專利名稱：夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種體積小、重量輕、大視場(chǎng)紅外夜視型頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
紅外夜視型頭盔顯示器提供的信息，使駕駛員在夜視環(huán)境下對(duì)周圍態(tài)勢(shì)感知能力大大加強(qiáng)，使飛機(jī)員具備全天候作戰(zhàn)能力。紅外夜視型頭盔顯示器采用了紅外熱成像技術(shù)，其獨(dú)特性能是可進(jìn)行“全被動(dòng)”式觀察。由于紅外熱成像的工作方式是完全被動(dòng)的，它既克服了主動(dòng)紅外夜視依靠人工紅外光源工作以及由此而產(chǎn)生的易暴露的弱點(diǎn)，又克服了微光夜視成像效果完全依賴夜光強(qiáng)弱以及無(wú)光不能成像的弱點(diǎn)，同時(shí)能在全黑條件下工作，所以十分隱蔽，既不易被對(duì)方發(fā)現(xiàn)， 又不易受對(duì)方干擾。由此，近年來(lái)正越來(lái)越多地受到各國(guó)軍隊(duì)的高度重視，用于此項(xiàng)技術(shù)的投資正在逐年增加，使紅外熱成像成為今后重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)夜視技術(shù)。紅外熱成像近期雖然還沒(méi)有像微光夜視系統(tǒng)那樣大量裝備部隊(duì)，但它代表著夜視技術(shù)的發(fā)展方向。目前裝備部隊(duì)的主要是第二代紅外熱像儀，采用紅外C⑶凝視列陣器件。與此同時(shí)，正研究的熱釋電紅外探測(cè)器(鈦酸緦鋇陣列)，是非致冷的紅外探測(cè)器。由于其去掉了致冷設(shè)備和相關(guān)電源，便可以減輕整機(jī)重量，逐步實(shí)現(xiàn)小型化，從而為紅外夜視頭盔顯示器研制提供了器件保障。光學(xué)成像系統(tǒng)是頭盔顯示器的重要組成部分，它不僅直接影響頭盔顯示器的成像質(zhì)量，也決定著頭盔顯示器的體積和重量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，在機(jī)載晝夜頭盔顯示器中應(yīng)用二元光學(xué)技術(shù)，能夠使系統(tǒng)光學(xué)部分盡可能地小型化、輕型化，從而使整體系統(tǒng)更加“小”和“輕”。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下—種夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，包括頭盔體，其特征在于所述頭盔體的左側(cè)壁上設(shè)有保護(hù)窗，所述保護(hù)窗的內(nèi)側(cè)沿著光路方向依次設(shè)有聚焦透鏡、單凹透鏡和折/衍混合透鏡，所述頭盔體的右側(cè)內(nèi)壁為光電轉(zhuǎn)換面，朝向光電轉(zhuǎn)換面的折/衍混合透鏡的一側(cè)表面為二元衍射面。所述的夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的聚焦透鏡、單凹透鏡和折/衍混合透鏡均采用紅外光學(xué)材料制成。所述的夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換面外接顯示器。相比于折射透鏡，本實(shí)用新型的特性可以歸納如下1)體積小，重量輕，易于復(fù)制。[0012]2)衍射效率高對(duì)于8臺(tái)階結(jié)構(gòu)其衍射效率可達(dá)到94. 9%。3)獨(dú)特的色散特性二元光學(xué)元件的色散特性和一般折射透鏡的色散特性相反， 因此與一般折射型透鏡組合成混合光學(xué)系統(tǒng)可校正色差和平衡高級(jí)像差。4)獨(dú)特的熱系數(shù)二元光學(xué)元件的熱系數(shù)只與基底材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，因此可以利用衍射面消色差的同時(shí)通過(guò)合理分配折射元件的光焦度消熱差。5)更多的設(shè)計(jì)自由度與傳統(tǒng)折射光學(xué)系統(tǒng)相比，二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)可通過(guò)調(diào)節(jié)波帶片的位置，浮雕的槽深、槽寬及槽形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任意波面。6)材料選擇的寬廣性二元光學(xué)元件是將二元浮雕面形轉(zhuǎn)移到玻璃、電介質(zhì)或金屬基底上得到的，其色散特性與基底材料無(wú)關(guān)，因而可取代在某些特定波段上有特殊光學(xué)性能或很貴重的材料(如某些紅外材料)，使成本降低。7)特殊的光學(xué)性能可產(chǎn)生一般光學(xué)元件難于實(shí)現(xiàn)的光學(xué)波面、非球面、環(huán)狀面、 錐面和鐲面等，可集成得到多功能元件，使用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)還可得到寬帶、大視場(chǎng)、消反射和偏振等特性。在促進(jìn)小型化、陣列化、集成化方面具有很大的意義。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型體積小、重量輕、視場(chǎng)寬、不受紅外材料限制，且成本低，尤其重要的是滿足了機(jī)載夜視頭盔顯示器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，圖中直線表示光線。圖2為本實(shí)用新型的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。圖3為本實(shí)用新型的場(chǎng)曲和畸變曲線。圖4為本實(shí)用新型消熱差光學(xué)系統(tǒng)的零視場(chǎng)MTF。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，一種夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，包括頭盔體1，頭盔體1的左側(cè)壁上設(shè)有保護(hù)窗2，保護(hù)窗2的內(nèi)側(cè)沿著光路方向依次設(shè)有聚焦透鏡3、單凹透鏡4和折/ 衍混合透鏡5，頭盔體1的右側(cè)內(nèi)壁為光電轉(zhuǎn)換面6，朝向光電轉(zhuǎn)換面6的折/衍混合透鏡 5的一側(cè)表面為二元衍射面。聚焦透鏡3、單凹透鏡4和折/衍混合透鏡5均采用紅外光學(xué)材料制成。光電轉(zhuǎn)換面6外接顯示器。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明頭盔瞄準(zhǔn)/顯示系統(tǒng)為滿足佩戴者安全和舒適要求，應(yīng)具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，因此紅外成像系統(tǒng)的核心焦平面探測(cè)器應(yīng)采用非制冷型，其性能是設(shè)計(jì)紅外物鏡必不可少的原始參數(shù)，為使非制冷探測(cè)器焦平面有足夠的照度，紅外成像系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能大的相對(duì)孔徑。這是因?yàn)?，?duì)遠(yuǎn)方目標(biāo)成像時(shí)，像面中心照度與相對(duì)孔徑平方成正比。選擇大視場(chǎng)的紅外物鏡可增加信息獲得，適合人眼舒適要求；再考慮到成本以及國(guó)內(nèi)紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展?fàn)顩r，選擇了如表1所示的紅外成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，由于紅外材料折射率溫度變化系數(shù)dn/dT值較大，比可見(jiàn)光材料要大一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此環(huán)境溫度的變化對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響非常顯著，應(yīng)采用消熱差設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮紅外材料的吸收， 還應(yīng)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇一種大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑的庫(kù)克三片型物鏡作為初始結(jié)構(gòu)，其視場(chǎng)為50°，相對(duì)孔徑為1.0，利用衍射光學(xué)元件獨(dú)特的負(fù)色散系數(shù)和熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)熱差設(shè)計(jì)，同時(shí)平衡系統(tǒng)高級(jí)像差。由于系統(tǒng)大的視場(chǎng)、大的相對(duì)孔徑，軸外像差難以控制，若在設(shè)計(jì)中僅考慮軸上視場(chǎng)，軸上點(diǎn)傳函可以設(shè)計(jì)得更高，但軸外點(diǎn)傳函下降很快。為改善邊緣視場(chǎng)的像質(zhì)，考慮在系統(tǒng)中引入一定的漸暈，優(yōu)化時(shí)令系統(tǒng)保留約5% 的桶形畸變，對(duì)系統(tǒng)各面曲率半徑、間隔、光欄位置和二元面變量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的折/衍混合紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，除保護(hù)窗外，系統(tǒng)含有3片鏡，從像面數(shù)第1 片鏡中靠近像面一側(cè)的表面為二元衍射面。系統(tǒng)總長(zhǎng)為45. 3mm，含保護(hù)窗的總重量為45g， 其調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)如圖2所示，從圖中可以看出，軸上視場(chǎng)和中間視場(chǎng)及邊緣視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)都很好地滿足設(shè)計(jì)要求。表明引入漸暈改善了軸外視場(chǎng)的成像特性，中間視場(chǎng)與邊緣視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在空間頻率為101p/mm時(shí)均大于0. 4。圖3給出了該折/衍混合紅外成像系統(tǒng)的像差特性曲線，畸變最大為-7. 2 %，場(chǎng)曲小于0. 2mm。圖4顯示了該紅外物鏡在-20°C-+60°C溫度范圍內(nèi)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)具有比較好的穩(wěn)定性。另外，該紅外成像系統(tǒng)垂軸色差小于12 μ m。所以該紅外成像系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，具有良好成像質(zhì)量。表1本實(shí)用新型技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表 ParametersSpecification
權(quán)利要求1.一種夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，包括頭盔體，其特征在于所述頭盔體的左側(cè)壁上設(shè)有保護(hù)窗，所述保護(hù)窗的內(nèi)側(cè)沿著光路方向依次設(shè)有聚焦透鏡、單凹透鏡和折/ 衍混合透鏡，所述頭盔體的右側(cè)內(nèi)壁為光電轉(zhuǎn)換面，朝向光電轉(zhuǎn)換面的折/衍混合透鏡的一側(cè)表面為二元衍射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的聚焦透鏡、單凹透鏡和折/衍混合透鏡均采用紅外光學(xué)材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換面外接顯示器。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種夜視頭盔顯示器折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，包括頭盔體，頭盔體的左側(cè)壁上設(shè)有保護(hù)窗，保護(hù)窗的內(nèi)側(cè)沿著光路方向依次設(shè)有聚焦透鏡、單凹透鏡和折/衍混合透鏡，頭盔體的右側(cè)內(nèi)壁為光電轉(zhuǎn)換面，朝向光電轉(zhuǎn)換面的折/衍混合透鏡的一側(cè)表面為二元衍射面。本實(shí)用新型體積小、重量輕、視場(chǎng)寬、不受紅外材料限制，且成本低，尤其重要的是滿足了機(jī)載夜視頭盔顯示器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。
文檔編號(hào)G02B27/00GK202013450SQ20112008843
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者楊新軍 申請(qǐng)人:中航華東光電有限公司