[发明专利]一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射棱镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射（Total Internal Reflection, 简称TIR）棱镜，尤指一种用于基于DMD景象生成器件的红外目标模拟器光学引擎的TIR棱镜。

背景技术

随着红外成像制导导弹的出现，为测试与评估导引头的性能，迫切地需要发展红外成像半实物仿真技术。而红外成像半实物仿真技术的核心就是红外目标模拟器，红外光学引擎作为红外目标模拟器的关键组成，决定了红外目标模拟器的大部分性能参数，包括对比度、分辨率、空间均匀性等等。由于DMD无论从分辨率、空间均匀性、帧频等性能参数均较其它景象生器具有一定的优势，故对基于DMD的红外目标模拟器光学引擎的研究是十分必要的。

基于DMD的红外光学引擎采用远心光路结构时，需使用TIR棱镜，提高对比度的同时，可以实现照明光学系统与投影光学系统分开单独设计，节省了开发时间。但是目前，包括可见光波段的光学引擎，均采用两组元式的TIR棱镜进行分光，并未对DMD“关”状态的光束进行调制，而且整个系统结构尺寸较大，降低系统的能量利用率。若不使用TIR棱镜，为保证能量利用率，需使投影系统与照明系统光轴成24o的夹角，使得投影系统与照明系统的口径相互制约，此外，为保证照明光路不被遮挡，势必要增加投影系统的后工作距离，增加投影系统的设计难度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于基于DMD的红外目标模拟器光学引擎的三组元式红外TIR棱镜，避免了不使用TIR棱镜的远心光路结构的弊端，同时增加对DMD“关”状态的光束进行调制，使整个系统结构紧凑，提高红外光学引擎的能量利用率。

三组元式红外TIR棱镜结构如图1。其中10为棱镜1，将入射的照明光束在其斜边表面处发生全反射，实现对DMD的照明。11为棱镜2，将DMD“开”态的反射光线入射到投影系统中，将DMD“关”态的光线反射出投影系统。本三组元式的红外TIR棱镜适用于中、远红外波段。TIR棱镜的引入具有以下五个优势：

(1)   红外TIR棱镜的使用可以实现对P光和S光的100%反射。

(2)   红外TIR棱镜可以实现对DMD“平”态以及窗口处的反射光进行调制，使其反射出投影光学系统，提高系统的对比度。

(3)   红外TIR棱镜的使用可以使光学引擎设计成远心光路结构，即入射光经DMD反射后平行于投影系统光轴。

(4)   红外TIR棱镜的使用使整个光学引擎的结构更加紧凑，提高系统的能量利用率。

(5)   相较于二组元式红外TIR棱镜，提高了投影的对比度。

对于长波红外波段的红外目标模拟器，以ZnS材料为例，其三组元式红外TIR棱镜结构如图4所示。

P1棱镜的斜边倾角θ₀ 可由下式确定：

           QUOTE                                                                            （1）

          QUOTE                                （2）

          QUOTE            （3）

其中n_a=1，为空气折射率，n_ZnS为ZnS折射率，棱镜色散的性质，不同波长的光在棱镜中的折射率相差较大，可取特征波长进行计算。计算得21.49°≤θ₀≤21.81°，这里取       θ₀=21.8°。

P2棱镜斜边倾角可由下式确定：

           QUOTE                                                 （4）

           QUOTE                                           （5）

          QUOTE                           （6）

计算可得 QUOTE  ，为方便加工及装调，这里取 QUOTE  ，形成对称结构。

P3棱镜的两个斜面与相邻P1与P2棱镜的对应斜面平行。

P1棱镜的厚度可由下式确定：

         QUOTE               （7）