CN113835212A - 一种超轻型数字化瞄具光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组、CMOS图像传感器、OLED显示器、以及目镜组的组织架构，所述物镜组包括物镜第一透镜、物镜第二透镜、物镜第三透镜和物镜第四透镜；所述物镜第三透镜为非球面元件，物镜第三透镜的第1面为球面，第2面为非球面；所述目镜组包括目镜第一透镜和目镜第二透镜，所述目镜第二透镜的两个面均为非球面；所述物镜第一透镜的前表面及目镜第二透镜的后表面镀制导电膜，光学件的其余表面均镀制增透膜。本发明光学系统中的物镜组和目镜组采用非球面设计，实现轻量化，提高瞄具的零位稳定性。

Description

一种超轻型数字化瞄具光学系统
技术领域
本发明专利属于光学仪器技术领域，具体涉及一种超轻型数字化瞄具的光学系统。
背景技术
数字化瞄具是一款集中了光学、电子、软件等技术于一体的观瞄装备。随着科学研究的发展和军事技术需求的增加，对应用于军用观瞄光电系统提出了越来越高的要求。然而现有的瞄具系统结构复杂，体积大，重量高，并且出瞳距离较短，一般为20～30mm，不宜于观察者快速搜索、识别目标，已经不能满足使用要求。
发明内容
为了克服现有瞄具系统的不足，本发明的目的是提供一种超轻型数字化瞄具光学系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组、CMOS图像传感器、OLED显示器、以及目镜组的组织架构，其特征在于，所述物镜组包括物镜第一透镜1、物镜第二透镜2、物镜第三透镜3和物镜第四透镜4；所述物镜第三透镜3为非球面元件，物镜第三透镜3的第1面为球面，曲率半径为21.78，第2面为非球面；所述目镜组包括目镜第一透镜7和目镜第二透镜8，所述目镜第二透镜8的两个面均为非球面；所述物镜第一透镜1的前表面及目镜第二透镜8的后表面镀制导电膜，光学件的其余表面均镀制增透膜。
进一步地，所述物镜组的光学参数如下：焦距为86mm，视场不小于8.8°×6.6°，F#为1.2，光学总长125mm，重量不大于200g；所述目镜组的光学参数如下：焦距为22.5mm，出瞳直径不小于5mm，出瞳距离不小于为60mm，光学总长为33.9mm，重量不大于50g。
进一步地，所述物镜第一透镜1的曲率半径分别为73.68及430.42，中心厚为10.1mm，材料为冕牌玻璃，光焦度为正。
进一步地，所述物镜第二透镜2为胶合元件，曲率半径分别为37.39、-102.75及76.22，中心厚分别为10.3mm及1.3mm，材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃，光焦度为正和负。
进一步地，所述物镜第三透镜3的第2面的非球面参数为：R=-98.62、k=0.7196573、A=7.486403E-008、B=-3.5854772E-012、C=4.2791589E-016、D=1.6011961E-019；中心厚为7mm,材料为D-ZK3,光焦度为正。
进一步地，所述物镜第四透镜4为双凹透镜，曲率半径分别为-21.54及31.98，中心厚为2mm，材料为火石玻璃，光焦度为负。
进一步地，所述物镜组中各光学元件之间的间隔分别为44.45mm、39.64mm和3.88mm，后截距为6.33mm。
进一步地，所述目镜第一透镜7为胶合元件，曲率半径分别为-177.07、-18.19及-46.43，中心厚分别为9mm及2.5mm，材料均为火石玻璃，光焦度为正和负。
进一步地，所述目镜第二透镜8的第1面的非球面参数为：R=143.35、k=6.736111、A=-1.1315436E-005、B=2.4497096E-009、C=-3.5379367E-011、D=1.6043689E-013；所述目镜第二透镜8的第2面的非球面参数为：R=-27.9、k=0、A=-1.0249345E-005、B=1.9606188E-009、C=2.0532369E-011、D=7.811632E-014；中心厚为9.5mm,材料为石英,光焦度为正。
进一步地，所述目镜组中各光学元件之间的间隔分别为0.5mm，后截距为14mm。
所述CMOS图像传感器感光面尺寸为1吋，像素数1024×768，像元大小13μm×13μm，同时也适用于800×600@18μm、1280×1024@9.7μm、800×600@8μm、1920×1080@13μm等不同规格的CMOS传感器。
所述OLED显示器感光面尺寸为0.71吋，像素数1440×1080，像元大小8.24μm×8.24μm，也可适用于0.61吋，像素数为800×600，像元大小为15μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
（1）物镜组采用非球面设计，与传统玻璃球面系统来比，其重量可减少75%，实现轻量化，提高瞄具的零位稳定性。
（2）目镜组采用单-双结构，选择高折射低色散的玻璃材料，并引入非球面，实现放大倍率11倍，出瞳距离不小于60mm，出瞳直径不小于5mm。
（3）数字化瞄具可通用于多款CMOS图像传感器和OLED显示器，适配性强。
（4）光学系统尺寸布局及公差合理，单个光学零件公差冗余较大，光学零件间的间隔允差均达到了±0.1mm，有利于光学零件的大批量生产和瞄具的结构设计与总体布局。
附图说明
图1是本发明数字化瞄具光学系统示意图；
图2是本发明物镜组光学系统MTF曲线；
图3是本发明物镜组光学系统弥散斑分布图；
图4是本发明物镜光学系统像散畸变曲线；
图5是本发明目镜组光学系统MTF曲线；
图6是本发明目镜组光学系统弥散斑分布图；
图7是本发明目镜光学系统像散畸变曲线；
图1中的标记为：1、物镜第一透镜，2、物镜第二透镜，3、物镜第三透镜，4、物镜第四透镜，5、CMOS图像传感器，6、OLED显示器，7、目镜第一透镜，8、目镜第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作以下具体的详细说明。
如图1所示，本实施例的一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组+CMOS图像传感器+OLED显示器+目镜组的组织架构，技术设计成熟可靠，景物通过物镜组生成的光学图像投射到CMOS图像传感器上，通过图像处理板进行视频生成及处理后传递给OLED显示器，然后通过OLED显示器显示成像，人眼再通过目镜组进行观察。
本实施例中，物镜组包括物镜第一透镜1、物镜第二透镜2、物镜第三透镜3、物镜第四透镜4；
物镜第一透镜1的曲率半径分别为73.68及430.42，中心厚为10.1mm，材料为冕牌玻璃，光焦度为正；
物镜第二透镜2为胶合元件，曲率半径分别为37.39、-102.75及76.22，中心厚分别为10.3mm及1.3mm，材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃，光焦度为正和负；
物镜第三透镜3为非球面元件，第1面为球面，曲率半径为21.78；第2面为非球面，其非球面参数为：R=-98.62、k=0.7196573、A=7.486403E-008、B=-3.5854772E-012、C=4.2791589E-016、D=1.6011961E-019；中心厚为7mm,材料为D-ZK3,光焦度为正；
物镜第四透镜4为双凹透镜，曲率半径分别为-21.54及31.98，中心厚为2mm，材料为火石玻璃，光焦度为负。
物镜组中各光学元件之间的间隔分别为44.45mm、39.64mm和3.88mm，后截距为6.33mm；物镜光学系统公差分析后，物镜组成像质量较好，透镜加工工艺好，光学元件布置合理，光学间隔允差±0.1mm，有利于物镜结构的设计。
CMOS图像传感器感光面尺寸为1吋，像素数1024×768，像元大小13μm×13μm，同时也适用于800×600@18μm、1280×1024@9.7μm、800×600@8μm、1920×1080@13μm等不同规格的CMOS传感器。
物镜组通过引入非球面，在校正像差的同时实现结构简化、尺寸微化，与采用传统玻璃球面系统相比，物镜组的重量可减少75%。同时采用1吋的大靶面成像器件，极大地增大镜头的视场，提高搜索、识别目标的能力。物镜组的光学参数如下：焦距为86mm，视场不小于8.8°×6.6°，F#为1.2，光学总长125mm，重量不大于200g。
本实施例中，目镜组包括目镜第一透镜7、目镜第二透镜8；
目镜第一透镜7为胶合元件，曲率半径分别为-177.07、-18.19及-46.43，中心厚分别为9mm及2.5mm，材料均为火石玻璃，光焦度为正和负；
目镜第二透镜8的两个面均为非球面，第1面的非球面参数为：R=143.35、k=6.736111、A=-1.1315436E-005、B=2.4497096E-009、C=-3.5379367E-011、D=1.6043689E-013；第2面的非球面参数为：R=-27.9、k=0、A=-1.0249345E-005、B=1.9606188E-009、C=2.0532369E-011、D=7.811632E-014；中心厚为9.5mm,材料为石英,光焦度为正；
目镜组中各光学元件之间的间隔分别为0.5mm，后截距为14mm；目镜光学系统公差分析后，目镜组成像质量较好，没有敏感尺寸，透镜加工工艺好。
OLED显示器感光面尺寸为0.71吋，像素数1440×1080，像元大小8.24μm×8.24μm，也可适用于0.61吋，像素数为800×600，像元大小为15μm。
目镜组采用单-双结构，通过增加非球面透镜，在提高目镜光学系统成像质量的同时，极大地增加了目镜的出瞳距离及出瞳直径，防止射击时目镜撞到头部，可安装加戴防毒面具的仪器，提高光学系统的稳定性和实用性。目镜组的光学参数如下：焦距为22.5mm，出瞳直径不小于5mm，出瞳距离不小于为60mm，光学总长为33.9mm，重量不大于50g。
本实施例中，物镜第一透镜1的前表面及目镜第二透镜8后表面镀制导电膜，以作为电磁屏蔽，镀制的膜层透过率为95%。同时为了保证系统具有较大的通光量，光学件其余表面均镀制增透膜，保证在400nm～1100nm的宽光谱范围内透过率达到99%，可使物镜组和目镜组的透过率均可达到88%以上，有利于提高可疑目标的识别距离，尤其是在夜间低照度复杂环境下的可大幅提升可疑目标的识别距离。
光学系统成像质量主要依靠MTF、点列图、像散畸变和相对照度来评价。图2、图3、图4分别表示物镜组的成像质量，图５、图6、图7分别表示目镜组的成像质量。从各图中可以看出，本发明光学系统成像质量良好，像质基本达到衍射极限，结构紧凑，体积小，工程可实现性强，具有实际应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组、CMOS图像传感器、OLED显示器、以及目镜组的组织架构，其特征在于，所述物镜组包括物镜第一透镜（1）、物镜第二透镜（2）、物镜第三透镜（3）和物镜第四透镜（4）；所述物镜第三透镜（3）为非球面元件，物镜第三透镜（3）的第1面为球面，曲率半径为21.78，第2面为非球面；所述目镜组包括目镜第一透镜（7）和目镜第二透镜（8），所述目镜第二透镜（8）的两个面均为非球面；所述物镜第一透镜（1）的前表面及目镜第二透镜（8）的后表面镀制导电膜，光学件的其余表面均镀制增透膜。
2.如权利要求1所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜组的光学参数如下：焦距为86mm，视场不小于8.8°×6.6°，F#为1.2，光学总长125mm，重量不大于200g；所述目镜组的光学参数如下：焦距为22.5mm，出瞳直径不小于5mm，出瞳距离不小于为60mm，光学总长为33.9mm，重量不大于50g。
3.如权利要求1或2所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜第一透镜（1）的曲率半径分别为73.68及430.42，中心厚为10.1mm，材料为冕牌玻璃，光焦度为正。
4.如权利要求3所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜第二透镜（2）为胶合元件，曲率半径分别为37.39、-102.75及76.22，中心厚分别为10.3mm及1.3mm，材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃，光焦度为正和负。
5.如权利要求4所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜第三透镜（3）的第2面的非球面参数为：R=-98.62、k=0.7196573、A=7.486403E-008、B=-3.5854772E-012、C=4.2791589E-016、D=1.6011961E-019；中心厚为7mm,材料为D-ZK3,光焦度为正。
6.如权利要求5所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜第四透镜（4）为双凹透镜，曲率半径分别为-21.54及31.98，中心厚为2mm，材料为火石玻璃，光焦度为负。
7.如权利要求6所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述物镜组中各光学元件之间的间隔分别为44.45mm、39.64mm和3.88mm，后截距为6.33mm。
8.如权利要求1或2所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述目镜第一透镜（7）为胶合元件，曲率半径分别为-177.07、-18.19及-46.43，中心厚分别为9mm及2.5mm，材料均为火石玻璃，光焦度为正和负。
9.如权利要求8所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述目镜第二透镜（8）的第1面的非球面参数为：R=143.35、k=6.736111、A=-1.1315436E-005、B=2.4497096E-009、C=-3.5379367E-011、D=1.6043689E-013；所述目镜第二透镜（8）的第2面的非球面参数为：R=-27.9、k=0、A=-1.0249345E-005、B=1.9606188E-009、C=2.0532369E-011、D=7.811632E-014；中心厚为9.5mm,材料为石英,光焦度为正。
10.如权利要求9所述的超轻型数字化瞄具光学系统，其特征在于，所述目镜组中各光学元件之间的间隔分别为0.5mm，后截距为14mm。
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