三通道微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計

付 蕓，王思博

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)設(shè)計合理與否直接影響到微光夜視系統(tǒng)性能，而且對微光夜視系統(tǒng)的各項參數(shù)是否滿足要求至關(guān)重要。物鏡是微光系統(tǒng)信號的入口，物鏡的作用是把被觀察目標(biāo)的微光輻射聚集在其系統(tǒng)中起重要功能的像增強(qiáng)器的光陰極面上。物鏡系統(tǒng)的設(shè)計要求主要是盡可能的增大物鏡的通光孔徑，最大限度地消除雜散光。物鏡的諸多參數(shù)如:焦距、有效口徑、視場、相對孔徑都是微光夜視系統(tǒng)在設(shè)計時需注意的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的雙高斯物鏡雖然可以同時滿足大視場、大相對孔徑，但一般均需要引入大量的漸暈，從而使得邊緣視場的照度下降非?？欤?］。

1 傳統(tǒng)微光夜視儀結(jié)構(gòu)

圖1 微光夜視儀系統(tǒng)框圖

常用的微光夜視儀在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上主要分為兩種:單通道和雙通道。這兩種結(jié)構(gòu)形式的光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成都大致相同沒有大的差異。這一類系統(tǒng)均采用了一個像增強(qiáng)器，它的成本相對較低;它的裝配、調(diào)試、使用都很簡單;但為了得到與像增強(qiáng)器一致的光通量，這類微光物鏡的通光口徑需要大幅提升。而且只能簡單使用折反射式結(jié)構(gòu)形式。其光學(xué)結(jié)構(gòu)原理為:被觀察目標(biāo)所反射的夜天星光被物鏡收集，聚焦在像增強(qiáng)器的光陰極面上，在光陰極面上形成一個倒立的像。在陰極面上射出的光電子，經(jīng)過光電倍增放大的作用，轟擊熒光屏上的熒光粉，在熒光屏上形成被觀察目標(biāo)的正像，再經(jīng)過目鏡放大，被人眼所觀察。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示［2］。

圖2 雙通道雙目微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)

從綜合方面來看雙通道微光夜視系統(tǒng)，要比單通道雙目式的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因為它不需要轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，所以雙通道雙目式微光夜視儀將單通道雙目結(jié)構(gòu)中的目鏡簡化，這使它的裝配、設(shè)計、加工中工藝相對簡單;而且光學(xué)系統(tǒng)的光通量的接收效率較高，這樣就降低了對物鏡的通光量的要求，減小了物鏡通光口徑，它的結(jié)構(gòu)與普通雙筒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)相似，如圖2所示。如系統(tǒng)中采取近貼式第二代像增強(qiáng)器，則光學(xué)纖維倒像器將是比不可少的;而為了減小體積、減輕重量，可將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與像增強(qiáng)器合并于一體加工。如果需要設(shè)計大體積的機(jī)載微光夜視儀的物鏡，均采用折射式透鏡，其主要原因是折反射式物鏡體積太大，光能量有效使用率較低。

2 三通道雙目微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

要想擴(kuò)大水平視場，在改變物鏡光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)上尋找突破是相對困難，也很難達(dá)到要求的，在對單通道與雙通道微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究、分析中發(fā)現(xiàn)，只有通過改變微光夜視儀的總體結(jié)構(gòu)，才能確保物鏡光學(xué)系統(tǒng)較為簡單的結(jié)構(gòu)和較好的成像質(zhì)量。所以通過在傳統(tǒng)雙通道雙目的結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，利用光學(xué)系統(tǒng)的合像原理，通過添加了兩個輔助物鏡來擴(kuò)大視場，不僅實現(xiàn)了水平視場的擴(kuò)大，而且提高了觀察亮度，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三通道雙目微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)

傳統(tǒng)雙通道雙目的視場就是它其中一個物鏡的視場，此次設(shè)計的三通道雙目微光夜視儀，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使人眼不僅能觀察到主物鏡的視場，而且通過左右兩個輔助物鏡，使其在主物鏡的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)視場變寬，達(dá)到水平100°、垂直40°的寬視場，由于人眼視場為水平120°、垂直60°，這樣增強(qiáng)了人眼觀察的舒適度，不易造成視覺疲勞，并且使用了三個像增強(qiáng)器，使光學(xué)系統(tǒng)的分辨率不被降低，確保了有效地觀察。三通道的夜視系統(tǒng)，在主物鏡和輔助物鏡合像的過程中，圖像會有一定的重合，這樣就可以得到一個到不間斷、連續(xù)的大視場［3］。

3 性能分析

三通道雙目微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)采用了三個物鏡，每個物鏡視場角2ω=40°，三個視場之間有所覆蓋，覆蓋視場角為5°，總視場角為100°。如果采用一個全視場角為100°的鏡頭，鏡頭焦距約為7.3mm。而采用三個全視場是40°的鏡頭，鏡頭焦距約為24mm。鏡頭F數(shù)為1時，100°視場鏡頭入瞳直徑7.3mm，40°視場鏡頭入瞳直徑24mm。40°視場鏡頭通光面積是100°視場鏡頭的10倍以上。40°視場鏡頭角分辨力是100°視場鏡頭的3倍以上。因此，三通道雙目微光夜視儀在觀測目標(biāo)亮度和分辨力上是有很大優(yōu)勢的。

4 結(jié)語

本文介紹了目前主流夜視儀的核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成。對傳統(tǒng)微光夜視儀的結(jié)構(gòu)組成部分及作用作了詳細(xì)的介紹，并指出了影響各個部件的因素。然后對傳統(tǒng)微光夜視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的做了介紹，并論介紹三通道微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對其性能進(jìn)行了初步分析。

［1］趙秋玲.用于頭盔微光夜視儀的折/衍射混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［J］.光電子·激光，2004(7):759-762.

［2］王肇圻，趙秋玲，傅汝廉.用于人工因素-目視系統(tǒng)參量研究的折-衍混雜系統(tǒng)［J］.光電子·激光，2002，13(7):671-674.

［3］＜光學(xué)設(shè)計手冊＞編輯組.光學(xué)儀器設(shè)計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1971.

［4］周海憲.綜合機(jī)載微光夜視儀［J］.應(yīng)用光學(xué)，2001，22(4):17-22.

［5］陳慶佑.微光夜視技術(shù)進(jìn)展簡介［J］.真空電子技術(shù)，2001(1):32-35.

［6］尚華，劉鈞，高明，毛翠麗，等.頭盔式單目微光夜視儀中光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28(3):292-296.