专利名称：改进的双目镜观察装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于观察远处物体的光学装置，并尤其涉及高分辨率的紧凑型双目镜。
背景技术：
用于观察物体的放大图像的光学装置有许多形式，诸如双目镜、望远镜和显微镜。 双目显微镜设计追溯到17世纪，但仅从由Ignatio Porro在1854年发明的现代棱镜双目望远镜，双目镜装置才能开始组合高放大倍率、高分辨率和紧凑尺寸的各种所期望的特征。 尽管许多设计开发已优化了这些特征的各方面，但所有都涉及功能上的协调，由此紧凑的尺寸仅能通过牺牲高分辨率、高放大倍率和在低光条件下观察物体的能力来实现。这些设计限制是源于出射光瞳直径通常由双目镜的光学观察系统的放大倍率除以物镜透镜单元的直径所确定。为了保持双目镜尺寸紧凑，物镜透镜单元必须具有相对较小的直径，但这限制分辨率和实际放大倍率。分辨率和放大倍率的降低的水平是不期望的， 这是因为双目镜的目的是通过较高的放大倍率来看清楚远处物体的细节。尽管可以设计具有较小物镜(例如，20毫米或更小)和较高的理论放大倍率(例如，高于IOX放大率)的透镜系统，但所得系统会具有小于2毫米的出射光瞳，这在本领域中已知为对于所有光学仪器的一种设计限制。低于2毫米的出射光瞳尺寸将具有由于衍射、暗光和低对比度而降低的性能。这种系统通常被认为是具有“空的”放大倍率，这是因为当分辨率超过人类眼睛的分辨能力时(这种分辨率出于本发明的目的将被定义成120弧秒)，观察者无法从更高的分辨率中获益。因此，在出射光瞳的尺寸和提供给使用者的放大倍率的量之间作出了妥协。这种设计妥协从通常可获得的双目镜装置的调查中清楚可知在固定的IOX放大率下，且超过最小物镜直径为至少21毫米，且具有更高的放大倍率的装置具有明显更大的物镜直径。例如，典型的12X放大率的高分辨率双目镜具有至少32毫米的物镜直径，以实现足够的分辨率和低光观察能力。由于这些装置的物镜的较大直径，它们太大而不能被认为是紧凑的。作为对比，以“紧凑型”(图像观看 (IMAGE VIEW )数字成像双目镜)推广的现代布什内尔 (Bushnell . )双目镜模型用仅8X放大率和21毫米的物镜来制造。最近，已作出向光学装置提供数字图像捕捉功能的努力，诸如上述的图像观看图像观看(IMAGE VIEW)型。这些努力使光学观察系统(例如，双目镜)与分开的数字照相机结合。这种布置具有一定的限制性。最重要的是，尽管装置允许与由观察者在光学观察系统中所看到的图像相关的数字图像捕捉，但该设计并不改变观察者使用装置实际看到什么，且因此并不对双目观察体验进行任何方式改进。此外，因为数字照相机具有其自身的光学系统，光学观察系统和照相机的分辨能力可能不同。这种分辨能力的差异可能导致使用者选择并不用照相机来录下如果使用者已看到照相机正在录的实际图像，他/她将会录下的图像。用于将数字成像功能与双目装置集成的另一种方法是将由光学装置所接收的图像录到传感器上，并然后将它们重新显示到随后被使用者观察到的单个显示器上。这种方法的挑战之一是将光学系统与机械和电子部件集成以实现袖珍性。此外，单单这种现有的方法并不可实现高分辨率、高放大倍率双目镜的高放大倍率以及其它观察特 性。
发明内容
一方面，本发明提供一种用于观察远处物体的光学装置。光学装置包括至少一个物镜系统和至少一个目镜，物镜系统具有入射光瞳直径Φ毫米，该目镜带有用于观测来自至少一个物镜系统中的图像的出射光瞳。光学装置具有大于0. Smm1XC^的放大率，且装置的出射光瞳至少为2毫米。光学装置还可包括靠近至少一个物镜系统的至少一个传感器和被连接到该传感器的处理器，该传感器用于探测由至少一个物镜系统接收的远处物体的图像，而处理器用于处理图像并将这些图像记录在第一存储部件上。可提供至少一个用于显示记录在第一存储部件上的图像的显示器。至少一个目镜可被连接到至少一个显示器。为了观察至少一个显示器上的图像，使用者将其眼睛中的至少一只眼睛放到至少一个目镜。另一方面，本发明提供一种通过使用宽光谱范围传感器而优化成在低光线水平下观察到远处物体的光学装置。光学装置包括至少一个物镜系统和至少一个目镜，物镜系统具有24毫米> Φ > 10毫米的入射光瞳直径，目镜用于观测来自至少一个物镜系统中的图像。至少一个目镜可具有满足φ>2毫米关系的出射光瞳直径φ。在这种构造中，光学装置的放大率可大于12。在还一方面，本发明提供一种用于调节光学装置的至少两个目镜之间的光瞳间距的滑动机构。滑动机构包括至少一条导轨和用于沿至少一条导轨滑动的行进装置。行进装置可被附连于至少两个目镜中的一个目镜或与其成一体。在又一方面，本发明提供一种折叠光学光路，由此系统的光学光路通过使用单物镜透镜系统被额外地最小化以实现紧凑性。在本发明的再一方面，提供连续变焦透镜的使用以增加视场视角。考虑到下述描述一个或多个实施例的具体的说明和各附图，本发明的其它方面和特征对于本领域的普通技术人员之一是显而易见的。
现将参照附图仅以示例的方式描述实施例，附图中图1是光学装置的框图；图2Α是具有处于“在使用”位置的可变外部封壳的光学装置的立体图；图2Β是具有处于“存放”位置的可变外部封壳的光学装置的立体图；图2C是具有为紧凑存放而缩回的透镜镜筒的另一物镜系统的剖视图；图3Α是图1的光学装置的剖切立体图；图3Β是光学装置的内部的剖切立体图，其示出目镜和显示器。图4是光学装置的内部的立体图，其示出用于调节两个目镜的光瞳间隔的滑动机构。图5是图4的光学装置的内部的另一立体图，其示出用于调节两个目镜的光瞳间隔的滑动机构；
图6是图4的光学装置的另一立体图，其示出用于图4和5的滑动机构的锁定按钮；图7是具有可调节焦距的物镜系统的剖视图；图8是具有可调节焦距的另一物镜系统的剖视图；图9是具有固定焦距的物镜系统的剖视图；图10是具有固定焦距的另一物镜系统的剖视图；以及图11是目镜的剖视图；相同的附图标记在整个附图中用于表示相同的元件和特征。尽管结合所述实施例对本发明进行描述，但应当理解这并不意味着本发明仅限于这些实施例。相反，本发明意在涵盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有更改、改变和等同物。
具体实施例方式图1示出用于观察远处物体的光学装置10的框图，在此描述的实施例可被应用到该光学装置。光学装置10包括至少一个物镜系统12和至少一个传感器14，该传感器与至少一个物镜系统12相邻以持续探测由至少一个物镜系统12所接收的远处物体的图像。光学装置12还包括用于持续处理图像并将这些图像记录在第一存储部件18上的处理器16。 处理器16还可在选配地实现数字图像稳定功能。处理器16被连接到用于持续显示记录在第一存储部件18上的图像的一对显示器20。显示器20被联接到用于持续观察图像的一对目镜22。为了持续观察显示器20上的图像，使用者将他们的眼睛放到该对目镜22上(由此实现双目观察)。显示在显示器22上的图像基本上实时地(如对使用者可察觉的)对应于远处物体，如下将更详细所述。图像可以永久记录在第二存储部件上，其可能是闪存24。使用者可使用录像按钮 28触发录像功能。光学装置10还可经由USB端口 30或另一合适的接口被连接到外部装置 (诸如显示器或膝上型电脑)。物镜系统12可以是可变焦距的物镜系统。物镜系统12的焦距fO可使用连续变焦组件30来调节，该连续变焦组件包括电动机驱动器32、连续变焦电动机34和自动对焦 (“AF”)单元36。焦距fO可由使用者使用连续变焦按钮38来调节。下面将进一步详细描述可变焦距的物镜系统的构造。电动机驱动器32和自动对焦单元36可与处理器16集成。光学装置10还可包括开/关按钮39和各种输入/输出按钮(例如，图形按钮42)。应予以注意，虽然图1的光学装置是双目系统，但在此描述的实施例还可应用到其它类型的光学装置，诸如望远镜和显微镜。如图2A和2B所示，光学装置10可具有带有可变外部封壳的外壳50，这样，物镜系统和/或目镜的外表面可由可移动盖子52来保护。图2A是处于“在使用”位置的光学装置10的示意图，该光学装置带有处于打开位置的可移动盖子52。图2B是处于存放位置的光学装置10的示意图，该光学位置带有处于闭合位置的可移动盖子52。根据可移动盖子 52的构造，当处于存放位置时，光学装置10可具有比处于“在使用”位置更小的外部封壳。 可选择地，光学装置10可被设计成当被移动到其存放位置时立即断电。外壳50可具有圆角54，这使使用者更容易将光学装置10携带在衬衫或裤袋内。外壳50可具有固定的外部封壳。这种外壳将基本上更稳固、具有更大的整体刚度并从机械角度看复杂性更低(且考虑到需要被制造和组装的部件数量因此更便宜)。具有固定外部封壳的外壳50将更易不受天气影响，这是因为外壳50将通常具有更少的需要与环境密封开来的开口。如图2B中所示，外壳50的尺寸将被称为长度Ll (最长边)、长度L2 (第二长边、深度)和长度L3 (最短边、高度)。虽然外壳50可以由于光学装置10的构造是任何尺寸(如下面将更详细描述)，但外壳50可以足够小到可放在口袋内，即足够小到装入一条裤子、衬衫等的口袋内。具体来说，为了可放在口袋内，外壳50的长度/深度/高度比(Li L2 L3) 应当大约在1.0 0.6彡0.1 0.25彡0.1 (其中Ll可以是100-120毫米)。外壳的 (L2 L3)应当是约1.0 0.6彡0.1 0. 25彡0. 1 (其中Ll可以是100-120毫米)。Ll的值应当足以适应使用者的瞳孔间距。例如，对于64毫米的瞳孔间距(S卩，成年人的平均瞳孔间距)，考虑到接目罩(eyecup)的尺寸，外壳将具有84毫米的长度Ll。然而，为了适应具有更大瞳孔间距的使用者，Ll可以如上所述大约是100-120毫米。此外，根据光学装置10的最终用途，外壳50的深度可以是易于由使用者用一只手或两只手抓持的尺寸。图2C示出具有可缩回透镜镜筒252的可放在口袋内的双目镜的另一实施例。透镜镜筒提供连续变焦特征。图3A是本发明的光学装置的剖切立体图。物镜系统12的最外面部分可被容纳在镜筒60内。印刷电路板(“PCB”)62、64和66可支承电子部件，诸如处理器16和第一存储部件18 (未示出)。除了容纳各种电子部件，PCB62、64和66可提供对光学装置10的结构支承。可以容易地将传感器14(见图1)附连于PCB66，这样，传感器14与物镜透镜系统的光轴对齐。PCB62、64和66还可以是柔性的。传感器14还可设置在内部结构68中，从而以适当的对齐和定位固定传感器14并使传感器14屏蔽于漫射光。在图3A的剖切部分中，示出物镜系统12的各种透镜。这些透镜被容纳于透镜镜筒60、70和72内。如前所述，透镜可形成可变焦距物镜系统，而使用连续变焦组件30来调节透镜镜筒70和72之间的距离。连续变焦组件30可包括连续变焦电动机34、连续变焦电动机驱动器32且选配地包括(图1中所示的)自动对焦单元36。光瞳间调节机构目镜22之间的光瞳间距可调节，使用滑动机构78来实现此调节，而无须采用任何目镜的转动。参考图4，滑动机构78可操作以使一个目镜22A相对于另一目镜22B运动。 一个目镜22B可以是固定的。如图5所述，可移动目镜22A可被附连于行进装置80或与其成一体。目镜22A还可被附连于显示器20中的一个显示器(在图1中示出)，这样，它们可出于光瞳间距调节目的而一起运动。行进装置80可沿至少一条导轨82滑动(示出两条导轨)。目镜22A可被联接到具有用于与锁定机构88配合的一系列齿的棘齿臂86，锁定机构88被附连于光学装置10的任何合适的不运动部分。使用锁定按钮90，使用者可配合锁定机构88并将棘齿臂 86在特定的光瞳间调节位置下锁定在位。如图6中所示，外壳50可包括可滑动凸部92，该凸部被联接到用于由使用者手持的滑动机构。目镜22A的运动由图5和6中的双向箭头来
8表不。物镜系统物镜系统12可具有多种不同构造，现在将参考附图7、8、9和10来描述这些构造。 附图7和8是可变焦距(连续变焦)系统。连续变焦用于增大视场当物镜系统12的有效焦距(“f/)通过连续变焦减少到较低值时，放大倍率也将减少。图9和10是固定焦距系统。如将所示，物镜系统12的结构将取决于是使用固定还是可变焦距。元件可以如要求是简单的透镜或更复杂的光学部件。此外，各元件可具有不同色散以提供色差校正。可包括各种滤镜、偏光镜、涂层等。还应予以注意，组成物镜系统12和/或目镜22的接目镜的一个或多个元件可具有一个或两个非球形的表面。非球形透镜元件可由光学塑料材料或玻璃材料构成。透镜元件可使用标准技术和材料被涂覆和被安装在物镜系统12内。现参考图7，物镜系统12A具有可调节焦距和至少四个透镜子单元，SUU SU2、SU3 和SU4。第一透镜子单元SUl在物镜系统12A的长共轭边上(离传感器14处的图像最远)。 第三透镜子单元SU3在第二透镜子单元SU2和第四透镜子单元SU4之间可运动，由此调节物镜系统12A的有效焦距&，以增大或减少视场。水平的光学折叠件100可位于第一透镜子单元SUl和第二透镜子单元SU2之间以使光学装置更紧凑。此外，物镜系统的第一透镜元件的光轴可与一个目镜近似对准。用于物镜系统12A的规定数据示出于下表1中(只要适用的话，空间数据设置成用于fQ = 48mm、fQ = 70mm和fQ = 96mm)。在表1以及其后面的各表中，第一栏列出表面数 (SRF)、第二栏列出第一栏(R1，R2，…R17，R18)中所列表面的曲率半径(以毫米示出)，且第三栏列出透镜顶点与光轴相交处元件的厚度(以毫米示出)(或者，只要适用的话，相邻表面之间的间隔)(Tl，T2，…T13，T14)。第四栏示出光圈半径(以毫米示出)。第五栏列出介质(例如，塑料或玻璃的类型、空气)。应当予以理解的是，透镜元件可由多种光学材料构成。在表1至5中下方的标题为“介质”下所列的玻璃光学材料按照肖特北美玻璃目录(Schott North America glass catalog)的参考编号来标示。塑料光学材料按照由从拉姆达研究公司(Lambda Research Corporation) (www, lambdares. com)可购得的 OSLO 计算机程序使用的参考系统来标示。表1-5中的非球形数据还参考OSLO 计算机软件程序来定义。表 权利要求
1.一种用于观察远处物体的光学装置，所示光学装置包括至少一个物镜系统，所述至少一个物镜系统具有入射光瞳直径φ ；以及至少一个目镜，所述至少一个目镜具有用于观测来自所述至少一个物镜系统中的图像的出射光瞳，其中，所述光学装置具有大于0. 6mm 1X Φ的放大率，且所述光学装置的所述出射光瞳至少为2毫米。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器靠近所述至少一个物镜系统，并用于探测由所述至少一个物镜系统接收的远处物体的图像；处理器，所述处理器连接到所述至少一个传感器，并用于处理所述图像并将所述图像记录在第一存储部件上；以及至少一个显示器，所述至少一个显示器用于显示记录在所述第一存储部件上的所述图像。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个物镜系统具有可变焦距。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置被容纳于带有可移动盖子的外壳内。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述入射光瞳直径Φ在24毫米至10 毫米之间。
6.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，显示在所述至少一个显示器上的所述图像基本上实时地对应于所述远处的物体。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置的外壳是可放在口袋内的。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置的所述外壳具有100毫米至120毫米之间的长度以及1.0 0.6彡0.1 0.25彡0.1的长度/深度/高度比。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述物镜系统包括连续变焦透镜，光学折叠件位于第一透镜子单元与第二透镜子单元之间。
10.一种为在低光线水平下观察远处物体而优化的光学装置，所述光学装置包括 至少一个物镜系统，所述至少一个物镜系统具有24毫米与10毫米之间的入射光瞳直径Φ ；以及至少一个目镜，所述至少一个目镜具有用于观察来自所述至少一个物镜系统中的图像的出射光瞳，所述至少一个目镜具有大于2毫米的出射光瞳直径φ， 其中，所述光学装置的放大率大于12。
11.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器靠近所述至少一个物镜系统，并用于持续探测由所述至少一个物镜系统接收的远处物体的图像；处理器，所述处理器连接到所述至少一个传感器，并用于持续处理所述图像并将所述图像记录在第一存储部件上；以及至少一个显示器，所述至少一个显示器用于持续显示记录在所述第一存储部件上的所述图像，其中，所述至少一个目镜被联接到所述至少一个显示器，且使用者将至少一只眼睛放到所述至少一个目镜处以持续观察所述至少一个显示器上的所述图像。
12.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个物镜系统具有可变焦距。
13.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述至少一个物镜系统具有固定焦距。
14.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，还包括光瞳间调节机构。
15.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置容纳于带有可移动盖子的外壳内。
16.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述装置的放大率大于0.6Φ。
17.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，显示在所述至少一个显示器上的所述图像实时地对应于所述远处物体。
18.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置的外壳是可放在口袋内的。
19.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置的外壳具有100毫米与 120毫米之间的长度以及1.0 0.6彡0.1 0.25彡0.1的长度/深度/高度比。
20.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述物镜系统包括至少四个透镜子单元，第三透镜子单元能在第二透镜子单元和第四透镜子单元之间运动以调节所述物镜系统的所述焦距。
21.如权利要求20所述的光学装置，其特征在于，光学折叠件位于所述第一透镜子单元与第二透镜子单元之间。
22.一种用于调节光学装置的至少两个目镜之间的光瞳间距的滑动机构，所述滑动机构包括至少一条导轨；以及行进装置，所述行进装置用于沿所述至少一条导轨滑动，其中，所述行进装置附连于所述至少两个目镜中的第一个目镜或与所述第一个目镜成一体。
23.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于，所述至少两个目镜的所述第一个目镜被联接到棘齿臂，所述棘齿臂具有用于与附连于所述光学装置的本体的锁定机构配合的一系列齿。
24.如权利要求23所述的滑动机构，其特征在于，还包括用于与所述锁定机构配合的锁定按钮，其中，当按下所述锁定按钮时，所述锁定机构将所述棘齿臂在所述至少两个目镜之间的特定光瞳间距处锁定在位。
25.一种接目镜单元，所述接目镜单元具有将电子显示内容成像到所述眼睛内的较远的入射光瞳，所述接目镜单元包括正的第一透镜元件；负的第二透镜元件；和正的第三透镜元件，其中，满足下述关系式f3/fe ^ 0. 5 f 2 I /f e 彡 0. 5 f2 I 彡 f3fl/fe > O. 5 和 d23/fe ( 0. 1
26.如权利要求25所述的接目镜单元，其特征在于，满足下述关系式 f3/fe 彡 0. 4f 2 I /f e 彡 0. 4 fl/fe > 1. 0 d23/fe ^ 0. 5
27.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，(ddisplay+dl2+d23)/f0( 1. 0。
28.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，fPU/fe> 1. 5。
29.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，所述第三透镜元件的材料是玻璃。
30.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，从所述第三透镜元件到所述眼睛的所述瞳孔的距离大于0. Sfe0
全文摘要
一种用于观察远处物体的光学装置。该装置包括物镜系统和至少一个目镜，并且实现大于0.6mm-1倍入射光瞳直径(以毫米表示)的放大率，而出射光瞳为至少2毫米。来自物镜系统的图像被传感器探测到、被处理并被录下。图像被显示在显示器上，该显示器被使用者通过一个或多个目镜观察到。光学装置在低光线水平下工作良好。装置还具有用于调节目镜之间光瞳间距的滑动机构。
文档编号G02B23/12GK102224441SQ200980147996
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年11月26日
发明者A·拉斯克, E·比特斯基, K·G·拉斯克 申请人:袖珍光学发展有限公司