球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　深 圳 大 學(xué)</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題目: 球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　姓名: </p><p>　　專業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù) </p&

2、gt;<p>　　學(xué)院: 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　學(xué)號(hào): </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　職稱： 副教授 </p><p>　　20 年 5 月 18 日</p

3、><p>　　深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），題目《球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果。</p><p&

4、gt;　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：</p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要··············

5、3;····································&#

6、183;···········1</p><p>　　前言····················

7、3;···································1</p&

8、gt;<p>　　1.1擬器的發(fā)展································

9、3;············1</p><p>　　1.2飛行模擬器視景系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢(shì)·················&#

10、183;·········2</p><p>　　1.3小型球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想····················&#

11、183;···········3</p><p>　　1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容···················

12、························3</p><p>　　幾種常見視景系統(tǒng)介紹·······

13、··································4</p><

14、;p>　　2.1顯示器顯示··································

15、·················4</p><p>　　2.2投影顯示··············

16、83;····································&

17、#183;·4</p><p>　　2.3分光鏡準(zhǔn)直顯示·····························&

18、#183;·················4</p><p>　　2.4背投準(zhǔn)直顯示·············&#

19、183;···································5</

20、p><p>　　2.5頭盔顯示器顯示································

21、················5</p><p>　　球幕投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)···············

22、···························6</p><p>　　3.1光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的概述···

23、3;····································&#

24、183;·····6</p><p>　　3.1.1光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的概念························

25、3;·······················6</p><p>　　3.1.2光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)流程的發(fā)展······

26、3;····································&#

27、183;6</p><p>　　3.1.3 ZEMAX軟件簡(jiǎn)介·····························

28、83;····················7</p><p>　　3.2球幕投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)··········

29、································7</p><p>　　3.2.

30、1物鏡性能指標(biāo)的確定···································

31、·············7</p><p>　　3.2.2物鏡類型的選擇·················

32、3;··································8</p>&

33、lt;p>　　3.2.2.1托卜崗物鏡·································

34、···················8</p><p>　　3.2.2.2魯沙廣角物鏡···········

35、83;····································&

36、#183;·9</p><p>　　3.2.2.3達(dá)哥物鏡·····························

37、·························9</p><p>　　3.2.2.4返攝遠(yuǎn)物鏡和演變·····&

38、#183;····································

39、;···10</p><p>　　2.2.2.5確定物鏡類型···························&

40、#183;···················11</p><p>　　3.2.3初始結(jié)構(gòu)的確定··········

41、3;····································&#

42、183;···11</p><p>　　3.2.4系統(tǒng)優(yōu)化···························&#

43、183;·····························14</p><p>　　3.2.5像差分析·&#

44、183;····································

45、··················16</p><p>　　3.2.6設(shè)計(jì)結(jié)果分析和像質(zhì)評(píng)價(jià)············

46、;··························17</p><p>　　3.3本章小結(jié)·····&

47、#183;····································

48、;··········18</p><p>　　球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差制定和分析····················

49、;··········19</p><p>　　4.1球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差制定····················

50、;···············19</p><p>　　4.2球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差分析···············

51、;···················20</p><p>　　總結(jié)和展望············

52、83;····································2

53、2</p><p>　　5.1總結(jié)································

54、;··························22</p><p>　　5.2展望·····

55、83;····································&

56、#183;··············22</p><p>　　參考文獻(xiàn)·················

57、····································

58、3;····23</p><p>　　致謝····························

59、;····································24&

60、lt;/p><p>　　Abstract·······························

61、3;···························25</p><p><b>　　球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b><

62、;/p><p>　　電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系 楊澤輝</p><p>　　學(xué)號(hào)：2005111164</p><p>　　【摘要】視景系統(tǒng)是飛行訓(xùn)練模擬器的重要組成部分，對(duì)保證模擬訓(xùn)練效果起著至關(guān)重要的作用，它能為飛行員提供逼真的視景和飛行感受。球幕投影系統(tǒng)是一種投影式的視景系統(tǒng)，它具有一些大型投影視景系統(tǒng)所無(wú)法提供的更大的水平和垂直視場(chǎng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本

63、低廉。本論文結(jié)合國(guó)內(nèi)外飛行模擬器視景系統(tǒng)的發(fā)展情況，將從下面兩個(gè)方面介紹球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：</p><p>　　一、在對(duì)國(guó)內(nèi)外各種視景系統(tǒng)的光學(xué)組件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研和學(xué)習(xí)后，按照一定的要求(例如視場(chǎng)角、MTF值、彌散斑等)擬訂了小型球幕投影光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)，經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算選擇了合理的初始結(jié)構(gòu)。</p><p>　　二、通過(guò)ZEMAX軟件對(duì)我們所選擇的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化工作，最后對(duì)其像差進(jìn)行比

64、較分析并對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)的公差進(jìn)行制定和分析。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】飛行模擬；球幕投影；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；公差</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p>　　1.1 飛行模擬器的發(fā)展</p><p>　　在世界航天航空事業(yè)突飛猛進(jìn)發(fā)展的背后，有一部分或者說(shuō)一個(gè)領(lǐng)域容易被人忽視，那就是飛行模擬器

65、，其實(shí)飛行員在駕駛真實(shí)飛行器之前必須通過(guò)相應(yīng)模擬器的訓(xùn)練。目前，飛行模擬器與飛行訓(xùn)練裝置已經(jīng)在航空、航天飛行訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其飛行訓(xùn)練的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及良好的訓(xùn)練效果已經(jīng)得到一致認(rèn)可。在航空、航天飛行訓(xùn)練中，在駕駛真實(shí)飛行器之前必須通過(guò)相應(yīng)模擬器的訓(xùn)練和考核已經(jīng)成為必不可少的訓(xùn)練程序[1]。</p><p>　　早在1929年，美國(guó)的愛德華·林克就設(shè)計(jì)出世界上第一臺(tái)機(jī)械式的飛行模擬器，開辟了飛行

66、模擬技術(shù)和飛行模擬器的新紀(jì)元。40年代，西方的一些國(guó)家為了研制新飛機(jī)和新系統(tǒng)，先后建立各種模擬模型，奠定了飛行模擬器發(fā)展的基礎(chǔ)。到了50年代末和60年代初逐漸成功建設(shè)了較好的工程飛行模擬器。</p><p>　　60年代中期到70年代末，數(shù)字計(jì)算機(jī)和各種彩色視景系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展，采用數(shù)字計(jì)算機(jī)的全自動(dòng)帶有閉路電視的模擬器的問(wèn)世，為航天航空事業(yè)的飛行員訓(xùn)練和試飛注入了全新的活力。</p><p&

67、gt;　　特別是近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，擁有計(jì)算機(jī)成像和投影屏幕的數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬器的使用，為模擬訓(xùn)練中的飛行員提供了高逼真度的模擬環(huán)境和飛行感受，雖然模擬飛行器不能用于實(shí)際的飛行，但是為飛行員的訓(xùn)練提供了很大的方便更節(jié)省了大量的訓(xùn)練成本[2]，更是因?yàn)檫@個(gè)原因，使其發(fā)展受到了更廣泛的關(guān)注。</p><p>　　除此之外，飛行模擬器還有易變參數(shù)、易改裝、易測(cè)試和處理數(shù)據(jù)、可控環(huán)境條件、節(jié)省費(fèi)

68、用、節(jié)省能源、保證安全和縮短試驗(yàn)或訓(xùn)練周期等突出的優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)都十分重視飛行模擬器的開發(fā)工作[2]。美國(guó)、俄羅斯等航空航天大國(guó)均不斷地增加人力和財(cái)力的投入，研制了大量的飛行模擬器和飛行訓(xùn)練裝置。我國(guó)也越來(lái)越注重對(duì)飛行模擬器的研究，緊跟時(shí)代的步伐，在飛行模擬器領(lǐng)域取得了很好的發(fā)展。</p><p>　　總之，利用飛行模擬器進(jìn)行飛行訓(xùn)練，具有提高訓(xùn)練效率，節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，保證飛行安全，減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，不論是

69、航空部門還是航天部門，都越來(lái)越重視發(fā)揮飛行模擬器的作用。</p><p>　　1.2 飛行模擬器視景系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢(shì)</p><p>　　通過(guò)上一節(jié)我們了解到，飛行模擬器在飛行訓(xùn)練中起到了很大的作用，那么高逼真度的模擬環(huán)境和飛行感受是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？這就需要我們這一節(jié)所介紹的飛行模擬器的視景系統(tǒng)。</p><p>　　模擬器通常由模擬座艙、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系

70、統(tǒng)及教員控制臺(tái)等五大部分組成。而視景系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分，主要作用是為訓(xùn)練員提供實(shí)際工作任務(wù)中可觀察到的場(chǎng)景圖像，增強(qiáng)訓(xùn)練的真實(shí)感并提高訓(xùn)練效果[3]。一個(gè)完整的視景系統(tǒng)包括圖像源和光學(xué)成像系統(tǒng)。圖像源決定著視景系統(tǒng)顯示圖像的內(nèi)容豐富程度、逼真度、清晰度等技術(shù)指標(biāo)，而視場(chǎng)角、亮度、對(duì)比度等技術(shù)指標(biāo)則靠光學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　世界上第一臺(tái)飛行模擬訓(xùn)練裝置出現(xiàn)于1929年，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有視景系統(tǒng)

71、，僅用于訓(xùn)練依靠?jī)x表飛行的能力。20世紀(jì)60年代初期，隨著載人航天計(jì)劃的迅速發(fā)展，為了提高訓(xùn)練的逼真性和可靠性，視景系統(tǒng)開始被應(yīng)用于飛行訓(xùn)練裝置中。閉路電視視景系統(tǒng)是早期的訓(xùn)練模擬器常采用的視景系統(tǒng)。</p><p>　　20世紀(jì)60年代初，計(jì)算機(jī)成像技術(shù)產(chǎn)生并得到迅速發(fā)展。1964年，NASA在載人航天中心成功安裝了第一臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)成像的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　70年代，計(jì)算

72、機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展已使得計(jì)算機(jī)成像技術(shù)可以產(chǎn)生高逼真的三維物體圖像。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)成像已經(jīng)成為視景系統(tǒng)最主要的圖像源。</p><p>　　目前研制和使用的飛行模擬器的視景系統(tǒng)幾乎全部應(yīng)用計(jì)算機(jī)成像技術(shù)[4,5]，我國(guó)90年代自主研制的Y7-100飛機(jī)飛行模擬器采用的就是計(jì)算機(jī)成像方式的視景系統(tǒng)[6]，在視景系統(tǒng)圖像源生成技術(shù)不斷取得進(jìn)步的同時(shí)，光學(xué)成像系統(tǒng)的性能也不斷得到改進(jìn)。從最初的顯示

73、器、電影、球幕投影等實(shí)像顯示方式到以后的準(zhǔn)直虛像顯示直到現(xiàn)在的頭盔顯示器。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，視景系統(tǒng)的性能指標(biāo)會(huì)顯著影響模擬質(zhì)量和訓(xùn)練效果。對(duì)現(xiàn)代高等級(jí)飛行模擬器來(lái)說(shuō)，視景系統(tǒng)的性能如何是評(píng)價(jià)該模擬器先進(jìn)程度的重要技術(shù)指標(biāo)之一[3]。</p><p>　　而本文將要設(shè)計(jì)的球幕投影系統(tǒng)類似于專業(yè)飛行模擬器中的視景系統(tǒng)，小型化的球幕投影系統(tǒng)可以配合一定的軟硬件達(dá)到專業(yè)系統(tǒng)相近的飛

74、行訓(xùn)練效果，是一種非常高效、經(jīng)濟(jì)的飛行訓(xùn)練設(shè)備。目前國(guó)外這一類型的投影系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，而在我國(guó)還未能得到充分的利用，其主要矛盾集中在投影機(jī)的自主開發(fā)方面，面對(duì)中小型單位對(duì)低成本飛行訓(xùn)練系統(tǒng)需求的日益增加，如何解決該系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題函待完善</p><p>　　1.3 小型球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想</p><p>　　我們知道，在航天航空飛行模擬器中，要求有很高逼真度的視景圖像和飛行感受，為

75、了達(dá)到這一要求，一般要求其視景系統(tǒng)要有很大的視場(chǎng)角，一般都要達(dá)到170°或180°，所以，為了得到一個(gè)大視場(chǎng)角的視景系統(tǒng)，我們一般會(huì)采取球幕投影系統(tǒng)作為它的視景系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)模型如下：</p><p>　　圖1.3.1 球幕投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　在本文的設(shè)計(jì)中，我們按照一定的要求(例如視場(chǎng)角、MTF值、彌散斑等)擬訂了球幕投影光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)，經(jīng)過(guò)分

76、析和計(jì)算選擇了合理的初始結(jié)構(gòu)。然后用ZEMAX軟件同時(shí)結(jié)合經(jīng)典像差理論的思想對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化工作，最終得到符合要求的球幕投影式視景系統(tǒng)，并對(duì)其成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。</p><p>　　1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　通過(guò)大量的學(xué)習(xí)和調(diào)研，了解到視景系統(tǒng)在飛行模擬領(lǐng)域中是很重要的一部分，所以本文針對(duì)這一熱點(diǎn)，利用ZEMAX軟件對(duì)球幕投影系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。論文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外各種

77、視景系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析和介紹，并擬定了我們所要設(shè)計(jì)的球幕系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，討論了球幕光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、像質(zhì)分析以及公差分析等方面的內(nèi)容。</p><p>　　本文的章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章，介紹了飛行模擬器的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)視景系統(tǒng)在飛行模擬器的應(yīng)用和發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹和分析，在此基礎(chǔ)上提出了小型球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，并提出本文的主要研究?jī)?nèi)容和方法。&l

78、t;/p><p>　　第二章，對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種常見的視景系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，讓讀者對(duì)視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)有了初步的認(rèn)識(shí)，從而引出本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。</p><p>　　第三章，本章從光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)理念入手，根據(jù)一定的要求擬定球幕投影系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，對(duì)大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的各種基本類型進(jìn)行了比較和討論，從中找到最合適于本設(shè)計(jì)的物鏡型式一魚眼物鏡。通過(guò)計(jì)算和分析后選定了初始結(jié)構(gòu)，在此

79、基礎(chǔ)上用ZEMAX軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化工作，最終得到符合要求的球幕投影式視景系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行像差分析和最終的像質(zhì)評(píng)價(jià)。</p><p>　　第四章，對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差進(jìn)行制定和分析。</p><p>　　第五章，總結(jié)了本論文的主要工作，提出了本設(shè)計(jì)的應(yīng)用發(fā)展前景。</p><p>　　第二章 幾種常見的視景系統(tǒng)介紹</p><p&

80、gt;　　視景系統(tǒng)作為模擬飛行器中最重要的組成部分之一，也是評(píng)定飛行模擬器先進(jìn)程度的指標(biāo)之一，所以世界各國(guó)都投入了大量財(cái)力物力進(jìn)行對(duì)視景系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)開發(fā)。研究分析各種視景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)有利于我們認(rèn)識(shí)各種視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　在這一章中，我們將對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種常見的視景系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以有多種方法為視景系統(tǒng)分類。按成像方式的不同可分為實(shí)像顯示視景系統(tǒng)和虛像顯示視景系統(tǒng)；圖像

81、源的產(chǎn)生方式可分為光學(xué)機(jī)械方式、電影方式、電視方式和計(jì)算機(jī)成像方式視景系統(tǒng)；按光學(xué)成像原理可分為顯示器顯示、投影顯示、分光鏡準(zhǔn)直顯示、背投準(zhǔn)直顯示、頭盔顯示器顯示等。</p><p><b>　　2.1 顯示器顯示</b></p><p>　　直接利用計(jì)算機(jī)顯示器或者電視機(jī)顯示視景圖像的方式叫做顯示器顯示，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、安裝方便、靈活、

82、造價(jià)低。缺點(diǎn)是分辨率、視場(chǎng)角等指標(biāo)受顯示器限制；還有，圖像縱深感不足，對(duì)眼點(diǎn)的位置要求嚴(yán)格，模擬效果較差。在規(guī)模較小或?qū)χ亓?、安裝尺寸等條件要求比較苛刻的飛行訓(xùn)練裝置中應(yīng)用這種方式較多。</p><p><b>　　2.2 投影顯示</b></p><p>　　在對(duì)寬視角特別是對(duì)垂直視場(chǎng)要求比較大的訓(xùn)練模擬器中經(jīng)常采用投影式的視景系統(tǒng)[5]。這也是本論文所采取的設(shè)計(jì)模

83、式，該系統(tǒng)原理如下所示：</p><p>　　圖2.2.1 投影顯示視景系統(tǒng)示意圖</p><p>　　該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以得到很大的視場(chǎng)角，尤其在垂直方向上具有其它普通視景系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)；另外眼點(diǎn)到球幕之間的距離可以放得很大，兩眼之間的視差基本可以忽略，圖像縱深感較強(qiáng)并且更具有真實(shí)感，訓(xùn)練效果較好，其主要缺點(diǎn)系統(tǒng)整體造價(jià)偏高。</p><p>　　2.3 分

84、光鏡準(zhǔn)直顯示</p><p>　　該系統(tǒng)主要包括顯示器、分光鏡以及球面準(zhǔn)直鏡等部組件。分光鏡為光線反射率和透射率均為50%的平面透鏡，顯示器圖像發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)兩次反射和一次透射到達(dá)眼點(diǎn)，這樣人眼觀察到的圖像是經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡適當(dāng)會(huì)聚后的圖像[4,5]。根據(jù)不同球面準(zhǔn)直鏡的光學(xué)曲率半徑，該系統(tǒng)可以提供距眼點(diǎn)距離不等的視景虛像，原理如圖2.3.1所示：</p><p>　　圖2.3.1 分光鏡準(zhǔn)直

85、顯示示意圖</p><p>　　2.4 背投準(zhǔn)直顯示</p><p>　　背投準(zhǔn)直顯示，也稱作廣角無(wú)限遠(yuǎn)顯示設(shè)備[4,5]，主要由投影機(jī)、背投屏幕及球面準(zhǔn)直鏡等部分組成。該系統(tǒng)也能為訓(xùn)練員提供較遠(yuǎn)距離的虛像。同分光鏡式準(zhǔn)直系統(tǒng)相比：訓(xùn)練員眼點(diǎn)遠(yuǎn)離系統(tǒng)光軸時(shí)，所觀察到圖像的畸變較小，訓(xùn)練員的眼點(diǎn)可在更大的范圍內(nèi)活動(dòng)，另外在水平方向可得到更寬的觀察野。由于這種準(zhǔn)直鏡的制造遠(yuǎn)比分光鏡形式的準(zhǔn)直鏡

86、困難，所以系統(tǒng)造價(jià)比分光鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)高很多。其原理如圖2.4.1所示：</p><p>　　圖2.4.1 背投準(zhǔn)直顯示視景系統(tǒng)</p><p>　　2.5 頭盔顯示器顯示</p><p>　　頭盔顯示器從產(chǎn)生到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已取得了巨大進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。隨著微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，頭盔顯示器在現(xiàn)代數(shù)字化部隊(duì)的裝備中的逐漸普及，并迅速在飛行訓(xùn)練模擬

87、技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位[7,8]。在頭盔顯示器中，配戴者通過(guò)眼前的目鏡觀察視景圖像。目前，頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)分為全投入式和半投入式兩種形式。全投入式將顯示器件的圖像經(jīng)放大、畸變像差的校正以及中繼等光學(xué)系統(tǒng)，觀察者眼前呈放大的虛像；半投入式是將經(jīng)過(guò)校正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學(xué)玻璃上，觀察者可以同時(shí)得到計(jì)算機(jī)生成的圖像信息和外部環(huán)境信息[8]。頭盔顯示器視景系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，很容易在各種狹小空間內(nèi)使用。

88、由于顯示的視景圖像可以跟隨頭部及眼球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同步更新，所以理論上不存在觀察野的限制，可以獲得極佳的模擬效果。但是在當(dāng)前技術(shù)水平下，由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力、顯示器件圖像刷新率以及頭盔制造工藝等條件限制[8]。 </p><p>　　第三章 球幕投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　進(jìn)入本章，我們將進(jìn)入本論文的核心部分——球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章從光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的基本理念入手，結(jié)合國(guó)內(nèi)外各種光

89、學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展情況，分析比較了各種大視場(chǎng)角度的光學(xué)系統(tǒng)，說(shuō)明了球幕光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并確定球幕投影光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。最后采用ZEMAX作為自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化工作，最后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行像差分析和并對(duì)最后的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。</p><p>　　3.1 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的概述</p><p>　　3.1.1 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的概念</p><p>　　所謂光學(xué)系統(tǒng)

90、自動(dòng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)使用條件，使用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算出滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，即決定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等[9]。光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)大體可以分為四個(gè)階段：外形尺寸計(jì)算、初始結(jié)構(gòu)計(jì)算、像差校正和平衡以及像質(zhì)評(píng)價(jià)。</p><p>　　3.1.2 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)流程的發(fā)展</p><p>　　最初的光學(xué)設(shè)計(jì)是在16世紀(jì)伽利略發(fā)明第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡時(shí)開始的，在這幾百年漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，光學(xué)設(shè)

91、計(jì)者們研究的核心始終圍繞著如何簡(jiǎn)化光路計(jì)算這一課題，找出像差和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的直接關(guān)系，以此為基礎(chǔ)反過(guò)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這樣，設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)大致需要經(jīng)過(guò)如圖所示這樣一個(gè)過(guò)程[10]:</p><p>　　圖3.1.1 傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程</p><p>　　然而，在計(jì)算機(jī)技術(shù)沒(méi)有應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，這種設(shè)計(jì)方式需要龐大的計(jì)算量，這樣會(huì)耗費(fèi)設(shè)計(jì)者大量的時(shí)間和精力，也且容易出錯(cuò)。隨著電子

92、計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)并應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了迅速的發(fā)展。初期，計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單地代替了手工追跡光路這一繁瑣的工作。最后發(fā)展成為在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，求解結(jié)構(gòu)參數(shù)、校正像差、自動(dòng)修正結(jié)構(gòu)，即達(dá)到光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的目的[10]。這樣，一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程便如下圖所示：</p><p>　　圖3.1.2 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　3.1.3 ZEMAX軟件簡(jiǎn)介</p&g

93、t;<p>　　目前國(guó)外應(yīng)用比較廣泛的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有CODEV以及ZEMAX，前者在功能方面更為齊全及專業(yè)化，但相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格昂貴，使用者掌握周期也比較長(zhǎng)。而ZEMAX則相對(duì)便宜，其基本的光學(xué)設(shè)計(jì)功能齊全，因此在國(guó)內(nèi)也得到了較廣泛的應(yīng)用。在本文的設(shè)計(jì)中采用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件便是2003年版的ZEMAX，它在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)比較突出[11]：</p><p>　　（1）ZEMAX中的光學(xué)表面可以是反射面、

94、折射面或者衍射面，也可以創(chuàng)建因鍍膜造成不同透過(guò)率的光學(xué)面特性。在ZEMAX中所有描述表面的特性參數(shù)包括形狀、折射、反射、折射率等都可自行定義。</p><p>　　（2）ZEMAX視場(chǎng)可以按視場(chǎng)角、物高、實(shí)際像高或者近軸像高來(lái)定義，不同的視場(chǎng)角可以用不同的權(quán)重，還可以分別指定計(jì)算每個(gè)視場(chǎng)的攔光系數(shù)。</p><p>　　（3）ZEMAX提供的材料包括有Schott,Hoya,ohara,c

95、orning和sumita等多個(gè)不同的玻璃庫(kù)，目前已經(jīng)有幾個(gè)中國(guó)玻璃庫(kù)，和紅外材料、光學(xué)朔料和光學(xué)晶體材料以及雙折射材料。</p><p>　　（4）ZEMAX的宏語(yǔ)言稱為ZPL，其結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像BASIC，也可以函數(shù)調(diào)用，自定義數(shù)組、數(shù)字和字符串、文本和圖形輸出等。</p><p>　　3.2 球幕投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　在本節(jié)中，我們將根據(jù)相關(guān)調(diào)研和一

96、定的性能指標(biāo)要求并對(duì)球幕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后制定了球幕投影物鏡的光學(xué)性能指標(biāo)。在這些工作的基礎(chǔ)上分析并選擇了合理的初始結(jié)構(gòu)，通過(guò)ZEMAX進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，完成了球幕光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)。</p><p>　　3.2.1 物鏡性能指標(biāo)的確定</p><p>　　根據(jù)球幕投影系統(tǒng)的各種特點(diǎn)和本項(xiàng)目的要求，我們明確的給出本球幕投影系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，請(qǐng)見表3.2.1</p><p

97、>　　表3.2.1 球幕投影系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)</p><p>　　所以，從以上的數(shù)據(jù)中，我們可以得出鏡頭和屏幕的位置關(guān)系大體如下：</p><p>　　圖3.2.1 球幕結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　從圖中可以看出，球幕投影系統(tǒng)對(duì)投影物鏡的視場(chǎng)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通投影物鏡。球幕投影物鏡需要達(dá)到170°的視場(chǎng)范圍，這也是這種物鏡設(shè)計(jì)難度較大的原因之一。

98、同時(shí)，球幕投影物鏡的像是成在彎曲的屏幕上，也就需要我們考慮彎曲的像面對(duì)各種像差的影響。以上兩點(diǎn)要求體現(xiàn)了球幕投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。</p><p>　　3.2.2 物鏡類型的選擇</p><p>　　根據(jù)預(yù)期的性能指標(biāo)來(lái)選擇合理的初始結(jié)構(gòu)是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初非常關(guān)鍵的步驟。實(shí)際上，因?yàn)橥队拔镧R和照相物鏡的作用都是對(duì)有限遠(yuǎn)的目標(biāo)成像，所以投影物鏡可以當(dāng)作照相物鏡來(lái)看待，區(qū)別僅僅是投影物鏡

99、的成像面為投影屏幕，照相物鏡為感光底片。因此，普通的照相物鏡倒置過(guò)來(lái)使用都可以作為投影系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式一定時(shí)，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高級(jí)像差的影響是很小的，因此對(duì)于一定結(jié)構(gòu)型式的照相物鏡，它所能達(dá)到的指標(biāo)(視場(chǎng)、相對(duì)孔徑等)往往有某一個(gè)限度。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，可以知道，我們要設(shè)計(jì)的球幕投影系統(tǒng)具有很大的視場(chǎng)角，因?yàn)槠胀ǖ耐队跋到y(tǒng)的視場(chǎng)角都比較小，下面將根據(jù)滿足大視場(chǎng)這一要求對(duì)幾種

100、基本系統(tǒng)類型進(jìn)行了比較和分析。</p><p><b>　?。?）托卜崗物鏡</b></p><p>　　人們使用的比較早的廣角物鏡就是托卜崗物鏡。他的前身可以認(rèn)為是海普崗物鏡，它的視場(chǎng)角可以達(dá)到135°，但相對(duì)孔徑卻很小，一般只有f/30。雖然托卜崗物鏡的全視場(chǎng)只可以達(dá)到75°到90°，但是相對(duì)孔徑得到大大的提高，可以做到 f/6.3到

101、f/11。這類鏡頭的結(jié)構(gòu)是以光欄為對(duì)稱中心的，所以想要獲得更大的相對(duì)孔徑，就非常有必要消除球差和色差。這可以通過(guò)在簡(jiǎn)單彎月形透鏡中加入正組元來(lái)進(jìn)行改善，即使這樣，托卜崗物鏡還是有很多的缺點(diǎn)。它的畸變校正也不理想，像差也不理想，所以不能做精密測(cè)量之用。</p><p>　　其結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示：</p><p>　　海普崗物鏡 托普崗物鏡</

102、p><p>　　圖3.2.2 海普崗物鏡和托普崗物鏡對(duì)比示意圖</p><p><b>　　（2）魯沙廣角物鏡</b></p><p>　　我們知道，托普崗物鏡會(huì)存在像差漸暈現(xiàn)象。魯沙廣角物鏡便是前蘇聯(lián)學(xué)者利用像差漸暈這一現(xiàn)象的原理設(shè)計(jì)的一種負(fù)正負(fù)對(duì)稱型超廣角物鏡。</p><p>　　圖3.2.3 魯沙廣角物鏡示意圖<

103、;/p><p>　　魯沙物鏡通過(guò)復(fù)雜化，相對(duì)孔徑可以達(dá)到f/5.6，視場(chǎng)角達(dá)到100°，帶畸變僅為0.03%，像面照度按照cos²w'下降，明顯的改善了像面照度均勻性，而避免了人為干預(yù)對(duì)光源的浪費(fèi)。</p><p><b>　?。?）達(dá)哥物鏡</b></p><p>　　達(dá)哥物鏡是一種光闌固定的對(duì)稱型物鏡，它是由德國(guó)學(xué)者

104、馮.霍格在對(duì)快速雷克梯里尼鏡頭進(jìn)行改良的過(guò)程中設(shè)計(jì)出來(lái)的。典型的達(dá)哥物鏡如下圖所示：</p><p>　　圖3.2.4達(dá)哥物鏡示意圖</p><p>　　從圖中可以看出，他的結(jié)構(gòu)也是以光欄對(duì)稱的，由于這種對(duì)稱性，使得它能自動(dòng)消除了三種垂軸像差，只剩下球差、色差和像散待校正。當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)，就是當(dāng)相對(duì)孔徑提高到 f/4.5時(shí)，視場(chǎng)角最高也只能達(dá)到70°，所以這種物鏡是介于中等視場(chǎng)

105、與廣角物鏡之間的一種過(guò)渡型式，還是不能滿足本設(shè)計(jì)中的要求。</p><p>　?。?）反射遠(yuǎn)物鏡和演變</p><p>　　反攝遠(yuǎn)物鏡的基本結(jié)構(gòu)正好與攝遠(yuǎn)型物鏡相反，它由一個(gè)負(fù)的前組物鏡和正的后組物鏡構(gòu)成，由于負(fù)前組具有發(fā)散的作用，所以它和與攝遠(yuǎn)物鏡相比，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的主面向后移動(dòng)，從而獲得了比有效焦距更長(zhǎng)的工作距離，即更長(zhǎng)的后截距(透鏡最后一面到焦點(diǎn)的距離)，如下圖所示：</p&g

106、t;<p>　　圖3.2.5 (l)攝遠(yuǎn)物鏡示意圖 (2)反攝遠(yuǎn)物鏡示意圖</p><p>　　為了獲得更大的視場(chǎng)角，下面我們考慮這樣一種情況：負(fù)前組特別是第一片透鏡，各表面盡量向光欄彎曲，物鏡采用折射率比較高的材料，這樣不僅加大了前組光焦度，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，重要的是擴(kuò)大了整個(gè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角，以至于可以達(dá)到接近180°的視場(chǎng)角。如下圖3.2.6所示。</p><p&g

107、t;　　但是這樣也有不足的地方，因?yàn)檫@樣負(fù)組在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)的光焦度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后組，所以隨視場(chǎng)增加的過(guò)程中負(fù)前組與視場(chǎng)相關(guān)的像差變化劇烈，尤其是畸變相當(dāng)嚴(yán)重。這樣只能通過(guò)使后組復(fù)雜化進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)解決。這樣的反攝遠(yuǎn)物鏡叫魚眼物鏡，如圖3.2.7。</p><p>　　圖3.2.6 負(fù)前組示意圖 圖3.2.7 魚眼物鏡</p><p>　　反攝遠(yuǎn)物鏡除了

108、具有較大后工作距離，它的軸外光束通過(guò)前組負(fù)組元發(fā)散后，和光軸的傾角得到明顯的減小，也就使得后組對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角減小，從而降低了像差校正的難度。另外一個(gè)比較重要的優(yōu)點(diǎn)是，由于其像方視場(chǎng)角比起物方視場(chǎng)角來(lái)說(shuō)要小得多，所以使得像面照度均勻性比一般對(duì)稱型物鏡還要高。由于這兩方面的優(yōu)勢(shì)，反攝遠(yuǎn)物鏡在設(shè)計(jì)大孔徑、大視場(chǎng)物鏡中得到廣泛的重視和采用。</p><p><b>　?。?）確定物鏡類型</b><

109、;/p><p>　　通過(guò)對(duì)以上四種物鏡類型的分析比較，作為反攝遠(yuǎn)物鏡演變而成的魚眼物鏡具有一下特點(diǎn)：可以做到超大視場(chǎng)和較高的相對(duì)孔徑；像面照度均勻性好；較長(zhǎng)的后工作距離，可以滿足后期加裝倍率鏡的需要。這些都比較接近我們要設(shè)計(jì)的球幕投影光學(xué)系統(tǒng)。</p><p>　　魚眼物鏡方面的專利一般都具有超過(guò)本設(shè)計(jì)需要的視場(chǎng)和相對(duì)孔徑，不僅增加了在查閱專利時(shí)的選擇余地，而且相對(duì)降低了在對(duì)選定的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行

110、修改和像差平衡時(shí)的困難，便于使系統(tǒng)最優(yōu)化。</p><p>　　3.2.3 初始結(jié)構(gòu)的確定</p><p>　　在初始結(jié)構(gòu)確定中，有很多的方法，比如PW法、經(jīng)驗(yàn)法和查專利法等。但是PW法最多只能滿足初級(jí)像差的要求，需要進(jìn)行全面、系統(tǒng)的計(jì)算、分析、歸納，以求得較好的解，工作量很大。</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法來(lái)求解初始結(jié)構(gòu)非常困難。隨著光

111、學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)類型性能優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)從這些現(xiàn)有的系統(tǒng)中選一些與所要設(shè)計(jì)物鏡指標(biāo)盡可能接近的作為初始結(jié)構(gòu)，不但會(huì)給設(shè)計(jì)者節(jié)省很多時(shí)間，而且設(shè)計(jì)也容易獲得成功。尤其是像反遠(yuǎn)距物鏡這樣的高性能復(fù)雜系統(tǒng)，其初始結(jié)構(gòu)一般可從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中選擇。研究比較現(xiàn)有專利，文獻(xiàn)[12]中所采取的物鏡在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上與我們要設(shè)計(jì)的物鏡相近，現(xiàn)將其作為初始結(jié)構(gòu)。</p><

112、p><b>　?。?）視場(chǎng)角換算</b></p><p>　　如下圖所示，如果我們的屏幕是圓形的球幕時(shí)，如果要達(dá)到好的效果，需要半場(chǎng)角為a=85°，但是，如果我們保持同樣的投射高度，把球幕展成平面此時(shí)的半視場(chǎng)角a′可通過(guò)下式求出：</p><p>　　經(jīng)過(guò)計(jì)算得出a′=65°，這就是我們對(duì)初始結(jié)構(gòu)半視場(chǎng)角的要求。</p><

113、;p><b>　?。?）設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)</b></p><p>　　將我們找到的專利的模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入到ZEMAX中，該系統(tǒng)屬于反攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)，采用了6組10片透鏡，半視場(chǎng)角65°，光闌位于第10面。初期為了盡量滿足原設(shè)計(jì)給出的折射率與阿貝數(shù)，玻璃庫(kù)選用了Schott和中國(guó)成都的混合玻璃庫(kù)。這樣選擇了適當(dāng)?shù)牟Ａ铺?hào)代入ZEMAX，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)便如下表所列：</p&g

114、t;<p>　　圖3.3.2 系統(tǒng)的原始結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p><b>　　（3）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)</b></p><p>　　現(xiàn)有了一個(gè)初始結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷＠某跏冀Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)是我們要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)是不一樣的，所以接下來(lái)按照我們要設(shè)計(jì)的球幕投影系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)專利結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，例如視場(chǎng)角、相對(duì)孔徑等，但結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。</p>&l

115、t;p>　　a、設(shè)定F參數(shù)，如圖所示：本設(shè)計(jì)的F參數(shù)是4</p><p>　　圖3.3.3 F參數(shù)設(shè)置示意圖</p><p>　　設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，本文中采用的是視場(chǎng)角作為現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中的半視場(chǎng)角是65°，所以，取0°、0.7w和w作為參考，如下圖所示:</p><p>　　圖3.3.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)設(shè)定示意圖</p>&

116、lt;p>　　c、設(shè)定波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，如下圖：</p><p>　　圖3.3.5 波長(zhǎng)數(shù)據(jù)設(shè)定示意圖</p><p>　　通過(guò)對(duì)專利結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，例如視場(chǎng)角、相對(duì)孔徑等，但結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，可以得到我們的原始結(jié)構(gòu)圖如3.3.6所示。</p><p>　　圖3.3.6 系統(tǒng)原始結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.4 系統(tǒng)優(yōu)化</p

117、><p>　　在上一節(jié)中我們通過(guò)分析比較得出了一個(gè)適合我們?cè)O(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)，但這個(gè)初始結(jié)構(gòu)是不符合我們要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的要求的，例如MTF值達(dá)不到我們的要求即MTF>0.5@45lp/mm，所以我們要在此初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用ZEMAX設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化工作。</p><p>　　系統(tǒng)優(yōu)化就是通過(guò)改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或者玻璃的類型，使系統(tǒng)符合我們的設(shè)計(jì)要求，在本設(shè)計(jì)中，我們將用MTF值作為我

118、們優(yōu)化的目標(biāo)。將初始結(jié)構(gòu)輸入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX中，并在軟件中對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)度、視場(chǎng)、元件間隔等參數(shù)設(shè)置約束條件，對(duì)初始結(jié)構(gòu)反復(fù)地進(jìn)行優(yōu)化。</p><p>　　在優(yōu)化之前，我們需要設(shè)置一些我們系統(tǒng)的參數(shù)要求，例如有效焦距、后工作距離等，這樣有利于軟件在優(yōu)化是有一定的范圍和根據(jù)：</p><p>　　圖3.4.1 設(shè)置有效焦距和后工作距離示意圖</p><p>　　

119、設(shè)定了有效焦距和后工作距離之后，還要對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)的邊界條件進(jìn)行限制，以免在優(yōu)化時(shí)超出我們?cè)试S的范圍：</p><p>　　圖3.4.2 設(shè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的邊界條件</p><p>　　設(shè)置完畢之后，我們可以隨機(jī)設(shè)置一些結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如此反復(fù)，改變系統(tǒng)的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，必要時(shí)對(duì)系統(tǒng)的玻璃類型進(jìn)行替換，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行歸一化，就可以得到優(yōu)化后滿足我們?cè)O(shè)計(jì)要求的光學(xué)系統(tǒng)，其

120、中優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖3.4.3 優(yōu)化后的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　圖3.4.4 優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3.2.5像差分析</b></p><p>　　通過(guò)上面的計(jì)算和設(shè)計(jì)，我們得出了一個(gè)符合要求的光學(xué)系統(tǒng)，但是一個(gè)完整的光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程必須

121、對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行像差的分析。從象差數(shù)據(jù)分析就可以找出主要是哪些像差影響光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量，從而找出改進(jìn)的辦法，開始進(jìn)行像差校正。通過(guò)比較各種像差的變化曲線，設(shè)計(jì)者就可以做出正確的判斷，有選擇的對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，自變量的數(shù)量進(jìn)行修改和限制，使得下一步的優(yōu)化向著更有利的方向進(jìn)行[13]。</p><p>　?。?）軸向像差曲線比較</p><p>　　圖3.5.1軸向像差曲線比較 （左）優(yōu)化前軸向像差

122、 （右）優(yōu)化后軸向像差</p><p>　　同一波長(zhǎng)的光線在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)也并不能全部會(huì)聚到理想像點(diǎn)，隨著光線的入射孔徑的變化會(huì)聚點(diǎn)也逐漸遠(yuǎn)離理想像點(diǎn)，這種差異即是球差。我們所說(shuō)的球差一般指軸向球差。</p><p>　　（2）垂直像差曲線比較</p><p>　　3.2.5系統(tǒng)的垂直相差曲線比較</p><p>　　通過(guò)比較前后的變化可以看

123、出，優(yōu)化前中間視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的子午光線成像質(zhì)量較差，子午寬光束彗差在這兩個(gè)視場(chǎng)表現(xiàn)很強(qiáng)烈。經(jīng)過(guò)多次的優(yōu)化后，從最終優(yōu)化結(jié)果來(lái)看，這樣做很明顯地提高了子午光線的成像質(zhì)量。</p><p>　　3.2.6 設(shè)計(jì)結(jié)果分析和像質(zhì)評(píng)價(jià)</p><p>　　在上一節(jié)中，我們對(duì)系統(tǒng)的像差做了簡(jiǎn)單的分析，但是像差數(shù)據(jù)只是在數(shù)值和微觀上對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是像差往往很難和系統(tǒng)的實(shí)際成像質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)，

124、因?yàn)檫@兩者之間并不存在直接的數(shù)量關(guān)系。</p><p>　　所以，在本節(jié)中我們將針對(duì)幾個(gè)對(duì)成像質(zhì)量有直接影響的指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，接下來(lái)我們將從下面幾個(gè)方面進(jìn)行分析：</p><p>　　優(yōu)化前的MTF曲線 優(yōu)化后的MTF曲線</p><p>　　圖3.6.1 系統(tǒng)優(yōu)化前后的MTF曲線對(duì)比</p>&

125、lt;p>　　通過(guò)圖3.4.5中可以看出，優(yōu)化后的系統(tǒng)在45lp/mm時(shí)三個(gè)視場(chǎng)的MTF值均大于0.5，其中藍(lán)色的曲線代表0°視場(chǎng)、綠色的曲線代表0.7w視場(chǎng)和紅色代表w視場(chǎng)，和優(yōu)化前的相比有了很大的提高，這也是對(duì)成像質(zhì)量的很好的保證，所以系統(tǒng)的MTF值是符合我們的設(shè)計(jì)要求的。</p><p>　　優(yōu)化前的彌散斑 優(yōu)化后的彌散斑</p&g

126、t;<p>　　圖3.6.2 優(yōu)化前后的彌散斑對(duì)比</p><p>　　彌散斑也比優(yōu)化之前小了很多，通過(guò)彌散斑可以直觀、準(zhǔn)確的判斷優(yōu)化后的成像質(zhì)量。由圖中可以得到兩種半徑，一個(gè)是RMS半徑，另一個(gè)是GEO半徑，它們分別代表均方根半徑和幾何彌散半徑。從優(yōu)化前后的比較中，我們可以看出優(yōu)化后的彌散斑已經(jīng)變得很小，這對(duì)成像質(zhì)量很有利，我們將他們的數(shù)據(jù)歸納如下，方便比較：</p><p&

127、gt;<b>　　表3.2.6 </b></p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章作為本論文的核心部分，根據(jù)一定的要求和相關(guān)調(diào)研制定了預(yù)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對(duì)大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的各種基本類型進(jìn)行了比較和討論，從中選定最合適設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)型式。通過(guò)對(duì)物鏡前后組的計(jì)算后確定了初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p&

128、gt;<p>　　后運(yùn)用軟件ZEMAX對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到滿足要求的光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)優(yōu)化前后的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)最后的成像質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。</p><p>　　第四章 球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差制定和分析</p><p>　　4.1 球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差制定原則</p><p>　　在上一章中我們通過(guò)分析計(jì)算得到了一個(gè)符合我們?cè)O(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)

129、，并通過(guò)ZEMAX軟件同時(shí)結(jié)合經(jīng)典像差理論的思想對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化工作，并給出了詳細(xì)的最終像質(zhì)評(píng)價(jià)。最終得到符合要求的球幕投影式視景系統(tǒng)。但是對(duì)于一個(gè)完整的光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)這只是完成了部分工作。最終，我們還得對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差的制定和分析，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣還與現(xiàn)有設(shè)備的加工、裝調(diào)誤差等都跟公差有關(guān)。</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)的公差主要有下面幾個(gè)方面：</p><p>　　1、

130、加工公差：曲率半徑公差；表面不規(guī)則度公差；非球面面形公差；表面偏心公差</p><p>　　2、裝調(diào)公差：元件間隔公差；元件偏心公差；元件傾斜公差</p><p>　　3、材料參數(shù)公差：折射率公差；阿貝數(shù)公差</p><p>　　在光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化完畢之后，必須對(duì)它的每一個(gè)元件進(jìn)行公差的給定和分析，保證該光學(xué)系統(tǒng)加工的可行性而且又不影響系統(tǒng)的光學(xué)性能。</p>

131、;<p>　　在計(jì)算公差時(shí)，先按經(jīng)驗(yàn)以工藝上最寬松的條件給出各結(jié)構(gòu)參量的公差預(yù)定值，這樣作是為了先考核最差情況對(duì)總公差的影響。當(dāng)總公差不超時(shí)，也不能以此作為公差分配的最終結(jié)果，因?yàn)樵诠に囋试S的條件下，應(yīng)盡量提高成象質(zhì)量，因此應(yīng)減少對(duì)總公差影響大的諸結(jié)構(gòu)公差，這樣才能最有效的提高成象質(zhì)量。</p><p>　　公差的給定一般有以下過(guò)程：</p><p>　　1)設(shè)定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的

132、公差預(yù)定值；</p><p>　　圖4.1.1 各結(jié)構(gòu)參數(shù)公差預(yù)定值</p><p>　　2)選擇調(diào)整參數(shù)，本設(shè)計(jì)中選擇了平均MTF值作為調(diào)整參數(shù)；</p><p>　　圖4.1.2 選擇調(diào)整參數(shù)</p><p>　　3)分析計(jì)算這些公差產(chǎn)生的性能敏感度。</p><p>　　4)縮緊對(duì)系統(tǒng)敏感參數(shù)的公差，放松不敏

133、感參數(shù)的公差，再預(yù)算性能。</p><p>　　5)重復(fù)步驟4直至以合理的成本滿足系統(tǒng)性能。</p><p>　　4.2球幕投影光學(xué)系統(tǒng)公差分析</p><p>　　在給定預(yù)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)公差和選擇調(diào)整參數(shù)后，用ZEMAX進(jìn)行對(duì)公差的運(yùn)算和分析，運(yùn)行分析結(jié)果如下，其中最小值和最大值表示誤差量的變化范圍；MTF值表示應(yīng)用該組公差并進(jìn)行后焦距補(bǔ)償后在45lP/mm處系統(tǒng)平

134、均MTF值，變化量為相對(duì)于系統(tǒng)理想MTF值的變化。</p><p>　　其中最敏感的十個(gè)公差是：</p><p>　　Type Value Criteria Change</p><p>　　TIRR 11 -3.000000 0.533436 -0.124212</p>

135、<p>　　TIRR 9 3.000000 0.584153 -0.073496</p><p>　　TIRR 11 3.000000 0.603932 -0.053717</p><p>　　TIRR 9 -3.000000 0.615311 -0.042338</

136、p><p>　　TABB 11 0.500000 0.622054 -0.035595</p><p>　　TIRR 14 -3.000000 0.623518 -0.034131</p><p>　　TIRR 13 3.000000 0.625818 -0.031831

137、</p><p>　　TIRR 15 3.000000 0.627577 -0.030072</p><p>　　TEDY 3 4 -0.050000 0.635741 -0.021908</p><p>　　TEDY 3 4 0.050000 0.635741 -0.0

138、21908</p><p>　　從以上的數(shù)據(jù)中可以看出應(yīng)用此組公差時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，其中第11個(gè)表面的TTIR和第9個(gè)表面的TTIR對(duì)系統(tǒng)的系能影響比較大的，但是在最敏感的十個(gè)公差中的平均MTF值最小的也有0.533436，這是我們判斷該組公差是否符合我們的系統(tǒng)性能和加工難度的重要標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　ZEAMX的公差分析功能還可以應(yīng)用蒙特卡羅法[13]對(duì)全部公差進(jìn)行評(píng)估。這里

139、使用20個(gè)蒙特卡羅樣本進(jìn)行評(píng)估，每個(gè)參數(shù)都按照正態(tài)概率分布在公差的最大值和最小值之間變化，最終得到如下統(tǒng)計(jì)結(jié)果:</p><p>　　Nominal 0.657649</p><p>　　Best 0.660900</p><p>　　Worst 0.456620</p><p>　　Mean 0.58

140、1825</p><p>　　Std Dev 0.055586</p><p>　　Compensator Statistics:</p><p>　　Change in back focus:</p><p>　　Minimum : -0.107381</p><p>　　M

141、aximum : 0.088304</p><p>　　Mean : -0.016350</p><p>　　Standard Deviation : 0.058569</p><p>　　最后，ZAMEX給出了系統(tǒng)的平均MTF值的變化情況的比例，如下：</p>

142、;<p>　　90% >= 0.470414 </p><p>　　50% >= 0.596167 </p><p>　　10% >= 0.637549 </p><p>　　從以上數(shù)據(jù)中可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)用此組公差時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平均MTF值的

143、影響比例如下：</p><p>　　90%的鏡頭在45lP/mm處的平均MTF大于或等于0.470414；</p><p>　　50%的鏡頭在451p/mm處的平均MTF大于或等于0.596167；</p><p>　　10%的鏡頭在451p/mm處的平均MTF大于或等于0.637549。</p><p>　　所以這組公差是滿足要求的。在保證

144、加工難度允許的情況下，可以通過(guò)放松寬松公差，加嚴(yán)敏感公差的的方法進(jìn)一步提升鏡頭性能。</p><p>　　第五章 總結(jié)和展望</p><p><b>　　5.1 總結(jié)</b></p><p>　　本文首先對(duì)飛行模擬器以及其視景系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢(shì)做了調(diào)查和分析，從而得到，視景系統(tǒng)在模擬飛行模擬和航天航空事業(yè)中的重要性，結(jié)合國(guó)內(nèi)在飛行模擬器的視景系

145、統(tǒng)領(lǐng)域中的實(shí)際情況，肯定了本論文研究的重要和必要性。</p><p>　　接下來(lái)在根據(jù)一定的性能要求設(shè)定了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)后，分別比較了幾種廣角物鏡的基本類型，從中找到最合適于本設(shè)計(jì)的魚眼物鏡結(jié)構(gòu)型式。并通過(guò)對(duì)其分析，確定了我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)。</p><p>　　最后，對(duì)初始結(jié)構(gòu)用ZEMAX軟件進(jìn)行優(yōu)化，從而得到符合我們指標(biāo)的設(shè)計(jì)結(jié)果，并通過(guò)MTF值和彌散斑等項(xiàng)目對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)的成像

146、質(zhì)量進(jìn)行了分析，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)元件的公差進(jìn)行制定和分析，從而得到一個(gè)現(xiàn)實(shí)可以加工也符合性能指標(biāo)的球幕投影系統(tǒng)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，最大的難點(diǎn)就是該系統(tǒng)要求有很大的視場(chǎng)角，也是本文的亮點(diǎn)，在選擇初始結(jié)構(gòu)的時(shí)候花了不少的時(shí)間，在現(xiàn)成的專利中很少有大視場(chǎng)角的光學(xué)系統(tǒng)，最終通過(guò)比較分析，選擇了魚眼物鏡作為我們的初始結(jié)構(gòu)，在最后的優(yōu)化中得到了很好的設(shè)計(jì)結(jié)果。但是由于時(shí)間有限，對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)無(wú)法面面具到

147、，例如對(duì)分辨率、點(diǎn)列陣等沒(méi)有做詳細(xì)的分析，希望在以后的研究設(shè)計(jì)中能做到更好。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>　　飛行模擬器作為航空航天事業(yè)中不可或缺的領(lǐng)域，而視景系統(tǒng)有是給飛行模擬器提供高逼真度的實(shí)景圖和訓(xùn)練感受的重要指標(biāo)。本文研究的球幕投影系統(tǒng)正好符合了飛行訓(xùn)練中大視場(chǎng)角的要求，所以球幕投影系統(tǒng)的的研究將會(huì)在航天航空事業(yè)中繼續(xù)得到

148、重視，世界各國(guó)也將會(huì)投入更多的人力物力在球幕投影系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)中，球幕投影系統(tǒng)將具有很好的發(fā)展前景，也將為航天航空事業(yè)作出杰出的貢獻(xiàn)。</p><p>　　根據(jù)目前高新技術(shù)的發(fā)展情況，在未來(lái)若干年內(nèi)，視景系統(tǒng)將在以下幾個(gè)主要技術(shù)發(fā)展方向取得巨大的進(jìn)展和突破，從而使訓(xùn)練模擬器視景系統(tǒng)甚至是整個(gè)模擬器的性能得到提升。這些技術(shù)主要包括：</p><p>　　1)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形圖像壓縮技術(shù)。模擬

149、訓(xùn)練任務(wù)的多樣化和復(fù)雜性需要越來(lái)越多的訓(xùn)練模擬器完成各種各樣的訓(xùn)練任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使的可以將許多單一功能的訓(xùn)練模擬器連在一起，進(jìn)行多成員、多任務(wù)的同時(shí)訓(xùn)練,這將顯著降低訓(xùn)練費(fèi)用并提高訓(xùn)練效率。</p><p>　　2)計(jì)算機(jī)圖形圖像生成技術(shù)。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形圖像生成技術(shù)的基礎(chǔ)上，目前新發(fā)展起來(lái)的基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的虛擬地形地貌生成技術(shù)可以利用來(lái)自國(guó)防測(cè)繪局的測(cè)繪數(shù)據(jù)或從衛(wèi)星獲得的高空光學(xué)照片或多光譜遙感圖像資

150、料，自動(dòng)生成世界上任何地點(diǎn)的地形地貌圖像[14]。</p><p>　　3)新型顯示器件。視景系統(tǒng)中應(yīng)用的顯示器件，從隔行掃描CRT顯示器到逐行掃描，再到LCD，顯示器件的技術(shù)發(fā)展很快。目前，一種被稱為有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)的新型顯示技術(shù)正飛速發(fā)展[15]。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1]　

151、Zhao Zhenyan. The present status and future directions of on-ground flight simulator[J]. Acta Aeronautica et Astronatica Sinica,1987,8(10):B451-B458· 趙震炎.地面飛行模擬器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].航空學(xué)報(bào),1987,8(10):B451-B458·</p>

152、<p>　　[2]　Wang Xingren. Status and development of flight simulation tech-nology[J]. International Aviation,1993,4:53-54· 王行仁.飛行仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].國(guó)際航空,1993,4:53-54·</p><p>　　[3]謝廣輝，魏少寧.飛行模擬器視景系統(tǒng)發(fā)展