专利名称：准直增强视觉系统和准直方法
准直增强视觉系统和准直方法
背景技术：
在单一(unity power)视觉辅助装置中，例如单目镜(monocular)，当输出光轴匹配输入光轴时该装置被准直，从而输入该装置的光束平行于输出该装置的光束。在这种装置的制造中，技术人员典型地通过反复的程序来对准光轴，这种程序需要装置的调节、装置元件间相对的固定以及装置是否被足够精确地准直的确定。如果装置没有被足够精确地准直，技术人员必须卸除一些先前已经相对于其他元件固定的装置元件，并重新调节装置。这种程序可能并不必然地将装置准直到需要的准直角度。因此，存在着提供一种包括将输出光轴和输入光轴准直到需要的准直度的机构的单目镜的需求。
发明内容
简要地，本发明提供一种光学系统。这种光学系统包括具有输入部分、输出部分和设置于光学组件框架的输入部分的物镜组件的光学组件框架。该物镜组件具有物镜中心光轴。目镜组件设置在该框架的输出部分。目镜组件具有平行于物镜中心光轴并偏离于物镜中心光轴一定距离的目镜中心光轴。图像增强器设置在物镜组件和目镜组件之间。该图像增强器具有平行于物镜中心光轴并平行于目镜中心光轴的图像增强器光轴。该图像增强器光轴既偏离于物镜中心光轴上述一定距离的一半，也偏离于目镜中心光轴上述一定距离的一半。另外，本发明进一步提供包括光学框架的光学系统，该光学框架包含具有物镜组件支座的输入部分和具有目镜组件支座的输出部分。物镜组件设置在该物镜组件支座内。 物镜组件具有物镜组件轴。目镜组件设置在目镜组件支座内。目镜组件具有平行于物镜组件轴并离开物镜组件轴一定距离的目镜组件轴。倒转图像增强器设置在物镜组件和目镜组件之间。该倒转图像增强器耦合于紧邻该物镜组件的框架并具有倒转图像增强器光轴的框架，该倒转图像增强器光轴设置介于物镜组件轴和目镜组件轴之间、约上述一定距离的一半距离处。本发明还提供了一种准直光学装置的制造方法，包括以下步骤提供具有输入部分和输出部分的光学组件框架；提供具有物镜中心光轴的物镜组件；将该物镜组件固定地耦合至光学组件框架的输入部分；提供具有平行于物镜中心光轴并偏离于物镜中心光轴一定距离的目镜中心光轴的目镜组件；将该目镜组件固定地耦合至光学组件框架的输出部分；在物镜组件和目镜组件之间插入图像增强器，该图像增强器具有平行于物镜中心光轴并平行于目镜中心光轴的图像增强器光轴；对准该图像增强器光轴使其既偏离于物镜中心光轴上述一定距离的一半，也偏离于目镜中心光轴上述一定距离的一半；以及将图像增强器固定至该光学组件框架。
上述概要，以及以下本发明具体实施例的详细描述，在结合附图阅读时将被更好的理解，附图合并于本文并构成本说明书的一部分。为了解释本发明，在附图中示出具体实施例。但是，可以理解，本发明并不限于所示出的精密布置和机构。附图中，贯穿多个附图中的相同的附图标记用于表示相同的元件。附图中图1是根据本发明实施例的单目镜的纵向侧视图；图2是放大示出了图1的单目镜的主要组件之间对准差异的纵向侧视图；图3是图1的单目镜部分截面的纵向侧视图；图4是图2示出的主要元件的轴之间的距离的图解视图；图5是耦合至图1的单目镜的框架的夹头法兰的部分放大剖视图；图6是耦合至图1的单目镜的对准装置的透视图；图7是包括两个如图1所示的单目镜的双目镜的示例性实施例的图解视图；以及图8是执行如图1所示的单目镜的光学对准的步骤流程图。
具体实施例方式文中的某些术语仅用于使用便利，并不能作为对本发明的限制。术语包括特别提及的词语及其衍生词、以及类似泊来词的词语。如文中使用的，正如所描述的，“输入”定义为表示当单目镜在使用位置时远离使用者的方向，正如所描述的，“输出”定义为表示当单目镜在使用位置时靠近使用者的方向。术语“光学对准”定义为表示向聚焦于无限目标上的装置的物镜组件输入准直光束、以及从设置至零度瞄准器位置的目镜组件输出完成准直的光束，从而输入的和输出的光束平行的程序。接下来描述本发明的实施例。然而基于所披露的内容可以理解，本发明并不限于发明的具体实施例。通常地参考附图，示出根据本发明的实施例的光学系统的内在组件，比如单目镜 100。实施例的单目镜100可以作为单筒望远镜使用或作为夜视镜(NVG)系统的一部分使用(图中未视出)。夜视镜使用来加强环境或红外光以增强黑暗环境下的可视度。单目镜 100可以作为头盔装配式或手提式系统的一部分。可选的，单目镜100可以作为武器系统的瞄准镜使用，例如步枪或坦克。进一步地，单目镜100可以合并入任何需要聚焦和准直的光学系统中。参考附图1，实施例单目镜100包括从外界环境接受光的输入部分102，和传输增强的图像至用户(图中未示出)的输出部分104。单目镜100的主要元件是(图1中从左至右示出的)位于输出部分104的目镜组件110、图像增强器120、以及位于输入部分102 的物镜组件130，这些都装载在光学框架140上。目镜组件110可包括设置于其中的多个目镜(图中未示出)。该多个目镜准直并放大被物镜组件130最初捕捉到的图像。目镜组件110进一步地包括目镜组件外壳112和大体上平行于ζ-轴Z延伸的目镜组件光轴114。物镜组件130可包括设置于其中的多个物镜(图中未示出)。该物镜准直并放大用于传输通过图像增强器120至目镜组件110以被使用者(图中未示出)观察的图像。物镜组件130进一步地包括物镜组件外壳132和大体上平行于ζ-轴Z延伸的物镜组件光轴 134。目镜组件光轴114可偏离于物镜组件光轴134 —少量的距离，例如，以约0. 5毫米为例，但本领域技术人员将认识到偏离距离可以多于或少于0. 5毫米。偏置值可被量化为距离“2ΔΧ”。图2示出目镜组件110、图像增强器120和物镜组件130的放大的关系以解释距离2Δχ。现在参考图3示出的单目镜100的部分截面图，光学框架140包括保持目镜组件外壳112于其中的输出部分141。输出部分141包括尺寸设计为于在相对于光学框架140 的固定位置处接受并保持目镜组件外壳112的环形圈。虽然未示出，但目镜组件外壳112 可采用各种已知的方法耦合至输出部分141，包括但不限于螺纹连接或螺栓连接。光学框架140也包括其中插入物镜组件外壳132的输入部分142。输入部分142 包括尺寸设计为于在相对于光学框架140的固定位置处接受并保持物镜组件外壳132的环形圈144。环形圈144可包括尺寸设计为接受物镜组件外壳132上的配合螺纹135的螺纹 145。环形圈144和物镜组件外壳132之间的螺纹连接不仅将物镜组件130固定至光学框架140，也允许物镜组件130沿着ζ-轴Z调节，允许了物镜组件130相对图像增强器120的聚焦位置的调节。输入部分142也包括围绕环形圈144周向大体上等距隔开的多个螺纹开口 146。 为了清晰，在图3中仅示出了一个开口 146。在一个示例性实施例中，输入部分142包括三个螺纹开口 146。螺纹开口 146用于将图像增强器120固定至光学框架140。再重新参考附图2，图像增强器120包括图像增强器外壳122和大体上平行于 ζ-轴Z延伸的图像增强器光轴124。图像增强器120沿着χ-轴X和y-轴Y对准，从而图像增强器光轴124和物镜组件光轴134之间的距离为“ Δ χ”，并且图像增强器光轴124和目镜组件光轴114之间的距离也为“ Δ χ”。图像增强器外壳122和图像增强器光轴IM相对于目镜组件外壳112、目镜组件光轴114、物镜组件外壳132、以及物镜组件光轴134的位置的示意图在图4中示出。Δ χ可以是沿着被定义χ-轴X和y-轴Y定义的平面的任何方向，比如图4的纸面的平面。当目镜组件光轴114和物镜组件光轴134共面，并且当图像增强器光轴IM与目镜组件光轴114和物镜组件光轴134等距离并与其在同一平面中，对准完成。图像增强器120是具有180度扭转的光纤光学元件126的倒转图像增强器。这种扭转提供了穿过图像增强器光轴124的图像倒转，并允许图像增强器120相对于目镜组件 110和物镜组件130的位置的调节。再重新参考附图1和3，图像增强器120通过支座、或夹头150耦合至框架140，通常支座、或夹头形状上是管状的、并将尺寸设计为允许图像增强器120被插入其中。夹头 150的输出部分152包括围绕夹头150周向轴向延伸的多个指状物154。每一指状物IM 包括自夹头150向外径向延伸的脊156。锁定束套157在脊156上插入并在脊上紧固以将夹头150固定至图像增强器120。夹头150的输入部分158包括自夹头150向外径向延伸的法兰160。法兰160包括围绕法兰周向等距隔开的多个螺栓孔162。在一个示例性实施例中，法兰160包括3个螺栓通孔162。螺栓孔162相应于框架140的输入部分142上的螺纹开口 146的数量和位置间隔开。参考图5的截面图，螺栓164插入每一螺栓孔162以将夹头150固定至框架140。 每一螺栓孔162具有充分大于各自螺栓164的直径，从而在螺栓164和螺栓孔162的侧面形成空隙166。空隙166允许夹头150和图像增强器120沿着χ-轴X和y-轴Y相对于物镜组件130足够的调节，以将图像增强器光轴124以离目镜组件光轴114和物镜组件光轴134需要的距离Δ χ对准，从而光学对准单目镜100。参考附图6，法兰160也包括两个用于通过螺栓172将对准工具300耦合至夹头 150的对准螺栓孔170。对准工具300可以用于对准图像增强器120与目镜组件110和物镜组件130，从而图像增强器光轴124与目镜组件光轴114和物镜组件光轴134的距离都是 Δχ。对准工具300包括沿着χ-轴X、y_轴Y和ζ-轴Z都可无限移动的调节臂310。对准工具310包括弧形自由部分312，其可卸除地啮合夹头150，从而使得当臂310被调节时， 图像增强器120随臂310 —起沿着χ-轴X、y-轴Y和ζ-轴Z移动。参考图8中的流程图800，在步骤802中，通过采用夹头500耦合操纵臂310至图像增强器200来执行图像增强器光轴IM相对于目镜组件光轴114和物镜组件光轴134的对准。在步骤804中，操纵臂310和夹头150沿着χ-轴X、y-轴Y移动。在步骤806中， 采用已知的用于光学对准的工具(图中未示出)确定图像增强器200的对准。在步骤808 中，如果图像增强器200并不处于沿着χ-轴X和y-轴Y需要的对准状态，从而图像增强器光轴IM与目镜组件光轴114和物镜组件光轴134的每个之间未形成所需要的距离Δ χ，步骤804和806被重复执行直至上述对准被实现。在步骤808中，一旦图像增强器200处于沿着χ-轴X和y_轴Y需要的对准状态， 从而图像增强器光轴1 与目镜组件光轴114和物镜组件光轴134的每个之间形成需要的距离Δ χ，则在步骤810中，图像增强器120可以沿着ζ-轴Z调节，从而螺栓164可以螺旋入螺纹开口 146，以在步骤812中将夹头150固定至框架140，如图5示出。在步骤814中， 在夹头150固定至框架140以后，臂132可以从夹头150上移开。参考图7，第二单目镜200，与单目镜100相同，可被用来与单目镜100联合以形成双目镜210。第二单目镜200结构上可与单目镜100相似。第一和第二单目镜100、200可卸除地连接至双筒框架212。如果单目镜100、200中其中之一需要被维修或替换，单目镜可以从双筒框架212上移除并被维修或替换。虽然本文中参考具体实施例解释并描述了本发明，但本以明并不意于被限制于所示出的细节。相反地，在不背离本发明的范围内、在权利要求等价的范围和幅度内可以在细节中进行多种修正。虽然本发明的具体实施例在本文中示出并描述，但可以理解这些实施例仅是以举例的方式提供。在不背离本发明的精神下，本领域技术人员可以实施多种变形、 改变和替换。相应地，权利要求也意为覆盖落入本发明精神和范围的多种变形方式。
权利要求
1.一种光学系统，其包括光学组件框架，其具有输入部分和输出部分；物镜组件，设置于该光学组件框架的输入部分，该物镜组件具有物镜中心光轴；目镜组件，设置于该光学组件框架的输出部分，该目镜组件具有平行于物镜中心光轴并偏离于物镜中心光轴一定距离的目镜中心光轴；以及图像增强器，设置于物镜组件和目镜组件之间，该图像增强器具有平行于物镜中心光轴并平行于目镜中心光轴的图像增强器光轴，该图像增强器光轴既偏离于物镜中心光轴上述距离的一半，也偏离于目镜中心光轴上述一定距离的一半。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中该图像增强器包括倒转图像增强器。
3.如权利要求2所述的光学系统，其中该倒转图像增强器光学地对准物镜组件和目镜组件。
4.如权利要求1所述的光学系统，进一步包括图像增强器和目镜组件之间的间距。
5.如权利要求1所述的光学系统，进一步包括围绕该图像增强器周向设置并耦合至该光学组件框架的图像增强器夹头。
6.如权利要求5所述的光学系统，其中该图像增强器夹头将该图像增强器固定至该光学组件框架。
7.如权利要求6所述的光学系统，其中，该图像增强器夹头可调地耦合至该框架的输入部分。
8.一种光学系统，包括光学框架，其包含具有物镜组件支座的输入部分；和具有目镜组件支座的输出部分；物镜组件，设置在该物镜组件支座内，该物镜组件具有物镜组件轴；目镜组件，设置在该目镜组件支座内，该目镜组件具有平行于物镜组件轴、并离开物镜组件轴一定距离的目镜组件轴；倒转图像增强器，设置在物镜组件和目镜组件之间，该倒转图像增强器耦合于紧邻该物镜组件的框架，并具有倒转图像增强器轴，该倒转图像增强器轴设置于物镜组件轴和目镜组件轴之间约上述一定距离的一半距离处。
9.如权利要求8所述的光学系统，其中该倒转图像增强器耦合至该光学框架的输入部分。
10.如权利要求9所述的光学系统，进一步包括固定至该图像增强器和该光学框架的夹头。
11.如权利要求8所述的光学系统，其中该物镜组件可调地耦合至该物镜组件支座。
12.一种制造准直光学装置的方法，包括以下步骤a)提供具有输入部分和输出部分的光学组件框架；b)提供具有物镜中心光轴的物镜组件；c)将该物镜组件固定地耦合至该光学组件框架的输入部分；d)提供具有平行于物镜中心光轴并偏离于物镜中心光轴一定距离的目镜中心光轴的目镜组件；e)将该目镜组件固定地耦合至该光学组件框架的输出部分；f)在该物镜组件和该目镜组件之间插入图像增强器，该图像增强器具有平行于物镜中心光轴并平行于目镜中心光轴的图像增强器光轴；g)对准该图像增强器光轴，使其既偏离于物镜中心光轴上述距离的一半，也偏离于目镜中心光轴上述距离的一半；以及h)将该图像增强器固定至该光学组件框架。
13.如权利要求12所述的方法，其中该图像增强器插入的步骤包括光学地对准该物镜中心光轴和该目镜中心光轴。
14.如权利要求12所述的方法，其中步骤g)包括将对准工具耦合至该图像增强器。
15.如权利要求12所述的方法，其中步骤g)包括沿着垂直于该图像增强器轴的平面操纵该图像增强器。
16.如权利要求12所述的方法，其中步骤h)包括沿着该图像增强器轴操纵该图像增强
17.一种双目镜，包括双筒框架；如权利要求1所述的第一单目镜，耦合至该双筒框架；如权利要求1所述的第二单目镜，耦合至该双筒框架。
18.如权利要求17所述的双目镜，其中第一和第二单目镜各自可卸除地连接至该双筒框架。
19.一种双目镜，包括双筒框架；如权利要求8所述的第一单目镜，耦合至该双筒框架；如权利要求8所述的第二单目镜，耦合至该双筒框架。
20.如权利要求19所述的双目镜，其中第一和第二单目镜各自可卸除地连接至该双筒框架。
全文摘要
一种光学系统，包括具有输入部分(102)、输出部分(104)和设置于光学组件框架的输入部分的物镜组件(130)的光学组件框架(140)。该物镜组件具有物镜中心光轴(134)。目镜组件(110)设置在该框架的输出部分。目镜组件具有平行于物镜中心光轴并偏离于物镜中心光轴一定距离的目镜中心光轴(114)。倒转图像增强器(120)设置在物镜组件和目镜组件之间。该图像增强器具有平行于物镜中心光轴并平行于目镜中心光轴的图像增强器光轴(124)。该图像增强器光轴既偏离于物镜中心光轴上述距离的一半，也偏离于目镜中心光轴上述距离的一半。
文档编号G02B23/12GK102246082SQ200980150346
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月9日 优先权日2008年12月15日
发明者K·谢勒夫, N·托马斯, R·H·布朗, T·聂夫 申请人:Itt制造企业公司