JP2022523935A - 暗視アイピース - Google Patents

Abstract

本発明は、暗視アイピースを形成する、軽量レンズセル組立体である。レンズセルは、一体型焦準機構と、高分子で作製された少なくとも１つのレンズ素子と、を有する。レンズセルが高分子に熱的に整合された材料から作製され、レンズ素子がレンズセルに一体的に接続されるか、又は締まりばめによりレンズセルに接続されるため、組立体は、重量と誤差の両方の低減に大きな利点を与える。【選択図】図１ａ

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年２月２７日出願の、先願で同時係属の米国仮特許出願第６２／８１１，０１９の利点を主張し、その記載内容を、完全な形で本明細書に引用することで組み込む。

本出願は、画像化の分野を対象とする。本出願は、より詳しくは、軍事・民生用の暗視装置、及びそのための改良型アイピースの分野を対象とする。

暗視ゴーグルは、一般的に、構造に固定されるもので、結果として、製品の重量が大きくなる。暗視ゴーグルをヒトの頭部に取り付ける場合、その結果、首に生理的な負荷、痛み、注意力の喪失、さらに損傷の可能性が生じる。ゴーグル重量の主な構成要素は、レンズであって、特に、アイピースである。

先行技術のアイピースは、レンズセル、焦点機構、視準調整機構、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタリング、及び環境シール機構からなることが多く、通常、２～３つの構成要素で組み立てられる。アイピースは、通常、ガラスレンズ素子と、アルミニウム製のセル及びスペーサ等の金属製補助部品とで作製されるため、重量が大きくなり得る。さらに、レンズがゴーグルに組み込まれる場合、焦点リング、絞り、シール等の他の機械的機構を伴い、重量が大きくなる。

さらに、アイピースは、両眼視方式では、光学部品が焦点機構にミスアラインメントするため重量が増す。２つのアイピースが双眼鏡の２つのチャネルに組み込まれる場合、各アイピースでこのミスアラインメントが起こるため、結果生じる目に提示される画像は、ミスアラインされる。この欠陥を、ゴーグルレベルでの「視準」誤差と称する。各チャネルが、空間の同一点を視る対象として、それを正確にヒトの目に投影するようにコリメートされるのが理想であろうが、即ち、その画像は、観測者にとって、あたかも観測者がゴーグルに頼らず見るのと同じような物であろう。ゴーグルは、このような誤差を補正するために、光学部品を調整又はシフトするための追加の機械部品を必要とし、両チャネルを光学的に適切にコリメートする。これらの機構では、重量及びコストが製品に追加される。

さらに、従来のアイピース組立体は、比較的大きな公差を持つ多くの構成要素を有する。これらの公差により、光学設計者は、レンズ素子の追加、ガラスタイプから重量タイプへの変更、又はこれらの公差に対して調整する作製ステップの追加のいずれかを余儀なくされることが多い。通常、レンズセルは、スリップばめと頻繁に称される、レンズに対するすきまばめを有するように作製される。従って、レンズの内径は、レンズ素子の外径よりも大きく、その結果、レンズ素子は側方に移動可能である。この側方移動は、レンズ設計において考慮が必要な公差誤差であり、レンズ設計者が、設計上の公差を厳格にするか、又は追加要素を増加させることを必要となる場合が多い。レンズはまた、すきまばめを有するが、それは、ガラスが応力下では削れやすく、レンズセルが金属である先行技術の組立体において、圧入により高応力とチッピングが生じるためである。プラスチック要素を備えたレンズ設計では、ほとんどが、プラスチックに熱的に整合されない材料に設置されているため、すきまばめが作成されている。このため、レンズ温度が変化するとレンズに応力が作用して、光学性能が劣化する。最終的に、正確な嵌め合いがレンズ設計により必要な場合、通常の解決策として、すきまばめを作成し、レンズ素子を互いに対して移動させ、その後、レンズが適切にアラインされる位置にレンズ素子を接合する。このような変更すべてにより、重量が大きくなり、性能への影響が見られ、コストが増える傾向にある。

さらに、先行技術のスペーサは、レンズ素子間、及びセルの内径とレンズ上のセンタリング機構との間に挿入される別個の部品である。別個のスペーサは、すきまばめであり、センタリング、傾斜、及びスペーシングの誤差を導入する。スペーサは、部品間の隙間が、レンズセル及びレンズ素子の作製誤差よりも大きいことが必要なため、センタリング誤差を導入する。スペーシング誤差の発生は、分離されたレンズ素子及びスペーサそれ自体の累積誤差による。傾斜誤差が発生するのは、スペーサが、組立体上で追従する傾向がある曲面に配置され、部品が、ボールやソケット継手に対するのと同様に、互いの周りを回転するためである。別の結果として、レンズがスペーサに載るように、レンズ径をわずかに大きく製造するので、追加の重量が加重される。

軽量で、視準誤差がほとんどなく、光学設計者が、より緩い公差をレンズの処方に適用可能なアイピース組立体に対し、満たされないニーズが存在する。

本発明のある実施形態は、レンズセルと、高分子で作製された少なくとも１つのレンズ素子と、を具備するレンズセル組立体である。レンズセルは、一体型焦準機構と、レンズセルの外周の周りを延伸する少なくとも１つのシーリング機構と、を具備する。レンズセルは、高分子に熱的に整合された材料から作製される。

本発明の目的及び利点は、以下の本発明の実施形態と実施例の詳細な説明からより十分に記載されるであろう。

図１ａ及び図１ｂはそれぞれ、レンズセル組立体の典型的な実施形態の斜視断面図及び側面断面図を示す。 図１ａ及び図１ｂはそれぞれ、レンズセル組立体の典型的な実施形態の斜視断面図及び側面断面図を示す。 図２ａ及び図２ｂはそれぞれ、レンズセル組立体の典型的な実施形態で使用する、レンズ素子の典型的な実施形態の正面図及び側面図を示す。 図２ｃ及び図２ｄはそれぞれ、レンズセル組立体の別の典型的な実施形態で使用する、レンズ素子の別の典型的な実施形態の正面図及び側面図を示す。

本明細書において、特定の用語を、簡潔さ、明瞭さ、及び理解の目的で使用している。これらの用語から、先行技術の要件を越えて適用される不必要な限定は存在しないが、それは、該用語が記述目的のみで使用され、広範囲に解釈されることを意図するためである。本明細書記載の異なるシステムや方法は、単独又は他のシステムや方法と組み合わせて使用してよい。様々な均等物や変形例が、添付の特許請求の範囲内で可能である。添付の特許請求の範囲記載の各限定事項は、用語「手段」又は「ステップ」がそれぞれの限定において明瞭に記載されていれば、米国特許法第１１２条の第６段落規定の解釈を引用するように意図される。

図１ａ及び図１ｂで示すレンズセル組立体１００は、他の構成要素からの機能的特徴を組み合わせて、作製の結果生じる、特定のセンタリング及び傾斜の公差を除去するレンズセル１１０を具備する。レンズセル組立体１００はまた、重量低減用のすべてプラスチック製のレンズ設計と、間隔公差を除去しないまでも低減するレンズスペーシング機構と、を具備する。

レンズセル１１０は、少なくとも１つのシーリング機構１１１、焦点絞り、及び焦点ねじ溝１１３を、軽量プラスチックから作製される単一の機能要素に組み合わせる。少なくとも１つのシーリング機構１１１は、レンズセル１１０の外周に配置される。典型的な実施形態において、少なくとも１つのシーリング機構１１１は、２つのシールグランドを具備する。典型的な実施形態において、シーリング機構１１１は、レンズセル１１０上の遠位（１１１ａ）点及び中間（１１１ｂ）点に配置されるものの、他の実施形態は、１つ又は３つのシーリング機構１１１等であるがこれらに限定されない、異なる位置又は個数のシーリング機構１１１を含み得る。

シーリング機構１１１は、レンズセル１１０上で少なくとも１つの円形ばね１１２を適切な位置に保持する溝である。典型的な実施形態において、円形ばね１１２は、弾性Ｏリングであるが、本発明の範囲が、いかなる円形ばね機構も包含するように理解されることに留意されたい。円形ばね１１２が、シーリング機構１１１に挿入される場合、円形ばね１１２は、均一な円形ばね機構として作用し、単眼鏡（図示せず）内の嵌合体内部でレンズセル組立体１００をセンタリングする。これにより、単眼鏡とレンズセル組立体１００との間のセンタリング公差を除去し、このため、視準の改善が容易になる。典型的な実施形態のレンズセル１１０に沿って間隔を開けられた２つの円形ばね１１２はまた、傾斜ミスアラインメントを防止する。

シーリング機構１１１はまた、焦点絞りとして作用する。レンズセル組立体１００の焦点を合わせる場合、レンズセル１１０は、一体型焦準機構を有する。レンズセル１１０は、シーリング機構１１１に隣接する、特定のピッチで延伸するねじ溝１１３を備えた円筒カムとして本質的に機能する。単眼鏡組立体は、ねじ溝１１３内で延伸する少なくとも１つの焦点フォロアを具備する。結果として、レンズセル組立体１００を単眼鏡組立体に対して回転すると、レンズセル組立体１００は、レンズセル組立体１００の焦点調整のための単眼鏡組立体に対して直線状に前後移動する。焦点フォロアが、シーリング機構１１１の内壁に達する場合、それ以上の移動はできず、レンズセル組立体１００の、回転やシーリング機構１１１方向の直線移動が停止する。典型的な実施形態が、単眼鏡組立体と焦点フォロアの構造によっては、三条ねじを具備するものの、ねじ溝１１３は、一条ねじから四条ねじまでのねじで選択され得、レンズセル組立体１００の配置や調整速度が変更可能である。

シーリング機構１１１はまた、レンズセル組立体１００に機械的剛性を提供する。図１ｂに示す通り、レンズセル壁１１４は、レンズセル組立体１００を応力緩和する薄肉部である。シーリング機構１１１及びねじ溝１１３の両方は、レンズセル１１０の薄肉レンズセル壁１１４に追加の機械的剛性を提供する。このため、レンズセル組立体１００全体が、重量を低減する薄肉レンズセル壁１１４を有し得る一方、この剛性により、レンズセル組立体１００が焦点調整するために回転するトルクを起因とするせん断応力に対する耐性が与えられる。

レンズセル組立体１００はまた、第１のレンズ素子１２０と、オプションとしての第２のレンズ素子１２１と、を具備する。追加のレンズ素子は、必要に応じて、レンズセル組立体１００に追加され得る。用語「レンズ素子」が、単一のレンズ素子又は複数のレンズ素子の組み合わせを包含し得、第１のレンズ素子１２０の部分として本明細書記載の任意の構造要素が、第２のレンズ素子１２１及び／又は任意の追加のレンズ素子に組み込み可能であることを理解すべきである。レンズセル１１０の寸法は、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１の少なくとも１つが、レンズセル１１０への締まりばめ（圧入とも称される）を有するように設定される。これにより、レンズが、レンズセル１１０に直接圧入可能であるため、上述のように、従来は必要とされたセンタリング公差が除去される。特定の実施形態において、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１はまた、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１のエッジとレンズセル壁１１４との間にシーラントを受け入れるための少なくとも１つのシーラント溝１２４を具備する。

レンズセル１１０内のセル面取り部１１５は、圧入操作中に、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１を挿入する一助となる。さらに、レンズセル１１０、第１のレンズ素子１２０、及び第２のレンズ素子１２１がプラスチック製であるため、ガラスを削るリスクは排除される。レンズセル１１０、第１のレンズ素子１２０、及び第２のレンズ素子１２１のプラスチックを熱的に整合することで、構成要素が、類似の熱膨張係数を有するため、温度変化による応力が除去される。レンズセル１１０と第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１との間の隙間を除去することで、自動的に、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１を軸方向にアラインする。

締まりばめそれ自体は、本質的に、レンズ素子間の傾斜誤差を除去する傾向を有するが、これは即ち、２つのシリンダが、同一のインターフェース面を有さざるを得ないためである。このため、シリンダの軸は、必然的に平行になる。この自然な傾向が生じる一方、第１のレンズ素子１２０が、レンズセル１１０に対する角度で緩むと、残留傾斜が生じる。即ち、初期ミスアラインメントは、すべてではないが除去される。システムを自己修正するため、第１のレンズ素子１２０のエッジは、レンズエッジをピストン形状にするためのエッジチャネル１２２を有し得る。第１のレンズ素子１２０とレンズセル１１０との間の接触面積が小さいため、第１のレンズ素子１２０は、それ自体を修正するために要する押圧が小さい。レンズセル１１０に接する両端を、距離を開けて離すことで、任意の残留傾斜は大幅に減少されるが、これは、レンズセル１１０と長い間隔で接触するためである。エッジチャネル１２２は、任意の追加のレンズ素子と同様、第２のレンズ素子１２１に組み込まれ得る。

特定の実施形態において、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１の少なくとも１つは、レンズセル１１０と同時成型され、少なくとも部分的に一体型のレンズセル組立体１００を形成する。他の実施形態において、レンズセル１１０は、第１のレンズ素子１２０又は第２のレンズ素子１２１の少なくとも１つの形成後に、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１の少なくとも１つにオーバーモールドされ、少なくとも部分的に一体型のレンズセル組立体１００を形成する。

レンズセル組立体１００は、２つ以上のレンズを使用するならば、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１を互いに適切な距離で間隔をあけるための一体型スペーサ１２３を具備する。スペーサ１２３が、レンズセル１１０並びに／又は第１のレンズ素子１２０及び／若しくは第２のレンズ素子１２１と一体型であるため、傾斜及びセンタリングの誤差は、スペーサ１２３が、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１の表面の周りを回転できないことで、除去までには至らないが低減され、構成要素間に隙間がなくなる。さらに、スペーサ１２３を直接、レンズセル１１０並びに／又は第１のレンズ素子１２０及び／若しくは第２のレンズ素子１２１に機械加工することで、スペーシング誤差の変分が除去される。スペーシング誤差は、スペーサ誤差、及び各レンズ素子の厚さ誤差の集積である。レンズセル１１０並びに／又は第１のレンズ素子１２０及び／若しくは第２のレンズ素子１２１と同時に機械加工される一体型スペーサ１２３を使用することで、スペーサ誤差が除去される。これらの誤差を低減することで、レンズ設計者が、性能や作製可能性を求めてレンズ素子を設計するための、追加の許容範囲が与えられる。

導電性材料は、電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽用に、レンズセル１１０、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１に被覆され得る。電気接点は、焦点フォロアにより、単眼鏡組立体に作製され得る。導電性材料は、２つの方法で被覆され得る。導電性材料は、レンズセル１１０の内部が黒色で可視ではなく、又はレンズセル１１０の内部が完全に被覆され得、黒のコーティングが、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１のエッジ上に配置されるように、選択的に被覆可能である。被覆方法は、蒸着若しくはスパッタリング、又は設計者若しくは製造会社が要し得る他の任意の方法であり得る。追加のＥＭＩ遮蔽が必要であれば、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１は、透明な導電性材料で被覆され得る。その後、レンズセル１１０への電気接続は、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１を一体型スペーサ１２３に物理的接触させることで行われる。導電性材料は、インジウムスズ酸化物又は同等の透明な導電性材料を含むが、これらに限定されない場合がある。第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１は、それ以外では、軽量化目的ですべてプラスチック製であり得る。特定の実施形態において、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１は、２つの回折面を含み得る。

オプションとして、特定の実施形態において、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１の設計はまた、レンズセル組立体１００内でさらなる軽量化を目的とする機構を利用し得る。第１のレンズ素子１２０は、単眼鏡の結像面に可能な限り近くに配置され得る。第１のレンズ素子１２０を結像面近くに配置することで、光は、第１のレンズ素子１２０の径の削減を可能にするほどの大きな径には伝播しない。第１のレンズ素子１２０は、高屈折率を有し得る。高屈折率を使用することで、光線は、光軸径に向かってより堅く湾曲し、第１のレンズ素子１２０の径の削減が可能である。第２のレンズ素子１２１等の追加のレンズ素子は、色補正やひずみ補正用に使用される。第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１はまた、非球面曲線を有し得る。

新規技術の１つのリスクは、レンズ素子の光学特性を変更する応力である。締まりばめは元来、被押圧部品、被圧入部品、又はその両方のいずれかに応力を加える。焦点調整中にレンズセル組立体１００を回転するだけでも、応力が生じ得る。このような場合、レンズ素子、レンズセル、又はその両方には、応力増加が起こり得る。プラスチック製レンズ素子内の応力により、レンズ形状を変更することで、レンズの光学特性が劣化し得る。

本アイピースは、３つの方法で、応力緩和する。第１に、レンズセル壁１１４を薄肉とする。薄肉レンズセル壁１１４には、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１よりも大きな応力が作用する。専門的に言えば、レンズセル１１０は伸長するが、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１は伸長しない。第２に、シーラント溝１２４は、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１のエッジのプラスチック部が動くためのスペースを与え、その結果、応力は、エッジに向けられるが、エッジの変形により、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１の光学領域には向けられない。第３に、レンズセル１１０の材料は、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１の材料に熱的に整合されるように選択される。１つの実施形態において、レンズセル１１０は、第１のレンズ素子１２０及び第２のレンズ素子１２１と同一材料である。

図２ａ及び図２ｂに示す通り、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１のエッジは、応力緩和ポケットとして機能することで、さらなる応力緩和を提供するためのエッジチャネル１２２を具備可能である。特定の実施形態において、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１は、図２ｃ及び図２ｄに示す通り、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１の外周に沿って延伸する少なくとも１つのエッジねじ１２５を具備し得る。少なくとも１つのエッジねじ１２５は、第１のレンズ素子１２０及び／又は第２のレンズ素子１２１を適正な位置に保持するために、レンズセル１１０内の相補的構造と相互作用する。

他のレンズ素子設計が、上記のレンズ素子設計に代えて、開示されたレンズセル１１０と併せて使用され得ることを理解すべきである。さらに、任意の上記特徴が、他の任意の単一若しくは複数の開示された特徴、又は異なるレンズ素子設計と組み合わせて、使用され得ることも理解されたい。

上述の説明において、特定の用語を、簡潔さ、明瞭さ、及び理解の目的で使用している。これらの用語から、先行技術の要件を越えて推測される不必要な限定は存在しないが、それは、用語が記述目的で使用され、広範囲に解釈されることを意図するためである。本明細書記載の異なる構成、システム、及び方法は、単独又は他の構成、システム及び方法ステップと組み合わせて使用してよい。様々な均等物や変形例が、添付の特許請求の範囲内で可能であることを想定するものとする。

Claims (20)

1. 一体型焦準機構を有するレンズセルであって、前記レンズセルの外周の周りを延伸する少なくとも１つのシーリング機構を有するレンズセルと、
   高分子で作製された少なくとも１つのレンズ素子と、を具備する、レンズセル組立体であって、
   前記レンズセルは、前記高分子に熱的に整合された材料から作製される、レンズセル組立体。
2. 前記一体型焦準機構は、ねじ溝である、請求項１に記載のレンズセル組立体。
3. 前記ねじ溝は、三条ねじである、請求項１に記載のレンズセル組立体。
4. 前記材料は、前記高分子である、請求項１に記載のレンズセル組立体。
5. 前記少なくとも１つのシーリング機構は、少なくとも１つのシールグランドを具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
6. 前記レンズセルは、前記少なくとも１つのシールグランド内に位置する、少なくとも１つの円形ばねをさらに具備する、請求項５に記載のレンズセル組立体。
7. 前記少なくとも１つの円形ばねは、少なくとも１つの弾性Ｏリングを具備する、請求項６に記載のレンズセル組立体。
8. 前記レンズセルは、内部レンズセル壁に位置する、少なくとも１つの面取り部をさらに具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
9. 前記レンズセル組立体は、電磁干渉（ＥＭＩ）の保護を容易にするための、前記レンズセルの表面に被覆された導電性コーティングをさらに含む、請求項１に記載のレンズセル組立体。
10. 前記レンズセル組立体は、ＥＭＩの保護を容易にするための、前記少なくとも１つのレンズ素子の表面に被覆された透明な導電性コーティングをさらに含む、請求項１に記載のレンズセル組立体。
11. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、少なくとも１つの回折面をさらに含む、請求項１に記載のレンズセル組立体。
12. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、少なくとも１つの非球面をさらに含む、請求項１に記載のレンズセル組立体。
13. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、前記少なくとも１つのレンズ素子の外周に位置する、少なくとも１つのシーラント溝をさらに具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
14. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、前記少なくとも１つのレンズ素子の外周に位置する、少なくとも１つのエッジチャネルをさらに具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
15. 前記レンズセル又は前記少なくとも１つのレンズ素子の少なくとも１つは、少なくとも１つの一体型スペーサをさらに具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
16. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、前記少なくとも１つのレンズ素子の外周に沿って延伸する、少なくとも１つのエッジねじをさらに具備する、請求項１に記載のレンズセル組立体。
17. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、締まりばめにより前記レンズセルに接続される、請求項１に記載のレンズセル組立体。
18. 前記少なくとも１つのレンズ素子は、前記レンズセルに一体的に接続される、請求項１に記載のレンズセル組立体。
19. 少なくとも１つのレンズ素子は、前記レンズセルと同時成型される、請求項１８に記載のレンズセル組立体。
20. 前記レンズセルは、前記少なくとも１つのレンズ素子の形成後に、前記少なくとも１つのレンズ素子にオーバーモールドされる、請求項１８に記載のレンズセル組立体。

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