[实用新型]一种红外DLP远心投影系统

说明书

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。 

背景技术：

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-LCD，LCOS和DLP是比较主流的先进投影显示技术。LCD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、无死像元和均匀性好等特点。 

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^TM 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TIR(total-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，照明均匀性也能做到很好。 

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TIR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匀性不如远心结构的。 

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：