基于DMD多波段動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

胡文剛+元雄+何永強(qiáng)+耿達(dá)+唐德帥

摘要： 對基于數(shù)字微鏡器件（DMD）多波段動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，首先分析了黑體的特性，給出了溫度范圍計算公式；其次，分析了幾種紅外材料的特性及封裝技術(shù)，確定了以硫化鋅為多波段仿真系統(tǒng)的DMD窗口材料及粘合劑封裝方法的選擇；最后，分析了系統(tǒng)的需求及紅外投影光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定了多波段光學(xué)系統(tǒng)的整體光路設(shè)計及投影系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 多波段紅外場景仿真； 數(shù)字微鏡器件（DMD）； 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號： O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.012

引言隨著紅外成像制導(dǎo)武器的發(fā)展，單一波段的紅外場景仿真系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求，為了更好地測試和評估紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)跟蹤性能，在室內(nèi)建立一個動態(tài)的多波段紅外場景仿真系統(tǒng)就顯得尤為重要。同采用LCD、CRT或二極管陣列的紅外場景仿真系統(tǒng)相比，基于數(shù)字微鏡器件（DMD）多波段紅外場景仿真系統(tǒng)以其高幀頻、高空間頻率、灰度等級高、均勻性好等優(yōu)勢，在紅外場景仿真系統(tǒng)的研究中受到重點(diǎn)關(guān)注。其基本原理是照明光源通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)均勻照明DMD，圖像生成部分將生成的數(shù)字圖像傳輸?shù)紻MD，通過DMD驅(qū)動電路驅(qū)動數(shù)字微鏡器件偏轉(zhuǎn)，以此來達(dá)到調(diào)制入射到DMD的輻射，產(chǎn)生紅外圖像，生成的紅外圖像通過投影光學(xué)系統(tǒng)投影到被測系統(tǒng)的入瞳處，使得被測系統(tǒng)接收到的紅外圖像與真實目標(biāo)產(chǎn)生的紅外輻射一致，以此來評測被測系統(tǒng)的性能[1]。由于此系統(tǒng)在國內(nèi)的研究起步較晚，依然存在一系列難點(diǎn)以及需要解決的問題，如黑體光源最優(yōu)溫度的確定，DMD光學(xué)窗口的更換，多波段系統(tǒng)光路的光學(xué)設(shè)計等。1紅外光源的選擇及最優(yōu)溫度確定

1.1光源的選擇在紅外場景仿真系統(tǒng)中，光源的性能會影響系統(tǒng)的測試性能，不同仿真波段的系統(tǒng)應(yīng)該選擇不同的光源，并且要求其具有較高的溫度穩(wěn)定性、空間輻射均勻性及光能利用率。黑體具有電磁輻射效率高、溫度控制精度好及良好的均勻性的特點(diǎn)，能均勻照射DMD芯片，因此，黑體是紅外場景仿真系統(tǒng)的最佳光源[2]。其他可做紅外光源的還有高溫?zé)嵩醇捌浼t外激光，但是都有其明顯的不足。

1.2黑體輻射理論黑體，又稱絕對黑體，是一種理想化的物體，其能夠吸收外來的全部電磁輻射與透射，并且不會有任何的反射與透射，即黑體對任何波長的電磁波吸收率為1，而透射率為0，在吸收外來電磁輻射的同時，它還對外發(fā)射電磁輻射。根據(jù)普朗克定律[3]，黑體的光譜輻射度M與黑體表面的絕對溫度T及其波長λ有如下關(guān)系M=c1λ5·expc2λT-1-1（1）式中，c1、c2為輻射常數(shù)，c1=3.741 8×10-16 W·m2，c2=1.438 8×10-2 m·K。黑體光源的溫度范圍以被測導(dǎo)引頭的探測靈敏閾和其動態(tài)范圍為依據(jù)來確定。黑體的最低溫度對應(yīng)探測器的靈敏閾，最高溫度對應(yīng)探測器的飽和輻照度[4]。

光學(xué)儀器第36卷

第6期胡文剛，等：基于DMD多波段動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

1.3黑體溫度計算在動態(tài)紅外場景仿真系統(tǒng)中，輻射光源發(fā)出的紅外輻射必須經(jīng)歷幾個部分才能最終到達(dá)探測系統(tǒng)，輻射從黑體出發(fā)，經(jīng)DMD窗口到達(dá)DMD表面，經(jīng)DMD表面反射到投影系統(tǒng)，經(jīng)投影系統(tǒng)的吸收最終到達(dá)被測系統(tǒng)，在整個過程中黑體的發(fā)射率ε、DMD窗口的透過率τDMD、DMD表面的反射率η、DMD微鏡的衍射以及投影光學(xué)系統(tǒng)的透過系數(shù)τl等因素會對到達(dá)探測系統(tǒng)的紅外輻射產(chǎn)生影響，即Mo=Mi·gD·τl（2）式中，Mi為黑體發(fā)射出來的總輻射度，Mo為到達(dá)紅外探測器的總輻射度，τl為投影系統(tǒng)的透過系數(shù)，gD為DMD的能量傳遞系數(shù)gD=τ2DMD·η·（1-δD）（3）式中，τDMD為DMD窗口的透過率，η為DMD表面的反射率，δD為DMD微鏡的衍射效應(yīng)。由式（1）、（2）、（3）即可計算黑體光源的溫度范圍及最優(yōu)溫度。

2DMD窗口更換技術(shù)在對DMD光學(xué)窗口更換過程中，涉及兩個過程：（1）紅外DMD光學(xué)窗口材料選擇；（2）DMD光學(xué)窗口封裝。

2.1窗口材料的選擇根據(jù)紅外場景仿真系統(tǒng)的工作環(huán)境及使用條件，用于紅外DMD光學(xué)窗口材料必須滿足以下幾點(diǎn)條件[5]：（1）高透過率：DMD芯片作為反射式元件，紅外DMD光學(xué)窗口在相應(yīng)的紅外波段必須具有較高的透過率[6]；（2）低折射率溫度系數(shù)：光學(xué)材料的折射率隨溫度的變化率（dn/dT）即為折射率溫度系數(shù)，紅外光學(xué)材料的折射率溫度系數(shù)較一般的可見光學(xué)材料高，如普通BK7玻璃的可見光折射率溫度系數(shù)約為3×10-6/℃，鍺玻璃的折射率溫度系數(shù)約為3×10-3/℃為普通玻璃的1 000倍，紅外光學(xué)窗口工作在高溫下，必須能經(jīng)受高溫變化引起的折射率變化影響，所以在紅外波段的折射率溫度系數(shù)必須盡可能的小；（3）較強(qiáng)抗腐蝕和氧化能力：DMD光學(xué)窗口有一面暴露在空氣中，必須對空氣中的各種氣體的腐蝕與氧化有很強(qiáng)的抵抗力，防止光窗腐蝕掉落影響成像質(zhì)量；（4）其它條件：低熱膨脹系數(shù)、高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)等。市場上出售的DMD芯片主要應(yīng)用于投影儀等儀器上，其光學(xué)窗口透過波段為紫外光、可見光及近紅外波段[3]，圖1所示為型號0.7″XGA DMD芯片。

將此型號DMD光學(xué)窗口拆下，采用FRONTILOptica100型紅外傅里葉光譜儀，測試此光學(xué)窗口的透過率曲線，如圖2所示，從圖2可以看出，在0.26～2.6 μm波段，此光學(xué)窗口的平均透過率為80%，最大透過率為95%以上，在2.6～5 μm，其平均透過率不足20%，對于中、長波等波段的紅外場景仿真應(yīng)用，需要使用在中、長紅外波段透過率高的光學(xué)窗口，故原有窗口不能滿足中、長波的紅外場景仿真系統(tǒng)的需求，必須對DMD芯片進(jìn)行光學(xué)窗口的更換。目前，國內(nèi)外使用較多的紅外光學(xué)材料有：鍺、硅、氟化鎂、氟化鈣、硫化鋅、硒化鋅、藍(lán)寶石（Al2O3）等，這些材料的性質(zhì)各不相同，適用于不同波段的紅外場景仿真系統(tǒng)[6]。作為紅外DMD的窗口材料，綜合考慮，適合中波紅外場景仿真系統(tǒng)的DMD窗口材料：硅、氟化鎂、氟化鈣；適合中、長波紅外的雙波段窗口材料：硒化鋅；適合可見光至長波紅外的多波段復(fù)合場景仿真系統(tǒng)窗口材料：硫化鋅。

2.2DMD窗口封裝技術(shù)光學(xué)窗口的封裝一般是指將光窗與金屬或者其它材料進(jìn)行封接，在封裝以后必須滿足將內(nèi)部器件隔離，免受大氣中氣體的氧化以及水蒸氣的腐蝕[6]。DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)，除需滿足一般封裝技術(shù)的要求外，還必須考慮到DMD芯片的特性。DMD是一種精密的反射式空間光調(diào)制器，如型號為0.7″XGA DMD的DMD芯片微鏡片的尺寸為12.68 μm×12.68 μm，如此小的微鏡片，任何微小的影響都會對其造成嚴(yán)重的損害，從而影響DMD芯片的性能，所以在DMD光學(xué)窗口封裝過程中，還必須考慮到溫度、壓力、振動、空氣氧化以及靜電等的影響。目前，根據(jù)實際要求，適合DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)一般有粘合劑封裝、玻璃焊料封裝和高溫熔封。對于可見光至長波紅外的多波段復(fù)合場景仿真系統(tǒng)來說，考慮多波段需求，窗口材料選取為硫化鋅，由于硫化鋅的較低熔點(diǎn)等，可以采用粘合劑封裝方法。3多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計目前基于DMD紅外場景仿真系統(tǒng)通常僅針對3～5 μm中波紅外的單一波段，而8～12 μm長波紅外的紅外仿真系統(tǒng)多采用LCD芯片，這是因為DMD的微鏡尺寸為12.68 μm，與8～12 μm長波紅外波長相近，所以衍射現(xiàn)象明顯；同時復(fù)雜背景下的紅外輻射特征并不是單一波段的場景仿真系統(tǒng)所能提供的。因此，基于DMD的多波段紅外場景仿真系統(tǒng)需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以滿足多波段需求，這其中涉及系統(tǒng)整體光路設(shè)計以及投影光路設(shè)計。

3.1系統(tǒng)整體光路設(shè)計通常紅外場景仿真系統(tǒng)都采用透射式光學(xué)系統(tǒng)[7]，考慮到多波段需求及系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)將采用反射式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為該系統(tǒng)的整體光路結(jié)構(gòu)以及投影系統(tǒng)的初步設(shè)計，利用4片半反半透鏡，將光源發(fā)出的輻射反射到投影系統(tǒng)中去，經(jīng)投影系統(tǒng)匯聚出來，再經(jīng)過2個全反射鏡反射到探測器的入瞳，該反射式光學(xué)系統(tǒng)能夠有效降低像差、熱差等對系統(tǒng)的影響[8]。

3.2投影光路的設(shè)計投影系統(tǒng)采用4片透鏡形式，如圖4所示為其光學(xué)系統(tǒng)。以國產(chǎn)某型號紅外熱像儀為例，仿真系統(tǒng)工作在可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm波段，出瞳直徑為100 mm，應(yīng)大于被測試對象的入瞳直徑[9]，全視場角為10°，系統(tǒng)焦距為117 mm，F(xiàn)數(shù)為1.3。系統(tǒng)選用0.7″XGA（1 024×768）格式DMD芯片，其尺寸為14.22 mm×10.67 mm，入射光線以與DMD基底法線夾角為24°角入射時，要使投影光路不影響光線照射DMD芯片的全部微鏡片，投影光路與DMD芯片距離應(yīng)不小于20 mm。為了避免雜散光進(jìn)入被測系統(tǒng)，投影光路最后一面距被測系統(tǒng)不應(yīng)太遠(yuǎn)，取100 mm。由以上分析可初步確定出投影光路指標(biāo)：工作波段為可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm；出瞳直徑為100 mm；全視場角為10°；焦距為117 mm；F數(shù)為1.3；入瞳距離為40 mm；后工作距離為110 mm。4結(jié)論本文通過對基于DMD多波段紅外場景仿真系統(tǒng)的研究，分析了其存在的幾個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，即紅外光源的選擇及溫度范圍確定、DMD窗口更換技術(shù)、多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計問題，分別對這幾個難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決方案。不過仍然存在很多不足之處，例如：黑體光源溫度計算中沒有進(jìn)行誤差分析；在DMD窗口更換技術(shù)中，沒有對更換后的DMD芯片進(jìn)行完好性檢測；在整體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，沒有考慮到熱差對整個系統(tǒng)的影響；在投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，沒有進(jìn)行相差分析。這些都是在今后工作中需要進(jìn)一步研究的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳二柱.DMD動態(tài)紅外景象投影技術(shù)[J].紅外，2004（2）：2831.

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2.2DMD窗口封裝技術(shù)光學(xué)窗口的封裝一般是指將光窗與金屬或者其它材料進(jìn)行封接，在封裝以后必須滿足將內(nèi)部器件隔離，免受大氣中氣體的氧化以及水蒸氣的腐蝕[6]。DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)，除需滿足一般封裝技術(shù)的要求外，還必須考慮到DMD芯片的特性。DMD是一種精密的反射式空間光調(diào)制器，如型號為0.7″XGA DMD的DMD芯片微鏡片的尺寸為12.68 μm×12.68 μm，如此小的微鏡片，任何微小的影響都會對其造成嚴(yán)重的損害，從而影響DMD芯片的性能，所以在DMD光學(xué)窗口封裝過程中，還必須考慮到溫度、壓力、振動、空氣氧化以及靜電等的影響。目前，根據(jù)實際要求，適合DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)一般有粘合劑封裝、玻璃焊料封裝和高溫熔封。對于可見光至長波紅外的多波段復(fù)合場景仿真系統(tǒng)來說，考慮多波段需求，窗口材料選取為硫化鋅，由于硫化鋅的較低熔點(diǎn)等，可以采用粘合劑封裝方法。3多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計目前基于DMD紅外場景仿真系統(tǒng)通常僅針對3～5 μm中波紅外的單一波段，而8～12 μm長波紅外的紅外仿真系統(tǒng)多采用LCD芯片，這是因為DMD的微鏡尺寸為12.68 μm，與8～12 μm長波紅外波長相近，所以衍射現(xiàn)象明顯；同時復(fù)雜背景下的紅外輻射特征并不是單一波段的場景仿真系統(tǒng)所能提供的。因此，基于DMD的多波段紅外場景仿真系統(tǒng)需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以滿足多波段需求，這其中涉及系統(tǒng)整體光路設(shè)計以及投影光路設(shè)計。

3.1系統(tǒng)整體光路設(shè)計通常紅外場景仿真系統(tǒng)都采用透射式光學(xué)系統(tǒng)[7]，考慮到多波段需求及系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)將采用反射式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為該系統(tǒng)的整體光路結(jié)構(gòu)以及投影系統(tǒng)的初步設(shè)計，利用4片半反半透鏡，將光源發(fā)出的輻射反射到投影系統(tǒng)中去，經(jīng)投影系統(tǒng)匯聚出來，再經(jīng)過2個全反射鏡反射到探測器的入瞳，該反射式光學(xué)系統(tǒng)能夠有效降低像差、熱差等對系統(tǒng)的影響[8]。

3.2投影光路的設(shè)計投影系統(tǒng)采用4片透鏡形式，如圖4所示為其光學(xué)系統(tǒng)。以國產(chǎn)某型號紅外熱像儀為例，仿真系統(tǒng)工作在可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm波段，出瞳直徑為100 mm，應(yīng)大于被測試對象的入瞳直徑[9]，全視場角為10°，系統(tǒng)焦距為117 mm，F(xiàn)數(shù)為1.3。系統(tǒng)選用0.7″XGA（1 024×768）格式DMD芯片，其尺寸為14.22 mm×10.67 mm，入射光線以與DMD基底法線夾角為24°角入射時，要使投影光路不影響光線照射DMD芯片的全部微鏡片，投影光路與DMD芯片距離應(yīng)不小于20 mm。為了避免雜散光進(jìn)入被測系統(tǒng)，投影光路最后一面距被測系統(tǒng)不應(yīng)太遠(yuǎn)，取100 mm。由以上分析可初步確定出投影光路指標(biāo)：工作波段為可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm；出瞳直徑為100 mm；全視場角為10°；焦距為117 mm；F數(shù)為1.3；入瞳距離為40 mm；后工作距離為110 mm。4結(jié)論本文通過對基于DMD多波段紅外場景仿真系統(tǒng)的研究，分析了其存在的幾個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，即紅外光源的選擇及溫度范圍確定、DMD窗口更換技術(shù)、多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計問題，分別對這幾個難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決方案。不過仍然存在很多不足之處，例如：黑體光源溫度計算中沒有進(jìn)行誤差分析；在DMD窗口更換技術(shù)中，沒有對更換后的DMD芯片進(jìn)行完好性檢測；在整體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，沒有考慮到熱差對整個系統(tǒng)的影響；在投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，沒有進(jìn)行相差分析。這些都是在今后工作中需要進(jìn)一步研究的。

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2.2DMD窗口封裝技術(shù)光學(xué)窗口的封裝一般是指將光窗與金屬或者其它材料進(jìn)行封接，在封裝以后必須滿足將內(nèi)部器件隔離，免受大氣中氣體的氧化以及水蒸氣的腐蝕[6]。DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)，除需滿足一般封裝技術(shù)的要求外，還必須考慮到DMD芯片的特性。DMD是一種精密的反射式空間光調(diào)制器，如型號為0.7″XGA DMD的DMD芯片微鏡片的尺寸為12.68 μm×12.68 μm，如此小的微鏡片，任何微小的影響都會對其造成嚴(yán)重的損害，從而影響DMD芯片的性能，所以在DMD光學(xué)窗口封裝過程中，還必須考慮到溫度、壓力、振動、空氣氧化以及靜電等的影響。目前，根據(jù)實際要求，適合DMD光學(xué)窗口封裝技術(shù)一般有粘合劑封裝、玻璃焊料封裝和高溫熔封。對于可見光至長波紅外的多波段復(fù)合場景仿真系統(tǒng)來說，考慮多波段需求，窗口材料選取為硫化鋅，由于硫化鋅的較低熔點(diǎn)等，可以采用粘合劑封裝方法。3多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計目前基于DMD紅外場景仿真系統(tǒng)通常僅針對3～5 μm中波紅外的單一波段，而8～12 μm長波紅外的紅外仿真系統(tǒng)多采用LCD芯片，這是因為DMD的微鏡尺寸為12.68 μm，與8～12 μm長波紅外波長相近，所以衍射現(xiàn)象明顯；同時復(fù)雜背景下的紅外輻射特征并不是單一波段的場景仿真系統(tǒng)所能提供的。因此，基于DMD的多波段紅外場景仿真系統(tǒng)需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以滿足多波段需求，這其中涉及系統(tǒng)整體光路設(shè)計以及投影光路設(shè)計。

3.1系統(tǒng)整體光路設(shè)計通常紅外場景仿真系統(tǒng)都采用透射式光學(xué)系統(tǒng)[7]，考慮到多波段需求及系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)將采用反射式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為該系統(tǒng)的整體光路結(jié)構(gòu)以及投影系統(tǒng)的初步設(shè)計，利用4片半反半透鏡，將光源發(fā)出的輻射反射到投影系統(tǒng)中去，經(jīng)投影系統(tǒng)匯聚出來，再經(jīng)過2個全反射鏡反射到探測器的入瞳，該反射式光學(xué)系統(tǒng)能夠有效降低像差、熱差等對系統(tǒng)的影響[8]。

3.2投影光路的設(shè)計投影系統(tǒng)采用4片透鏡形式，如圖4所示為其光學(xué)系統(tǒng)。以國產(chǎn)某型號紅外熱像儀為例，仿真系統(tǒng)工作在可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm波段，出瞳直徑為100 mm，應(yīng)大于被測試對象的入瞳直徑[9]，全視場角為10°，系統(tǒng)焦距為117 mm，F(xiàn)數(shù)為1.3。系統(tǒng)選用0.7″XGA（1 024×768）格式DMD芯片，其尺寸為14.22 mm×10.67 mm，入射光線以與DMD基底法線夾角為24°角入射時，要使投影光路不影響光線照射DMD芯片的全部微鏡片，投影光路與DMD芯片距離應(yīng)不小于20 mm。為了避免雜散光進(jìn)入被測系統(tǒng)，投影光路最后一面距被測系統(tǒng)不應(yīng)太遠(yuǎn)，取100 mm。由以上分析可初步確定出投影光路指標(biāo)：工作波段為可見光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm；出瞳直徑為100 mm；全視場角為10°；焦距為117 mm；F數(shù)為1.3；入瞳距離為40 mm；后工作距離為110 mm。4結(jié)論本文通過對基于DMD多波段紅外場景仿真系統(tǒng)的研究，分析了其存在的幾個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，即紅外光源的選擇及溫度范圍確定、DMD窗口更換技術(shù)、多波段光學(xué)系統(tǒng)的光路設(shè)計問題，分別對這幾個難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決方案。不過仍然存在很多不足之處，例如：黑體光源溫度計算中沒有進(jìn)行誤差分析；在DMD窗口更換技術(shù)中，沒有對更換后的DMD芯片進(jìn)行完好性檢測；在整體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，沒有考慮到熱差對整個系統(tǒng)的影響；在投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，沒有進(jìn)行相差分析。這些都是在今后工作中需要進(jìn)一步研究的。

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