作为半实物仿真实验系统的核心部件,红外目标场景仿真器主要是为半实物仿真系统提供动态的红外目标和背景环境,满足仿真实验所需要的场景条件需求。目前几种典型的红外目标仿真技术包括液晶光阀、红外CRT、激光二极管、电阻阵列和DMD等技术。相较于其它红外目标仿真技术,DMD型红外目标场景仿真器以其良好的性能和较低的成本优势而得到了比较深入的应用研究。本文通过调研DMD型红外目标场景仿真器发展现状,针对DMD型红外目标场景仿真器在实际应用中存在的问题,展开深入研究与具体分析。DMD芯片是由美国德州仪器(TI)公司于1987年发明的反射式空间光调制器,并被广泛应用于DLP投影显示,高清影院,光谱成像以及光刻等诸多领域。目前TI公司生产的DMD芯片工作波段为320~2500nm,其光学窗口的光谱透过率截止波长为2700nm。因此DMD应用于3~5μm和8~12μm波段时,需要对其表面的光学窗口进行更换,以保证DMD能在中波和长波红外波段正常工作。本论文选用Zn Se红外材料作为DMD光学窗口,首先对Zn Se窗口玻璃进行镀膜处理,镀膜完成后的Zn Se光学窗口在3~5μm波段的光谱透过率高于95%,在8~12μm波段的光谱透过率高于80%,然后针对DMD微镜片更换过程中要求的严苛环境和精细操作,依托实验室微纳加工工艺,完成了DMD芯片光学窗口的无损更换。经过实验测试,更换窗口后的DMD芯片可正常应用于3~5μm和8~12μm波段。DMD器件应用于红外波段时,DMD微镜片的衍射效应会引起系统成像对比度下降,并且随着入射波长的增大,衍射效应越来越显著。当其应用于8~12μm波段时,衍射效应造成系统对比度严重下降,使得DMD型红外目标场景仿真器成像性能无法满足仿真需求。为降低DMD微镜片的衍射效应,提高系统成像对比度,本文根据微镜片工作原理和结构特性,建立DMD微镜片二维衍射光栅衍射模型,利用标量衍射理论与矢量衍射理论仿真分析DMD微镜片在红外波段的衍射特性。首先利用标量衍射模型仿真计算得出:在3~5μm波段,照明光束以28°角度入射时,DMD型红外目标场景仿真器成像对比度最好。然后利用矢量衍射模型仿真计算在8~12μm波段,光束偏振态对DMD衍射光强分布影响,由仿真结果得出结论:在8~12μm波段,照明光束以TM线偏振光入射,入射角调整为48°,能明显降低衍射效应对DMD型目标场景仿真器成像对比度影响。为测量验证不同光束入射角和偏振态下DMD衍射特性,首先搭建DMD衍射特性测量系统,验证分析在8~12μm波段,DMD矢量衍射模型的正确性。然后结合系统成像质量因素的分析,定量测量分析DMD微镜片衍射效应和微镜片以及投影镜头自发辐射对系统成像对比度的影响。最后根据DMD衍射特性实验分析结果,对改进的DMD型红外目标场景仿真器成像对比度进行实验验证。由实验测量分析可知:在8~12μm波段,照明光束为TM线偏振光,光束以48°角度入射时,微镜片衍射效应对DMD型目标场景仿真器系统影响最小,系统成像对比度最好。研制了DMD型长波红外目标场景仿真器,首先根据DMD衍射模型的仿真计算和实验测量结果,设计相应的照明和投影光学系统,通过照明和投影光路空间结构的合理布局以及光束特性的调制,降低DMD衍射效应对系统成像质量的影响,提高系统对比度。其中照明光路选用直接照明的结构设计,既能使系统具有较高的光能利用率,又减小系统结构长度;投影镜头选用远心光路设计,保证了投影系统与照明系统的光瞳匹配和实现系统出射平行光。然后对研制的样机进行成像性能测试,经实验测量验证,在8~12μm波段,系统成像对比度为0.85左右,成像性能良好,可为半实物仿真系统提供高质量的长波红外目标场景条件。