CN102224440A

CN102224440A - 平面场目镜

Info

Publication number: CN102224440A
Application number: CN2009801472346A
Authority: CN
Inventors: 唐纳德·亚内茨科; 约翰·迈克尔·霍尔
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-10-19
Also published as: IL212797A0; WO2010065201A1; EP2370847A1; JP2012510077A; KR20110086641A; US20100128355A1; US7804651B2

Abstract

一种透镜系统，包括：第一透镜，所述第一透镜与第二透镜轴向对准，其中第一透镜和第二透镜被构造成从观察者的眼瞳图像依序地进行定位。第二透镜被形成为具有三个粘结元件的三合透镜。第二透镜包括面向第一透镜的凸面，以及与第二透镜的凸面相对的平面。第一透镜包括与第一透镜的平面相对的凹面；第二透镜包括凹面和凸面；并且第一透镜的凹面和第二透镜的凹面及凸面具有相等的曲率半径。

Description

平面场目镜

技术领域

本发明主要涉及一种目镜或放大镜，更具体地，涉及一种用在夜视镜系统和头戴式显示器中的目镜或放大镜。

背景技术

夜视镜和头戴式显示器需要对红色、绿色和蓝色进行过色彩校正的目镜或放大镜，其具有调制传递函数(MTFs)在每毫米40线对(40lp/mm)时大于50％的高图像质量。这些目镜或者放大镜与显像管(image tubes)的显示器或屏幕配合以使图像进入观察者的眼睛。这些目镜或放大镜还需要大于20mm的较长眼睛间隙，使得观察者在定位其眼睛以观察图像时具有更大的容许度。

优良的目镜/放大镜必须对眼睛的位置敏感，因为在放大镜中没有用以限定使用者眼睛位置的物镜出瞳图像。这需要更高的校正水平，对于球面像差而言尤其如此，从而使得当眼睛转动时图像不会晃动或变形。

在美国专利中公开的放大镜的示例有1959年公布的James G.Baker的专利US2,885,928和US2,900,871；以及分别在1974年和1978年公布的Frits Johan Versteeg的专利US3,823,999和US4,111,528。

目镜/放大镜已经被用于观察夜视显像管的荧光屏。然而，这些目镜难以生产且费用昂贵。另外，这些显像管需要曲面屏幕以辅助场曲偏差的校正。

在20世纪90年代，目镜/放大镜通常被构造成类似于图1中所示的Qioptiq透镜。如所示，透镜10包括三个球形玻璃透镜13、14和15；以及一个粘结的玻璃双合透镜11和12。透镜10给出的优质彩色图像在40lp/mm时的MTF大于50％。透镜10接收来自表示为16的荧光屏曲面的图像，并且将所述图像传送到观察者的眼睛。由于透镜及其曲面的数目的原因，透镜10难以生产且费用昂贵。因为透镜13和14很薄，所以它们在生产过程中易破碎，从而导致产量很低。

在21世纪前十年，开发出了与显示器和屏幕一起使用的目镜，如图2所示。如所示，透镜20包括玻璃透镜21，塑料非球形透镜22和塑料混合物(折射)透镜23。还包括棱镜，所述棱镜由两个玻璃板24和25构成，用于将从帘栅极26投射的光(light)与从另一个显示器(未图示)投射的光相结合。然而，透镜20会引起谐波，该谐波将造成观察者不可接受的重影。谐波是由于在折射透镜处的入射角过陡导致的。

在2005年，Edmund开发出了一种与显示器和屏幕一起使用的目镜，如图3所示。如所示，透镜30包括玻璃透镜32、33和34，以及塑料非球形透镜34。还包括棱镜，所述棱镜由两个玻璃板35和36构成，用于将从帘栅极37投射的光与从另一个显示器(未图示)投射的光相结合。在透镜30中增加第四透镜被证明是无用的。

在2007年，Northrup Grumman设计了一种如图4中所示的目镜。如所示，透镜40包括两个玻璃双合透镜，其依序地被定位为第一双合透镜42和43，以及第二双合透镜44和45。还包括三个玻璃透镜41、46和47。因此，透镜40完全由玻璃物质形成。然而，透镜46和47包括用于提供球面校正的非球面表面。透镜40表现良好但是生产费用昂贵。透镜具有大于50度的广视场。但是，透镜无法将从显示器(未图示)投射的图像与从屏幕48投射的图像相结合，所述图像示出为朝向观察者的眼睛投射的射线49(也表示为眼瞳49)。

对于小于40度的视场而言，玻璃双合透镜提供了一种节省成本的、具有良好图像质量的目镜/放大镜。然而，当视场增大时，或者当添加了光束组合器时，目镜/放大镜变得更加复杂，使得透镜具有五个或五个以上的部件。另外，目镜/放大镜需要多个用于球面校正的非球面。因此，这种目镜/放大镜造成设计复杂且昂贵，同时没有良好的定影(fusing)能力。

如即将描述的，本发明提供了一种节省成本的目镜/放大镜，该目镜/放大镜可以将从显示器投射的图像与夜视镜系统的物镜投射的、直接形成在屏幕/帘栅极上的图像相结合。所结合的图像可以广视场朝向观察者投射。另外，目镜/放大镜可以由没有平面、没有非球面以及没有折射面的单体透镜形成。进一步，目镜/放大镜可以从平面或者曲面的屏幕投射广视场。

发明内容

为了满足该要求和其它要求，同时考虑到其效果，本发明提供了一种包括与第二透镜轴向对准的第一透镜的目镜/放大镜，其中第一和第二透镜都被构造成从观察者的眼瞳图像依序地进行定位。第二透镜被形成为具有三个粘结元件的三合透镜。第二透镜包括面向第一透镜的凸面，以及与第二透镜的凸面相对的平面。第一透镜包括与第一透镜的平面相对的凹面；第二透镜包括凹面和凸面；并且第一透镜的凹面和第二透镜的凹面及凸面都具有相同的曲率半径。第二透镜使光朝向第一透镜发散，而第一透镜使从第二透镜发出的光会聚。

目镜/放大镜接收来自图像屏幕的光，该图像屏幕沿着第一透镜及第二透镜的光线路(optical line)被轴向对准。光从图像屏幕依序地朝向第二透镜、朝向第一透镜、并且随后朝向观察者投射。从图像屏幕传递到观察者的光不穿过任何非球面并且不穿过任何折射面。光束组合器被设置在透镜与图像屏幕之间，并沿着光线路轴向对准；显示器被设置为大致垂直于光线路，光束组合器将从显示器发出的光与从图像屏幕发出的光相结合，以便于观察者观察。

第一透镜和第二透镜构造成用于提供大于55度的视场，以及在40线对/毫米时优于50％的调谐传递函数(MTF)。图像屏幕沿着光线路与第一透镜及第二透镜轴向对准，以便于观察者观察。图像屏幕包括面向第一透镜及第二透镜的平面，该平面基本上比具有100mm的曲率半径的表面更平。

第一透镜和第二透镜都被构造成具有大约20.5mm的有效焦距和大于24mm的眼睛间隙。

本发明的另一个实施例包括安装在观察者佩戴的头盔上的夜视镜(NVG)系统。该NVG系统包括图像增强器，所述图像增强器顺次具有物镜、多通道板(multi-channel plate，MCP)和用于形成第一图像的帘栅极。目镜被定位在帘栅极的后方，用以将第一图像投射到观察者。包括具有彩色显示器的红外成像器，用以显示第二图像。

包括光束组合器，用以使第一图像和第二图像中的一者或两者朝向观察者传递。目镜包括与第二透镜轴向对准的第一透镜；第二透镜和第一透镜从帘栅极顺次被分别定位；第二透镜被形成为具有三个粘结元件的三合透镜。第一透镜包括面向观察者的平面，以及与平面相对的凸面。第二透镜包括面向第一透镜的凸面；以及面向帘栅极的平面。第一透镜包括面向第二透镜的凸面；第二透镜包括凹面和凸面；并且第一透镜的凸面和第二透镜的凹面及凸面都具有相同的曲率半径。

本发明的又一个实施例是一种放大图像的方法，所述方法包括以下步骤：(a)沿着光路(optical path)定位第一透镜和第二透镜，以及(b)通过第一透镜和第二透镜使形成在夜视镜(NVG)系统的帘栅极处的图像朝向观察者传送，其中第一透镜是单透镜，第二透镜是三合透镜。所述定位包括将第一透镜和第二透镜沿着观察者与帘栅极之间的光路顺次地进行安置。所述传送还包括通过第二透镜使从帘栅极发出的光线(rays of light)发散，然后通过第一透镜使从第二透镜发出的光线会聚。

所述方法还包括以下步骤：沿着光路定位光束组合器，用以接收来自帘栅极的第一光线；以大致垂直于光路的方式定位显示器，用以朝向光束组合器发出第二光线；通过光束组合器使第一光线和第二光线融合，以便于观察者观察。第一光线可以由图像增强器的物镜形成，从显示器发出的第二光线可以由红外成像器形成。

应当理解，上述总体描述和下面的详细描述是示例性的，并非对本发明的限制。

附图说明

当结合附图阅读时，本发明可以从下面的详细描述中得到最好理解：

图1是包括多个透镜的传统透镜系统。

图2是包括多个透镜的另一种传统透镜系统。

图3是包括多个透镜的再一种传统透镜系统。

图4是包括多个透镜的又一种传统透镜系统。

图5是根据本发明的实施例的透镜系统，用于借助于光束组合器使从两个不同显示器投射的光相结合。

图6是根据本发明的实施例的、利用两个独立的传感器来捕捉图像的夜视镜系统的框图，所述图像被光束组合器结合，以便于通过图5的透镜系统进行观察。

图7A是根据本发明的实施例的透镜系统的示意性框图，该透镜系统类似于图5的透镜系统，其示出了各个透镜表面的细节和各个透镜表面之间的距离。

图7B、7C和7D是根据本发明的实施例的、图7A的透镜系统的像差曲线。

图8是根据本发明的实施例的另一个透镜系统的示意性框图，该透镜系统类似于图5的透镜系统，其示出了各个透镜表面的细节和各个透镜表面之间的距离。

图9是根据本发明的实施例的再一个透镜系统的示意性框图，该透镜系统类似于图5的透镜系统，其示出了各个透镜表面的细节和各个透镜表面之间的距离。

具体实施方式

如下所述，本发明提供了一种节省成本的、可以将从显示器产生的图像与由物镜直接形成的图像相结合的目镜/放大镜。所结合的图像可以广视场朝向观察者投射。另外，目镜/放大镜可以由没有平面、没有非球面以及没有折射面的单体透镜形成。而且，所述目镜/放大镜可以从平面或弯曲的屏幕表面投射出广视场。

在图5中示出本发明的一个实施例为目镜/放大镜50，这里有时也称为目镜50或放大镜50。如所示，目镜50包括由表示为53、54和55的三个玻璃单透镜形成的一个玻璃三合透镜。目镜50还包括表示为52的玻璃单透镜，所述玻璃单透镜被定位在眼瞳51与玻璃三合透镜之间。这里将眼瞳51处形成的图像定义为形成在目镜50后方的图像。

本发明包括由两个玻璃棱镜56、57形成的光束组合器，用于使形成在显示器59上的图像与形成在屏幕58上的图像融合。所组合的图像被朝向表示为51的眼瞳投射。这里将形成在屏幕58上的图像例如定义为形成在目镜50的前方的图像。

应当明白，图像可以由图5中未示出的另一组光学元件形成在显示器59上。例如，这组光学元件可以是提供由IR成像器(未图示)产生的图像的透镜。由IR成像器形成的图像可以在显示器59上看见，其中该显示器可以是提供由IR成像器观察到的目标物彩色图像的电视显示屏。

应当理解，形成在屏幕58上的图像可以是由安装在例如士兵等人所佩戴的头盔上的夜视镜系统的物镜(未图示)产生的图像。目镜50可以接收来自屏幕58的图像光并且将该图像光放大以便于在眼瞳51处进行观察。因此，为观察而投射的图像既可以是来自屏幕58的单幅图像，也可以是来自显示器59的单幅图像，或者可以是来自屏幕58和显示器59的组合图像。

当图像被棱镜56、57融合时，图像质量优良并且形成大于55度的视场。显示器59可以是平面显示器，而屏幕58同样可以是平面的，或者可以是(例如)曲率半径大于100mm的略微弯曲表面。由目镜50产生的组合图像具有在40线对/毫米时大于50％的质量。

应当明白，当需要产生仅看到单幅图像(所述单幅图像由物镜形成在眼瞳51处)的显像管屏幕时，在图5中可以完全省略光束组合器56、57(或棱镜56、57)。当然，图5中因而也将省略显示器59。

因此，目镜50是包括三合透镜的、节省成本的放大镜。发明人发现，三合透镜可以被有效地用在目镜中以形成具有良好图像质量和广视场的放大图像。这种三合透镜易于生产，且不会因曲面单体透镜破损而发生费用。

以Zemax格式列出透镜表面数据的表1中给出了用于形成透镜50的示例性规格(specification)。该表的A部分给出了反射配置方案的一览表，从位于无穷远(图5的左侧)处的目标物开始移向玻璃组合器板56、57的光束分离器表面；然后从光束分离器表面向上移向显示器59的表面。另一方面，该表的B部分给出了透射配置方案的一览表，从位于无穷远(图5的左侧)处的目标物开始移向光束分离器表面；然后穿过所述光束分离器表面移至帘栅极58的表面。如所示，显示器表面是平面(半径无穷大)，而帘栅极表面是半径为110mm的略微弯曲的表面(从眼瞳图像51处观察为凹面)。

表1中还列出了玻璃的厚度、直径、类型以及透镜系统50的各个表面的半径。

表1形成图5的透镜系统50的示例性规格

表面数据一览表(Zemax格式)

有效焦距：22.0552

像空间F/#：3.676

近轴像高度：10.285

最大半视场：25度

A.到达显示器的反射配置方案

B.到达屏幕的透射配置方案

图6示出了一种示例性实施例，其中使用了本发明的透镜系统50或目镜50。如所示，总体表示为60的夜视镜(NVG)系统包括图像增强器62a、诸如红外摄像机等第二信道传感器(second channel sensor)62b，光束组合器(或光束分离器)65和由眼睛67观察的目镜66。

图6中所示的目镜66相当于图5中所示的目镜50。这里，目镜/放大镜通常也被称为透镜系统。

图像增强器62a被构造成将来自感测到的图像61a的近红外可视光聚焦到图像增强管上。图像增强管优选是已知的I²管，其大体包括将可见光子转化成电子的光电阴极、使电子加速的多通道板(MCP)以及接收被加速的电子并响应于被加速的电子而发亮的荧光屏。由图像增强器62a所产生的图像如箭头63a所指示那样沿着图像增强的输入路径被引导到光束分离器65。光束分离器可以组合和/或分离所接收的光束，而且其在这里也被称为光束组合器。

目镜66与图像增强器62a及光束分离器65大致同轴，但是也可以偏离图像增强器与光束分离器之间限定的非线性光路。图像增强器62a优选采用最新的型号，例如Generation III，或者采用较早的型号，例如Generation II。

虽然第二信道传感器可以是任何适当的传感器，但出于本发明的目的，第二信道传感器将被描述为红外摄像机62b。红外摄像机被用于将红外影像转换成可视图像。红外摄像机可以基于非制冷焦平面阵列(FPA)，同时可以并入其自身的物镜，所述物镜被设计成使得所提供的热视频视场(FOV)与图像增强器的视场(FOV)相同。

在夜视镜系统的组装过程中，红外摄像机的光轴和图像增强器的光轴被大体对准成互相平行。物镜将红外图像61b聚焦到热传感器上，所述热传感器将表示图像的信号输出。系统电子器件69a接收来自热传感器的输出信号并将图像投射到显示器68上。显示器68被构造成沿着摄像机输出路径63c(相对于图像增强器的图像路径63a大体呈直角)将红外图像供给至光束分离器65。

显示器68可以具有多种结构，例如，发射型、反射型、或透射型。虽然这里包括有反射型和透射型的显示器，但由于发射型给出的包装最小且消耗的能量最少，所以对于本申请而言优选发射型。发射型显示器包括电致发光显示器、真空荧光显示器、场发射显示器和OLEDS(有机LEDs)。如其名字所示，发射源会发光，所以无需独立的光源。

光束分离器65包括二向色表面，所述二向色表面被构造成控制图像增强器的图像和红外摄像机的视频图像沿着摄像机输出路径63b穿过光束分离器。二向色表面允许入射到其上的预定百分比的光穿过，同时反射剩余的光。例如，二向色表面可以被构造成允许入射到其上的大约70％-90％的光穿过，同时剩余的10％-30％被反射。穿过的光的百分比可以变化，且不限于所示出的范围。

完成图6的描述，NVG系统60包括电子器件69a、电池69b和控制器69c。电子器件69a与图像增强器、红外摄像机及视频显示器68相关联。电子器件也与电池69b及控制器69c相关联。电池向NVG系统中的各个部件供电。控制器被构造成控制图像增强器和红外摄像机。

接着参照图7A，示出了本发明的另一种示例性实施例，其总体表示为透镜系统70，或者放大镜/目镜70。如所示，放大镜/目镜70向表示为EP(眼瞳)的观察者的眼睛提供图像。观察者的眼睛通过目镜/放大镜进行观察并且看到融合的图像，所述融合的图像是帘栅极I₁和显示器I₂的叠合。

当从左往右观察时，目镜/放大镜包括正功率(positive power)的单透镜I，以及凸出侧面向观察者的、正功率的三合透镜II，III和IV。三合透镜的表面被粘结在一起。同时示出的有被粘结在一起以形成光束组合棱镜的两个玻璃板V和VI。平行的透明玻璃板用作显示器I₂的防尘器。

如表2中所列出的，半径R1和R6都是无限大，因而形成平面。屏幕I₁的半径R7为-110mm。

表2图7A中所示的透镜元件的规格(mm)

表面R2、R4及R5具有相同的曲率半径。

仍然参照图7A和表2，“f”是有效焦距，R1、R2、…R7是各个表面的半径。R7是帘栅极的半径。显示器是平的。直径D1、D2、…D9是各种元件的厚度(透镜和棱镜)以及空隙。直径D10T是透射路径中的空隙的距离。直径D9R、D10R和D11R是反射路径中的距离。无穷大的符号表示平面，“f/”是f数，n_d是d光中的折射率，V_d是d部分色散。

图7B、7C以及7D示出了图7A中所示的放大镜/目镜的球面像差的像差曲线、像散/像场弯曲以及540nm波长时的畸变(distortion)。可以看到，放大镜/目镜被充分校正为2°×27.5°的场角，同时眼瞳距离是1.1f。

下面参照图8，本发明的又一个实施例被示出为放大镜/目镜80，并且在表3中对其详细说明。如所示，单透镜I具有两个曲面R1和R2。另外，三合透镜II，III、IV的表面R6也是弯曲的。屏幕I₁具有-56.9mm的曲面R7。因此，所有的透镜表面均为球面。

表3图8中所示透镜系统80的元件的规格

最后，参照图9和对应的表4，示出了本发明的再一种实施例。如所示，放大镜/目镜90包括单透镜I以及三合透镜II，III和IV。表面R1和R6是平面。帘栅极I₁的曲率半径R7为-40mm。棱镜和显示器被移除。

表4图9中所示透镜系统90的元件的规格

虽然参照特定的实施例示出并描述了本发明，但是本发明不限于所示出的细节。相反，在权利要求的等效方案的范围内，同时在不背离本发明的情况下，可以在细节上进行各种改型。

Claims

1.一种目镜/放大镜，包括：

第一透镜，所述第一透镜与第二透镜轴向对准，所述第一透镜及所述第二透镜被构造成从观察者的眼瞳图像依序地进行定位，

其中，所述第二透镜被形成为具有三个粘结元件的三合透镜。

2.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第一透镜包括面向所述眼瞳图像的平面，以及

面向所述第二透镜的凸面。

3.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第二透镜包括面向所述第一透镜的凸面，以及

与所述第二透镜的凸面相对的平面。

4.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第一透镜包括与所述第一透镜的平面相对的凹面，

所述第二透镜包括凹面及凸面，并且

所述第一透镜的凹面和所述第二透镜的凹面及凸面具有相等的曲率半径。

5.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第二透镜使光朝向所述第一透镜发散，并且

所述第一透镜使从所述第二透镜发出的光会聚。

6.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

图像屏幕沿着所述第一透镜和所述第二透镜的光线路被轴向对准，用以使光从所述图像屏幕依序地朝向所述第二透镜、所述第一透镜和随后的观察者投射，并且

从所述图像屏幕传递到观察者的光不穿过非球面，而且不穿过任何折射面。

7.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

图像屏幕沿着所述第一透镜和所述第二透镜的光线路被轴向对准，

光束组合器被设置在所述第一透镜及所述第二透镜与所述图像屏幕之间，并沿着所述光线路被轴向对准，

显示器被设置为大致垂直于光线路，而且

所述光束组合器将从所述显示器发出的光与从所述图像屏幕发出的光相结合，以便于观察者观察。

8.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第一透镜和所述第二透镜被构造成用于提供大于55度的视场，以及在40线对/毫米时优于50％的调谐传递函数(MTF)。

9.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

图像屏幕沿着光线路与所述第一透镜及所述第二透镜轴向对准，以便于观察者观察，并且

所述图像屏幕包括面向所述第一透镜和所述第二透镜的平面，该平面基本上比具有100mm的曲率半径的表面更平。

10.如权利要求1所述的目镜/放大镜，其中

所述第一透镜和所述第二透镜被构造成具有大约20.5mm的有效焦距(EFL)和大于24mm的眼睛间隙。

11.一种安装在观察者所佩戴的头盔上的夜视镜(NVG)系统，包括：

图像增强器，其顺次具有物镜、多通道板(MCP)以及帘栅极，用于形成第一图像，

目镜，其被定位在所述帘栅极的后方，用以将所述第一图像投射到观察者，

红外成像器，其包括彩色显示器，用于显示第二图像，以及

光束组合器，其用于使所述第一图像和所述第二图像中的一者或两者朝向观察者传递，

其中所述目镜包括：

第一透镜，其与第二透镜轴向对准，

所述第二透镜和所述第一透镜从所述帘栅极顺次被分别定位，并且

所述第二透镜被形成为具有三个粘结元件的三合透镜。

12.如权利要求11所述的NVG系统，其中

所述第一透镜包括面向观察者的平面，以及

与所述平面相对的凸面。

13.如权利要求11所述的NVG系统，其中

所述第二透镜包括面向所述第一透镜的凸面，以及

面向所述帘栅极的平面。

14.如权利要求11所述的NVG系统，其中

所述第一透镜包括面向所述第二透镜的凸面，

所述第二透镜包括凹面及凸面，并且

所述第一透镜的凸面和所述第二透镜的凹面及凸面具有相等的曲率半径。

15.如权利要求11所述的NVG系统，其中

所述第二透镜使从所述光束组合器发出的光发散，而且

所述第一透镜使从所述第二透镜发出的光会聚。

16.如权利要求11所述的NVG系统，其中

所述第一透镜和所述第二透镜由玻璃形成，并且被构造成能够使多种光波长的光通过。

17.一种放大图像的方法，包括以下步骤：

沿着光路定位第一透镜和第二透镜，

通过所述第一透镜和所述第二透镜将形成在夜视镜系统的帘栅极处的图像朝向观察者传送，以及

将所述第一透镜配置为单透镜，并将所述第二透镜配置为三合透镜。

18.如权利要求17所述的方法，其中

所述定位包括将所述第一透镜和所述第二透镜沿着观察者与帘栅极之间的光路顺次地进行安置，以及

所述传递包括通过所述第二透镜使从所述帘栅极发出的光线发散，并且

通过所述第一透镜使从所述第二透镜发出的光线会聚。

19.如权利要求17所述的方法，包括以下步骤：

沿着所述光路定位光束组合器，用以接收来自所述帘栅极的第一光线；

以大致垂直于所述光路的方式定位显示器，用以朝向所述光束组合器发出第二光线；以及

通过所述光束组合器使所述第一光线和所述第二光线融合，以便于观察者观察。

20.如权利要求19所述的方法，其中

所述第一光线由图像增强器的物镜形成，并且

从所述显示器发出的第二光线由红外成像器形成。