三通道微光夜视仪光学系统总体设计

2013-06-21王思博

长春大学学报 2013年4期

付芸，王思博

(长春理工大学光电工程学院，长春 130022)

0 引言

光学镜头的系统设计合理与否直接影响到微光夜视系统性能，而且对微光夜视系统的各项参数是否满足要求至关重要。物镜是微光系统信号的入口，物镜的作用是把被观察目标的微光辐射聚集在其系统中起重要功能的像增强器的光阴极面上。物镜系统的设计要求主要是尽可能的增大物镜的通光孔径，最大限度地消除杂散光。物镜的诸多参数如:焦距、有效口径、视场、相对孔径都是微光夜视系统在设计时需注意的重要参数。传统的双高斯物镜虽然可以同时满足大视场、大相对孔径，但一般均需要引入大量的渐晕，从而使得边缘视场的照度下降非常快［1］。

1 传统微光夜视仪结构

图1 微光夜视仪系统框图

常用的微光夜视仪在光学系统结构形式上主要分为两种:单通道和双通道。这两种结构形式的光学系统的基本结构组成都大致相同没有大的差异。这一类系统均采用了一个像增强器，它的成本相对较低;它的装配、调试、使用都很简单;但为了得到与像增强器一致的光通量，这类微光物镜的通光口径需要大幅提升。而且只能简单使用折反射式结构形式。其光学结构原理为:被观察目标所反射的夜天星光被物镜收集，聚焦在像增强器的光阴极面上，在光阴极面上形成一个倒立的像。在阴极面上射出的光电子，经过光电倍增放大的作用，轰击荧光屏上的荧光粉，在荧光屏上形成被观察目标的正像，再经过目镜放大，被人眼所观察。系统结构图如1所示［2］。

图2 双通道双目微光夜视仪光学系统

从综合方面来看双通道微光夜视系统，要比单通道双目式的光学系统结构简单，因为它不需要转像系统，所以双通道双目式微光夜视仪将单通道双目结构中的目镜简化，这使它的装配、设计、加工中工艺相对简单;而且光学系统的光通量的接收效率较高，这样就降低了对物镜的通光量的要求，减小了物镜通光口径，它的结构与普通双筒望远镜结构相似，如图2所示。如系统中采取近贴式第二代像增强器，则光学纤维倒像器将是比不可少的;而为了减小体积、减轻重量，可将转向系统与像增强器合并于一体加工。如果需要设计大体积的机载微光夜视仪的物镜，均采用折射式透镜，其主要原因是折反射式物镜体积太大，光能量有效使用率较低。

2 三通道双目微光夜视仪结构设计

要想扩大水平视场，在改变物镜光学系统参数上寻找突破是相对困难，也很难达到要求的，在对单通道与双通道微光夜视仪光学系统结构的研究、分析中发现，只有通过改变微光夜视仪的总体结构，才能确保物镜光学系统较为简单的结构和较好的成像质量。所以通过在传统双通道双目的结构研究基础上，利用光学系统的合像原理，通过添加了两个辅助物镜来扩大视场，不仅实现了水平视场的扩大，而且提高了观察亮度，光学系统结构如图3所示。

图3 三通道双目微光夜视仪光学系统

传统双通道双目的视场就是它其中一个物镜的视场，此次设计的三通道双目微光夜视仪，突破了传统结构，使人眼不仅能观察到主物镜的视场，而且通过左右两个辅助物镜，使其在主物镜的基础上，将系统视场变宽，达到水平100°、垂直40°的宽视场，由于人眼视场为水平120°、垂直60°，这样增强了人眼观察的舒适度，不易造成视觉疲劳，并且使用了三个像增强器，使光学系统的分辨率不被降低，确保了有效地观察。三通道的夜视系统，在主物镜和辅助物镜合像的过程中，图像会有一定的重合，这样就可以得到一个到不间断、连续的大视场［3］。

3 性能分析

三通道双目微光夜视仪光学系统采用了三个物镜，每个物镜视场角2ω=40°，三个视场之间有所覆盖，覆盖视场角为5°，总视场角为100°。如果采用一个全视场角为100°的镜头，镜头焦距约为7.3mm。而采用三个全视场是40°的镜头，镜头焦距约为24mm。镜头F数为1时，100°视场镜头入瞳直径7.3mm，40°视场镜头入瞳直径24mm。40°视场镜头通光面积是100°视场镜头的10倍以上。40°视场镜头角分辨力是100°视场镜头的3倍以上。因此，三通道双目微光夜视仪在观测目标亮度和分辨力上是有很大优势的。