CN103119685A - 安装外壳的图像增强管 - Google Patents

Abstract

一种光学系统包括：限定安装表面的光具座；安装于光具座上的物镜；和图像增强管。图像增强管包含：（i）限定内部区域和安装表面的外壳；和（ii）与限定面板表面的玻璃面板接合的光电阴极，其中，光电阴极位于外壳的内部区域内，并且，外壳的安装表面驻留于面板表面的同一面上。光具座的安装表面被安装于图像增强管外壳的安装表面上，使得光具座的安装表面驻留于面板表面的同一面上，并且，面板的面板表面是面板的位置最接近物镜的表面。

Description

安装外壳的图像增强管

技术领域

本发明一般涉及光学系统、图像增强管和将图像增强管安装于光学系统上的方法。

背景技术

成像器件必须适当地与光学系统对准，以满足光学系统的预定的视线、图像对准和分辨率要求。例如，光学系统可以是照相机、摄像机、夜视眼镜或夜视镜。例如，成像器件可以是图像增强管或诸如CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）的数字成像器件。由光学系统的外壳导致的成像器件与其物镜之间的不对准导致被光学系统和所述系统的用户观看的图像的畸变。不断要求进一步开发和改进成像器件、用于组装成像器件的方法和用于组装成像器件与光学系统的外壳（或其它部件）的方法，以满足光学系统的视线、图像对准和分辨率要求。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种光学系统包括：限定安装表面的光具座；安装于光具座上的物镜；和图像增强管。图像增强管包含：（i）限定内部区域和安装表面的外壳；和（ii）与限定面板表面的玻璃面板接合的光电阴极，其中，光电阴极位于外壳的内部区域内，并且，外壳的安装表面驻留于面板表面的同一面上。光具座的安装表面被安装于图像增强管外壳的安装表面上，使得光具座的安装表面驻留于面板表面的同一面上，并且，面板的面板表面是面板的位置最接近物镜的表面。

根据本发明的另一方面，一种光学系统包括：图像增强管，该图像增强管包含：（i）限定内部区域和安装表面的外壳，其中，外壳的安装表面被配置与光学系统的安装表面配合；（ii）与限定面板表面的玻璃面板接合的光电阴极，其中，面板位于外壳的内部区域内；和（iii）安装于外壳上的盖子。外壳的安装表面驻留于面板的面板表面的同一面上。

根据本发明的另一方面，公开一种组装光学系统的方法。该方法包括以下步骤：（i）在与光具座的安装表面相邻的光具座上安装物镜；（ii）将包含与其接合的光电阴极的面板安装于图像增强管外壳上，使得图像增强管外壳的安装表面驻留于面板表面的同一面上；和（iii）使图像增强管外壳的安装表面与光具座的安装表面接合，使得光具座的安装表面基本上与面板表面共面，面板的面板表面是面板的位置最接近物镜的表面，并且，物镜的光轴基本上与面板表面垂直。

参照附图阅读以下的详细的讨论，本发明的这些和其它方面将变得十分明显。应当理解，以下的讨论仅是要示出本发明的优选的实施例。但是，本发明不限于示出的实施例，而仅由本说明书所附的权利要求限制。

附图说明

结合附图阅读以下的详细描述，可以最好地理解本发明。应当强调，根据一般的实际，附图的各种特征没有按比例。附图包括以下的图：

图1A～1C分别示出根据本发明的示例性实施例的夜视单目镜的透视图、前方正视图和侧面正视图。

图1D示出沿线1D-1D切取的图1B的单目镜的断面图，其中，单目镜的几个部件被省略。

图1E示出沿线1E-1E切取的图1B的单目镜的断面图，其中，单目镜的几个部件被省略。

图2A示出图1D和图1E的单目镜的图像增强管组件的分解图。

图2B和图2C分别示出图2A的图像增强管组件的顶侧和底侧透视图。

图3A示出沿线3A-3A切取的图2B的图像增强管组件的断面图。

图3B出于与图3A所示的图像增强管组件比较的目的示出另一图像增强管组件的断面图。

图4A和图4B分别示出图3A的图像增强管的外壳的底侧和顶侧透视图。

图4C示出图4A的外壳的分段顶视平面图。

图4D示出图4A的外壳的侧视图。

图5A和图5B分别示出图1A～1E的单目镜的光具座的前侧和后侧透视图。

图5C示出沿线5C-5C切取的图5B的光具座的断面图。

图6A和图6B分别示出用于组装图2A的图像增强管组件的夹具的顶部平面图和侧面正面图。

图6C示出沿线图6C-6C切取的图6A的夹具的断面图，其中，图2A的图像增强管组件被示为位于夹具内。

具体实施方式

图1A～1E示出夜视单目镜10。单目镜10包含分别安装于光具座14上的物镜组件16和红外（IR）信道的红外焦面阵列23。目镜21的位置与物镜组件16相对。从图1D和图1E最能看出，图像增强管组件12被安装于与物镜组件16共线的光具座14上。图像增强管组件12的由基准面“A”限定的安装表面22被直接安装于图像光具座14的由基准面“B”限定的安装表面37上。

图像增强管组件12包含安装于外壳20内的六个基本部件，即，玻璃面板50、与玻璃面板50接合的光电阴极61、微信道板（MCP）60、磷屏63、光纤反转器62和电源57。玻璃面板50、光电阴极61、MCP 60、磷屏63和光纤反转器62被组装在一起，以形成图像增强管13。

现在参照单目镜10的操作，单目镜10的物镜16收集可用的光，并且将光聚焦于图像增强管组件12上。图像增强管组件12的位置最接近物镜16的光电阴极61是像面，并由此检测来自物镜16的光图像，并将光图像转换成相应的电子图案。光电阴极61是涂有感光化合物的带负电的电极。当光电阴极61被光照射时，由于光电效应，吸收的能量导致电子发射。图像增强管组件12的MCP 60放大电子发射。图像增强管组件12的光纤的磷屏63将放大的电子发射变换回增强的光图像。图像增强管组件12的位置最接近射束合成器19的光纤反转器62反转增强光图像（图像在前面通过物镜16颠倒）。射束合成器19合成由图像增强管13和红外（IR）信道的红外焦面阵列23产生的图像合成为单个熔合图像。

通过目镜21显示单个增强图像，以供单目镜10的用户观看。作为替代方案，可直接在显示器上显示增强的光图像，例如，该显示器可以是位于用户的眼睛前面的计算机监视器或微显示器。在授权给Thomas的美国专利No.7482571中公开了图像增强管组件的基本结构和操作的其它细节，在此加入其全部内容作为参考。

图2A～2C和图3A示出图像增强管组件12的详细示图。图像增强管组件12包含安装于外壳20内的图像增强管13和安装于外壳20的底端的盖子24。如图1D和图1E所示，外壳20的安装表面22A～22C（统称为安装表面22）通过三个紧固件（在图1E中示出一个紧固件）可释放地安装于光具座14上。盖子24被安装于外壳20的位置邻近外壳20的安装表面22的底端。在将管组件12组装到单目镜10中时，盖子24不在物理上接触光具座14。

现在参照图3A，图像增强管组件12的设计引入很少的使单目镜10的视线和分辨率劣化的倾斜误差、对准误差和位移误差。为了实现这些益处，玻璃面板50的面板表面51位于与图像增强管组件12的安装表面22相同的基准面“A”上。出于参照目的，面板表面51是玻璃面板50的（i）设置为与光电阴极61相对、（ii）通过盖子24露出（参见图2C）和（iii）位置最接近物镜16（参见图1D）的表面。

图像增强管组件12的安装表面22被直接安装于光具座14的安装垫衬37上，并且，物镜16被直接安装于光具座14上。借助于面板表面51与安装表面22的共面以及图像增强管组件12的安装表面22和物镜16均被直接安装于光具座14上的事实，可紧紧地控制图像增强管组件12相对于物镜16的位置。这是十分重要的，原因是即使图像增强管组件12与物镜16之间的轻微的不对准也可使通过单目镜10的目镜21或通过微显示器向用户显示的图像畸变。

通过直接将显示射束合成器19安装于管屏幕上，图像增强管组件12可被前面加载。在与安装表面22相同的基准面“A”上定位面板表面51“前面加载”图像增强管组件12。前面加载图像增强管组件12明显减少前端倾斜，并且不需要“后端加载”图像增强管以满足像场弯曲要求。

图3B出于与图3A所示的图像增强管组件12比较的目的示出另一图像增强管组件150的断面图。图3B的图像增强管组件150与图3A的图像增强管组件12类似，即，两个组件均包括封装于外壳内的图像增强管和安装于外壳的下端的盖子。但是，在图3B的图像增强管组件150中，图像增强管组件150的面板表面151不与盖子156的安装表面153共面。虽然没有示出，但是，盖子156的安装表面153被安装于光学系统的光具座上，并且，物镜也安装于该光具座上。

面板表面151与光具座安装表面153的距离作为盖子156的尺寸容限以及存在分布于盖子156与面板表面151之间的灌装材料158的结果改变。因此，面板表面151的位置以及伴随的图像增强管152可由于灌装材料158的存在和盖子156的尺寸变化而偏移。这种变化导致图像增强管组件150与光学系统的物镜（未示出）之间的不对准，这可使向光学系统的用户显示的图像畸变。

图4A～4D示出图像增强管组件12的外壳20的详细示图。外壳20包含三个安装表面22A、22B和22C（统称为安装表面22）。各安装表面22沿远离外壳20的纵轴的径向延伸。从图4C最能看出，表面22A限定容纳紧固件30（参见图1E，仅示出一个紧固件）的通孔25和被定尺寸为刚好容纳对准销钉（在图5B中表示）的圆形通孔27A。

表面22B限定用于容纳紧固件30（参见图1E，仅表示一个紧固件）的通孔25和被定尺寸为刚好容纳对准销钉35（在图5B中表示）并且向着通孔27A取向的长圆贯通狭缝27B。贯通狭缝27B在不引入过大的应力的条件下允许容限管组缩减和不同的热膨胀率。

表面22C限定用于容纳紧固件30的通孔25，但不包含被定尺寸为容纳对准销钉的孔或狭缝。

图5A～5C示出单目镜10的光具座14的详细示图。光具座14包含用于可安装地容纳物镜组件16的物镜孔31和用于可安装地容纳用于红外（IR）信道的另一透镜组件的透镜孔39。光具座14包含上面安装图像增强管组件12的三个安装垫衬37A～37C（统称为垫衬37）和上面安装IR照相机的四个安装垫衬43A～43D。所有七个安装垫衬（即，垫衬37A～37C和垫衬43A～43D）是共面的并限定基准面“B”。

各图像增强管安装垫衬37包含用于容纳紧固件30（参见图1E，只示出一个紧固件）的螺纹孔33。两个对准销钉35牢固地位于在安装垫衬37A和37B上限定的孔内。在单目镜10的组装形式中，安装垫衬37A的对准销钉35通过外壳20的通孔27A被定位，并且，安装垫衬37B的对准销钉35通过外壳20的贯通狭缝27B被定位，以精确地使图像增强管组件12对准于光具座14上。对准销钉35还在制造光具座的过程中用作用于定位物镜孔31的二次和三次基准。

图6A～6C示出用于组装图像增强管组件12的夹具40。夹具40被配置为关于图像增强管外壳20沿X轴、Y轴和Z轴确定图像增强管13的取向。从图6C最能看出，夹具40包含具有限定基准面“C”的顶面41的基板42。表面41包含限定基准面“C”的两个共面，即，外表面41A支撑图像增强管外壳20的安装表面22A～22C，而内表面41B支撑图像增强管面板50。

两个销钉40（示出一个）被牢固地定位于在基板42的外表面41A上限定的孔中。销钉44在基板42的顶面41之上延伸。对准销钉44被定尺寸为定位于图像增强管外壳20的通孔27A和贯通狭缝27B内。对准销钉44控制图像增强管13沿X轴和Y轴的位置。

环形凹陷46从基板42的顶面41延伸，以在灌装过程中容纳和支撑盖子24。凹陷46是十分重要的，原因是它允许图像增强管外壳20的安装表面22在容纳盖子24的同时驻留于与图像增强管13的面板表面51相同的面（即，基准面“C”）上。如前面参照图3B讨论的那样，允许盖子与面板之间的灌装材料的分布的常规的设计可能对于光学对准不希望地引入倾斜和位移。

环形凹陷46被定尺寸为容纳盖子24，使得盖子24不与基板42的顶面41物理接触。换句话说，凹陷46允许图像增强管盖子24驻留于基准面“C”下面的立面上。环形泡沫垫衬49位于凹陷46内以防止在组装图像增强管组件12的过程中损伤盖子24。泡沫垫衬49还限制盖子24与面板50之间的灌装材料的分布。

第二凹陷48从基板42的顶面41延伸，以减少玻璃面板50与基板42的顶面41之间的接触表面积，由此防止图像增强管13的活动区域的刮擦。形成内表面41B的环处于图像增强管13的活动区域外面。

现在参照组装图像增强管组件12的示例性方法，玻璃面板50、光电阴极61、MCP 60和光纤反转器62通过铜焊操作被接合在一起，以形成图像增强管组件12的图像增强管13。铜焊的图像增强管13然后被放在包含电源57的图像增强管外壳20内。图像增强管盖子24咬合到图像增强管外壳20上，由此封装图像增强管13。

部分组装的图像增强管组件12然后通过用图像增强管外壳20的通孔27A和贯通狭缝27B定位夹具基板42的销钉44（参见图6C）被加载到夹具40的基板42上。图像增强管外壳20的安装表面22和玻璃面板50的面板表面51均分别位于基板42的表面41A和41B上。换句话说，图像增强管外壳20的安装表面22和玻璃面板50的面板表面51均位于基板42的基准面“C”上。

夹具40的活塞55向着图像增强管组件12被向下驱动。夹具40的活塞55的环形段56平移到分开外壳20的壁64和光纤反转器62的圆柱外表面的环形空间中。虽然活塞55被向下驱动，但是，夹具40的活塞55的环形段56关于对准销钉44和外壳20的通孔/狭缝通孔27沿X轴和Y轴（参见图6C中的轴）对准图像增强管13。活塞55的环形段56与对准销钉44的相对位置被紧密地控制。如果需要紧密的对准，那么可以使用活动对准系统（未示出）以通过使用光学闭合反馈环相对于通孔/狭缝27移动图像增强管13。

活塞55还对于顶面41（即，基准面“C”）沿向下的Z方向对图像增强管外壳20和图像增强管13加压，使得图像增强管外壳20的安装表面22和图像增强管组件12的面板表面51共面（即，齐平）并驻留于同一基准面“C”内。

灌装材料然后分布于限定于电源57、图像增强管外壳20、盖子24和图像增强管13之间的圆柱凹陷53中。允许灌装材料硬化，由此完成图像增强管组件12的组装处理。虽然没有示出，但是，少量的灌装材料也分布于盖子24的内部顶面与面板表面51之间，但是，该灌装对于图像增强管13相对于外壳20的安装表面22的位置没有影响。

重新参照图1D和图1E，一旦如上面描述的那样绘制灌装图像增强管组件12，它就准备好安装于单目镜10的光具座14上。光具座14的销钉35通过外壳20的互补的通孔27A和贯通狭缝27B被滑动配合（或者相反），使得图像增强管组件12的纵轴基本上与物镜16的光轴7（参见图1D）对准。光具座14和图像增强管外壳20然后相向平移，直到邻接光具座14的安装垫衬37的图像增强管组件12的安装表面22，使得面板表面51（与图1D和图1E中的基准面“A”对应）驻留于光具座14的安装垫衬37的同一面（与图1D和图1E中的基准面“B”对应）上，并且，面板表面51基本上与物镜16的光轴7垂直。

对准销钉35、通孔27A和贯通狭缝27B分别被定尺寸为沿X轴和Y轴确保图像增强管组件12相对于光具座14的精确对准，以满足单目镜10的预定的分辨率和图像对准要求。紧固件30通过外壳20的各通孔25被插入，并被拧入其互补的螺纹孔33中，以将图像增强管外壳20（并由此将图像增强管组件12）安装到光具座14上。热照相机托架17然后以与图像增强管组件12类似的方式被安装到光具座14的安装垫衬43。

总之，由于物镜孔31（其中配合物镜16）相对于对准销钉35被定位，因此可沿着X和Y轴紧密地控制图像增强管13关于物镜组件16的位置，对准销钉35位于外壳20的通孔27A和贯通狭缝27B中，并且，图像增强管13关于外壳20的通孔27A和贯通狭缝27B被定位（如参照图6C描述的那样）。

虽然这里关于具体的实施例示出和描述了本发明，但本发明不限于表示的细节。相反，在权利要求的等同物的范围内，并且，在不背离本发明的范围的情况下，可以提出各种修改。例如，本发明的细节不限于单目镜，并且，可适用于任何光学系统，诸如，例如，照相机、摄像机、夜视眼镜或夜视镜。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括：

限定安装表面的光具座；

安装于光具座上的物镜；和

图像增强管，该图像增强管包含：

（i）限定内部区域和安装表面的外壳；和

（ii）与限定面板表面的玻璃面板接合的光电阴极，其中，光电阴极位于外壳的内部区域内，并且，外壳的安装表面驻留于面板表面的同一面上，

其中，光具座的安装表面被安装于图像增强管外壳的安装表面上，使得光具座的安装表面驻留于面板表面的同一面上，并且，面板的面板表面是面板的位置最接近物镜的表面。

2.根据权利要求1的光学系统，还包括分布于图像增强管外壳内的灌注材料。

3.根据权利要求1的光学系统，还包括安装于图像增强管外壳上的盖子。

4.根据权利要求1的光学系统，还包括安装于光具座或图像增强管外壳中的任一个上的对准销钉，和设置在光具座和图像增强管外壳中的另一个中的孔，其中，孔被定尺寸为容纳对准销钉，并且销钉和孔被用于使图像增强管相对于物镜对准。

5.根据权利要求1的光学系统，还包括用于将图像增强管外壳安装于光具座上的三个紧固件。

6.根据权利要求1的光学系统，其中，面板表面和光电阴极位于玻璃面板的相对侧。

7.根据权利要求1的光学系统，其中，物镜的光轴基本上与面板表面垂直。

8.根据权利要求1的光学系统，其中，物镜的光轴和图像增强管基本上对准。

9.一种光学系统，包括：

图像增强管，该图像增强管包含：

限定内部区域和安装表面的外壳，其中，外壳的安装表面被配置与光学系统的安装表面配合；

与限定面板表面的玻璃面板接合的光电阴极，其中，面板位于外壳的内部区域内；和

安装于外壳上的盖子，

其中，外壳的安装表面驻留于面板的面板表面的同一面上。

10.根据权利要求9的光学系统，还包括分布于图像增强管外壳内的灌注材料。

11.根据权利要求9的光学系统，其中，外壳的安装表面与面板表面齐平。

12.根据权利要求9的光学系统，其中，面板表面和光电阴极位于玻璃面板的相对侧。

13.根据权利要求9的光学系统，其中，玻璃面板的面板表面通过盖子被露出。

14.一种组装光学系统的方法，包括以下步骤：

在与光具座的安装表面相邻的光具座上安装物镜；

将包含与其接合的光电阴极的面板安装于图像增强管外壳上，使得图像增强管外壳的安装表面驻留于面板表面的同一面上；和

使图像增强管外壳的安装表面与光具座的安装表面接合，使得光具座的安装表面基本上与面板表面共面，面板的面板表面是面板的位置最接近物镜的表面，并且，物镜的光轴基本上与面板表面垂直。

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