基于双DMD像素融合的红外场景投影器超高动态投影技术研究

The frame rate and dynamic range of digital micromirror device (DMD) based infrared scene projector (IRSP) are restricted seriously by traditional pulse width modulation (PWM), which makes the DMD based IRSP can’t be applied to the hard-ware-in-the-loop simulation test of high-performance infrared imaging system. To solve this problem, we intend to develop the research on ultra-high dynamic projecting technology based on two-DMD pixel fusion. The research contents are as follows: using two DMDs to compose a ternary scene generation module, a new grayscale modulation mode is built on the basis of optimizing PWM time series; a method of suppressing stray light caused by DMD diffraction effect is presented to improve the stability of the new grayscale modulation mode and the contrast of projected image; an experimental platform is built, then the frame rate and dynamic range of ultra-high dynamic IRSP are tested to evaluate the reliability of the new grayscale modulation mode. The new grayscale modulation mode proposed in this project reduces the number of bit plane decomposition while compressing the PWM basal time, which significantly improves the grayscale modulation efficiency of high dynamic images, and makes the DMD based IRSP realize the ultra-high dynamic projection on the premise of ensuring high frame rate.

传统脉冲宽度调制（PWM）模式严重制约DMD型红外场景投影器（IRSP）的帧频和动态范围，造成DMD型IRSP无法应用于高性能红外成像系统的半实物仿真测试。针对此问题，本项目拟开展基于双DMD像素融合的IRSP超高动态投影技术研究。具体研究内容包括：在优化PWM时序的基础上，利用双DMD组成三进制景象生成模块，建立基于像素融合的全新灰度调制模式；为提高新灰度调制模式的稳定性及投影图像对比度，提出DMD衍射效应引起的杂散光抑制方法；为评估新型灰度调制模式的可靠性，搭建实验平台，检测超高动态红外投影的帧频和动态范围。本项目提出的全新灰度调制模式，在压缩PWM基底时间的同时，减少了高动态图像的位平面分解个数，显著提升灰度调制效率，进而在保证高帧频和原分辨率的前提下，实现DMD型IRSP的超高动态投影。本项目开辟了DMD动态范围扩展的新思路，对推动我国红外成像系统半实物仿真测试的发展有重要作用。

红外场景投影器（Infrared Scene Projector, IRSP）可在实验室环境中为红外成像系统提供与真实场景红外辐射特征一致的仿真场景和目标，是部分外场测试的有效替代方法。近年随着红外焦平面阵列的不断成熟，部分高性能红外成像系统已在100Hz帧频下，将动态范围扩展至14 bits以上，因此IRSP必须投影出更高帧频和更大动态范围的红外场景图像才能满足测试需求。在IRSP中，红外景象生成器件用于生成红外场景图像，决定了系统的帧频、动态范围、分辨率、工作波段等。国外红外景象生成器件相对成熟，但除数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）外，其余均对华出口限制，而国内自主研发的器件目前还不足以支撑工程应用，这使得国内目前只能选取DMD用于高性能IRSP的设计。但DMD的脉宽调制技术使投影帧频和动态范围间形成制约，目前的DMD型IRSP只能在100Hz下，投影8 bits灰度图像，无法满足高性能红外成像系统的测试需求。针对此问题，本项目对基于DMD的超高动态投影显示方法展开研究，以解决投影帧频和动态范围间的矛盾。通过图像配准光学性地重叠两DMD的调制层，并同步控制两DMD以构建三进制景象生成模块，引入三进制位平面分解算法，减少位平面分解个数；优化脉宽调制时序，压缩基底时间，提高调制效率；研究微镜闪耀态、平态的衍射场能量分布，通过合理的光学引擎设计避免衍射杂光影响投影图像质量；研究基于双DMD的全新投影光学引擎设计方法，完成了双通道、共口径投影器的光机设计、加工及装调；对投影图像的帧频和动态范围进行测试，验证超高动态投影显示的可行性。该研究成果突破了DMD传统脉宽调制技术的桎梏，开辟了DMD型投影系统动态范围扩展的新思路，鉴于DMD在国内IRSP研发中无可替代的地位，解决这一问题对推动我国光学半实物仿真测试的发展有至关重要的作用。