CN1228846A

CN1228846A - 观察装置

Info

Publication number: CN1228846A
Application number: CN97197532A
Authority: CN
Inventors: 加里·J·罗森堡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-23
Publication date: 1999-09-15
Also published as: KR20000035957A; IL128713A; AU4409297A; AU715504B2; EP0923748A4; EP0923748A1; CA2264217A1; WO1998009185A1; BR9711258A; IL128713A0; US5815624A

Abstract

一种盲点观察系统,该系统通过使用密集的光纤束(20)能够在两点间传输光学图象(12),上述光纤束(20)具有一放置于光纤束各个端部的或与光纤束作成一体的小透镜阵列(30)。小透镜输入装置将光线聚焦到光纤束(20)的各个光纤芯上。光纤束(20)的输出也耦合到一小透镜阵列,其中阵列中的各个小透镜(32,34,36)与相连光纤束(20)的输出端排成一列用于收集从各光纤传输出的光线并将其聚焦到观察位置。可选择地,光纤的端部可以改成包括一聚焦小透镜。观察位置可以包括一直接观察装置或一连接于后续录象监视器(28)观察设备的电荷耦合装置。

Description

观察装置

发明领域

本发明概括地讲涉及车辆安全领域，更具体而言，涉及借助并行处理透镜，使用密排的光纤束传输盲点图象。

发明背景

从特定点不能看到某一区域的现象一般称为盲点。盲点在操作任何车辆时都是特别危险的，无论这些车辆是卡车还是经济轿车。为了减少由盲点而引发的问题，现有技术中提出了许多设备，从简单的镜子到使用复杂的录象机。

盲点不仅局限于公路上的车辆驾驶。例如，叉车司机在移动物体时必须时常地在一近距离的范围内移动车辆，这样不可避免地产生大量盲点。如果操作者依赖另一个人来指挥物体的安放，双倍的工资会使企业的费用增加。典型地，操作者将在能够看到清晰图象的瞬间所看到的位置记忆起来，然后盲目地将物体放到位置上。人们希望在移动到盲点的过程中，该区域没有任何障碍物。尽管一个熟练的叉车司机可以将意外事故减至最少，但是在没有消除盲点的情况下避免所有的意外事件是不可能的。

公路上行驶的车辆使得盲点问题对每个消费者来说变得更加显而易见。随着车辆尺寸的增加，盲点区域呈几何倍数增大。例如，公共汽车司机由于车辆的长度和司机的位置具有极其有限的视野范围。由于上述原因，现有技术中提出了很多能够帮助操作者看到盲点或者防止进入盲点的设备。校车通常配备有穿越栅栏，穿越栅栏迫使孩子们绕着栅栏走而进入司机的视野。栅栏仅仅用于固定的位置。机场班车一般使用一录象机以消除在班车尾部的盲点区域。录象机所带来的一个问题是机器的成本和相关的维修费用问题。另外，电子设备对如湿度、热、冷、敲击和震动等环境条件比较敏感。电子设备还受到由其它的外部电子设备和/或机械设备所产生的外部电子噪声的影响。

使用凸面镜可以扩大视野，但帮助是有限的，因为透镜的扭曲变形可能给操作者以盲点的错误的指示。另外，镜子必须放置在一延伸的位置上观察周围物体，为了经得起正常的车辆运行，需要精心维护。

光纤是另一种能够消除盲点的设备。光纤用于将投影在其一端的图象传输至另一端，并通过放大器重现出来。所传输的图象的清晰度和复杂度对于决定在低成本的商业或工业应用图象传输中，使用光纤是否是一种经济可行的方式的问题时是一个决定性因素。

美国专利4,968,124中公开了一种用于解决盲点问题的光纤系统。这项技术使得图象从物镜装置穿过图象中继系统传输至安装于车辆上的观测装置。图象中继系统包括一耦合到展望镜装置的光缆。该装置包括一带有耦合到透镜系统和光缆接收端的玻璃孔的壳体。图象通过光缆的一端，在展望镜装置中的光缆的发射端显现出来或直接在观测装置上显现出来。发明人将观测装置定义为一具有一安装孔和一观察孔的外壳。图象进入观测装置并进入一合适的透镜以便车辆操作者可以观察到被观察的物体。正如公开文本所提到的，这种使用传统线缆技术的问题是光的损失，这限制了设备的长度和效果。在光线较弱的情况下，该，124设备可能没有用处。另外，在车辆需要消除距操作者较远距离的盲点时，如在公共汽车、卡车、大船中，该124设备具有严重的局限性，使得该设备不适用于上述大多数情况。正如在公开中讨论的关于光的损耗，该装置的有限的成象能力严重限制了它的图象应用。此外，该系统不能有效利用长距离的线缆，比如40英尺，也是个问题。

现有技术中所缺少的是一种具有最小的光损失而消除盲点的设备。另外也需要这样一种设备，该设备能够消除盲点而没有由展望镜类视觉系统、凸面镜或组合镜所引起的扭曲变形。这样，提出了一种密集的光纤束，用做消除输入光纤与输出光纤间的干扰关系，以保持投影的输入图象与输出图象间的几何关系。另外，使用一小透镜阵列将光线恰当地聚焦到集聚到一起的光纤束的输入端的光纤芯上。也可以在输出端用一类似的小透镜阵列将所传输的光线重新聚焦，直接观察或传输到一接收装置。该设备也可用于如内窥镜成象、保安和监视等场合。

发明概述

本发明是一种盲点观察系统，它通过使用一具有小透镜阵列的相连光纤束而能够在两点间传输光学图象。上述小透镜阵列安装于光纤束两端或与之形成一体。上述的小透镜阵列包括一平面的小透镜阵列(PML)。也可以使用渐变指数(GRIN)透镜和渐变指数透镜阵列。SELFOC透镜利用径向指数渐变。

在每根光纤芯周围的覆层提供内部反射，该反射使得光能够穿过光纤而没有光强的损失，甚至在光纤弯曲的情况下也能实现。在光纤内，光的传输完全依靠内部反射，光在光纤内传输时，光线以大于临界角的入射角射在光纤的外表面，于是所有的光线向光纤的内部反射而没有光强的损失。这样，光因向内部反射而可以传输很长的距离。所述覆层一般为具有较小折射率的玻璃覆层。

本发明的小透镜输入装置用于将光线聚焦到密集在一起的光纤束的每根光纤芯上。作到这点很重要，因为没准确地进入光纤而照射在覆层上的光线不用于沿光纤束传输图像，所以光线会损失或扭曲。因此，阵列中的每个小透镜将来自各自视场的光线聚焦到各个光纤芯。密集光纤束的输出也耦合到一小透镜阵列上，其中阵列中的每个小透镜沿密集光纤束输出端排列，用于收集从各光纤射出的光线，并将上述光线向观察位置聚焦。

另一实施例利用一照相机镜头装置进一步增加系统的光聚集能力。使用这种方式，照相机镜头装置将其视场的光线聚焦到小透镜阵列的输入面上。

另外一个实施例将密集的光纤束的输出耦合到一CCD阵列，该CCD阵列在象素间有非吸收区。用一微透镜阵列收集来自各光纤的分支光束，并将该光束聚焦到CCD阵列的各个象素点的有源区。

因此，本发明的目的在于公开一种盲点观察系统，该系统通过使用集聚在一起的光纤束，达到最小光损失和没有图象失真的图象传输。

本发明的另一目的在于提供一种盲点观察系统，该系统具有一输入装置小透镜阵列，用于将入射的光线聚焦到光纤束的各个光纤芯中。

本发明的目的还在于提供一种盲点观察系统，该系统具有一输出装置小透镜阵列，用于收集从各光纤射出的光线，并将其向观察位置聚焦。

本发明的另一目的在于提供一种盲点观察系统，该系统具有一耦合到CCD阵列的输出装置，通过小透镜阵列收集来自各独立光纤的分支光束，将光束聚焦到CCD阵列的各个象素点的有源区。

本发明的另一目的还在于提供一种盲点观察系统，该系统使用一照相机镜头装置，通过将观察区域内的光线聚焦到输入装置小透镜阵列的表面进一步增加系统的光聚集能力。

本发明的另一目的在于提供一种以上所描述的盲点观察系统，该系统使用渐变指数透镜和透镜阵列。

本发明的另一目的在于提供一种盲点观察装置，其中光纤束被排成两束，上述光线束中第一光纤束的近端耦合到一光源，用于照亮该光纤束远端的物体，而第二光纤束用来观察上述被照亮的物体。

本发明的其它目的和优点，通过以下结合附图的描述会更清楚，其中附图图示并例证了本发明的几个实施例。附图构成说明书的一部分，包括本发明示例性的实施例，图示表示了本发明的目的和特征。

图1是盲点观察装置的方框图。

图2是一个含光路轨迹的PML阵列示例部分的剖切侧视图。

图2A是PML阵列的前视图。

图3是一个输入装置PML的部分剖切侧视图，小透镜与各光纤对准，用于把收集到的光线会聚到光纤芯内。

图4是一个输出装置PML的部分剖切侧视图，小透镜与各光纤对准，用于收集和重新会聚从每根光纤射出的光线。

图5是一个PML阵列示例部分的剖切侧视图，每个PML小透镜将光线聚焦到CCD阵列的单个元素上。

图5A是一个输入装置的部分剖切侧视图，该组合件用透镜将光线聚焦到PML表面上。

图6是表示普通透镜及其对穿过它的光束产生的作用的剖切侧视图。

图7是表示渐变指数透镜及其对穿过它的光束的作用的剖切侧视图。

详细说明

尽管本发明以特定实施例进行描述，但是，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神的前提下，各种修改、重组和替换都可以很容易地得到。本发明的保护范围由所附的权利要求限定。

现参照图1，图1示出了一盲点观察装置10的方框图。方框12表示初始盲点图象源。该图象源可以是实际图象本身，可以是图象的投影，也可以是从这种图象来的聚集后的光线集。光线14传输至输入装置PML16用于聚焦。PML是一集离子交换技术和平板照相术于一身的独特的二维透镜阵列。使离子通过照相掩膜扩散进一玻璃底层，可以形成许多具有多种不同尺寸和型式的小显微镜。如果需要，可以在每个小透镜的表面上做出可选择的外凸弯曲部分，以增大数值孔径。该PML在样式上可依照各种应用场合的设计制作。来自PML小透镜的聚焦后的光线18聚焦在集聚在一起的光纤电缆20的各光纤芯上。光线沿各根光纤传输，进入输出装置PML24的小透镜22。射出的光线26聚焦到图象观察器28上，该图象观察器可以包括一与电子观察装置相连的CCD阵列。

现参照图2，图2示出了一PML阵列30的部分剖切侧视图。所示的各个小透镜32,34和36横排在阵列的平面38上。每个小透镜32,34和36从它们各自视场33,35和37收集光线。所收集的光线通过各个小透镜以一预定的基准焦距(BFL)40聚焦而会聚，图中所示的焦距为460微米。图2A表示横排在PML阵列的表面38上的小透镜排列方式的前视图。小透镜42安排成蜂窝状，各个小透镜的中心相距约114微米。上述PML阵列可以根据应用场合的不同，使用其它的平面布置形式，尺寸和基准焦距而构造出来。

现参见图3，所示为PML阵列46的部分剖切侧视图，为光输入装置44的一部分。与图2类似，PML的每个小透镜32,34和36用于将视场的光线47,49和51聚焦到组成聚集到一起的光纤电缆的各单独光纤48,50和52的中心。集聚到一起的光纤束是这样一束光纤，该束光纤不会将输入光纤和输出光纤间的关系混淆。因此，例如，如果一字母“g”投影到光纤束的输入端，相同的字母“g”会出现到光纤束的输出端而没有几何失真。

根据本发明，光线输入装置44作成这样的结构，使得阵列中的每个小透镜与一独立的光纤相对应。为此，在小透镜阵列中的透镜必须与密集的光纤束54的紧密封装的构造精确匹配。当前的技术很容易构造出上述透镜阵列。当前，至少有三种机构用于单独地或联合地制造小透镜阵列。光能可以在阵列中的每个透镜的位置上产生，通过的方式有以下几种：(1)在大块材料中折射率的变化，例如使用扩散方式的折射透镜，(2)用模拟方式使大块材料成型，例如使用铸模成型的树脂环氧的折射透镜，或(3)用数字方式使大块材料成型，例如使用蚀刻方法得到的衍射透镜。

现参照图4，图4表示了一输出装置56，在密集的光纤束54的输出端设有一PML阵列57。每根独立的光纤48,50和52分别与在输出PML阵列57中的小透镜58,60和62对准。这些小透镜从各光纤收集光线，将光线聚焦直接用于观察或用于一光线收集源或其它观察器(如图5)。

现参见图5，图5显示了另一具有如图4所示的输出PML57和独立小透镜58,60和62的输出装置64。上述输出装置64还包括一电荷耦合器件(CCD)阵列66，该CCD用于收集来自输出PML57的小透镜聚焦过的光线。一个前吸收阵列66具有有源区68，或象素，和无源的或非吸收区70。上述非吸收区可以由一位于底层内与各个元素相邻的移位寄存器组成。上述输出PML57能够有效地耦合到CCD66。小透镜58,60和62用于收集来自各独立光纤的分支光线，将这些光线聚焦到CCD阵列66上的各个相应的有源区68或象素点。通过将光线聚焦到象素上，随着减少整个CCD阵列或背板的热量，可得到一更加明亮的图象。微小透镜的尺寸和型式可以调节成与CCD的结构相适应。有不同的制造商设计和制造出不同尺寸、型式和应用场合的PML阵列。

现参见图5a，显示了一输入装置72，该输入装置72含有一用于收集大量成象光线的凸透镜74。透镜74可以包括一照相机镜头装置或其类似物，以进一步增强系统的光线收集能力。透镜74因此可以将其视场的光线聚焦到小透镜阵列78的表面76上。

如上所述，可以使用多种方法构造出小透镜阵列，以在PML阵列上或在光缆的端部产生“光弯曲”表面。现参见图6，常规的透镜如图可使光线只在它的表面弯曲。在空气和玻璃的界面，光线82会根据反射率的突变改变方向。通过严格控制透镜表面的形状和平滑度，可使光线81聚焦并形成一图象。

或者，可以通过改变密集的光纤束的端部，使得不需要分立的小透镜阵列，同样能够达到上述的功能。在本实施例中，图1中的观察装置10的方框图可以不包括输入和输出PML16和24，而包括一些图示步骤和一些对光纤端部的修改。

现参见图7渐变指数(GRIN)透镜提供了一种相对于在玻璃透镜上磨光一曲面部分的选择。通过在透镜材料84内改变折射率，光线多次改变方向而射向焦点88。由美国NSG生产的SELFOC透镜，是使用离子交换技术生产的。上述透镜能够将光线耦合到光纤上，它的圆柱形的几何形状使得将透镜放入阵列中成为可能。

SELFOC透镜选用了径向折射率渐变，在透镜中心的折射率最大。其中，透镜的折射率作为径向距离的二次函数而下降。最后的抛物线形的折射率分布的陡峭程度由渐变常数值决定。在SELFOC透镜中，光线沿正弦轨迹传播直至到达透镜的后表面。这种折射率渐变的内部结构使得不必严格控制表面曲率且得到一简单、紧凑的透镜几何形状。在本发明的应用中，上述GRIN透镜也可以作成如图2和图2a所示的透镜阵列。

应当理解，尽管本发明人图示并描述了本发明的某些特定形式，但本发明的保护范围不应受到以上所描述和表示的特定的形式或组合方式的限制。对于本领域的一般技术人员来说，在不背离本发明范围的前提下，可做出各种改变。本发明的保护范围不应受到所示附图和说明书的描述的限制。

Claims

1．一种盲点观察装置，包括：

一由各单根光纤组成的光纤束构成的密排电缆，所述光缆具有一第一端和一第二端，所述各个端都包括一处理过的分区装置，将光线聚焦到所述每一单个光纤内或将每一单个光纤传输出的光线聚焦。

2．根据权利要求1所述的盲点观察装置，其特征在于，所述第二端被分成两束，一个光纤束的近端与一光源相连，用于照亮该光纤束第二末端处的物体，而另一光纤束用来观察上述被照亮的物体。

3．根据权利要求2所述的盲点观察装置，其特征在于，所述的处理过的分区装置由一贴紧安装的小透镜装置代替，光线聚焦到所述每一单个光纤内或将每一单个光纤传输出的光线聚焦。

4．根据权利要求3所述的盲点观察装置，其特征在于，所述小透镜装置包括一平面的小透镜阵列。

5．根据权利要求1所述的盲点观察装置，其特征在于，它还包括一连接到一端或两端的透镜装置。

6．根据权利要求5所述的盲点观察装置，其特征在于，所述透镜装置是一渐变系数透镜。

7．根据权利要求6所述的盲点观察装置，其特征在于，所述渐变系数透镜是SELFOC透镜。

8．根据权利要求3所述的盲点观察装置，其特征在于，所述紧贴安装的小透镜阵列包括渐变系数小透镜阵列。

9．根据权利要求8所述的盲点观察装置，其特征在于，所述渐变系数小透镜阵列包括SELFOC小透镜阵列。

10．根据权利要求1所述的盲点观察装置，其特征在于，所述光纤束的输出连接到一电荷耦合器件(CCD)阵列，该阵列的各有源区象素与所述各光纤对准，使来自各单根光纤的光线聚焦到相应的上述象素。

11．一盲点观察装置，包括：

一密排光缆，该光缆包括一光纤束，所述光缆具有一第一端和一第二端；

一输入装置，该装置具有一由单个小透镜组成的第一小透镜阵列，所述第一小透镜阵列连接到所述光缆的第一端，使得各个小透镜与光缆的各个光纤芯对齐，并将光线聚焦到各个光纤芯上；和

一第二输入装置，该装置具有一由单个小透镜组成的第二小透镜阵列，所述阵列连接到所述光缆的第二端，使得各个小透镜与各光纤对齐，并将从各个光纤传输出的光线收集并向观察位置聚焦。

12．根据权利要求11所述的盲点观察装置，其特征在于，所述输入装置和输出装置小透镜阵列包括一平面微小透镜阵列。

13．根据权利要求11所述的盲点观察装置，其特征在于，所述输入装置包括一透镜装置用于从观察区域聚集光线并将其聚焦到第一小透镜阵列。

14．根据权利要13所述的盲点观察装置，其特征在于，所述透镜装置包括一渐变系数透镜。

15．根据权利要求11所述的盲点观察装置，其特征在于，所述输出装置包括一电荷耦合器件(CCD)阵列，该阵列的各有源区象素位于所述观察位置上，各个所述象素与所述第二小透镜阵列的各个小透镜对齐，使得所述小透镜聚焦到所述象素。

16．根据权利要求15所述的盲点观察装置，其特征在于，所述CCD器件与一光学观察装置相连接。

17．根据权利要求11所述的盲点观察装置，其特征在于，所述第一和第二小透镜阵列包括渐变系数透镜阵列。

18．根据权利要求17所述的盲点观察装置，其特征在于，所述渐变透镜阵列包括SELFOC透镜阵列。

19．一盲点观察装置，包括：

一密排光缆，该光缆包括一光纤束，所述光缆包括一第一端和一第二端；上述各光纤的第一端改变为包括一安在其上的小透镜装置，用于将光线聚焦进入所述各个光纤；上述各个光纤的第二端改变为包括一安在其上的小透镜装置，用于将从所述各个光纤传输出的光线聚焦到观察位置。

20．根据权利要求19所述的盲点观察装置，其特征在于，所述观察位置包括一电荷耦合器件(CCD)阵列，该阵列具有独立的有源区象素，各个所述象素与所述位于所述光纤的第二端的各光纤小透镜对准，使得所述小透镜聚焦到所述象素。

21．根据权利要求20所述的盲点观察装置，其特征在于，所述电荷耦合器件与一光纤观察装置相连接。

22．根据权利要求20所述的盲点观察装置，其特征在于，位于所述光纤第一端和第二端的小透镜包括一渐变系数透镜。