[发明专利]远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其是一种远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统。

 

背景技术

在飞机发明初期，飞行员只能通过外界景物参考来判定飞机姿态。为了突破天气对飞行的局限，人们发明了飞行仪表。通过仪表，飞行员可以了解大量有用的飞行信息。但仪表座舱的最大局限在于：飞行员不能同时获得多种信息。飞行中，飞行员必须迅速地在不同的仪表间转移视线，以获得尽可能多的信息。由于仪表提供的信息在数量和准确性上的不足，使仪表飞行存在局限性。这些局限性在某些情况会导致飞行员作出错误的判断，也就是常说的错觉，而错觉将直接导致错误操纵，直接酿成事故。平视显示器HUD(heads-up display)的出现解决了上述问题，机载计算机设备把参数信息反映到显控计算机,显控计算机控制阴极射线管CRT或液晶LCD，阴极射线管CRT或液晶LCD产生的图像入射到全息显示屏上，以点划方式向飞行员提供实时数据。平显实现了在一个显示界面同时显示大量信息，飞行员在飞行中不用转移视线，就可以同时获得飞机姿态、高度、速度等信息，信息的数量和准确性大大提高。在战机中，平视显示器为飞行员提供飞行、导航和武器瞄准等信息。依靠雷达、微光电视和前视红外传感器产生的外界图像，使战机飞行员能不分昼夜地在恶劣气象条件下深入战区。

平视显示器的主要参数包括视场角、分辨率、显示亮度和外界透过率。其中视场角是个非常重要的的参数，因为飞行员姿态是以他能最好地驾驶飞机为依据，这些依据包括他的感官舒适度、仪表和控制装置的便利程度、外景的可见度等。飞行员往往通过升高或降低座位，来达到一个合适的位置，这个位置因飞行员的体格不同而存在着差异。更重要的是，在飞行中，飞行员需要移动头部，因此存在一个叫做头部活动范围的空间，头部活动范围内包括了飞行员观察平显时的所有头部位置。由头部活动范围，结合微光电视和前视红外传感器的视场角，可以确定平显的视场角至少为30°（方位）×18°（俯仰）。

平视显示器一般由电子组件EU和飞行员显示组件PDU（Pilot Display Unit）组成。PDU是由包括若干片透镜的中继透镜、折转反射镜、曲面组合玻璃组成的复杂的光学系统，其中包含了球面透镜、柱面透镜、旋转非球面透镜和非旋转对称非球面透镜。

在飞行员显示组件PDU光学设计中，要求尽可能消除以下误差：

·图像几何误差。这些误差包括瞄准误差，双目垂直角差（在双眼之间垂直瞄准的差异）和双目会聚度。瞄准误差确定了向飞行员显示的图像位置的精确性，会聚度代表图像散焦。如果散焦太大，会导致飞行员不能将平显显示的图像和外部景物视图合并起来。如果双目垂直角差和负会聚度太大，会导致严重的眼疲劳，降低飞行员的工作效率。

·全息图上每条主光线的布拉格角的偏差。

·中继透镜的不同几何制约因素。包括透镜边缘厚度、最后的图像位置、图像尺寸、透镜直径、透镜整体位置等因素。

·对全息图色象差影响的控制。控制中继透镜两条边缘光线的交叉点，使得全息图的衍射角接近入射角。

对飞行员显示组件PDU中重要部件——组合玻璃，要求有如下光学性能：

·必须尽量减少全息图上产生的色彩象差；

·全息图的几何成像和中继透镜的几何成像相互影响，因此，记录波前的设计必须和中继透镜的设计一致；

·全息图的视觉透射率和反射显示图像的反射率必须很高；

·显示图像的亮度变化应尽量小，视场内各个部位的所有视场角的图像均应如此；透过全息图的非衍射波长的光线色彩的变化应尽量小；

·通过全息组合玻璃看见的实际景物的可见几何位移必须保持在最小；

·显示器的重像应最少，要求尽量减少全息图的二次反射，还要求全息图基片涂有性能极好的增透膜；

·闪烁应最少，要求尽量减少全息图的二次透射。

从以上光学性能要求可以看出。平视显示器的飞行员显示组件PDU对精度、像差、折射率、透射率、发射率都有极高的要求。对平视显示器进行检测的系统，需要在飞行员实际操作时的视场角内，对平视显示器特别是飞行员显示组件PDU的各项光学性能进行测试。这种检测设备被称为平显检测仪。从传统的经典光学设计思路出发，在大出瞳距离、大出瞳直径、大视场条件下能实现对平视显示器和PDU组件进行检测的平显检测仪，被认为是不可能的。而平显检测仪中的关键部件是光学系统。

发明内容