一种超轻型数字化瞄具光学系统
阅读说明：本技术 一种超轻型数字化瞄具光学系统 (Ultra-light digital sighting device optical system ) 是由 陈静 黄天智 胡春松 李继泉 龙炎 黄泽菁 张凯荣 姜立伟 任松林 周厚友 谭祖 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超轻型数字化瞄具光学系统,采用物镜组、CMOS图像传感器、OLED显示器、以及目镜组的组织架构,所述物镜组包括物镜第一透镜、物镜第二透镜、物镜第三透镜和物镜第四透镜；所述物镜第三透镜为非球面元件,物镜第三透镜的第1面为球面,第2面为非球面；所述目镜组包括目镜第一透镜和目镜第二透镜,所述目镜第二透镜的两个面均为非球面；所述物镜第一透镜的前表面及目镜第二透镜的后表面镀制导电膜,光学件的其余表面均镀制增透膜。本发明光学系统中的物镜组和目镜组采用非球面设计,实现轻量化,提高瞄具的零位稳定性。(The invention discloses an ultra-light digital sighting device optical system which adopts an organization framework of an objective lens group, a CMOS image sensor, an OLED display and an objective lens group, wherein the objective lens group comprises an objective lens first lens, an objective lens second lens, an objective lens third lens and an objective lens fourth lens; the third lens of the objective lens is an aspheric element, the 1 st surface of the third lens of the objective lens is a spherical surface, and the 2 nd surface is an aspheric surface; the eyepiece group comprises an eyepiece first lens and an eyepiece second lens, and two surfaces of the eyepiece second lens are aspheric surfaces; and conductive films are plated on the front surface of the first lens of the objective lens and the rear surface of the second lens of the eyepiece lens, and antireflection films are plated on the other surfaces of the optical piece. The objective lens group and the eyepiece lens group in the optical system are designed by aspheric surfaces, so that the light weight is realized, and the zero position stability of the sighting telescope is improved.)
技术领域
本发明专利属于光学仪器技术领域，具体涉及一种超轻型数字化瞄具的光学系统。
背景技术
数字化瞄具是一款集中了光学、电子、软件等技术于一体的观瞄装备。随着科学研究的发展和军事技术需求的增加，对应用于军用观瞄光电系统提出了越来越高的要求。然而现有的瞄具系统结构复杂，体积大，重量高，并且出瞳距离较短，一般为20～30mm，不宜于观察者快速搜索、识别目标，已经不能满足使用要求。
发明内容
为了克服现有瞄具系统的不足，本发明的目的是提供一种超轻型数字化瞄具光学系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组、CMOS图像传感器、OLED显示器、以及目镜组的组织架构，其特征在于，所述物镜组包括物镜第一透镜1、物镜第二透镜2、物镜第三透镜3和物镜第四透镜4；所述物镜第三透镜3为非球面元件，物镜第三透镜3的第1面为球面，曲率半径为21.78，第2面为非球面；所述目镜组包括目镜第一透镜7和目镜第二透镜8，所述目镜第二透镜8的两个面均为非球面；所述物镜第一透镜1的前表面及目镜第二透镜8的后表面镀制导电膜，光学件的其余表面均镀制增透膜。
进一步地，所述物镜组的光学参数如下：焦距为86mm，视场不小于8.8°×6.6°，F#为1.2，光学总长125mm，重量不大于200g；所述目镜组的光学参数如下：焦距为22.5mm，出瞳直径不小于5mm，出瞳距离不小于为60mm，光学总长为33.9mm，重量不大于50g。
进一步地，所述物镜第一透镜1的曲率半径分别为73.68及430.42，中心厚为10.1mm，材料为冕牌玻璃，光焦度为正。
进一步地，所述物镜第二透镜2为胶合元件，曲率半径分别为37.39、-102.75及76.22，中心厚分别为10.3mm及1.3mm，材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃，光焦度为正和负。
进一步地，所述物镜第三透镜3的第2面的非球面参数为：R=-98.62、k=0.7196573、A=7.486403E-008、B=-3.5854772E-012、C=4.2791589E-016、D=1.6011961E-019；中心厚为7mm,材料为D-ZK3,光焦度为正。
进一步地，所述物镜第四透镜4为双凹透镜，曲率半径分别为-21.54及31.98，中心厚为2mm，材料为火石玻璃，光焦度为负。
进一步地，所述物镜组中各光学元件之间的间隔分别为44.45mm、39.64mm和3.88mm，后截距为6.33mm。
进一步地，所述目镜第一透镜7为胶合元件，曲率半径分别为-177.07、-18.19及-46.43，中心厚分别为9mm及2.5mm，材料均为火石玻璃，光焦度为正和负。
进一步地，所述目镜第二透镜8的第1面的非球面参数为：R=143.35、k=6.736111、A=-1.1315436E-005、B=2.4497096E-009、C=-3.5379367E-011、D=1.6043689E-013；所述目镜第二透镜8的第2面的非球面参数为：R=-27.9、k=0、A=-1.0249345E-005、B=1.9606188E-009、C=2.0532369E-011、D=7.811632E-014；中心厚为9.5mm,材料为石英,光焦度为正。
进一步地，所述目镜组中各光学元件之间的间隔分别为0.5mm，后截距为14mm。
所述CMOS图像传感器感光面尺寸为1吋，像素数1024×768，像元大小13μm×13μm，同时也适用于800×[email protected]μm、1280×[email protected]μm、800×[email protected]μm、1920×[email protected]μm等不同规格的CMOS传感器。
所述OLED显示器感光面尺寸为0.71吋，像素数1440×1080，像元大小8.24μm×8.24μm，也可适用于0.61吋，像素数为800×600，像元大小为15μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
（1）物镜组采用非球面设计，与传统玻璃球面系统来比，其重量可减少75%，实现轻量化，提高瞄具的零位稳定性。
（2）目镜组采用单-双结构，选择高折射低色散的玻璃材料，并引入非球面，实现放大倍率11倍，出瞳距离不小于60mm，出瞳直径不小于5mm。
（3）数字化瞄具可通用于多款CMOS图像传感器和OLED显示器，适配性强。
（4）光学系统尺寸布局及公差合理，单个光学零件公差冗余较大，光学零件间的间隔允差均达到了±0.1mm，有利于光学零件的大批量生产和瞄具的结构设计与总体布局。
附图说明
图1是本发明数字化瞄具光学系统示意图；
图2是本发明物镜组光学系统MTF曲线；
图3是本发明物镜组光学系统弥散斑分布图；
图4是本发明物镜光学系统像散畸变曲线；
图5是本发明目镜组光学系统MTF曲线；
图6是本发明目镜组光学系统弥散斑分布图；
图7是本发明目镜光学系统像散畸变曲线；
图1中的标记为：1、物镜第一透镜，2、物镜第二透镜，3、物镜第三透镜，4、物镜第四透镜，5、CMOS图像传感器，6、OLED显示器，7、目镜第一透镜，8、目镜第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作以下具体的详细说明。
如图1所示，本实施例的一种超轻型数字化瞄具光学系统，采用物镜组+CMOS图像传感器+OLED显示器+目镜组的组织架构，技术设计成熟可靠，景物通过物镜组生成的光学图像投射到CMOS图像传感器上，通过图像处理板进行视频生成及处理后传递给OLED显示器，然后通过OLED显示器显示成像，人眼再通过目镜组进行观察。
本实施例中，物镜组包括物镜第一透镜1、物镜第二透镜2、物镜第三透镜3、物镜第四透镜4；
物镜第一透镜1的曲率半径分别为73.68及430.42，中心厚为10.1mm，材料为冕牌玻璃，光焦度为正；
物镜第二透镜2为胶合元件，曲率半径分别为37.39、-102.75及76.22，中心厚分别为10.3mm及1.3mm，材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃，光焦度为正和负；
物镜第三透镜3为非球面元件，第1面为球面，曲率半径为21.78；第2面为非球面，其非球面参数为：R=-98.62、k=0.7196573、A=7.486403E-008、B=-3.5854772E-012、C=4.2791589E-016、D=1.6011961E-019；中心厚为7mm,材料为D-ZK3,光焦度为正；
物镜第四透镜4为双凹透镜，曲率半径分别为-21.54及31.98，中心厚为2mm，材料为火石玻璃，光焦度为负。
物镜组中各光学元件之间的间隔分别为44.45mm、39.64mm和3.88mm，后截距为6.33mm；物镜光学系统公差分析后，物镜组成像质量较好，透镜加工工艺好，光学元件布置合理，光学间隔允差±0.1mm，有利于物镜结构的设计。
CMOS图像传感器感光面尺寸为1吋，像素数1024×768，像元大小13μm×13μm，同时也适用于800×[email protected]μm、1280×[email protected]μm、800×[email protected]μm、1920×[email protected]μm等不同规格的CMOS传感器。
物镜组通过引入非球面，在校正像差的同时实现结构简化、尺寸微化，与采用传统玻璃球面系统相比，物镜组的重量可减少75%。同时采用1吋的大靶面成像器件，极大地增大镜头的视场，提高搜索、识别目标的能力。物镜组的光学参数如下：焦距为86mm，视场不小于8.8°×6.6°，F#为1.2，光学总长125mm，重量不大于200g。
本实施例中，目镜组包括目镜第一透镜7、目镜第二透镜8；
目镜第一透镜7为胶合元件，曲率半径分别为-177.07、-18.19及-46.43，中心厚分别为9mm及2.5mm，材料均为火石玻璃，光焦度为正和负；
目镜第二透镜8的两个面均为非球面，第1面的非球面参数为：R=143.35、k=6.736111、A=-1.1315436E-005、B=2.4497096E-009、C=-3.5379367E-011、D=1.6043689E-013；第2面的非球面参数为：R=-27.9、k=0、A=-1.0249345E-005、B=1.9606188E-009、C=2.0532369E-011、D=7.811632E-014；中心厚为9.5mm,材料为石英,光焦度为正；
目镜组中各光学元件之间的间隔分别为0.5mm，后截距为14mm；目镜光学系统公差分析后，目镜组成像质量较好，没有敏感尺寸，透镜加工工艺好。
OLED显示器感光面尺寸为0.71吋，像素数1440×1080，像元大小8.24μm×8.24μm，也可适用于0.61吋，像素数为800×600，像元大小为15μm。
目镜组采用单-双结构，通过增加非球面透镜，在提高目镜光学系统成像质量的同时，极大地增加了目镜的出瞳距离及出瞳直径，防止射击时目镜撞到头部，可安装加戴防毒面具的仪器，提高光学系统的稳定性和实用性。目镜组的光学参数如下：焦距为22.5mm，出瞳直径不小于5mm，出瞳距离不小于为60mm，光学总长为33.9mm，重量不大于50g。
本实施例中，物镜第一透镜1的前表面及目镜第二透镜8后表面镀制导电膜，以作为电磁屏蔽，镀制的膜层透过率为95%。同时为了保证系统具有较大的通光量，光学件其余表面均镀制增透膜，保证在400nm～1100nm的宽光谱范围内透过率达到99%，可使物镜组和目镜组的透过率均可达到88%以上，有利于提高可疑目标的识别距离，尤其是在夜间低照度复杂环境下的可大幅提升可疑目标的识别距离。
光学系统成像质量主要依靠MTF、点列图、像散畸变和相对照度来评价。图2、图3、图4分别表示物镜组的成像质量，图５、图6、图7分别表示目镜组的成像质量。从各图中可以看出，本发明光学系统成像质量良好，像质基本达到衍射极限，结构紧凑，体积小，工程可实现性强，具有实际应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。
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