CN112882199A - 一种高性能机载头戴微光夜视光学系统 - Google Patents

一种高性能机载头戴微光夜视光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，包括沿光轴依次排列的第一弯月凸透镜、第一双凹透镜、第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第一双凸透镜、弯月凹透镜、传感器保护视窗和像面，第一胶合透镜组包括胶合的第二弯月凸透镜和第二双凸透镜，第二胶合透镜组包括胶合的第三双凸透镜和第二双凹透镜。所述光学系统可实现定焦成像，F值为1.1，工作波段为600～1000nm，能够兼容机载舱内光电设备发光波长，重量仅为33.6g；杂散光弱、工作波段内光波透反比高达93:7，配合镁合金机械件在‑40℃～+80℃的超宽温使用环境下MTF值不小于0.5@30lp/mm&25.5°，配合灵敏度为2.5个电子的微光传感器在2m处光学分辨率不大于1.5mrad@0.01lx&90％对比度靶板，在近似无穷远处光学分辨率不大于0.8mrad@0.01lx&90％对比度靶板。

Description

一种高性能机载头戴微光夜视光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学成像技术领域，尤其涉及一种高性能机载头戴微光夜视光学系统。
背景技术
近年来，随着微光传感技术的发展，结合光学成像技术和头戴显示技术，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路，用户可增强在低照度环境下感知外部场景的信息量和理解程度。人眼可见光波段波长为380nm～780nm，而夜间自然光波段波长除了可见光波段外，还包含近红外波段，微光传感器感光波段通常为400nm～1000nm，为了提升微光成像效果，与微光传感器配套的光学系统工作波段应与传感器的工作波段匹配，且光学系统的光通量应尽量提升。由像面照度公式可知，光学系统的光通量与相对孔径的平方成正比，为了提升光学系统的光通量，相对孔径应尽可能大，对应的F数应尽可能小，但是F数越小，对应的光学系统像差越难以修正。
考虑到飞机舱内存在照明、显示等发光设备，为避免受到舱内发光设备的干扰，光学系统的工作波长应满足相应标准的要求，通常为600nm～1000nm。装配应用至飞行员头盔上，光学系统及机械件的重量应尽可能轻，机械件常采用镁合金材质，且在-40℃～+60℃的外部环境下应能正常工作。为了保障飞行员能观察远近物体且避免手动调焦，光学系统的成像景深应满足2m至近似无穷远。
申请号为CN111308646A的中国专利揭露了一种适配1英寸靶面的小巧微光夜视镜头，图1为其光学系统结构视图，由弯月单透镜11、第一双凸正透镜12、第一双凹负透镜13、光阑14、第二双凸正透镜15、第二双凹负透镜16、第三双凸正透镜17、第三双凹负透镜18、传感器保护视窗19组成。工作波段为500nm～1000nm，若应用于机载舱内使用，易受舱内其它光电设备干扰。仅在弯月单透镜1前表面镀400nm～700nm的增透膜，700nm～1000nm的光波在光学系统内透镜表面易形成二次反射，产生杂散光。20℃环境下MTF(ModulationTransfer Function，模量传递函数)评价曲线中30lp/mm对应的MTF值仅为0.4@20.3°，且未对-40℃和+60℃环境温度及搭配镁合金机械件使用情况下的光学性能进行揭露。
因此，如何能够保障光学系统在微光环境下，尤其是在超宽温使用环境和机载舱内光电设备光干扰的情况下，能够实现重量轻、F数(光圈数)低、杂散光弱、无需手动调焦也能满足2m至近似无穷远的成像需求，使飞行员使用户更为舒适、有效地获取和理解外部真实场景信息，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，实现重量轻、F数低、杂散光弱、定焦成像、2m至近似无穷远成像清晰，配合镁合金机械件在-40℃～+80℃的超宽温使用环境下MTF值不小于0.5@30lp/mm&25.5°，并且能够兼容机载舱内发光光电设备。
本发明提供一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，包括按照光路走向、沿光轴依次排布的第一弯月凸透镜、第一双凹透镜、第一胶合透镜组、第二胶合透镜组、第一双凸透镜、弯月凹透镜、传感器保护视窗和像面，第一胶合透镜组包括胶合连接的第二弯月凸透镜和第二双凸透镜，第二胶合透镜组包括胶合连接的第三双凸透镜和第二双凹透镜。
优选地，所述第一弯月凸透镜和第二双凸透镜均由光学玻璃材料HLAF4加工制成。
优选地，所述第一双凹透镜由光学玻璃材料HK6加工制成。
优选地，所述第二弯月凸透镜由光学玻璃材料HZLAF50D加工制成。
优选地，所述第三双凸透镜由光学玻璃材料HK9L加工制成。
优选地，所述第二双凹透镜和弯月凹透镜均由光学玻璃材料HF4加工制成。
优选地，所述第一双凸透镜由光学玻璃材料HBAK4加工制成。
优选地，所述传感器保护视窗的厚度为0.55mm，传感器保护视窗左侧表面与弯月凹透镜右侧表面之间的中心距离为2.2mm，传感器保护视窗右侧表面与像面左侧表面之间的中心距离为0.82mm，且传感器保护视窗由光学玻璃材料HK9L加工制成。
优选地，所述第一弯月凸透镜左侧的表面上镀有滤光膜，在400nm～630nm之间时，其透过率均不大于1％，在波长为630nm～635nm之间时，其透过率均不大于5％，在波长为653nm～671nm之间时，其透过率平均值为50％，在波长为671nm～725nm之间时，其透过率平均值为80％，在波长为725nm～1000nm之间时，其透过率平均值为90％，且其右侧的表面上镀有增透减反膜，在波长为600nm～1000nm之间时，其反射率不大于0.5％。
优选地，所述第一双凹透镜、第二弯月凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜、第二双凹透镜、第一双凸透镜、弯月凹透镜和传感器保护视窗的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜，在波长为600nm～1000nm之间时，其反射率不大于0.5％。
本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，能够实现定焦成像，其焦距为17.34mm；F数低，仅为1.1；工作波段为600nm～1000nm，能够兼容机载舱内光电设备发光波长；重量轻，仅为33.6g；杂散光弱，工作波段内光波透反比高达93:7。配合镁合金机械件在-40℃～+80℃的超宽温使用环境下其MTF值不小于0.5@30lp/mm&25.5°；配合灵敏度为2.5个电子的微光传感器使用时，其在2m处光学分辨率不大于1.5mrad@0.01lx&90％对比度靶板，在近似无穷远处光学分辨率不大于0.8mrad@0.01lx&90％对比度靶板。
附图说明
图1为现有技术中的一种适配1英寸靶面的小巧微光夜视镜头的结构视图，
图2为本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统的结构视图，
图3为本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统的配合镁合金机械件低温-40℃MTF评价曲线图，
图4为本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统的配合镁合金机械件高温+80℃MTF评价曲线图，
图5为本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统的第一弯月凸透镜的滤光镀膜光谱曲线图，
图6为本发明提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统的在2m处靶板成像模拟图。
图中：11.弯月单透镜，12.第一双凸正透镜，13.第一双凹负透镜，14.光阑，15.第二双凸正透镜，16.第二双凹负透镜，17.第三双凸正透镜，18.第三双凹负透镜，19.传感器保护视窗，21.第一弯月凸透镜，22.第一双凹透镜，23.第一胶合透镜组，231.第二弯月凸透镜，232.第二双凸透镜，24.第二胶合透镜组，241.第三双凸透镜，242.第二双凹透镜，25.第一双凸透镜，26.弯月凹透镜，27像面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，MTF评价曲线图表征成像过程中调制度随空间频率(线对每毫米，单位：lp/mm)的相对变化，常用来评价成像镜头的分辨率，如图3和图4所示，图中的横坐标表示空间频率，图中的纵坐标表示调制度(光学传递函数模)。
本实施例中，所述光路走向为从左向右，“第一”、“第二”、“第三”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。为了便于描述，以图1为例，垂直纸面向左为“左”，垂直纸面向右为“右”。
如图2-图6所示，本发明提供一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，包括按照光路走向、沿光轴依次排布的第一弯月凸透镜21、第一双凹透镜22、第一胶合透镜组23、第二胶合透镜组24、第一双凸透镜25、弯月凹透镜26、传感器保护视窗19和像面27，所述第一胶合透镜组23包括胶合连接的第二弯月凸透镜231和第二双凸透镜232，第二胶合透镜组24包括第三双凸透镜241和第二双凹透镜242。
本实施例中，所述光学系统为定焦成像，其焦距为17.34mm，F数为1.1，工作波段为600nm～1000nm，重量为33.6g，该光学系统与镁合金机械件配合使用时，在-40℃～+80℃的超宽温使用环境下MTF值不小于0.5@30lp/mm&25.5°；与灵敏度为2.5个电子的微光传感器配合使用时，在2m处光学分辨率不大于1.5mrad@0.01lx&90％对比度靶板，在近似无穷远处光学分辨率不大于0.8mrad@0.01lx&90％对比度靶板；同时，该光学系统还能够兼容机载舱内光电设备发光波长。
需要说明的是，本实施例中所述第一弯月凸透镜21、第一双凹透镜22、第一胶合透镜组23、第二胶合透镜组24、第一双凸透镜25、弯月凹透镜26、传感器保护视窗19和像面27相邻两个部件的间距范围均处于0～10mm之间。
如图5所示，其中，所述第一弯月凸透镜21由光学玻璃材料HLAF4加工制成，第一弯月凸透镜21左侧的表面上镀有滤光膜，根据滤光膜的光谱特性曲线可知，在工作波段为400nm～630nm时，其透过率均不大于1％；工作波段为630nm～635nm时，其透过率均不大于5％；工作波段为653nm～671nm时，其透过率平均值为50％；工作波段为671nm～725nm时，其透过率平均值为80％；工作波段为725nm～1000nm时，其透过率平均值为90％，因此，其可将机载舱内光电设备发光波长滤除99％以上，保障光学系统不受机载舱内光电设备发光干扰。为了削弱因二次反射造成的鬼影等杂散光并提升光通量，所述第一弯月凸透镜21右侧的表面上还镀有增透减反膜，工作原理不再进行赘述，当工作波段为600nm～1000nm时，其反射率不大于0.5％。
其中，所述第一双凹透镜22由光学玻璃材料HK6加工制成，第一双凹透镜22的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜。
本实施例中，所述第一弯月凸透镜21提供正光焦度，第一双凹透镜22提供负光焦度，第一胶合透镜组23提供正光焦度，第一弯月凸透镜21、第一双凹透镜22和第一胶合透镜组23可构成一个组合，能够把系统组合球差控制在非常小的范围内，便于后续系统像差校正和提升成像质量，同时缩小了光学总长，减少光学系统重量。
其中，所述第一胶合透镜组23的第二弯月凸透镜231由光学玻璃材料HZLAF50D加工制成，而第二双凸透镜232由光学玻璃材料HLAF4加工制成，第二弯月凸透镜231和第二双凸透镜232的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜。
本实施例中，由于第二弯月凸透镜231提供正光焦度，第二双凸透镜232提供正光焦度，因此，第二弯月凸透镜231和第二双凸透镜232胶合连接所构成的第一胶合透镜组23为光学系统提供正光焦度，从而降低了单一透镜因加工误差给光学系统组合球差带来的影响，便于工程化。
其中，所述第二胶合透镜组24的第三双凸透镜241由光学玻璃材料HK9L加工制成，第二双凹透镜242由光学玻璃材料HF4加工制成，第三双凸透镜241和第二双凹透镜242的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜。
本实施例中，所述第三双凸透镜241提供正光焦度，第二双凹透镜242提供负光焦度，因此，第三双凸透镜241和第二双凹透镜242胶合连接所构成的第二胶合透镜组24可为光学系统校正场曲、畸变和色差。
其中，所述第一双凸透镜25由光学玻璃材料HBAK4加工制成，第一双凸透镜25的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜。
其中，所述弯月凹透镜26由光学玻璃材料HF4加工制成，弯月凹透镜26的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜。
本实施例中，所述第一双凸透镜25提供正光焦度，弯月凹透镜26提供负光焦度，第一双凸透镜25和弯月凹透镜26所形成的组合能够进一步缩小光学系统组合球差、校正光学系统场曲和畸变，并提升成像质量，同时也能够进一步缩小光学总长，减少光学系统重量。
其中，所述传感器保护视窗19由光学玻璃材料HK9L加工制成，其厚度为0.55mm，传感器保护视窗19的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜，且传感器保护视窗19左侧表面与弯月凹透镜26右侧表面之间的距离为2.2mm，传感器保护视窗27右侧表面与像面27表面的距离为0.82mm。
本实施例中，所述传感器保护视窗19是由一个不带曲率的平片玻璃构成的，其左侧表面与弯月凹透镜26右侧表面之间的距离，以及其右侧表面与像面27表面的距离的设定有效增强了整个系统的整体效果，同时在传感器保护视窗19左侧表面和右侧表面上设置增透减反膜能够有效防止传感器保护视窗19造成鬼影等杂散光现象。
以上对本发明所提供的一种高性能机载头戴微光夜视光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进及修饰，这些改进及修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，包括按照光路走向、沿光轴依次排布的第一弯月凸透镜(21)、第一双凹透镜(22)、第一胶合透镜组(23)、第二胶合透镜组(24)、第一双凸透镜(25)、弯月凹透镜(26)、传感器保护视窗(19)、像面(27)，所述第一胶合透镜组(23)包括胶合连接的第二弯月凸透镜(231)和第二双凸透镜(232)，第二胶合透镜组(24)包括胶合连接的第三双凸透镜(241)和第二双凹透镜(242)。
2.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第一弯月凸透镜(21)和第二双凸透镜(232)均由光学玻璃材料HLAF4加工制成。
3.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第一双凹透镜(22)由光学玻璃材料HK6加工制成。
4.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第二弯月凸透镜(231)由光学玻璃材料HZLAF50D加工制成。
5.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第三双凸透镜(241)由光学玻璃材料HK9L加工制成。
6.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第二双凹透镜(242)和弯月凹透镜(26)均由光学玻璃材料HF4加工制成。
7.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第一双凸透镜(25)由光学玻璃材料HBAK4加工制成。
8.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述传感器保护视窗(19)的厚度为0.55mm，传感器保护视窗(19)左侧表面与弯月凹透镜(26)右侧表面之间的中心距离为2.2mm，传感器保护视窗(19)右侧表面与像面(27)左侧表面之间的中心距离为0.82mm，且传感器保护视窗(19)由光学玻璃材料HK9L加工制成。
9.根据权利要求1至2任一项所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第一弯月凸透镜(21)左侧的表面上镀有滤光膜，在400nm～630nm之间时，其透过率均不大于1％，在波长为630nm～635nm之间时，其透过率均不大于5％，在波长为653nm～671nm之间时，其透过率平均值为50％，在波长为671nm～725nm之间时，其透过率平均值为80％，在波长为725nm～1000nm之间时，其透过率平均值为90％，且其右侧的表面上镀有增透减反膜，在波长为600nm～1000nm之间时，其反射率不大于0.5％。
10.根据权利要求1所述的高性能机载头戴微光夜视光学系统，其特征在于，所述第一双凹透镜(22)、第二弯月凸透镜(231)、第二双凸透镜(232)、第三双凸透镜(241)、第二双凹透镜(242)、第一双凸透镜(25)、弯月凹透镜(26)和传感器保护视窗(19)的左侧表面和右侧表面上均镀有增透减反膜，在波长为600nm～1000nm之间时，其反射率不大于0.5％。
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