含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜设计

　　0　引言

　　头盔微光夜视仪是一种综合在保护头盔上的微光夜视系统,利用夜间月光、星光、大气辉光等自然微光工作,通过光电像增强技术改善人眼在黑暗环境下 的视觉性能。可用于军用战机以提高飞行员在低照度夜间飞行时对态势的感知能力;也可用于步兵或伞兵,帮助士兵在夜间发现、观察目标。

　　为获得大视野、高亮度、失真小的微光夜视图像,要求头盔微光夜视仪的光学系统具有大视场、大相对孔径、好的像差平衡等特点。同时,为提高佩带安 全性和舒适性,又必须控制系统的尺寸和重量。物镜是微光夜视仪的重要光学部件,它把外界微光景物成像在像增强器上,其性能直接影响微光夜视仪的整体性能。 在进行光学系统设计时,若仍采用传统的球面系统设计,为满足性能要求,需采用更多镜片和更复杂的结构,导致光学系统尺寸和重量都增加。为了获得较高的系统 性能和较小的尺寸、重量,文献[1]在光学系统中引入二元衍射面,设计了总视场28°,F/1.4,畸变小于0.5%的6片式夜视物镜;文献[2]则在光 学系统中引入非球面,利用3个低次非球面,设计了总视场40°,F/1.2,畸变小于5%的6片式夜视物镜。二元衍射面和非球面的引入,都在保证一定性能 的情况下,使夜视物镜重量和尺寸得到一定减少。为了更进一步地减轻重量,靠优化结构的潜力已经十分有限,选用轻质光学材料成为新的设计方向。本文主要阐述 把光学塑料用于微光夜视物镜设计进行减重,并用Zemax设计了含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜,在保证较好性能的前提下,大大降低了物镜重量。

　　1　光学塑料非球面透镜特点及加工

　　光学塑料元件具有较好的光学性能,质量轻、不易碎裂,便于批量低成本生产。相对玻璃材料而言,光学塑料种类较少,且折射率通常较低[3]。但其 便于成型特性使其易于加工成非球面。尤其是近年来,出现了耐热、低收缩率、低吸湿性的光学塑料,计算机辅助设计在注塑成型、光学系统设计领域的应用也快速 发展[4],加之超高精度(10 nm)非球面面形检测技术的发展[5],使得高精度塑料非球面的加工成为可能。塑料非球面已广泛应用于摄影镜头、投影镜头等光学系统中,来简化结构、降低 重量、提高性能。

　　国外早就开始了塑料非球面的应用研究,美国陆军夜视和电子传感局的科研人员研究了塑料非球面元件的材料性能、设计、加工,并且使之应用于目镜、 物镜等系统中,表明其性能优于普通球面玻璃透镜,能够获得更大的视场、更轻的质量[6]。美国霍尼韦尔公司也对塑料非球面元件进行了大量的研究工作,取得 了良好的效果[7]。国内对塑料非球面应用也进行了研究,文献[8]设计并生产了高次塑料非球面眼镜片;文献[9]在3D头盔显示目镜设计中采用塑料非球 面,把系统简化为3片;文献[10]则同时利用了衍射元件和塑料非球面,实现了全塑料头盔显示器目镜的设计。