第12章 夜视仪器的光学系统

第12章 夜视仪器的光学系统
如图12-3所示，当物镜的焦距为
f
¢
0
，相邻条纹中心对
物镜的张角为α，则在像面上一对相邻条纹中心的间
隔 2l = f0¢a ，于是每毫米内的线对数N为
11 N= =
2l f0¢a
(12-3)
将式(12-2)代入式(12-3)得
N = 1 = 0.82 1 ? D (lp/mm)
q = mf0ⅱ= mf0
(12-9)
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有时给出光电成像器件荧光屏上的分辨率m′(lp／mm)，由
于m=βm′，那么，仪器分辨角可表示为
q=
1 b mⅱf0
(rad)
或
q=
b34m3ⅱ8f0ⅱ=
206265 ? b mⅱf0
(12-10)
因为夜视仪器是供人眼观察的，所以，仪器的分辨角要同
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图12-10 夜视仪器中常见的几种目镜
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图12-11 夜视仪器的视场
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12.1.3
1. 夜视仪器的视场 仪器所能观察的空间范围称为视场，用视场角2ω表示。 在可见光望远镜中，位于物镜的焦平面上的分划板框是系统 的视场光阑，通过它来确定仪器的视场。夜视仪器的视场光 阑是光电阴极面的固定框，由图12-11显然有：
图12-4 匹兹伐型物镜
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图12-5所示的是一种改进的匹兹伐型物镜。
图12-5 改进的匹兹伐型物镜
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图12-6所示的也是一种匹兹伐物镜，省去了一块负场镜， 其相对孔径为1∶Leabharlann Baidu．64，视场2ω=6°
图12-6 省去负场镜的匹兹伐物镜
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(2) 双高斯型物镜的典型结构如图12-7所示。
图12-7 双高斯型物镜
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由于双高斯型物镜具有大相对孔径和大视场的特点，因 此它可以用作夜间驾驶仪的物镜。图12-8和图12-9是两个改 进的双高斯型物镜，都可用作夜间驾驶仪物镜。前者相对孔 径为1∶1.5，视场2ω=30°；后者相对孔径为1∶1，视场 2ω=50°。
w = tan- 1 Dc
2
f
¢
0
(12-5)
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2. 夜视仪器的放大率γ是像方半视场角的正切与物方半视 场角的正切之比，即
g = tan w tan w¢
由图12-12(a)有：
(12-6)
g=
ttaannwwⅱ=
-
hh12ⅱ// ff0eⅱ=
-
f0 fe
?hh12¢ⅱ
-
2) 视场2ω′ 夜视仪器中，目镜的视场由荧光屏的有效工作直径D和
目镜焦距 fe¢ 决定:
tan w¢= D 2 fe¢
3) 出瞳和出瞳距离 4) 工作距离
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2. 由于目镜的视场较大，因而影响其像质的主要像差是场 曲、像散，畸变和倍率色差等轴外像差，它们是设计目镜时 需要着重校正的。 3. 图12-10所示的几个目镜都是夜视仪器中已经应用的， 和可见光仪器的目镜相比，这些目镜的相对孔径都比较大。 图中各参量值都是根据它们在仪器中使用的实际情况给出的。
2) 折反射系统
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图12-8 改进的双高斯型物镜1
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图12-9 改进的双高斯型物镜2
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12.1.2 目镜
1．
1)
f
¢
e
目镜的放大率由其焦距决定:
me =
250 fe¢
夜视仪器的倍率为
g = f0¢b fe¢
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12.1 直视型光学系统 12.2 间视型光学系统
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各类夜视仪器的结构及工作原理可能有很大差异，但其 基本组成部分十分类似，如图12-1
图12-1 夜视仪器的基本组成
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12.1 直视型光学系统
图12-2 物像大小与物镜焦距的关系
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阴极面上的像高h′为
2) 相对孔径 3) 视场
hⅱ= f0 tan w
4) 物镜刚能够分清的两个最靠近的物点对物镜的张角称为
极限分辨角，用α表示。根据光的衍射理论，当物镜理想成
像时，其极限分辨角为
a = 1.22l (rad)
D
(12-2)
f0¢×1.2D2l
l f0¢
(12-4)
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图12-3 物镜的分辨率
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5) 物镜的像差 3． 夜视物镜的类型 1) 夜视仪器中常用的折射系统有匹兹伐型和双高斯型两种
(1) 匹兹伐(Petzval)型的典型结构如图12-4所示。
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f0?b fe
(12-7)
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同理，由图12-12(b)有:
g=
ttaannwwⅱ=
-
h4ⅱ/ h1 /
ff0eⅱ=
-
f0 fe
?hh14¢ⅱ
-
f
? 0b
fe
(12-8)
式中, b = h4ⅱh1 ,为三级级联管的总线放大率，因为
b=
hh14ⅱⅱ=
h4 h3
鬃hh23ⅱ¢ hh12?
S= n = n Nn
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2) 最小渐晕 3) 宽光谱范围的色差校正 4) 在低频下具有高的调制传递特性 2. 物镜的光学特性 1) 目标在光电阴极面上所成像的大小与物镜的焦距有关。 对于夜视仪器的物镜来说，目标可以认为是位于无限远，如 图12-2所示。
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而
hh43ⅱⅱ=
b
3
,
h3¢ h2
=
b
2
,
h2 h1?
=
b1
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图12-12 夜视仪器的放大率计算简图
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3. 分辨率 设光电成像器件阴极面的分辨率为m(lp／mm)，物镜焦 距为 f0¢(mm)，则仪器的分辨率θ为
1
q = (rad)
mf
¢
0
或
3438ⅱ 206265 ?
12.1.1 物镜
1. 1) 由应用光学知道，物镜像面中心处的照度为
E0=πLtτ0 sinu′
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对远距离目标，上式近似为
E0 =
p 4
Lt
t
0
骣 ççç桫Df0¢÷÷÷÷2
(12-1)
微光夜视系统的性能受到光子噪声的限制，因为光子噪 声与进入系统的光子数的平方根成正比，即受纯光子噪声限 制的信噪比与系统所捕获的光子数的平方根成正比：