CN101873419A - 用于红外照相机的透镜位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于红外照相机的透镜位置传感器。一种用于红外或其他类型照相机的透镜位置传感器，其在近场和远场透镜焦点位置之间具有相对有限的轴向行进的透镜组件中尤其有用。照相机包括耦合至可旋转透镜的磁体或其他激励器，其在磁体平面中延伸，其中磁体平面不垂直于透镜的光轴。磁体或其他传感器感测磁体的位置，磁体的位置指示透镜位置。

Description

用于红外照相机的透镜位置传感器

技术领域

本公开内容涉及用于红外照相机或其他类型照相机的透镜位置传感器。

背景技术

手持热成像照相机，例如包括微辐射计检测器以产生红外图像，用于各种应用中，这包括检查建筑物和工业仪器。许多尖端科技的热成像照相机具有大量的内置功能，允许用户从大量显示选择中选择一个显示，从而用户可以最大化他的“实时”、或现场理解由照相机收集的热信息。

正如所知的，红外照相机通常采用与相应的红外焦平面阵列(FPA)合作的透镜组件，以在特定轴上提供视图的图像。通常如下操作这种照相机。经由包括透镜组件的红外光学器件，接收红外能量，并且将其导向微辐射计红外检测器元件或像素的FPA上。每个像素相应于通过改变其阻抗值而接收的热能。红外(或热)图像可以通过测量像素阻抗-经由向像素施加电压并且测量产生的电流或者向像素施加电流并且测量产生的电压而形成。例如，通过扫描FPA的所有行列，可以产生图像数据的帧。通过重复扫描FPA以形成数据的连续帧，可以产生动态热图像(即，视频图像)。通过重复扫描FPA的行，产生热图像数据的连续帧；这种帧以一定速率产生，以产生热图像数据的视频图像。

正如所知的，透镜组件通常包括安装在照相机外壳上的固定透镜体。透镜体支撑用于聚焦透镜的可旋转聚焦环。环在透镜体内的旋转产生环和透镜相对于透镜体的轴向移动，由于透镜体的凸轮作用，透镜体保持固定。可以采用透镜位置传感器以确定透镜焦点位置。然而，在一些透镜组件设计中，焦距在非常短的轴向平移上从其最小距离变至其最大距离。短轴向平移未提供可以在其上使用透镜位置传感器测量焦点位置的轴向平移。因此，在这种情况下，透镜位置传感器的分辨率以及因而其精确性可能有损。

发明内容

本发明的一些实施例提供了具有透镜位置传感器的红外照相机，其包括外壳、具有FPA的焦平面阵列(FPA)包、透镜组件、磁体和磁传感器。透镜组件包括可旋转透镜，其定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的热场景数据导向FPA。中心光轴限定了垂直于轴的透镜平面。磁体耦合至透镜，从而其随着透镜旋转和轴向移动。磁体在磁平面中延伸，并且磁平面与透镜平面形成大于零度的角度。磁传感器感测来自磁体的磁通量，以确定透镜位置。

本发明的一些实施例提供了具有透镜位置传感器的照相机，其包括外壳、焦平面阵列(FPA)、透镜组件、磁体和磁传感器。透镜组件包括透镜，其定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA。中心光轴限定了垂直于轴的透镜平面。透镜还可在远场位置和近场位置之间旋转。磁体耦合至透镜，从而其随着透镜旋转和轴向移动。磁体在磁平面中延伸，并且磁平面与透镜平面形成大于零度的角度。磁体传感器测量磁体的接近性，以确定透镜位置。当透镜处于远场位置时与当透镜处于近场焦点位置时相比，磁体相对更靠近磁传感器。磁体与磁传感器的接近性部分地取决于磁平面和透镜平面之间的角度。

本发明的一些实施例提供了具有透镜位置传感器的照相机，其包括外壳、焦平面阵列(FPA)、透镜组件、场源和传感器。透镜组件包括透镜，其定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA。中心光轴限定了垂直于轴的透镜平面。透镜还可在远场位置和近场位置之间旋转。场源耦合至透镜并且至少局部地包围透镜，从而其随着透镜旋转并且轴向移动。场源定义了场源平面，而场源平面与透镜平面形成大于零度的角度。传感器感测场源的接近性以确定透镜位置。当透镜处于远场位置时与当透镜处于近场焦点位置时相比，场源相对更靠近传感器。场源与传感器的接近性部分地取决于场源平面和透镜平面之间的角度。

根据本发明，一种具有透镜位置传感器的照相机包括：

外壳；

焦平面阵列FPA包，所述FPA包安装在外壳内并且包含FPA；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的热场景数据导向FPA，旋转聚焦环使得透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

耦合至透镜的磁体，从而磁体随着透镜旋转和轴向移动，磁体在磁平面中延伸，磁平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

磁传感器，所述磁传感器安装在外壳内，磁传感器感测来自磁体的磁通量，以确定透镜位置。

根据上述照相机，优选地，该角度大于2度。

根据上述照相机，优选地，磁体表面限定磁平面，并且任选地，该表面是最接近FPA包的表面。

根据上述照相机，优选地，磁体具有最接近FPA的第一表面和最接近透镜的相反的第二表面，磁平面在第一和第二表面之间中心地延伸。

根据上述照相机，优选地，磁传感器感测得的磁通量随着磁体的轴向移动和旋转而改变，并且任选地，

由磁传感器基于磁体旋转所感测的磁通量的改变，随着磁体和透镜平面之间的角度的增加而增加；或者任选地

透镜可在远场透镜位置和近场透镜位置之间旋转，由磁传感器基于磁体在近场和远场透镜位置之间的旋转所感测的磁通量的改变，大于或等于由磁传感器基于磁体在近场和远场透镜位置之间的轴向移动所感测的磁通量的改变。

根据上述照相机，优选地，透镜组件包括固定的透镜体和可旋转聚焦环，可旋转聚焦环支撑磁体和透镜。

根据本发明，一种具有透镜位置传感器的照相机包括：

外壳；

安装在外壳内的焦平面阵列；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA，旋转透镜引起透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜在远场位置和近场位置之间可旋转，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

耦合至透镜的磁体，从而磁体随着透镜旋转和轴向移动，磁体在磁平面中延伸，磁平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

磁传感器，所述磁传感器安装在外壳内，磁传感器感测磁体的接近性以确定透镜位置，与近场位置相比，在远场位置中磁体相对更靠近磁传感器，磁体与磁传感器的接近性局部地取决于磁平面和透镜平面之间的角度。

根据上述照相机，优选地，当在磁平面和透镜平面之间使用更大角度时，磁体在远场位置相对更接近磁传感器。

根据上述照相机，优选地，当在磁平面和透镜平面之间使用更大角度时，磁体在近场位置相对更远离磁传感器。

根据上述照相机，优选地，磁体与磁传感器的接近性根据磁体的轴向移动和旋转而改变，并且任选地，磁体与磁传感器的接近性基于磁体在近场和远场位置之间的旋转的改变，大于或等于磁体与磁传感器的接近性基于磁体在近场和远场位置之间的轴向平移的改变。

根据上述照相机，优选地，透镜旋转通过180度，并且远场和近场位置由透镜小于180度的旋转而分离。

根据上述照相机，优选地，还包括处理器，其所述处理器基于磁传感器感测得的磁通量而确定透镜位置。

根据上述照相机，优选地，还包括可见光传感器。

根据上述照相机，优选地，磁传感器是霍尔效应传感器。

根据上述照相机，优选地，照相机是红外照相机。

根据上述照相机，优选地，透镜在近场位置和远场位置之间的轴向移动小于0.050英寸(1.3mm)，并且优选小于0.025英寸(0.64mm)。

根据上述照相机，优选地，磁体至少局部围绕透镜。

根据本发明，一种具有透镜位置传感器的照相机包括：

外壳；

安装在外壳内的焦平面阵列；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA，旋转透镜引起透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜在远场位置和近场位置之间可旋转，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

第一场源，所述第一场源耦合并至少局部围绕透镜，从而场源随着透镜旋转和轴向移动，场源限定场源平面，场源平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

传感器，所述传感器安装在外壳内，传感器感测场源的接近性以确定透镜位置，与近场位置相比，在远场位置中场源相对更靠近传感器，场源与传感器的接近性局部地取决于场源平面和透镜平面之间的角度。

根据上述照相机，优选地，场源完全围绕透镜。

附图说明

下列附图示出了本发明的特定实施例，并且因而不限制本发明的范围。附图并非必需按规定比例(除非特别指出)，并且意于与下列详细说明中的解释一同使用。下文将结合随附附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件。

图1是根据本发明一些实施例的红外照相机的示意图。

图2是根据本发明一些实施例的红外照相机的正面透视图。

图3是根据本发明一些实施例的红外照相机的红外引擎组件的正面透视图。

图4是图3中所示的引擎组件的正面透视图。

图5是沿着图4的线5-5截取的红外照相机引擎组件的横截面视图，其中移除了可见光(VL)照相机模块。

图6A是沿着图4的线6-6截取的透镜组件的横截面透视图。

图6B是调整至远焦位置的沿着图4的线6-6截取的透镜组件的横截面视图。

图6C是调整至近焦位置的沿着图4的线6-6截取的透镜组件的横截面视图。

图7A是示出了根据本发明一些实施例的调整至远焦位置的透镜组件、磁体和磁传感器之间的角度关系的示意图。

图7B是示出了根据本发明一些实施例的调整至近焦位置的透镜组件、磁体和磁传感器之间的角度关系的示意图。

图8A是示出根据本发明一些备选实施例的磁传感器之间的相对位置的示意图。

图8B是示出根据本发明一些备选实施例的××之间的相对位置的示意图。

具体实施方式

下列详述本质上是示意性的，并且并不意于以任何方式限制本发明的范围、可应用性或结构。相反，下列描述提供了用于实施本发明示意性实施例的实践说明。

本发明的实施例涉及具有透镜位置传感器的红外(IR)照相机。在一些实施例中，照相机包括成像能力，诸如当照相机包括感测来自目标场景的热或红外辐射的热传感器时的热成像能力。热传感器可以包括红外检测器阵列，诸如感测目标场景的热图像的焦平面阵列(FPA)。在一些这种照相机实施例中，IR照相机包括用于观察已感测得的热影像的显示。而且，在一些这种照相机实施例中，IR照相机可以包括存储机构，从而仪器作为感测和存储热影像的红外(IR)照相机模块。IR照相机的照相机还可以包括可见光(VL)传感器，其感测来自目标场景的VL电磁辐射。传感器可以包括VL检测器阵列，以便于感测目标场景的VL影像。可以如上关于IR影像所述地显示或存储VL影像。这种显示可以是VL影像、IR影像或这两种影像的混合版本。

图1提供了根据本发明一些实施例的IR照相机100的示意图。照相机100包括照相机外壳102，其支撑多个部件，包括IR透镜组件104和红外传感器106，诸如微辐射计的FPA。外壳102包括显示器108和用户接口110。显示器108用于向用户显示红外图像数据和其他信息。用户界面110包含各种控制器，用户使用这些控制器可以控制和操作照相机100。外壳102还支撑电子系统112，其控制照相机的运行，并且如虚线所示与多个照相机100的部件通讯。

透镜组件104包括IR透镜，用于接收来自目标场景的IR能量锥。透镜组件还包括安装至外壳102的固定透镜体114。透镜体114支撑用于聚焦IR透镜的可旋转聚焦环116。环116在透镜体114中的旋转导致环116和IR透镜相对于保持固定的透镜体114的轴向移动。磁体118可以形成为平坦环形永磁体，其连接至聚焦环116的背部。因而，当IR透镜聚焦时，磁体118随着聚焦环116旋转和轴向平移。如下将进一步讨论的，磁体118安装的角度可以与IR透镜平面不平行。磁体118与磁传感器120协同工作，其中磁传感器120与照相机电子系统112通讯。在一些实施例中，磁体118包括永磁体，而磁传感器120包括霍尔效应传感器。然而，可以采用其他类型的磁体和磁传感器，诸如使用簧片开关和磁阻传感器。由于磁传感器120的视野位于磁体118的磁场中，磁传感器120可以感测磁体118的位置，这继而可以用于确定焦点位置。IR透镜焦点位置提供了对到目标的距离的特别便捷的估计，因为典型的红外透镜具有低F数，从而导致视野的灰度级数少。因此，照相机100可以确定到目标的距离。磁体118可不是限制进入IR辐射数量的孔穴止动块。作为代替地，磁体118中的孔穴可以基本上等于聚焦环116背后的孔穴。然而，在其他实施例中，磁体118可以作为孔穴止动块。

图2示出了根据本发明一些实施例的红外照相机100的正面透视图。在其他附图中，相同的附图标记指示相同的元件。照相机100包括照相机外壳102。照相机100的外壳102的上部部分固定引擎组件(图3)，而下部部分延伸进入手柄122，手柄122用于在使用期间协助抓紧照相机100。手柄122包括用于图像捕捉的触发器124。显示器108位于仪器的背部，从而可以向用户显示红外图像、可见光图像和/或红外和可见光的混合图像。

参考图2和3，照相机100包含引擎外壳102所支撑的IR照相机模块和VL照相机模块。

如上所述，VL照相机模块是任选的。VL照相机模块包括VL透镜126，其用于从沿着输入轴128(图5)基本上定位在中心的目标场景接收VL能量锥。IR模块包括定位在VL透镜126之下的红外(IR)透镜130，其用于从沿着输入轴132(图5)基本上定位在中心的目标场景接收IR能量锥。VL照相机模块和IR照相机模块如此设置使得可见光轴128和红外光轴132彼此偏离并且大致平行，由此导致了视差。

视差可以手动或电子地加以校正。例如，题为“Visible Light and IRCombined Image Camera with a Laser Pointer”的美国专利申请号11/294752公开了一种视差校正结构和方法，其以引用的方式全文并入本文中。这提供了电子校正IR和VL图像的视差的能力。在一些实施例中，热仪器100包括确定至目标的距离的能力，并且包含使用到目标的距离信息而校正由平行光路引起的视差的电子器件。

在一些实施例中，可见光透镜组件使得可见光照相机模块在所有可使用距离处保持聚焦。仅红外透镜需要对处于不同距离的目标进行焦点调整。IR照相机模块包括聚焦组件，用于聚焦IR透镜130。IR透镜130是IR透镜组件104的一部分。参考图2，IR透镜组件可以包括可旋转外环134，其具有用于容纳食指指尖的凹陷。旋转外环134改变IR透镜130的焦点。在下文进一步讨论的实施例中，IR照相机模块包括内部电子传感器，诸如霍尔效应传感器，以确定IR透镜组件104的焦点位置。IR透镜焦点位置提供了对到目标的距离的特别便捷的估计，因为典型的红外透镜具有低F数，导致视野的灰度级数少。因此，照相机100可以确定到目标的距离。

图3是根据本发明一些实施例的IR照相机的IR照相机引擎组件136的正面透视图，其通常安装在照相机外壳中。图4是图3中所示的引擎组件136的正视图。

如图3中所示，引擎136包括引擎外壳138，其支撑照相机模块。引擎外壳138可以形成照相机外壳102，或者可以是照相机外壳102内的独立外壳。透镜体114安装至引擎外壳138。此外，透镜体114可以改为安装至照相机外壳102或者安装至照相机外壳102和引擎外壳138两者。透镜体114支撑可旋转聚焦环116，可旋转聚焦环116耦合至外环134(图2)并用于聚焦IR透镜130。因而，旋转外环134还旋转透镜体114中的内环116，并且导致外环134、环116和IR透镜130相对于维持固定的透镜体114的轴向移动。

图4是根据一些实施例的图3中所示的热仪器引擎136的正视图。图5是沿着图4的线5-5截取的红外照相机引擎组件的横截面视图，其中移除了可见光(VL)照相机模块。

图5以横截面示出了透镜体114，透镜体114安装至引擎外壳138以支撑IR透镜130和用于聚焦IR透镜130的可旋转聚焦环116。可旋转聚焦环116耦合至外环134(图2)。

图5中还示出了安装至IR透镜组件104的磁体118。因此，当IR透镜130聚焦时，磁体118随着透镜组件中的可聚焦透镜130轴向平移。磁体118可以形成为平台环形磁体，其具有导向FPA的孔穴，磁体118与磁传感器协同运作以提供至目标的近似距离信息。至目标的距离信息可以用于许多目的，包括校正视差。虽然图5中未示出，但是磁体可以相对于透镜平面呈角度。

在一些实施例中，VL模块包括由检测器阵列形成的可见光传感器，检测器诸如CMOS、CCD或其他类型的可见光检测器。在一些实施例中，阵列是1280×1024像素(即，1.3兆像素照相机)。VL照相机模块将RGB图像显示数据(例如，30Hz)注入FPGA，用于与来自IR照相机模块的红外RGB图像数据组合，并且随后将组合的图像数据发送至显示器108。在一些实施例中，未包括VL照相机模块。

本发明的IR照相机模块的实施例还包括IR传感器。在一些实施例中，IR传感器由未冷却的微辐射计的焦平面阵列(FPA)形成。在一些实施例中，FPA是160×120微辐射计检测器元素或像素的阵列。在其他实施例中，FPA尺寸为320×240像素。其他尺寸的阵列和除微辐射计之外的其他类型的红外检测器元件在本发明的范围中。图5中，FPA包140容纳和支撑FPA106。

图5还示出了一堆印刷电路板组件(PCA)，其包含支持照相机运行的一些电子器件。如下将进一步描述的，PCA堆包括第一PCA 142、第二PCA 144和温度传感器板(TSB)146。

TSB 146安装在第一PCA 142前部和FPA 106前部。TSB146包括孔穴，其位于导向FPA 106的FPA窗前部。TSB 146可以包括安装在形成TSB 146的印刷电路板任意侧的多个不同传感器，诸如磁传感器120。

图5更清楚地示出了磁体118和磁传感器120之间的相对位置。通过将磁传感器120安装在TSB 146上，磁传感器120可以位于非常靠近磁体118，以便于读取磁体118的位置(例如，IR透镜130的轴向位置)。磁传感器120可以安装在TSB 146的前侧或后侧。作为选择，磁传感器120可以安装在任意处，只要其视野处于磁体118附近。此外，正如图5中显然地所示，将快门148定位在TSB 146前侧。

第一PCA 142基本上包含IR照相机的模拟电子器件。第一PCA 142还在结构上支撑FPA包140。第一PCA 142上的模拟电子器件接触并控制FPA 106，并且将原始红外图像数据(例如30Hz)注入安装在第二PCA 144上的DSP。

在一些实施例中，第二PCA 144基本上包含数字电子部件，包括DSP和FPGA。DSP执行计算以将原始红外图像数据转换成场景温度，并且随后转换成相应于场景温度和所选调色板的RGB色彩。例如，题为“Microbolometer Focal Plane Array with Controlled Bias”的美国专利号No.6444983公开了这种红外照相机，其以引用的方式全文并入本文中。随后DSP将产生的红外RGB图像显示数据注入FPGA，在FPGA中其与VL RGB图像数据组合并且随后将已组合的图像数据发送至显示器108。FPGA在DSP的控制下运行，DSP进一步受控于内置的处理器卡引擎。FPGA控制了快门148的定时和激活。

安装有数字电子器件的FPGA，接收磁传感器120输出的输出，其近似至目标输入的距离。随后，FPGA可以校正红外和可见光图像之间的视差，并且在将组合的影像数据发送至照相机显示器之前，将红外和可见光图像记录在一起，如美国专利申请号No.11/294752中所述。可以提供独立的PCA以支持用户界面和显示器108的操作。

图6A-6C是沿着图4的线6-6截取的IR透镜组件的横截面视图，其中为清楚起见，移除了照相机的其余部分。图6A-6C还示出了图1中所示的IR照相机实施例。图6A-6C示出了固定的透镜体114，其支撑可旋转聚焦环116和透镜130。在所示的实施例中，磁体118是环，其围绕朝向FPA的聚焦环116的背面。磁传感器120安装在照相机外壳102中，与FPA具有较小距离。由于磁体118连接至聚焦环116的背面，当IR透镜130由于透镜体的凸轮作用而聚焦时，磁体118随着聚焦环116轴向平移。当然，通过相对于固定的透镜移动FPA，可以作为代替地改变聚焦位置。磁体118与诸如霍尔效应传感器的磁传感器120协同作用，以提供焦点位置。用于每个红外透镜的用于聚焦距离校正的磁传感器值在工厂被确定，并且将其与其他照相机校正数据一起存储在照相机的非易失性存储器中。从图6B和6C的比较中清楚的是，在图6C中与图6B相比，磁传感器120与磁体118距离更远。

磁传感器120相对于FPA 106固定在外壳102中，以感测连接至IR透镜130的背部的磁体118的接近性。随着经由旋转聚焦环116而改变透镜的焦点，磁体118和磁传感器120之间的距离改变，导致从磁传感器120的输出正比于焦点位置。使用该焦点位置以获得至目标的距离的估计值。红外透镜焦点位置提供了对距离的特别便捷的估计值，因为典型的红外透镜具有低F数，导致视野的灰度等级少。在一个实施例中，磁传感器120可以固定在FPA上。

图6B示出了调整至远焦位置的透镜130，并且图6C示出了调整至近焦位置的透镜130。图6B和6C示出了光轴132。透镜130的平面150垂直于光轴132。磁体118在所述的实施例中为平坦环，还限定了平面152。磁体的其他实施例还可以限定中心平面。中心平面可以在磁体的相对大面之间中心延伸。磁平面152贯穿磁体的第一端154和相对的第二端156。在一些实施例中，磁体118设计或安装使得磁平面152不平行于透镜平面150。在所示的实施例中，聚焦环116的后端158形成或加工使得磁平面152不平行于透镜平面150。当然，可以采用许多其他方法或结构，以实现该相同的非平行结果。例如，可以将有角度的插入物定位在磁体118和聚焦环116之间，以便于设置磁平面152为一定角度。插入物可以与磁体或聚焦环后部集成，或者其可以是独立部件。

图7A和7B是示出根据本发明一些实施例的透镜组件、磁体和磁传感器之间的角度关系的示意图。图7A中，与图6B类似，将透镜组件调整至远焦位置。在图7B中，与图6C类似，将透镜组件调整至近焦位置。图7A和7B示意性地示出了光轴132、垂直于光轴132的IR透镜的平面150，磁平面152以及磁体的第一端154和第二端156。从图7A和7B中可见的是，透镜平面150关于磁平面152形成角度θ，其中图7A和7B未按规定比例绘制。在图7A和7B之间，角度θ维持恒定。

图7A中，磁传感器120和磁体118分隔具有距离FF。随着经由旋转聚焦环而改变透镜焦点，由于透镜体的凸轮作用，磁体118和磁传感器120之间的距离增加至距离NF。即，随着焦点位置从远焦改变成近焦，磁体118和磁传感器120之间的间距增加至距离NF。如图7B中所示，距离NF可以分成三个距离段，段a、段b和段c。段a表示距离FF，这是使得远焦位置处磁体118和磁传感器120之间分离的间距。

段c表示当IR透镜聚焦位置从远场改变至近场位置时，磁体118(和IR透镜)相对于保持固定的透镜体沿着光轴132的轴向平移。轴向平移在图7B中示为磁平面152沿着光轴132从图7A中所示的磁平面152远场位置至图7B中所示的磁平面152近场位置的移动160。图7A中所示的磁平面152远场位置重复作为图7B中的第一示意性平面162。第二示意性平面164表示旋转进入近场位置但是与图7A中的磁平面152处于相同轴向位置的磁平面152，以便于示出等于段c距离的轴向移动160。第二示意性平面164是仅示出便于说明的非真实位置，因为随着磁平面152轴向移动，其围绕光轴132旋转。

在所示的实施例中，磁体118沿着聚焦环围绕光轴132旋转。由于磁体118安装成关于透镜平面150成θ角，在整个旋转期间，磁体118的第二端156就位于磁体118的第一端154后部(例如，约0.060英寸)。即，在整个旋转过程中，角度θ维持恒定。在图6和7中所示的实施例中，聚焦环116旋转180度。图6C示出了从图6B中聚焦环116的位置旋转过180度的聚焦环116。因此，在所示的横截面中，在图7A和7B中，磁体118相对于透镜平面150成角度θ。在一些实施例中，聚焦环116未旋转完整的180度。在这些实施例中，在磁体118更有限地旋转移动期间，其将仍然相对于透镜平面150形成角度θ。

图7B中的段b表示磁体118和磁传感器120之间的距离，这归因于呈角度磁体118的纯旋转，而不考虑整个磁体的任何相关轴向移动(这由段c距离表示)。例如，如图7B中所示，第一示意性平面162和第二示意性平面164是围绕光轴132旋转而不具有任何相关轴向平移的磁平面152的视野。正如显然的是，当第一示意性平面162旋转180度成第二示意性平面164时，磁传感器120和各个示意性平面162、164之间的距离的增加量等于段b。因而，仅由于旋转(而不考虑轴向平移)的磁传感器120和磁平面152之间增加的距离是段b距离。如果聚焦环的旋转小于180度，那么段b距离将短于图7B中所示的距离。然而，随着角度θ增加，段b距离也增加。

因此，通过如上所述倾斜磁体，由于透镜体的凸轮作用而产生的轴向移动(段c距离)和由于倾斜角度(段b距离)，磁传感器120和磁体118之间的距离改变。因而，磁体的倾斜角度θ作用以随着透镜焦距调整而放大磁体118和磁传感器之间的距离。由于即使具有间隔距离的段c成分的小改变(无论通过有限旋转改变或通过有限凸轮作用)，本发明的实施例都提供附加段b成分，所以该放大改进了磁传感器的分辨率。因而，本发明的实施例提供了小型设计的改进焦点位置传感器，即使在极限环境，诸如其中聚焦环从远场至近场位置的完整旋转几乎没有实现轴向平移、其中聚焦环的旋转角度受限、其中透镜组件设计以限制聚焦环的旋转角度或者限制在其上透镜焦点有效改变的旋转角度跨度也是如此。

在本发明的一个实施例中，聚焦环旋转180度的轴向移动(段c)为约0.175英寸。在本发明的第二实施例中，旋转180度的轴向移动(段c)为约0.060英寸，其大致为第一实施例的三分之一。在这种设计中，0.060英寸不提供在其上测量焦点位置的较多轴向平移。因此，随着段c距离尺寸下降，段b距离成为更有用和重要的成分。在第二实施例中，经由等于2.55度的角度θ，将段b距离也设置为0.060英寸。这种设计使得远场和近场位置之间的距离加倍，这非常大地提高了磁传感器的分辨率。段a距离也可以设置为约0.005英寸，其规定了距离的改变的两倍大致等于绝对距离的两倍。在一些设计中，段b距离可以大于段c距离。在其他设计中，段b距离可以小于段c距离。段b距离和段c距离的比例范围可以从0.5到2.0，然而其他比例也是有用的。类似地，在一些实施例中，角度θ大于2度。但是在一些实施例中，角度θ大于1度。

在一些实施例中，照相机的透镜组件可以设计使得在小于机械止动块之间的整个轴向行进的轴向平移上，使焦点从其近场焦点位置(例如，6英寸)改变至其远场焦点位置(例如，无限)。即，即使旋转180度可以提供一定的轴向行进平移(例如，0.060英寸)，但是实际上仅一部分平移(例如，0.020英寸)在其近场和远场位置之间调整透镜焦点。在这种情况下，有限数量(例如60度)的180度可获得旋转将透镜焦点从其近场位置改变至其远场位置，从而剩余旋转(例如，120度)使透镜延伸经过其近场和远场位置。在这种实施例中，在近场和远场位置之间的少量轴向平移(例如，段c距离为0.020英寸)，未提供在其上测量焦点位置的大量轴向平移，而由磁体118的倾斜角度提供的放大(距离b)甚至变得更有用。因而，如果距离b和c的比例为2，那么0.020英寸的距离c在近场和远场位置之间提供了0.060英寸的总改变，因为距离b将为0.040英寸。完整地旋转180度上的剩余轴向平移仍可获得，以考虑制造公差和导致光学器件改变的温度变化。因此，在本发明一些实施例中，在透镜组件设计中使用透镜位置传感器，在这些设计中，焦点从其近场至其远场焦点位置的改变小于0.100英寸的轴向平移。在一些实施例中，与近场和远场位置相关的轴向平移小于0.050英寸。在一些实施例中，与从近场到远场位置的改变相关的轴向平移小于0.025英寸。

图8A和8B示意性地示出了本发明的一个备选实施例，在该设计中，磁体118具有非矩形横截面，诸如示出提供呈角度后表面的三角形横截面。在图8A中，与图7A类似，调整透镜组件至远焦位置。在图8B中，与图7B类似，调整透镜组件至近焦位置。图8A和8B示意性地示出了光轴132、垂直于光轴的IR透镜的平面150、平行于本实施例中磁体的后边缘的磁平面152以及磁体的第一端154和第二端156。从图8A和8B中可见的是，透镜平面150关于磁平面152形成角度θ，其中图8A和8B未按规定比例绘制。在图7A和7B之间，角度θ维持恒定。

在图8A中，磁传感器120和磁体118接近磁传感器120的部分间隔有距离FF。随着经由旋转聚焦环而改变透镜的焦点，由于透镜体的凸轮作用，磁体118和磁传感器120之间的最接近距离增加至距离NF。即，随着焦点位置从远焦改变至近焦，磁体118最接近磁传感器120的部分增加至距离NF。如图8B中所示，距离NF可以分成三个距离段，段a，段b和段c。段a再次表示距离FF，其可归因于处于远焦位置处磁体118和磁传感器120之间的间隔。段c再次表示由于透镜体的凸轮作用而引起磁体118的轴向平移。类似地，段b再次表示由于旋转磁体118而引起的距离成分。

在其他实施例中，磁体118可以具有非平坦前或后表面。通过使用具有非矩形横截面的磁体或者通过具有非平坦后表面所提供的非线性，可以在校准期间得以校正。在这种磁体设计中，如果当在磁传感器处测量时，至少局部由于磁体旋转(段b距离)而不考虑轴向平移(段c)距离而导致磁体提供磁通量的基本增加或减少，可以获得磁传感器的较好分辨率。这种备选磁体设计可以认为具有有效的磁平面，其关于透镜平面形成有效的倾斜角θ。

在一些实施例中，磁体118可以是“c-形”，而不是围绕聚焦环116的整个后表面。例如，如果如上所述聚焦环仅旋转180度，磁体限定的“c”或弧形可以延伸约180度，或者大致等于聚焦环旋转量的任何量。在这种实施例中，定位磁体使得磁体的一部分在聚焦环116的整个旋转中维持临近磁传感器120或在其视野中。聚焦环116的其余部分(例如，另180度)无需具有相应段的磁体，因为聚焦环116的其余部分从未旋转临近磁传感器或在其视野中。类似地，如果如上所述，仅有限数量的可获得旋转度数(例如，180度中的60度)将透镜焦点从其近场改变至远场位置，磁体可以代替地限定较小的弧形(例如，60度，以大致等于远场和近场位置之间的旋转)。同样，在这种实施例中，磁体定位使得在聚焦环116在近场和远场位置之间的旋转上，磁体的一部分维持在磁传感器120的视野中。聚焦环116的其余部分(例如，另120度)无需具有相应段的磁体，因为聚焦环116的其余部分在有用部分的旋转期间未旋转临近磁传感器。在所有这种实施例中，当然，“c”形可能仍然以与本文所述的平坦环形磁体相同的方式限定磁平面。

还应当理解，本发明不局限于使用磁体和磁传感器以作为位置传感器。例如，许多类型的激励器或刺激器可以作为场源(例如，磁、电感、电容、电等)，并且与相应的传感器成对以作为透镜位置传感器。在Fraden、Jacob于1993年发表于“American Institute of Physics”第264-293页上的“In AIP Handbook of Modern Sensors：Physics，Designsand Applications”中第五章“Position，Level and Displacement”中，提供了对合适的位置传感器的进一步描述，所述文献以引用的方式全文并入本文中。在这种情况下，如上所述，场源可以环绕透镜或聚焦环后部的所有或一部分。“c”或“o”形场源可以仍然限定类似于上述磁平面的源平面。

在前述详细说明书中，已经参考特定实施例描述了本发明。然而，可以意识到，可以进行各种修改和改变，而不脱离随附权利要求中所述的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种具有透镜位置传感器的照相机，包括：

外壳；

焦平面阵列FPA包，所述FPA包安装在外壳内并且包含FPA；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的热场景数据导向FPA，旋转聚焦环使得透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

耦合至透镜的磁体，从而磁体随着透镜旋转和轴向移动，磁体在磁平面中延伸，磁平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

磁传感器，所述磁传感器安装在外壳内，磁传感器感测来自磁体的磁通量，以确定透镜位置。

2.根据权利要求1所述的照相机，其特征在于，角度大于2度。

3.根据权利要求1或2所述的照相机，其特征在于，磁体表面限定磁平面，并且任选地，该表面是最接近FPA包的表面。

4.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，磁体具有最接近FPA的第一表面和最接近透镜的相反的第二表面，磁平面在第一和第二表面之间中心地延伸。

5.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，磁传感器感测得的磁通量随着磁体的轴向移动和旋转而改变，并且任选地，

由磁传感器基于磁体旋转所感测的磁通量的改变，随着磁体和透镜平面之间的角度的增加而增加；或者任选地

透镜可在远场透镜位置和近场透镜位置之间旋转，由磁传感器基于磁体在近场和远场透镜位置之间的旋转所感测的磁通量的改变，大于或等于由磁传感器基于磁体在近场和远场透镜位置之间的轴向移动所感测的磁通量的改变。

6.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，透镜组件包括固定的透镜体和可旋转聚焦环，可旋转聚焦环支撑磁体和透镜。

7.一种具有透镜位置传感器的照相机，包括：

外壳；

安装在外壳内的焦平面阵列；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA，旋转透镜引起透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜在远场位置和近场位置之间可旋转，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

耦合至透镜的磁体，从而磁体随着透镜旋转和轴向移动，磁体在磁平面中延伸，磁平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

磁传感器，所述磁传感器安装在外壳内，磁传感器感测磁体的接近性以确定透镜位置，与近场位置相比，在远场位置中磁体相对更靠近磁传感器，磁体与磁传感器的接近性局部地取决于磁平面和透镜平面之间的角度。

8.根据权利要求7所述的照相机，其特征在于，当在磁平面和透镜平面之间使用更大角度时，磁体在远场位置相对更接近磁传感器。

9.根据权利要求7或8所述的照相机，其特征在于，当在磁平面和透镜平面之间使用更大角度时，磁体在近场位置相对更远离磁传感器。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的照相机，其特征在于，磁体与磁传感器的接近性根据磁体的轴向移动和旋转而改变，并且任选地，磁体与磁传感器的接近性基于磁体在近场和远场位置之间的旋转的改变，大于或等于磁体与磁传感器的接近性基于磁体在近场和远场位置之间的轴向平移的改变。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的照相机，其特征在于，透镜旋转通过180度，并且远场和近场位置由透镜小于180度的旋转而分离。

12.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，还包括处理器，所述处理器基于磁传感器感测得的磁通量而确定透镜位置。

13.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，还包括可见光传感器。

14.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，磁传感器是霍尔效应传感器。

15.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，照相机是红外照相机。

16.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，透镜在近场位置和远场位置之间的轴向移动小于0.050英寸(1.31mm)，并且优选小于0.025英寸(0.64mm)。

17.根据前述任意一项权利要求所述的照相机，其特征在于，磁体至少局部围绕透镜。

18.一种具有透镜位置传感器的照相机，包括：

外壳；

安装在外壳内的焦平面阵列；

耦合至外壳并且包括可旋转透镜的透镜组件，透镜定位使得将由透镜沿其中心光轴收集的场景数据导向FPA，旋转透镜引起透镜相对于FPA产生轴向移动，透镜在远场位置和近场位置之间可旋转，透镜的中心光轴限定了垂直于其的透镜平面；

第一场源，所述第一场源耦合并至少局部围绕透镜，从而场源随着透镜旋转和轴向移动，场源限定场源平面，场源平面与透镜平面形成大于零度的角度；以及

传感器，所述传感器安装在外壳内，传感器感测场源的接近性以确定透镜位置，与近场位置相比，在远场位置中场源相对更靠近传感器，场源与传感器的接近性局部地取决于场源平面和透镜平面之间的角度。

19.根据权利要求18所述的照相机，其特征在于，场源完全围绕透镜。

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