CN101218529A - 五元件光学装置 - Google Patents

Abstract

具有五个空气间隔的光学元件的光学装置。以目镜为形式的光学装置被公开并且具有中心负透镜和在中间负透镜的每一侧上的两个外部正透镜。该目镜沿着与物体上焦点位置相对应的角度将光线从物体传输到出射光瞳。在优选实施例中，正透镜是相同的。

Description

五元件光学装置

技术领域

本发明总体涉及包括一个或多个光学装置的光学系统，尤其涉及适合于在各种光学装置中使用的透镜形式。

背景技术

光学系统包括一个或多个各种光学装置。特定的应用将决定将包括在光学系统中的特定光学装置的选择。作为实例，在医学领域中，光学系统起到内窥镜的作用。刚性的内窥镜包括多个光学装置，即：物镜、中继镜(relay)和目镜。在拍摄领域中，作为光学系统的照相机包括作为光学装置的物镜。单目镜和望远镜合并有目镜，以呈现用于观察的图像。夜视系统包括处于目镜形式的光学装置，用于允许用户观察从图像增强管的荧光输出屏投射的图像。

已经做出了重大的努力，用来发展前述和其他光学装置中的每一个的透镜形式。一些这些努力已经导致适合于诸如照相机的物镜的单个使用的高度专用的透镜形式，但是不适合与例如中继镜的另一类型的光学装置一起使用。在这些应用中，如透镜或反射镜之类的光学元件的数目和后续成本对必备的图像质量来说是次要的。对于其它应用，透镜设计者寻求制造基于基本上满足尽可能最少的光学元件的应用的光学要求的透镜形式的透镜。在这种应用中，透镜设计者还提出了如物理尺寸、重量和制造成本之类的问题。

例如，Harting的美国专利No.716,035(1902)、Booth的美国专利No.1,421,156(1922)、Tronnier的美国专利No.2,645,156(1953)和Lowenthal的美国专利No.2,645,157(1953)公开了具有作为透镜形式的三个空气间隔的透镜元件的拍摄物镜。每个都具有包括“负”单透镜的中间光学元件；外部的两个光学元件包括具有“正”透镜的特征的双重透镜。

如在此所使用的那样，术语“正”和“负”遵循使用具有居中的、平面的或球表面的透镜的光学装置的工业惯例。“正”透镜具有正的有效焦距，并通常具有沿着中心轴的比边缘厚度更厚的中央厚度。“负”透镜具有负的有效焦距，并通常具有沿着中心轴的比边缘厚度更薄的中央厚度。

在每个前述的拍摄物镜中，透镜形式使用透镜来控制光学装置的珀兹伐和(Petzval Sum)。该Petzval Sum为来自光学装置中的任一透镜元件或任一组透镜元件的图像的曲率的度量值。通过将透镜元件光学能力和透镜元件的玻璃的折射率的乘积相加，获得光学系统中每个透镜元件的该值。随着Petzval Sum降低，图像的曲率也降低。然而，前述文献中的透镜的特征在于，其它像差模糊了细线，从而提供“软”图像。

Schade的美国专利No.2,586,866(1952)公开了一大孔径五部件物镜，该物镜包括中心的双凸负透镜和四个正透镜。该正透镜是凹凸或双凸透镜，并且从物镜前面的第二中间透镜间隔具有最大的尺寸。该构造具有将聚焦图像投射到朝物镜凹入的弯曲表面上的目的。

Baker的美国专利No.2,900,871(1959)公开了具有三个空气间隔的光学元件的放大镜，包括中间负透镜、具有正透镜特征的两个外部双重透镜。该放大镜设计成能够立体观察地图。

Abe的美国专利No.3,586,418(1971)公开了在物体和瞳孔之间具有四个空气间隔的光学装置的目镜。最靠近物体的光学元件为负单透镜。其余三个光学元件包括单透镜和两个双重透镜。这三个光学元件中的每一个都具有正透镜特征。

前述文献公开了在物镜中具有最少数目的透镜元件的透镜形式。然而，用这些透镜形式提供图像的目的与许多应用中用于提供清晰图像的目镜和其他光学装置中透镜形式的目的背道而驰。

对于某些目镜，重要的是在发展透镜形式中考虑眼睛间隙(eyerelief)。如所知的那样，眼睛间隙是眼睛从光学装置的目镜的距离，该距离最适合于合并有目镜的光学系统的使用。Sissel的美国专利No.3,612,662(1970)公开了一目镜，它具有较宽的视野和大约28mm的预定眼睛间隙，具有大约27.4mm的有效焦距，48.98度的视野，10.6mm的后焦距和10mm的出射光瞳。该目镜从其面对物体的前端向后包括双凸单透镜、向前的负弯月形的双凹透镜、向前的正弯月形的双凹透镜、双凹单透镜、双重双凸单透镜和向前的正弯月形的双凸透镜。Seaman的美国专利No.3,658,412(1972)公开了具有四个空气间隔的光学装置的广角双目镜，用来提供75-80mm的眼睛间隙、50度的视野和80mm的出射光瞳。这些装置包括朝观察者凸出的正弯月透镜、正透镜和负透镜组成的凹凸双重透镜、朝观察者凸出的正弯月透镜，和朝观察者凸出的正凹凸透镜。当与美国专利No.3,612,662中公开的透镜相比时，可以看出，美国专利No.3,658,412将光学元件的数目从十个减少到四个，从而试图降低所获的目镜的成本和重量。因此，对于每个特别的目镜应用，目镜设计者必须从满足眼睛间隙、焦距、视野、图像曲率、放大倍率、像差和其他因素的各种目镜形式中选择。如果选择出透镜形式，然后如眼睛间隙之类的参数改变，该参数变化将最小需要目镜中的一些不同光学元件的重新计算。在最坏的情况下，这种变化将要求透镜完全重新设计。所需要的是可用于设计如物镜、中继镜和目镜之类的各种光学装置的单个透镜形式。而且，这种透镜形式应当使光学元件的总数最少，并降低不同光学元件的制造成本。最好是，该透镜形式应当减少光学装置中光学元件的不同类型的数目。还需要的是可以容易地适合于不同的应用并能够适应如目镜的眼睛间隙之类的参数变化的透镜形式。

发明内容

因此，本发明的目的是提供可适合于不同光学装置应用的透镜形式。

本发明的另一目的是提供适合于不同光学装置应用并限制光学元件数目的透镜形式。

本发明的另一目的是提供适合于不同光学装置应用并限制光学装置中光学元件类型的透镜形式。

本发明的另一目的是提供在不需要改变任何光学元件的设计的情况下，能够使光学装置的某些参数改变的透镜形式。

本发明的另一目的是提供一目镜，其中限制透镜数目和具有不同参数的透镜数目。

本发明的另一目的是提供根据透镜形式的目镜，该目镜很容易适合于适应眼睛间隙的不同值。

根据本发明的一方面，光学系统包括沿着轴延伸的具有相对开口端的外壳。该外壳承载五个空气间隔的透镜元件。第一透镜元件在外壳的两端中间。第二和第三透镜元件依次定位在第一透镜元件和外壳的一端之间的轴上。第四和第五透镜元件依次定位在该第一透镜元件和外壳的另一末端之间的轴上。该第一透镜元件具有正透镜和负透镜中一个的特征，而该第二至第五透镜元件具有正透镜和负透镜中另一个的特征，并且所述第二至第四透镜元件中的每一个都具有平凸形状。

根据本发明的另一方面，用于在目镜前面产生物体的图像的目镜包括沿着轴延伸的具有相对的开口前端和后端的外壳。该外壳承载负透镜和四个相同的正透镜。该负透镜位于外壳的末端之间。第一和第二正透镜依次定位在该负透镜和外壳的前端之间。第三和第四正透镜依次定位在该负透镜和该外壳的后端之间。

根据本发明的另一方面，目镜适合于和具有荧光输出屏的夜视装置一起使用。该目镜可相对于输出屏聚焦，并包括外壳、负透镜和四个相同的正透镜。该负透镜具有1.923折射率和18.9的阿贝数并且在外壳中位于前端和后端之间。该负透镜具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度。每个正透镜都具有1.788的折射率、47.4的阿贝数、前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度。每个透镜都安装到所述外壳上，以便第一和第二正透镜之间的距离为0.524mm、第二正透镜和负透镜之间的距离为7.175mm、负透镜和第三正透镜之间的距离为1.351mm并且第三和第四正透镜之间的距离为3.434mm，从而该目镜具有从前面的正透镜到屏幕的12.88mm距离和29mm的眼睛间隙。

在本发明的又一方面中，目镜适合于和具有荧光输出屏的夜视装置一起使用。该目镜可相对于输出屏聚焦，并包括外壳，负透镜和四个相同的正透镜。该负透镜具有1.923的折射率、18.9的阿贝数，并在外壳中位于前端和后端之间。该负透镜具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度。每个正透镜都具有1.788的折射率、47.4的阿贝数、前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度。每个透镜都安装到所述外壳上，以便第一和第二正透镜之间的距离为3.511mm、第二正透镜和负透镜之间的距离为4.54mm、负透镜和第三正透镜之间的距离为2.151mm并且第三和第四正透镜之间的距离为2.856mm，从而该目镜具有从前面的正透镜到屏幕的10.58mm距离和29mm的眼睛间隙。

附图说明

所附的权利要求特别指出并明确对本发明的主题提出要求。根据结合附图的下列详细描述的读取，本发明的各种目的、优点和新颖特征将更显而易见的，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：

图1是本发明的应用的透视图；

图2是作为本发明的透镜形式的一个实施例的目镜的剖视图；以及

图3是图2中所示目镜的光线跟踪。

具体实施方式

图1说明了具有以目镜10为形式的透镜形式的光学装置，该目镜与以夜视系统11为形式的光学系统相关，它们都安装在未示出的基座中或基座上。该夜视系统11包括带有用于展示物体的荧光输出屏14的图像增强管13。图1还示出了用于屏幕14上的图像的光学过滤器15。

该目镜10包括分别具有前开口17和后开口18的外壳16。在本公开中，“前端”是目镜10面对物体的末端。

在该特定实施例中，目镜10包括聚焦机构20，该聚焦机构包括绕着外壳16的周边呈角度间隔开的外螺纹部分21，该外螺纹部分与内连续螺纹23相接合，从而能使用户以现有技术中公知的方式沿着光轴24使外壳16前进或缩回，进行焦距调节。

出射光瞳25和目镜26的后表面之间的距离限定眼睛间隙，该目镜是目镜10中几个正透镜中的一个。因此，使用图1中所示设备的个人将他或她的眼睛定位在与眼睛间隙相对应的离目镜26适当的距离处。这样，能够聚焦所看到的图像，以适应用户的眼睛。

图2将本发明的透镜形式说明为具有以定位在外壳16中的透镜为形式的五个空气间隔的光学元件的目镜10。图2还说明了目镜10相对于物体的位置，如图像增强管屏14和出射光瞳25。在该透镜形式的实现中，五个空气间隔的光学元件由五个空气间隔的单透镜构成，该五个空气间隔的单透镜从前到后包括正目镜26、正透镜30和31、负透镜32和正透镜33。该五元件透镜形式的实现能够提供重量轻、紧凑的目镜10。

如图2中所示，透镜30、31、32和26为具有正透镜的特征的平凸单透镜，而单透镜32为具有负透镜特征的双凸面透镜。正透镜和负透镜的组合提供给透镜设计者目镜10的Petzval Sum的控制程度。也就是，由四个正透镜26、30、31和33构成的Petzval Sum中透镜的正值和负透镜32的负值对彼此提供偏差，以使得Petzval Sum最小化。这种控制在匹配屏幕14的曲率中是有用的，从而使得目镜10或合并该透镜形式的任何其他光学装置所产生的图像的场曲率最小化。

合并该透镜形式的光学装置还可提供另一优点。目镜10包括具有相同设计特征的四个正透镜26、30、31和33。结果，该透镜形式能够使光学装置由从两个不同的透镜类型中选取的五个光学元件构造。也就是，目镜只要求一个负透镜和一个正透镜的设计。该特征能够对具有五个透镜或五种不同设计的那些相关光学装置提高生产效率。获得四个相同正透镜的成本可低于获得四个不同正透镜的成本。而且，在组装期间，只需要在正透镜和负透镜之间进行区别，不需要在只由尺寸区分的多个不同的正透镜之间进行辨别。

对于图2中的屏幕14和透镜30之间的物距改变的两种应用，通过考虑如目镜10之类的两目镜的构造，可更完全地理解前述和其他优点。每个实例都具有共同的设计标准，即：

物体尺寸：18mm

眼睛间隙：29mm

出射光瞳：14mm

外观HFOV：≈20°

利用球面和色差、慧差和散光的这些输入和其它输入特征，目镜10已经由表I中所示的透镜参数构造：

表I

透镜参数	正透镜	负透镜
			前半径	∞	-78.466mm
后半径	38.835mm	41.7068mm
			中央厚度	4.050mm	1.785mm
玻璃	SLAH 64	SNPH 2
			折射率	1.788	1.923
阿贝数	47.4	18.9

表II证明了在不改变目镜中透镜的特征的情况下，透镜形式如何适应从物体到前透镜的不同距离。实例1阐述了从前透镜到物体10.58mm的距离的透镜空间；实例2是12.88mm的距离。

表II

间距	实例1	实例2
			透镜30-透镜31	3.511mm	0.524mm
透镜31-透镜32	4.54mm	7.175mm
			透镜32-透镜33	2.151mm	1.351mm
透镜33-透镜36	2.856mm	3.434mm
			眼睛间隙	29.00mm	29.00mm
EFL	27.05mm	26.80mm
			BFL	10.58mm	12.88mm
HFOV	19.85°	19.99°
			光瞳	14.00mm	14.00mm

更具体地，假设实例1基于物体和前正透镜30之间需要10.58mm的间距的初始设计。还假设，后面的设计过程需要更大的距离。实例2示出了距离增大到12.88mm的设计。两个实例使用相同的透镜。仅仅通过改变相邻透镜之间的间距获得该变化的适应。此外，目镜10的其它光学参数不改变到任何明显的程度。

图3说明了轴上焦点34以及离轴或全场焦点35的一组光线跟踪。来自轴上焦点34主光线跟踪34A沿着轴24通过目镜10。上光线34B和下光线34C以一角度从轴上焦点35延伸，该角度表示来自屏幕14的轴上焦点34处的光线的锥度，该光线将在位置25处通过直径14mm的出射光瞳。

仍然参照图3，全场焦点35定位在屏幕14的孔径的周边处，并显示为主光线35A、上光线35B和下光线35C。上光线35B和下光线35C之间的角度表示来自屏幕14的全轴焦点处的光线的锥度，该光线将在位置25处注入直径14mm的出射光瞳。每个光线35A、35B和35C是平行的并以一个角度通过出射光瞳25。如所知的那样，光线35A、35B和35C与轴24在出射光瞳25处的角度转换成全场焦点35相对于轴24的位置。

也如图3中所示，上光线35B在从光轴24偏移的点处通过出口。离中心轴24和光线35B的交叉点的出射光瞳25处的横向距离对应于用户的瞳孔。随着用户转动他或她的眼睛，眼睛接受与屏幕14上不同位置相对应的不同角度的光线。结果，当保持图像增强管处于恒定位置时，用户能够扫描整个视野上的图像。

在包括那些需要使用夜视装备的低照度环境中，通过施加抗反射涂层，可以增强通过目镜10或其他类似光学装置的传输。由于这些涂层在现有技术中是公知的并且非常薄，所以在图中并未公开它们。

因此，图2中所示的透镜形式提供用于光学装置范围的唯一和有效的透镜。除了特别公开的目镜10之外，五个空气间隔的元件透镜形式已经用于设计目标和中继光学装置。通过将五个光学元件限制到单透镜，可简单且容易地构造光学装置。通过使用四个相同的正透镜，能够实现制造的效率。仅仅通过改变间隔参数，某些设计变化就可适应该透镜。因此，在不须对整个目镜进行重新设计的情况下，可能适应不同用户强加的例如从物体到目镜的距离的需求的改变。

本发明已经相对于目镜公开了从弯曲的图像增强荧光屏构成的弯曲的表面物体的输出产生图像。明细地，该设计还可改变成适应平面的平面物体。物体可以是经照明的物体或如光源之类的照明物体。该公开描述了特别的透镜玻璃。也可以使用其它玻璃。构成该透镜形式中的五个空气间隔的元件的五个单透镜中的任意一个都可以用具有适当正或负透镜特征的复合透镜来代替。对于本领域普通的技术人员，其他变化也将明显的。因此，所附的权利要求试图覆盖来自本发明的真正精神和范围之内的所有这些变化和修改。

Claims (15)

1.一种光学系统，包括沿着轴延伸且具有相对开口端的外壳，并且在所述外壳中包括空气间隔开的五个透镜元件，所述五个透镜元件包括：

A)在该轴上位于所述外壳的所述末端中间的第一透镜元件，

B)在该轴上依次位于第一透镜元件与外壳的一个末端之间的第二和第三透镜元件，

C)在该轴上依次位于所述第一透镜元件与所述外壳的另一末端之间的第四和第五透镜元件，所述第一透镜元件具有正透镜和负透镜中一个的特征，而所述第二至第五透镜元件具有正透镜和负透镜中另一个的特征，并且所述正透镜元件中的每一个都具有平凸形状。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜元件具有负透镜的特征，而所述第二至第五透镜元件具有正透镜的特征。

3.如权利要求2所述的光学系统，其中，所述第二至第五透镜元件中的每一个都由相同的透镜元件构成。

4.如权利要求2所述的光学系统，其中，所述第一至第五透镜元件中的每一个都包括单透镜。

5.如权利要求4所述的光学系统，其中，所述第二至第五透镜元件由相同的单透镜构成。

6.一种用于在目镜的前面产生物体的图像的目镜，其中，所述目镜包括沿着轴延伸的具有相对的开口前端和后端的外壳，并且在所述外壳中包括位于所述外壳的末端中间的负透镜和四个相同的正透镜，其中，所述正透镜中的第一和第二个依次定位在所述负透镜和所述外壳的所述前端之间，而所述正透镜中的第三和第四个依次定位在所述负透镜和所述外壳的所述后端之间。

7.如权利要求6所述的目镜，其中，所述负透镜和第一至第四正透镜中的每一个都是单透镜。

8.如权利要求7所述的目镜，其中，所述第一至第四正透镜中的每一个都以相同方式沿着轴取向。

9.如权利要求6所述的目镜，其中，所述负透镜是双凹单透镜，而所述正透镜中的每一个都是平凸单透镜。

10.如权利要求9所述的目镜，其中，所述正透镜取向成使它们平面的透镜表面面对相同的方向。

11.如权利要求9所述的目镜，其中，所述正透镜取向成使它们平面的透镜表面面对所述目镜的前方。

12.如权利要求6所述的目镜，其中：

i)所述负透镜包括具有1.923的折射率、18.9的阿贝数、具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度的材料，

ii)每个正透镜都包括具有1.788的折射率、47.4的阿贝数、前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度的材料，以及

iii)从物体到所述第一正透镜的所述前表面的距离是12.88mm，所述透镜之间的轴向间隔从前到后分别为0.524、7.175、1.351和3.434mm，从而所述目镜具有29mm的眼睛间隙。

13.如权利要求6所述的目镜，其中：

i)所述负透镜包括具有1.923的折射率、18.9的阿贝数、具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度的材料，

ii)每个正透镜都包括具有1.788的折射率、47.4的阿贝数并具有前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度的材料，以及

iii)从物体到所述第一正透镜的所述前表面的距离是10.58mm，所述透镜之间的轴向间隔从前到后分别为3.511、4.54、2.151和2.856mm，从而所述目镜具有29mm的眼睛间隙。

14.一种适合于和夜视装置一起使用的目镜，包括输出屏，所述目镜包括：

A)外壳，包括用于调节所述目镜相对于屏幕的位置并具有前后端的装置，以及

B)位于所述外壳中的五个空气间隔的抗反射涂覆透镜包括：

i)所述外壳的所述前端和后端中间的负透镜，包括具有1.923的折射率、18.9的阿贝数、具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度的材料，以及

ii)第一至第四相同的正透镜，每个所述正透镜都包括具有1.788的折射率、47.4的阿贝数并具有前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度的材料，每个透镜都安装到所述外壳上，以便从屏幕到所述第一正透镜的前表面的距离为12.88mm，并且以便所述透镜之间的轴向间隔从前到后分别为0.524、7.175、1.351和3.434mm。

15.一种适合于和夜视装置一起使用的目镜，包括输出屏，所述目镜包括：

A)外壳，包括用于调节所述目镜相对于屏幕的位置并具有前后端的装置，以及

B)位于所述外壳中的五个空气间隔的抗反射涂覆透镜包括：

i)所述外壳的所述前端和后端中间的负透镜，包括具有1.923的折射率、18.9的阿贝数、具有41.7068mm半径的前凹表面、具有78.466mm半径的后凹表面和1.785mm的轴向厚度的材料，以及

ii)第一至第四相同的正透镜，每个所述正透镜都包括具有1.788的折射率、47.4的阿贝数并具有前平面表面、具有38.835mm半径的后凸表面和4.050mm的轴向厚度的材料，每个透镜都安装到所述外壳上，使得从屏幕到所述第一正透镜的前表面的距离为10.58mm，并且使得所述透镜之间的轴向间隔从前到后分别为3.511、4.54、2.151和2.856mm。

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