专利名称：投影式微光夜视目视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微光夜视眼镜，属于微光夜视的目视光学系统。
背景技术：
微光夜视技术是夜视技术两大主要支柱之一，又称像增强技术。自上世纪60年代以来，随着像增强器性能的不断提高，微光夜视技术取得了迅猛发展。从海湾战争到美伊战争，微光夜视技术的作用越来越被人们所重视，它是夜战胜利的关键所在。在未来战场上，微光夜视技术将发挥越来越重要的作用。
为了提高部队的夜间作战能力，微光夜视技术一直是发达国家重点发展的技术领域。美国在这一领域一直处于领先地位。到现在为止，单兵的夜视装备已经发展到第四代微光夜视眼镜、增强型夜视眼镜及全景夜视眼镜。第四代夜视眼镜能在云遮星光和黄昏拂晓等各种条件下工作。而美国研制的AN/PVS-21的小突出量增强型双目夜视眼镜，在增强的场景直接映入眼睛的同时，佩戴者仍可以直接看到前方场景。微光视场和直视视场叠加在一起，如遇到使增强的影像看不清的明亮灯光或日光，佩戴者可以直接观察。AN/PVS-21夜视眼镜的突出量小，重心低，减小了佩戴者的颈部负担，并减小了眼镜碰挂其他物体的可能性。
目前国内的微光夜视技术，与欧美等先进国家的发展水平和我军对高性能微光装备的需求相比还存在很大差距。其研发水平落后国外约15～20年，而体积和重量大、成像质量差、畸变大是其光学系统的主要弊病。相应地，我军的装备水平和应用范围也远远落后于西方。除在军事上的应用以外，微光夜视技术在公安、武警等部门夜间巡逻、执法，企事业单位的夜间安全保卫，以及工业和科研领域都有至关重要的应用。
如果在微光夜视系统中使用目镜系统，那么由于目镜本身的特点，对应一定的视场、出瞳距离和出瞳直径，将有一个最小的镜头口径。这一点是与设计水平无关的，无论多好的设计也无法使目镜系统再减小。而且为了消除各种像差，其体积和重量必将很大。
目前，美国Tenebraex公司已经研制出彩色夜视机样机。彩色夜视技术将使识别速度提高，识别错误明显减少，未来必将取代单色夜视技术。而彩色技术对目视系统的要求更高，这必然导致其体积和重量更加庞大。这样，体积小、重量轻、成像质量好的新型目视系统的出现，将具有十分重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是用投影式目视系统代替原来的目镜系统，从而减小微光夜视系统的体积和重量，并达到更好的成像质量。
本发明设计了一个6片镜的投影物镜，工作波长为微光夜视用的像增强器的输出波长(e光)，其设计目标为出瞳直径10mm、出瞳距离25mm、视场角为40°、像增强器有效显示直径16mm，分辨力为60lp/mm。在一个双高斯变形物镜的基础上，经过合并和分离透镜，得到一个6片镜投影物镜。此透镜完全达到了设计目标。其数值举例见表1。
表1
本发明具体的技术方案这种投影型目视系统，包括物面、投影物镜、分光镜、返射型屏，其中投影物镜包括光阑、两片负透镜和4片正透镜，其特点是光阑1-4位于中间，其两侧各有一片负透镜1-3和1-5，然后外侧各接两片正透镜1-1，1-2，1-6和1-7(图1)。
本发明的有益效果在微光夜视眼镜中，目镜系统由于出瞳距离和出瞳直径的限制而导致的系统的严重不对称，从而必然导致光学系统有很大的体积和重量，以及很大的像差，尤其是畸变。引入投影式目视系统，克服了目镜的以上缺点，使微光夜视目视系统的体积和重量大大减小，成像质量显著提高。本发明表现出了在微光夜视眼镜中传统目镜系统不可比拟的优势。本发明的特征在于在微光夜视眼镜中引入投影式目视系统，利用投影物镜的对称性和易于校正像差(尤其是畸变)的特点，使微光夜视眼镜的目视系统重量和体积都大大减小，成像质量显著提高。本发明对减小夜视眼镜的突出量，降低重心，减小佩戴者的颈部负担，减小夜视眼镜碰挂其他物体的可能性都具有重要作用。它为微光夜视眼镜的目视系统设计提供了一种全新的思想和概念。
图1是本发明投影物镜的结构示意2是本发明投影物镜在其“投影物面”(像增强器输出面)上的调制传递函数曲线图3是本发明投影物镜在其“投影物面”(像增强器输出面)上的场屈和畸变曲线图4是本发明投影物镜在其“投影物面”(像增强器输出面)上的点列5是本发明制成直视型微光夜视眼镜的目视系统结构16是本发明制成直视型微光夜视眼镜的目视系统结构27是本发明制成透视型(增强型)微光夜视眼镜的目视系统结构图其中1-1、正透镜 1-2、正透镜 1-3、负透镜 1-4、光阑 1-5、负透镜1-6、正透镜 1-7、正透镜 1-8、投影物面(像增强器输出表面) 5-1、像增强器输出表面 5-2、图1所示的投影物镜 5-3、分光镜 5-4、返射型屏 5-5、系统出瞳 6-1、像增强器输出表面 6-2、图1所示的投影物镜 6-3、分光镜6-4、返射型屏 6-5、系统出瞳 6-6、返射型屏 7-1、像增强器输出表面 7-2、图1所示的投影物镜 7-3、分光镜 7-4、返射型屏 7-5、系统出瞳具体实施方式
本发明设计的投影物镜包括光阑、两片负透镜和4片正透镜，图1是本发明投影物镜的结构示意图。其特点是光阑1-4位于中间，其两侧各有一片负透镜1-3和1-5，然后外侧各接两片正透镜1-1、1-2、1-6、1-7。图1中的像面1-8在实际使用中用作投影物面，即放置像增强器的输出表面。图24分别是物镜在1-8面上的MTF曲线、场屈和畸变曲线以及点列图。图中显示，此投影物镜各视场的MTF在投影物面均达到0.6以上(60lp/mm时)，最大畸变只有0.15％，0、0.7、1.0视场的点列图RMS直径分别只有5.2、3.5、6.0μm，完全满足使用要求。此系统通过适当改变可以在保持像质基本不变的情况下获得不同的出瞳距离，以适应不同形式的夜视眼镜的需要。
本发明的投影式目视系统，包括像增强器输出表面(物面)、投影物镜、分光镜和返射型屏。首先说明“直视型”夜视眼镜的情况，如图5所示像增强器输出表面放置于图中5-1位置，然后其上面的图像经过投影物镜5-2成像。出射光线入射到分光镜5-3上。分光镜5-3与投影物镜光轴成45°角放置。光线经分光镜反射后入射到返射型屏5-4上。返射型屏是这样一种特殊材料能使入射到其表面的光线按原路返回。各图中的返射型屏不一定是平面，可以根据需要做成各种形状，且这样也不会给成像带来附加的畸变。入射到其表面的光线沿原路返回，然后透过分光镜5-3，到达出瞳5-5处的人眼。从而，使用者就可以看到经过投影放大的像增强器输出表面上的图像的“实像”。这种“直视型”的夜视眼镜，使用者只能看到像增强器输出表面上的图像。为了增加光能利用率，也可以像图6那样，在6-6处再放置一块返射型屏。
“透视型(增强型)”夜视眼镜的结构如图7所示像增强器输出表面放置于图中7-1位置，然后其上面的图像经过投影物镜7-2成像。出射光线入射到分光镜7-3上。分光镜7-3与投影物镜光轴成45°角放置。光线透过分光镜后入射到返射型屏7-4上，然后沿原路反射回来。返射光被分光镜7-3反射后进入出瞳处的人眼。这样，使用者不但能看到像增强器输出表面上的图像，还能透过分光镜7-3看到前方外界的景物。
为清楚起见，图5、6、7中均将投影物镜置于人眼下方。实际上，投影物镜还可以放置于人眼上方和两侧，即图中各系统倒置或水平放置，以适应不同结构的需要。图中的分光镜也可以与投影物镜光轴不成45°角放置，这取决于投影方向与投影物镜光轴的夹角。
权利要求
1.一种用于微光夜视目视系统的投影物镜，包括光阑、两片负透镜、4片正透镜和像增强器输出表面。其特点是光阑1-4位于中间，其两侧各有一片负透镜1-3和1-5，然后外侧各接两片正透镜1-1、1-2、1-6、1-7。
2.根据权利要求1所述投影物镜系统，其特征是通过适当优化，可以得到不同的出瞳距离，适应不同结构和形式的微光夜视眼镜的需要。
3.一种用于微光夜视眼镜的“直视型”目视系统，包括像增强器输出表面5-1、投影物镜5-2、分光镜5-3和返射型屏5-4。其特征是用投影物镜系统取代传统的目镜系统，将像增强器的输出表面通过物镜投影、再经分光镜反射和返射型屏的返射，最后光线到达人眼。使用者就可以看到放大后的“实像”。这种目视系统可以实现比传统目镜系统更小的体积和重量，并达到更好的成像质量，尤其是光学畸变。
4.根据权利要求3所述的“直视型”投影式目视系统，加入返射型屏6-6。其特征是可以获得比权利要求3所述的投影式目视系统更高的光能利用率。
5.根据权利要求3、4所述的“直视型”投影式目视系统，其投影物镜放置于眼睛下方、上方、两侧的情形。
6.根据权利要求3、4、5所述的“直视型”投影式目视系统，其投影物镜与分光镜所成角度不为45°的情形。
7.一种用于微光夜视系统的“透视型(增强型)”目视系统，包括像增强器输出表面7-1、投影物镜7-2、分光镜7-3和返射型屏7-4。其特征是用投影物镜取代传统的目镜系统，将像增强器的输出表面通过物镜系统投影，光线透过分光镜，再经返射型屏返射和分光镜反射，最后光线到达人眼。使用者不但可以看到放大后的“实像”，还能透过分光镜看到外界的场景。此外，这种目视系统还可以实现比传统目镜系统更小的体积和重量，并达到更好的成像质量，尤其是光学畸变。
8.根据权利要求7所述的“透视型(增强型)”投影式目视系统，其投影物镜放置于眼睛下方、上方、两侧的情形。
9.根据权利要求7、8所述的“透视型(增强型)”投影式目视系统，其投影物镜与分光镜所成角度不为45°的情形。
10.根据权利要求3、4、5、6、7、8、9所述的单目或双目结构的投影式目视系统。
全文摘要
本发明涉及一种微光夜视眼镜，属于微光夜视的目视光学系统。本发明为一个6片镜投影物镜。针对输出波长为546nm、输出表面有效直径为16mm，分辨力为60lp/mm的像增强器设计。发明给出了此投影物镜用于“直视型”和“透视型(增强型)”微光夜视眼镜的投影式目视系统结构图，其中包括像增强器输出表面、投影物镜、分光镜和返射型屏。利用投影式目视系统取代传统的目镜系统，得到了比传统目镜系统重量更轻、体积更小、成像质量更好的目视系统。此发明为微光夜视的目视光学系统设计提供了一种全新的设计思路和概念。
文档编号G02B27/18GK1967309SQ200510016040
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月14日 优先权日2005年11月14日
发明者王肇圻, 赵顺龙 申请人:南开大学