头盔式单目微光夜视仪中光学系统的设计

发布时间：2020-12-27 07:58:10来源：光行天下

摘要：为提高头盔式单目微光夜视仪中光学系统的成像质量，并满足夜视仪结构紧凑、质量小的指标要求，提出在微光夜视仪光学系统设计中引入高次项非球面透镜的设计方法。针对具体的头盔式微光夜视仪，根据微光物镜、目镜系统技术参数计算理论，确定该微光夜视仪光学系统的技术参数，应用光学设计软件ZEMX上机调试，并在光学系统设计中引入高次非球面透镜，使物镜系统镜片数由原来的9片减少为6片，目镜系统由原来的9片减少为7片，简化了结构，并提高了成像质量。设计结果表明：在头盔式微光夜视系统中采用非球面透镜可以提高系统成像质量，简化系统结构。关键词：微光夜视仪；光学系统设计；非球面透镜

引言

头盔式单目微光夜视仪是一种装在步兵或伞兵头盔上的夜视系统。它能够帮助作战人员在低照度的夜间发现目标、观察目标，从而在夜间作战、侦察、指挥、炮瞄等方面发挥作用，是现代战争中不可缺少的装备。

传统的微光夜视系统大多采用球面设计。在设计过程中随着光学镜头视场和相对孔径的增大，各种像差的校正也更加困难。如果光学镜头全部采用球面，那么在满足成像质量的情况下，就必须采用更多的镜片和更加复杂的结构型式，这将导致光学系统体积增大，质量增加。而非球面的面形系数是由多个自由变量决定的，有更大的自由度，校正像差更加方便。因此，在光学系统设计中采用非球面透镜可在保证成像质量的前提下，减少透镜片数简化结构。近年来随着光学加工工艺和光学检测技术的提高，以及计算机在光学设计方面的应用，使非球面的计算变得比较容易，所以在光学系统设计中可以适当使用非球面。

鉴于此，我们在设计微光夜视仪光学系统时，在保证光学系统光学性能和像质的前提下，采用非球面透镜可达到使系统结构简化、体积缩小、质量减小的目的。

1.微光夜视仪的原理

微光夜视仪主要由微光光学系统%包括物镜#目镜&，微光像增强器和驱动电路’部分组成。其工作原理如图$所示。由目标反射的夜天空自然光进入光学系统物镜后，在像增强器的光阴极面上成像，像增强器对目标像进行光电转换#电子成像和亮度增强，并在荧光屏上显示增强的目标图像，人眼可通过目镜观察。

图1.微光夜视仪工作原理图

2.微光夜视仪光学系统的设计

微光夜视仪中光学系统的设计包括物镜和目镜系统的设计。设计要求如下：

1）在照度为时1x10-3lx，对直立人的探测距离为250m,识别距离为150m；

2）环境温度为-30℃~+50℃

3）整机体积小、质量小。

2.1光学系统技术参数的确定

2.1.1微光夜视仪的放大率

放大率是仪器系统的一个重要技术指标，它取决于作战人员需要观察的目标距离和区域场景。一般情况下，微光夜视仪的放大率越大!观察的距离就越远!但是观察的视场就越小。视场太小对作战人员来说很不利。作战人员希望通过微光夜视仪观察到的目标与没有使用仪器时看到的一样真实。因此，一般情况下系统放大率选择1x。

2.1.2.物镜技术参数的计算

物镜的作用是把自然微光照射下的目标成像在位于焦平面的像增强器的光阴极面上。在夜视系统中光学镜头设计是否合理，将对微光夜视仪成像质量起决定作用。物镜的焦距、有效口径、视场和相对孔径都是光学系统设计时所需的主要参数。下面我们对物镜的主要参数进行计算。

1）有效口径（D）的计算

......

......

3.结束语

根据微光光学系统技术参数计算理论，应用ZEMAX光学设计软件对上述系统上机调试，实验结果表明，设计出的头盔式单目微光夜视仪物镜、目镜光学系统满足要求，系统采用非球面减少了镜片数目，简化了结构，缩小了体积，减小了质量，使夜战人员能够机动、灵活地捕捉目标。该微光夜视仪主要用于单兵作战系统。本设计方法还可以推广到其他微光夜视仪的设计中。

鉴于篇幅，本文仅为节选（应用光学第28卷第3期），全文内容可阅读原文下载PDF文档。

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