航空光学工程

中国的航空工业起步较晚。
新中国成立之前，我国的航空工业基本上是以修理为主，重要零部件都是从国外购买的。
1949年，中华人民共和国成立，中国人民从此站起来了，自此中国航空工业进入快速发展阶段。
1951年4月18日，中央决定在重工业部成立航空工业局，新中国的航空工业终于在“一穷二白”的基础上诞生，正式开启了航空工业的创建历程，此后，中国航空工业经历了“一无所有”“修理仿制”“自主创新”的坎坷道路。
1959年，成功试飞第一架超声速喷气式飞机歼-6。
1965年，自主设计的强-5强击机设计定型。
1968年，自主设计制造的高空高速歼击机首飞成功。
1970年，成立中国航空火力控制系统研究所，成功研制出我国第一台航空光学瞄准具样机，并迅速装备歼-6和歼-7飞机。
改革开放以来，中国的航空工业取得了突飞猛进的发展，研制和装备了不同用途的军用和商用飞机，包括J-20歼击机、运-20大型运输机、先进的武装直升机、无人机以及大型民航客机。
1980年，研制成功我国第一台平视瞄准显示系统原理样机。
1982年，完成平视瞄准显示系统鉴定试飞，取得机载火控系统研制的重大突破，并陆续装备在歼-8Ⅱ及所有的在役飞机上。
随着现代飞机和近代光学技术的快速发展，各种用途的飞机对机载火控系统提出了越来越高的技术要求。更为重要的是，人们对光学成像技术（包括微光、激光、红外成像技术）和光学制造技术（常规光学制造技术以及诸如全息光学、二元光学和微纳米光学等非传统光学制造技术）的认识愈加深入和成熟。与其它应用领域一样，作为信息载体的光电子学技术在航空领域的独特优势更加明显，从而在全世界范围内受到重视、研究和应用。研究者陆续研发出综合火控系统，包括机载红外探测系统、多光谱多目标探测跟踪系统、全天候昼夜侦察系统和各种机载武器光学制导系统。
实践证明，机载光电子火控系统和光电制导武器在军用飞机（包括战斗机、武装直升机和无人机）中的应用和地位已经举足轻重，并成为必装设备。工作波长从可见光成像发展到可见光、近红外、中波红外、长波红外、激光宽波谱成像，光学元件系统从传统的折射反射型结构发展到衍射型（包括全息元件和二元光学元件）、光波导型、微纳米型等混合结构，光学系统的成像原理从传统的几何成像理论发展到衍射成像、偏振成像和光谱成像等多种成像理论。军用飞机对空地的攻击能力、昼夜及各种恶劣气候条件下的作战能力、制导武器的成功率、空中告警、目标探测以及作战有效性等方面都有了长足发展。
本书是在参考国内外大量相关资料的基础上编撰而成的，系统阐述了国内外重要机载光电设备的发展历史、主要类型、基本结构及典型性能。不仅介绍传统的光学成像理论，更注重现代光学成像技术；既讨论普通的光学设计方法，又尽量多地列举有代表性的机载光学系统设计实例，使书中所述光学成像技术既适用于军事领域，又在众多民用领域中也具有重要参考价值。
《航空光学工程》由十三章和两个附录组成。
第1章，绪论。
第2章，光学成像基本理论。
第3章，现代光学设计技术。
第4章，光电探测器和图像源。
第5章，平视瞄准显示技术。
第6章，头盔瞄准显示技术。
第7章，电视摄像技术。
第8章，夜视技术。
第9章，激光技术。
第10章，红外搜索跟踪技术。
第11章，综合跟踪瞄准技术。
第12章，光电告警与对抗技术。
第13章，武器光学制导技术。
附录A，红外辐射在大气中的传输特性。
附录B，红外光学材料。
清华大学教授、中国工程院院士金国藩先生，长春理工大学教授、中国工程院院士姜会林先生和中国工程物理研究院研究员、中国工程院院士范国滨先生对本书的出版给予了极大关注和支持。中国航空工业集团公司孙隆和（原总设计师）研究员、何磊（副总设计师）研究员、张良研究员、曾威研究员、张元生研究员、穆学桢研究员，以及周亮和赖宏辉高级工程师等分别对相关章节进行了认真审核，并提出了宝贵意见，在此表示衷心感谢！
本书撰写和修改过程中，在一些技术问题上与相关专家学者——祖成奎、黄存新、李晓峰、邢冀川、周华君、王立伟、谢建英、沈兆国、许军峰等进行了深入的探讨，受益匪浅，在此深表谢意！
还要感谢魏丽娜、张小相、王旭、邵新征和朱安志等同志的支持和真诚帮助!
对本书的出版，化学工业出版社的编辑给予了极大支持和鼓励，进行了认真审校，为此特别致以谢意！
本书可供航空领域（不局限于航空领域）从事光学仪器设计、光学系统和光机结构设计研发的设计师，光机制造工艺和光机材料研究的工程师阅读，也可以用作大专院校相关专业本科生、研究生和教师的参考书。希望本书能够对军事（尤其是航空航天）和民用光学仪器应用中的设计、开发、评价和应用提供有益指导，并敬请读者提出宝贵意见。
2023年，是中国航空工业创业72周年。希望《航空光学工程》一书的出版能够为中国航空工业的快速发展和现代化国防力量的进一步增强做出点滴贡献。

编著者
二〇二三年 五一劳动节

本书是在参考国内外大量相关资料基础上编撰而成，首次完整和详细地介绍了航空火控系统与电子光学工程的密切关系, 航空光学系统的发展史, 主要类型和技术性能, 以及未来发展方向。系统阐述了国内外重要机载光电设备的发展历史、主要类型、基本结构及典型性能。不仅介绍传统的光学成像理论，更注重现代光学成像技术；既讨论普通的光学设计方法，又尽量多地列举有代表性的机载光学系统设计实例，使书中所述光学成像技术既适用于军事领域，在众多民用领域中也具有重要参考价值。

无

第1章绪论1
1.1航空飞行系统2
1.2航空火力控制系统4
1.2.1航空火力控制系统的主要任务和基本要求4
1.2.2航空火力控制系统的基本组成6
1.2.3航空火力控制系统的发展8
1.3航空光学工程17
1.3.1光电成像技术基本类型17
1.3.2光电成像技术的未来21
参考文献24

第2章光学成像基本理论27
2.1概述28
2.2几何光学成像的基本概念30
2.2.1光线的折射和反射31
2.2.2光学元件31
2.2.3光学系统的基点33
2.2.4几何作图法确定光学系统的理想像35
2.2.5理想光学系统的物像关系36
2.2.6无限远物体对应的像高38
2.2.7薄透镜和厚透镜38
2.2.8理想光学系统的组合39
2.3望远镜系统40
2.3.1基本结构41
2.3.2光学系统性能43
2.4望远物镜系统48
2.4.1反射式望远物镜48
2.4.1.1共轴反射式望远物镜48
2.4.1.2离轴反射式望远物镜51
2.4.1.3反射镜结构参数的考虑56
2.4.2折射反射式望远物镜56
2.4.2.1基本形式57
2.4.2.2设计实例59
2.4.3折射式望远物镜63
2.4.3.1库克望远物镜63
2.4.3.2天塞望远物镜和海利亚望远物镜64
2.4.3.3双高斯望远物镜65
2.4.3.4摄远物镜和反摄远物镜67
2.5变焦望远物镜光学系统68
2.5.1变焦望远物镜光学系统的发展68
2.5.2变焦望远物镜光学系统类型72
2.5.2.1径向变焦望远物镜光学系统74
2.5.2.2轴向变焦望远物镜光学系统76
2.5.3双视场柔性切换成像系统113
2.6目镜光学系统114
2.6.1目镜主要特点114
2.6.2目镜基本类型116
2.6.2.1冉斯登目镜和惠更斯目镜116
2.6.2.2凯尔纳目镜和对称目镜116
2.6.3目镜复杂化117
2.6.4一种特殊的类目镜系统——平视瞄准显示光学系统120
参考文献121

第3章现代光学设计技术125
3.1全息光学成像技术126
3.1.1基本概念127
3.1.2全息光学元件129
3.1.2.1点源全息技术130
3.1.2.2全息光学元件的基本性质133
3.1.3等效透镜设计模型139
3.1.4连续透镜记录技术141
3.1.5全息光学元件的记录技术143
3.2二元光学成像技术144
3.2.1普通型二元衍射透镜145
3.2.1.1二元光学元件的特性146
3.2.1.2典型的设计实例(折衍混合光学系统)149
3.2.2谐衍射型二元光学透镜159
3.2.2.1二元光学谐衍射单透镜159
3.2.2.2双层谐衍射透镜166
3.2.3二元光学元件的制造工艺172
3.3光学波导技术173
3.3.1全息光学波导技术的发展173
3.3.2全息光学波导技术的基本原理174
3.3.3耦合输入输出元件的类型175
3.3.3.1“半透射半反射”阵列式几何光学波导技术175
3.3.3.2“表面浮雕光栅”式二元光学波导技术177
3.3.3.3“体全息光栅”式衍射光学波导技术178
3.3.4双色波导显示技术179
3.3.5光波导式平视瞄准显示系统184
3.4微米和纳米光学技术185
3.4.1微机电系统186
3.4.2微光学系统188
3.4.2.1平面基底型微光学透镜阵列191
3.4.2.2曲面基底型微光学透镜阵列200
3.4.3微光机电系统206
3.4.4微米和纳米透镜制造技术208
3.5编码孔径成像技术209
3.5.1无透镜波前编码成像技术210
3.5.2透镜型混合编码成像技术213
3.6偏振成像技术219
3.6.1偏振成像的基本原理219
3.6.2偏振成像技术的发展221
3.6.2.1国外偏振成像技术的发展221
3.6.2.2国内偏振成像技术的发展225
3.6.3偏振光成像技术的主要类型225
3.6.3.1分时型偏振成像技术226
3.6.3.2同时型偏振成像技术226
3.6.3.3基于光谱调制的偏振成像技术228
3.7光谱成像技术231
3.7.1基本概念231
3.7.2光谱成像技术基本原理和类型235
3.7.2.1扫描式光谱成像技术235
3.7.2.2快照式光谱成像技术240
3.7.2.3计算光谱成像技术241
参考文献241

第4章光电探测器和图像源247
4.1眼睛248
4.1.1眼睛的基本结构和相关参数248
4.1.2简约眼模型250
4.1.3瞳孔直径与物体亮度254
4.1.4眼睛的视轴和视场254
4.1.5眼睛分辨本领256
4.1.6眼睛的视觉局限性257
4.2可见光图像接收器263
4.2.1航空照相胶片263
4.2.2光电成像器件265
4.2.2.1电真空成像器件265
4.2.2.2固体摄像器件266
4.3微光像增强器280
4.3.1微光像增强器的基本组成280
4.3.2微光像增强器的基本性能283
4.3.3微光像增强器的基本类型286
4.3.3.1主动式微光夜视像增强器286
4.3.3.2被动式微光夜视像增强器286
4.4红外探测器334
4.4.1红外探测器的发展335
4.4.2基本技术要求和性能参数338
4.4.2.1响应率339
4.4.2.2噪声等效功率340
4.4.2.3探测率341
4.4.2.4光谱响应344
4.4.2.5响应时间345
4.4.2.6分辨率346
4.4.2.7噪声等效温差346
4.4.2.8最小可分辨温差346
4.4.2.9背景辐射限性能347
4.4.3红外探测器类型347
4.4.3.1热敏红外探测器347
4.4.3.2光子红外探测器350
4.4.3.3双色多色红外焦平面阵列探测器368
4.5紫外探测器369
4.6平视（头盔）瞄准显示系统的图像源371
4.6.1阴极射线管374
4.6.2液晶显示图像源378
4.6.2.1有源矩阵液晶显示器379
4.6.2.2硅基液晶显示器381
4.6.2.3硅基铁电液晶显示器381
4.6.2.4有机发光二极管显示器382
4.6.3数字微镜装置384
4.6.4航电系统的全景投影显示器387
参考文献390

第5章平视瞄准显示技术393
5.1概述394
5.1.1平视瞄准显示技术的发展394
5.1.2军用平视瞄准显示技术398
5.1.3民用平视显示技术401
5.2光学瞄准具403
5.3平视瞄准显示系统408
5.3.1平视瞄准显示系统基本组成409
5.3.1.1驾驶员显示组件410
5.3.1.2电子组件413
5.3.1.3控制面板413
5.3.2平视瞄准显示系统的工作原理413
5.4平视瞄准显示系统技术要求416
5.4.1光学系统峰值波长416
5.4.2飞行员眼点位置416
5.4.3飞行员眼睛活动范围416
5.4.4显示视场417
5.4.4.1总视场418
5.4.4.2瞬时视场419
5.4.4.3安装方式对视场的影响425
5.4.5光学系统通光孔径和焦距426
5.4.6组合玻璃426
5.4.7显示精度428
5.4.8视差429
5.4.8.1光学像差造成的视差430
5.4.8.2图像源显示表面面形误差造成的视差431
5.4.8.3离焦造成的视差431
5.4.8.4综合视差432
5.4.9显示字符的基本要求433
5.4.9.1显示字符颜色433
5.4.9.2显示字符亮度433
5.4.9.3字符对比度对比率调制对比度436
5.4.9.4显示字符线宽439
5.4.9.5副像亮度439
5.4.10视频图像的质量要求440
5.4.11光学系统畸变440
5.4.12备用光学系统440
5.4.13舱盖风挡玻璃的影响442
5.4.13.1风挡玻璃的光学功能443
5.4.13.2风挡玻璃的材料和结构形状444
5.4.13.3风挡玻璃影响光学成像质量的主要因素446
5.5普通折射型平视瞄准显示系统447
5.5.1常规型平视瞄准显示系统448
5.5.2光栅式平视瞄准显示系统453
5.6衍射光学平视瞄准显示系统456
5.6.1单片型衍射光学平视瞄准显示系统459
5.6.2双片型衍射光学平视瞄准显示系统460
5.6.3低畸变衍射光学平视瞄准显示系统463
5.6.3.1混合记录方式制造全息组合玻璃464
5.6.3.2双全息元件型低畸变衍射光学系统466
5.6.4三元件组合型衍射光学平视瞄准显示系统467
5.6.5皱褶负滤光片组合玻璃型平视瞄准显示系统469
5.7光波导平视瞄准显示系统472
5.7.1衍射光波导瞄准显示光学系统475
5.7.2阵列光波导瞄准显示系统477
5.8民用航空平视显示器480
5.8.1概述480
5.8.2全息平视显示器485
5.8.2.1基本组成485
5.8.2.2基本性能488
5.9与平视显示装置相组合的视景系统490
5.9.1视景增强系统（EVS）和平视显示装置（HUD）的组合491
5.9.1.1视景增强系统(EVS)492
5.9.1.2增强飞行视景系统(EFVS)496
5.9.2增强飞行视景系统（EFVS）与合成视景系统（SVS）的组合502
5.9.2.1合成视景系统(SVS)503
5.9.2.2组合视景系统(CVS)506
5.10平视瞄准显示系统的发展509
参考文献510

第6章头盔瞄准显示技术515
6.1概述516
6.1.1机载头盔瞄准具520
6.1.2机载头盔显示器524
6.1.3机载头盔综合瞄准显示系统530
6.1.3.1普通型头盔综合瞄准显示系统531
6.1.3.2光学波导式综合头盔瞄准显示系统538
6.1.3.3高级头盔视觉系统540
6.1.3.4彩色头盔指引系统544
6.1.3.5立体式头盔瞄准显示系统547
6.2机载头盔瞄准显示系统的基本组成548
6.2.1头盔显示组件549
6.2.2头盔定位组件551
6.2.2.1机电式跟踪定位技术552
6.2.2.2超声波跟踪定位技术552
6.2.2.3电磁式跟踪定位技术554
6.2.2.4光电式跟踪定位技术556
6.2.2.5光学-惯性跟踪定位技术567
6.2.2.6眼动跟踪定位技术569
6.2.3头盔壳体组件573
6.2.4电子组件和控制组件579
6.3头盔瞄准显示系统的技术要求579
6.3.1小型化图像源581
6.3.2头盔瞄准显示系统的视场582
6.3.3头部活动范围583
6.3.4头盔瞄准显示系统的分辨率584
6.3.4.1光学系统的分辨率定义与判断准则584
6.3.4.2光学系统的分辨率与像差的关系585
6.3.5光学传递函数587
6.3.6出瞳直径和出瞳距离589
6.3.7显示亮度对比率亮度均匀性590
6.3.8光学系统透射率591
6.3.9瞄准线测量精度592
6.3.10畸变593
6.3.11视差593
6.3.12对显示符号和信息的基本要求594
6.3.13重量595
6.3.14其它要求596
6.4光学系统597
6.4.1单目头盔瞄准显示系统598
6.4.2双目头盔瞄准显示系统603
6.4.3光学系统设计技术608
6.4.3.1透射式光学系统609
6.4.3.2反射式光学系统610
6.4.3.3折射反射式光学系统610
6.4.3.4护目镜组合玻璃式光学系统612
6.4.4自由曲面组合玻璃型光学系统615
6.4.5光学全息头盔瞄准显示系统624
6.4.5.1平面光学全息型头盔瞄准显示光学系统624
6.4.5.2平板光学波导式头盔瞄准显示系统626
6.4.6视网膜式头盔瞄准显示系统639
6.5未来的头盔瞄准显示技术641
参考文献642

第7章电视摄像技术647
7.1概述648
7.1.1机载侦察监视系统基本类型649
7.1.1.1有人无人驾驶侦察机监视系统649
7.1.1.2微波雷达电子光学侦察监视设备650
7.1.1.3低空中空高空光学侦察设备650
7.1.1.4可见光航空侦察相机652
7.1.2机载侦察监视系统的技术要求654
7.2机载电视摄像系统655
7.2.1胶片型机载电视摄像系统655
7.2.2CCDCMOS型电视摄像系统658
7.2.2.1CCD相机和胶片型相机兼容技术659
7.2.2.2线阵CCD探测器和扫描成像技术660
7.2.2.3面阵CCD分幅式航空侦察技术661
7.2.2.4双波段航空侦察技术667
7.3光学系统672
7.3.1折射式光学系统673
7.3.2折反式光学系统674
7.3.3双波段光学系统675
7.4振动控制技术676
7.5像移补偿技术677
7.6自动调焦技术681
7.7CCD航空侦察系统的最小焦距682
7.8光能量控制技术683
7.9图像拼接技术684
7.10机载摄录像系统686
7.10.1航空照相枪687
7.10.2机载视频摄录像系统689
参考文献695

第8章夜视技术699
8.1概述700
8.1.1夜视技术类型701
8.1.2夜视技术的典型应用703
8.2微光夜视技术704
8.2.1概述704
8.2.2微光夜视技术的发展707
8.2.3微光夜视仪的基本类型713
8.2.3.1直视型微光夜视系统713
8.2.3.2电视型微光夜视系统715
8.2.4微光夜视仪的基本性能716
8.2.4.1技术性能717
8.2.4.2人的因素718
8.2.4.3适用性720
8.2.4.4总成本720
8.2.5直视型微光夜视仪光学系统720
8.2.5.1一体式机载微光夜视仪722
8.2.5.2分体式机载微光夜视仪728
8.2.5.3直视式机载微光夜视镜的改进729<