JP2011524020A - 暗視眼鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】着用者に現実世界の増強像を提供する暗視眼鏡を形成する、有効赤外特性および屈折光路を有するシステムを提供することにある。
【解決手段】従来の暗視眼鏡製品と比較して軽量、小型で経済的に製造できるため或る商業的および娯楽的用途に適した像増強眼鏡（１００）を開示する。開示する一実施形態では、入力光は、２つのアミチプリズム（１４４）、（１４８）およびフィールドフラットナーレンズ（１５０）を通って像増強器（１５２）に入る。像増強器により作られた増強像は、第１屈折鏡（１６２）から反射されてレンズ（１５４）を通り、曲面鏡（１５６）から反射されて他の光路を通ってレンズ（１５４）に戻る。次に増強像は、２つの付加非ダブレットレンズ（１５８）、（１６０）を通る。これらのレンズ（１５８）、（１６０）間に中間像が存在する。増強像は、次に、眼鏡の「レンズ」またはバイザー（１３０）から反射されて、着用者の瞳（１３１）に入る。
【選択図】図５

Description

本願に開示する幾つかの実施形態は、光学システムおよび光学素子に関し、より詳しくは、着用者に現実世界の増強像を提供する暗視眼鏡を形成する、有効赤外特性および屈折光路（folded optical path）を有するシステムに関する。

関連出願の参照
本願は、２００８年５月１６日付米国仮特許出願第６１／０５３，８４３号（名称「暗視眼鏡（Night Vision Glasses」）の優先権を請求する。また本願は、２００９年３月１３日付米国特許出願第１２／４０４，０８７号（名称「バイザーヘッドアップディスプレイ（Visor Head-Up Display）」）および米国仮特許出願第６１／０３６，２８１号に関する。

米国仮特許出願第６１／０３６，２８１号明細書 米仮特許出願第１２／４０４，０８７号明細書

一実施形態による１対の暗視眼鏡を示す正面図である。 図１の実施形態による光学的構成を示す正面図である。 図１の実施形態の光学システムの概略図であり、明瞭化のため２つの平面屈折鏡（planar fold mirrors）および２つの屈折プリズム（fold prism）で屈折されていない状態を示すものである。 図１の実施形態の光学的構成を示す平面図である。 図１の実施形態の光学的構成を示す後面図である。

本発明の原理の理解を促進する目的で、図示の実施形態を参照されたい。また、本発明を説明するのに特殊用語を使用する。しかしながら、本発明の範囲が図示の実施形態に限定されないこと、説明しまたは図示した実施形態の任意の変更および更なる変更および本願に図示した本発明の原理の更なる用途は、本発明が関連する当業者にとって通常考え得るものであると考えられる。

長年に亘り、暗視技術は、兵士が、ごく僅かな光条件下で状況を見ることを可能にしてきた。しかしながら、多くの暗視システムは、多くの一般人の用途および娯楽用途等の多くの用途には不適な重量配分を有しかつ全体的に嵩張るものであった。これらのシステムは別の支持体を必要とし、この支持体としてしばしば、外部構造（例えば車両のフレーム）、パイロットのヘルメットまたはユーザの片手または両手がしばしば使用された。

概略的にいえば、本願に開示するシステムの一形態は、着用者に増強像を提供する暗視技術を含む１対の眼鏡である。種々の実施形態は、眼鏡または他の眼鏡類に装着されかつユーザの顔上でバランスを保つのに充分なほど軽量である。他の形態として、巻き付け装着型眼鏡、ヘルメットをベースとする形態、ミラーをベースとする形態および本願の開示技術分野の当業者に明白な他の実施形態がある。明瞭化のため、用語「バイザー」とは着用者の視界内の物体をいい、作られた像はバイザーから反射する。物体は、レンズ、ミラーまたは少なくとも一部に反射性を有する他の物体を含み、用語「バイザー」が一般にこれらの物体を説明するのに使用されているか否かは問わない。

図１に示すように、暗視眼鏡１００は、フレーム１１０、ステム１２０、光学モジュール１４０および慣用のまたは好ましいバイザー１３０を有している。光学モジュール１４０は、受けた僅かな光エネルギを、バイザー１３０の表面から反射された増強像として着用者が見ることができる可視光に変換する。
光学モジュール１４０のコンポーネンツは、図２に、より詳細に図示されかつ図３に概略的に図示されている。光学モジュール１４０は、対物レンズ対物レンズサブシステム５０１と、像増強器１５２と、接眼レンズサブシステム６０１とを有している。対物レンズサブシステム５０１は、ダブレット（doublet）１４２と、屈折プリズム１４４と、シングレット（singlet）またはダブレット１４６と、屈折プリズム１４８と、フィールドフラットナー１５０とを有し、一方、接眼レンズ６０１は、平面鏡１６２と、レンズ１５４と、曲面鏡１５６と、レンズ１５８と、平面鏡１６４と、レンズ１６０とを有している。

この実施形態では、光学モジュール１４０は全部で５つの光学屈折部（optical folds）、すなわち対物レンズサブシステム５０１に２つの屈折部および接眼レンズサブシステム６０１に３つの屈折部を有している。光学モジュールの屈折部に加え、バイザー１３０によって１つの付加屈折部を設けることにより、全部で６つの屈折部を形成する。これらの６つの屈折部は偶数であり、したがって、現実世界に関する像の正しい左右像（handedness）（リバージョン）を維持する。像増強器１５２は簡単なガラス窓出力（glass window output）で形成され、したがって、対物レンズサブシステム５０１および接眼レンズサブシステム６０１を通して見られる像は、対物レンズサブシステムの正規像回転（normal image rotation）により適正に配向されなくなる。これを補正するため、修正された２つのアミチプリズムすなわち「屋根型」プリズム１４４、１４８を使用して対物像を１８０だけ反転させ、眼で見えるように適正配向させる。

図２および図３に示すように、ダブレット１４２は、着用者の前方から光を受ける。光は、屈折プリズム１４４、シングレットまたはダブレット１４６および他の屈折プリズム１４８を通って、フィールドフラットナーレンズ１５０上および像増強器１５２のカソード（入力）窓内に導かれる。この実施形態では、プリズム１４４およびプリズム１４８は修正されたアミチプリズムまたは「屋根型」プリズムであり、ダブレット１４２、シングレットまたはダブレット１４６およびフィールドフラットナー１５０と組合わされて、正しい位置および方向で像増強器１５２上に像を合焦させる。本願技術分野の当業者ならば明らかなように、他の実施形態では、プリズムの代わりに、簡単な前面鏡で作られた簡単なアミチリフレクタを用いることができる。明瞭化のため、図３には屈折プリズム１４４、１４８により形成される屈折が示されていないことに留意されたい。

この実施形態では、像増強器１５２は、薄いガラスの第２世代（マルチアルカリ）カソード窓および薄いガラス出力窓を備えた、直径１２-１３ｍｍの像フォーマットを有している。或る既存の暗視装置の出力窓に使用されている光ファイバツイスターはかなりのサイズおよび費用が嵩むが、本発明の実施形態では、アミチプリズム（またはリフレクタ）により反転が達成されるため光ファイバツイスターは不要である。サイズ、重量、コスト、商業化可能性、電力消費および昼光保護に関する種々の仕様に他の形式の像増強器を使用できる。本発明の精神を保有しつつ、これらのおよび他の設計考察に基づいて他のアノードを選択することもできるが、ガラス型出力（アノード）窓は、軍用型光ファイバベース窓より実質的に高い蛍光体からの光の透過が得られる。これらの実施形態では、ガラス型出力窓からの高い透過は、小口径の対物レンズおよび低利得の第２世代像増強器を使用することに特有の幾分の損失を相殺する。或る実施形態は、例えば、或る軍用暗視システムと比較して、これらの軍用暗視システムの重量の１／１０に過ぎないが、軍用暗視システムの６５-７５％の増強視界が得られる。

像増強器１５２により作られた像は、曲面鏡（例えば、球面、非球面、双曲面、楕円面、放物面またはトロイド面の鏡）１５６で反射される前および後の両方で、薄い、プラスチックのメニスカス型「補正」レンズ１５４を通る。この実施形態では、鏡１５６とレンズ１５４との組合せが、傾斜した球面バイザー／リフレクタ１３０により発生される非点収差および歪みを補正する。この実施形態の鏡１５６は球状前面鏡が好ましいが、周辺鏡（Margin mirror）として機能する後面鏡を使用することもできる。鏡１５６は、任意の適当な材料で作ることができ、プラスチックで作ることもできる。この実施形態のレンズ１５８は、増強像をユーザの眼の瞳１３１に置きかつコリメートするようにレンズ１６０、１５４とマッチングされる。この実施形態では、レンズ１６０、１５８、１５４はプラスチックレンズであり、レンズ１６０とレンズ１５８との間に中間像が現れる。このシステムの種々のレンズおよび鏡は、ガラス、プラスチックまたは他の任意の材料で作ることができる。種々のレンズおよび鏡に種々のプラスチックの組合せを用いることにより、システムに優れた色消し効果を付与し、かつ嵩張りかつ重いガラス型アクロマート（色消しレンズ）の必要性が低減される。明瞭化のため、平面鏡１６２、１６４により作られる屈折が図３の概略図から省略されていることに留意されたい。

最後に、像は、暗視眼鏡１００のバイザー１３０から反射して、観察者の瞳１３１に入る。この実施形態ではバイザー１３０は球面であるが、他の実施形態では非球面、放物面またはトロイダル状にすることができ、当業者には更に別の形状も考えられるであろう。また、この実施形態のバイザー１３０は、通常、均一な反射率、部分反射率または幾つかの慣用サングラスのレンズにおけるように垂直方向に変化する反射率を有している。球面バイザーを用いる設計は、或る他の設計より、製造時の小さい変化に対するフレキシビリティが大きくかつ感応度が低い。

レンズ１５４、１６０は例えばアクリル樹脂またはポリカーボネートのような軽量プラスチック材料で作るのが好ましいが、当業者に明らかな他のレンズ材料で使用することもできる。同様に、鏡１５６も球面、非球面、放物面またはレンズ１５４およびシステムの残部との適当な組合せを形成する他の形状にすることができる。種々の実施形態では、鏡１５６は、プラスチック、ガラス、金属または当業者に明らかな他の材料で作ることができる。鏡１５６、１６２、１６４は、複製方法を用いて作ることもできる。

レンズ１５８は、プラスチックのポリスチレンまたはポリカーボネートで作るのが好ましい。これらのプラスチック材料の幾つかは、ゼネラルエレクトリック等の会社により製造／販売されている。当業者には明らかなように、他の実施形態では他のレンズを使用できる。

バイザー１３０もプラスチックで作るのが好ましく、種々の実施形態では、着色処理、無着色処理、可変色処理および／または感光ダイナミック着色処理されるか、一方の面が薄膜反射コーティングでコーティングされる。この薄膜は、全面に塗布されるか、パッチ模様のように塗布される。バイザーはポリカーボネートプラスチックまたは眼の安全性を高める他の粉砕防止材料で作るのが好ましい。また、バイザーは、当業者に明らかな種々の任意の手段を用いてフレーム１１０に取付けられる。

図４は、増強像を眼鏡の後方から見て眼鏡の右側に投影する光学システムの一実施形態における暗視眼鏡１００の光学的構成を示す平面図であり、一方、図５は同じ実施形態の後面図である。光学システム全体に亘る種々の光学的屈折により、空間的にコンパクトに構成できる。より詳しくは、この実施形態は、平面屈折鏡（planar folding mirror）１６２、１６４、曲面鏡１５６および屈折プリズム１４４、１４８を有している。図４に示すように、増強像はバイザー１３０の領域１６６から反射して、ユーザの瞳１３１に入る。

要約すれば、図１に示す実施形態は、２つのアミチプリズムまたは鏡を用いた対物レンズサブシステム５０１を使用する像増強システムと、光ファイバ窓の代わりに簡単なガラス出力窓を使用する像増強器と、特許文献１および２に開示されているようにバイザー１３０と組合わされて増強像をユーザの眼に投影する接眼レンズサブシステム６０１とを有している。

全ての刊行物、先行出願および本願で引用する他の文献は、あたかもこれらの各々が個々に引用されかつ完全に開示されているかのように、これらの文献の全体を本願に援用する。本発明は、添付図面および上記記載で詳細に説明したが、好ましい実施形態が図示されかつ説明されたものであること、および本発明の精神内に含まれる変更は保護されるべきであることを理解されたい。

１００ 暗視眼鏡
１１０ フレーム
１３０ バイザー
１４０ 光学モジュール
１４２ ダブレット
１４４、１４８ プリズム
１５０ フィールドフラットナーレンズ
１５２ 像増強器
１５４、１５８、１６０ レンズ
１５６ 曲面鏡
１６２、１６４ 平面鏡
５０１ 対物レンズサブシステム
６０１ 接眼レンズサブシステム

Claims (12)

1. フレームと、
   湾曲反射面を備えたバイザーと、
   対物レンズサブシステムとを有し、該対物レンズサブシステムが、
   ２つのアミチプリズムと、
   ダブレットレンズと、
   シングレットおよびダブレットからなるレンズのクラスから選択された付加レンズと、
   フィールドフラットナーレンズとを備え、
   対物レンズサブシステムの各素子を通過した入力光を受けて増強像を作る像増強器と、
   接眼レンズサブシステムとを更に有し、
   前記フレームが、対物レンズサブシステム、像増強器および接眼レンズサブシステムを、増強像が接眼レンズサブシステムを通過し、次にバイザーの反射面からユーザの眼に反射するような相対位置に支持していることを特徴とする暗視眼鏡。
2. 前記対物レンズサブシステムは、Ｆ／ｎ口径（ｎは約２．０以上）を有していることを特徴とする請求項１記載の暗視眼鏡。
3. 前記対物レンズサブステムは像を回転させないことを特徴とする請求項１記載の暗視眼鏡。
4. 前記像増強器を通る光路は光ファイバの回転を含まないことを特徴とする請求項１記載の暗視眼鏡。
5. 前記像増強器はガラス出力窓を有していることを特徴とする請求項１記載の暗視眼鏡。
6. 前記像増強器は第２世代像増強器であることを特徴とする請求項１記載の暗視眼鏡。
7. フレームと、
   湾曲反射面を備えたバイザーと、
   対物レンズサブシステムとを有し、該対物レンズサブシステムが次の素子すなわち、
   ２つのアミチプリズムと、
   ダブレットレンズと、
   シングレットおよびダブレットからなるレンズのクラスから選択された付加レンズと、
   フィールドフラットナーレンズとを備え、
   対物レンズサブシステムの各素子を通過した入力光を受けて増強像を作る像増強器と、
   接眼サブシステムとを更に有し、
   前記フレームが、対物レンズサブシステム、像増強器および接眼サブシステムを、増強像が接眼サブシステムを通過し、次にバイザーの反射面からユーザの眼に反射するような相対位置に支持していることを特徴とする暗視眼鏡。
8. 前記対物レンズサブシステムは、Ｆ／ｎ口径（ｎは約２．０以上）を有していることを特徴とする請求項７記載の暗視眼鏡。
9. 前記対物レンズサブシステムは像を回転させないことを特徴とする請求項７記載の暗視眼鏡。
10. 前記像増強器を通る光路は光ファイバの回転を含まないことを特徴とする請求項７記載の暗視眼鏡。
11. 前記像増強器はガラス出力窓を有していることを特徴とする請求項７記載の暗視眼鏡。
12. 前記像増強器は第２世代像増強器であることを特徴とする請求項７記載の暗視眼鏡。

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