微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计

　　微光夜视仪是利用光增强技术进行观察的夜视系统,可以在夜间或低亮度条件下(10-1~10-5LX),利用微弱星光、月光和大气辉光,通过像增强器转变成人眼可观察的图像,弥补了人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,扩展了人的视野和功能.微光夜视仪主要用于隐蔽性夜战、夜间侦察、夜间抢险救援、夜间导航等,尤其适用于夜间低空贴地飞行[1-3].

　　为了降低使用者的负担,安装在头盔上的微光夜视系统,通常情况下要求其体积小,重量轻,而且对物镜视场和相对孔径要求较大,传统的系统设计大多采用球面,其结构复杂,镜片较多,使得系统体积和质量较大,很难满足设计要求.随着光学加工工艺和光学检测技术的提高,衍射面由于其衍射效率高,负色散性,不产生场曲,并且有较多的设计自由度,使之代替球面成为了一种趋势.文献[4]设计了由6片透镜和一个衍射面组成的折/衍混合微光夜视头盔的光学系统,对传统的系统设计进行了优化[5-7].文中将折/衍混和光学元件应用于微光夜视仪的物镜光学系统设计中,将原有的7片透镜减少为5片,并给出成像质量图.在符合成像质量要求的情况下,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍混合物镜光学系统.

　　1　物镜光学系统的参数与结构

　　1.1　设计要求

　　物镜是微光系统信号的入口,一般安装在微光夜视仪的最前端,要求其重量尽可能小,使整个系统的重心后移.为使像面有足够的照度,需要大相对孔径物镜,另外,还需要有足够的大视场[8-10].针对设计要求,对该物镜计算出相应的技术指标:焦距19 mm;视场40°;相对孔径1/1.19;全视场畸变≤5%;在空间频率为40 lp/mm时,传递函数(Modulation Tromsfer Function, MTF)轴上≥0.60,轴外≥0.40.由于夜天辐射除可见光之外,还包含丰富的近红外辐射,为此选择560.82 nm,721.27 nm和876.22 nm为设计波长.

　　1.2　初始结构的选择

　　夜视仪器通常使用两种类型的物镜,一种是匹兹伐型,一种是双高斯型.匹兹伐型物镜结构简单,球差和彗差校正较容易,但是当视场加大时场曲很严重,故通常适用于仪器对视场要求不大的情况下.双高斯型物镜是微光仪器中最基本结构,主要是由于这种结构较容易在宽光谱范围修正球差,并且其基本结构是对称型,垂轴像差容易校正,系统相对孔径可达到1∶1,甚至更大,视场可达到40°~50°[11-12],据此选取双高斯型物镜作为初始结构.由于所选像增强器光阴极的平板保护玻璃影响到整个物镜系统成像,在设计过程中加入该元件,其材料QK3,厚度为5.57 mm.

　　2　传统球面系统的设计与像质评价

　　对于微光物镜的设计,像增强器的特性参数是必不可少的原始数据.本着体积小,重量轻的原则,并考虑到器件性能及其发展现状,设计选用第三代像增强器,有效光阴极直径/屏直径为18/18 mm.微光物镜具有大视场、大相对孔径的特点,轴上像差容易校正,但轴外像差很难控制.在选定初始结构后,用ZEMAX光学设计软件进行初步多次的优化和调整后,得到了一个球面系统.