CN101479642A - 观察装置 - Google Patents

Abstract

一种观察装置包括一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件可以移动以改变进入该观察装置的光的方向，从而使得不需要移动该观察装置自身就可以将视场的任何地方的对象重新定位到观察像的中心。该观察装置还包括中继透镜组，该中继透镜组在光进入光学元件之前将光调节成类准直状态，由此可以产生更加小巧的装置。该观察装置可以附加地包括变焦透镜机构从而使得能够放大观察像。

Description

观察装置

技术领域

本发明涉及一种改进的观察装置。更具体地讲，本发明涉及这样一种改进的观察装置，这种观察装置能够在允许该观察装置自身保持固定的同时，观察远离它视场的中心的对象并且对该对象的观察像进行调整从而使得可以将该对象重新定位到观察像的中心。

背景技术

这种观察装置适用于其中期望不需要移动该观察装置就可以横扫整个视场的任何观察系统。一个这种应用可以是用于跟随对象的移动的监视或闭路电视(CCTV)摄像机。其他应用存在于检查领域中，例如，油气工业中执行的“降压试井(down well)”检查或者在无损测试(NDT)活动期间执行的检查。

知道如下的观察装置，该观察装置能够在不需要移动该观察装置自身的情况下移动观察像的中心。在专利申请GB 2186993中，英国核能公司(BNF)提供了一种用于在管道工程或者在放射性单元中进行观察的观察装置。这个观察装置包括与一个或更多个棱镜结合使用的摄像机，所述棱镜可以进行移动以有角度地改变系统的视场。

BNF提出：这些棱镜必须置于该观察装置的第一端的光学器件之前，其中，入射光从所述第一端进入该系统。为了该规范，透镜组件的“第一端”应该被定义为透镜组件的末端，来自对象的入射光在该末端处进入透镜组件。相似地，观察装置的“第二端”被定义为透镜组件的产生对象像以进行观察的末端。对这些棱镜进行如此定位的原因在于，现有技术认为棱镜仅仅在完全准直光的情况下才能够进行有效工作。这是因为：当棱镜以非垂直的入射角接收光时，光线根据它们的波长而折射到不同度数。这将导致不期望的像失真和可能被观察为色彩分裂的色像差。

然而，由BNF提供的将这些棱镜定位在装置的第一端的缺点在于：如果要这些棱镜能够即时对实际尺寸的视场进行成像，则需要这些棱镜非常大。该装置中的这个限制意味着：它不适用于空间通常是关键考虑因素的诸如监视和检查领域中的许多应用。

还知道另一种装置，其中，通过使用机械致动器移动装置自身来实现图像的移动。这种装置通常采取配备有多个电机以使其能够摇摄和/或倾斜到期望朝向的摄像机的形式。这种类型的装置不需要BNF所需要的大的棱镜；实际上，它们根本不需要使用棱镜来改变光的方向。然而，它们的机械结构较为复杂，由此体积大且昂贵。

当需要使用观察装置通过屏障中的孔观察对象时，会出现另一个问题。这种需要可以出现在许多不同的情况中。一个这种情况是监视，例如，希望在一个人不知道的情况下观察此人。在这种情形下，屏障可以是墙，摄像机嵌入在该墙中。第二种情况是在诸如可疑炸弹的精密产品的壳体内进行检查以确定关于炸弹结构的足够信息，从而使得能够在确保对炸弹壳体的破坏最小的同时成功地去掉雷管。在这个第二种情况下，屏障通常可以是壳体。

在这些情况中使用诸如以上描述系统的常规观察系统会由于孔的边缘与视场紧密接触而出现严重的像晕影。当使用由BNF提供的系统时，由于拍摄实际视场需要这种大棱镜，所以这个问题尤其突出。为了使用这种类型的系统获得高品质像，孔需要非常大，这在很多情况下是根本不可能的。

另外，随着孔与观察装置之间的距离(“间隔”距离)增大，这种晕影效应急剧增大。在期望大间隔距离的应用中，这会出现严重的问题。例如，当安置隐藏的监视摄像机时，大间隔距离是有利的，这是因为这减小摄像机被看见和被发现的风险。

另外，当使用采取机械摇摄和倾斜机构的摄像机时，必须扩大屏障中的孔以允许摄像机的移动。这种孔的扩大是非常不利的。例如，在监视应用中，孔的扩大会显著增大摄像机被发现的可能性。在炸弹处置应用中，孔的扩大可能有更加严重的后果，因为它增大了导致爆炸的风险。

发明内容

本发明通过提供一种使得能够将观察装置包含在小巧得多的空间内的新颖透镜布置，从而解决了现有技术的这些问题。

本发明的另一个优点在于：通过提供将内部孔径光阑的实像向前投影到物方空间中从而在透镜组件前产生固定的外部入射光瞳的装置，本发明解决了与通过屏障中的孔观察对象相关联的问题。

本发明因此提供了一种观察装置，该观察装置包括第一端，该第一端接收来自视场内的入射光并且适于在该观察装置的第二端上的像平面上产生聚焦像，所述观察装置还包括一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件可以移动以使得可以将来自该观察装置的视场内的任何地方的光的方向改变为光轴，由此不需要移动该观察装置自身就能够移动视场，该观察装置的特征在于：该观察装置在该观察装置的第一端包括中继透镜组，该中继透镜组在使用中可以在光入射到所述一个或更多个光学元件之前将该光调节成类准直状态。

该观察装置可以包括摄像机、双目镜或望远镜。该装置可以包括在常规视频/静止摄像机的透镜中普遍出现的类型的常规透镜元件或者这种透镜元件组。优选的是，该观察装置还包括位于所述像平面上的像接收装置。该像接收装置可以是适于接收像的任何装置，例如照相胶片、数字或模拟成像传感器或眼睛。还可以想象采用这些像接收装置中的两个或更多个的组合的装置。

为了解决现有技术的这些问题并且产生可以包含在更加小巧空间内的观察装置，需要减小使用的光学部件的尺寸。然而，诸如由BNF提议的现有技术布置中的光学部件的尺寸的减小会导致视场显著减小，这是由于需要将准直空间内的光学部件定位在观察装置的第一端。这些光学部件的尺寸的减小还会导致像差和失真增大并且由此损坏像质量。

然而，在本发明中，发明人已经发现：与现有技术的教导相反，如果进入光学部件的光事实上没有完全准直，而仅仅是近似准直或类准直，则观察装置的光学部件的尺寸和复杂度将能够显著减小。通过在观察装置的第一端在光学元件之前设置中继透镜，能够实现将类准直光引入光学元件。

因此，根据本发明，位于观察装置的第一端的中继透镜组具有小量的光功率，从而它对准直入射光进行调节以产生近似或类准直状态的光。由于随后不需要保持光的完全准直，所以可以大大简化光束的进一步处理。

因此可以说中继透镜组对光束进行调节以进入后继光学元件。与现有技术相比较而言，对光束的这种调节使得可以使用小得多的光学元件来控制视场的移动，同时可以保持即时对大至180°的视场进行成像的能力。还将认识到，与使光完全准直所需要的等同透镜组相比较而言，该中继透镜组自身可以小得多并且更简单。

使用这种小的光学元件可以产生非常小的摄像机，这在诸如隐藏监视摄像机的许多领域中具有显著的优点。

可以使用已知的光学布置产生中继组，并且该中继组可以有利地包括变型为产生近似准直光而不是完全准直光的开普勒望远镜。开普勒望远镜型的布置优选于常规的高斯望远镜型的布置，这是因为它产生内部焦平面，由此使得望远镜能够更加小巧。

由于光进入光学元件时不是完全准直而产生的像差可以在光学元件自身内部进行校正，或者可以通过光在由光学元件处理之后进入的调节透镜或透镜组进行校正。应该明白，可以以任何已知方式进行这种校正，然而，还应该清楚，光的“非准直”程度对本发明的操作是非常关键的。

为了产生良好结果，从中继组出射的光应该展示小于或等于0.03的数值孔径(NA)，优选在0.03与0.017之间。对于大于0.03的数值孔径，光入射到光学元件上的角度太大，并且校正由此引入的色像差和失真是不实际的。同样，对于显著小于0.017的数值孔径，光束接近完全准直状态，并且处理近准直光的优点逐渐丧失，从而导致该装置的尺寸增大。

具体地讲，使用0.028与0.022之间的数值孔径实现了良好结果，按照NA＝0.025的标称值执行了重要测试。

本领域技术人员应该明白，本发明等同地应用到正或负值的数值孔径。

虽然在光学元件的尺寸的角度，还使用中继透镜组来减小(类)准直之前的入射光束的尺寸可以是有利的；但是应当明白，本发明可以独立于由中继组产生的放大程度进行操作。实际上，可以使用汇聚或发散以及放大或缩小的入射光束来实现用类准直光来工作的优点。

一个或更多个光学元件的移动使得不需要壳体自身进行摇摄和/或倾斜以调整观察像以使得远离视场中心的对象重新定位在观察像的中心。

优选的是，用于使入射光改道的一个或更多个光学元件包括一个或更多个累斯莱棱镜(Risley prism)(也已知为赫歇尔棱镜(Herschelprism))。累斯莱棱镜包括两个楔形棱镜的组件，这两个楔形棱镜可以独立或相结合进行控制从而经由光的折射使得穿过它们的光的光轴发生偏移。在本发明中，使用这个效果以在入射光通过透镜组件时改变入射光的方向，从而使得原本远离视场中心的对象可以重新定位在观察像的中心。这例如可以通过使得累斯莱棱镜的楔形棱镜围绕该装置的中心线而彼此相对旋转来实现。

使用累斯莱棱镜的优点在于：使得能够在笛卡尔意义上扫描视场，即从左到右和/或从上到下。

在本发明的另选实施方式中，所述一个或更多个光学元件可以包括一种布置的反射镜，这些反射镜可以用于经由光的反射而改变入射光的方向。然而，与采取累斯莱棱镜的摄像机相比较，采用这种布置的摄像机会占据较大的包装体积。也可以通过采用单个元件透镜并且在与光轴垂直的平面上移动这个透镜来产生期望的入射光角度偏移。然而，与使用累斯莱棱镜或反射镜的情况相比较而言，使用这种技术导致的像质量的劣化大得多。

优选的是，累斯莱棱镜的楔体中的至少一个包括两个或更多个元件，各元件由不同折射率的材料形成。与使用共同折射率的材料相比较而言，本发明的这个方面有助于减小色像差，这是因为，它允许对透镜组件进行设计从而使得由第二元件引入的像差可以补偿由第一元件引入的像差。由此，累斯莱棱镜的结构还可以用于补偿由于使用类准直而非完全准直光而引入的色像差。

如上所述，优选的是，一旦光从光学元件出射，它穿过用于校正由中继组或者光学元件所引入的任何残余像差的调节透镜或者透镜组。

有利的是，透镜组件还包括用于放大所产生的像的变焦装置。在这种情况下，调节透镜可以并入在变焦装置内部，不过这并不是必要的。变焦装置提供如下的优点：使得透镜组件的焦距可以改变，从而能够对调整后的对象的像的尺寸进行放大或缩小。当与上述的光学元件的移动相结合使用时，这使得观察装置可以变焦到系统的最大视场内的任何点并且在系统的最大视场内的任何点之间进行移动。

如上所述的调节透镜或者透镜组与变焦装置的相结合使用提供了使得光学元件和变焦装置能够同时进行操作而不会损失任何像质量的优点。这是因为：在光由变焦装置进行处理之前，调节透镜或透镜组校正了由光学元件引入的像差。

优选的是，该变焦装置可以包括两组或更多组的透镜元件并且可以通过这两组或更多组之间的线性相对移动而进行工作。在具有两组或更多组透镜元件的常规变焦透镜中，这两组或更多组透镜元件可以按非线性方式彼此相对移动，以使透镜组件的焦平面的移动最小化并且由此确保观察像保持在焦点上。然而，虽然使用透镜的线性移动而不是常规的非线性移动所能够实现的绝对像质量出现一些下降，但是这不会带来严重的问题。实际上，当使用成像传感器时，由于能够将任何的像质量下降控制为低于传感器能够进行检测的级别，所以不会察觉到任何像质量损失。两组或更多组的线性移动的优点在于减小了摄像机的内部工作的复杂度，由此使得能够将观察装置的尺寸保持在最小并且允许在有限空间内使用观察装置。使用此线性相对移动使得诸如摄像机的观察装置的结构可以占据小至150cm³的包装体积，其中透镜布置自身的体积仅仅是100cm³。

有利的是，变焦组件是可以拆卸的，由此允许观察装置的用户选择最适于所观察对象的变焦装置。

在本发明的另一个实施方式中，所述变焦装置可以由“固态”变焦器件提供。固态变焦包括一个或更多个透镜，并且设置有用于改变这些透镜的几何结构以控制它们产生的缩放率的装置。

应该明白，任何已知结构的变焦装置都可以与本发明的观察装置结合使用，只要它使得用户能够对他们选择的部分视场进行放大即可。

优选的是，该观察装置还包括孔径光阑以限制系统的入射光瞳的尺寸。有利的是，如果正在使用变焦装置，则这个孔径光阑可以设置在变焦装置内。在变焦装置内设置孔径光阑减小了高变焦缩放时的像失真。然而，如果不使用变焦装置，则孔径光阑可以设置在调节透镜中，或者可以设置在优选位于可移动光学元件与像平面之间的另一定焦透镜或透镜组中。

本发明提供的另一个优点在于：中继透镜组还用于将孔径光阑的实像从观察装置的第一端向前投影到“物方空间”。在这个说明书中，术语“物方空间”用于表示观察对象所在的、观察装置的第一端之前的空间。

将孔径光阑向前投影到物方空间在观察装置的第一端之前的特定距离处形成入射光瞳，所述入射光瞳用于限制能够进入系统的光量。优选的是，在观察装置的工作期间内，甚至在光学元件或变焦装置正在移动时，该入射光瞳保持固定。这可以通过仔细选择所使用的透镜的几何结构来实现。

固定外部入射光瞳的产生使得能够使用上述的可移动光学元件将由该装置成像的视场的中心围绕入射光瞳进行转动，由此允许该装置横扫最大视场。

因此，如上所述，本发明的这个方面使得它特别适用于通过屏障中的孔观察对象。这是因为：外部入射光瞳使得能够最大化观察像的尺寸，同时避免由屏障中的孔的周缘所导致的任何影晕。孔径光阑的实像的前向投影还减小了观察装置产生的像质量对所使用孔的尺寸、形状和质量的改变的灵敏度。这是因为：入射光瞳的尺寸是由光学中继装置向前投影的孔径光阑的像来限制的，而不是由孔自身来限制的。

将孔径光阑从透镜组件的第一端向前投影还使得观察装置的第一端的最外端可以与孔有所偏移而不会导致所获得的像质量下降。换言之，这允许系统的间隔距离增大。通过将观察装置定位为使得屏障中的孔和外部入射光瞳基本重合，能够获得良好结果。优选的是，本发明的观察装置按照范围在2毫米到4毫米的距离将入射光瞳向前投影到物方空间。

屏障中的孔可以是任何形状或尺寸的。实际上，孔的尺寸仅仅受到用于接收像的装置的光敏度的限制，并且由此可以将其设计为提供使用的特定部件的最佳性能。然而，应该认识到，本发明的优点在于：所获得的像质量在可使用极限内，对孔的尺寸和形状不灵敏。

为了在典型环境条件下提供有效成像并且减小观察装置的成像的不利效果(例如所观察到的像的影晕)，已经发现：有利的是，孔可以具有提供F/7到F/12的范围内的相对孔径的直径。然而，在明亮条件下，例如在阳光充足的夏日，可以使用F/15的相对孔径。出于本发明的目的，“直径”被定义为孔的短轴的尺寸。已经发现：可以使用直径在0.8毫米到1.0毫米的范围内的孔以提供良好质量的成像，同时能够将在屏障中形成孔的冲击最小化。在非常明亮的条件下，孔的直径能够进一步减小，减小到小至0.3毫米。

如上所述，观察装置可以具有大至180°的视场。然而，应该注意：随着最大视场的增大，观察装置可以实现的最大间隔距离将会减小。

附图说明

作为示例，现在说明适用于位于屏障中的孔后面的监视摄像机的本发明的实施方式。将参照附图，在附图中：

图1示出了根据本发明的摄像机的剖面图。

图2示出了图1的摄像机的第二剖面图，它显示了组成变焦装置的两组透镜元件的相对移动的效果。

图3示出了图1的摄像机的第三剖面图，它显示了设置在透镜组件内的累斯莱棱镜的相对转动的效果。

具体实施方式

摄像机(1)包括透镜组件(2)，透镜组件(2)位于壳体(3)内。透镜组件(2)具有光轴(4)。当使用时，将摄像机置于屏障(5)的后面，在这个实施方式中，摄像机(1)的间隔距离(S)是2毫米。屏障包括孔(6)，在这个实施方式中，孔(6)的直径近似是1mm。透镜组件(2)包括中继透镜组(7)，中继透镜组(7)位于摄像机(1)的第一端(8)。这个中继透镜组(7)包括开普勒望远镜型的透镜结构，并且用于将光聚焦到内部焦平面，然后使光基本但不是完全地准直，从而使得从中继透镜组(7)出射的光线是类准直的。在本发明的这个实施方式中，从中继透镜组(7)出射的光的数值孔径近似是0.025。因此，中继透镜组(7)将光束调节为使得该装置中的后继光学元件可以做得更加小巧。离开中继透镜组(7)的经调节光然后进入累斯莱棱镜(9)。累斯莱棱镜(9)包括两个分离的楔形棱镜(10，11)。这两个楔形棱镜(10，11)可以一起旋转或者可以彼此相对独立地旋转，以改变从透镜组件(2)的视场(15)内的任何地方进入透镜组件(2)的光线的方向从而使得视场(15)可以移动。这两个楔形棱镜(10，11)中的每一个均由两个光学元件(10a，10b，11a，11b)组成，这些光学元件(10a，10b，11a，11b)成对结合在一起以形成两个楔形棱镜(10，11)并且由折射率不同的材料形成以减小像差的出现。透镜组件(2)还包括变焦装置(12)，变焦装置(12)具有两组透镜元件(12a，12b)，这两组透镜元件(12a，12b)可以沿着光轴(4)彼此相对移动。变焦装置(12)的透镜组(12a)用作调节透镜组并且适于校正由中继透镜组(7)或累斯莱棱镜(9)引入的任何残余像差。变焦装置(12)的透镜组(12b)附加地包括孔径光阑(13)。这个孔径光阑(13)的实像经由中继透镜组(7)向前投影到物方空间，从而产生固定的外部入射光瞳以限制可以进入透镜组件(2)的光量。摄像机(1)相对于屏障(5)中的孔(6)被设置为使得外部入射光瞳与孔(6)基本重合，以防止由于孔(6)的形状或质量而对像质量造成任何不利影响。摄像机还相对于孔(6)被设置为使得对象(14)位于透镜组件(2)的视场(15)内。

图1到图3示出了来自对象(14)的入射光(16)随着其穿过屏障(5)中的孔(6)和透镜组件(2)、直到它聚焦到位于摄像机(1)的在透镜组件(2)后面的第二端(18)的像接收装置(17)(在这种情况下是成像传感器)上的通道。图2示出了组成变焦装置(12)的两组元件(12a，12b)的相对移动对入射光(16)的影响。从图1和图2可以看出，对象(14)位于光轴(4)上，即，该对象位于视场(15)的中心。图3示出了组成累斯莱棱镜(9)的两个楔形棱镜(10，11)的相对旋转导致现在的位置远离视场中心的对象(14)俨然进入所观察像的中心、从而使得能够通过变焦装置(12)的动作来放大或缩小对象的尺寸。

应该明白，以上描述并且在附图中示出的示例仅仅是本发明的一个实施方式的示例，并且不应该被理解为限制本发明的范围。

还应该明白，尽管本说明书在可见光的角度描述了本发明的装置和方法，但是它的教述还可以应用到所有的电磁频谱，例如对于红外辐射。

Claims (25)

1、一种观察装置，该观察装置包括第一端(8)，所述第一端(8)用于接收来自视场(15)内的入射光并且适于在所述观察装置的第二端(18)的像平面上产生聚焦像，所述观察装置还包括一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件可以移动从而可以将来自所述观察装置的视场内的任何地方的光的方向改变为光轴(4)，由此不需要移动所述观察装置自身就能够移动视场(15)，所述观察装置的特征在于：所述观察装置在所述观察装置的第一端(8)包括中继透镜组(7)，所述中继透镜组(7)在使用中可以在光入射到所述一个或更多个光学元件之前将该光调节成类准直状态。

2、如权利要求1所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述中继透镜组(7)的数值孔径小于或等于0.03。

3、如权利要求1所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述中继透镜组(7)的数值孔径在0.017到0.03的范围内。

4、如权利要求1所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述中继透镜组(7)的数值孔径在0.022到0.028的范围内。

5、如上述任一项权利要求所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述观察装置包括调节透镜或透镜组(12a)，所述调节透镜或透镜组(12a)在使用中位于所述一个或更多个光学元件与所述观察装置的第二端(18)之间，并且适于在使用中补偿由所述中继透镜组(7)或者所述一个或更多个光学元件引入的任何像差。

6、如上述任一项权利要求所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述观察装置还包括变焦装置(12)，所述变焦装置(12)用于放大所观察的像。

7、如权利要求6所述的观察装置，该观察装置的特征在于：在所述变焦装置(12)中并入有调节透镜或透镜组(12a)。

8、如权利要求6或7所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述变焦装置(12)包括两组或更多组的透镜元件(12a，12b)，并且可以通过所述两组或更多组之间的线性相对移动而进行工作。

9、如权利要求6或7所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述变焦装置(12)包括固态变焦透镜。

10、如权利要求6到9中的任一项所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述变焦装置(12)是可以拆卸的。

11、如上述任一项权利要求所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述一个或更多个光学元件包括一个或更多个累斯莱棱镜(9)。

12、如权利要求11所述的观察装置，该观察装置的特征在于：组成累斯莱棱镜(9)中的至少一个的楔形棱镜(10，11)中的至少一个包括两个或更多个元件(10a，10b，11a，11b)，各个元件由折射率不同的材料形成。

13、如权利要求1到10中的任一项所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述一个或更多个光学元件包括一个或更多个反射镜。

14、如上述任一项权利要求所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述透镜组件具有大至180°的视场。

15、如上述任一项权利要求所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述观察装置包括孔径光阑(13)。

16、如权利要求15所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述孔径光阑(13)设置在变焦装置(12)内。

17、如权利要求15或16所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述中继透镜组(7)在使用中可以将所述孔径光阑(13)的实像从所述观察装置的第一端(8)向前投影到物方空间，由此产生外部入射光瞳。

18、如权利要求17所述的观察装置，该观察装置的特征在于：在使用中，所述孔径光阑(13)的实像相对于所述观察装置保持固定。

19、如权利要求17或18所述的观察装置，该观察装置的特征在于：向前投影所述孔径光阑(13)的实像，以在距所述观察装置的第一端(8)在2毫米到4毫米的范围内的距离处产生入射光瞳。

20、如权利要求17到19中的任一项所述的观察装置，该观察装置的特征在于：所述观察装置在使用中包含在壳体(3)内，所述壳体(3)中具有孔(6)，所述观察装置按如下方式布置在所述壳体(3)中：使得由所述中继透镜组(7)投影的所述孔径光阑(13)的实像与所述孔(6)基本重合。

21、一种通过孔(6)观察对象的方法，该方法包括使用如权利要求17到19中的任一项所述的装置，将所述装置布置为使得由所述中继装置向前投影的所述孔径光阑(13)的实像与所述孔(6)基本重合。

22、如权利要求21所述的方法，该方法的特征在于：所述孔(6)的直径在0.3毫米到1毫米的范围内。

23、如权利要求21或22所述的方法，该方法的特征在于：所述孔(6)产生F/7到F/15范围内的相对孔径。

24、一种观察装置，该观察装置基本上如本文参照附图所述。

25、一种通过孔观察对象的方法，该方法基本上如本文所述。

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