随着红外成像制导武器的发展,单一波段的红外场景仿真系统已经不能满足需求,为了更好地测试和评估红外制导武器系统跟踪性能,在室内建立一个动态的多波段红外场景仿真系统就显得尤为重要。同采用LCD、CRT或二极管阵列的红外场景仿真系统相比,基于数字微镜器件(DMD)多波段红外场景仿真系统以其高帧频、高空间频率、灰度等级高、均匀性好等优势,在红外场景仿真系统的研究中受到重点关注。其基本原理是照明光源通过准直光学系统均匀照明DMD,图像生成部分将生成的数字图像传输到DMD,通过DMD驱动电路驱动数字微镜器件偏转,以此来达到调制入射到DMD的辐射,产生红外图像,生成的红外图像通过投影光学系统投影到被测系统的入瞳处,使得被测系统接收到的红外图像与真实目标产生的红外辐射一致,以此来评测被测系统的性能^[1]。由于此系统在国内的研究起步较晚,依然存在一系列难点以及需要解决的问题,如黑体光源最优温度的确定,DMD光学窗口的更换,多波段系统光路的光学设计等。

在红外场景仿真系统中,光源的性能会影响系统的测试性能,不同仿真波段的系统应该选择不同的光源,并且要求其具有较高的温度稳定性、空间辐射均匀性及光能利用率。黑体具有电磁辐射效率高、温度控制精度好及良好的均匀性的特点,能均匀照射DMD芯片,因此,黑体是红外场景仿真系统的最佳光源^[2]。其他可做红外光源的还有高温热源及其红外激光,但是都有其明显的不足。

黑体,又称绝对黑体,是一种理想化的物体,其能够吸收外来的全部电磁辐射与透射,并且不会有任何的反射与透射,即黑体对任何波长的电磁波吸收率为1,而透射率为0,在吸收外来电磁辐射的同时,它还对外发射电磁辐射。

根据普朗克定律^[3],黑体的光谱辐射度M与黑体表面的绝对温度T及其波长λ有如下关系

黑体光源的温度范围以被测导引头的探测灵敏阈和其动态范围为依据来确定。黑体的最低温度对应探测器的灵敏阈,最高温度对应探测器的饱和辐照度^[4]。

在动态红外场景仿真系统中,辐射光源发出的红外辐射必须经历几个部分才能最终到达探测系统,辐射从黑体出发,经DMD窗口到达DMD表面,经DMD表面反射到投影系统,经投影系统的吸收最终到达被测系统,在整个过程中黑体的发射率ε、DMD窗口的透过率τ_DMD、DMD表面的反射率η、DMD微镜的衍射以及投影光学系统的透过系数τ_l等因素会对到达探测系统的红外辐射产生影响,即

由式(1)、(2)、(3)即可计算黑体光源的温度范围及最优温度。

在对DMD光学窗口更换过程中,涉及两个过程:(1)红外DMD光学窗口材料选择;(2)DMD光学窗口封装。

根据红外场景仿真系统的工作环境及使用条件,用于红外DMD光学窗口材料必须满足以下几点条件^[5]:

(1)高透过率:DMD芯片作为反射式元件,红外DMD光学窗口在相应的红外波段必须具有较高的透过率^[6];

(2)低折射率温度系数:光学材料的折射率随温度的变化率(dn/dT)即为折射率温度系数,红外光学材料的折射率温度系数较一般的可见光学材料高,如普通BK7玻璃的可见光折射率温度系数约为3×10^-6/℃,锗玻璃的折射率温度系数约为3×10^-3/℃为普通玻璃的1 000倍,红外光学窗口工作在高温下,必须能经受高温变化引起的折射率变化影响,所以在红外波段的折射率温度系数必须尽可能的小;

(3)较强抗腐蚀和氧化能力:DMD光学窗口有一面暴露在空气中,必须对空气中的各种气体的腐蚀与氧化有很强的抵抗力,防止光窗腐蚀掉落影响成像质量;

(4)其它条件:低热膨胀系数、高硬度、高强度、高熔点等。

市场上出售的DMD芯片主要应用于投影仪等仪器上,其光学窗口透过波段为紫外光、可见光及近红外波段^[3],图 1所示为型号0.7″XGA DMD芯片。

图 1

Fig. 1

图 1 0.7″XGA DMD芯片实物图 Fig. 1 Picture of 0.7″XGA DMD

将此型号DMD光学窗口拆下,采用FRONTIL-Optica100型红外傅里叶光谱仪,测试此光学窗口的透过率曲线,如图 2所示,从图 2可以看出,在0.26～2.6 μm波段,此光学窗口的平均透过率为80%,最大透过率为95%以上,在2.6～5 μm,其平均透过率不足20%,对于中、长波等波段的红外场景仿真应用,需要使用在中、长红外波段透过率高的光学窗口,故原有窗口不能满足中、长波的红外场景仿真系统的需求,必须对DMD芯片进行光学窗口的更换。

图 2

Fig. 2

图 2 0.7″XGA DMD芯片原光学窗口透过率曲线 Fig. 2 Transmittance curve of initial 0.7″XGA DMD window

目前,国内外使用较多的红外光学材料有:锗、硅、氟化镁、氟化钙、硫化锌、硒化锌、蓝宝石(Al₂O₃)等,这些材料的性质各不相同,适用于不同波段的红外场景仿真系统^[6]。

作为红外DMD的窗口材料,综合考虑,适合中波红外场景仿真系统的DMD窗口材料:硅、氟化镁、氟化钙;适合中、长波红外的双波段窗口材料:硒化锌;适合可见光至长波红外的多波段复合场景仿真系统窗口材料:硫化锌。

光学窗口的封装一般是指将光窗与金属或者其它材料进行封接,在封装以后必须满足将内部器件隔离,免受大气中气体的氧化以及水蒸气的腐蚀^[6]。DMD光学窗口封装技术,除需满足一般封装技术的要求外,还必须考虑到DMD芯片的特性。DMD是一种精密的反射式空间光调制器,如型号为0.7″XGA DMD的DMD芯片微镜片的尺寸为12.68 μm×12.68 μm,如此小的微镜片,任何微小的影响都会对其造成严重的损害,从而影响DMD芯片的性能,所以在DMD光学窗口封装过程中,还必须考虑到温度、压力、振动、空气氧化以及静电等的影响。目前,根据实际要求,适合DMD光学窗口封装技术一般有粘合剂封装、玻璃焊料封装和高温熔封。

对于可见光至长波红外的多波段复合场景仿真系统来说,考虑多波段需求,窗口材料选取为硫化锌,由于硫化锌的较低熔点等,可以采用粘合剂封装方法。

3 多波段光学系统的光路设计

目前基于DMD红外场景仿真系统通常仅针对3～5 μm中波红外的单一波段,而8～12 μm长波红外的红外仿真系统多采用LCD芯片,这是因为DMD的微镜尺寸为12.68 μm,与8～12 μm长波红外波长相近,所以衍射现象明显;同时复杂背景下的红外辐射特征并不是单一波段的场景仿真系统所能提供的。因此,基于DMD的多波段红外场景仿真系统需要对光学系统进行优化设计以满足多波段需求,这其中涉及系统整体光路设计以及投影光路设计。

通常红外场景仿真系统都采用透射式光学系统^[7],考虑到多波段需求及系统成本,本系统将采用反射式结构,如图 3所示,为该系统的整体光路结构以及投影系统的初步设计,利用4片半反半透镜,将光源发出的辐射反射到投影系统中去,经投影系统汇聚出来,再经过2个全反射镜反射到探测器的入瞳,该反射式光学系统能够有效降低像差、热差等对系统的影响^[8]。

图 3

Fig. 3

图 3 整体光路设计 Fig. 3 Design of the whole system

投影系统采用4片透镜形式,如图 4所示为其光学系统。

图 4

Fig. 4

图 4 投影光学系统 Fig. 4 The projecting optical system

以国产某型号红外热像仪为例,仿真系统工作在可见光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm波段,出瞳直径为100 mm,应大于被测试对象的入瞳直径^[9],全视场角为10°,系统焦距为117 mm,F数为1.3。系统选用0.7″XGA(1 024×768)格式DMD芯片,其尺寸为14.22 mm×10.67 mm,入射光线以与DMD基底法线夹角为24°角入射时,要使投影光路不影响光线照射DMD芯片的全部微镜片,投影光路与DMD芯片距离应不小于20 mm。为了避免杂散光进入被测系统,投影光路最后一面距被测系统不应太远,取100 mm。由以上分析可初步确定出投影光路指标: 工作波段为可见光、1～3 μm、3～5 μm和8～12 μm;出瞳直径为100 mm;全视场角为10°;焦距为117 mm;F数为1.3;入瞳距离为40 mm;后工作距离为110 mm。

4 结 论

本文通过对基于DMD多波段红外场景仿真系统的研究,分析了其存在的几个关键技术难点,即红外光源的选择及温度范围确定、DMD窗口更换技术、多波段光学系统的光路设计问题,分别对这几个难点提出了相应的解决方案。不过仍然存在很多不足之处,例如:黑体光源温度计算中没有进行误差分析;在DMD窗口更换技术中,没有对更换后的DMD芯片进行完好性检测;在整体光学系统设计中,没有考虑到热差对整个系统的影响;在投影光学系统的设计当中,没有进行相差分析。这些都是在今后工作中需要进一步研究的。