专利名称：远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统的制作方法
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IXD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)X18° (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
针对以上技术问题，本发明提供了一种远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统。既实现了大视场、大孔径成像，又实现了较远的出瞳距离，并且满足平显检测仪各项检测的技术要求。本远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统包括七片分离式透镜。七片分离式透镜沿光轴依次排列为第一凸-凹透镜、第二凹-凹透镜、第三凸-凸透镜、第四凹-凹透镜、第五凸-凸非球面透镜、第六凸-凹透镜和第七凹-凸透镜。所述光学系统还包括分划板、勻光板和照明装置，所述分划板和照明装置位于远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统的像平面上。所述分划板为光学玻璃材质，上面刻有网格式度、分读数。所述照明装置的发光器件为LED。所述光学系统的透镜规格如下
第一凸-凹透镜的直径为190mm，曲率半径为240mm，厚度为25. 6mm，采用成都光明 ⑶GM的ZBAF4镜片，或者小原OHARA的BAH22镜片，或者肖特SH的BASF2镜片磨制而成； 第二凹-凹透镜的直径为190mm，曲率半径为-拟9讓，厚度为19mm，采用成都光明CDGM 的H-K9L镜片，或者小原OHARA的S-BSL7镜片，或者肖特SH的BK7镜片磨制而成；
第三凸-凸透镜的直径为M3mm，曲率半径为273mm，厚度为52mm，采用成都光明⑶GM 的H-ZFl镜片，或者小原OHARA的S-TIM22镜片，或者肖特SH的SF2镜片磨制而成；
第四凹-凹透镜的直径为M2mm，曲率半径为-494mm，厚度为14. 6mm，采用成都光明CDGM的H-ZF52A镜片，或者小原OHARA的S-TIH53镜片，或者肖特SH的N-SF57镜片磨制而成；
第五凸-凸非球面透镜的直径为271mm，曲率半径为425mm，厚度为52. 5mm,采用成都光明CDGM的ZBAF3镜片，或者小原OHARA的S-BSM25镜片，或者肖特SH的N-SSK5镜片磨制而成；
第六凸-凹透镜的直径为254mm，曲率半径为211mm，厚度为68mm，采用成都光明⑶GM 的H-KF6镜片，或者小原OHARA的S-NSL36镜片，或者肖特SH的KF6镜片磨制而成；
第七凹-凸透镜的直径为212mm，曲率半径为_151mm，厚度为38mm，采用成都光明⑶GM 的H-KF6镜片，或者小原OHARA的S-NSL36镜片，或者肖特SH的KF6镜片磨制而成。所述远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统视场角大于25°，最大相对孔径范围为1/2. 5 1/3，入瞳直径大于150mm，出瞳直径大于120mm，出瞳距离大于500mm。所述光学系统最大视场角达2 ω =30°，入瞳直径(通光口径)最大=Φ 180mm，出瞳直径最大 =Φ 180mm (与入瞳直径相等)，最大出瞳距离550mm，系统中最大透镜直径为Φ271πιπι。用所述光学系统测量时，在光学系统焦面处放置用LED照明装置照亮的玻璃分划板，所述LED照明装置发出的光线经勻光板后，将点光源或线光源转变为面光源。所述带有度、分网格读数分划板用于测量平显HUD所显示信息是否达到指标要求。因为所述光学系统具有最大2ω=30°的视场角，最大Φ 180mm的出瞳直径，及最大550mm的出瞳距离。并且光学系统出瞳位置、检测人员眼瞳(眼点)的位置、平显器系统出瞳位置三者重合。使得坐于检测仪前模拟飞行员姿态的检测人员的视觉效果和实际飞行中完全一致。检测人员不须移动，不须摆头，就能同时清晰地观测到平显上的全部显示和分划板上全部网格度、分显示。在本系统实际应用中，检测人员双眼所接收的像平面发出的网格度、分分划板信息和平显信息，其能量在2 ω =30°视场内均无光束渐晕，能清晰地读取全部显示。通过叠加的分划板上网格度、分信息和平显HUD信息，测试人员可以比对分划像和平显HUD物像，并精确地进行各种性能测试。本光学系统在486.广656. 3nm可见光波段范围内，即蓝绿色光到红色光范围内， 光学成像质量优秀，充分满足目视观测的要求。用本光学系统与人眼的调制传递函数作进行比较。人眼在良好的对比度与最灵敏波段λ =555nm黄绿光情况下，人眼分辨率为每毫米线对数CYCLES/MM=6. 6时，调制传递函数MTF=O. 1。而本发明在486.广656. 3nm波段，视场 30°时，分辨率为每毫米线对数CYCLES/MM=18时，调制传递函数MTF=O. 13。由此可见，所述光学系统在分辨率和传递函数值上都远高于人眼，精度远远超过人眼观测的极限。本发明在486.广656. 3nm波段范围，在0° 30°视场内最大相对畸变为1. 6%。为了得到更好的边沿视场空间分辨率，又采用光学系统畸变补偿校正方法，理论上可以完全消除畸变的影响。所述的光学系统畸变补偿校正方法包括如下步骤
步骤1 以视场中心为坐标原点，将视场划分为η个区域，其中η > 9 ； 步骤2 测量所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，测算出所述光学系统的畸变值变化曲线；
步骤3 根据畸变值变化曲线，计算出η个区域的分划板弧、分刻度修正值；
步骤4 将修正值输入计算机，由计算机控制制作出放大的消除了畸变的网格式度分上式中K为样本数量，!^,y J为XJj拟合方程计算得到的理想像素坐标值；
步骤9 设定拟合次数为二到九次，得到最终曲线拟合方程F(U),将通过所述光学系统得到测量值，代入所述方程，即可得出修正后的精确值。限于当今PC机运算能力，拟合次数在五到七次时可以在合适的时间内得出满足精度要求的曲线拟合方程。经实验，拟合次数在六次时，是精度和效率的最佳结合点。经实测，半视场士 10° 士 15°情况下，补偿后空间分辨率(网格度、分分划板读数精度1’。通过上述采用理论计算与图像处理相结合的光学系统畸变补偿校正技术方法，所获得的补偿校正畸变精度高而且十分可靠，通过实施已证明此方法可以推广应用，尤其是适合于大视场测量光学系统畸变的补偿校正。综上，本发明系统所达到指标远超于所要检测的平显HUD，采用本发明的光学系统作为平显HUD检测的对照光学系统是很完善的，能充分满足平显HUD检测要求。
权利要求
1.远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于所述远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统包括七片分离式透镜，七片分离式透镜沿光轴依次排列为第一凸-凹透镜(1)、第二凹-凹透镜(2)、第三凸-凸透镜(3)、第四凹-凹透镜(4)、第五凸-凸非球面透镜(5)、第六凸-凹透镜(6)和第七凹-凸透镜(7)。
2.如权利要求1所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于 第一凸-凹透镜(1)采用成都光明⑶GM的ZBAF4镜片，或者小原OHARA的BAH22镜片，或者肖特SH的BASF2镜片磨制而成；第二凹-凹透镜(2)采用成都光明⑶GM的H-K9L镜片，或者小原OHARA的S-BSL7镜片，或者肖特SH的BK7镜片磨制而成；第三凸-凸透镜(3)采用成都光明⑶GM的H-ZFl镜片，或者小原OHARA的S-TIM22镜片，或者肖特SH的SF2镜片磨制而成；第四凹-凹透镜(4)采用成都光明⑶GM的H-ZF52A镜片，或者小原OHARA的S-TIH53 镜片，或者肖特SH的N-SF57镜片磨制而成；第五凸-凸非球面透镜(5)采用成都光明⑶GM的ZBAF3镜片，或者小原OHARA的 S-BSM25镜片，或者肖特SH的N-SSK5镜片磨制而成；第六凸-凹透镜(6)采用成都光明⑶GM的H-KF6镜片，或者小原OHARA的S-NSL36镜片，或者肖特SH的KF6镜片磨制而成；第七凹-凸透镜(7)采用成都光明⑶GM的H-KF6镜片，或者小原OHARA的S-NSL36镜片，或者肖特SH的KF6镜片磨制而成。
3.如权利要求2所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于 第一凸-凹透镜(1)的直径为190mm，曲率半径为MOmm，厚度为25. 6mm ； 第二凹-凹透镜(2)的直径为190mm，曲率半径为-^9mm，厚度为19mm ；第三凸-凸透镜(3)的直径为243mm，曲率半径为273mm，厚度为52mm ； 第四凹-凹透镜(4)的直径为M2mm，曲率半径为_494mm，厚度为14. 6mm ； 第五凸-凸非球面透镜(5)的直径为271mm，曲率半径为425mm，厚度为52. 5mm ； 第六凸-凹透镜(6)的直径为254mm，曲率半径为211mm，厚度为68mm ； 第七凹-凸透镜(7)的直径为212mm，曲率半径为_151mm，厚度为38mm。
4.如权利要求3所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于所述远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统视场角2 ω大于25°，最大相对孔径范围为 1/2. 5 1/3，入瞳直径大于150mm，出瞳直径大于120mm，出瞳距离大于500mm。
5.如权利要求4所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于还包括分划板、勻光板和照明装置，所述分划板和照明装置位于远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统的像平面(8)上。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，其特征在于视场角2 ω =30°，入瞳直径Φ入=出瞳直径Φ出=Φ 180mm，出瞳距离 =550mm，所述光学系统出瞳位置与检测人员眼瞳的位置、平显器系统出瞳位置三者重合。
7.—种在远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统中应用的光学系统畸变补偿校正方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 以视场中心为坐标原点，将视场划分为η个区域，其中η > 9 ；上式中κ为样本数量， 义、拟合方程计算得到的理想像素坐标值；步骤9 设定拟合次数为二到九次，得到最终曲线拟合方程F(X5J),将通过所述光学系统得到测量值，代入所述方程，即可得出修正后的精确值。步骤2 测量所述的远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，测算出所述光学系统的畸变值变化曲线；步骤3 根据畸变值变化曲线，计算出η个区域的分划板弧、分刻度修正值； 步骤4 将修正值输入计算机，由计算机控制制作出放大的消除了畸变的网格式度分格值的分划板图形；使用大规模印刷线路板制作工艺，做出交付使用的无畸变网格式度分分划板。
8.如权利要求6所述的光学系统畸变补偿校正方法，其特征在于在所述步骤4后，后续有如下步骤步骤5 沿光轴依次排列无畸变网格式度分分划板、远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统、经纬仪、缩小投影系统、CCD相机；步骤6 分别用i，j (i=l、2……m，j=l、2……k)标定无畸变网格式度分分划板对X轴方向、Y轴方向每一个小方形交点，并用CCD相机拍照，得出实际像素坐标(x，y)；步骤7:将理论计算得出的理想像素坐标( ，y0)和实际像素坐标(X，y) 逐个输入MATLAB软件，用MATLAB画出X-X0, y~y0图像，进行函数拟合，得到理想像素坐标相对于实际图像像素坐标的函数关系；步骤8 设拟合方程为x0,y0 = F(x,y),则拟合残差标准差R可表示为
全文摘要
本发明为一种远距离特大出瞳直径透镜式检测仪光学系统，包括七片分离式透镜，七片分离式透镜沿光轴依次排列为第一凸-凹透镜、第二凹-凹透镜、第三凸-凸透镜、第四凹-凹透镜、第五凸-凸非球面透镜、第六凸-凹透镜和第七凹-凸透镜。本光学系统特点是大视场、大孔径、大口径、长焦距、高分辨率，并全系统采用国产普通光学玻璃，在拥有较低造价的同时，性能远超国内外同类系统。
文档编号G02B27/00GK102243373SQ201110173089
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者周子元, 周必方, 孙后环, 李民益, 潘颖, 蒋筱如, 蔡黎明 申请人:南京工业大学, 南京英田光学工程有限公司, 周子元, 周必方, 孙后环