一种抗强光干扰及超长眼点距的微光光学系统及其应用

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体涉及一种抗强光干扰及超长眼点距的微光光学系统及其应用。

背景技术

社会的不断发展使得微光夜视产品在民用和军用领域的需求不断增加，随着应用范围的不断扩大微光夜视产品在夜间或昼间使用时容易受到强光干扰的缺陷也随之暴露。对于现有的微光光学系统来说，夜间当物镜光学系统前方有强光照射时(该光源与光学系统轴线成15度以内的夹角)会严重干扰成像效果，具体表现为在显示画面上呈现眩光、光环、光晕等，直接影响观瞄效果，甚至导致无法观察锁定目标。

此外现有的定焦目镜光学系统在所需透镜数量较少(透镜数量不超过5片)的情况下眼点距均小于60mm。类似的定焦目镜参见已经公布的中国专利CN108897131A、CN216696847U、CN103605205A、CN108398778A、CN114545617A、CN216013818U、CN211348852U、CN207529023U。眼点距大于60mm的定焦目镜光学系统的透镜数量往往较多(透镜数量8片左右)，并且目镜的光学系统总长较长，类似的定焦目镜参见已经公布的中国专利CN114019672A。即使眼点距达到70mm的目镜通常也是使用变焦光学系统实现，目镜的光学系统总长同样也较长，类似的变焦目镜参见已经公布的中国专利CN207882560U。

针对上述情况，本发明提供一种新型结构的定焦目镜光学系统，其不仅抗强光干扰能力较好，而且总长较短、透镜数量较少(仅使用5片透镜)，并且眼点距大于73mm，综合性能十分突出。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种抗强光干扰及超长眼点距的微光光学系统，该微光光学系统包括顺次共轴排列的物镜光学系统、探测器、目镜光学系统。所述物镜光学系统包括顺次共轴排列的物镜第一透镜(1)、物镜第一胶合透镜(2)、物镜第二胶合透镜(3)、物镜第六透镜(4)，所述目镜光学系统包括顺次共轴排列的显示器、目镜第一胶合透镜(6)、目镜第三透镜(7)、目镜第四透镜(8)、目镜第五透镜(9)；所述探测器位于物镜第六透镜(4)和显示器之间。

进一步的，所述物镜第一透镜(1)为双凸正透镜，所述物镜第一胶合透镜(2)由双凸型的物镜第二透镜a与双凹型的物镜第三透镜b胶合而成，所述物镜第二胶合透镜(3)由双凹型的物镜第四透镜c与双凸型的物镜第五透镜d胶合而成，所述物镜第六透镜(4)为凹凸正透镜且其凸面靠近像方侧。

进一步的，所述目镜第一胶合透镜(6)由双凹型的目镜第一透镜e与双凸型的目镜第二透镜f胶合而成，所述目镜第三透镜(7)为凹凸正透镜且其凹面靠近像方侧，所述目镜第四透镜(8)为双凸正透镜，所述目镜第五透镜(9)为双凸正透镜。

进一步的，所述物镜第一透镜(1)物方侧的曲率半径为81.41mm，像方侧的曲率半径为-1219mm；所述物镜第二透镜a物方侧的曲率半径为25.53mm，像方侧的曲率半径为-188.8mm；所述第三透镜b物方侧的曲率半径为-188.8mm，像方侧的曲率半径为44.87mm；所述物镜第四透镜c物方侧的曲率半径为-62.23mm，像方侧的曲率半径为27.61mm；所述物镜第五透镜d物方侧的曲率半径为27.61mm，像方侧的曲率半径为-65.16mm；所述物镜第六透镜(4)物方侧的曲率半径为-16.872mm，像方侧的曲率半径为-48.31mm；所述目镜第一透镜e物方侧的曲率半径为81.41mm，像方侧的曲率半径为-20mm；所述目镜第二透镜f物方侧的曲率半径为-26.92mm，像方侧的曲率半径为81.41mm；所述目镜第三透镜(7)物方侧的曲率半径为-21.53mm，像方侧的曲率半径为-63.83mm；所述目镜第四透镜(8)物方侧的曲率半径为-48.31mm，像方侧的曲率半径为118.03mm；所述目镜第五透镜(9)物方侧的曲率半径为-194.54mm，像方侧的曲率半径为65.16mm。

进一步的，所述物镜第一透镜(1)的折射率为1.57，阿贝数为42.8；所述物镜第二透镜a的折射率为1.57，阿贝数为57.5；所述物镜第三透镜b的折射率为1.95，阿贝数为17.9；所述物镜第四透镜c的折射率为1.49，阿贝数为70.4；所述物镜第五透镜d的折射率为1.95，阿贝数为32.3；所述物镜第六透镜(4)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；所述目镜第一透镜e的折射率为1.95，阿贝数为17.9；所述目镜第二透镜f的折射率为1.64，阿贝数为60.2；所述目镜第三透镜(7)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；所述目镜第四透镜(8)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；所述目镜第五透镜(9)的折射率为1.64，阿贝数为60.2。

进一步的，所述物镜第一透镜(1)的中心厚度为7.15mm，所述物镜第二透镜a的中心厚度为9.17mm，所述物镜第三透镜b的中心厚度为1.8mm，所述物镜第四透镜c的中心厚度为1.5mm，所述物镜第五透镜d的中心厚度为4.17mm，所述物镜第六透镜(4)的中心厚度为1.5mm，所述目镜第一透镜e的中心厚度为1.5mm，所述目镜第二透镜f的中心厚度为6.93mm，所述目镜第三透镜(7)的中心厚度为7.81mm，所述目镜第四透镜(8)的中心厚度为8.36mm，所述目镜第五透镜(9)的中心厚度为6.36mm。

进一步的，所述物镜第一透镜(1)与物镜第一胶合透镜(2)的间隔为35.5mm，物镜第一胶合透镜(2)与物镜第二胶合透镜(3)的间隔为23.25mm，物镜第二胶合透镜(3)与物镜第六透镜(4)的间隔为7.45mm，物镜第六透镜(4)与CMOS探测器的间隔为8.91mm，OLED微型显示器(5)与目镜第一胶合透镜(6)的间隔为8.34mm，目镜第一胶合透镜(6)与目镜第三透镜(7)的间隔为0.1mm，目镜第三透镜(7)与目镜第四透镜(8)的间隔为0.49mm，目镜第四透镜(8)与目镜第五透镜(9)的间隔为0.1mm。物镜第一胶合透镜(2)的最左端到物镜第六透镜(4)的最右端的距离为91.49mm，目镜第一胶合透镜(6)的最左端到第五透镜(9)最右端的距离为34.62mm。

进一步的，所述探测器具体为CMOS探测器，所述显示器具体为OLED微型显示器(5)。CMOS探测器用于将光信号转化为电信号，OLED微型显示器用于显示微光图像。

进一步的，在物镜第一透镜(1)、物镜第一胶合透镜(2)、物镜第二胶合透镜(3)、物镜第六透镜(4)、目镜第一胶合透镜(6)上除球面外的部位均涂有消光漆。

进一步的，该微光光学系统的工作波段为0.4μm-1.0μm，眼点距离≥73mm，能够抗15度以内夹角的强光，放大倍数为3倍。

本发明的目的之二在于提供上述抗强光干扰及超长眼点距的微光光学系统在枪瞄中的应用。

与现有同类产品相比，本发明的有益效果只要体现在以下几点：

(1)眼点距离d≥73mm，超长眼点距使其拥有更加广阔的使用空间，即使操作者佩戴了防毒面具或护目镜等设备时依旧能获得全目镜全视场，并且在裸眼射击时，超长眼点距能防止因后坐力导致的目镜撞伤人眼；

(2)该光学系统能够抗15度以内夹角的强光，当夹角在15度以内的强光照射时，该光学系统仍然能够清晰成像，无眩光、光环、光晕等现象；

(3)整个设备的结构较为简单，用更少的透镜和更短的系统总长获得了更好的光学性能表现。

附图说明

图1为本发明抗强光及超长眼点的距微光光学系统结构示意图。

图2为抗强光干扰角度示意图。

图3为图1中物镜的场曲和畸变特性曲线图。

图4为图1中物镜的轴向像差曲线图。

图5为图1中的物镜MTF。

图6为图1中的物镜像差点列图。

图7为图1中目镜的场曲和畸变特性曲线图。

图8为图1中目镜的轴向像差曲线图。

图9为图1中的目镜MTF。

图10为图1中的目镜像差点列图。

图中：1-物镜第一透镜、2-物镜第一胶合透镜、3-物镜第二胶合透镜、4-物镜第六透镜、5-OLED微型显示器、6-目镜第一胶合透镜、7-目镜第三透镜、8-目镜第四透镜、9-目镜第五透镜。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

如图1所示的一种枪瞄用抗强光干扰及超长眼点距微光光学系统，该光学系统从物方到像方(对应图1中从左向右)依次设有物镜第一透镜(1)、物镜第一胶合透镜(2)、物镜第二胶合透镜(3)、物镜第六透镜(4)、CMOS探测器、OLED微型显示器(5)、目镜第一胶合透镜(6)、目镜第三透镜(7)、目镜第四透镜(8)、目镜第五透镜(9)。其中物镜第一透镜(1)、物镜第一胶合透镜(2)、物镜第二胶合透镜(3)、物镜第六透镜(4)构成物镜光学系统，OLED微型显示器(5)、目镜第一胶合透镜(6)、目镜第三透镜(7)、目镜第四透镜(8)、目镜第五透镜(9)构成目镜光学系统。

各个透镜的具体类型如下：物镜第一透镜(1)为双凸正透镜，物镜第一胶合透镜(2)由双凸型的物镜第二透镜a与双凹型的物镜第三透镜b胶合而成，物镜第二胶合透镜(3)由双凹型的物镜第四透镜c与双凸型的物镜第五透镜d胶合而成，物镜第六透镜(4)为凹凸正透镜且其凸面靠近像方侧，目镜第一胶合透镜(6)由双凹型的目镜第一透镜e与双凸型的目镜第二透镜f胶合而成，目镜第三透镜(7)为凹凸正透镜且其凹面靠近像方侧，目镜第四透镜(8)为双凸正透镜，目镜第五透镜(9)为双凸正透镜。在物镜第一透镜(1)、物镜第一胶合透镜(2)、物镜第二胶合透镜(3)、物镜第六透镜(4)和目镜第一胶合透镜(6)上除球面以外的部位都涂覆有一层消光漆，漆层厚度0.01mm～0.03mm。

各个透镜的曲率半径如下：物镜第一透镜(1)物方侧的曲率半径为81.41mm，像方侧的曲率半径为-1219mm；物镜第二透镜a物方侧的曲率半径为25.53mm，像方侧的曲率半径为-188.8mm；物镜第三透镜b物方侧的曲率半径为-188.8mm，像方侧的曲率半径为44.87mm；物镜第四透镜c物方侧的曲率半径为-62.23mm，像方侧的曲率半径为27.61mm；物镜第五透镜d物方侧的曲率半径为27.61mm，像方侧的曲率半径为-65.16mm；物镜第六透镜(4)物方侧的曲率半径为-16.872mm，像方侧的曲率半径为-48.31mm；目镜第一透镜e物方侧的曲率半径为81.41mm，像方侧的曲率半径为-20mm；目镜第二透镜f物方侧的曲率半径为-26.92mm，像方侧的曲率半径为81.41mm；目镜第三透镜(7)物方侧的曲率半径为-21.53mm，像方侧的曲率半径为-63.83mm；目镜第四透镜(8)物方侧的曲率半径为-48.31mm，像方侧的曲率半径为118.03mm；目镜第五透镜(9)物方侧的曲率半径为-194.54mm，像方侧的曲率半径为65.16mm。

各个透镜的折射率如下：物镜第一透镜(1)的折射率为1.57，阿贝数为42.8；物镜第二透镜a的折射率为1.57，阿贝数为57.5；物镜第三透镜b的折射率为1.95，阿贝数为17.9；物镜第四透镜c的折射率为1.49，阿贝数为70.4；物镜第五透镜d的折射率为1.95，阿贝数为32.3；物镜第六透镜(4)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；目镜第一透镜e的折射率为1.95，阿贝数为17.9；目镜第二透镜f的折射率为1.64，阿贝数为60.2；目镜第三透镜(7)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；目镜第四透镜(8)的折射率为1.49，阿贝数为70.4；目镜第五透镜(9)的折射率为1.64，阿贝数为60.2。

各个透镜的中心厚度如下：物镜第一透镜(1)的中心厚度为7.15mm，物镜第二透镜a的中心厚度为9.17mm，物镜第三透镜b的中心厚度为1.8mm，物镜第四透镜c的中心厚度为1.5mm，物镜第五透镜d的中心厚度为4.17mm，物镜第六透镜(4)的中心厚度为1.5mm；目镜第一透镜e的中心厚度为1.5mm，目镜第二透镜f的中心厚度为6.93mm，目镜第三透镜(7)的中心厚度为7.81mm，目镜第四透镜(8)的中心厚度为8.36mm，目镜第五透镜(9)的中心厚度为6.36mm。

各个透镜相互之间的间隔如下：物镜第一透镜(1)与物镜第一胶合透镜(2)的间隔为35.5mm，物镜第一胶合透镜(2)与物镜第二胶合透镜(3)的间隔为23.25mm，物镜第二胶合透镜(3)与物镜第六透镜(4)的间隔为7.45mm，物镜第六透镜(4)与CMOS探测器的间隔为8.91mm，OLED微型显示器(5)与目镜第一胶合透镜(6)的间隔为8.34mm，目镜第一胶合透镜(6)与目镜第三透镜(7)的间隔为0.1mm，目镜第三透镜(7)与目镜第四透镜(8)的间隔为0.49mm，目镜第四透镜(8)与目镜第五透镜(9)的间隔为0.1mm。除此以外，物镜第一胶合透镜(2)的最左端到物镜第六透镜(4)的最右端的距离为91.49mm，目镜第一胶合透镜(6)的最左端到第五透镜(9)最右端的距离为34.62mm。

该光学系统中各个透镜的具体参数(mm)如下表所示：

表1各透镜参数表

测试结果表明，该光学系统的工作波段为0.4μm～0.9μm，放大倍数为3倍，眼点距离d≥73mm(即图1中目镜第五透镜(9)凸面到眼睛的距离)，并且能够抗15度以内夹角的强光(如图2所示)。相关测试结果分别如图2-图10所示。

如图3所示，物镜球差在整个口径范围0.04，轴向色差已经处于较好的平衡状态。如图4所示，物镜场曲小于0.1，接近最小极限值，畸变在100％视场处小于2％，像差校正非常好，符合要求。如图5所示，物镜光学传递函数(MTF)与系统的像差及衍射能力有关，探测器所能分辨的最高空间频率为奈奎斯特频率，其数值为探测器2倍像元尺寸的倒数；轴上光线在奈奎斯特频率401p/mm处的MTF大于0.45，边缘光线在奈奎斯特频率401p/mm处的MTF大于0.2，满足成像要求，并且中心成像质量好边缘成像清晰，具有后续加工、装调的公差余量。如图6所示，从物镜点列图可以看出系统各个视场的弥散斑均方根半径接近13微米，相当于单个像元尺寸(13微米)，这说明能量集中度较好，满足光学系统设计要求。如图7所示的目镜场曲和畸变图，场曲小于1.0，畸变在100％视场处小于5％，考虑到目镜口径较大，本身像差校正难度高，因此综合来看此目镜像差校正非常好，结合物镜进行像差补偿后，成像质量会非常好，符合要求。如图8所示，目镜的轴向色差在0.7口径内已到0.03，接近最小极限值，这说明像差校正非常好，符合要求。如图9所示，目镜的MTF曲线轴上光线在奈奎斯特频率401p/mm处的MTF大于0.4，边缘光线在奈奎斯特频率401p/mm处的MTF大于0.1，结合物镜进行像差补偿后成像质量会非常好，满足成像要求，并且具有后续加工、装调的公差余量。如图10所示，从目镜的点列图可以看出系统各个视场的弥散斑均方根半径较小，能量集中度较好，满足光学系统设计要求。