专利名称：一种红外dlp远心投影系统的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种光学系统，特别的，涉及一种数字光处理(DLP)的红外远心投影系统，该系统用于红外场景仿真领域。
技术背景红外动态场景仿真技术以计算机、信息处理、微电子等高新技术为依托，将大量红外仿真测试和有限的外场试验相结合，不仅可以优化系统设计、提高系统性能，而且可以及时诊断并排除隐患和故障、能有效地提高研制质量；另外，通过使用仿真技术还可以大大减少外场实验次数，从而起到缩短研制周期、节约研制经费、提高系统性能的目的。红外图像仿真器包括红外目标和背景发生系统和光学系统，功能是把计算机生成的数字图像转换成相应谱段的红外图像，并投射到红外成像系统的入瞳处并充满入瞳，使得红外景象与真实目标和背景在探测器上的像斑的大小一致，辐射能量的空间分布一致。 要求它投射的光是时空间不相干的、非偏振的。现代投影技术中，TFT-IXD，LCOS和DLP是比较主流的先进投影显示技术。IXD和 LCOS均不适用于红外波段，而DLP由于是反射光调制，与投影光波长无关，所以可以适用于红外波段。相比电阻桥等主动发光投影技术，使用DLP投影技术完成红外图像仿真器的光学系统具有高分辨率、高帧频、无死像元和均勻性好等特点。DLP投影技术中，光学系统使用Texas Instrument Co公司研发的数字微镜设备 (DMD)。DMD 既是一种微电子机械系统(Micro Electromechanical System, MEMS)，也是一种半导体空间光调制器(SLM)。把DMD称为MEMS是因为它是由成千上万个可翻转的微小反射镜(不同型号DMD的微镜大小不同)建造在静态随机存储器(SRAM)上方的铰链结构上面而组成。另一方面，因为这些微反射镜是以高速反射的方式来调制光的，所以DMD也可以称作是一种反射式SLM。DMD的微反射镜有三种状态，分别是开、关、平状态。具体工作原理就是，入射的照明光以一定的角度照射到DMD上，而电路控制每一片DMD的状态。如果是 “开”状态，照明入射光将通过DMD反射进入后续的投影光学系统，如果是“关”状态，照明入射光不进入投影系统。这样，在探测器的一次积分周期中，控制DMD处于“开” “关”状态的时间，便控制了进入投影系统的光能量。于是通过控制这些反射能量不同的DMD阵列，便可以产生并投影需要的灰度图像。DLP所处的整个光学系统包括照明光学系统和投影光学系统，前者是非成像光学， 后者是成像光学。DLP投影系统中，照明的优劣对于整个系统的性能影响至关重要。在Texas Instrument Co公司官方提供的DLP光路参考资料《Single-Panel DLP Projection System Optics》给出了两种典型的单芯片式DLP投影光学系统架构远心结构和非远心结构。远心结构的光学系统，照明部分系统采用像方远心光路，使照射到DMD平面上的主光线都是平行的。由于远心结构，照明系统的出瞳和投影系统的入瞳都在无穷远，所以这种结构设计起来比较容易，投影系统和照明系统可以分开来同时设计。一般情况下，这种结构里，投影系统和照明系统用一个TIRaotal-internal-reflectance)棱镜隔开，所以投影部分和照明部分相互没有参数影响。这种架构下，DMD无需偏置，照明均勻性也能做到很好。非远心光路，就是照明光路是非远心光路，DMD上接收不是平行的光锥照射。由于不是远心光路，考虑光能利用率问题，设计应将照明系统的出瞳与投影系统的入瞳向相匹配。所以非远心光路系统，照明和投影系统不能分开设计。非远心光路相比远心光路，由于照明光束不平行，一般不用IlR棱镜来分开照明系统和投影系统。采用DMD偏置，以及大的照明入射角，甚至复杂的自由曲面反射镜才能将照明系统和投影系统分开足够的角度。其优点是照明入射角更大，DLP投影效果的对比度更高，而且结构可以设计得紧凑，适合小型化设计。但是由于非远心光路的照明光束不是平行的，所以其照明光束的角度均勻性不如远心结构的。远心结构简单，但是TIR棱镜对光束的分光作用，即使理论上，也最多只有25%的能量能投射出去，且TIR棱镜胶合材料对于红外的吸收较大，致使该结构的能量损失太大， 不适用于红外光学系统。而非远心架构，最大的问题是设计和制造成本较大，可能还需要用到自由曲面反射面来分开照明系统和投影系统。自由曲面的设计比较复杂，研发和加工成本很大。
发明内容本专利提出一种红外DLP光学系统，克服远心结构和非远心结构的限制和缺点， 使之具有制造简单，可靠性高，成本相对低廉的特点。本专利应用于红外场景仿真器的制造。本专利提出一种远心照明的红外DLP投影光路。远心投影结构有照明均勻度高， 投影精度高等特点。本专利的远心系统，不需要使用IlR棱镜，对于红外系统能量利用率提高是非常有利的。同时也不需要偏置DMD芯片，从而可以方便的搭建起光路。照明系统的设计，主要考虑的是照明均勻性和能量利用率。利用本专利的结构，可以得到均勻的照明效果和较高的能量利用率。本专利DLP光学引擎，完全适用红外波段。红外光学系统，镜片材料价格昂贵，本专利结构简单，尺寸较小，有利于控制红外场景产生器的制造成本。本专利中，照明系统和投影系统均可采用较常见的红外光学材料制备。必须指出的是DMD微镜阵列的光学窗口的光谱透射问题。普通DMD阵列封装好，上的光学窗口材料不能透过红外光，为了适用于红外波段，因此在本专利中必须使用更换过光学窗材料的DMD。本专利是通过以下技术方案实现的，具体包括红外光源，椭球型反光碗，空心方棒，照明中继透镜，DMD芯片，平面反射镜，投影物镜。红外光源可以选用黑体辐射源或者硅碳棒，红外光源置于椭球反光碗的一个焦点上，其光束汇聚在椭球型反光碗的另一个焦点上。在汇聚的另一焦点上放置空心方棒入口。空心方棒内部要镀上对红外中波波段反射率90%以上的反射膜。光线进入方棒后，在方棒内多次反射后，起到一个光积分器的作用， 在方棒出口处得到均勻的光强分布。在空心方棒后放置照明中继透镜组。该组透镜是一种临界照明设计，使方棒出口处的均勻分布的光强成像到DMD微镜阵列处。由于采用的远心架构，所以该透镜组出瞳应在无穷远处。照明透镜组对像差并无较高要求，尽量消除球差即可。DMD芯片与照明光路的光轴倾斜放置在照明透镜的像面上。在DMD芯片正上方安放一个平面反射镜，反射镜用于改变光轴方向，使照明中继透镜组和投影物镜分开，而不至于相互影响。平面反射镜几乎不可避免的会挡住一部分照明光束。理论和实验可以得出， 如果平面反射镜在空心方棒入口对照明中继透镜组的共轭处，这一部分被遮挡的光束几乎不会影响DMD照明的均勻性。平面反射镜与投影光路光轴夹角为50°，这样可以自然分开投影系统与DMD芯片的空间位置。经DMD微镜阵列调制过的反射光(红外场景)经过远心投影物镜投射出。由于是远心架构，透镜物镜的入瞳应在负无穷远处。为了提高能量利用率，投影系统和照明系统应有相等的工作F数。而投影系统F 数的确定，一般由整个系统的分辨率和衍射极限来确定。
图1是本专利的红外DLP光学引擎结构示意图。图2是本专利的红外DLP光学引擎中照明系统的结构示意图。图3是本专利的红外DLP光学引擎中投影系统的示意图。图4是本专利中，照明系统以及反射镜位置说明示意图。
具体实施方式
如图1所示，本专利包括红外光源1，椭球型反光碗2，空心方棒3，照明中继透镜 4，DMD微镜阵列5，平面反射镜6，投影物镜7。红外光源1置于椭球反光碗2的一个焦点上，根据椭圆的几何性质，其光束将汇聚在椭球型反光碗的另一个焦点上。反光碗内部要镀反射膜，并在红外波段有90%以上的反射率。反光碗2碗口大小，应由后续照明透镜系统4 的数值孔径决定。空心方棒3吸收红外光源和反光碗反射的光，进行光积分，在空心方棒3的出口形成空间分布均勻的光束分布。照明中继透镜4将空心方棒3出口成像到DMD微镜阵列5的表面，形成均勻的照明。由于DMD微镜翻转角度是12°，TI公司推荐入射光与DMD平面法线方向成对°角入射，这时投影图像具有最高的对比度和亮度，光能利用率最高。DMD微镜阵列将照明光束空间调制后，调制光经过平面反射镜6反射到投影物镜7中。如图2所示，为本专利中的照明系统示意图。本专利中，空心方棒3出口处是均勻的光强分布，所以照明系统采用临界照明，空心方棒出口与DMD微镜阵列的位置是一对物象共轭关系。本专利中，照明中继透镜组4除了要满足空心方棒3出口与DMD微镜阵列5 的物象关系(消除像差优化，一般消除球差即可)，还应满足空心方棒3入口与平面反射镜 6位置的物象共轭关系(满足高斯光学物象关系即可)。而且照明中继透镜4需要满足光源/方棒与显示/投影物镜之间的光学扩展量的匹配，提高整个系统的能量利用率。根据红外场景产生器分辨率的要求和红外波段的衍射极限，确定照明系统的工作F数和数值孔径。为保证是远心光路，照明中继透镜4的出瞳应在无穷远处。如图3所示，为本专利中投影物镜示意图。采用物方远心光路，必须优化消除各类初级像差，点阵图控制在衍射极限内。必须注意的是，在红外场景仿真系统中，投影物镜系统的参数应配合后续待测系统的光学参数来确定，投影系统的出瞳需和待测系统的入瞳匹配，视场角应在待测系统测试范围内。设计本专利中投影光学镜头时，务必留出足够的DMD到第一片镜片的距离，以方便安装平面反射镜6。 如图4所示现在通过傅立叶光学角度来分析本专利中临界照明系统。在投影光路中，由于照明光束和反射光束之间只有的夹角，所以考虑到安装镜筒等因素，照明透镜和投影物镜极有可能空间上接触。为了避免互相影响，在DMD芯片前放置平面反射镜6。可以看出，平面反射镜6挡住了部分照明光束。各个方向的照明光线进入空心方棒3内部，由于进入的角度不同，在方棒内发生不同次数的反射。光线反射后，形成一个虚拟光源，多次反射后，就形成一个虚拟的二维光源阵列8。该二维光源阵列在空心方棒3的入口处，应与放置平面反射镜6的位置形成共轭关系。从傅立叶光学的角度来看，二维光源阵列8是光源，空心方棒3的出口是物面，平面反射镜6的位置是频谱面(带常相位因子)，DMD微镜阵列5的位置是像面。具体的理论分析和推导参考苏显渝，李继陶的《信息光学》第二章。根据空间滤波的方法，在频谱面上，遮挡住离中心点较远的频谱分布，将滤掉物空间的高频信息。滤掉部分高频信息并不会影响成像的均勻性。甚至遮住一半的光线，都可以实现均勻照明。平面反射镜与投影光路光轴夹角为50°，这样可以自然分开投影系统与DMD芯片的空间位置。
权利要求1.一种红外DLP投影系统，包括红外光源(1)、椭球型反光碗O)、空心方棒(3)、照明中继透镜G)、DMD微镜阵列(5)、平面反射镜(6)和投影物镜(7)，其特征在于红外光源(1)置于椭球反光碗的一个焦点上，其光束汇聚在椭球型反光碗的另一个焦点上；在汇聚的另一焦点上放置空心方棒C3)入口，光线进入方棒后，在方棒内多次反射后，起到一个光积分器的作用，在方棒出口处得到均勻的光强分布；在空心方棒(3)后放置照明中继透镜组，使方棒出口处的均勻分布的光强成像到DMD微镜阵列处；DMD微镜阵列(5)与照明光路的光轴倾斜放置在照明中继透镜的像面上，平面反射镜(6)放置在在微镜阵列 (5)的正上方，与DMD微镜阵列(5)法线方向成50°，平面反射镜(6)将DMD反射出的调制光引入投影物镜(7)形成红外目标。
2.根据权利要求1所述的一种红外DLP投影系统，其特征在于所述的空心方棒(3)的入口位置与平面反射镜(6)的位置在照明中继透镜的系统中处于物像共轭关系。
专利摘要本专利公开了一种红外DLP远心投影系统，它主要用于红外场景仿真器的研究。本专利提出一种无需TIR棱镜的远心光路结构，该光学结构包括一个红外光源，一个椭球型反光碗，一个空心方棒，一组照明中继透镜，一个DMD芯片，平面反射镜，一组投影物镜。该系统实现红外波段的远心DLP投影光路的设计。本专利结构的主要特点在于可适用于红外波段，远心投影，且制造简单，可靠性高，便于优化，成本相对低廉。
文档编号G02B27/18GK202057893SQ20112014248
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月6日 优先权日2011年5月6日
发明者施家明, 朱承希, 潘兆鑫, 蹇毅 申请人:中国科学院上海技术物理研究所