一种微光电视成像中继耦合光学系统的制作方法

本发明涉及微光电视成像系统，尤其涉及一种微光电视成像中继耦合光学系统。

背景技术：

微光电视成像系统是进行夜间观察的一种夜视器材，是利用图像增强器件对暗弱目标光辐射信号进行增强放大后成像的技术，适合在夜间进行侦察、瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业。先进的夜视器材是部队取得夜战胜利必不可少的技术手段，有利于夜间战场隐蔽机动或提前发现敌方目标，会使自身处于先发制人的地位。微光电视成像系统的研发一直受到各发达国家的高度关注和支持，发展也异常迅速。

微光电视成像系统的主要工作原理如图1所示，自然光由目标表面反射进入光学系统物镜a后聚焦成像在像增强器b的阴极面上，通过像增强器进行信号的增强放大，在像增强器的荧光屏上成像，再由中继耦合光学系统c将增强器荧光屏的像耦合至cmos/ccd成像探测器d，然后在视频显示器e进行图像显示用于人眼观察。

增强器荧光屏的像与cmos/ccd成像探测器之间的耦合分为光纤耦合和中继透镜耦合两种。其中，光纤耦合体积较小、适用于便携式、头戴式微光成像系统。利用光纤进行耦合时需要使用带光纤输入窗的cmos/ccd，而目前市场上此类成像探测器均带有窗口保护玻璃。拆除成像探测器原有窗口保护玻璃的工艺复杂，技术难度大。中继透镜耦合是利用光学镜头来实现传像，其优点是调焦容易、成像清晰、技术成熟度高、成本低、应用广泛。

申请号为201310143334.x的中国专利申请公开了一种用于微光探测的光学耦合系统，该系统总长达285mm，光学系统太长，不利于实现微光电视成像系统的小型化、轻量化。此外，由于其结构复杂、透镜数量多，导致中继透镜透过率低，耦合效率不高。

技术实现要素：

针对现有技术中的中继耦合系统结构复杂、透镜数量多，而导致的中继透镜透过率低、耦合效率低等技术问题，本发明提供一种微光电视成像中继耦合光学系统，用于微光电视成像系统的中继透镜耦合，实现了像增强器和成像探测器之间的图像传输的功能。

所述的一种微光电视成像中继耦合光学系统，包括位于光阑前方的用于收集像增强器荧光屏发出光线的前会聚透镜组和位于光阑后方的用于会聚成像的后会聚透镜组，将来自像增强器荧光屏的光线成像在cmos/ccd成像探测器焦平面上，其技术方案是：所述的前会聚透镜组包括从光线入射方向依次同轴设置的双凸正透镜i、负月牙形透镜、正月牙形透镜i和双凸正透镜ii；所述的后会聚透镜组包括从光线入射方向依次同轴设置的双凹负透镜、双凸正透镜iii、正月牙形透镜ii、双凸正透镜iv和正月牙形透镜iii；

其中，正月牙形透镜i与双凸正透镜ii胶合在一起组成胶合透镜组i；双凹负透镜与双凸正透镜iii胶合在一起组成胶合透镜组ii，以及正月牙形透镜ii与双凸正透镜iv胶合在一起组成胶合透镜组iii。

进一步的，所述的胶合透镜组ii满足以下条件：12≤fii/f≤13.5，f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、fii为胶合透镜组ii的组合焦距。所述的胶合透镜组iii满足以下条件：2.4≤fiii/f≤3.5，f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、fiii为胶合透镜组iii的组合焦距。

进一步的，所述的前会聚透镜组满足以下条件：3.8≤f100/f≤7.0，f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f100为前会聚透镜组的组合焦距。

进一步的，所述的双凸正透镜i满足以下条件：3≤f2/f≤4.5，nd>1.85，vd<35，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f2为双凸正透镜i的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的负月牙形透镜满足以下条件：-1.3≤f3/f≤-1.0，nd<1.75，vd>40，f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f3为负月牙形透镜的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜i满足以下条件：3.85≤f4/f≤4.6，nd<1.50，vd>70，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f4为正月牙形透镜i的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜ii满足以下条件：3≤f5/f≤3.4，nd>1.85，vd<40，其中，f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f5为双凸正透镜ii的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数。

进一步的，所述的负月牙形透镜与胶合透镜组i满足以下条件：0.10≤d12/l≤0.20，其中d12为负月牙形透镜与胶合透镜组i中的正月牙形透镜i的间隔，l为像增强器荧光屏与cmos/ccd成像探测器焦平面的中心距离。

进一步的，所述的后会聚透镜组满足以下条件：1.1≤f101/f≤1.4，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f101为后会聚透镜组的组合焦距。

进一步的，所述的双凹负透镜满足以下条件：-3.85≤f7/f≤-2.8，nd>1.85，vd<25，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f7为双凹负透镜的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜iii满足以下条件：3.2≤f8/f≤4.5，nd>1.62，vd>50，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f8为双凸正透镜iii的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜ii满足以下条件：5.3≤f9/f≤6.9，nd>1.75，vd<35，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f9为正月牙形透镜ii的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜iv满足以下条件：4.3≤f10/f≤5.1，nd>1.85，vd<40，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f10为双凸正透镜iv的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜iii满足以下条件：2.3≤f11/f≤3.4，nd>1.85，vd<40，其中f为前会聚透镜组与后会聚透镜组构成的中继耦合光学系统的总焦距、f11为正月牙形透镜iii的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数。

优选的，所述的像增强器荧光屏与双凸正透镜i的距离为10mm，正月牙形透镜iii与cmos/ccd成像探测器焦平面的距离为6.13mm。

优选的，所述的正月牙形透镜i选用低色散的冕牌玻璃；所述的双凸正透镜ii所用材料选用高色散的火石玻璃。

优选的，所述的双凹负透镜选用高色散的火石玻璃；所述的双凸正透镜iii所用材料选用低色散的冕牌玻璃。

本发明的有益效果是：本发明采用双高斯结构经过失对称变形和复杂化改进的由九片透镜组成的光学结构，有利于像差校正、减小系统畸变、实现大相对孔径，提高系统耦合效率。正月牙形透镜i和双凸正透镜ii组成胶合透镜组i，胶合面弯向光阑，有利于降低系统球差。双凹负透镜、双凸正透镜iii组成胶合透镜，胶合面背向光阑，有利于降低本发明象散。采用准像方远心光路设计，以保证系统出射的光束主光线接近平行于光轴，以使各个视场角的光线都能接近垂直入射到cmos/ccd成像探测器焦平面上，从而使全视场内的图像亮度更为均衡有效提高了像面照度的均匀性。

附图说明

图1微光电视成像系统原理框图。

图2为光学系统光路图。

图3为光学系统的传递函数图。

图4为光学系统点列图。

图5为光学系统场曲、畸变图。

图6为光学系统相对照度曲线图。

图中，1为像增强器荧光屏，2为双凸正透镜i，3为负月牙形透镜，4为正月牙形透镜i，5为双凸正透镜ii，6为光阑，7为双凹负透镜，8为双凸正透镜iii，9为正月牙形透镜ii，10为双凸正透镜iv，11为正月牙形透镜iii，12为cmos/ccd成像探测器焦平面。

其中，100.前会聚透镜组；101.后会聚透镜组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图2，一种微光电视成像中继耦合光学系统，包括位于光阑6前方的用于收集像增强器荧光屏1发出光线的前会聚透镜组100和位于光阑6后方的用于会聚成像的后会聚透镜组101，将来自像增强器荧光屏1的光线成像在cmos/ccd成像探测器焦平面12上，其技术方案是：所述的前会聚透镜组100包括从光线入射方向依次同轴设置的双凸正透镜i2、负月牙形透镜3、正月牙形透镜i4和双凸正透镜ii5；所述的后会聚透镜组101包括从光线入射方向依次同轴设置的双凹负透镜7、双凸正透镜iii8、正月牙形透镜ii9、双凸正透镜iv10和正月牙形透镜iii11；

其中，正月牙形透镜i4与双凸正透镜ii5胶合在一起组成胶合透镜组i；双凹负透镜7与双凸正透镜iii8胶合在一起组成胶合透镜组ii，以及正月牙形透镜ii9与双凸正透镜iv10胶合在一起组成胶合透镜组iii。

进一步的，所述的胶合透镜组ii满足以下条件：12≤fii/f≤13.5，f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、fii为胶合透镜组ii的组合焦距；

所述的胶合透镜组iii满足以下条件：2.4≤fiii/f≤3.5，f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、fiii为胶合透镜组iii的组合焦距。

进一步的，所述的前会聚透镜组100满足以下条件：3.8≤f100/f≤7.0，f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f100为前会聚透镜组100的组合焦距。

进一步的，所述的双凸正透镜i2满足以下条件：3≤f2/f≤4.5，nd>1.85，vd<35，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f2为双凸正透镜i2的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的负月牙形透镜3满足以下条件：-1.3≤f3/f≤-1.0，nd<1.75，vd>40，f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f3为负月牙形透镜3的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜i4满足以下条件：3.85≤f4/f≤4.6，nd<1.50，vd>70，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f4为正月牙形透镜i4的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜ii5满足以下条件：3≤f5/f≤3.4，nd>1.85，vd<40，其中，f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f5为双凸正透镜ii5的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数。

进一步的，所述的负月牙形透镜3与胶合透镜组i满足以下条件：0.10≤d12/l≤0.20，其中d12为负月牙形透镜3与胶合透镜组i中的正月牙形透镜i4的间隔，l为像增强器荧光屏1与cmos/ccd成像探测器焦平面12的中心距离。

进一步的，所述的后会聚透镜组101满足以下条件：1.1≤f101/f≤1.4，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f101为后会聚透镜组101的组合焦距。

进一步的，所述的双凹负透镜7满足以下条件：-3.85≤f7/f≤-2.8，nd>1.85，vd<25，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f7为双凹负透镜7的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜iii8满足以下条件：3.2≤f8/f≤4.5，nd>1.62，vd>50，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f8为双凸正透镜iii8的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜ii9满足以下条件：5.3≤f9/f≤6.9，nd>1.75，vd<35，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f9为正月牙形透镜ii9的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的双凸正透镜iv10满足以下条件：4.3≤f10/f≤5.1，nd>1.85，vd<40，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f10为双凸正透镜iv10的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数；所述的正月牙形透镜iii11满足以下条件：2.3≤f11/f≤3.4，nd>1.85，vd<40，其中f为前会聚透镜组100与后会聚透镜组101构成的中继耦合光学系统的总焦距、f11为正月牙形透镜iii11的有效焦距、nd为透镜材料d线的折射率、vd为透镜材料的d线阿贝常数。

优选的，所述的像增强器荧光屏1与双凸正透镜i2的距离为10mm，正月牙形透镜iii11与cmos/ccd成像探测器焦平面12的距离为6.13mm。

优选的，所述的正月牙形透镜i4选用低色散的冕牌玻璃；所述的双凸正透镜ii5所用材料选用高色散的火石玻璃。

优选的，所述的双凹负透镜6选用高色散的火石玻璃；所述的双凸正透镜iii7所用材料选用低色散的冕牌玻璃。

具体实施例i：该光学系统预实现的技术指标为：波段：0.5μm～0.9μm；物方数值孔径：nao=0.1；像方数值孔径：na=0.28；放大率：β=-0.37；像面直径：φ6.4mm。

该光学系统中各透镜间的物理间隔为：像增强器荧光屏1与双凸正透镜i2之间的间隔为10mm，双凸正透镜i2与负月牙形透镜3之间的间隔为0.15mm，负月牙形透镜3与正月牙形透镜i4与之间的间隔为5.66mm，双凸正透镜ii5与光阑6之间的间隔为2mm，光阑6与双凹负透镜7之间的间隔为3mm，双凸正透镜iii8与正月牙形透镜ii9之间的间隔为0.15mm，双凸正透镜iv10与正月牙形透镜iii11之间的间隔为0.15mm，正月牙形透镜iii11与cmos/ccd成像探测器焦平面12之间的间隔为6.13mm。

表1：透镜参数列表：

其中，表1中透镜序号与本文说明书图2中的序号一致，如“透镜2”代表本文的双凸正透镜i，以此类推。

如图3，所选用的像素数为1280×720的探测器对应空间频率为104lp/mm时，本发明传递函数最低为0.5，满足设计要求。

如图4，本发明点斑直径小于像元尺寸，满足设计要求。

如图5，本发明畸变小于1%满足设计要求。

如图6，边缘照度为中心照度的86%，满足设计要求。

本发明利用中继耦合光学镜头来实现传像，其优点是调焦容易、成像清晰、技术成熟度高、成本低、应用广泛。而且，实现了微光电视成像系统的小型化、轻量化。此外，由于结构简单、透镜数量少、数值孔径大，使得中继透镜透过率高，提高了耦合效率。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。