专利名称：：一种基于dmd的宽波段动态光学景象生成方法和系统的制作方法
技术领域：
：本发明属于光学传感器
技术领域：
，具体涉及-一种用于室内条件下对光学成像传感器功能和精度进行半实物仿真测试的基fDMD的宽波段动态光学景象生成方法和系统。(二)
背景技术：
：当前通常意义l:的光学成像传感器是将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称，包括紫外、可见光和红外CCD，红外热像仪。各种类型的光学成像传感器广泛应用于天文学、空间科学、夜间观察、光学成像制导、搜索、跟踪、告警以及科学实验中。为了测试用f卫星、光学成像导引头、红外搜索与跟踪系统、红外告警系统、紫外告警系统的光学成像传感器的性能，需要在实验室内为其提供-一定的与使用条件匹配的光学景象作为输入图像，使光学成像传感器产生一定的输出，进行半实物仿真测试。数字阵列器件(digitalmicromiiTordevices,DMD)可产生从紫外到红外的宽波段光学景象。美国光科公司最早将DMD用于巾波红外和长波红外景象的产生(ProceedingsofSPIE,TechnologiesforSyntheticEnvironments:Hardware-in-the-LoopTestingVI，2001，4366:96-102)。屮请ft也汁发出朵fDMD的红外景象模拟器(红外与激光工程，2008，37(5):753)。现"的基TDMD的光学景象模拟器主要由图形计算机、DMD动态图像转换器和成像光学系统组成，其工作原理如图l所不。DMD动态图像转换器包含光源、光源光学系统、DMD和DMD动态图像转换器的驱动器。DMD动态图像转换器的驱动器接收图形计算机输出的图像信号，驱动DMD工作。DMD通过调制光源发出的经光源光学系统会聚的光将图形计算机输出的图像信3转变为光学输出图像，W由成像光学系统成像在成像面，供光学成像传感器系统仿真测试使用。但是，现有的基于DMD的光学景象产生方法也有其局限性。第-一，DM::D用来产生凝视成像光学传感器系统仿真测试的光学.廣象时，需要降低图像灰度级来适应高帧频的需要，使高帧频凝视成像光学传感器的测试效果大受影响。DMD采用脉冲宽度调制实现对图像灰度的控制。在一帧时间内，DMD根据驱动器输入的脉宽信号，通过DMD反射进入成像光学系统的光的时间K短来实现对像素灰度的数字控制。脉冲宽度调制:DM::D用来产牛凝视成像光学传感器系统仿真测试的光学景象时，需要降低图像灰度级来适应卨帧频的需要。第二，脉冲宽度调制DMD动态光学景象模拟器不能用丁'扫描成像光学传感器系统的仿真测试。(三)
发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，并提出一种某于DMD的宽波段动态光学景象生成方法和系统，可用于高帧频大灰度级凝视成像光学传感器的半实物仿真测试，也nj用f扫描成像光学传感器的半实物仿真测试。本发明的解决方案是--种基于:D:M:D的宽波段动态光学景象牛成方法，其特征3在于图形计算机(1)将-一幅数字灰度图像按照二进制方法分解为n幅二值化数字图像，ii套DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3,......，2-n)将n幅二值化数字图像转换为n幅二值化光学图像。n套DMD动态图像转换器均包含光源(6)、光源光学系统(7)、工作在二值输出状态且位丁'成像光学系统(3)相M物距的物面上的:dm::d(8)和dmd动态图像转换器的驱动器(9)。n幅二值化光学图像中与原数字灰度图像任意一个像素对应的n个像素在该物面上革:合，n幅二值化光学图像经过其后面的分束器(5-1，5-2，5-3，......，5-(n-1))合束，再经成像光学系统(3)成像在成像面(4)上。通过设计分束器(5-1,5-2，5-3......5-(n-1))的反射率和透过率以及选择DMD动态图像转换器的光源强度，使位于最后-一个分束器(5-(ti-i))与成像光学系统(3)之间的仟意一个与光轴垂直的面(l())....匕的光强满足关系E帅/g=2，(Kkn-1)，Ei为第i套DMD动态图像转换器的DM:D(8)处T开态的-'个像素经过其后面的所有分束器后在面(10)上的光强，从而在该物面l:实现2n个灰度级灰度图像的显示效果，生成具有2、个灰度级的动态光学景象。—种某于DMD的宽波段动态光学景象生成系统，其主要构成为图形计算机(1);成像光学系统(3);包含光源(6)、光源光学系统(7)、工作在二值输出状态且位于成像光学系统(3)相同物距的物面....匕的DMD(8)和DMD动态图像转换器的驱动器(9)的n套:DM::D动态图像转换器(2-i，2-2，2-3，......，2-ti);图形讣算机与n套:DM:D动态图像转换器的驱动器相接；位于DMD动态图像转换器(2-1，2-2,2-3，......，2-n)与成像光学系统(3)之间的n-1套分束器(5-1，5-2，5-3，......，5-(n-1))。木发明涉及的DMD动态图像转换器的DMD(8)工作在二值输出状态，DMD的--个像素(-一个微镜)在一帧时间内只有两个灰度级输出，分别对应反射光进入成像光学系统的开态和没有光进入成像光学系统的关态。本发明实现DMD动态图像转换器(2)输出光学图像在分束器(5-(n-1))与成像光学系统(3)之间的任意一个与光轴垂直的面(10)上的光强关系的方法，并不要求分束器具有50%反射率和50%透过率，增加了实现的灵活性和可操作性。采用现有技术可实现对DMD动态图像转换器的光源强度的控制，例如，通过改变黑体的温度来控制黑体光源的强度。木发明采用的DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，可以是反射从紫外光到红外光的宽波段DM::D，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统为紫外到红外光的宽波段光源、宽波段光源光学系统、宽波段光分束器和宽波段成像光学系统，构成一种基于DMD的宽波段光学动态景象生成系统。本发明采用的DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，nj以是仅反射紫外光的紫外DMD，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统为紫外光源、紫外光源光学系统、紫外光分束器和紫外成像光学系统，构成一种基于DMD的紫外动态景象生成系统。木发明采用的DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，可以是仅反射可见光的可见光DMD，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统为可见光光源、可见光光学系统、可见光分束器和可见光成像光学系统，构成-一种基于DMD的可见光动态景象生成系统。本发明采用的DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，可以是仅反射红外光的红外DMD，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统为黑体、红外光源光学系统、红外光分束器和红外成像光学系统，构成-,中基丁'DMD的红外动态景象生成系统。木发明具有以下效果木发明采用二值化输出的n套DMD动态图像转换器，生成具有"个灰度级的动态光学景象。每个微镜在一帧时间内工作在一个状态，各个灰度级像素的照亮时间相同。解决了现有的脉冲宽度调制DMD光学景象模拟器不能提供大灰度级且高帧频图像问题，以及现"的脉冲宽度调制DMD光学景象模拟器不能用来进行扫描成像光学传感器的平实物仿真测试问题。(四)图1是现有的基T:DM:D的光学景象模拟器的工作原理图。图2是木发明基于DMD的动态光学景象生成系统的示意图。图3是三套红外:DM::D动态图像转换器组成的动态红外光学场景生成系统。其屮序号l是图形计算机，2是DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3，......)，3是成像光学系统，4是待测试成像光学系统位于的成像面，5是分束器(5-1，5-2，5-3，.....)，6是光源，7是光源光学系统，8是DMD，9是DMD动态图像转换器的驱动器，i0是位于最后--个分束器(5-(n-i))与成像光学系统(3)之间的仟意-一个与光轴垂直的面。(五)具体实施例方式结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于DM:D的宽波段动态光学景象产生方法和系统，采用3套红外DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3)，2套红外分束器(5-1，5-2),每套DMD(8)的一个微镜为一个像素，实现8级灰度的2-5um红外景象产生。红外DMD动态图像转换器的光源(6)为黑体，光源光学系统(7)为2-5um红外光源光学系统，DMD(8)为2-5um红外:DMD。分束器(5-L5-2)为可以反射和透射2-5um红外光的红外光分束器，成像光学系统(3)为2-5Pm红外成像光学系统。图形计算机(1)将-1瞎8级灰度的数字图像按照二进制方法分解为3幅二值化数字图像a，b和c。参考表1实现8级灰度的二进制分解方法，若数字灰度图像一个像素的灰度为2，则3幅二值化数字图像a，b和c对应像素的灰度为O，1和0;若数字灰度图像一个像素的灰度为6，贝U3幅二值化数字图像a,b和c对应像素的灰度为0，l和l。表1实现8级灰度的二进制分解方法。数字灰度图像的灰度级2-1中DMD的一个像素状态2-2中DMD的一个像素状态2-3中DMD的一个像素状态00005数字灰度图像的灰度级<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>注()对应微镜处于关态，1对应微镜处于开态。红外DMD动态图像转换器2-1、2-2和2-3的DMD动态图像转换器的驱动器(9)分别接收图形计算机(l)输出的二值化数字图像a，b禾Pc，驱动工作在二值输出状态的DMD将二值化数字图像转换为二值红外输出图像。红外DMD动态图像转换器2-1、2-2和2-3的红外DMD(8)都位于红外成像光学系统(3)的相M物距的物面上，三个红外:DMD中与原数字灰度图像任意.、个像素对应的3个像素在物面l:重合，保证红外DMD动态图像转换器2-1、2-2和2-3输出的红外辐射图像经过红外分束器合束，再经过红外成像光学系统后成像在成像面(4)上。设DMD动态图像转换器2-1的DMD的处于开态的一个微镜输出的红外辐射在分束器(5-2)与红外成像系统之间的任意一个与光轴垂直的面(10)上的光强为E。每个微镜处f开态或关态，对应面10上的光强为0，E。通过选择DMD动态图像转换器2-2和2-3的黑休温度来调整光源强度，使DMD动态图像转换器2-2的处于开态的-一个微镜的红外辐射在面l()....匕的光强为2E。每个微镜处于开态或关态，对应面l()上的光强为()，2E;使:DM::D动态图像转换器2-3的处T开态的.'个微镜的红外辐射在面IO上的光强为4E。每个微镜处于开态或关态，对应面l.Ol:的光强为O，4E。a，b和c驱动DMD输出二值红外图像，在面10上可实现0，1:E，2E，3E，4E，5E，6E，7E共8级光强，从而在物面上实现8个灰度级灰度图像的显示效果，生成具有8个灰度级的2-5um红外动态光学景象。前面的不范性实施例，不应该理解为是对本发明的限制。此外，对本发明不范性实施例的描述的用意是为了例示，而不是限制本发明的范闺，许多杼代、修改和改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。权利要求一种基于DMD的宽波段动态光学景象生成方法，其特征在于图形计算机(1)将一幅数字灰度图像按照二进制方法分解为n幅二值化数字图像，n套DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3，......，2-n)将n幅二值化数字图像转换为n幅二值化光学图像；n套DMD动态图像转换器均包含光源(6)、光源光学系统(7)、工作在二值输出状态且位于成像光学系统(3)相同物距的物面上的DMD(8)和DMD动态图像转换器的驱动器(9)；n幅二值化光学图像中与原数字灰度图像任意一个像素对应的n个像素在该物面上重合，n幅二值化光学图像经过其后面的分束器(5-1，5-2，5-3，......，5-(n-1))合束，再经成像光学系统(3)成像在成像面(4)上；通过设计分束器(5-1，5-2，5-3......5-(n-1))的反射率和透过率以及选择DMD动态图像转换器的光源强度，使位于最后一个分束器(5-(n-1))与成像光学系统(3)之间的任意一个与光轴垂直的面(10)上的光强满足关系E(i+1)/Ei＝2，(1≤i≤n-1)，Ei为第i套DMD动态图像转换器的DMD(8)处于开态的一个像素经过其后面的所有分束器后在面(10)上的光强，从而在该物面上实现2n个灰度级灰度图像的显示效果，生成具有2n个灰度级的动态光学景象。2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的宽波段动态光学景象生成系统，其主要构成为图形计算机(l);成像光学系统(3);包含光源(6)、光源光学系统(7)、工作在二值输出状态且位于成像光学系统(3)相同物距的物面k的DMD(8)和DMD动态图像转换器的驱动器(9)的n套DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3，......，2-n);图形计算机与n套DMD动态图像转换器的驱动器相接；位于DMD动态图像转换器(2-1，2-2，2-3，......，2-n)与成像光学系统(3)之间的n-1套分束器(5-1，5-2，5-3,5-(n-1));所述DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，nJ以是反射从紫外光到红外光的宽波段DMD，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统均为紫外光到红外光波段的。3.根据权利要求2所述的基于DMD的宽波段动态光学场景生成系统，其特征在于所述:DMD动态图像转换器使用的:DM::D(8)，可以是仅反射紫外光的紫外:DM:D,相应光源、光源光学系统、分朿器和成像光学系统均为紫外光波段的，构成一种基于DMD的紫外动态景象生成系统。4.根据权利要求2所述的某于DMD的宽波段动态光学场.廣生成系统，其特征在于所述DMD动态图像转换器使用的DMD(8)，可以是仅反射可见光的可见光DMD，相应光源、光源光学系统、分束器和成像光学系统均为nj见光波段的，构成一种基fDMD的nJ见光动态景象牛成系统。5.根据权利要求2所述的基于DMD的宽波段动态光学场景生成系统，其特征在于所述:dmd动态图像转换器使用的:dm::d(8)，可以是仅反射红外光的红外:dm:d,相应光源为黑体，光源光学系统、分朿器和成像光学系统均为红外波段的，构成一种基于DMD的红外动态景象生成系统。全文摘要本发明公开了一种基于DMD的宽波段动态光学景象生成方法和系统。图形计算机将一幅数字灰度图像按照二进制方法分解为n幅二值化数字图像，n套DMD动态图像转换器将n幅二值化数字图像转换为n幅二值化光学图像，经分束器合束，再经成像光学系统成像在成像面；通过设计分束器的反射率和透过率以及选择DMD动态图像转换器的光源强度，使位于最后一个分束器与成像光学系统之间的任意一个与光轴垂直的面上的光强满足关系E(i+1)/Ei＝2，(1≤i≤n-1)，生成具有2n个灰度级的动态光学景象。本发明所提出的基于DMD的宽波段动态光学景象生成方法和系统，可用于高帧频大灰度级凝视成像和扫描成像光学传感器的半实物仿真测试。文档编号H04N5/335GK101692696SQ200910073038公开日2010年4月7日申请日期2009年10月12日优先权日2009年10月12日发明者康为民申请人:哈尔滨工业大学