本發明屬于微光電視成像系統技術領域，具體涉及一種大相對孔徑微光電視成像前置物鏡光學系統。

背景技術：

微光電視成像系統是利用星光、月光和大氣輝光由目標表面反射后經前置物鏡聚焦于像增強器光陰極面，利用圖像增強器件對暗弱目標光輻射信號進行增強放大后成像的技術。便于進行夜間觀察。

微光電視系統在軍事領域起著舉足輕重的地位，通過微光電視系統，前線戰士可以在夜間清晰洞察到敵軍的動靜，而且可將視頻傳輸到位于戰線后方的指揮中心，指揮人員也可以清晰的了解到前線作戰情況并根據情況的不同制定合理的應戰措施，因此研究微光電視成像系統具有重要意義。

微光電視成像系統的主要工作原理如圖1所示，自然光由目標表面反射進入前置物鏡11后聚焦成像在像增強器10的陰極面上，通過像增強器進行信號的增強放大，在像增強器的熒光屏上成像，再由中繼耦合光學系統12將熒光屏的像耦合至cmos/ccd成像探測器13上，然后在圖像顯示器14進行圖像顯示供人眼觀察。

中國期刊《兵工學報》在2014年8月出版的第35卷第8期1308～1312頁刊登了張良、潘曉東發表的題為“采用塑料光學元件的微光夜視物鏡設計”的論文。文中介紹了一種采用光學玻璃元件和光學塑料元件混合的微光夜視物鏡，用于降低系統重量。該系統相對孔徑為1/1.2，視場為40°。由于塑料元件的光學性能受溫度影響較大，引入非球面用于實現系統無熱化設計，非球面透鏡的加工成本高，對系統的裝配精度要求高。此外，該系統存在相對孔徑小，系統像面照度低的缺陷。

申請號為201510474928.8的中國專利申請公開了一種廣角微光攝像鏡頭，該系統相對孔徑為1/1.2，由于像增強器中心的光照度與前置物鏡相對孔徑的平方成正比，為使像面有足夠的照度，需要大相對孔徑的物鏡。此外，該系統鏡片數量較多，由11片透鏡組成，因此系統透過率不高、對微弱光線的聚光能力不夠，系統的靈敏度不高。

申請號為201420804888.x的中國專利申請公開了一種用于微光夜視前置鏡，該系統總長達285mm，光學系統長、體積大，在實際應用中難于滿足微光電視成像系統的小型化、輕量化的要求。

技術實現要素：

為了解決傳統的微光電視成像前置物鏡光學系統相對孔徑小、聚光能力低的技術問題，本發明提供一種用于微光電視成像系統的大視場、大相對孔徑前置物鏡光學系統，用于將微弱自然光如星光、月光和大氣輝光照射下的目標成像在像增強器上，能夠有效提高微光電視成像系統對微弱光線的聚光能力及系統的靈敏度。

為了實現上述目的，本發明采用的具體方案為：

一種大相對孔徑微光電視成像前置物鏡光學系統，設置在像增強器的前方，沿光線的傳播方向依次同軸設置有第一彎月形負透鏡、第一彎月形正透鏡、雙凹負透鏡、第一雙凸正透鏡、第二雙凸正透鏡、第三雙凸正透鏡、色差校正透鏡組和第二彎月形負透鏡。

所述色差校正透鏡組由第四雙凸正透鏡與第二彎月形正透鏡膠合而成；所述第一彎月形負透鏡、第一彎月形正透鏡均彎向像方，第二彎月形正透鏡、第二彎月形負透鏡均彎向物方。

所述第四雙凸正透鏡滿足條件：0.85≤f7/f≤0.95，nd7>1.65，vd7<50，其中f為光學系統總焦距、f7為第四雙凸正透鏡的有效焦距、nd7為第四雙凸正透鏡材料的d線折射率、vd7為第四雙凸正透鏡材料的d線阿貝常數；所述第二彎月形正透鏡滿足條件：3≤f8/f≤3.8，nd8>1.85，vd8<25，其中f為光學系統總焦距、f8為第二彎月形正透鏡的有效焦距、nd8為第二彎月形正透鏡材料的d線折射率、vd8為第二彎月形正透鏡材料的d線阿貝常數。

所述第一彎月形負透鏡滿足條件：-4.1≤f1/f≤-3.6，nd1<1.55，vd1>65，其中f為光學系統總焦距、f1為第一彎月形負透鏡的有效焦距、nd1為第一彎月形負透鏡材料的d線折射率、vd1為第一彎月形負透鏡材料的d線阿貝常數。

所述第一彎月形正透鏡滿足條件：2.3≤f2/f≤2.6，nd2>1.85，vd2<35，其中f為光學系統總焦距、f2為第一彎月形正透鏡的有效焦距、nd2為第一彎月形正透鏡材料的d線折射率、vd2為第一彎月形正透鏡材料的d線阿貝常數。

所述雙凹負透鏡滿足條件：-0.8≤f3/f≤-0.6，nd3>1.75，vd3<30，其中f為光學系統總焦距、f3為雙凹負透鏡的有效焦距、nd3為雙凹負透鏡材料的d線折射率、vd3為雙凹負透鏡材料的d線阿貝常數。

所述第一雙凸正透鏡滿足條件：1≤f4/f≤1.3，nd4>1.85，vd4<35，其中f為光學系統總焦距、f4為第一雙凸正透鏡的有效焦距、nd4為第一雙凸正透鏡材料的d線折射率、vd4為第一雙凸正透鏡材料的d線阿貝常數。

所述第二雙凸正透鏡滿足條件：1.2≤f5/f≤1.4，nd5>1.65，vd5>50，其中f為光學系統總焦距、f5為第二雙凸正透鏡的有效焦距、nd5為第二雙凸正透鏡材料的d線折射率、vd5為第二雙凸正透鏡材料的d線阿貝常數；所述第三雙凸正透鏡滿足條件：3≤f6/f≤3.5，nd6<1.70，vd6<55，其中f為光學系統總焦距、f6為第三雙凸正透鏡的有效焦距、nd6為第三雙凸正透鏡材料的d線折射率、vd6為第三雙凸正透鏡材料的d線阿貝常數。

所述第二彎月形負透鏡滿足條件：-0.85≤f9/f≤-0.8，nd9>1.85，vd9<25，其中f為光學系統總焦距、f9為第二彎月形負透鏡滿的有效焦距、nd9為第二彎月形負透鏡滿材料的d線折射率、vd9為第二彎月形負透鏡滿材料的d線阿貝常數。

所述第一彎月形正透鏡與所述雙凹負透鏡之間于光軸上的距離為t23，所述第二雙凸正透鏡與所述第三雙凸正透鏡之間于光軸上的距離為t56，所述第二雙凸正透鏡于光軸上的厚度為ct5，滿足以下條件：0.68≤t23+t56/ct5≤1.30。

本發明的有益效果是：

1、發明提供一種用于微光電視成像系統的大視場、大相對孔徑前置物鏡光學系統，相對孔徑1:1.0；物鏡t數≤1.2，有效提高了對微弱光線的聚光能力及系統的靈敏度。

2、通過各透鏡光焦度的合理分配、不同材料相互搭配，有效減小各種像差對系統的影響，本發明使用的透鏡數量少，長度和體積小，光學長度≤55mm，從而實現微光電視成像系統的小型化和輕量化。

3、系統各透鏡的入射面和出射面全部采用球面，降低了鏡片的加工難度，放寬了系統的誤差容許值，有效降低系統裝調難度，從而提高了系統裝調效率，進而降低生產成本。

4、系統最后一片鏡片即靠近像增強器，設置有彎向物方的彎月形負透鏡，有利于校正系統的匹茲萬場曲、平衡整個物鏡的畸變。此外，可有效消除由于增強器窗口玻璃的反射在像面產生鬼像。

附圖說明

圖1是微光電視成像系統原理框圖；

圖2是本發明的光路圖；

圖3是本發明的傳遞函數圖；

圖4是本發明的場曲畸變圖；

圖5是本發明的垂軸色差圖；

圖6是本發明的球面像差曲線圖。

附圖標記：1、第一彎月形負透鏡，2、第一彎月形正透鏡，3、雙凹負透鏡，4、第一雙凸正透鏡，5、第二雙凸正透鏡，6、第三雙凸正透鏡，7、第四雙凸正透鏡，8、第二彎月形正透鏡，9、第二彎月形負透鏡，10、像增強器，11、前置物鏡，12、中級耦合光學系統，13、cmos/ccd成像探測器，14、圖像顯示器。

具體實施方式

下面根據附圖具體說明本發明的實施方式。

如圖2所示，一種大相對孔徑微光電視成像前置物鏡光學系統，設置在像增強器10的前方并成像在像增強器10的陰極面上，沿光線的傳播方向依次同軸設置有第一彎月形負透鏡1、第一彎月形正透鏡2、雙凹負透鏡3、第一雙凸正透鏡4、第二雙凸正透鏡5、第三雙凸正透鏡6、色差校正透鏡組和第二彎月形負透鏡9。色差校正透鏡組由第四雙凸正透鏡7與第二彎月形正透鏡8膠合而成，第一彎月形負透鏡1、第一彎月形正透鏡2均彎向像方，第二彎月形正透鏡8、第二彎月形負透鏡9均彎向物方。

第一彎月形負透鏡1滿足條件：-4.1≤f1/f≤-3.6，nd1<1.55，vd1>65，其中f為光學系統總焦距、f1為第一彎月形負透鏡1的有效焦距、nd1為第一彎月形負透鏡1材料的d線折射率、vd1為第一彎月形負透鏡1材料的d線阿貝常數。

第一彎月形正透鏡2滿足條件：2.3≤f2/f≤2.6，nd2>1.85，vd2<35，其中f為光學系統總焦距、f2為第一彎月形正透鏡2的有效焦距、nd2為第一彎月形正透鏡2材料的d線折射率、vd2為第一彎月形正透鏡2材料的d線阿貝常數。

雙凹負透鏡3滿足條件：-0.8≤f3/f≤-0.6，nd3>1.75，vd3<30，其中f為光學系統總焦距、f3為雙凹負透鏡3的有效焦距、nd3為雙凹負透鏡3材料的d線折射率、vd3為雙凹負透鏡3材料的d線阿貝常數。

第一雙凸正透鏡4滿足條件：1≤f4/f≤1.3，nd4>1.85，vd4<35，其中f為光學系統總焦距、f4為第一雙凸正透鏡4的有效焦距、nd4為第一雙凸正透鏡4材料的d線折射率、vd4為第一雙凸正透鏡4材料的d線阿貝常數。

第二雙凸正透鏡5滿足條件：1.2≤f5/f≤1.4，nd5>1.65，vd5>50，其中f為光學系統總焦距、f5為第二雙凸正透鏡5的有效焦距、nd5為第二雙凸正透鏡5材料的d線折射率、vd5為第二雙凸正透鏡5材料的d線阿貝常數；

第三雙凸正透鏡6滿足條件：3≤f6/f≤3.5，nd6<1.70，vd6<55，其中f為光學系統總焦距、f6為第三雙凸正透鏡6的有效焦距、nd6為第三雙凸正透鏡6材料的d線折射率、vd6為第三雙凸正透鏡6材料的d線阿貝常數。

第四雙凸正透鏡7滿足條件：0.85≤f7/f≤0.95，nd7>1.65，vd7<50，其中f為光學系統總焦距、f7為第四雙凸正透鏡7的有效焦距、nd7為第四雙凸正透鏡7材料的d線折射率、vd7為第四雙凸正透鏡7材料的d線阿貝常數。

第二彎月形正透鏡8滿足條件：3≤f8/f≤3.8，nd8>1.85，vd8<25，其中f為光學系統總焦距、f8為第二彎月形正透鏡8的有效焦距、nd8為第二彎月形正透鏡8材料的d線折射率、vd8為第二彎月形正透鏡8材料的d線阿貝常數。

第二彎月形負透鏡9滿足條件：-0.85≤f9/f≤-0.8，nd9>1.85，vd9<25，其中f為光學系統總焦距、f9為第二彎月形負透鏡9的有效焦距、nd9為第二彎月形負透鏡9材料的d線折射率、vd9為第二彎月形負透鏡9材料的d線阿貝常數。

通過各透鏡光焦度的合理分配、不同材料相互搭配，有效減小各種像差對系統的影響，本發明使用的透鏡數量少，長度和體積小，光學長度≤55mm，從而實現微光電視成像系統的小型化和輕量化。

第一彎月形正透鏡2與雙凹負透鏡3之間于光軸上的距離為t23，第二雙凸正透鏡5與第三雙凸正透鏡6之間于光軸上的距離為t56，第二雙凸正透鏡5于光軸上的厚度為ct5，滿足以下條件：0.68≤t23+t56/ct5≤1.30。

與本發明相匹配的像增強器10選擇為1xz18/18whp-ly高性能超二代像增強器。

優選地，各個透鏡的面型、尺寸及所用玻璃材料如表1所示，其中曲率半徑、厚度、間隔和口徑的單位均勻mm。

表1

系統各透鏡的入射面和出射面全部采用球面，降低了鏡片的加工難度，放寬了系統的誤差容許值，有效降低系統裝調難度，從而提高了系統裝調效率，進而降低生產成本。

在像增強器10的前方設置第二彎月形負透鏡9，且第二彎月形負透鏡9與像增強器10的距離為2mm。通過設置第二彎月形負透鏡9，有利于校正系統匹茲萬場曲、平衡整個物鏡的畸變和消除由于增強器窗口玻璃的反射在像面產生鬼像。

本發明實現的技術指標為：波段0.5μm～0.9μm；相對孔徑1:1.0；物鏡t數≤1.2；視場50°；焦距20mm；光學長度≤55mm。本發明的相對孔徑1:1.0；物鏡t數≤1.2，有效提高了對微弱光線的聚光能力及系統的靈敏度。

經過仿真分析，如圖3所示，選用的像增強器對應空間頻率為40lp/mm時，系統傳遞函數最低為0.2；如圖4所示，畸變在3/4視場內小于5%；如圖5所示，顯示系統垂軸色差得到了很好的校正；如圖6所示，顯示系統球面像差得到了很好的校正。

以上實施例僅用以說明而非限定本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解；依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。