一種新穎的頭盔式微光夜視系統(tǒng)設(shè)計

朱標(biāo)

摘要：提出了一種新穎的頭盔式微光夜視系統(tǒng)架構(gòu)形式，對其光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。針對具體的頭盔式微光夜視系統(tǒng)，運(yùn)用CODEV光學(xué)設(shè)計仿真軟件，設(shè)計了焦距為6.7mm，視場角為50°，相對孔徑為1/1.25，光譜范圍625nm-930nm的成像物鏡;同時與之對應(yīng)，設(shè)計了視場角為50°護(hù)目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)。結(jié)果是該成像物鏡結(jié)構(gòu)緊湊，鏡筒長僅27.9mm，總長小于40mm，全視場畸變小于2%，在空間頻率為501p/ram時，全視場調(diào)整傳遞函數(shù)（MTF）值大于0.2;護(hù)目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)全視場畸變小于10%，在空間頻率為501p/mm時，MTF值接近0.2。不僅非常好地滿足了頭盔式微光夜視系統(tǒng)性能要求，而且極大地改善了傳統(tǒng)頭盔微光夜視儀的人機(jī)工效。

關(guān)鍵詞：微光夜視;夜視系統(tǒng);成像物鏡;透視型;護(hù)目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)

中圖分類號：TP919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0281-02

1背景

頭盔微光夜視儀是一種頭戴式設(shè)備，該設(shè)備可以通過光增強(qiáng)技術(shù)，改善人們在夜晚或者低照明下的可視效果，相比較紅外夜視儀，微光夜視儀具有不易暴露，更加隱蔽的特點(diǎn)，應(yīng)用更加廣泛，如軍事應(yīng)用，更加安全可靠。

目前市面上的微光夜視儀，采用的是像增強(qiáng)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微光的增強(qiáng)，通過固定于頭盔上支架吊裝在佩戴者眼睛前方，造成頭盔重心前移，使頸部除增加負(fù)重以外，還受到微光夜視儀附加的前傾力矩，容易疲勞，甚至在飛機(jī)大幅度機(jī)動時，容易引起其頸部受傷嘲。

本文所設(shè)計的微光夜視頭盔系統(tǒng)主要由微光物鏡、低照度攝像機(jī)芯和顯示系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了整個微光頭盔夜視系統(tǒng)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單以及視場、相對孔徑、出瞳直徑和出瞳距離大。像面照度均勻等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的雙高斯物鏡基礎(chǔ)上加入了非球面，解決了邊緣視場照度下降非?？斓膯栴}。同時，本文為實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)與頭盔一體化，研究了用于機(jī)載頭盔微光夜視系統(tǒng)的護(hù)目鏡投射的顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其各參量都到了世界先進(jìn)水平。

2系統(tǒng)架構(gòu)

因?yàn)槲⒐庖挂曨^盔使用時是佩戴在頭部的，所以使用者的舒適性、安全性以及系統(tǒng)自身的實(shí)用性、可靠性是設(shè)計中必須要考慮的。

2.1光學(xué)耦合器

傳統(tǒng)的微光夜視儀吊裝于使用者眼前，只能看到微光物鏡成像范圍以內(nèi)的信息。微光夜視頭盔系統(tǒng)顯示系統(tǒng)采用機(jī)載頭盔護(hù)目鏡作為光學(xué)耦合器，包括微型圖像源、顯控電路板和目視光學(xué)系統(tǒng)等單元，其中目視光學(xué)系統(tǒng)由中繼透鏡系統(tǒng)和光學(xué)耦合器組成，可提供微光物鏡成像范圍以外的信息;同時，具有最小化與佩戴人員的視覺矛盾，實(shí)現(xiàn)了最大化周圍物景的視覺范圍。

2.2內(nèi)嵌式微光攝像機(jī)

微光攝像機(jī)由微光物鏡和低照度攝像機(jī)芯組成，采用內(nèi)嵌頭盔安裝方式，這種結(jié)構(gòu)不僅使微光夜視頭盔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，而且有利于減輕重量，同時避免了頭盔表面出現(xiàn)明線，減少了頭盔與其他設(shè)備碰撞和繃掛。

微光夜視頭盔系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

3設(shè)計目標(biāo)

參照國外，比如歐洲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)所配機(jī)載綜合頭盔系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，考慮國內(nèi)低照度攝像機(jī)芯目前技術(shù)狀態(tài)，確定本設(shè)計的目標(biāo)參量為：

最大視場角：不小于40°×30°（中心軸上視場）;

放大倍率：1倍;

角分辨力：不大于1.5 mrad（照度：0.011x，90%對比度靶板）;

視頻分辨率：不小于1280x1024（像素）;

F/#數(shù)：不大于1.4f根據(jù)國內(nèi)某款低照度攝像機(jī)芯F/#數(shù)為1.4時，能在照度0.0011x下，清晰連續(xù)成像）;

對目標(biāo)0.45m×0.45m進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)距離為300m，識別距離為100m。

4光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

4.1物鏡技術(shù)參數(shù)

物鏡的作用是把夜天光照射下的目標(biāo)成像于低照度攝像機(jī)芯的感光面上。在微光夜視頭盔系統(tǒng)中，成像的質(zhì)量相當(dāng)重要，其中微光物鏡的設(shè)計尤為重要。綜合微光夜視頭盔的成像質(zhì)量要求以及系統(tǒng)的監(jiān)視距離要求，本設(shè)計針對微光物鏡給出關(guān)于光學(xué)特性的三個性能參數(shù)指標(biāo)。

4.1.1物鏡焦距

本設(shè)計采用國產(chǎn)的最先進(jìn)的低照度攝像機(jī)芯，主要特性參量為：

1）探測器靶面尺寸：1英寸;

2）像素尺寸：9.7um×9.7um;

3）分辨率：1.0mrad（照度：0.011x，90%對比度靶板）;

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)焦距由成像尺寸、作用距離、目標(biāo)大小獲得。依據(jù)Johnson準(zhǔn)則計算：

4.1.3物鏡孔徑光欄

相對口徑不僅反映了鏡頭的分辨率，而且表明鏡頭接受目標(biāo)光信號的最大值，選擇時必須合理，因?yàn)槿绻^大，微光物鏡的體積就會變大，重量變重，影響了佩戴效果，但是相對口徑值又會受到透鏡系統(tǒng)自身吸收問題以及大氣透過率、攝像機(jī)芯在低照度下的感光能力等因素影響。所以，根據(jù)微光物鏡的f/#不大于1.4，孔徑光欄D最小為12mm。

4.2物鏡設(shè)計結(jié)果分析及像質(zhì)評價

4.2.1物鏡光學(xué)系統(tǒng)特性

微光物鏡工作在低照度環(huán)境下，通常，夜天輻射除可見光之外，還包含豐富的近紅外輻射，同時考慮飛機(jī)座艙內(nèi)夜視兼容要求，為此選擇624nm、693 nm、762 nm、831 nm和900 nm為設(shè)計波長;此外，焦距f，為17.2mm，視場2w為50°，孔徑光欄D為12mm，全視場畸變不大于5%;同時，空間頻率為51.5 lp/mm時，傳遞函數(shù)（MTF）值：1）全視場不小于0.2;軸上視場不小于0.4。

4.2.2設(shè)計結(jié)果

以CODE v光學(xué)設(shè)計軟件分析設(shè)計，設(shè)計結(jié)果為有7片透鏡，其中第一片前表面為非球面，還有一個偶次非球面，根據(jù)微光物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，在空間頻率為50lp/mm時，全視場調(diào)制度大于0.2。軸上視場的調(diào)制度也接近0.4，滿足低照度攝像機(jī)芯輸入面分辨力51.51p/ram的要求。微光物鏡的場曲小于0.05mm，可以忽略，最大畸變小于1.5%，用于夜間精確瞄準(zhǔn)與測量。

4.3目視系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果分析及像質(zhì)評價

4.3.1目視光學(xué)系統(tǒng)特性

為了匹配人眼在微光或者夜視的情況下眼瞳變大到可達(dá)7ram左右，微光夜視系統(tǒng)的目鏡系統(tǒng)需要大于7mm;同時保證光學(xué)耦合器與頭盔護(hù)目鏡無縫融合，根據(jù)實(shí)際頭盔結(jié)構(gòu)尺寸要求出瞳距離約55mm。目視系統(tǒng)的視場同其焦距及微型圖像源有效顯示面直徑相關(guān);同時受到微光夜視頭盔系統(tǒng)放大倍率要求限制。所以，設(shè)計的出瞳直徑15mm，視場為50°，出瞳距離50 mm，視放大倍率為1。

5結(jié)束語

基于微光夜視頭盔系統(tǒng)對微光物鏡及顯示系統(tǒng)的典型要求，研究了基于低照度攝像機(jī)芯的光學(xué)成像系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)果不僅實(shí)現(xiàn)了與頭盔一體化結(jié)構(gòu)，而且性能指標(biāo)達(dá)到了或接近世界先進(jìn)水平。以大相對孔徑的雙高斯物鏡作為初始結(jié)構(gòu)，設(shè)計了帶有非球面的微光物鏡，視場為50°，F(xiàn)/#數(shù)不大于1.4，焦距為17.2mm;在空間頻率501p/mm時，全視場傳函值不小于0.2;畸變小于1.5%;同時基于專利CN200910251432.9設(shè)計了匹配微光物鏡的目視系統(tǒng)，出瞳直徑15mm，出瞳距離50mm，光學(xué)耦合器與頭盔護(hù)目鏡完全融合，在空間頻率351p/mm時，傳函值大于0.2，雖然有最大為8%的梯形畸變，這可以通過電子預(yù)畸變予以校正。整個系統(tǒng)視放大率為1，結(jié)構(gòu)緊湊，可以很好地用于機(jī)載微光夜視頭盔系統(tǒng)。