專利名稱：投影式微光夜視目視系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微光夜視眼鏡，屬于微光夜視的目視光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微光夜視技術(shù)是夜視技術(shù)兩大主要支柱之一，又稱像增強(qiáng)技術(shù)。自上世紀(jì)60年代以來，隨著像增強(qiáng)器性能的不斷提高，微光夜視技術(shù)取得了迅猛發(fā)展。從海灣戰(zhàn)爭到美伊戰(zhàn)爭，微光夜視技術(shù)的作用越來越被人們所重視，它是夜戰(zhàn)勝利的關(guān)鍵所在。在未來戰(zhàn)場上，微光夜視技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。
為了提高部隊(duì)的夜間作戰(zhàn)能力，微光夜視技術(shù)一直是發(fā)達(dá)國家重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。美國在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。到現(xiàn)在為止，單兵的夜視裝備已經(jīng)發(fā)展到第四代微光夜視眼鏡、增強(qiáng)型夜視眼鏡及全景夜視眼鏡。第四代夜視眼鏡能在云遮星光和黃昏拂曉等各種條件下工作。而美國研制的AN/PVS-21的小突出量增強(qiáng)型雙目夜視眼鏡，在增強(qiáng)的場景直接映入眼睛的同時(shí)，佩戴者仍可以直接看到前方場景。微光視場和直視視場疊加在一起，如遇到使增強(qiáng)的影像看不清的明亮燈光或日光，佩戴者可以直接觀察。AN/PVS-21夜視眼鏡的突出量小，重心低，減小了佩戴者的頸部負(fù)擔(dān)，并減小了眼鏡碰掛其他物體的可能性。
目前國內(nèi)的微光夜視技術(shù)，與歐美等先進(jìn)國家的發(fā)展水平和我軍對(duì)高性能微光裝備的需求相比還存在很大差距。其研發(fā)水平落后國外約15～20年，而體積和重量大、成像質(zhì)量差、畸變大是其光學(xué)系統(tǒng)的主要弊病。相應(yīng)地，我軍的裝備水平和應(yīng)用范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方。除在軍事上的應(yīng)用以外，微光夜視技術(shù)在公安、武警等部門夜間巡邏、執(zhí)法，企事業(yè)單位的夜間安全保衛(wèi)，以及工業(yè)和科研領(lǐng)域都有至關(guān)重要的應(yīng)用。
如果在微光夜視系統(tǒng)中使用目鏡系統(tǒng)，那么由于目鏡本身的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)一定的視場、出瞳距離和出瞳直徑，將有一個(gè)最小的鏡頭口徑。這一點(diǎn)是與設(shè)計(jì)水平無關(guān)的，無論多好的設(shè)計(jì)也無法使目鏡系統(tǒng)再減小。而且為了消除各種像差，其體積和重量必將很大。
目前，美國Tenebraex公司已經(jīng)研制出彩色夜視機(jī)樣機(jī)。彩色夜視技術(shù)將使識(shí)別速度提高，識(shí)別錯(cuò)誤明顯減少，未來必將取代單色夜視技術(shù)。而彩色技術(shù)對(duì)目視系統(tǒng)的要求更高，這必然導(dǎo)致其體積和重量更加龐大。這樣，體積小、重量輕、成像質(zhì)量好的新型目視系統(tǒng)的出現(xiàn)，將具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是用投影式目視系統(tǒng)代替原來的目鏡系統(tǒng)，從而減小微光夜視系統(tǒng)的體積和重量，并達(dá)到更好的成像質(zhì)量。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)6片鏡的投影物鏡，工作波長為微光夜視用的像增強(qiáng)器的輸出波長(e光)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為出瞳直徑10mm、出瞳距離25mm、視場角為40°、像增強(qiáng)器有效顯示直徑16mm，分辨力為60lp/mm。在一個(gè)雙高斯變形物鏡的基礎(chǔ)上，經(jīng)過合并和分離透鏡，得到一個(gè)6片鏡投影物鏡。此透鏡完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。其數(shù)值舉例見表1。
表1

本發(fā)明具體的技術(shù)方案這種投影型目視系統(tǒng)，包括物面、投影物鏡、分光鏡、返射型屏，其中投影物鏡包括光闌、兩片負(fù)透鏡和4片正透鏡，其特點(diǎn)是光闌1-4位于中間，其兩側(cè)各有一片負(fù)透鏡1-3和1-5，然后外側(cè)各接兩片正透鏡1-1，1-2，1-6和1-7(圖1)。
本發(fā)明的有益效果在微光夜視眼鏡中，目鏡系統(tǒng)由于出瞳距離和出瞳直徑的限制而導(dǎo)致的系統(tǒng)的嚴(yán)重不對(duì)稱，從而必然導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)有很大的體積和重量，以及很大的像差，尤其是畸變。引入投影式目視系統(tǒng)，克服了目鏡的以上缺點(diǎn)，使微光夜視目視系統(tǒng)的體積和重量大大減小，成像質(zhì)量顯著提高。本發(fā)明表現(xiàn)出了在微光夜視眼鏡中傳統(tǒng)目鏡系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。本發(fā)明的特征在于在微光夜視眼鏡中引入投影式目視系統(tǒng)，利用投影物鏡的對(duì)稱性和易于校正像差(尤其是畸變)的特點(diǎn)，使微光夜視眼鏡的目視系統(tǒng)重量和體積都大大減小，成像質(zhì)量顯著提高。本發(fā)明對(duì)減小夜視眼鏡的突出量，降低重心，減小佩戴者的頸部負(fù)擔(dān)，減小夜視眼鏡碰掛其他物體的可能性都具有重要作用。它為微光夜視眼鏡的目視系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種全新的思想和概念。


圖1是本發(fā)明投影物鏡的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明投影物鏡在其“投影物面”(像增強(qiáng)器輸出面)上的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖3是本發(fā)明投影物鏡在其“投影物面”(像增強(qiáng)器輸出面)上的場屈和畸變曲線圖4是本發(fā)明投影物鏡在其“投影物面”(像增強(qiáng)器輸出面)上的點(diǎn)列5是本發(fā)明制成直視型微光夜視眼鏡的目視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16是本發(fā)明制成直視型微光夜視眼鏡的目視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)27是本發(fā)明制成透視型(增強(qiáng)型)微光夜視眼鏡的目視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中1-1、正透鏡 1-2、正透鏡 1-3、負(fù)透鏡 1-4、光闌 1-5、負(fù)透鏡1-6、正透鏡 1-7、正透鏡 1-8、投影物面(像增強(qiáng)器輸出表面) 5-1、像增強(qiáng)器輸出表面 5-2、圖1所示的投影物鏡 5-3、分光鏡 5-4、返射型屏 5-5、系統(tǒng)出瞳 6-1、像增強(qiáng)器輸出表面 6-2、圖1所示的投影物鏡 6-3、分光鏡6-4、返射型屏 6-5、系統(tǒng)出瞳 6-6、返射型屏 7-1、像增強(qiáng)器輸出表面 7-2、圖1所示的投影物鏡 7-3、分光鏡 7-4、返射型屏 7-5、系統(tǒng)出瞳具體實(shí)施方式
本發(fā)明設(shè)計(jì)的投影物鏡包括光闌、兩片負(fù)透鏡和4片正透鏡，圖1是本發(fā)明投影物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。其特點(diǎn)是光闌1-4位于中間，其兩側(cè)各有一片負(fù)透鏡1-3和1-5，然后外側(cè)各接兩片正透鏡1-1、1-2、1-6、1-7。圖1中的像面1-8在實(shí)際使用中用作投影物面，即放置像增強(qiáng)器的輸出表面。圖24分別是物鏡在1-8面上的MTF曲線、場屈和畸變曲線以及點(diǎn)列圖。圖中顯示，此投影物鏡各視場的MTF在投影物面均達(dá)到0.6以上(60lp/mm時(shí))，最大畸變只有0.15％，0、0.7、1.0視場的點(diǎn)列圖RMS直徑分別只有5.2、3.5、6.0μm，完全滿足使用要求。此系統(tǒng)通過適當(dāng)改變可以在保持像質(zhì)基本不變的情況下獲得不同的出瞳距離，以適應(yīng)不同形式的夜視眼鏡的需要。
本發(fā)明的投影式目視系統(tǒng)，包括像增強(qiáng)器輸出表面(物面)、投影物鏡、分光鏡和返射型屏。首先說明“直視型”夜視眼鏡的情況，如圖5所示像增強(qiáng)器輸出表面放置于圖中5-1位置，然后其上面的圖像經(jīng)過投影物鏡5-2成像。出射光線入射到分光鏡5-3上。分光鏡5-3與投影物鏡光軸成45°角放置。光線經(jīng)分光鏡反射后入射到返射型屏5-4上。返射型屏是這樣一種特殊材料能使入射到其表面的光線按原路返回。各圖中的返射型屏不一定是平面，可以根據(jù)需要做成各種形狀，且這樣也不會(huì)給成像帶來附加的畸變。入射到其表面的光線沿原路返回，然后透過分光鏡5-3，到達(dá)出瞳5-5處的人眼。從而，使用者就可以看到經(jīng)過投影放大的像增強(qiáng)器輸出表面上的圖像的“實(shí)像”。這種“直視型”的夜視眼鏡，使用者只能看到像增強(qiáng)器輸出表面上的圖像。為了增加光能利用率，也可以像圖6那樣，在6-6處再放置一塊返射型屏。
“透視型(增強(qiáng)型)”夜視眼鏡的結(jié)構(gòu)如圖7所示像增強(qiáng)器輸出表面放置于圖中7-1位置，然后其上面的圖像經(jīng)過投影物鏡7-2成像。出射光線入射到分光鏡7-3上。分光鏡7-3與投影物鏡光軸成45°角放置。光線透過分光鏡后入射到返射型屏7-4上，然后沿原路反射回來。返射光被分光鏡7-3反射后進(jìn)入出瞳處的人眼。這樣，使用者不但能看到像增強(qiáng)器輸出表面上的圖像，還能透過分光鏡7-3看到前方外界的景物。
為清楚起見，圖5、6、7中均將投影物鏡置于人眼下方。實(shí)際上，投影物鏡還可以放置于人眼上方和兩側(cè)，即圖中各系統(tǒng)倒置或水平放置，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的需要。圖中的分光鏡也可以與投影物鏡光軸不成45°角放置，這取決于投影方向與投影物鏡光軸的夾角。
權(quán)利要求
1.一種用于微光夜視目視系統(tǒng)的投影物鏡，包括光闌、兩片負(fù)透鏡、4片正透鏡和像增強(qiáng)器輸出表面。其特點(diǎn)是光闌1-4位于中間，其兩側(cè)各有一片負(fù)透鏡1-3和1-5，然后外側(cè)各接兩片正透鏡1-1、1-2、1-6、1-7。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述投影物鏡系統(tǒng)，其特征是通過適當(dāng)優(yōu)化，可以得到不同的出瞳距離，適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)和形式的微光夜視眼鏡的需要。
3.一種用于微光夜視眼鏡的“直視型”目視系統(tǒng)，包括像增強(qiáng)器輸出表面5-1、投影物鏡5-2、分光鏡5-3和返射型屏5-4。其特征是用投影物鏡系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的目鏡系統(tǒng)，將像增強(qiáng)器的輸出表面通過物鏡投影、再經(jīng)分光鏡反射和返射型屏的返射，最后光線到達(dá)人眼。使用者就可以看到放大后的“實(shí)像”。這種目視系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)目鏡系統(tǒng)更小的體積和重量，并達(dá)到更好的成像質(zhì)量，尤其是光學(xué)畸變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的“直視型”投影式目視系統(tǒng)，加入返射型屏6-6。其特征是可以獲得比權(quán)利要求3所述的投影式目視系統(tǒng)更高的光能利用率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4所述的“直視型”投影式目視系統(tǒng)，其投影物鏡放置于眼睛下方、上方、兩側(cè)的情形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5所述的“直視型”投影式目視系統(tǒng)，其投影物鏡與分光鏡所成角度不為45°的情形。
7.一種用于微光夜視系統(tǒng)的“透視型(增強(qiáng)型)”目視系統(tǒng)，包括像增強(qiáng)器輸出表面7-1、投影物鏡7-2、分光鏡7-3和返射型屏7-4。其特征是用投影物鏡取代傳統(tǒng)的目鏡系統(tǒng)，將像增強(qiáng)器的輸出表面通過物鏡系統(tǒng)投影，光線透過分光鏡，再經(jīng)返射型屏返射和分光鏡反射，最后光線到達(dá)人眼。使用者不但可以看到放大后的“實(shí)像”，還能透過分光鏡看到外界的場景。此外，這種目視系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)目鏡系統(tǒng)更小的體積和重量，并達(dá)到更好的成像質(zhì)量，尤其是光學(xué)畸變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的“透視型(增強(qiáng)型)”投影式目視系統(tǒng)，其投影物鏡放置于眼睛下方、上方、兩側(cè)的情形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7、8所述的“透視型(增強(qiáng)型)”投影式目視系統(tǒng)，其投影物鏡與分光鏡所成角度不為45°的情形。
10.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6、7、8、9所述的單目或雙目結(jié)構(gòu)的投影式目視系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微光夜視眼鏡，屬于微光夜視的目視光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明為一個(gè)6片鏡投影物鏡。針對(duì)輸出波長為546nm、輸出表面有效直徑為16mm，分辨力為60lp/mm的像增強(qiáng)器設(shè)計(jì)。發(fā)明給出了此投影物鏡用于“直視型”和“透視型(增強(qiáng)型)”微光夜視眼鏡的投影式目視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中包括像增強(qiáng)器輸出表面、投影物鏡、分光鏡和返射型屏。利用投影式目視系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的目鏡系統(tǒng)，得到了比傳統(tǒng)目鏡系統(tǒng)重量更輕、體積更小、成像質(zhì)量更好的目視系統(tǒng)。此發(fā)明為微光夜視的目視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路和概念。
文檔編號(hào)G02B27/18GK1967309SQ200510016040
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月14日
發(fā)明者王肇圻, 趙順龍 申請(qǐng)人:南開大學(xué)