世界范围内爆发的多场局部军事冲突均选择在夜间发生。夜战具有隐蔽性高、可降低敌方观察和射击精度等优势。微光夜视技术可使作战人员在夜间或低照度环境下观察到微弱的光照信息，并将其转换为人眼可见的图像。这使得作战人员能够在夜间保持较高的视觉能力，更准确地识别目标、判断环境威胁。该技术无需主动照明光源，具有隐蔽性好、图像清晰的优点，是现代化武器夜视装备的支撑技术之一，对于掌控以夜间战争为特点的现代化战争局势至关重要^[1]。

在全球范围内，尤其在科技发达国家，如美国、英国、法国、德国、荷兰、俄罗斯等，凭借先进的研发能力和生产技术，持续推动微光夜视技术的创新和发展。其中，以美国为首的微光夜视装备技术水平在世界上一直处于领先地位^[2]，其装备已配备三代、四代技术。受国外的技术封锁，国内的微光夜视技术起步较晚，目前主要采用二代或超二代像增强器。近年来，中国的微光夜视技术已经取得了显著的进步。

微光夜视系统包括物镜（成像镜头）、像增强器、目镜这3部分。系统的原理是：首先，成像镜头收集环境中的微弱光线，聚焦形成一个微弱的图像；随后，该图像进入像增强器，像增强器对目标物体进行光电转换和电信号倍增后再打到荧光屏上转化为可见光图像；最终，观察者通过目镜可以观察到增强后的可见光图像^[3-4]，如图1所示。

成像镜头是微光夜视系统的重要组成部件^[5]，国内微光夜视成像镜头的F数普遍在1.2～1.4之间，本文设计研究的微光夜视镜头F数可达0.9。F数越小，意味着镜头拥有更大的通光孔径，这在夜间或微光环境下尤为重要，能够捕捉并汇聚更多的光线，显著提升图像的明亮度和清晰度，即便在最暗淡的条件下也能捕捉到细腻入微的画面细节。另外，镜头成像分辨率也与F数密切相关，F数越小，相对孔径越大，分辨率越高。微光夜视头盔成像光学系统的设计研究具有重要意义。

1 光学系统设计 1.1 设计指标

在可见光/微光条件下，环境本身就具有照度高，色彩还原度高，细节明显等特点，所以成像物镜在此环境下的分辨能力也就越高，而在红外条件下分辨能力较低^[6-7]。夜间环境条件下，除可见光之外，还包含丰富的近红外辐射^[8-9]。为实现全天候工作，本文选择工作波段为400 ～1000 nm的微光夜视成像光学系统，设计指标如表1所示。

1.2 材料选择

相比传统的玻璃材料，塑料光学元件可通过模压工艺制备非球面结构，且具备成本低、重量轻、耐冲击、性能佳的优点^[10]。这些特点使其在制造高精度、高性能的光学产品时，成为很好的选择。本文将玻璃光学元件和塑料光学元件融合，兼具了成本低、可批量化生产、成像性能佳的优势。成像镜头设计选择使用的光学材料如表2所示。

1.3 初始结构选取

初始结构主要有两种方法被广泛采用^[11]，第一种是PW法，此方法不仅与镜片的半径R、中心厚度d和折射率n等结构参数有关，而且还与焦距 f、视场角等系统外部参数有关。第二种是常用的缩放法，本文选用的初始结构来源于中国专利ZL202011618440，F数为1.3，光学畸变小于2.8%，相对照度大于40%。

本文采用缩放法，经缩放的成像镜头初始结构图如图2所示。此结构忽略实际约束公差、加工难度、成本等复杂性问题，还需进一步优化。

1.4 优化设计

本设计选取的初始结构由9片镜片组成，其中包括两片胶合片，系统的焦距为50 mm，F数为1.4。首先优化相对孔径，其次考虑调整视场角，而焦距的调整则可作为最后的优化选项^[12]。

（1）先将系统按焦距缩放使焦距达到指标要求22 mm，并将保护玻璃按参数要求添加至系统中，逐步改善边缘视场的渐晕，确保光学系统的整体结构不会发生显著的变动。接着将数据编辑器中的曲率半径、厚度设为变量、添加评价函数并给定各操作数恰当的权重进行优化。然而，优化后的结果显示F值未达要求。

（2）为了使系统达到指标要求的F值，并且在优化迭代过程中也需使各像质指标平衡，非球面透镜有消除球差、彗差、像散、视场畸变等像差的优点^[13]，则考虑非球面的使用。首先将非胶合片的第2片、第7片和第8片改为偶次非球面进行优化。其次，低成本的光学材料能够有效降低产品的制造成本，而塑料非球面具有质量轻、像差小、成型自由度高等优点^[14]。最终将第7片和第8片玻璃材料改为塑料非球面。

（3）要达到成像质量的清晰度、大通光和低成本，通过反复对光学系统进行调整，最终将第9片也改为塑料非球面。添加必要的操作数，优化过程中适当调整权重，注意透镜的边缘厚度和中心厚度确定的工艺性。最终迭代优化平衡性能与工程约束（如温度稳定性、装配公差、材料可用性），得到了一个性能较为理想、结构较为紧凑的光学系统，各项指标均满足设计要求，成像质量显著提升。

2 设计结果分析

经过优化调整，最终设计结果如图3所示，该微光夜视头盔成像镜头焦距为22 mm，视场角为40°，F数为0.9，光学总长小于36 mm。

2.1 光学性能指标分析

根据成像传感器的奈奎斯特采样定理，系统的极限空间频率（即奈奎斯特频率 f）

$ f=\frac{1}{2\times\mathit{P}} $

(1)

式中，P表示像元大小。本文设计镜头的奈奎斯特频率为$ f=1/(2\times9.5)\approx53\; \mathrm{l}\mathrm{p}/\mathrm{m}\mathrm{m} $。图4为该系统的MTF曲线图，模拟结果显示：在53 lp/mm空间频率下，全视场（1.0 field）的MTF值均大于0.33，0.707视场的MTF值大于0.4，成像质量良好，符合设计要求。

图5为系统的点列图，由图可知，全视场均方根光斑半径均小于9.5 µm，在像元尺寸范围内，能量集中度高。图6为系统的场曲和畸变图，场曲小于0.1 mm，畸变小于2%。

2.2 杂散光分析

利用ASAP光学软件，模拟光源绕镜头旋转，使其覆盖所需视场范围，模拟选择3个方位：20°、0°和40°。光源与镜头角度从0°转到20°有效视场范围内，在探测器上无眩光现象，如图7（a）～（b）所示；当光源旋转至40°，探测器上无“拖影”现象，如图7（c）所示。

2.3 公差分析

光学元件的设计和制造过程中，为了满足后续的零件加工和装调需要对光学零件和对应的结构件分配一定的公差^[15-17]，确保最终产品能够满足设计要求。在公差编辑器中对表面公差、元件公差和折射率公差输入不同的加工精度进行分析^[18-19]。由公差分析可得，第3、4透镜的胶合片偏心，以及第8片塑料非球面透镜两表面倾斜，对成像性能相对敏感，加工生产时需特别管控。本设计的公差允许范围如表3所示。

最后用蒙特卡罗公差分析最终批量生产的良率。由蒙特卡罗分析可得，该镜头80%以上的蒙特卡罗样本MTF大于等于0.30978，如表4所示。

3 镜头的试制与测试 3.1 像质评价

图8为本设计的实物图，对产品进行分辨率测试，将ISO12233 Chart置于灯箱中，调节拍照系统的位置，保证其光轴与ISO12233 Chart平面垂直，且使ISO12233 Chart 4∶3的区域正好落在摄像头的预览画面，如图9所示。该镜头Sensor是1.3 M，根据测试标准1.3 M像素在中心区域要求600线对，边缘区域要求500线对。在600 lux照度环境下，该镜头中心分辨率大概在620线对，边缘分辨率大概在515线对，误差范围允许50～100线对，测试结果达到测试要求^[20]。

3.2 MTF测量

图10为镜头的MTF实测结果，空间频率50 lp/mm时，MTF大于0.3，与理论设计较为一致。

3.3 杂散光测试

杂散光的形成分为光学部分和结构部分，设计模拟分析阶段，光学部分模拟时未出现杂散光，在产品实际应用时为防止结构件的反射导致杂散光的出现，所以在加工阶段会对元件进行涂墨处理以达到抑制杂散光的效果^[21]。在该镜头的有效视场范围内（全视场40°），实物拍摄与模拟结果一致都无“鬼像”产生，测试结果如图11所示。

再利用积分球测试成像镜头的VGI数值（杂散光系数），基于ISO 9358标准，用于镜头对目标白斑及黑斑检测拍摄，测试计算白斑及黑斑对比情况，数量化分析镜头杂散光的情况。杂散光系数计算公式为黑场灰阶值/白场灰阶值。图12为镜头杂散光系数测试，测试的白场灰阶数值为3344.81，黑场灰阶数值为21.88，即该成像镜头的杂散光系数为0.65%，小于2%的标准，表明成像镜头的杂散光性能良好。

4 结　论

本文设计研制的微光夜视头盔成像镜头具有F数小，通光孔径大、分辨率高的优点，为夜间及微光环境下的高质量拍摄提供了技术途径。运用非球面光学技术，成功实现了微光夜视头盔成像镜头像质的提升与成本的降低。像质评价、图像模拟以及公差分析等评估表明，该成像镜头符合技术指标要求，并且具备良好的制造工艺性。此外，基于公差分析结果，提出了在生产过程中需要重点管控的关键因素，以确保产品质量的稳定与可靠。本文研制的微光夜视头盔成像镜头有望在夜间及微光环境下的安防监控及低空经济领域获得推广应用。