一種新穎的頭盔式微光夜視系統(tǒng)設計

朱標

摘要：提出了一種新穎的頭盔式微光夜視系統(tǒng)架構形式，對其光學系統(tǒng)進行了研究。針對具體的頭盔式微光夜視系統(tǒng)，運用CODEV光學設計仿真軟件，設計了焦距為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，設計了視場角為50°護目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)。結果是該成像物鏡結構緊湊，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，全視場調整傳遞函數(shù)（MTF）值大于0.2;護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工效。

關鍵詞：微光夜視;夜視系統(tǒng);成像物鏡;透視型;護目鏡型頭盔顯示系統(tǒng)

中圖分類號：TP919 文獻標識碼：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備，該設備可以通過光增強技術，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，應用更加廣泛，如軍事應用，更加安全可靠。

目前市面上的微光夜視儀，采用的是像增強器技術，實現(xiàn)微光的增強，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，甚至在飛機大幅度機動時，容易引起其頸部受傷嘲。

本文所設計的微光夜視頭盔系統(tǒng)主要由微光物鏡、低照度攝像機芯和顯示系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了整個微光頭盔夜視系統(tǒng)具有重量輕、結構簡單以及視場、相對孔徑、出瞳直徑和出瞳距離大。像面照度均勻等特點。在傳統(tǒng)的雙高斯物鏡基礎上加入了非球面，解決了邊緣視場照度下降非常快的問題。同時，本文為實現(xiàn)顯示系統(tǒng)與頭盔一體化，研究了用于機載頭盔微光夜視系統(tǒng)的護目鏡投射的顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構緊湊、重量輕等優(yōu)點，其各參量都到了世界先進水平。

2系統(tǒng)架構

因為微光夜視頭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)自身的實用性、可靠性是設計中必須要考慮的。

2.1光學耦合器

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的信息。微光夜視頭盔系統(tǒng)顯示系統(tǒng)采用機載頭盔護目鏡作為光學耦合器，包括微型圖像源、顯控電路板和目視光學系統(tǒng)等單元，其中目視光學系統(tǒng)由中繼透鏡系統(tǒng)和光學耦合器組成，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，實現(xiàn)了最大化周圍物景的視覺范圍。

2.2內嵌式微光攝像機

微光攝像機由微光物鏡和低照度攝像機芯組成，采用內嵌頭盔安裝方式，這種結構不僅使微光夜視頭盔系統(tǒng)結構緊湊，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備碰撞和繃掛。

微光夜視頭盔系統(tǒng)架構如圖1所示：

3設計目標

參照國外，比如歐洲臺風戰(zhàn)斗機所配機載綜合頭盔系統(tǒng)設計指標，考慮國內低照度攝像機芯目前技術狀態(tài)，確定本設計的目標參量為：

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)國內某款低照度攝像機芯F/#數(shù)為1.4時，能在照度0.0011x下，清晰連續(xù)成像）;

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

4光學系統(tǒng)設計結果

4.1物鏡技術參數(shù)

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

4.1.1物鏡焦距

本設計采用國產(chǎn)的最先進的低照度攝像機芯，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)目標焦距由成像尺寸、作用距離、目標大小獲得。依據(jù)Johnson準則計算：

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光信號的最大值，選擇時必須合理，因為如果過大，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物鏡設計結果分析及像質評價

4.2.1物鏡光學系統(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，同時考慮飛機座艙內夜視兼容要求，為此選擇624nm、693 nm、762 nm、831 nm和900 nm為設計波長;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設計結果

以CODE v光學設計軟件分析設計，設計結果為有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)微光物鏡的調制傳遞函數(shù)曲線，在空間頻率為50lp/mm時，全視場調制度大于0.2。軸上視場的調制度也接近0.4，滿足低照度攝像機芯輸入面分辨力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%，用于夜間精確瞄準與測量。

4.3目視系統(tǒng)設計結果分析及像質評價

4.3.1目視光學系統(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;同時保證光學耦合器與頭盔護目鏡無縫融合，根據(jù)實際頭盔結構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;同時受到微光夜視頭盔系統(tǒng)放大倍率要求限制。所以，設計的出瞳直徑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芯的光學成像系統(tǒng)，設計結果不僅實現(xiàn)了與頭盔一體化結構，而且性能指標達到了或接近世界先進水平。以大相對孔徑的雙高斯物鏡作為初始結構，設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，光學耦合器與頭盔護目鏡完全融合，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，這可以通過電子預畸變予以校正。整個系統(tǒng)視放大率為1，結構緊湊，可以很好地用于機載微光夜視頭盔系統(tǒng)。