手持式順光光夜視儀的設(shè)計

手持式順光光夜視儀的設(shè)計

種設(shè)計方法光光燈是一種利用光譜改善技術(shù)的光色圖像系統(tǒng)。它擴(kuò)展了人們對弱光圖像的檢測能力，并在各個領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。國內(nèi)同類產(chǎn)品較多,但由于器件的限制和設(shè)計水平,技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)不高。本文提出一種設(shè)計方法,在物鏡口徑為76mm的條件下,可在10-3lx照度下,對人視距提高到350～400m,對車輛視距為700～900m。為達(dá)到設(shè)計要求,采取了如下措施:1)采用高靈敏、高增益、高信噪比、高分辨率的像增強(qiáng)器,選用超二代像增強(qiáng)器;2)設(shè)計高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng),物鏡分辨率高,系統(tǒng)的倍率大;3)實(shí)現(xiàn)夜天光、光學(xué)系統(tǒng)、像增強(qiáng)器之間光譜的匹配。響應(yīng)的峰值接近在一定光譜范圍內(nèi),并且向紅外波段延伸,以充分利用夜天光。同時為適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)使用,增加外接電源,并采用模塊化設(shè)計,便于使用、調(diào)校和維護(hù)。1像增強(qiáng)器+啟動系統(tǒng)觀察視距像增強(qiáng)器是系統(tǒng)的核心部件,其將微弱的光輻射圖像通過光電成像系統(tǒng)進(jìn)行光量子放大,并轉(zhuǎn)換為人眼可見的光學(xué)圖像。像增強(qiáng)器的性能參數(shù)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)可靠保證,也是設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)必不可少的原始參數(shù),在總體設(shè)計中根據(jù)視距要求、用途和成本選擇像增強(qiáng)器。微光目標(biāo)夜視儀要求在10-3lx照度下,在350～400m距離上識別人,在700～900m距離上識別車輛,要求像增強(qiáng)器增益高,分辨率高,光陰極靈敏度高,體積小,而且要具有防強(qiáng)光性能。根據(jù)最優(yōu)化準(zhǔn)則,選用了超二代像增強(qiáng)器XX2040。XX2040的綜合性能高于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。其高增益,高分辨率以及良好的信噪比特性保證了觀察視距的實(shí)現(xiàn)。圖1比較了XX2040與同類產(chǎn)品的MTF傳輸特性。從圖1可以看出,由于XX2040離子壁壘薄膜的彌散作用,DEPXX2040的MTF特性要優(yōu)于Omnibus同類產(chǎn)品的MTF特性。2基于成像的物鏡設(shè)計微光物鏡是一種高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng),在像增強(qiáng)器確定之后,它的成像質(zhì)量直接關(guān)系到夜視距離。微光物鏡的基本特點(diǎn)是大口徑、長焦距、大相對孔徑,在體積允許的范圍內(nèi),盡量提高夜視系統(tǒng)的倍率。通過對各種型式的物鏡對比分析,最終選取了匹茲伐爾型物鏡。它的優(yōu)點(diǎn)是相對孔徑大、分辨率高、傳遞函數(shù)高。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則,要識別一個目標(biāo),所需的空間鑒別頻率至少為N=4,而微光下人眼的分辨角為2′,故可用式:arctan(Z/RN)≥2′,來初步估計微光夜視距離R。當(dāng)目標(biāo)為人員時,目標(biāo)尺寸Z規(guī)劃為1m,N=4,視距R=350m和R=400m,分辨角α分別為2.46′和2.15′。理論計算說明,要求識別人時,視距R=350～400m的目標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)以上視距確定物鏡的口徑D和焦距F,由于:式中:Fo=F2/(TD2M02Mm2)為光學(xué)系數(shù)因子;Fs=Ak2/(Cs2r)為景物因子;Fi=f/(stMi2)為像增強(qiáng)器因子;R為夜視距離(m);L為照度(lx);F為物鏡焦距(mm);D為物鏡的口徑(mm);Z為目標(biāo)的尺寸(m),規(guī)劃為1m;N為條紋圖像的線對數(shù),識別取值4;T為物鏡透過率;Cs為條紋對比度;r為圖形平均反射率;f為像增強(qiáng)器的噪聲功率因子;s為像增強(qiáng)器光電陰極靈敏度;t為系統(tǒng)積累時間;M0為Ak頻率處物鏡的傳遞函數(shù);Mm為Ak頻率處目鏡的傳遞函數(shù);Mi為Ak頻率處像增強(qiáng)器的傳遞函數(shù);Ak為在像增強(qiáng)器輸入窗口上條紋圖像的空間頻率。利用式(1)(2),先確定評價頻率Ak,根據(jù)目前超二代像增強(qiáng)器的技術(shù)水平,令Cs=0.3,T=0.8,r=0.3,t=0.2,s=700,f=3,則:根據(jù)對儀器外形尺寸的限制,取D=76mm,又根據(jù)微光物鏡的特點(diǎn),取F=1.42D=108mm,得Ak=12.96,對應(yīng)的Mi=0.83,有:取Mm=0.73,M0=0.7。實(shí)際上,目標(biāo)尺寸一般大于1m,由此出發(fā)得到的Mm,M0更小。因此,設(shè)計中微光物鏡的口徑D和焦距F分別取為76mm和108mm,即可達(dá)到設(shè)計要求。目鏡的主要參數(shù)為:焦距f=20mm,出瞳直徑8mm,出瞳距離22mm,視度調(diào)節(jié)范圍±5D。3圖像校正與光譜適應(yīng)3.1物鏡系統(tǒng)像差的計算在像差校正過程中,采用了SOD88光學(xué)設(shè)計軟件,并合理地控制相關(guān)像差。在設(shè)計中主要控制以下幾種像差:1)球差:它主要關(guān)系到鏡頭的分辨率。除利用彎曲各透鏡的半徑,改變曲率之外,還采用調(diào)整空氣間隙的方法來校正高級球差,以提高分辨率;2)場曲:微光物鏡要求有很小的場曲,采用合理的光焦度分配方法來控制,還采用厚透鏡消場曲的方法來控制;3)色差:主要采用不同的阿貝數(shù)玻璃的組合。玻璃的選取,不僅為消色差,而且也和消球差有直接關(guān)系。根據(jù)經(jīng)驗,一般正透鏡選用高折射率、高色散的玻璃組合;負(fù)透鏡選用高折射率、低色散的玻璃組合;4)軸外場曲:除合理的光焦度分配外,還適當(dāng)利用入瞳位置的選取來校正;5)寬光束子午慧差:選用合理的入瞳位置。使用光學(xué)設(shè)計軟件,對物鏡系統(tǒng)的像差進(jìn)行了計算,表1列出了幾種主要的像差:球差dL,慧差SC,畸變dYz,子午場曲Xt,弧矢場曲Xs,垂軸色差DYab。對其分別取不同視場的5點(diǎn)進(jìn)行計算,計算結(jié)果單位為mm。通過對以上像差的精細(xì)校正,物鏡質(zhì)量有明顯提高,分辨率為100lp/mm。整個光學(xué)系統(tǒng)的焦距,主要由各透鏡的光焦度合理組合。3.2夜天光的設(shè)計設(shè)計中,分別確定人眼、像增強(qiáng)器的響應(yīng)波段,夜天光光譜的分布特性,并盡量使之相匹配,以充分發(fā)揮像增強(qiáng)器的功能和物鏡的性能,從而提高夜視距離。像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)范圍為0.38～0.86μm,夜天光中晴朗星光的光譜為0.6～1.2μm,滿月光為0.4～1.25μm。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的光譜響應(yīng)范圍為0.5893～0.863μm,在此波段容易校正色差。選取的色差校正范圍是0.5893～0.863μm。4env.condition設(shè)計的微光夜視儀,在10-3lx照度下,實(shí)現(xiàn)了對人視距370～400m,對車輛視距700～900m,達(dá)到了指