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发布者:admin 发布时间:2019-10-24 23:55 浏览次数:

  投影机工作腺理投影成像系统具有以下特点嗍 投影仪采用发射式 能量损失小 对比度高 彩色图像清晰 暗部层次丰富 细节表现锐利。 多数使用单片式结构 结构简单 体积小 重量轻 成本低。 投影系统采用数字输入 响应速度快 景象重现质量好 图像质量稳定 微镜阵列投影系统 投影仪成功问世受到广泛关注后美国 公

  投影机工作腺理投影成像系统具有以下特点嗍 投影仪采用发射式 能量损失小 对比度高 彩色图像清晰 暗部层次丰富 细节表现锐利。 多数使用单片式结构 结构简单 体积小 重量轻 成本低。 投影系统采用数字输入 响应速度快 景象重现质量好 图像质量稳定 微镜阵列投影系统 投影仪成功问世受到广泛关注后美国 公司又研发出了微镜阵列投影仪 。微镜阵列投影仪应用于红外波段 是基于 投影技术进一步研发产生的。二十世纪末 美国 公司就开始了基于 的红外动态景象生成技术的研究 研发成功并生产出第一台样机。目前美国陆军航空导弹司令部已经配备了由 公司生产的红外景象投影系统 它的分辨率为 。该公司正致力于再研究更高分辨率的动态红外景象生成技术【 红外投影仪的基本原理如图所示。图 红外投影仪的基本原理采用黑体作为红外投影系统的光源 经过中继转向光学系统后经由 棱镜照明 同时 为输出测试图像的计算机图像发生器 主要用于生成数字红外模拟图像。数字红外图像信号经由 视频电路处理系统以及 的电路驱动程序后输入 驱动程序产生驱动电压来控制 的状态。通过数字信号转为光信号 生成红外模拟图像。在图像进入被测系统的入瞳之前 还需要经过一组准直光学系统 使图像像质良好 不失真 使模拟的红外图像与真实状态下的目标与背景能量分布、大小、形状都完全相同 只有这样才能保证测量结果的真实性 达到评价制导系统性能的目的。表 给出了一种 投影仪的性能特征。表 投影仪参数指标仪器指标参数波长范围取决于光源及光学系统的特性 可使用于各种波长的光学系统分辨率 单个像素的大小 二进制模式时最大帧频 灰度等级 可编程进行控制寻址方式瞬间对比度 红外中波时 表面温度 考虑光源的辐射情况 每个像素的准确性 图像的空间均匀性 输出接口形式 功耗 系统 红外投影系统的核心器件 有两种工作模式 分别为二进制和 模式。当 工作在二进制模式下时 一位 二进制数就可以控制每一帧图像中的各个像素单元这时生成的红外图像为二值图像 由于其控制程序简单 二进制模式可达到非常高的帧频 投影图像速度很快。当 在脉宽灰度调制模式下工作时 可使二进制数的脉宽积分时间变长 从而模拟出精细的高灰度级红外图像 相比于二进制模式 其帧频下降很多 基于的红外投影技术的优点与基于 红外投影系统相比 直接红外辐射法产生红外图像有热时间常数大、热子间的热扩散以及温度分布的动态范围有限等缺点 严重影响和干扰了图像的生成速度与图像的分辨率。随着光电子技术的发展 基于 的投影系统应用越来越广泛。与其他红外图像生成技术相比 红外投影系统有如下优点【 光学均匀性及有效像素高随着制造技术的发展芯片的每个微镜尺寸越来越小 从开始的 到目前常用的 分辨率逐渐提高。不仅微镜尺寸向着微型发展每个微镜的间距也尽量的小 来保证有效像素。目前 每个微镜镜边的间距基本小于 这样整个 的像素填充率能够达到 以上。即微镜阵列的有效使用面积为 或更多 能够用于反射红外辐射 产生红外投影图像。高的填充因子能够使红外图像更清晰。由于精确的控制技术与制作工艺的提高 在整个微镜阵列中 每个像素不受分辨率提高的影响 空间均匀性时刻保持一致。 光学效率高 微镜阵列采用反射式技术 黑体照明 也采用了全反射棱镜 最大限度的减小了光能损失。因此 投影图像灰度等级更好 细节表现更加丰富。 高分辨率随着 微机械加工工艺的发展 数字微镜器件也越做越小。像元尺寸的减小 使同样大小的元件像素个数增加 提高了元件的分辨率。目前最多像素的微镜阵列为 。而基于 红外景象生成器考虑到红外波长是可见光的十倍左右 故有衍射效应的影响 因此采用的微镜阵列多为 。这种微镜阵列完全能够保证系统的空间分辨率 使其远远大于其他红外图像生成器件 同时也保证了红外图像不失真。 全数字化控制数字微镜器件中每一个小微镜都由二进制信号“ ”来控制其的“开”、“关”状态。因此只需要简单的驱动程序就可以实现数字信号转换成光信号 也不需要数模转换。而且 图像的灰度也可以通过二进制脉宽调制来实现。全数字化控制的 灵敏度高 投影图像对比度好。 】稳定性高数字微镜器件的使用不受环境、天气及温度的影响 能够满足各种军事装备仪器的使用要求。其使用寿命由机械铰链是否耐用来决定 公司测试结果得出 这些铰链即使重复翻转超过 万次 仍然可以完好无损地继续使用 使用时间可达到 光学系统的组成与实现基于的工作原理及微镜阵列投影系统的设计方案 进行了 红外景象生成器的方案设计。红外景象生成器主要包括光学部分和控制部分。控制部分主要包括视频转换器、同步信号处理器、电源等等 这些都是控制 使其能够准确地输出红外图像。系统中所使用的 已经配备了控制系统。红外景象生成器的光学部分主要由黑体 红外光源 、照明系统、投影系统、红外全反射 棱镜和 组成。系统图如图 所示。光学系统的工作波段为 波段覆盖范围很宽对红外图像的模拟会更加清晰准确。照明 的红外光源选用黑体 一般来说黑体辐射都具有很大的发散角。根据这一特点 为了使光源能够更加均匀的照明 并且充分利用黑体的辐射使投影系统像质更清晰 在黑体与 之间加入了照明系统。黑体辐射均匀照明 使得模拟出来的红外图像辐射能量分布均匀 与真实图像的辐射能量分布一致。使用这样的红外景象生成器来评价红外制导系统的性能时 其评价结果真实、准确、可靠。由于 器件的封装窗口的材料是普通光学玻璃 只能用于可见光波段 而在红外波段 的透过率很低。为了使能够顺利应用于红外景象生成系统 使用锗 材料加工成窗口 替换原有窗口。锗材料性能稳定 双波段透过率高 是红外波段的常用材料。系统中 全反射棱镜 可使投影系统与照明系统两个光路分开 两光轴夹角为 使得光路清晰而又紧凑。更重要的是使用全反射棱镜作为光路折转和衔接 由于反射不损失能量 可以说这种方法能在大程度上保证了进入投影系统的能量 降低了能量的损耗。该全反射由棱镜 和棱镜 组成 见图 棱镜 是主棱镜 主要是对光束进行一次全反射来衔接照明系统和投影系统以减少光能损失。照明光束在棱镜 内进行一次全反射后照明 实现了光路的折转并使由光路折转造成的光能损失降至最低 由棱镜 出射的照明光束的光轴与 平态时的表面法线成 这样可以使在开态时反射的投影光束透射过棱镜 和棱镜 并且其光轴垂直于棱镜 最后进入投影系统实现了最小的能量损失。而 在关态时的反射光束会以较大入射角进入棱镜 并透射过棱镜 后进入吸光介质。棱镜 是补偿棱镜 和棱镜 组成平行平板 用来补偿光束经过棱镜 所产生的色散 并且与棱镜 组合平衡了像差 满足光学设计中发散光不能经过楔板的要求 并且棱镜 与棱镜 之间留有以空气隙 可以使照明光在棱镜 面上发生全反射。棱镜系统的通光口径为大于 的对角线尺寸 使照明光束经过该棱镜系统后能够完全照亮 面板。从照明系统出射的孔径角为 。的光锥能够按照设计要求顺利通过该棱镜系统 即发散角为 的照明光束在棱镜 面折射后进入主棱镜在棱镜内发生全反射照明 反射的光束能够透过棱镜和棱镜 入射到投影系统 该角度决定了投影物镜的相对孔径为 进而决定了投影物镜的进光量和分辨率及整个红外景象生成器的性能。考虑到加工和装调 以及保证 各个状态下的光能够顺利通过棱镜 棱镜与 之间的距离定为 这样才能保证 出射的光能够通过棱镜。为保证结构紧凑 与投影物镜之间的距离应该尽量小 但考虑到装调的问题 此距离最短设为 红外景象生成器原理图兢图红外 全反射棱镜本章简要介绍了红外双色成像制导技术 简述了景象生成技术的发展 着重讨论了基于 的红外双波段景象发生器的结构和工作原理 并对其核心原件数字微镜器件 进行了着重分析 最后确定了光路的实现形式和光学系统的具体实施方案。 第三章焦距可变的光学系统 系统焦距改变的原理及分类焦距可变的光学系统就是指一定范围内焦距可以改变但不影响焦面位置和成像质量的系统。变焦系统可以实现对目标在不同焦距下进行观察。在物体和观测相对位置不变的情况下 可以用单个镜头对目标实现小焦距大视场搜索 也可以对目标进行长焦距的细致观察。变焦系统所能达到的两个极值焦距之比被称为变倍比 其中‰为系统最长焦距 卅栩则为系统最短焦距。根据变焦过程中的作用将变焦系统中各个透镜分为几个组元分别为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。有的系统也可以仅有两个组元或者三个组元 都可以实现焦距的改变。在变焦过程中 发生改变的是各个组元之间的间隔 而每个组元的光焦度在设计加工的过程中均保持不变 即系统的总光焦度与组元的间隔之间的关系由式 表示妒 系统中某一组元的位置变化后焦距也就相应的改变了 但这也会造成像面漂移 导致成像质量下降 这时可使某个组元做补偿运动来抵消像面偏移 从而产生了不同的补偿形式 即光学补偿和机械补偿【 光学补偿方式若运动组元通常为一组或几组 在变焦的过程中 同时进行同方向的线性运动 这样移动的组元与其他固定的组元之间的相对位置就会发生改变 使系统达到变焦的目的。这种方式减小相面漂移的方法是将运动组元相互固联 】。若系统应用光学补偿作为变焦方式 其优点是具有机械结构简单、成本低。但是光学补偿变焦系统只能完全补偿几个像面偏移点。能够完全补偿像面偏移点的个数和透镜组的个数有关系。系统完全补偿点数等于除去后固定组剩余透镜组元的个数。在实际应用中 只有几个焦距处能够保持像面位置不变 使用起来非常不方便。若系统只要求两档或三档变焦而不是连续变焦 那么首先考虑光学补偿这种方式 可以使系统操作简便 也易于调校。变倍比的大小是影响像面漂移量的因素之一 变倍比较小时 像面也相对稳定。因此 光学补偿方式也可以用于小变倍比的系统中 只要像面的最大漂移在系统的景深之内那么可以判定像面的些许移动是不影响成像质量的。 机械补偿方式四韪燃系统 光学补偿式变焦系统示意图为了弥补光学补偿变焦方式不能实现大变倍比连续变焦的缺憾学者们又研究出了机械补偿这种变焦方式。这种变焦方式可使每个焦距的像面偏移都得到很好的补偿 从而达到像质的良好稳定。机械补偿变焦光学系统的每个运动组元按照设定好的复杂规律运动 在改变系统焦距的同时补偿像面移动。机械补偿变焦系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四部分组成。图 所示的为机械补偿变焦光学系。其中 为前固定组 为补偿组为后固定组。机械补偿可以按照补偿组光焦度的正负来划分 光焦度为正的称为正补偿组机械变焦系统 光焦度为负的称为负补偿组机械变焦。 补偿组光焦度为正的变焦系统补偿组光焦度为负变焦系统图 机械补偿变焦光学系统示意图在变焦过程中像面发生偏移是因为变倍组位置的改变 当变倍组沿着光轴线性移动时 系统的共轭距离就会发生改变 从而像面会发生偏移。这时补偿组就要沿着光轴左右移动来补偿像面的漂移 始终保证像面的稳定性 补偿组的移动是非线性的 。对于连续变倍机械补偿变焦系统要满足一以下四点要求 系统焦距变化均匀 像面在变焦过程中保持稳定 恒定的相对口径 像质完好对比两种变焦补偿的方式不难看出 光学变焦较为简便易行 但其像面偏移不能得到完全补偿 机械变焦方式虽然复杂 但可通过凸轮来设计变焦曲线 实现像面在整个变焦过程中固定不动 其漂移被完全补偿 根据本论文设计指标 变焦系统的补偿方式选择机械变焦。 机械补偿变焦系统原理机械补偿变焦系统是依靠物象交换原则来进行设计的 。如图 所示 当运动组在 位置时 物高和像高分别表示为 表示物距’表示像距 物方孔径角用 】表示 ’表示像方孔径角。当光学系统中的变倍组和补偿组运动到位置时的垂轴放大倍率 可以表示为 如图所示 当运动组在 位置时 物高和像高分别表示为 表示物距如’表示像距 物方孔径角用地表示 ’表示像方孔径角当光学系统中的变倍组和补偿组运动到 位置时的垂轴放大倍率 可以表示为 此时物面和像面进行了互换变焦透镜组的共轭距不变 可知运动组元在任意时刻都存在两个位置能够使物象位置稳定 此时透镜组的共轭距相同 并且并且位置 垂轴放大倍率为位置 垂轴放大倍率的倒数。如图 所示 位置线性运动到位置时 系统的物面和像面位置就互相交换了 但此时物面与像面之间的共轭距不发生变化 这就是物像交换原则。机械变焦补偿系统中的变倍组在移动过程中时刻遵循这一原则 始终保持系统共轭距不变 能够得到两条相互对应的补偿曲线。 位置 位置 位置时的光路示意图图物像交换原理示意图当变倍组移动到垂轴放大倍率 的位置时 可以获得最小共轭距。公式为 ’将高斯公式两边乘以得叫圳高斯公式两边乘以 整理得三一一 可知有且只有变倍组的放大倍率来决定变焦系统的共轭距。看出 图中的三条线叠加就能够得到共轭距变化曲线。图 共轭距 和倍率 的关系以及共轭距的合成曲线 己知高斯 可以变倍组的光焦度不随系统焦距的改变而改变根据式 选择三个特殊位置的曲线来合成共轭距变化曲线。三 表示直线平行于横坐标 也表示直线 经过零点 表示双曲线。将直线三 及双曲线叠加可得到共轭距的合成曲线。共轭距在运动组元倍率肌 时有极小值 若运动组元焦距为定值它能够具有大于等于可’的任意共轭距 运动组元在放大倍率 的位置对变焦系统设计非常重要。分析图 中的合成曲线 可得到在变倍组移动的过程中 仅在两个位置实现了共轭距无穷大 物体位于物方无穷远处 可看做平行光入射 此时像面和像方焦平面重合 运动组元放大率 则共轭距无穷大 物面和物方焦平面重合 光线平行出射 像面位于像方无穷远处 此时运动组元放大率 则共轭距无穷大。 基于机械补偿变焦系统的变焦方程分析通过数学的方法 把变焦过程抽象为微分方程就可以建立机械补偿变焦方程。变倍组变倍移动时产生的像面移动可通过做非线性移动的补偿组进行补偿【瑚 建立变焦方程以典型的四组元系统为基础分析变焦方程仅有变倍组与补偿组在变焦过程中进行移动而使像面漂移 若两者产生的位移量相互补偿 则像面位置就可以恒定不变。用由来表示变倍组做线性位移的距离 其垂轴放大倍率用 来表示 则对应表示补偿组垂轴放大倍率 可得到变倍组线性移动引起的像面位移量大小为 变焦距过程中做非线性运动的补偿组位移量用秘来表示 可得到补偿组非线性移动引起的像面位移量大小为 为了保证系统像面总位移量为零则变倍组在变倍时产生的像面位移和补偿组补偿时产生的像面位移量之和必须为零 与高斯公式联立进行计算可以得到透镜移动量等式由 其中五’表示变倍组焦距石’表示补偿组焦距。 变焦方程分析

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