用于头戴类微光夜视仪的轻量化物镜光学系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于非球面设计的适用于微光夜视仪的高性能轻量化物镜光学系统，特别是一种用于头戴类微光夜视仪的轻量化物镜光学系统。


背景技术：

2.人眼是一种高精度的光学系统，但是人眼的光谱敏感范围不大，分辨能力也有限。随着光强不断减弱，人眼的识别能力也逐渐变差，最终无法辨识物体。在夜间，光谱范围和光强两个因素限制了人眼的分辨能力，微光夜视仪突破上述限制，帮助人在夜间微光条件下观察物体。
3.现今微光夜视技术已经是成熟的高新技术，微光夜视仪是发达国家生产量、装备量最大的夜视设备。随着微光夜视的需求不断增加，相应的需要不断加强微光器件和光学结构的技术改进，使其具备更高的灵敏度、分辨率，更长的作用距离，更大的视场。
4.头盔式微光夜视仪是微光夜视仪的一种常见类型，与一般夜视仪不同的是，使用者需要将其佩戴在头部，因此必须通过改进设计来减轻重量，减少使用者的负担。大部分传统夜视仪采用球面设计，为校正相对孔径较大带来的各种像差，结构相对复杂，镜片数量较多，因此重量较重。改进的方法主要有使用光学衍射元件，非球面，衍射元件和非球面混合设计等。这些方法除了可以实现传统光学元件的功能，还可以实现色差校正，消热差等特殊功能，增加了光学设计的自由度，在改善像质，减小体积、重量方面有着独特优势。
5.光学衍射元件有着优异的性能，但是对于加工制造有较高要求，加工、装配导致的误差也对其性能有较大影响，因此在实际应用中实现难度较高，生产制造成本也较高。得益于国内加工、检测技术的进步，非球面的制造难度降低，在光学设计中引入非球面，可以扩展设计自由度，更加高效的校正像差，从而在满足光学性能要求的前提下减少镜片质量，简化整体结构，达到减小体积，减轻重量的目的。
6.目前微光夜视仪物镜大多为7
‑
10片的双高斯物镜，如专利cn107991767b《轻型微光夜视仪光学系统》采用了四组8片的设计。专利cn02268250.3《微光夜视瞄准镜物镜》物镜采用6组8片式，为了使微光夜视仪重量轻，体积小，需要设计一种使用非球面技术的4组5片结构的物镜，在保证光学性能的同时简化结构，提升微光夜视仪性能。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是：
8.针对当前采用传统球面透镜设计的头戴类微光夜视仪物镜通常采用7
‑
8片的双高斯形式物镜，且受体积尺寸限制，存在像差较难得到校正、重量较重等问题，如何解决在保证图像质量的前提下，有效降低体积及重量。
9.本实用新型的技术方案是：
10.为了解决上述技术问题，本实用新型针对头戴类微光夜视仪的使用要求，采用环保材料和非球面元件，在保证图像质量的前提下，降低系统体积重量。设计的物镜焦距为
24.74mm，相对孔径1:1.2，采用4组5片或者4组6片的形式，物镜轴上传递函数达到0.7@40lp/mm以上，光学系统总长不大于35mm，光学元件重量不大于17g。
11.具体的，本实用新型的技术方案可以是采用4组5片或者采用4组6片的技术方案。
12.(1)采用4组5片的技术方案为：
13.一种用于微光夜视仪的轻量化物镜光学系统，沿光轴从入射光方向至像面由四组透镜组成，依次包括：第一组透镜为使用非球面的具有正屈光度的物镜第一透镜；第二组透镜为胶合透镜，由一片双凸正屈光度的物镜第二透镜和一片双凹负屈光度的物镜第三透镜组成；第三组透镜为使用非球面的具有正屈光度物镜第四透镜；第四组透镜为一片凹面朝向物方的弯月形负透镜的物镜第五透镜。
14.优选的，所述物镜第一透镜为一片弯月形非球面正透镜，所述物镜第一透镜满足下列的公式：
15.0.5＜f1/f＜3.5
16.式中，f1是胶合透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
17.优选的，所述物镜第二透镜和物镜第三透镜组成的胶合透镜满足下列的表达式：
18.4＜f2/f＜6
19.式中，f2是胶合透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
20.优选的，所述物镜第四透镜为一片双凸非球面正透镜，满足下列的表达式：
21.0.5＜f4/f＜1.5
22.式中，f4是物镜第四透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
23.优选的，所述物镜第五透镜物镜为一片弯月形非球面负透镜，所述物镜第五透镜满足下列的表达式：
24.‑
1.5＜f5/f＜
‑
0.5
25.式中，f5是物镜第五透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
26.(2)采用4组6片的技术方案为：
27.一种用于微光夜视仪的轻量化物镜光学系统，沿光轴从入射光方向至像面由四组透镜组成，依次包括：第一组透镜为使用非球面的具有正屈光度的物镜第一透镜；第二组透镜为胶合透镜，由一片双凸正屈光度的物镜第二透镜和一片双凹负屈光度的物镜第三透镜组成；第三组透镜包括两片分离的物镜第四透镜和物镜第五透镜，所述物镜第四透镜为一片弯月形负透镜，所述物镜第五透镜为一片双凸正透镜；第四组透镜包括一片凹面朝向物方的弯月形负透镜的物镜第六透镜。
28.优选的，所述物镜第一透镜满足下列的表达式：
29.0.5＜f1/f＜1.5
30.式中，f1是物镜第一透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
31.优选的，所述物镜第二透镜和物镜第三透镜组成的胶合透镜满足下列的表达式：
32.‑
2＜f2/f＜
‑
0.5
33.式中，f2是胶合透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
34.优选的，所述物镜第四透镜和物镜第五透镜组成的第三组透镜，由一片弯月形透镜和一片双凸正透镜组成，满足下列的表达式：
35.0.5＜f4/f＜1.5
36.式中，f4是第三组透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
37.优选的，所述物镜第六透镜满足下列的表达式：
38.‑
1.5＜f6/f＜
‑
0.5
39.式中，f6是物镜第六透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
40.优选的，无论采用4组5片还是采用5组6片的技术方案，所述的物镜的光谱响应波段范围550nm～900nm；所述四组透镜均使用轻质环保材料。
41.本实用新型的有益效果是：
42.本实用新型物镜设计视场为40
°
(圆视场或对角线)，能够满足头戴夜视仪的像质及视场要求，降低了系统重量和减小了系统尺寸，物镜光学系统可以有效的应用在使用像增强器的头戴类微光夜视仪中。
附图说明
43.图1为实施例1光学系统组成示意图。
44.图2自左至右分别为实施例1的球差、场曲和畸变图。
45.图3为实施例2光学系统组成示意图。
46.图4自左至右分别为实施例2的球差、场曲和畸变图。
47.图中：s1、s2
…
s13为第1面、第2面
…
第13面；图1中，l1、l2
…
l5为物镜第一透镜、物镜第二透镜
…
物镜第五透镜，l6为像增强器光阴极保护窗；图3中，l1、l2
…
l6为物镜第一透镜、物镜第二透镜
…
物镜第六透镜，l7为像增强器光阴极保护窗。
具体实施方式
48.为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
49.微光夜视仪主要在夜间使用，且微光夜视仪的使用环境主要为夜间，故设计物镜光学系统时，需考虑器件对光线的采集能力和夜天光及器件光谱特性。本实用新型实施例针对具有φ18mm阴极面的像增强器开展设计，设计的物镜焦距为24.74mm，视场为40
°
，相对孔径1:1.2，设计光谱响应波段550nm～900nm，透镜总重量不大于17g。
50.实施例1：
51.如图1所示，物镜光学系统，沿光轴从入射光方向至像面由四组透镜组成，依次包括：第一组透镜为具有正屈光度的物镜第一透镜，第二组透镜为具有正屈光度的物镜胶合透镜(物镜第二透镜和物镜第三透镜)，第三组透镜为具有正屈光度的物镜第四透镜，第四组透镜为具有负屈光度的物镜第五透镜。
52.其中，物镜第一透镜的屈光度为正，为弯月形正透镜，s2面为非球面，可有效收缩光线，减小物镜的尺寸。
53.物镜第一透镜满足下列的表达式:
54.1.5＜f1/f＜3.5
55.式中，f1是物镜胶合透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
56.第二组透镜为物镜胶合透镜，由双凸正透镜即物镜第二透镜和双凹负透镜即物镜第三透镜组成，由具有不同色散系数的材料设计，有效减小色差、球差。
57.物镜胶合透镜满足下列的表达式：
58.4＜f2/f＜6
59.式中，f2是物镜胶合透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
60.第三组透镜即物镜第四透镜为一片双凸正透镜，s7面为非球面。
61.物镜第四透镜满足下列的表达式：
62.0.5＜f4/f＜1.5
63.式中，f4是物镜第四透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
64.第四组透镜即物镜第五透镜为一片弯月形负透镜，s8面为非球面，该片透镜靠近像面，具有场镜的作用，减小场曲。
65.物镜第五透镜满足下列的表达式：
66.‑
1.5＜f5/f＜
‑
0.5
67.式中，f5是物镜第五透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
68.为了降低重量，所有材料均使用轻质环保玻璃材料。物镜光学件总重不大于17g。
69.实施例1对应的边缘视场相对照度为43％。
70.实施例1所述的物镜光学系统光学总长为34.5mm。
71.图1所示的l6为像增强器阴极平板保护窗，厚度为5.6mm。
72.实施例1设计数据见表1和表2。
73.图2为实施例1的像质评价分析图。
74.表1实施例1设计数据表
[0075][0076][0077]
备注中标记*号的面为非球面，非球面方程为：
[0078][0079]
式(1)中：z为光轴方向弧高，以球面顶点为坐标原点；ρ为顶点曲率，ρ＝1/r，r为半径；k值为二次常数；y为坐标点所在位置与透镜球面顶点的距离；a、b、c、d为对应级次的变形系数。
[0080]
实施例1的非球面数据见表2。
[0081]
表2非球面数据表
[0082][0083]
实施例1的光学传递函数(mtf)见表3。
[0084]
表3光学传递函数(mtf)
[0085][0086]
实施例2：
[0087]
如图3所示，物镜光学系统，沿光轴从入射光方向至像面依次由四组透镜组成，包括：第一组透镜由具有正屈光度的物镜第一透镜组成，第二组透镜由具有负屈光度的物镜胶合透镜物镜第二透镜和物镜第三透镜组成，第三组透镜由两片分离透镜物镜第四透镜和物镜第五透镜组成，第四组透镜由具有负屈光度的物镜第六透镜组成。
[0088]
其中，物镜第一透镜的屈光度为正，为弯月形正透镜，s1面为非球面，可有效收缩光线，减小物镜的尺寸，改善像差，增大边缘视场相对照度。
[0089]
物镜第一透镜满足下列的表达式
[0090]
0.5＜f1/f＜1.5
[0091]
式中，f1是物镜第一透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
[0092]
第二组透镜为物镜胶合透镜，由双凸正透镜即物镜第二透镜和双凹负透镜即物镜第三透镜组成，由具有不同色散系数的材料设计，有效减小色差、球差。
[0093]
物镜胶合透镜满足下列的表达式：
[0094]
‑
2＜f2/f＜
‑
0.5
[0095]
式中，f2是物镜胶合透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
[0096]
第三组透镜由两片分离透镜组成，物镜第四透镜为一片弯月形负透镜，物镜第五透镜为一片双凸正透镜。第三组透镜满足下列的表达式：
[0097]
0.5＜f4/f＜1.5
[0098]
式中，f4是第三组透镜焦距；f表示整个物镜透镜组的焦距。
[0099]
第四组透镜即物镜第六透镜，为一片凹面朝向物方的弯月形负透镜，具有减小场曲的作用。
[0100]
物镜第六透镜满足下列的表达式：
[0101]
‑
1.5＜f6/f＜
‑
0.5
[0102]
式中，f6是物镜第六透镜焦距；f表示整个透镜组的焦距。
[0103]
为了降低重量，所有材料均使用轻质环保玻璃材料。物镜光学件总重不大于17g。
[0104]
实施例2对应的边缘视场相对照度为58％。
[0105]
实施例2所述的物镜光学系统光学总长为34mm。
[0106]
图3所示的l7为像增强器阴极平板保护窗，厚度为5.6mm。
[0107]
实施例2数据见表4。
[0108]
图4为实施例2的像质评价分析图。
[0109]
表4实施例2数据表
[0110][0111]
备注中标记*号的为非球面，非球面公式与式(1)相同，数据表见表5。
[0112]
表5非球面数据表
[0113][0114]
实施例2的光学传递函数(mtf)见表6。
[0115]
表6光学传递函数(mtf)
[0116][0117]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技
术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。