專利名稱：遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學系統，尤其是一種遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統。
背景技術：
在飛機發(fā)明初期，飛行員只能通過外界景物參考來判定飛機姿態(tài)。為了突破天氣對飛行的局限，人們發(fā)明了飛行儀表。通過儀表，飛行員可以了解大量有用的飛行信息。但儀表座艙的最大局限在于飛行員不能同時獲得多種信息。飛行中，飛行員必須迅速地在不同的儀表間轉移視線，以獲得盡可能多的信息。由于儀表提供的信息在數量和準確性上的不足，使儀表飛行存在局限性。這些局限性在某些情況會導致飛行員作出錯誤的判斷，也就是常說的錯覺，而錯覺將直接導致錯誤操縱，直接釀成事故。平視顯示器HUD (heads-up display)的出現解決了上述問題，機載計算機設備把參數信息反映到顯控計算機，顯控計算機控制陰極射線管CRT或液晶LCD，陰極射線管CRT或液晶IXD產生的圖像入射到全息顯示屏上，以點劃方式向飛行員提供實時數據。平顯實現了在一個顯示界面同時顯示大量信息，飛行員在飛行中不用轉移視線，就可以同時獲得飛機姿態(tài)、高度、速度等信息，信息的數量和準確性大大提高。在戰(zhàn)機中，平視顯示器為飛行員提供飛行、導航和武器瞄準等信息。 依靠雷達、微光電視和前視紅外傳感器產生的外界圖像，使戰(zhàn)機飛行員能不分晝夜地在惡劣氣象條件下深入戰(zhàn)區(qū)。平視顯示器的主要參數包括視場角、分辨率、顯示亮度和外界透過率。其中視場角是個非常重要的的參數，因為飛行員姿態(tài)是以他能最好地駕駛飛機為依據，這些依據包括他的感官舒適度、儀表和控制裝置的便利程度、外景的可見度等。飛行員往往通過升高或降低座位，來達到一個合適的位置，這個位置因飛行員的體格不同而存在著差異。更重要的是，在飛行中，飛行員需要移動頭部，因此存在一個叫做頭部活動范圍的空間，頭部活動范圍內包括了飛行員觀察平顯時的所有頭部位置。由頭部活動范圍，結合微光電視和前視紅外傳感器的視場角，可以確定平顯的視場角至少為30° (方位)X18° (俯仰)。平視顯示器一般由電子組件EU和飛行員顯示組件PDU (Pilot Display Unit)組成。PDU是由包括若干片透鏡的中繼透鏡、折轉反射鏡、曲面組合玻璃組成的復雜的光學系統，其中包含了球面透鏡、柱面透鏡、旋轉非球面透鏡和非旋轉對稱非球面透鏡。在飛行員顯示組件PDU光學設計中，要求盡可能消除以下誤差
圖像幾何誤差。這些誤差包括瞄準誤差，雙目垂直角差(在雙眼之間垂直瞄準的差異) 和雙目會聚度。瞄準誤差確定了向飛行員顯示的圖像位置的精確性，會聚度代表圖像散焦。 如果散焦太大，會導致飛行員不能將平顯顯示的圖像和外部景物視圖合并起來。如果雙目垂直角差和負會聚度太大，會導致嚴重的眼疲勞，降低飛行員的工作效率。·全息圖上每條主光線的布拉格角的偏差。 中繼透鏡的不同幾何制約因素。包括透鏡邊緣厚度、最后的圖像位置、圖像尺寸、透鏡直徑、透鏡整體位置等因素。 對全息圖色象差影響的控制?？刂浦欣^透鏡兩條邊緣光線的交叉點，使得全息圖的衍射角接近入射角。對飛行員顯示組件PDU中重要部件——組合玻璃，要求有如下光學性能 必須盡量減少全息圖上產生的色彩象差；
全息圖的幾何成像和中繼透鏡的幾何成像相互影響，因此，記錄波前的設計必須和中繼透鏡的設計一致；
全息圖的視覺透射率和反射顯示圖像的反射率必須很高；
顯示圖像的亮度變化應盡量小，視場內各個部位的所有視場角的圖像均應如此；透過全息圖的非衍射波長的光線色彩的變化應盡量小；
通過全息組合玻璃看見的實際景物的可見幾何位移必須保持在最小； 顯示器的重像應最少，要求盡量減少全息圖的二次反射，還要求全息圖基片涂有性能極好的增透膜；
閃爍應最少，要求盡量減少全息圖的二次透射。從以上光學性能要求可以看出。平視顯示器的飛行員顯示組件PDU對精度、像差、 折射率、透射率、發(fā)射率都有極高的要求。對平視顯示器進行檢測的系統，需要在飛行員實際操作時的視場角內，對平視顯示器特別是飛行員顯示組件PDU的各項光學性能進行測試。這種檢測設備被稱為平顯檢測儀。從傳統的經典光學設計思路出發(fā)，在大出瞳距離、大出瞳直徑、大視場條件下能實現對平視顯示器和PDU組件進行檢測的平顯檢測儀，被認為是不可能的。而平顯檢測儀中的關鍵部件是光學系統。

發(fā)明內容
針對以上技術問題，本發(fā)明提供了一種遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統。既實現了大視場、大孔徑成像，又實現了較遠的出瞳距離，并且滿足平顯檢測儀各項檢測的技術要求。本遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統包括七片分離式透鏡。七片分離式透鏡沿光軸依次排列為第一凸-凹透鏡、第二凹-凹透鏡、第三凸-凸透鏡、第四凹-凹透鏡、第五凸-凸非球面透鏡、第六凸-凹透鏡和第七凹-凸透鏡。所述光學系統還包括分劃板、勻光板和照明裝置，所述分劃板和照明裝置位于遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統的像平面上。所述分劃板為光學玻璃材質，上面刻有網格式度、分讀數。所述照明裝置的發(fā)光器件為LED。所述光學系統的透鏡規(guī)格如下
第一凸-凹透鏡的直徑為190mm，曲率半徑為240mm，厚度為25. 6mm，采用成都光明 ⑶GM的ZBAF4鏡片，或者小原OHARA的BAH22鏡片，或者肖特SH的BASF2鏡片磨制而成； 第二凹-凹透鏡的直徑為190mm，曲率半徑為-擬9讓，厚度為19mm，采用成都光明CDGM 的H-K9L鏡片，或者小原OHARA的S-BSL7鏡片，或者肖特SH的BK7鏡片磨制而成；
第三凸-凸透鏡的直徑為M3mm，曲率半徑為273mm，厚度為52mm，采用成都光明⑶GM 的H-ZFl鏡片，或者小原OHARA的S-TIM22鏡片，或者肖特SH的SF2鏡片磨制而成；
第四凹-凹透鏡的直徑為M2mm，曲率半徑為-494mm，厚度為14. 6mm，采用成都光明CDGM的H-ZF52A鏡片，或者小原OHARA的S-TIH53鏡片，或者肖特SH的N-SF57鏡片磨制而成；
第五凸-凸非球面透鏡的直徑為271mm，曲率半徑為425mm，厚度為52. 5mm,采用成都光明CDGM的ZBAF3鏡片，或者小原OHARA的S-BSM25鏡片，或者肖特SH的N-SSK5鏡片磨制而成；
第六凸-凹透鏡的直徑為254mm，曲率半徑為211mm，厚度為68mm，采用成都光明⑶GM 的H-KF6鏡片，或者小原OHARA的S-NSL36鏡片，或者肖特SH的KF6鏡片磨制而成；
第七凹-凸透鏡的直徑為212mm，曲率半徑為_151mm，厚度為38mm，采用成都光明⑶GM 的H-KF6鏡片，或者小原OHARA的S-NSL36鏡片，或者肖特SH的KF6鏡片磨制而成。所述遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統視場角大于25°，最大相對孔徑范圍為1/2. 5 1/3，入瞳直徑大于150mm，出瞳直徑大于120mm，出瞳距離大于500mm。所述光學系統最大視場角達2 ω =30°，入瞳直徑(通光口徑)最大=Φ 180mm，出瞳直徑最大 =Φ 180mm (與入瞳直徑相等)，最大出瞳距離550mm，系統中最大透鏡直徑為Φ271πιπι。用所述光學系統測量時，在光學系統焦面處放置用LED照明裝置照亮的玻璃分劃板，所述LED照明裝置發(fā)出的光線經勻光板后，將點光源或線光源轉變?yōu)槊婀庠?。所述帶有度、分網格讀數分劃板用于測量平顯HUD所顯示信息是否達到指標要求。因為所述光學系統具有最大2ω=30°的視場角，最大Φ 180mm的出瞳直徑，及最大550mm的出瞳距離。并且光學系統出瞳位置、檢測人員眼瞳(眼點)的位置、平顯器系統出瞳位置三者重合。使得坐于檢測儀前模擬飛行員姿態(tài)的檢測人員的視覺效果和實際飛行中完全一致。檢測人員不須移動，不須擺頭，就能同時清晰地觀測到平顯上的全部顯示和分劃板上全部網格度、分顯示。在本系統實際應用中，檢測人員雙眼所接收的像平面發(fā)出的網格度、分分劃板信息和平顯信息，其能量在2 ω =30°視場內均無光束漸暈，能清晰地讀取全部顯示。通過疊加的分劃板上網格度、分信息和平顯HUD信息，測試人員可以比對分劃像和平顯HUD物像，并精確地進行各種性能測試。本光學系統在486.廣656. 3nm可見光波段范圍內，即藍綠色光到紅色光范圍內， 光學成像質量優(yōu)秀，充分滿足目視觀測的要求。用本光學系統與人眼的調制傳遞函數作進行比較。人眼在良好的對比度與最靈敏波段λ =555nm黃綠光情況下，人眼分辨率為每毫米線對數CYCLES/MM=6. 6時，調制傳遞函數MTF=O. 1。而本發(fā)明在486.廣656. 3nm波段，視場 30°時，分辨率為每毫米線對數CYCLES/MM=18時，調制傳遞函數MTF=O. 13。由此可見，所述光學系統在分辨率和傳遞函數值上都遠高于人眼，精度遠遠超過人眼觀測的極限。本發(fā)明在486.廣656. 3nm波段范圍，在0° 30°視場內最大相對畸變?yōu)?. 6%。為了得到更好的邊沿視場空間分辨率，又采用光學系統畸變補償校正方法，理論上可以完全消除畸變的影響。所述的光學系統畸變補償校正方法包括如下步驟
步驟1 以視場中心為坐標原點，將視場劃分為η個區(qū)域，其中η > 9 ； 步驟2 測量所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，測算出所述光學系統的畸變值變化曲線；
步驟3 根據畸變值變化曲線，計算出η個區(qū)域的分劃板弧、分刻度修正值；
步驟4 將修正值輸入計算機，由計算機控制制作出放大的消除了畸變的網格式度分上式中K為樣本數量，!^,y J為XJj擬合方程計算得到的理想像素坐標值；
步驟9 設定擬合次數為二到九次，得到最終曲線擬合方程F(U),將通過所述光學系統得到測量值，代入所述方程，即可得出修正后的精確值。限于當今PC機運算能力，擬合次數在五到七次時可以在合適的時間內得出滿足精度要求的曲線擬合方程。經實驗，擬合次數在六次時，是精度和效率的最佳結合點。經實測，半視場士 10° 士 15°情況下，補償后空間分辨率(網格度、分分劃板讀數精度1’。通過上述采用理論計算與圖像處理相結合的光學系統畸變補償校正技術方法，所獲得的補償校正畸變精度高而且十分可靠，通過實施已證明此方法可以推廣應用，尤其是適合于大視場測量光學系統畸變的補償校正。綜上，本發(fā)明系統所達到指標遠超于所要檢測的平顯HUD，采用本發(fā)明的光學系統作為平顯HUD檢測的對照光學系統是很完善的，能充分滿足平顯HUD檢測要求。
權利要求
1.遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于所述遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統包括七片分離式透鏡，七片分離式透鏡沿光軸依次排列為第一凸-凹透鏡(1)、第二凹-凹透鏡(2)、第三凸-凸透鏡(3)、第四凹-凹透鏡(4)、第五凸-凸非球面透鏡(5)、第六凸-凹透鏡(6)和第七凹-凸透鏡(7)。
2.如權利要求1所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于 第一凸-凹透鏡(1)采用成都光明⑶GM的ZBAF4鏡片，或者小原OHARA的BAH22鏡片，或者肖特SH的BASF2鏡片磨制而成；第二凹-凹透鏡(2)采用成都光明⑶GM的H-K9L鏡片，或者小原OHARA的S-BSL7鏡片，或者肖特SH的BK7鏡片磨制而成；第三凸-凸透鏡(3)采用成都光明⑶GM的H-ZFl鏡片，或者小原OHARA的S-TIM22鏡片，或者肖特SH的SF2鏡片磨制而成；第四凹-凹透鏡(4)采用成都光明⑶GM的H-ZF52A鏡片，或者小原OHARA的S-TIH53 鏡片，或者肖特SH的N-SF57鏡片磨制而成；第五凸-凸非球面透鏡(5)采用成都光明⑶GM的ZBAF3鏡片，或者小原OHARA的 S-BSM25鏡片，或者肖特SH的N-SSK5鏡片磨制而成；第六凸-凹透鏡(6)采用成都光明⑶GM的H-KF6鏡片，或者小原OHARA的S-NSL36鏡片，或者肖特SH的KF6鏡片磨制而成；第七凹-凸透鏡(7)采用成都光明⑶GM的H-KF6鏡片，或者小原OHARA的S-NSL36鏡片，或者肖特SH的KF6鏡片磨制而成。
3.如權利要求2所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于 第一凸-凹透鏡(1)的直徑為190mm，曲率半徑為MOmm，厚度為25. 6mm ； 第二凹-凹透鏡(2)的直徑為190mm，曲率半徑為-^9mm，厚度為19mm ；第三凸-凸透鏡(3)的直徑為243mm，曲率半徑為273mm，厚度為52mm ； 第四凹-凹透鏡(4)的直徑為M2mm，曲率半徑為_494mm，厚度為14. 6mm ； 第五凸-凸非球面透鏡(5)的直徑為271mm，曲率半徑為425mm，厚度為52. 5mm ； 第六凸-凹透鏡(6)的直徑為254mm，曲率半徑為211mm，厚度為68mm ； 第七凹-凸透鏡(7)的直徑為212mm，曲率半徑為_151mm，厚度為38mm。
4.如權利要求3所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于所述遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統視場角2 ω大于25°，最大相對孔徑范圍為 1/2. 5 1/3，入瞳直徑大于150mm，出瞳直徑大于120mm，出瞳距離大于500mm。
5.如權利要求4所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于還包括分劃板、勻光板和照明裝置，所述分劃板和照明裝置位于遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統的像平面(8)上。
6.如權利要求1或2或3或4或5所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，其特征在于視場角2 ω =30°，入瞳直徑Φ入=出瞳直徑Φ出=Φ 180mm，出瞳距離 =550mm，所述光學系統出瞳位置與檢測人員眼瞳的位置、平顯器系統出瞳位置三者重合。
7.—種在遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統中應用的光學系統畸變補償校正方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 以視場中心為坐標原點，將視場劃分為η個區(qū)域，其中η > 9 ；上式中κ為樣本數量， 義、擬合方程計算得到的理想像素坐標值；步驟9 設定擬合次數為二到九次，得到最終曲線擬合方程F(X5J),將通過所述光學系統得到測量值，代入所述方程，即可得出修正后的精確值。步驟2 測量所述的遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，測算出所述光學系統的畸變值變化曲線；步驟3 根據畸變值變化曲線，計算出η個區(qū)域的分劃板弧、分刻度修正值； 步驟4 將修正值輸入計算機，由計算機控制制作出放大的消除了畸變的網格式度分格值的分劃板圖形；使用大規(guī)模印刷線路板制作工藝，做出交付使用的無畸變網格式度分分劃板。
8.如權利要求6所述的光學系統畸變補償校正方法，其特征在于在所述步驟4后，后續(xù)有如下步驟步驟5 沿光軸依次排列無畸變網格式度分分劃板、遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統、經緯儀、縮小投影系統、CCD相機；步驟6 分別用i，j (i=l、2……m，j=l、2……k)標定無畸變網格式度分分劃板對X軸方向、Y軸方向每一個小方形交點，并用CCD相機拍照，得出實際像素坐標(x，y)；步驟7:將理論計算得出的理想像素坐標( ，y0)和實際像素坐標(X，y) 逐個輸入MATLAB軟件，用MATLAB畫出X-X0, y~y0圖像，進行函數擬合，得到理想像素坐標相對于實際圖像像素坐標的函數關系；步驟8 設擬合方程為x0,y0 = F(x,y),則擬合殘差標準差R可表示為
全文摘要
本發(fā)明為一種遠距離特大出瞳直徑透鏡式檢測儀光學系統，包括七片分離式透鏡，七片分離式透鏡沿光軸依次排列為第一凸-凹透鏡、第二凹-凹透鏡、第三凸-凸透鏡、第四凹-凹透鏡、第五凸-凸非球面透鏡、第六凸-凹透鏡和第七凹-凸透鏡。本光學系統特點是大視場、大孔徑、大口徑、長焦距、高分辨率，并全系統采用國產普通光學玻璃，在擁有較低造價的同時，性能遠超國內外同類系統。
文檔編號G02B27/00GK102243373SQ201110173089
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者周子元, 周必方, 孫后環(huán), 李民益, 潘穎, 蔣筱如, 蔡黎明 申請人:南京工業(yè)大學, 南京英田光學工程有限公司, 周子元, 周必方, 孫后環(huán)