu)方式設(shè)計的照明系統(tǒng)兼顧臨界照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單與柯勒照明系統(tǒng)高均勻性的特點。通過ZEMAX軟件對系統(tǒng)的相對光照度與球差進行了像質(zhì)評價，結(jié)果顯示，所設(shè)計的照明系統(tǒng)均勻性高、球差小，提高了景象模擬器的仿真效果，滿足使用要求，達到設(shè)計初衷。

［1］胡初強，牟達，陳靈芝.基于DMD的紅外目標模擬器分光系統(tǒng)設(shè)計［J］.激光與紅外，2012，46（6）：655-658.

［2］李卓，牟達，呂世龍，等.基于DMD的長波紅外變焦投影系統(tǒng)設(shè)計［J］.紅外與激光工程，2016，45（12）：341-346.

［3］孫永雪.基于DMD的紅外雙波段目標仿真器偏振分光系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2014，43（3）：749-753.

［4］王海鵬.基于DMD的紅外目標模擬光學系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2016.

［5］劉喆，劉海鷗.基于ZEMAX的f-θ透鏡的光學設(shè)計［J］.光電技術(shù)應用，2016，31（2）：5-10.

［6］王文生.應用光學［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.

［7］喬揚.基于DMD的雙視場紅外目標模擬器光學引擎的研究［D］.長春：長春理工大學，2012.

［8］王文生，牟達，陳宇，等.現(xiàn)代光學系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2016.

Design of High Uniformity LWIR Illumination System Based on Telecentric Light Path

LI Zhuo1，2，MU Da1，TANG Zhifang1，ZHOU Qiang3
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Unit 92785，Qinhuangdao 066200；3.Unit 61251，Qinhuangdao 066102）

The infrared scene simulator based on digital micro-mirror device （DMD） can test and evaluate the performance of infrared imaging system by simulating the infrared radiation of the real object and environment in the indoor environment.The illumination system is an important part of the infrared scene simulator.A main function of the illumination system is to provide the infrared radiant energy for the infrared scene simulator.The illumination system is determined by learning Lambert’s Law and studying the characteristics of black body.The system with telecentric beam path in image space is designed to get uniform illumination on the surface of DMD device.According to the Lagrange invariant of the whole optical system of each surface of the object space value is unchanged，the characteristic parameters of the illumination system are determined.And the system can achieve the perfect convergence with the projection system.The initial structure of the illumination system through the way of manual calculation is modulation and optimization.The image quality of the system is evaluated by ZEMAX software.The design results show that the strength of illumination is uniformity highly and the spherical aberration is small，which could conform to the requirements.

optical design；digital micro-mirror device DMD；illumination system；telecentric beam path

TN216

A

1672-9870（2017）05-0009-04

2017-07-06

總裝備部預研局“十二五”基金項目（5131×××05）

李卓（1988-），男，碩士，E-mail：905455325@qq.com

牟達（1979-），女，副教授，博士，E-mail：md_79@126.com