CN106997090B - 一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统，设置在像增强器阴极面的前方，沿光线的传播方向依次同轴设置有第一弯月形负透镜、第一弯月正形透镜、双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、色差校正透镜组和第三弯月负形透镜。本发明提供一种用于微光电视成像系统的大视场、大相对孔径前置物镜光学系统，视场50°，相对孔径1:1.0；物镜T数≤1.2，光学长度≤55mm。有效提高了对微弱光线的聚光能力及系统的灵敏度，用于将微弱自然光（如星光、月光和大气辉光）照射下的目标成像在像增强器阴极面上。

Description

一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统
技术领域
本发明属于微光电视成像系统技术领域，具体涉及一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统。
背景技术
微光电视成像系统是利用星光、月光和大气辉光由目标表面反射后经前置物镜聚焦于像增强器光阴极面，利用图像增强器件对暗弱目标光辐射信号进行增强放大后成像的技术。便于进行夜间观察。
微光电视系统在军事领域起着举足轻重的地位，通过微光电视系统，前线战士可以在夜间清晰洞察到敌军的动静，而且可将视频传输到位于战线后方的指挥中心，指挥人员也可以清晰的了解到前线作战情况并根据情况的不同制定合理的应战措施，因此研究微光电视成像系统具有重要意义。
微光电视成像系统的主要工作原理如图1所示，自然光由目标表面反射进入前置物镜11后聚焦成像在像增强器10的阴极面上，通过像增强器进行信号的增强放大，在像增强器的荧光屏上成像，再由中继耦合光学系统12将荧光屏的像耦合至CMOS/CCD成像探测器13上，然后在图像显示器14进行图像显示供人眼观察。
中国期刊《兵工学报》在2014年8月出版的第35卷第8期1308～1312页刊登了张良、潘晓东发表的题为“采用塑料光学元件的微光夜视物镜设计”的论文。文中介绍了一种采用光学玻璃元件和光学塑料元件混合的微光夜视物镜，用于降低系统重量。该系统相对孔径为1/1.2，视场为40°。由于塑料元件的光学性能受温度影响较大，引入非球面用于实现系统无热化设计，非球面透镜的加工成本高，对系统的装配精度要求高。此外，该系统存在相对孔径小，系统像面照度低的缺陷。
申请号为201510474928.8的中国专利申请公开了一种广角微光摄像镜头，该系统相对孔径为1/1.2，由于像增强器中心的光照度与前置物镜相对孔径的平方成正比，为使像面有足够的照度，需要大相对孔径的物镜。此外，该系统镜片数量较多，由11片透镜组成，因此系统透过率不高、对微弱光线的聚光能力不够，系统的灵敏度不高。
申请号为201420804888.X的中国专利申请公开了一种用于微光夜视前置镜，该系统总长达285mm，光学系统长、体积大，在实际应用中难于满足微光电视成像系统的小型化、轻量化的要求。
发明内容
为了解决传统的微光电视成像前置物镜光学系统相对孔径小、聚光能力低的技术问题，本发明提供一种用于微光电视成像系统的大视场、大相对孔径前置物镜光学系统，用于将微弱自然光如星光、月光和大气辉光照射下的目标成像在像增强器上，能够有效提高微光电视成像系统对微弱光线的聚光能力及系统的灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统，设置在像增强器的前方，沿光线的传播方向依次同轴设置有第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜、双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、色差校正透镜组和第二弯月形负透镜。
所述色差校正透镜组由第四双凸正透镜与第二弯月形正透镜胶合而成；所述第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜均弯向像方，第二弯月形正透镜、第二弯月形负透镜均弯向物方。
所述第四双凸正透镜满足条件：0.85≤f 7/f≤0.95，Nd7>1.65，Vd7<50，其中f为光学系统总焦距、f 7为第四双凸正透镜的有效焦距、Nd7为第四双凸正透镜材料的d线折射率、Vd7为第四双凸正透镜材料的d线阿贝常数；所述第二弯月形正透镜满足条件：3≤f 8/f≤3.8，Nd8>1.85，Vd8<25，其中f为光学系统总焦距、f 8为第二弯月形正透镜的有效焦距、Nd8为第二弯月形正透镜材料的d线折射率、Vd8为第二弯月形正透镜材料的d线阿贝常数。
所述第一弯月形负透镜满足条件：-4.1≤f 1/f≤-3.6，Nd1<1.55，Vd1>65，其中f为光学系统总焦距、f 1为第一弯月形负透镜的有效焦距、Nd1为第一弯月形负透镜材料的d线折射率、Vd1为第一弯月形负透镜材料的d线阿贝常数。
所述第一弯月形正透镜满足条件：2.3≤f 2/f≤2.6，Nd2>1.85，Vd2<35，其中f为光学系统总焦距、f 2为第一弯月形正透镜的有效焦距、Nd2为第一弯月形正透镜材料的d线折射率、Vd2为第一弯月形正透镜材料的d线阿贝常数。
所述双凹负透镜满足条件：-0.8≤f 3/f≤-0.6，Nd3>1.75，Vd3<30，其中f为光学系统总焦距、f 3为双凹负透镜的有效焦距、Nd3为双凹负透镜材料的d线折射率、Vd3为双凹负透镜材料的d线阿贝常数。
所述第一双凸正透镜满足条件：1≤f 4/f≤1.3，Nd4>1.85，Vd4<35，其中f为光学系统总焦距、f 4为第一双凸正透镜的有效焦距、Nd4为第一双凸正透镜材料的d线折射率、Vd4为第一双凸正透镜材料的d线阿贝常数。
所述第二双凸正透镜满足条件：1.2≤f 5/f≤1.4，Nd5>1.65，Vd5>50，其中f为光学系统总焦距、f 5为第二双凸正透镜的有效焦距、Nd5为第二双凸正透镜材料的d线折射率、Vd5为第二双凸正透镜材料的d线阿贝常数；所述第三双凸正透镜满足条件：3≤f 6/f≤3.5，Nd6<1.70，Vd6<55，其中f为光学系统总焦距、f 6为第三双凸正透镜的有效焦距、Nd6为第三双凸正透镜材料的d线折射率、Vd6为第三双凸正透镜材料的d线阿贝常数。
所述第二弯月形负透镜满足条件：-0.85≤f 9/f≤-0.8，Nd9>1.85，Vd9<25，其中f为光学系统总焦距、f 9为第二弯月形负透镜满的有效焦距、Nd9为第二弯月形负透镜满材料的d线折射率、Vd9为第二弯月形负透镜满材料的d线阿贝常数。
所述第一弯月形正透镜与所述双凹负透镜之间于光轴上的距离为T23，所述第二双凸正透镜与所述第三双凸正透镜之间于光轴上的距离为T56，所述第二双凸正透镜于光轴上的厚度为CT5，满足以下条件：0.68≤T23+T56/CT5≤1.30。
本发明的有益效果是：
1、发明提供一种用于微光电视成像系统的大视场、大相对孔径前置物镜光学系统，相对孔径1:1.0；物镜T数≤1.2，有效提高了对微弱光线的聚光能力及系统的灵敏度。
2、通过各透镜光焦度的合理分配、不同材料相互搭配，有效减小各种像差对系统的影响，本发明使用的透镜数量少，长度和体积小，光学长度≤55mm，从而实现微光电视成像系统的小型化和轻量化。
3、系统各透镜的入射面和出射面全部采用球面，降低了镜片的加工难度，放宽了系统的误差容许值，有效降低系统装调难度，从而提高了系统装调效率，进而降低生产成本。
4、系统最后一片镜片即靠近像增强器，设置有弯向物方的弯月形负透镜，有利于校正系统的匹兹万场曲、平衡整个物镜的畸变。此外，可有效消除由于增强器窗口玻璃的反射在像面产生鬼像。
附图说明
图1是微光电视成像系统原理框图；
图2是本发明的光路图；
图3是本发明的传递函数图；
图4是本发明的场曲畸变图；
图5是本发明的垂轴色差图；
图6是本发明的球面像差曲线图。
附图标记：1、第一弯月形负透镜，2、第一弯月形正透镜，3、双凹负透镜，4、第一双凸正透镜，5、第二双凸正透镜，6、第三双凸正透镜，7、第四双凸正透镜，8、第二弯月形正透镜，9、第二弯月形负透镜，10、像增强器，11、前置物镜，12、中级耦合光学系统，13、CMOS/CCD成像探测器，14、图像显示器。
具体实施方式
下面根据附图具体说明本发明的实施方式。
如图2所示，一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统，设置在像增强器10的前方并成像在像增强器10的阴极面上，沿光线的传播方向依次同轴设置有第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2、双凹负透镜3、第一双凸正透镜4、第二双凸正透镜5、第三双凸正透镜6、色差校正透镜组和第二弯月形负透镜9。色差校正透镜组由第四双凸正透镜7与第二弯月形正透镜8胶合而成，第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2均弯向像方，第二弯月形正透镜8、第二弯月形负透镜9均弯向物方。
第一弯月形负透镜1满足条件：-4.1≤f 1/f≤-3.6，Nd1<1.55，Vd1>65，其中f为光学系统总焦距、f 1为第一弯月形负透镜1的有效焦距、Nd1为第一弯月形负透镜1材料的d线折射率、Vd1为第一弯月形负透镜1材料的d线阿贝常数。
第一弯月形正透镜2满足条件：2.3≤f 2/f≤2.6，Nd2>1.85，Vd2<35，其中f为光学系统总焦距、f 2为第一弯月形正透镜2的有效焦距、Nd2为第一弯月形正透镜2材料的d线折射率、Vd2为第一弯月形正透镜2材料的d线阿贝常数。
双凹负透镜3满足条件：-0.8≤f 3/f≤-0.6，Nd3>1.75，Vd3<30，其中f为光学系统总焦距、f 3为双凹负透镜3的有效焦距、Nd3为双凹负透镜3材料的d线折射率、Vd3为双凹负透镜3材料的d线阿贝常数。
第一双凸正透镜4满足条件：1≤f 4/f≤1.3，Nd4>1.85，Vd4<35，其中f为光学系统总焦距、f 4为第一双凸正透镜4的有效焦距、Nd4为第一双凸正透镜4材料的d线折射率、Vd4为第一双凸正透镜4材料的d线阿贝常数。
第二双凸正透镜5满足条件：1.2≤f 5/f≤1.4，Nd5>1.65，Vd5>50，其中f为光学系统总焦距、f 5为第二双凸正透镜5的有效焦距、Nd5为第二双凸正透镜5材料的d线折射率、Vd5为第二双凸正透镜5材料的d线阿贝常数；
第三双凸正透镜6满足条件：3≤f 6/f≤3.5，Nd6<1.70，Vd6<55，其中f为光学系统总焦距、f 6为第三双凸正透镜6的有效焦距、Nd6为第三双凸正透镜6材料的d线折射率、Vd6为第三双凸正透镜6材料的d线阿贝常数。
第四双凸正透镜7满足条件：0.85≤f 7/f≤0.95，Nd7>1.65，Vd7<50，其中f为光学系统总焦距、f 7为第四双凸正透镜7的有效焦距、Nd7为第四双凸正透镜7材料的d线折射率、Vd7为第四双凸正透镜7材料的d线阿贝常数。
第二弯月形正透镜8满足条件：3≤f 8/f≤3.8，Nd8>1.85，Vd8<25，其中f为光学系统总焦距、f 8为第二弯月形正透镜8的有效焦距、Nd8为第二弯月形正透镜8材料的d线折射率、Vd8为第二弯月形正透镜8材料的d线阿贝常数。
第二弯月形负透镜9满足条件：-0.85≤f 9/f≤-0.8，Nd9>1.85，Vd9<25，其中f为光学系统总焦距、f 9为第二弯月形负透镜9的有效焦距、Nd9为第二弯月形负透镜9材料的d线折射率、Vd9为第二弯月形负透镜9材料的d线阿贝常数。
通过各透镜光焦度的合理分配、不同材料相互搭配，有效减小各种像差对系统的影响，本发明使用的透镜数量少，长度和体积小，光学长度≤55mm，从而实现微光电视成像系统的小型化和轻量化。
第一弯月形正透镜2与双凹负透镜3之间于光轴上的距离为T23，第二双凸正透镜5与第三双凸正透镜6之间于光轴上的距离为T56，第二双凸正透镜5于光轴上的厚度为CT5，满足以下条件：0.68≤T23+T56/CT5≤1.30。
与本发明相匹配的像增强器10选择为1XZ18/18WHP-LY高性能超二代像增强器。
优选地，各个透镜的面型、尺寸及所用玻璃材料如表1所示，其中曲率半径、厚度、间隔和口径的单位均匀mm。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
系统各透镜的入射面和出射面全部采用球面，降低了镜片的加工难度，放宽了系统的误差容许值，有效降低系统装调难度，从而提高了系统装调效率，进而降低生产成本。
在像增强器10的前方设置第二弯月形负透镜9，且第二弯月形负透镜9与像增强器10的距离为2mm。通过设置第二弯月形负透镜9，有利于校正系统匹兹万场曲、平衡整个物镜的畸变和消除由于增强器窗口玻璃的反射在像面产生鬼像。
本发明实现的技术指标为：波段0.5μm～0.9μm；相对孔径1:1.0；物镜T数≤1.2；视场50°；焦距20mm；光学长度≤55mm。本发明的相对孔径1:1.0；物镜T数≤1.2，有效提高了对微弱光线的聚光能力及系统的灵敏度。
经过仿真分析，如图3所示，选用的像增强器对应空间频率为40lp/mm时，系统传递函数最低为0.2；如图4所示，畸变在3/4视场内小于5%；如图5所示，显示系统垂轴色差得到了很好的校正；如图6所示，显示系统球面像差得到了很好的校正。
以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统，设置在像增强器（10）的前方，其特征在于：所述光学系统由沿光线的传播方向依次同轴设置的第一弯月形负透镜（1）、第一弯月形正透镜（2）、双凹负透镜（3）、第一双凸正透镜（4）、第二双凸正透镜（5）、第三双凸正透镜（6）、色差校正透镜组和第二弯月形负透镜（9）组成；所述色差校正透镜组由第四双凸正透镜（7）与第二弯月形正透镜（8）胶合而成；所述第一弯月形负透镜（1）、第一弯月形正透镜（2）均弯向像方，第二弯月形正透镜（8）、第二弯月形负透镜（9）均弯向物方：
所述第一弯月形负透镜（1）满足条件：-4.1≤f 1/f≤-3.6，Nd1<1.55，Vd1>65，其中f为光学系统总焦距、f 1为第一弯月形负透镜（1）的有效焦距、Nd1为第一弯月形负透镜（1）材料的d线折射率、Vd1为第一弯月形负透镜（1）材料的d线阿贝常数；
所述第一弯月形正透镜（2）满足条件：2.3≤f 2/f≤2.6，Nd2>1.85，Vd2<35，其中f为光学系统总焦距、f 2为第一弯月形正透镜（2）的有效焦距、Nd2为第一弯月形正透镜（2）材料的d线折射率、Vd2为第一弯月形正透镜（2）材料的d线阿贝常数；
所述双凹负透镜（3）满足条件：-0.8≤f 3/f≤-0.6，Nd3>1.75，Vd3<30，其中f为光学系统总焦距、f 3为双凹负透镜（3）的有效焦距、Nd3为双凹负透镜（3）材料的d线折射率、Vd3为双凹负透镜（3）材料的d线阿贝常数；
所述第一双凸正透镜（4）满足条件：1≤f 4/f≤1.3，Nd4>1.85，Vd4<35，其中f为光学系统总焦距、f 4为第一双凸正透镜（4）的有效焦距、Nd4为第一双凸正透镜（4）材料的d线折射率、Vd4为第一双凸正透镜（4）材料的d线阿贝常数；
所述第二双凸正透镜（5）满足条件：1.2≤f 5/f≤1.4，Nd5>1.65，Vd5>50，其中f为光学系统总焦距、f 5为第二双凸正透镜（5）的有效焦距、Nd5为第二双凸正透镜（5）材料的d线折射率、Vd5为第二双凸正透镜（5）材料的d线阿贝常数；
所述第三双凸正透镜（6）满足条件：3≤f 6/f≤3.5，Nd6<1.70，Vd6<55，其中f为光学系统总焦距、f 6为第三双凸正透镜（6）的有效焦距、Nd6为第三双凸正透镜（6）材料的d线折射率、Vd6为第三双凸正透镜（6）材料的d线阿贝常数；
所述第四双凸正透镜（7）满足条件：0.85≤f 7/f≤0.95，Nd7>1.65，Vd7<50，其中f为光学系统总焦距、f 7为第四双凸正透镜（7）的有效焦距、Nd7为第四双凸正透镜（7）材料的d线折射率、Vd7为第四双凸正透镜（7）材料的d线阿贝常数；
所述第二弯月形正透镜（8）满足条件：3≤f 8/f≤3.8，Nd8>1.85，Vd8<25，其中f为光学系统总焦距、f 8为第二弯月形正透镜（8）的有效焦距、Nd8为第二弯月形正透镜（8）材料的d线折射率、Vd8为第二弯月形正透镜（8）材料的d线阿贝常数；
所述第二弯月形负透镜（9）满足条件：-0.85≤f 9/f≤-0.8，Nd9>1.85，Vd9<25，其中f为光学系统总焦距、f 9为第二弯月形负透镜（9）的有效焦距、Nd9为第二弯月形负透镜（9）材料的d线折射率、Vd9为第二弯月形负透镜（9）材料的d线阿贝常数；
所述光学系统实现的技术指标为：波段0.5μm～0.9μm；相对孔径1:1.0；物镜T数≤1.2；视场50°；焦距20mm；光学长度≤55mm。
2.如权利要求1所述的一种大相对孔径微光电视成像前置物镜光学系统，其特征在于：所述第一弯月形正透镜（2）与所述双凹负透镜（3）之间于光轴上的距离为T23，所述第二双凸正透镜（5）与所述第三双凸正透镜（6）之间于光轴上的距离为T56，所述第二双凸正透镜（5）于光轴上的厚度为CT5，满足以下条件：0.68≤（T23+T56）/ CT5≤1.30。
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