一体化光学瞄准系统 【技术领域】
本发明涉及室内仿真环境下观察和瞄准相应视景与目标技术，具体地说是一种光学系统，它特别应用于模拟训练器。
背景技术
目前，已知的室内仿真环境下的光学瞄准系统由座在操作者操作的阻尼支架上的光学瞄准镜，计算机控制的CRT显示器、为了操作者通过瞄准镜观察显示器相对位置的准确而设置的六自由度的位置调整机构组成，见图1。此外，为保证操作者瞄准过程中瞄准镜和显示器之间相对位置的稳定，专设了两根钢杆，将瞄准镜的阻尼支架与六自由度的机械调整机构之间刚性连接，见图2。整个光学瞄准系统显得笨重而复杂。又由于瞄准镜的物镜与显示器之间有1.71米的距离，且显示器的显示面积有限，故观察者的视场有限。光学瞄准镜本身的视场仅为6°，又由于瞄准镜与显示屏之间是相对固定不动的，操作者操作支架手柄时瞄准镜是不动的，因而操作者的头和脖子是不动的，这与操作者操作真实系统搜索跟踪运动目标时的动作不相符，其实瞄准镜是运动的，因而操作者的头和脖子应该是随瞄准镜同时运动的。
【发明内容】
为了解决现有光学瞄准系统存在的设备笨重而复杂、观察者的观察视场与实际要求相比太小、操作者操作过程中头与脖子不动、与操作真实系统的状态不太相符等问题，本发明提供了一种结构简单、观察视场相对较大且操作过程中地肢体动作与实际情况完全相同的一体化光学瞄准系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：它由液晶显示器、反射镜、物镜、棱镜和目镜组组成，主光轴与液晶显示器垂直，第一反射镜与主光轴呈45度角设置，物镜位于与主光轴呈45度角的光路上并通过光轴，其所在光路前端与第一反射镜呈45度角；后端与第二反射镜呈45度角；棱镜的后一镜面与第二反射镜平行，前一镜面与光路垂直，目镜组与棱镜的后一镜面垂直、设于光路上；
所述物镜由前组物镜和后组物镜组成，其中前组物镜位于与主光轴呈45度角的光路前端，通过光轴、并与第一反射镜呈45度角；后组物镜安装在与主光轴呈45度角的光路后端，并与第二反射镜呈45度角；液晶显示器的有效显示区域为4～9英寸；反射镜的材料为光学玻璃，反射面型为平面；前组物镜由2～4片光学透镜组成，后组物镜由1～4片光学透镜组成；前组物镜的焦距为150～300mm，相对孔径为1∶3～1∶10；后组物镜的焦距为150～300mm，相对孔径为1∶3～1∶10；前组物镜和后组物镜的间隔为100～300mm；棱镜的材料为光学玻璃，而且是带屋脊面的施密特屋脊棱镜；目镜由3～6片光学透镜组成，焦距为100～200mm，相对孔径为1∶4～1∶10。
本发明具有如下优点：
本发明新型光学瞄准系统方案中，采用了6.4英寸的液晶显示器代替了原来的体积较大的CRT显示器，拉近了液晶显示器表面与瞄准镜物镜的距离，并从总体角度对瞄准镜进行了重新设计，将液晶显示器与潜望式瞄准镜设计成一体化的结构。由于取消了复杂笨重的承受CRT显示器的六自由度的机械调整机构，撤掉两根紧固钢杆，从而从根本上简化了原来整个瞄准系统的复杂性。另外，由于拉近了液晶显示器与瞄准物镜间的距离，因而使光学瞄准视场增加到30°(对角线视场)，观察者观察的有效视场比原来的有效视场增加了3.5倍，从而扩大了观察者的视野。
【附图说明】
图1为现有技术中光学瞄准系统结构示意图。
图2为图1中六自由度的位置调整机构结构示意图。
图3为本发明光学瞄准系统结构示意图。
图4为本发明光学瞄准系统原理图。
图5为本发明光学瞄准系统另一实施例原理图。
【具体实施方式】
如图3、4所示，本发明一体化的光学瞄准系统是由液晶显示器1、物镜、折轴转像系统和目镜组6组成；由液晶显示器1、反射镜、物镜01、棱镜5和目镜组6组成，主光轴与液晶显示器1垂直，第一反射镜21与主光轴呈45度角设置，所述物镜01由前组物镜3和后组物镜4组成，其中前组物镜3位于与主光轴呈45度角的光路前端，通过光轴、并与第一反射镜21呈45度角；后组物镜4安装在与主光轴呈45度角的光路后端，并与第二反射镜22呈45度角；棱镜5的后一镜面与第二反射镜22平行，前一镜面与光路垂直，目镜组6与棱镜5的后一镜面垂直、设于光路上。
光学系统的放大倍率为1.2～3.0；水平视场角为±10°～±15°；垂直视场角为±6°～±12°；对角线视场角为±10°～±30°；出瞳直径为φ3～φ5mm；出瞳距离为10～25mm；视度为±4～±5。
其中，物镜由两片至三片光学透镜组成，透镜的面型为旋转对称的二次球面。物镜焦距范围为50～300mm之间；折轴转像系统由与主光轴成45°角的折轴反射镜、施密特屋脊棱镜和透镜转像系统组成。其中透镜转像系统的放大倍率为1.2～3倍。目镜由三片～六片光学透镜组成，透镜的面型为二次旋转球面。本实施例目镜采用五片；目镜的焦距为100～200mm。
其参数如下：
前组物镜(3)由三片光学透镜组成，后组物镜(4)由三片光学透镜组成，目镜(6)由五片光学透镜组成，液晶显示器为6.4英寸。
组合的物镜焦距为f′物＝279.89mm；
目镜焦距为f′目＝199.5mm；
实测数据：光学放大倍率 1.4X；
水平视场角 ±12.46°；
垂直视场角 ±9.89°；
对角线视场角 ±14.74°；
出瞳距 22mm；
出瞳直径 φ4.8mm；
视度调节 ±4视度。
本发明工作原理：
由于本发明显示器与瞄准镜做成了一体化的结构，故将瞄准镜与阻尼支架的码盘转动机构固定在一起，如此一来，操作者在通过手柄转动码盘瞄准、跟踪、锁定运动目标的过程中，瞄准镜及显示器均相应跟随转动，所以操作者的头部和脖子势必跟随一起运动，这就完成了与真实系统相同的操作，这一点对训练操作者来说是非常重要的一种改进。
另外，为增强观察者观察视景和目标的真实感，采用了虚拟现实技术。计算机产生出三维的视景和目标图像，并将其传送给液晶显示器。此外，本发明很好地解决了地面匹配的问题，使运动物体(坦克)在各种地貌(丘陵、草地等)环境下，均真实地紧贴地面运动，坦克运动过后，其尾部产生出飞扬的尘土和烟雾，还可产生出阴天、雾天等各种天气环境，从而给通过瞄准镜观察的射手提供了逼真感极强的战场训练环境。
然而，在现有技术模拟训练器的原方案中，瞄准镜是座落在阻尼支架的支撑盘上的，该盘相对地面及显示器是固定不动的，因而瞄准镜相对前方的显示器都是固定不动的。操作者通过操纵支架上的方位和高低手柄，带动其内的码盘给出方位和高低的转动数据传到计算机中，由计算机处理及驱动显示器中的视景和运动目标的运动，再由操作者通过固定不动的瞄准镜的目镜观察显示器中运动的视景和运动目标转动方位和高低手柄，最终将运动目标锁定瞄准镜的十字线中心(整个跟踪和瞄准锁定是个动态的变化过程)。由此看来，在此是用视景和目标的运动代替瞄准镜运动来搜索和跟踪目标的。这样可以解决用瞄准镜转动搜索目标及视景所需很大很大显示器的问题，且这种显示器也是不存在的。为此采用了较小的显示器(14～15寸)，用目标和视景相对瞄准镜的运动来代替瞄准镜搜索外界视景和目标，而显示器是不动的，因此瞄准镜和显示器之间必定要刚性连接，以保证二者之间的十字中心是不变的。又为保证适当的视场角和一定的精度及调整的方便性，故采用了六自由度的调整机构和紧固的两条钢杆结构，以便轻松调整显示器和瞄准镜间的精确位置，故使得系统显得笨重而复杂，但在当时没有合适的液晶显示器，又不能选用很大很大显示器，采用瞄准镜固定不动方式的方案，该方案也应视为一种合理的选择。
本发明通过模拟训练器光学瞄准系统一体化的设计，使结构简单，观察视场相对较大，且操作过程中的肢体动作与操纵真实系统完全相同，从而解决了现有技术分离式设计方案中存在的视场角小，视野不开阔、瞄准镜与制导阻尼支架相对固定，训练时操作者的头和脖子固动不动以及视景、显示器和瞄准镜分离，需六自由度的机械调整机构，还得附设底盘和连接钢管等各种问题，而本发明视场角增大3.5倍，视野开阔，与真实的光瞄系统基本一致。瞄准镜随阻尼支架转动，训练时操作者的肢体动作与操作真实系统完全相同。视景显示和瞄准镜结构一体化，取消六自由度机械调整机构，底盘和连接钢管，结构简单。
实施例2
与实施例不同之处在于：采用8.4英寸的液晶显示器，前组物镜3由两片光学透镜组成，后组物镜4由两片光学透镜组成，目镜6由三片光学透镜组成，其优点是所用光学透镜数量减少了四片，但缺点是每片透镜负担解决的象差过重，增加了加工难度。选用8.4英寸的液晶显示器，会增大视场角扩大视野，但会相应增加瞄准镜的体积。
其中：物镜的焦距设计为200mm，目镜的焦距设计为142.85mm，光学放大倍率仍为1.4X。
垂直视场角 ±13.08°
水平视场角 ±17.21°
对角线视场角 ±21.17°
出瞳距 25mm
出瞳直径 φ4mm
视度调节 ±4视度