CN107991767B - 轻型微光夜视仪光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种轻型微光夜视仪光学系统，所述光学系统包括目镜系统、像增强器和物镜系统，目镜系统包括正光焦度胶合透镜、正光焦度塑料非球面单透镜，并沿由眼睛向目标光轴方向共轴依次排列；物镜系统包括第一负光焦度单透镜、第二正光焦度单透镜、第三正光焦度单透镜、第四正光焦度单透镜、第五正光焦度单透镜、第六负光焦度单透镜、光阑、第七正光焦度胶合透镜和第八正光焦度单透镜沿光轴向物方方向共轴依次排列。本发明具有长度短，重量轻、体积小，长出瞳距、大出瞳直径、高分辨率的优异性能，特别适应手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪中。

Description

轻型微光夜视仪光学系统

技术领域

本发明属于光学系统技术领域，具体的说是涉及一种轻型微光夜视光学系统，特别是手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪中的光学系统。

背景技术

手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪一种带有像增强器的特殊望远镜，由物镜、像增强器及目镜组成,它是黑夜条件下眼睛的助视器。其工作原理：是根据光电效应的物理学原理制作而成的，微弱的夜天光由目标表面反射进入微光夜视镜，在物镜作用下聚焦于像增强器的光阴极面，激发光电子；然后光电子进入数百万个微通道后，实现电子倍增，最后投射到荧光屏上成像，经过目镜进一步放大，实现更有效的目视观察。微光夜视仪利用夜间目标反射的低亮度的夜天光星月光大气辉光等自然光，将其增强放大到几十万倍，呈现出目视可见的像，属被动方式工作，因此能较好的隐藏自己，对从事特殊工作的部门，如军事侦察、观察、瞄准、车辆与直升机驾驶，以及其它特殊作业，如刑侦、辑毒、辑私、夜晚监控、保卫的应用等，它都是最合适的。

目前微光夜视仪上基本都配备了红外发射灯，最大距离一般50米左右，这样在全黑条件下，也可以借助红外发射器的辅助光源配合实现应用。

由于多数情况下，应用在人员行进中、运动车辆、直升机上，为了便于操作使用对产品的体积及重量有严格要求，为了好的人机功效，观察舒适又要求目镜具有大视场、大出瞳直径以及长出瞳距离等光学性能。所以微光夜视镜的光学系统要达到既有较好的成像质量，又要体积小、重量轻并不容易。

微光夜视镜是直视微光夜视镜都是通过目镜观察，因此其出射光束还受观察者眼睛瞳孔的限制。目镜不同于其他光学系统的特点是瞳孔远离镜头本身，目镜接收来自于荧光屏的出射光线，出瞳大小和距离由人眼瞳孔的大小和位置决定。与普通望远镜的目镜不同，普通望远镜的目镜出瞳距离只需要15mm左右，出瞳直径约3mm左右。微光夜视镜需要出瞳距离最小20mm以上，人眼在黑暗条件下瞳孔直径会打的7mm，因此微光夜视镜的出瞳直径必须大于7mm，与暗适应的眼瞳直径相适应。由于微光夜视镜多用于运动中，为避免眼睛动到光轴外丢失目标，会需要更大的出瞳直径。而物镜主要决定了微光夜视仪的成像分辨率、畸变、通光量等，普通望远镜的物镜和目镜可以配合消除像差，但微光夜视镜不同，由于中间是通过像增强器传递图像，物镜和目镜只能独立校正像差，而且目前主流像增强器的荧光屏一般为φ18mm，较普通望远镜大，所以微光夜视镜的结构形式会比普通望远镜复杂，设计难点更大。

目前微光夜视镜使用的物镜系统多为6～10片双高斯型物镜结构，目镜系统大部分为三组四片形式或更复杂的形式。如专利201310337717.0《一种多功能微光夜视头盔镜》物镜采用7组8片结构，目镜采用3组4片式结构。

如专利02268250.3《微光夜视瞄准镜物镜》物镜采用6组8片式。

如2001年12月《西安工业学院学报》中《头盔式双目微光夜视仪研制》一文中提到的微光夜视仪目镜系统采用五片分离式大出瞳直径目镜，系统有40°的圆视场，15mm的出瞳距离，14mm的出瞳直径。

如专利201210538935.6《一种轻小型微光夜视目镜光学系统》。该发明涉及一种轻小型微光夜视目镜光学系统，包括3组4片共轴光学透镜，光阑和像面，系统中共使用三面非球面。该系统有40°的圆视场，25mm的出瞳距离，12mm的出瞳直径，镜筒长小于25mm，总长小于35mm。

如专利201610841272 .3《适用于微光夜视镜的轻型化目镜系统》采用两片玻璃非球面镜片，满足焦距范围24mm～28mm，出瞳距离范围2 0 m m～3 0 m m ,出瞳直径小于或等于φ12mm，但是如此尺寸的玻璃非球面镜片加工难度大、成本高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种轻型微光夜视光学系统，适用于18mm像增强器的物镜系统和目镜系统，特别适用于手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪，以解决目前微光夜视光学系统难以同时兼顾性能指标和人机功效的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种轻型微光夜视仪光学系统，所述光学系统包括目镜系统、像增强器和物镜系统，所述目镜系统包括正光焦度胶合透镜、正光焦度塑料非球面单透镜，并沿由眼睛向目标光轴方向共轴依次排列；

所述像增强器为长度30.8mm，有效口径为18mm的超二代像增强器；

所述物镜系统包括第一负光焦度单透镜、第二正光焦度单透镜、第三正光焦度单透镜、第四正光焦度单透镜、第五正光焦度单透镜、第六负光焦度单透镜、光阑、第七正光焦度胶合透镜和第八正光焦度单透镜沿光轴向物方方向共轴依次排列。

本发明的进一步改进在于：所述正光焦度胶合透镜由正光焦度的单透镜和负光焦度单透镜组成，其中正光焦度单透镜面向眼睛。

本发明的进一步改进在于：所述正光焦度胶合透镜的两个单透镜满足：Nd≥1.65，55＞Vd＞20。

本发明的进一步改进在于：所述正光焦度塑料非球面单透镜具有一个或者两个偶次非球面，且满足：Nd≤1.65，60＞Vd＞20。

本发明的进一步改进在于：所述非球面满足下列表达式：

式中Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面定点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

本发明的进一步改进在于：所述物镜系统第一负光焦度单透镜为弯月形，其两个镜片球心在物方。

本发明的进一步改进在于：所述物镜系统第一负光焦度单透镜、第六负光焦度单透镜、第七正光焦度胶合透镜中的负透镜，满足：Nd≥1.8，30＞Vd。

本发明的进一步改进在于：所述物镜系统第二正光焦度单透镜、第三正光焦度单透镜、第四正光焦度单透镜、第五正光焦度单透镜、第七正光焦度胶合透镜中的正透镜和第八正光焦度单透镜，满足：1.8≥Nd≥1.6，60＞Vd＞30。

本发明的进一步改进在于：所述物镜系统光阑位于第六负光焦度单透镜和第七正光焦度胶合透镜之间。

本发明的有益效果是：根据微光夜视仪成像基本原理和要求，基于18mm像增强器的特性基础上，通过采用含有一塑料非球面透镜的两透镜组成的目镜、和八个透镜组成的物镜构成的微光夜视光学系统，该系统物镜、目镜在经过各透镜曲率半径、相互间距和材料特性的约束优化独立校正各种像差后，本发明的物镜焦距为27mm，F#为1.2，具有较好的聚光能力，目镜焦距27mm，轴上出瞳直径14mm，轴外出瞳直径6mm，出瞳距离达到25mm，整个光学系统长度为100mm，畸变<3%，分辨率达到1.2lp/mrad,与现有技术相比，具有长度短，重量轻、体积小，长出瞳距、大出瞳直径、高分辨率的优异性能，特别适应手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪中。

附图说明

图1是本发明轻型微光夜视仪光学系统的光路结构示意图。

图2是本发明轻型微光夜视仪光学系统的场曲、畸变图。

其中：100-目镜系统；101-正光焦度胶合透镜；102-正光焦度塑料非球面单透镜；200-18mm像增强器； 300-物镜系统；301-第一负光焦度单透镜；302-第二正光焦度单透镜；303-第三正光焦度单透镜；304-第四正光焦度单透镜；305-第五正光焦度单透镜；306-第六负光焦度单透镜；307-光阑；308-第七正光焦度胶合透镜；309-第八正光焦度单透镜。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-2所示，本发明是一种轻型微光夜视仪光学系统，所述光学系统包括目镜系统100、像增强器200和物镜系统300，其中：目镜系统为改进的凯涅尔目镜结构，所述目镜系统包括正光焦度胶合透镜101、正光焦度塑料非球面单透镜102，并沿由眼睛向目标光轴方向共轴依次排列；所述像增强器200为长度30.8mm，有效口径为18mm的超二代像增强器；所述物镜系统为八组九片透镜构成的改进的双高斯结构镜头，所述物镜系统300第一负光焦度单透镜301、第二正光焦度单透镜302、第三正光焦度单透镜303、第四正光焦度单透镜304、第五正光焦度单透镜305、第六负光焦度单透镜306、光阑307、第七正光焦度胶合透镜308和第八正光焦度单透镜309，并沿光轴向物方方向共轴依次排列。

所述正光焦度胶合透镜由正光焦度的单透镜和负光焦度单透镜组成，其中正光焦度单透镜面向眼睛，所述正光焦度胶合透镜的两个单透镜满足：Nd≥1.65，55＞Vd＞20，所述正光焦度塑料非球面单透镜具有一个或者两个偶次非球面，且满足：Nd≤1.65，60＞Vd＞20，所述非球面满足下列表达式：

式中Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面定点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

非球面系数如下表1：

面序号

曲率C(1/R)

K(conic)

A

B

C

D

R1

-1/21.1

0

3.0e-005

2.44e-008

-4.23e-009

6.78e-0010

像增强器200为长度30.8mm，有效口径为18mm的超二代像增强器，由于其有保护玻璃，在物镜光学优化设计时，需要加上5.537mm的H-QK3L玻璃一起优化。

所述物镜系统300第一负光焦度单透镜为弯月形，其两个镜片球心在物方。

物镜系统300第一负光焦度单透镜301、第六负光焦度单透镜306、第七正光焦度胶合透镜308中的负透镜，玻璃材料满足：Nd≥1.8，30＞Vd。

物镜系统300第二正光焦度单透镜302、第三正光焦度单透镜303、第四正光焦度单透镜304、第五正光焦度单透镜305、第七正光焦度胶合透镜308中的正透镜和第八正光焦度单透镜309，满足：1.8≥Nd≥1.6，60＞Vd＞30。

物镜系统光阑307位于第六负光焦度单透镜306和第七正光焦度胶合透镜308之间。

本发明 中的微光夜视物镜光学系统如图1 所示，其具体的构造不再重述，下面给出一组该轻型微光夜视仪光学系统的光学参数，由此来说明本发明的光学系统的光学性能和尺寸大小。

表2本发明涉及的一种轻型微光夜视仪光学系统的各项参数表( 曲率半径间隔材料参数表) ：

该系统在经过各透镜曲率半径、相互间距和材料特性的约束优化后，物镜焦距为27mm，F#为1.2，具有较好的聚光能力，目镜焦距27mm，轴上出瞳直径14mm，轴外出瞳直径6mm，出瞳距离达到25mm，整个光学系统长度为100mm，畸变<3%，分辨率达到1.2lp/mrad,与现有技术相比，具有长度短，重量轻、体积小，长出瞳距、大出瞳直径、高分辨率的优异性能，特别适应手持式或头盔式单目、双目微光夜视仪中。

Claims (8)

1.轻型微光夜视仪光学系统，所述光学系统包括目镜系统、像增强器和物镜系统，其特征在于：

所述目镜系统包括正光焦度胶合透镜、正光焦度塑料非球面单透镜，并沿由眼睛向目标光轴方向共轴依次排列；

所述像增强器为长度30.8mm，有效口径为18mm的超二代像增强器；

所述物镜系统包括第一负光焦度单透镜、第二正光焦度单透镜、第三正光焦度单透镜、第四正光焦度单透镜、第五正光焦度单透镜、第六负光焦度单透镜、光阑、第七正光焦度胶合透镜和第八正光焦度单透镜沿光轴向物方方向共轴依次排列。

2.根据权利要求1所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述正光焦度胶合透镜由正光焦度的单透镜和负光焦度单透镜组成，其中正光焦度单透镜面向眼睛。

3.根据权利要求2所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述正光焦度胶合透镜的两个单透镜满足：Nd≥1.65，55＞Vd＞20。

4.根据权利要求2所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述正光焦度塑料非球面单透镜具有一个或者两个偶次非球面，且满足：Nd≤1.65，60＞Vd＞20。

5.根据权利要求4所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述非球面满足下列表达式：

式中Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面定点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。

6.根据权利要求1所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述物镜系统第一负光焦度单透镜为弯月形，其两个镜片球心在物方。

7.根据权利要求1所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述物镜系统第一负光焦度单透镜、第六负光焦度单透镜、第七正光焦度胶合透镜中的负透镜，满足：Nd≥1.8，30＞Vd。

8.根据权利要求1所述轻型微光夜视仪光学系统，其特征在于：所述物镜系统第二正光焦度单透镜、第三正光焦度单透镜、第四正光焦度单透镜、第五正光焦度单透镜、第七正光焦度胶合透镜中的正透镜和第八正光焦度单透镜，满足：1.8≥Nd≥1.6，60＞Vd＞30。