长出瞳距军用瞄准镜目镜设计

第４２卷第１Ｏ期　２０１５年１０月　光电工程　Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　、，ｏ１．４２．Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２０ｌ５　文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１５）１０—００３３—０４　长出瞳距军用瞄准镜目镜设计　李玉瑶，张婉怡　（长春理工大学光电信息学院，长春１３００１２）　摘要：为了满足军用瞄准镜使用中需要配备护眼罩和防毒面具等的要求，需要目镜光学系统的出瞳距离较长。分　析了长出瞳距目镜的光学特性与像差特点，提出了正、正、负三镜组的结构型式。根据像差理论，采用解析法推　导了光焦度分配公式。利用光学设计软件ＺＥＭＡＸ设计了长出瞳距目镜，系统焦距为２０ｍｍ，出瞳直径为５ｍｍ，　视场角为４０。，出瞳距离为４０　ｍｍ，相对镜目距为２。设计结果表明，采用该方法设计的目镜在４０　ｌｐ／ｍｍ处各个　视场的传递函数均在０．２以上，满足目视光学仪器的使用要求。　关键词：光学设计；像差理论；目镜；出瞳距离；ＺＥＭＡＸ　中图分类号：０４３９　文献标志码：Ａ　ｄｏ　ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０１Ｘ．２０１５．１０．００６　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｙｅｐｉｅｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｌｏｎｇ　Ｅｘｉｔ　Ｐｕｐｉｌ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｓｉｇｈｔｉｎｇ　Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　ＬＩＹｕｙａｏ，ＺＨＡＮＧＷａｎｙｉ　（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｅａｒ　ｅｙｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｍａｓｋ　ｗｈｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｓｉｇｈｒｉｎｇ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ，ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｙｅｐｉｅｃｅ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ￣Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅｙｅｐｉｅｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ，ｐｏｓｉｔｉｖｅ，ａｎｄ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｔｈｒｅｅ　ｌｅｎｓ　ｇｒｏｕｐｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｗａｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｅｙｅｐｉｅｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＺＥＭＡＸ，ｔｈｅ　ｆｏｃａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｗａｓ　２０　ｍｍ，ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｗａｓ　５　ｍｍ，ｖｉｅｗ　ａｎｇｌｅ　ｗａｓ　４０。，ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｗａｓ　４０　ｍｍ，　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｅｙｅ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｗａｓ　２．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＭＴＦ　ｏｆ　ｅｖｅｒｙ　ｆｉｅｌｄ　ａｂｏｖｅ　０．２　ｉｎ　４０　ｌｐ／ｍｍ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆｖｉｓｕａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ；ｅｙｅｐｉｅｃｅ；ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ；ＺＥＭＡＸ　０　引　言　对于军用瞄准镜望远系统，为了防止射击时撞击头部，需要配备眼罩和护额以保证射击手的人身安全；　为了避免炮弹烟雾对射击手的伤害，需要佩戴防毒面具，因此要求目镜的出瞳距离足够大Ｌｌ弓Ｊ。出瞳距离是　目镜的主要光学特性之一，一般的长出瞳距目镜出瞳距离为２０￣２５　ｒｎｎｌ，远达不到军用目视光学系统的使　用要求。因此，研究长出瞳距目镜的设计具有重要意义。　国内外对长出瞳距目镜的研究较少，　Ｋａｌｌ６研究了由三组元薄透镜组构成的长出瞳距目镜的初始结构　和像差校正　Ｊ；林银森提出了等晕代数法用于三组元长出瞳距目镜的初始结构求解及像差设计［５】；闫雪纯　等人在实用新型专利中介绍了长出瞳距离及长工作距离目镜的设计　Ｊ。但是，根据以上方法设计得到的相　收稿日期：２０１５－０１—１９ｌ收到修改稿日期：２０１５－０４－１６　基金项目：吉林省高校“十一五”科研规划项［￣（２０１０４９４）　作者简介：￣Ｎｉ（１９８２一），女（汉族），吉林松原人。讲师，博士研究生，主要研究工作光学设计与光学仪器等方面。Ｅ－ｍａｉｌ：１７６７５１１７７＠ｑｑ．ｃｏｍ。　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄｇｃ．ａｃ．ｃｒｌ　３４　光电工程　２０１５年１Ｏ月　对镜目距很难大于１，仍然不满足使用要求。　本文研究了长出瞳距目镜的像差特性，根据几何光学理论计算了初始结构，基于像差理论，应用光学　设计软件ＺＥＭＡＸ设计了小体积，高像质的长出瞳距目镜，用于军用炮瞄镜或枪瞄镜等瞄准镜系统中标通过望远系统成像，人眼在出瞳位置进行观察和瞄准。　，目　１结构型式分析　目镜具有小孔径、大视场的光学特性，因此其设计难点在于轴外像差的平衡　’－引。由于目镜是倒置光路　设计，要求其入瞳在系统外部，这就增加了像差平衡难度。对于长出瞳距目镜而言，其主光线在系统中的　投射高度很大，造成严重的轴外非对称性像差。为了解决这一问题，采用正、正、负透镜组的结构型式，　降低了入射光线的高度，减轻了偏角的负担，避免产生较大的高级像差，同时，对一定的焦距而言，由于　物方主平面Ｈ前移，使出瞳距离增大，并有利于场曲的校正　。第二组正透镜和第三组负透镜均采用双胶　合的结构型式，有利于校正色差和出瞳中心的光阑球差，其结构型式如图１所示。　ｕ，　／　ｆ　’　ｌ　／　、　士—／　　，二≥一　＿／／　—　～、　～　一一　／，／　一，一一一ｒ／　一一一一一一一一一　一　／　Ｔ　、　／　、；　＼　图１结构型式图　、ｆ　＼　Ｆｉｇ．１　Ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｔｙｐｅ　２长出瞳距目镜的优化设计　２．１技术要求　目镜焦距：２０ｍｍ；出瞳直径：５ｍｍ；视场角：２ｃｏ＝４０。；出瞳距离：４０ｍｌｎ。　２．２解析法求解光焦度分配　对于目镜的设计主要校正彗差、像散、场曲、畸变以及倍率色差等五种轴外像差［ｍ］。其中，场曲和倍　率色差可以通过合理的光焦度分配得到校正；彗差和像散的校正可以根据等晕成像原理，通过构造同心面，　使主光线与系统中某些折射面的法线重合；畸变一般不影响观察和瞄准，无需特地校正。　为了简化光焦度的分配过程，首先设第一正组与第二正组为组合镜组，其光焦度为　ｌ２，第三负组光焦　度为　，两者问空气间隔为ｄ，目镜系统总光焦度为　，工作距离为，，Ｆ，则　：＝　伤＝　（１）　已知组合透镜组和第三负组选用玻璃材料的阿贝数分别为）Ｊｌ２和７３，为了满足消倍率色差条件，则有：　＝　，　出瞳距离可以表示为　‘ｌｐｌ：：—ｄｉｐ３－—１　（４）　在保证组合透镜组光焦度　１２的前提下，将其分裂为第一正组和第二正组，其光焦度分别为　ｌ和　２，　两镜组间的空气间隔为ｄｌ。第一正组采用平凸透镜，为了满足等晕成像，其凸面的球心指向入瞳中心。设　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄｇｃ．ａｃ。ｃｎ　３６　光电工程　２０１５年１０月　４结论　根据像差理论，结合长出瞳距目镜的光学特性与像差特点，推导了正、正、负三镜组的光焦度分配公　式，设计了焦距为２０　ＩＴｌｒｎ、出瞳直径为５　ｍｍ、视场角为２ｃｏ＝４０。、出瞳距离为４０　ｍｍ的长出瞳距目镜。设　计结果表明，采用本方法设计的长出瞳距目镜结构简单，像质优良，满足军用瞄准镜的使用要求。　参考文献：　【１】　李丽，王兴宾，张Ｙ－－Ｉ￣．基于纹理特征的“猫眼”效应目标识别方法【Ｊ］．光子学报，２０１４，４３（２）：０２１０００１一卜０２１０００１．１１．　ＬＩ　Ｌｉ，ＷＡＮＧ　Ｘｉｎｇｂｉｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉｇｕｏ．Ａｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ“Ｃａｔ—ｅｙｅ”ｅｆｆｅｃｔ　ｔａｒｇｅｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ　Ｓｉｎｉｅａ，２０１４，４３（２）：０２１０００１—１—０２１０００１—１１．　【２】　陈强，周丈哲，任鹏辉，等．某坦克炮长镜光学系统装调技术【Ｊ］．应用光学，２０１３，３４（２）：２３５—２３８．　ＣＨＥＮ　Ｑｉａｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｗｅｎｚｈｅ，ＲＥＮ　Ｐｅｎｇｈｕｉ，ｅｔ　ａ１．Ａｓｓｅｍｂｌｙ　ａｎｄ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔａｎｋ　ｇｕｎｎｅｒ’Ｓ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｉｇｈｔ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，２０１３，３４（２）：２３５—２３８．　【３］　范华春，曹晖，郭金龙，等．新型火控观瞄系统的设计与实现［Ｊ］．火力与指挥控制，２０１０，３５（１１）：１７７—１８０．　ＦＡＮ　Ｈｕａｃｈｕｎ，ＣＡＯ　Ｈｕｉ，ＧＵＯ　Ｊｉｎｌｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆａ　ｎｅｗ　ｓｉｇｈｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＦＣＳ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　＆Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３５（１１１：１７７—１８０．　【４】Ｒａｌｌ６　Ｉｎｖｅｓｔｉｇｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｏｃｕｌａｒｓ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｈａｓｅ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｋ　（Ｓ００３０—４０２６），１９８０，５７（３）：４５—５２．　［５】林银森．长出瞳距目镜的等晕代数法及其编程设计［Ｊ］．武汉测绘科技大学学报，１９８９，１４（３）：８７—９４．　Ｌ１Ｎ　Ｙｉｎｓｅｎ．Ｔｈｅ　ａｌｇｅｂｒａｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｓｏｐｌａｎａｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｏｃｕｌｒ　ａｗｉｈ　ｔｌｏｎｇ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＷｕｈａｎ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，１９８９，１４（３）：８７—９４．　［６］　闫雪纯，张晓慧，魏书贵．长出瞳距离及长工作距离目镜：中国，２００７２０３１０４２５．８［Ｐ】．２００８—１０—０１．　ＹＡＮ　Ｘｕｅｃｈｔｍ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏｈｕｉ，ＷＥ１　Ｓｈｕｇｕｉ．Ｅｙｅｐｉｅｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ　ｗｏｒｄｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ：Ｃｈｉｎａ，　２００７２０３１０４２５．８［Ｐ］．２００８—１０—０１．　［７７］　ＨＥ　Ｚｏｎｇｐｉｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｗｅｎｃａｉ，ＨＡＯ　Ｐｅｉｍｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ａ　ｔｗｏ—ｌｅｎｓ　ｎｕｌｌ　ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ［Ｊ　Ｊ］Ａｅｔａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ（Ｓ１００４—４２１３），２００４，３３（３）：３４６—３４９．　［８】穆永吉，毛一江，胡明勇．一种离轴抛物面镜像差校正镜组的设计［Ｊ］．光学学报，２０１４，３４（６）：０６２２００４一卜０６２２００４－６．　ＭＵ　Ｙｏｎｇ￣ｉ，ＭＡＯ　Ｙｉｊｉａｎｇ，ＨＵ　Ｍｉｎｇｙｏｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ｏｆｆ－ａｘｉｓ　ｐａｒａｈｏｌｏｉｄ［Ｊ】．Ａｅｔａ　Ｏｐｔｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１４，３４（６）：０６２２００４一卜０６２２００４—６．　［９　周凤利，徐丹吻．平视显示器视差自动测量技术研究［９］Ｊ】．光电工程，２０１２，３８（８）：１３５—１４０．　ＺＨＯＵ　Ｆｅｎｇｌｉ，ＸＵ　Ｄａｎｙａｎｇ．Ａｕｔｏ－ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆｔｈｅ　ＨＵＤ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐａｒａｌｌａｘ［Ｊ］．Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，　３８（８）：１３５—１４０．　［１　０】ＬＩＵ　Ｈｕａ，ＺＨＥＮ　Ｗｕｌｕ，ＪＩＮ　Ｙｉｎｇｙｕｅ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｄｉｆｒａｃｔｉｖｅ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ（Ｓ１０９４－４０８７），２００８，１６（２０）：１６１９５—１６２０１．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ。ｇｄｇｃ．ａｃ。ｃｒｌ