z头盔式双目微光夜视仪研制

z头盔式双目微光夜视仪研制 第27卷第1期 2005年1月 红外技术 InfraredTechnology V.01.27No.1 Jan.2005 Z头盔式双目微光夜视仪研制木 詹启海,常本康,钱芸生 (南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094) 摘要:介绍了头盔式双目激光助视/微光夜视仪的设计,它是由激光助视系统,特种 光学镜头,高性能 微光像增强器组成的主被合一的新型激光夜视仪器.与以往的国内的夜视眼镜相 比,它以非球面物镜 以及助视功能为特色,以双管高性能超二代像增强器为核心,参照了国外的最新的 头盔微光夜视仪的 光学系统数据,灵敏度高,图像清晰,并适于头戴和手持两用,其探测阈值延伸到 10lx以下,改变 了目前大多数的微光夜视仪器固有的缺陷,使得在任何恶劣的条件下也可以正常 工作. 关键词:头盔:激光助视;像增强器;非球面透镜 中图分类号:TN223文献标识码:A文章编号:100l-8891(2005)Ol-O019-04 ResearchofNightVisionImagingSystemonHead-Binocular ZHANQi-hai,CHANGBen-kang,QIANYun-sheng (SchoolofElectronicEngineeringandOptoelectronicTechnique, NanfingUniversityofScience&Technology,NanjingJiangsu,PRC210094) Abstract:Inthispaper,thepresentstatusanddevelopingtendencyofnightvisiondeviceofhel metarereviewed.The researchintentionanddesignprincipleofCY-1Rnightvisiongoggleareexplainedwhichfillsthegapsin active.passivecombinednightvisionfieldinourcountry.Thestructure,composition,mechanismandoverall performanceofthegoggleareanalyzed.Itisanewtypedeviceconsistingoflaserilluminatorsystem,specialoptical systemandhighperformancelow-level?lightintensifier.Comparedwithotherdomesticgoggles,thisbinoculargoggle withtwoGenii+imagetubesisnotonlycomposedoftheimagetubes,theobjectivelens,theeyepieces,themechanical structureandtheelectricitysupplybutalsoassembledwithaninfrafightsourcebywhichtherangeofthegoggleCan begreatlyimproved.Inaddition,referringtothedataoftheoverseasgoggles'opticalsystem,oneofitsobjectivelens isdesignedtobenon-sphericallens.Basedonthesecharacteristics,thesensitivityofthesystemishighandtheimage observedisveryclear.Takingadvantageofit,wecancompletethemilitaryoperationunderanyatrociousweather conditions. Keywords:helmet:laserilluminator;intensifier;non-sphericallens 引言 我们所研制的头盔式双目激光助视/微光夜视仪,是一种主被合,的夜间观察系统, 在10-1,10一,可以 使用被动系统,以完成军事调动中的各项任务;在l0-2l】【以下,可以采用激光助视, 大大拓展在恶劣气候条件 下仪器的观察视距,以完成在恶劣气候条件下部队的调动.该仪器研制成功,可以 获得主被合一夜视系统的理 论分析依据,实验结果,为拓宽夜视仪器的应用方向提供依据. 1夜视仪的工作原理 被动夜视系统依赖于环境或目标的发光,使用成像设备拾取微弱信号,进行夜间监视.主动夜视系统则依 赖于系统自身的光源发出的非可见光来照明目标,成像设备拾取目标的反射光形成图象,达到监视的目的.这 里加入助视,即是采用自身携带的红外激光器灯,主动照明被探测的景物.这里夜视系统由光源,摄像机以及 物镜等组成,探照灯发射出的不夜视光源多采用连续工作的多模半导体激光器,这类激光器单色性好,高强度 收稿日期2004-06.17:修订日期:2004.10.28 19 第27卷第1期 2005年1月詹启海等:头盔式双目微光夜视仪研制 VoI.27No.1 Jan.2005 性好,体积小,便于携带,不会发生夜视光源经常出现的"红曝"现象,隐蔽性好.可见红外光被景物反射回 来,由夜视仪探调出来,并被转换成可见光图像,供人眼观察. 微光夜视仪能够在夜天微光下观察一公里左右的地面目标,空中目标的观察距离则更远些,并可以利用夜 视仪在弱光下阅读地图.它含有两大核心部件. 集光成像部件:物镜收集目标所反射的夜天微光,在像增强器的阴极面形成目标像.物镜和目镜组成视角 放大系统.夜天微光是指夜空照度低到不足以引起视刺激的光辐射."最黑"的夜天,天空仍然存在照度为 l0-4,l0—1x的夜天微光.主要分布在0.8,1.3gm光谱区. 波长转换与亮度增强部件:像增强器由封装在圆柱形真空管内的光阴极,电子透镜和可见光荧光屏三部分 组成.具有图像亮度增强和波长转换双重功能. 物镜将收集目标所反射的微弱可见光以及近红外光汇集到像增强器的阴极面上, 产生光电子,经过微通道 板产生更多的光电子,成像在荧光屏上.通过目镜可以观测到目标. 2设计 头盔式微光夜间驾驶仪设计为双管双目形 式,根据车辆驾驶使用的头盔式微光夜视仪的特 点和要求,结合理论研究,对夜视仪像增强器, 物镜,目镜,机械结构,激光助视系统,LED辅 助照明系统,电源,戴具等各部分进行了综合考 虑并设计,以得到最佳的总体效果.图1为头盔 式微光夜视仪的总体方案图. 2.1物镜 物镜组是整个仪器的关键部分,主要完成把 远距离的目标成像于像增强器的阴极面上,对头 盔式微光夜间驾驶仪,其物镜的长度和重量均影 响整个夜视眼镜的性能,因此,大视场,轻重量 的物镜设计是整个头盔式微光夜间驾驶仪研制的 关键技术之一.如果采用非球面设计的方法,可 以在保证像质的情况下,减少镜片的数量,以减 少物镜的重量和长度.这里采用非球面透镜和球 面透镜的混合设计,图2为设计的物镜的结构示 意图,其中物镜的第一面为非球面. 2.2像增强器 像增强器完成对微弱光信号的放大,倒像功 图1头盔式激光助视,微光夜间驾驶仪总体方案图 Fig.1Theoveralldesignscheme 1.物镜2.目镜3.电器盒4.本体5.激光助视器接口6.戴具接口 1.objectivelens2.eyepieces3.thewiringbox4.noumenon 5.theinterfaceofthelaserilluminator 6.theinterfaceofthemechanicalstructure 能,该器件的优劣直接影响仪器观察的远近,因此,我们采用DEP进口 的超二代像增强器,它具有两个显着的特点:一是自带光纤扭像器,这样 光学系统中就不需要专门的倒像装置,二是出射面为一球面.这对目镜来 讲,可以解决场曲的问题. 2.3目镜 目镜组完成对从像增强器出来的像进行观察.与单目相比,双目系统 不仅可使两眼处于同等亮度的环境,使两眼具有相对的舒适感,而且由于 两镜筒光轴间距可调,可获得观察图像的立体感,有助于发现和识别目标, 适于驾乘人员使用.由于该夜视仪是驾驶员使用,且仪器固定于驾驶员头 盔之上,要求目镜组的出瞳直径大,这样车辆颠簸时仍能保持良好的观察. 2.4激光助视系统 20 图2非球面物镜的结构图 Fig.2Thestructureoftheobjectivrlens 第27卷第1期 2005年1月 红外技术 InfraredTechnology ,,01.27No.1 Jal1.2005 为了使微光夜视仪在恶劣的气候下工作,使军事人员可以像白天一样看清武器瞄准具和目标以便进行射击, 采用了主被动合一的夜视仪一即是头盔式激光助栅微光夜视仪,用夜视眼镜观察目标,再用窄红外束探照灯照 射目标.该探照灯应具有极窄的张角,且其工作波段应与夜视眼镜的光谱波段相一致,故通常选择激光照射器 作为探照灯.激光助视系统应保证夜视仪在很低的照度下满足视距和性能要求,因 此应保证其有足够的发光强 度.在夜视仪中,和其它部件相比,激光二极管是最大的耗电部件,由于头盔式夜视仪主要的供电方式采用电 池供电,因此,激光二极管的发光效率是一个重要参数. 像增强器光电阴极的光谱响应与景物反射辐射光谱之间的匹配是一个不容忽视的重要参数,在激光助视系 统工作时,景物反射的辐射量中不仅包括夜天空的辐射,还有激光的辐射.在选择激光二极管的波长时,应兼 顾隐蔽性和像增强器的光谱响应匹配两个因素,根据光电阴极的光谱响应特性曲线,可以得到光谱灵敏度, 将其对最大值归一化,可得相对光谱灵敏度为: (=(1) 此时,光电阴极面接收的为夜天光和激光经过景物反射后的辐射,即: ?ppJ 式中:为景物反射辐射光谱分布; 为景物的光谱反射系数,随波长而变化; n为夜天光辐射光谱分布; 为激光辐射光谱分布; 将景物的反射辐射光谱分布coxX~其最大值‰归一化,则得其相对光谱分布为: =coa/o~(3) 由此,定义下式为光电阴极与景物反射辐射的光谱匹配系数: a(s,国())=(4) 考虑到以上因素,我们选择了中心波长为900nm的激光二极管. 2.5机械结构 研制的车辆驾驶夜视仪是一功能齐全,结构考虑较为完善的小巧型夜视装置,在选定了像增强器,物镜, 目镜及辅助光源的前提下,设计与制造适用的机械结构是充分实现夜视功能及良好可操作性的重要保证.它不 仅着仪器的总体外观,配置的合理性,操作的方便性,而且由于设计,及工 艺的不同,又直接关系到 整机的重量和体积.就工艺制造技术而言,该机械结构特点如下: 设置了单管LED,配合近距离光学聚焦,实现了极低照度下的近距离观察,为在驾驶室内观察仪表,看地 图以及检查车辆提供了方便; 设置了不可见波段激光器,为在极低照度下看清路况及前面目标提供了助视光源; 在仪器壳体内设置了强光保护电路,在突遇外界强光照射时能迅速自动关闭供电电路,有效地保护了像增 强器,而在关闭期间靠充电电容的放电维持观察,过后自动恢复; 具有翻转定位结构.戴具是头盔式夜视眼镜中的一个很关键的部件,设计时应重点考虑头部舒适性,并有 足够的牢固性.此外,在遭遇强光的情况下,夜视仪将不能正常工作,在戴具的机械结构设计中,应考虑应对 ,在戴具中加入反转机构,在夜视仪不能正常工作时,可以将夜视仪迅速上翻,转为裸眼观察. 综上所述,我们研制的头盔式双目微光夜视仪的主要性能指标如表l. 3结论 本文阐述了头盔式激光助视/微光夜视仪技术研究,研制的夜视仪以非球面物镜及助视功能为特色,以双管 高性能超二代像增强器为核心,参照了国外最新头盔微光夜视仪的光学系统数据,灵敏度高,图像清晰,并适 于头戴和手持两用,为我军夜间车辆驾驶及行动指挥提供了适用的微光观察器材,并提出了用激光助视或LED 2l 第27卷第1期 2005年1月詹启海等:头盔式双目微光夜视仪研制 ,,01.27No.1 Jan.2005 辅助照明,可以将微光成像系统的探测阈值延伸到10lx以下,从而可在不同的恶劣天气条件下观察,使激光 助视,微光夜视仪真正成为我军交通运输中的"杀手锏"装备. 表1头盔式双目微光夜视仪的主要性能Table1Theparametersofthegoggle 指标参数 放大倍率×1.0 视场?40. 分辨率0.65线对/mrad(10一lx,85%对比度) +4d 视度范围一5d, 重量<750g(不含戴具和电池) 耐冲击10g 工作温度一25?,+50? 存贮温度一3O?,+5O? 防水可耐雨淋 无助视星光下(1×10—3lx):识别人:>100m识别车:>150m LED助视:在极低照度下(<1×10—41x=可看清10m内的物体,可阅读地图 在极低照度下(<1×10一=,可借助激光照射观察.激光助视 : 识别人:100m识别车:150m 参考文献 【l1李蔚.微光夜视系统视距评估及其应用研究[DI.博士学位.南京理工大学,2001. 【2】方如章.夜视叠件呻【】.南京:华东工程学院.1980. [31向世明.倪国强.光电子成像嚣件原理【M】.北京:国防I/kh~版社,1999. 【4】伍明达.第二代微光象增强器的应用【J】.红外技术.1988,lO(4):20~22. 【5】谭新华,李敬岗.IXZ20/30W二代徽光像增强器的设计与研制【J】.红外技术.1994,l6(2):28~30. 作者简介:詹启海,男,1953年生,汉族,籍贯南京,职称工程师,从事工艺研究及科研实验工作.