飞行模拟器目标显示变焦距系统设计

　　1　概　述

　　飞行模拟器是一个集光学、计算机、精密机械和饲服控制于一体的先进仪器,它放置在一个直径为5 m的显示球幕的中心,和模拟座舱相连接。当飞行员操作时,由计算机控制生成的实时景物图像通过光学系统投射在球幕上,飞行员所有的动作都会在球幕上显现相应的图形,与在空中飞行时所看到的目标和背景的大小、位置及姿态完全相同,形成一个仿真的飞行视觉环境。飞行模拟器由背景和目标两套光学成像显示系统组成,目标显示系统是一个10倍的变焦距系统。本文就目标显示变焦距系统在垂轴放大率β=-1时的特性和按最佳像面位置设计凸轮曲线作了探讨。

　　变焦距系统由于通常由前固定组、变倍组、补偿以及后固定组组成,系统结构形式比较复杂。如何选取各组元的焦距以及各组元之间的距离是变焦距系统初步设计阶段需考虑的重要问题,因为这些数值的确定将直接影响到整个变焦距系统设计的成败。其中,最为关键的是变倍组和补偿组的倍率选择。在倍率较大时应选择变倍组和补偿组倍率同时通过-1倍。同时变焦距系统的光学设计和像差校正应精心选择所控制的像差,在不影响整体调试的前提下尽量补偿高级像差,使所设计的变焦距系统成像质量优良。通常变焦距系统的凸轮曲线是按高斯光学设计的,它能保证不同距离时高斯像面既理想像面的距离不变,然而实际上各焦距处最佳像面和高斯像面并不重合,而且离焦量也不相等。为使变焦过程中最佳像面的位置不变以提高成像质量,应对按高斯光学计算的凸轮曲线进行修正。

　　2　通过β=-1时的变焦距系统的特性

　　变焦距系统最常采用的是机械补偿法变焦方式,它一般由前固定组、变倍组、补偿组以及后固定组组成。机械补偿法通常采用负组变倍,正组补偿的方式,正确地确定变倍组与补偿组之间的曲线运动方式是非常重要的。下面分析一下变倍曲线与补偿曲线的关系,设变倍组和补偿组的焦距分别为f2′和f3′,它们的初始位置的垂轴放大率分别为β20和β30,在变焦过程中的垂轴放大率分别为β2和β3,则由高斯光学可以推导出

　　可知,当β2=-1时,变倍组的共轭距L2有最大值,即|L2|有最小值,也就是说,此时,变倍组共轭距最短,共轭距变化最大。同时,在变焦过程中,变倍组与补偿组的合成共轭距是不变的,即补偿组共轭距的变化正好抵消了变倍组共轭距的变化,所以当β2=-1时,补偿组的共轭距也达到极值,移动量也达最大。图1即为变倍曲线和补偿曲线的示意图,从图2中可看出,对应于一个β2同时存在两个β3值β31和β32都可实现像面补偿,当|β2|由小到大递增时, |β31|先由大到小递减,当β2=-1时,|β31|出现了极值,随后便由小到大递增了。|β32|则正好与|β31|相反。