三通道微光夜視儀光學系統總體設計

付 蕓，王思博

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

0 引言

光學鏡頭的系統設計合理與否直接影響到微光夜視系統性能，而且對微光夜視系統的各項參數是否滿足要求至關重要。物鏡是微光系統信號的入口，物鏡的作用是把被觀察目標的微光輻射聚集在其系統中起重要功能的像增強器的光陰極面上。物鏡系統的設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。物鏡的諸多參數如:焦距、有效口徑、視場、相對孔徑都是微光夜視系統在設計時需注意的重要參數。傳統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常快［1］。

1 傳統微光夜視儀結構

圖1 微光夜視儀系統框圖

常用的微光夜視儀在光學系統結構形式上主要分為兩種:單通道和雙通道。這兩種結構形式的光學系統的基本結構組成都大致相同沒有大的差異。這一類系統均采用了一個像增強器，它的成本相對較低;它的裝配、調試、使用都很簡單;但為了得到與像增強器一致的光通量，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構形式。其光學結構原理為:被觀察目標所反射的夜天星光被物鏡收集，聚焦在像增強器的光陰極面上，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的正像，再經過目鏡放大，被人眼所觀察。系統結構圖如1所示［2］。

圖2 雙通道雙目微光夜視儀光學系統

從綜合方面來看雙通道微光夜視系統，要比單通道雙目式的光學系統結構簡單，因為它不需要轉像系統，所以雙通道雙目式微光夜視儀將單通道雙目結構中的目鏡簡化，這使它的裝配、設計、加工中工藝相對簡單;而且光學系統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，它的結構與普通雙筒望遠鏡結構相似，如圖2所示。如系統中采取近貼式第二代像增強器，則光學纖維倒像器將是比不可少的;而為了減小體積、減輕重量，可將轉向系統與像增強器合并于一體加工。如果需要設計大體積的機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構設計

要想擴大水平視場，在改變物鏡光學系統參數上尋找突破是相對困難，也很難達到要求的，在對單通道與雙通道微光夜視儀光學系統結構的研究、分析中發現，只有通過改變微光夜視儀的總體結構，才能確保物鏡光學系統較為簡單的結構和較好的成像質量。所以通過在傳統雙通道雙目的結構研究基礎上，利用光學系統的合像原理，通過添加了兩個輔助物鏡來擴大視場，不僅實現了水平視場的擴大，而且提高了觀察亮度，光學系統結構如圖3所示。

圖3 三通道雙目微光夜視儀光學系統

傳統雙通道雙目的視場就是它其中一個物鏡的視場，此次設計的三通道雙目微光夜視儀，突破了傳統結構，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上，將系統視場變寬，達到水平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器，使光學系統的分辨率不被降低，確保了有效地觀察。三通道的夜視系統，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、連續的大視場［3］。

3 性能分析

三通道雙目微光夜視儀光學系統采用了三個物鏡，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亮度和分辨力上是有很大優勢的。

4 結語

本文介紹了目前主流夜視儀的核心結構系統工作原理及構成。對傳統微光夜視儀的結構組成部分及作用作了詳細的介紹，并指出了影響各個部件的因素。然后對傳統微光夜視系統結構的做了介紹，并論介紹三通道微光夜視儀光學系統的結構，并對其性能進行了初步分析。

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

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［3］＜光學設計手冊＞編輯組.光學儀器設計手冊［M］.北京:國防工業出版社，1971.

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

［5］陳慶佑.微光夜視技術進展簡介［J］.真空電子技術，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系統的設計［J］.應用光學，2007，28(3):292-296.