一种具有大出瞳直径的轻量化目镜的制作方法

1.本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种具有大出瞳直径的轻量化目镜。


背景技术：

2.众所周知，人眼虽然是一种高精度的光学系统，但在光强、光谱以及分辨能力上都有所限制，并不能满足在任何复杂外界条件下的需要。通常人眼可感知波长为390nm～770nm的可见光，而高于770nm或低于390nm的光线人眼就无法识别，例如x光、uv光、微弱星光和红外辐射等当可见光减弱到一定的程度时，人眼感知能力也会有所下降夜间的光谱范围不在可见光区，但可见光部分的强度并不很弱，这样不仅在光谱上和强度上限制了人眼的观察，而且造成人眼分辨能力的下降侧。通过以上分析可以看出，夜间人眼很难分辨清物体，微光夜视仪正是突破了以上诸多限制，使人眼在夜间微光条件下可以正常观察目标。
3.在微光夜视仪中，目镜的作用是放大像增强器荧光屏上的目标像，从而保证人眼舒适的观察。目镜的光学特性由它的焦距、视场角、出瞳直径、出瞳距等，目镜参数选择是否得当，不仅影响夜视仪的体积、重量、倍率、和视场、同时还会影响其夜间观察的性能。
4.要获得较大的图像，同时为了满足器件整体小型化、轻量化的要求，最优方案是增大目镜的观察倍率。而目镜的观察倍率与透镜组的焦距直接相关，增大目镜的观察倍率要求目镜有较高的光焦度。只使用标准的球面正透镜构成目镜，校正像差困难，利用非球面技术，易于降低目镜光学系统的像差，获得良好的像质。
5.在一般的光学观察仪器中，为保证使用者在长时间的使用过程中保持舒适的状态，一般会使用双目的光学结构形式。传统的双目光学结构常会使用瞳距可调的结构来适应不同人眼的瞳距。随着技术的发展，双目大出瞳结构的光学仪器逐渐增加，典型的如双目夜视镜。出瞳直径越大，所观察目标越明亮，有利于在暗弱光线下观测，同时出瞳直径大的情况下，不要求使用者严格对准光学仪器，使用起来更加轻松。因此大出瞳直径的目镜需求在不断增加。
6.手持或头戴设备对于重量要求较高，少量的重量变化也会对使用体验有较大影响。为了提高目镜光学系统的光学性能和成像质量，现有技术中，经常采用多片透镜组合来实现，采用多片透镜组合的目镜光学系统虽然可以具有较好的光学性能和成像质量，但其体积较大、便携性不强、结构复杂且产品较重，影响用户体验。
7.非球面光学元件是表面形状偏离球面的光学元件，相较于传统的平面、球面光学元件具有更高的自由度和灵活性，形状多样。因此可以有效地校正各种像差，改善像质，并减少所需光学元件的数量，减小光学系统的外形尺寸，减轻光学系统的重量。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：
9.针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种具有大出瞳直径的轻量化目镜，能够适用于微光器件，该镜头体积小、结构简单、重量轻。
10.本发明目的是通过如下技术方案实现的：
11.本发明的具有大出瞳直径的轻量化目镜，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜。所述第一透镜为双凸透镜，具有正光焦度；所述第二透镜为凹凸透镜，具有负光焦度，其凹面靠近所述物侧，其凸面靠近所述像侧；所述第三透镜为双凸透镜，具有正光焦度；所述第一透镜的相对孔径大于1∶1.1，所述第二透镜的相对孔径小于1∶
‑
1.4，所述第三透镜的相对孔径大于1∶0.8。
12.所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜皆为非球面透镜。
13.所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜的半径均小于或等于17mm。
14.所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜的材料为光学玻璃或光学树脂。
15.在一些实施例中，所述轻量化目镜的有效焦距为35.3mm。
16.所述轻量化目镜的出瞳距离大于或等于20mm，所述轻量化目镜的出瞳直径大于或等于18mm。
17.所述轻量化目镜的对角全视场角大于或等于50
°
。
18.在一些实施例中，所述微光像增强器像高为9mm。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明的大出瞳直径的轻量化目镜的对角全视场角为50
°
、出瞳直径为18mm，可达到人眼的观察范围，从而可以充分发挥人眼的分辨本领。该目镜具有具有体积小、重量轻、成本低、结构简单且便携性好等优点。
附图说明
21.图1是本发明一实施例提供的目镜光学系统结构示意图。
22.图2是图1所示的目镜光学系统的mtf图，图中，t diff.limit曲线与r diff.limit曲线呈现重合态；t(ang)0.000deg曲线与r(ang)0.000deg曲线也呈现重合态。
23.图3是图1所示的目镜光学系统的轴向像差、场曲与畸变图。
24.图4是图1所示的目镜光学系统的点列图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当特别指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
26.为了使本技术的目的、技术方案及特点阐述更加明晰，以下将结合附图及实施例，对本技术进行进一步的详细说明。应该理解，次数所描述的具体实施例仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
27.此外，文中采用的“第一”、“第二”、“第三”等表述并不对数据或执行顺序进行限定，仅用于区分功能和作用基本相同的相同或相似项。
28.为了便于限定连接结构，本发明以光线出射方向为参考，对光学元件的位置进行限定。
29.除非有其他定义，否则本说明书中所使用的所有技术和科学属于与属于本发明的
技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中针对本发明所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.实施例1：
31.如图1所示，本发明的轻量化目镜包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的：第一透镜 e1、第二透镜e2、第三透镜e3。
32.所述的第一透镜e1为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面s1靠近所述物侧、凸面s2靠近所述像侧。
33.所述的第二透镜e2为凹凸透镜，具有负光焦度，其凸面s3靠近所述物侧和所述第一透镜e1、凸面s4靠近所述像侧。
34.所述的第三透镜e3为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面s5靠近所述物侧和所述第二透镜e2.凸面s6靠近所述像侧。
35.所述的第一透镜e1的相对孔径为：1:1.03，所述第二透镜e2的相对孔径为：1:
‑
1.41，所述第三透镜e3的相对孔径为：1:0.76。
36.在一些实施例中，所述轻量化目镜的各透镜可以是独立透镜或双胶合透镜。
37.在本发明实施例中，所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3的材料均为光学树脂，重量轻且易于加工。
38.在其他的一些实施例中，所述轻量化目镜的各透镜材料均可替换为光学玻璃。
39.其中，所述轻量化目镜的各透镜的表面参数可设置为合适的数值。在本发明实施例中，所述轻量化目镜的表面参数如表1所示。
40.表1轻量化目镜中各透镜的表面参数
[0041][0042]
其中，所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3均为非球面透镜。
[0043]
各透镜的非球面圆锥系数及各阶非球面系数可设置为合适的数值。本发明实施例中各透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数如表2所示，其中k为非球面圆锥系数，a1、a2、a3、 a4、a5分别对应2、4、6、8、10阶非球面系数。
[0044]
在其他的一些实施例中，所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3均可以为球面镜。
[0045]
表2轻量化目镜中各透镜的非球面圆锥系数及各阶非球面系数
[0046]
面号ka1a2a3a4a5s1
‑
0.321801.53091e
‑
005
‑
1.03033e
‑
007
‑
3.51345e
‑
0100
s2
‑
51.39829704.31871e
‑
005
‑
2.65305e
‑
0071.707299e
‑
0100s3
‑
5.3044510
‑
9.58433e
‑
0084.182985e
‑
0082.60832e
‑
0100s4
‑
3.2143970
‑
4.357321e
‑
0053.467025e
‑
0081.10739e
‑
010
‑
3.18178e
‑
013s5
‑
0.875320
‑
4.842003e
‑
0054.662189e
‑
007
‑
2.9091e
‑
0090s62.1792409.345653e
‑
0051.715752e
‑
008
‑
3.393829e
‑
0091.2502276e
‑
011
[0047]
基于上述结构，所述轻量化目镜的光学性能参数如表所示。
[0048]
表3轻量化目镜的光学性能参数
[0049]
视场角有效焦距出瞳直径出瞳距离50
°
35.3mm18mm20mm
[0050]
从表3可以得知，所述轻量化目镜的有效焦距为20mm、出瞳距离为25mm。所述轻量化目镜的对角全视场角为50
°
、出瞳直径为18mm，可达到人眼的观察范围，从而可以充分发挥人眼的分辨本领。
[0051]
在其他一些实施例中，所述目镜光学系统还包括微光像增强器，所述微光像增强器，所述的像增强器设置于轻量化目镜的像侧且与所述轻量化目镜共光轴，用于提供目镜光学系统的图像源。
[0052]
其中所使用的像增强器为有源器件，无需其他照明光源。
[0053]
在本实施例中，像增强器的半径为9mm。
[0054]
在其他的一些实施例中，可以根据具体需要，改变像增强器的大小。
[0055]
下面对所述目镜光学系统的成像质量进行检测。
[0056]
图2为图1所示目镜光学系统的mtf图，mtf(调制传递函数)可以反映光学系统的成像质量，具体来说mtf曲线下方与x轴包围的面积越大，mtf曲线过渡越平滑，那么光学系统的成像质量就越好。从图中可以看出，主视场的mtf曲线过渡平滑，且该目镜光学系统在侧频率为40线对/毫米下的mtf>0.26。对于目镜光学系统而言，已经可以认为该光学系统具备良好的成像效果，即本实施例中的目镜光学系统的像差得到良好的校正，成像质量良好。
[0057]
图3为图1所示目镜光学系统的轴向像差、场曲与畸变图，其中左侧为轴向像差曲线，中间为场曲曲线，右侧为畸变曲线。场曲是物平面形成曲面像的一种像差，以子午和弧矢场曲来表征，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量。从图3我们可以看出，目镜光学系统的轴向像差不大。场曲在
±
0.15mm范围内，即所述目镜光学系统的场曲已经被校正到较小的范围内。同时，当系统的畸变小于4％时，人眼很难察觉，从图3可以看出，该目镜光学系统的最大畸变小于40％，因此人眼可以察觉畸变，但是因此获得了较大的视场。
[0058]
图4为图1所示目镜光学系统的点列图，点列图反映的是光学系统成像的几何结构，在像 质评价中，可用点列图的密集程度非常直观的反映出成像质量的优劣，点列图中rms半径越 小，证明像差越小，系统的成像质量越好。从图4我们可以看出，rms半径控制在0.1mm内， 各视场的光斑半径大小变化不大，像差校正比较好，该目镜光学系统成像质量良好。
[0059]
由以上数据可知，所述目镜光学系统不仅结构简单，而且像差校正较好，成像质量良好。
[0060]
本发明实施例提供了一种轻量化目镜和目镜光学系统，该轻量化目镜包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所有的镜片均具有正光焦度且为双凸透镜，本发明实施例提供的轻量化目镜重量轻结构简单且易于制造。
[0061]
最后说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而不是对其进行限制；在本发明的基础上，延续其思路，以上实施例或不同实施例中的技术特征也可以进行组合，并且不限制其步骤的顺序，并存在如上所述的本发明的不同方面的其他变化，为使阐述简明，未在细节中一一提及；本发明的说明依照前述实施例进行，本领域的技术人员应该理解：我们依旧可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换并不应使之本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。