CN101770081B - 折射式准直光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种折射式准直光学系统，可用于动态目标模拟器。该准直光学系统包括孔径光阑、前镜组、后镜组和投影屏且沿光路追迹方向依次排列；前镜组由四片分离式透镜组成，后镜组由两片分离式透镜组成，投影屏为平板式漫反射屏，孔径光阑置于第一片透镜的前表面上。使用时，投影屏接收来自模拟器投影仪投射出的动态场景图像，并依次通过后镜组和前镜组将该图像准直成平行光束投射到模拟器的工作位置处。本发明的相对孔径为1∶8.3，孔径光阑的孔径达到Φ360mm，满足了动态目标模拟器的工作距离要求，24°的较大视场满足了被测搜索瞄准系统连续跟踪的需要，像面处的投影屏解决了动态目标模拟器视场受到限制的问题。

Description

折射式准直光学系统

技术领域

本发明涉及一种准直光学系统，尤其涉及一种用于动态目标模拟器的折射式准直光学系统。 

背景技术

火控动态性能模拟测试系统可用于在室内模拟测试直升机武器火控系统的动态性能参数。动态目标模拟器是火控动态性能模拟测试系统中的一个组成部分，主要为测试搜索瞄准系统的跟踪精度提供坦克、装甲车辆、水面舰船、直升机等多种典型的军事目标以及天空、云、大地、海洋、沙漠等模拟场景。准直光学系统是动态目标模拟器的主要光学部件，它将投影仪产生的图像以平行光投射出去，为搜索瞄准系统跟踪精度测试提供来自无穷远的动态场景。 

作为无穷远目标模拟器的一种，平行光管的光学原理与动态目标模拟器相同。为了满足搜索瞄准系统测试与评估的要求，准直光学系统需要有较大视场，并且要保证动态目标模拟器的工作距离。而现有的准直物镜，如公开号为CN2398611Y的中国专利公开的一种平行光管物镜，采用了球面反射镜加放大镜组的折反式结构，其物镜孔径Φ630mm，焦距19800m，光管筒长7980m。这类系统在光路中常使用一个次反射镜折转光路，当光束从主反射镜反射回来时，次反射镜会遮挡光束中心，减小有效通光面积，降低系统的中心亮度，从而影响系统的灵敏度，而且主反射镜安装调校、防止杂光和保持稳定性也比较困难。其次，若作为室内测试使用的动态目标模拟器，该物镜的焦距、镜筒显得过长且该专利也未给出物镜所能达到的视场，而动态目标模拟器必须有较大的视场才能保证搜索瞄准系统连续跟踪的时间，才能对跟踪精度和跟踪范围进行精确 的测试和评估。 

中国期刊《光学仪器》在2007年6月出版的第29卷第3期35～40页刊登了吉小辉、孙后环发表的题为“大视场平行光管的研发与设计”的论文。文中介绍了一种大视场平行光管，该平行光管物镜是由四片分离式物镜组成的折射式结构，其焦距为322.6mm，视场可达30°，光阑位于第一透镜的第一面，通光孔径为Φ100mm。由此参数计算得到边缘光线的出射距离为186.6mm，不能保证模拟器对工作距离的要求。 

美国专利USP5386312公开了一种折射式准直物镜，该折射式准直物镜是由两组具有正光焦度的透镜组及一个双胶合透镜组成的远心系统，即光阑位于透镜组的物方焦平面。该远心系统的焦距仅为12.7mm，视场为18°，最大透镜的孔径为Φ14.48mm。此系统视场和光阑的位置不能满足动态目标模拟器对视场及工作距离的要求。 

动态目标模拟器采用投影仪输出的高亮度动态图像作为光源，而以上描述的平行光管采用发光二极管或发光二极管阵列作为光源，其物镜均存在不能与投影仪配合使用的问题，因为投影仪镜头和平行光管物镜光瞳很难匹配，这样会限制动态场景的视场范围和能量，造成图像的丢失。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种较大视场的折射式准直光学系统，准直光学系统孔径光阑的孔径能够满足动态目标模拟器工作距离的要求，准直光学系统的视场能够满足被测搜索瞄准系统连续跟踪的需要。 

为解决上述技术问题，本准直光学系统包括孔径光阑、投影屏以及均具有正光焦度的前镜组和后镜组，所述前镜组、后镜组和投影屏沿光路追迹方向依次排列且投影屏位于光路追迹的像平面上，所述前镜组由四片分离透镜组成，第一透镜是平凸正透镜且凸面朝向像面一侧，第二透镜是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第三透镜是双凹负透镜，第四透镜是双凸正透镜；所述后镜组由两片分离透镜组成，第五透镜为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第六透镜为凹面朝向物面一侧的弯月负透镜；所述孔径光阑置于所述第一透镜的前表面上。 

根据本发明，所述第一透镜选择重冕玻璃ZK9或ZK10，所述第二透镜选择重火石玻璃ZF4或ZF5，所述第三透镜选择冕玻璃K9或K10，所述第四透镜和所述第五透镜选择钡冕玻璃BaK6或BaK7，所述第六透镜选择重火石玻璃ZF2或ZF1。 

根据本发明，投影屏为平板式漫反射屏，其长宽方向的一个表面处理成颗粒度为20μm的漫反射面。 

本发明准直光学系统的相对孔径D/f＝1∶8.3，视场角2ω＝24°。 

本发明的有益效果体现在以下几个方面： 

(一)本发明的准直光学系统采用了折射式结构型式，因而可以避免折反式准直光学系统中次反射镜遮挡光束中心的问题，从而保证了本发明准直光学系统的中心亮度。 

(二)由于本发明采用了匹兹万物镜的结构型式，因此带球差很小，能够满足视场24°，相对孔径1∶8.3且孔径光阑位于第一透镜前表面上的指标要求，从而保证了模拟器评估对象所需要的视场。 

(三)与传统的准直光学系统相比，本发明增设了投影屏，使用时，将动态目标模拟器生成的动态场景图像首先投射到投影屏的光面上，准直光学系统再将投影屏漫反射面上的动态场景图像准直成平行光而投射到动态目标模拟器的相应工作位置上。这样投影屏就将动态目标模拟器的投影镜头和准直光学系统划分成两个各自独立的光学系统，从而解决了投影镜头和准直光学系统之间光瞳不匹配而导致动态目标模拟器视场受到限制的问题。 

附图说明

图1是半视场角、孔径光阑以及边缘光束入射距离的关系示意图。 

图2是本发明折射式准直光学系统的结构及光路示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细描述。 

本发明优选实施例是针对视场为24°，像面对角线尺寸为1275.31mm并且纵横比为1∶2.67，工作距离(边缘光束出射距离)在300mm～845mm的目标模拟器而提供的折射式准直光学系统。如图1所示，如果把孔径光阑置于准直物镜第一透镜的前表面，按光路追迹方向，该准直光学系统的半视场角、孔径光阑的大小与边缘光束入射距离符合如下正切关系式： 

$\mathrm{tg\ω}=\frac{D}{2L}$

其中，ω表示准直光学系统的半视场角，D为孔径光阑的直径，L为边缘光束入射距离(模拟器工作时的光路与光路追迹的方向相反，光学系统光束的入射距离即为出射距离)。为了兼顾像面的照度，按最大工作距离845mm可计算得到孔径光阑的直径D＝Φ359.2mm，取整数后为Φ360mm。根据视场、像面和焦距的关系得到该准直光学系统的焦距为2999.93mm。由此，也可获得该准直光学系统的相对孔径为1∶8.3。 

虽然折射式准直光学系统的结构型式有多种，但是要在视场24°，相对孔径1∶8.3且孔径光阑位于第一透镜前表面的前提下，设计像质满足使用要求的准直系统就必须合理地选择光学系统的结构型式。为此，本发明的准直光学系统选择了匹兹万物镜的结构型式，即由彼此分开的两个正光焦度镜组构成，孔径光阑可以置于前镜组第一透镜的前表面，且最基本的结构型式是前镜组和后镜组均为双胶合物镜。由于匹兹万物镜的前镜组和后镜组均为正光焦度，会使物镜的场曲较大；另外，胶合物镜会在胶合面上产生较大的正高级球差，再加上物镜孔径过大，不易于胶合。鉴于上述原因，本发明对匹兹万物镜的基本结构型式进行了演变，即前镜组和后镜组均采用分离式物镜，这样，可使本发明在更大范围内选择玻璃来校正像差，而且透镜间的间隙也可减小带球差，从而实现在校正场曲的同时，校正球差、色差和正弦差的目的，同时，与胶合透镜 相比，单个透镜的加工工艺相对简单。此外，为了得到更好的像质，本发明还增加了前镜组的透镜片数。 

如图2所示，本优选实施例包括孔径光阑S、前镜组I、后镜组II和投影屏7，前镜组I、后镜组II和投影屏7沿光路追迹方向依次排列且投影屏7位于光路追迹的像平面上。前镜组I为正光焦度且由四片分离透镜1～4组成，其中：第一透镜1是平凸正透镜，第二透镜2是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第三透镜3是双凹负透镜，第四透镜4是双凸正透镜。后镜组II也为正光焦度且由两片分离透镜5、6组成，其中：第五透镜5为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第六透镜6为凹面朝向物面一侧的弯月负透镜。第一透镜1选择较高折射率，低色散系数，高透过率的重冕玻璃ZK9或ZK10；第二透镜2选择较高折射率，高色散系数，高透过率的重火石玻璃ZF4或ZF5；第三透镜3选择低折射率，低色散系数，高透过率的冕玻璃K9或K10；第四透镜4和第五透镜5选择低折射率，低色散系数，高透过率的钡冕玻璃BaK6或BaK7；第六透镜6选择较高折射率，高色散系数，高透过率的重火石玻璃ZF2或ZF1。孔径光阑S置于第一透镜1的前表面1上且和前表面1的通光孔径相同。投影屏7为有机玻璃材料制作的平板式漫反射屏，其尺寸为1400mm×650mm×51mm，且长宽方向的一个表面处理成颗粒度为20μm的漫反射面。应用时，将动态目标模拟器生成的动态场景图像清晰地投射到投影屏7长宽方向的另一个表面上，准直光学系统再将投影屏漫反射面上的动态场景图像准直成平行光而投射到动态目标模拟器的相应工作位置上。本优选实施例准直光学系统的具体参数见表1和表2。 

表1光学系统参数表单位：(mm) 

工作波长	620nm、650nm、750nm、800nm、950nm、
		视场	24°
相对孔径	1∶8.3
		焦距	2999.94mm
后截距	2532.43

表2光学零件参数表                        单位：(mm) 

在本优选实施例中，根据光路追迹的结果，在最大工作距离时第六透镜6后表面12的通光孔径为Φ615.6mm，这对光学加工来讲，有很大的难度，导致成本很高。为此，本实施例在相对孔径不变的情况下，通过减小后面几片透镜的孔径来降低光学零件的加工难度，以降低本发明的成本，如将第六透镜6后表面12的通光孔径由Φ615.6mm缩小至Φ504mm。这样做，虽然轴外光线的一部分被拦掉，导致准直光学系统产生渐晕，但由于渐晕系数在0.7ω(±8.4°)视场和1.0ω(±12°)视场分别只有0.09％和28％，因而，此渐晕不但不会影响准直光学系统的使用，而且还改善了轴外点的成像质量。由于存在渐晕，1.0ω视场时第一透镜1前表面的光束孔径也相应缩小了，致使光束出射距离减小至380.5mm，而此距离在动态模拟器的工作距离范围内。 

Claims (4)

1.一种折射式准直光学系统，包括孔径光阑[S]以及均具有正光焦度的前镜组[I]和后镜组[II]，其特征在于：还包括投影屏[7]，所述前镜组[I]、后镜组[II]和投影屏[7]沿光路追迹方向依次排列且投影屏[7]位于光路追迹的像平面上，所述前镜组[I]由四片分离透镜[1～4]组成，其中：第一透镜[1]是平凸正透镜且凸面朝向像面一侧，第二透镜[2]是凹面朝向物面一侧的弯月负透镜，第三透镜[3]是双凹负透镜，第四透镜[4]是双凸正透镜；所述后镜组[II]由两片分离透镜[5、6]组成，其中：第五透镜[5]为凹面朝向物面一侧的弯月正透镜，第六透镜[6]为凹面朝向物面一侧的弯月负透镜；所述孔径光阑[S]置于所述第一透镜[1]的前表面上。

2.根据权利要求1所述的折射式准直光学系统，其特征在于：所述第一透镜[1]选择重冕玻璃ZK9或ZK10，所述第二透镜[2]选择重火石玻璃ZF4或ZF5，所述第三透镜[3]选择冕玻璃K9或K10，所述第四透镜[4]和所述第五透镜[5]选择钡冕玻璃BaK6或BaK7，所述第六透镜[6]选择重火石玻璃ZF2或ZF1。

3.根据权利要求1所述的折射式准直光学系统，其特征在于：所述投影屏[7]为平板式漫反射屏，其长宽方向的一个表面处理成颗粒度为20μm的漫反射面。

4.根据权利要求1或2或3所述的折射式准直光学系统，其特征在于：相对孔径D/f＝1∶8.3，视场角2ω＝24°。

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