专利名称：夜视头盔显示器折/衍混合光学系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种体积小、重量轻、大视场红外夜视型头盔显示器折/衍混合光学系统。
背景技术：
红外夜视型头盔显示器提供的信息，使驾驶员在夜视环境下对周围态势感知能力大大加强，使飞机员具备全天候作战能力。红外夜视型头盔显示器采用了红外热成像技术，其独特性能是可进行“全被动”式观察。由于红外热成像的工作方式是完全被动的，它既克服了主动红外夜视依靠人工红外光源工作以及由此而产生的易暴露的弱点，又克服了微光夜视成像效果完全依赖夜光强弱以及无光不能成像的弱点，同时能在全黑条件下工作，所以十分隐蔽，既不易被对方发现， 又不易受对方干扰。由此，近年来正越来越多地受到各国军队的高度重视，用于此项技术的投资正在逐年增加，使红外热成像成为今后重点发展的一项夜视技术。红外热成像近期虽然还没有像微光夜视系统那样大量装备部队，但它代表着夜视技术的发展方向。目前装备部队的主要是第二代红外热像仪，采用红外C⑶凝视列阵器件。与此同时，正研究的热释电红外探测器(钛酸緦钡阵列)，是非致冷的红外探测器。由于其去掉了致冷设备和相关电源，便可以减轻整机重量，逐步实现小型化，从而为红外夜视头盔显示器研制提供了器件保障。光学成像系统是头盔显示器的重要组成部分，它不仅直接影响头盔显示器的成像质量，也决定着头盔显示器的体积和重量。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，在机载昼夜头盔显示器中应用二元光学技术，能够使系统光学部分尽可能地小型化、轻型化，从而使整体系统更加“小”和“轻”。本实用新型的技术方案如下—种夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，包括头盔体，其特征在于所述头盔体的左侧壁上设有保护窗，所述保护窗的内侧沿着光路方向依次设有聚焦透镜、单凹透镜和折/衍混合透镜，所述头盔体的右侧内壁为光电转换面，朝向光电转换面的折/衍混合透镜的一侧表面为二元衍射面。所述的夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，其特征在于所述的聚焦透镜、单凹透镜和折/衍混合透镜均采用红外光学材料制成。所述的夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，其特征在于所述的光电转换面外接显示器。相比于折射透镜，本实用新型的特性可以归纳如下1)体积小，重量轻，易于复制。[0012]2)衍射效率高对于8台阶结构其衍射效率可达到94. 9%。3)独特的色散特性二元光学元件的色散特性和一般折射透镜的色散特性相反， 因此与一般折射型透镜组合成混合光学系统可校正色差和平衡高级像差。4)独特的热系数二元光学元件的热系数只与基底材料的热膨胀系数有关，因此可以利用衍射面消色差的同时通过合理分配折射元件的光焦度消热差。5)更多的设计自由度与传统折射光学系统相比，二元光学元件的设计可通过调节波带片的位置，浮雕的槽深、槽宽及槽形结构产生任意波面。6)材料选择的宽广性二元光学元件是将二元浮雕面形转移到玻璃、电介质或金属基底上得到的，其色散特性与基底材料无关，因而可取代在某些特定波段上有特殊光学性能或很贵重的材料(如某些红外材料)，使成本降低。7)特殊的光学性能可产生一般光学元件难于实现的光学波面、非球面、环状面、 锥面和镯面等，可集成得到多功能元件，使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性。在促进小型化、阵列化、集成化方面具有很大的意义。本实用新型的有益效果本实用新型体积小、重量轻、视场宽、不受红外材料限制，且成本低，尤其重要的是满足了机载夜视头盔显示器对光学系统的要求。
图1为本实用新型结构示意图，图中直线表示光线。图2为本实用新型的调制传递函数曲线。图3为本实用新型的场曲和畸变曲线。图4为本实用新型消热差光学系统的零视场MTF。
具体实施方式
参见图1，一种夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，包括头盔体1，头盔体1的左侧壁上设有保护窗2，保护窗2的内侧沿着光路方向依次设有聚焦透镜3、单凹透镜4和折/ 衍混合透镜5，头盔体1的右侧内壁为光电转换面6，朝向光电转换面6的折/衍混合透镜 5的一侧表面为二元衍射面。聚焦透镜3、单凹透镜4和折/衍混合透镜5均采用红外光学材料制成。光电转换面6外接显示器。
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明头盔瞄准/显示系统为满足佩戴者安全和舒适要求，应具有体积小、重量轻的特点，因此红外成像系统的核心焦平面探测器应采用非制冷型，其性能是设计红外物镜必不可少的原始参数，为使非制冷探测器焦平面有足够的照度，红外成像系统应具有尽可能大的相对孔径。这是因为，对远方目标成像时，像面中心照度与相对孔径平方成正比。选择大视场的红外物镜可增加信息获得，适合人眼舒适要求；再考虑到成本以及国内红外焦平面探测器的发展状况，选择了如表1所示的红外成像系统的设计性能指标，由于红外材料折射率温度变化系数dn/dT值较大，比可见光材料要大一个或两个数量级，因此环境温度的变化对红外光学系统成像质量的影响非常显著，应采用消热差设计。同时考虑红外材料的吸收， 还应使系统的结构尽量简单。因此，设计时选择一种大视场、大相对孔径的库克三片型物镜作为初始结构，其视场为50°，相对孔径为1.0，利用衍射光学元件独特的负色散系数和热系数实现系统无热差设计，同时平衡系统高级像差。由于系统大的视场、大的相对孔径，轴外像差难以控制，若在设计中仅考虑轴上视场，轴上点传函可以设计得更高，但轴外点传函下降很快。为改善边缘视场的像质，考虑在系统中引入一定的渐晕，优化时令系统保留约5% 的桶形畸变，对系统各面曲率半径、间隔、光栏位置和二元面变量等参数进行优化，优化后的折/衍混合红外成像系统结构如图1所示，除保护窗外，系统含有3片镜，从像面数第1 片镜中靠近像面一侧的表面为二元衍射面。系统总长为45. 3mm，含保护窗的总重量为45g， 其调制传递函数(MTF)如图2所示，从图中可以看出，轴上视场和中间视场及边缘视场的调制传递函数都很好地满足设计要求。表明引入渐晕改善了轴外视场的成像特性，中间视场与边缘视场的调制传递函数在空间频率为101p/mm时均大于0. 4。图3给出了该折/衍混合红外成像系统的像差特性曲线，畸变最大为-7. 2 %，场曲小于0. 2mm。图4显示了该红外物镜在-20°C-+60°C温度范围内调制传递函数(MTF)具有比较好的稳定性。另外，该红外成像系统垂轴色差小于12 μ m。所以该红外成像系统满足设计指标的要求，结构紧凑、重量轻，具有良好成像质量。表1本实用新型技术指标数据表 ParametersSpecification
权利要求1.一种夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，包括头盔体，其特征在于所述头盔体的左侧壁上设有保护窗，所述保护窗的内侧沿着光路方向依次设有聚焦透镜、单凹透镜和折/ 衍混合透镜，所述头盔体的右侧内壁为光电转换面，朝向光电转换面的折/衍混合透镜的一侧表面为二元衍射面。
2.根据权利要求1所述的夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，其特征在于所述的聚焦透镜、单凹透镜和折/衍混合透镜均采用红外光学材料制成。
3.根据权利要求1所述的夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，其特征在于所述的光电转换面外接显示器。
专利摘要本实用新型公开了一种夜视头盔显示器折/衍混合光学系统，包括头盔体，头盔体的左侧壁上设有保护窗，保护窗的内侧沿着光路方向依次设有聚焦透镜、单凹透镜和折/衍混合透镜，头盔体的右侧内壁为光电转换面，朝向光电转换面的折/衍混合透镜的一侧表面为二元衍射面。本实用新型体积小、重量轻、视场宽、不受红外材料限制，且成本低，尤其重要的是满足了机载夜视头盔显示器对光学系统的要求。
文档编号G02B27/00GK202013450SQ20112008843
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者杨新军 申请人:中航华东光电有限公司