一种基于棱镜合束的目镜系统

技术领域

本发明属于目镜成像技术领域，具体涉及一种基于棱镜合束的目镜系统。

背景技术

目镜系统是瞄具的一个重要组成部分，工作时目镜将物镜已经分辨的图像再次放大，满足目标对人眼视觉识别的需求。常规目镜系统仅显示单一光路的目标图像，对于多光路系统来说，如何通过目镜观察到多个光路的目标图像是亟需解决的问题。

微光夜视瞄准镜是由红外系统和微光系统两个光路组成，通常是由红外物镜和微光物镜分别生成相应的目标图像，再通过融合电路对红外图像和微光图像数据进行融合，最后输出至显示屏上通过目镜观察。但这种融合方法是将图像数字化后再进行图像的配准、融合处理，故只能适用于可以生成数字信号图像的系统。以像增强器为核心器件的微光夜视瞄准镜，由于像增强器生成的图像不能数字化，其生成的微光图像不能简单地与红外图像进行融合。

发明内容

为了解决以像增强器为核心器件的微光夜视瞄准镜生成的微光图像与红外图像不能融合的问题，本发明的目的是提供一种基于棱镜合束的目镜系统，可同时观察到微光图像和红外图像，两种图像在目镜端物理融合后，凸显目标轮廓，极大地提高目标识别能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于棱镜合束的目镜系统，包括微光图像源、红外图像源、红外端透镜、微光端透镜、棱镜组件、共用透镜组，所述共用透镜组包括共用第一透镜和共用第二透镜；

所述微光图像源位于棱镜组件的一侧，微光端透镜位于微光图像源与棱镜组件之间；微光图像源发出的光线依次经过微光端透镜、棱镜组件和共用透镜组达到人眼处；所述红外图像源位于棱镜组件的上方，红外端透镜位于红外图像源与棱镜组件之间，红外图像源发出的光线依次经过红外端透镜、棱镜组件和共用透镜组到达人眼处；所述红外图像源的中心轴与微光图像源的中心轴相互垂直，并分别与棱镜组件的垂直和水平方向中心轴重合。

进一步地，所述棱镜组件为半透半反结构，棱镜组件由2个直角梯形棱镜组成，斜边为胶合面，与水平方向呈45°角，对红外图像源出射的光束反射，对微光图像源出射的光束透射；在420nm～670nm波长范围内，入射角a=45°时，棱镜组件的镀制膜层的平均透过率为50%。

进一步地，所述棱镜组件的光学材料为H-K9L，外形尺寸为20mm×20mm×12mm，四角均设置有4×4的倒角。

进一步地，所述红外端透镜为平凹透镜，平面靠近显示屏，中心厚为2mm，光学材料折射率为1.95，阿贝系数17.9，凹面曲率半径为19.53mm。

进一步地，所述微光端透镜为弯月透镜，凹面靠近像增强器荧光屏，中心厚为2.9mm，光学材料折射率为1.70，阿贝系数为48.1，前表面曲率半径为-28.41mm，后表面曲率半径为-15.32mm。

进一步地，所述共用第一透镜为弯月透镜，凹面靠近棱镜镜组，中心厚为1.8mm，光学材料折射率为1.73，阿贝系数为54.7，前表面曲率半径为-30.4mm，后表面曲率半径为-22.2mm。

进一步地，所述共用第二透镜为双凸透镜，中心厚为3.6mm，光学材料折射率为1.62，阿贝系数为63.9，前表面为非球面，非球面参数为：R=21.65、k=0、A=-1.85759E-004、B=6.69238E-006、C=-1.022398E-007、D=5.3279766E-010；后表面为非球面，非球面参数为：R=-97.034、k=0、A=-1.31254E-004、B=5.459155E-006、C=-9.188663E-008、D=5.216857E-010。

进一步地，所述红外图像源与红外端透镜之间的距离为2.42mm，红外端透镜与棱镜组件之间的距离为2.5mm，微光图像源与微光端透镜之间距离为4mm，微光端透镜与棱镜组件之间的距离为1mm，棱镜组件与共用第一透镜之间的距离为4.02mm，共用第一透镜与共用第二透镜之间的距离为0.5mm，共用第二透镜与人眼之间的距离为15mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：

区别传统图像融合模式，本发明在目镜端对红外图像和微光图像进行物理融合，凸显目标轮廓，提高目标识别能力。

相对于现有的棱镜组件，采用直角梯形棱镜组成的合束棱镜组件，极大地减小目镜系统的长度和重量。

目标所生成的红外图像与微光图像的放大倍率一致，提高红外图像和微光图像的融合匹配性。

附图说明

图1是本发明一种基于棱镜合束的目镜镜系统光学示意图；

图2是本发明棱镜组件示意图；

图3是图2中棱镜组件的剖视图；

图4是本发明目镜系统红外部分点列图；

图5是本发明目镜系统红外部分畸变图；

图6是本发明目镜系统微光部分点列图；

图7是本发明目镜系统微光部分畸变图；

图中：1—微光图像源、2—红外图像源、3—红外端透镜、4—微光端透镜、5—棱镜组件、6—共用透镜组、7—共用第一透镜、8—共用第二透镜。

实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中示例性地给出了本发明的一个或多个实施例，以使得本发明所公开的技术方案的理解更为准确、透彻。但应当理解的是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于以下所描述的实施例。

本发明附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例提供一种基于棱镜合束的目镜系统，实现在目镜端微光图像和红外图像的物理融合。如图1所示，其示出了基于棱镜合束的目镜系统的结构，包括微光图像源1、红外图像源2、红外端透镜3、微光端透镜4、棱镜组件5、共用透镜组6，共用透镜组6包括共用第一透镜7和共用第二透镜8。红外图像源2发出的光线依次经过红外端透镜3、棱镜组件5和共用透镜组6到达人眼处；微光图像源1发出的光线依次经过微光端透镜4、棱镜组件5和共用透镜组6达到人眼处。

红外图像源2用于显示目标物生成的红外图像；微光图像源1用于显示目标物在微光条件下生成的微光图像；红外端透镜3位于红外图像源2与棱镜组件5之间；微光端透镜4位于微光图像源1与棱镜组件5之间；棱镜组件5为半透半反结构，对红外图像源2出射的光束反射，对微光图像源1出射的光束透射，通过棱镜组件5使红外图像光线和微光图像光线实现合束；合束后的光线通过共用透镜组6的放大，生成满足人眼视觉识别的图像，以便人眼舒适地观察。

微光图像源1为像增强器，位于棱镜组件5的一侧。目标通过微光物镜生成光学图像并聚焦在像增强器阴极面上，激发出光电子，光电子在像增强器内部电子光学系统的作用下被加速、聚焦、成像，以极高速度轰击像增强器荧光屏，激发出足够强的可见光，将目标图像变成适合人眼观察的可见光图像，在像增强器荧光屏上显示。

红外图像源2为OLED显示屏，也可为其他形式的显示屏，位于棱镜组件5的上方。目标通过红外物镜生成光学图像并成像于红外探测器靶面上，通过数电转换后将目标图像显示在OLED屏上。

棱镜组件5位于红外图像源2的下方，位于微光图像源1的一侧，红外图像源2的中心轴与微光图像源1的中心轴相互垂直，分别与棱镜组件5的垂直和水平方向中心轴重合。

如图2和3所示，棱镜组件5由2个直角梯形棱镜组成，斜边为胶合面，与水平方向呈45°角，对红外图像源2出射的光束反射，对微光图像源1出射的光束透射，镀制膜层的要求为：在420nm～670nm波长范围内，入射角a=45°时，平均透过率为50%。

棱镜组件5光学材料为H-K9L，外形尺寸为20mm×20mm×12mm，四角均有4×4的倒角，可避免边缘尖角位置由于磕碰等导致光学棱镜损伤。

红外端透镜3为平凹透镜，平面靠近OLED显示屏，中心厚为2mm，光学材料折射率为1.95，阿贝系数17.9，凹面曲率半径为19.53mm。

微光端透镜4为弯月透镜，凹面靠近像增强器荧光屏，中心厚为2.9mm，光学材料折射率为1.70，阿贝系数为48.1，前表面曲率半径为-28.41mm，后表面曲率半径为-15.32mm。

共用透镜组6包括共用第一透镜7和共用第二透镜8。

共用第一透镜7为弯月透镜，凹面靠近棱镜镜组5，中心厚为1.8mm，光学材料折射率为1.73，阿贝系数为54.7，前表面曲率半径为-30.4mm，后表面曲率半径为-22.2mm。

共用第二透镜8为双凸透镜，中心厚为3.6mm，光学材料折射率为1.62，阿贝系数为63.9，前表面为非球面，非球面参数为：R=21.65、k=0、A=-1.85759E-004、B=6.69238E-006、C=-1.022398E-007、D=5.3279766E-010；后表面为非球面，非球面参数为：R=-97.034、k=0、A=-1.31254E-004、B=5.459155E-006、C=-9.188663E-008、D=5.216857E-010。

本发明各个零部件之间的相对位置关系如下：红外图像源2与红外端透镜3之间的距离为2.42mm，红外端透镜3与棱镜组件5之间的距离为2.5mm，微光图像源1与微光端透镜4之间距离为4mm，微光端透镜4与棱镜组件5之间的距离为1mm，棱镜组件5与共用第一透镜7之间的距离为4.02mm，共用第一透镜8与共用第二透镜8之间的距离为0.5mm，共用第二透镜8与人眼之间的距离为15mm。

如图4-7所示，本发明光学系统的成像质量主要依靠点列图、畸变图来评价，从各图中可以看出，本发明光学系统的成像质量良好。本发明光学系统具有结构紧凑、体积小、工程可实现性强等优点，具有实际应用价值。工作时，红外端透镜3和微光端透镜4与共用透镜组6组合，分别与相应的红外物镜和微光物镜结合匹配后，可以获得相同放大倍率的红外图像和微光图像，避免图像融合后出现较大的偏差，提高红外图像和微光图像的融合匹配性，极大地提高目标识别能力。