KR20110005741A - 나이트 비전 안경 - Google Patents

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Abstract

다른 나이트 비전 제품들에 비해 가벼운 무게, 작은 크기 및 경제적 제조 덕분에 특정 상업 및 엔터테인먼트 목적으로 응용되기에 적합한 이미지 증폭 안경(100)이 개시된다. 하나의 개시된 실시예에 있어서, 입력된 빛은 두 개의 아미치(Amici) 프리즘들(144, 148) 및 필드 플레트닝(field-flattening) 렌즈(150)을 통과해서 이미지 증폭기(152)에 도달한다. 생성된 증폭된 이미지는 제 1 폴드 거울(folding mirror)(162)에서 반사되어 렌즈(154)를 통과하고, 곡면 거울(156)에서 반사되어, 다시 다른 경로로 렌즈(154)를 통과한다. 그런 다음 증폭된 이미지는 그 사이에 중간 이미지가 존재하는 두 개의 추가적, 비(非)이중 렌즈들(158, 160)을 통과한다. 이 후 증폭된 이미지는 안경의 '렌즈' 또는 바이저(visor)(130)에서 반사되어 착용자의 동공(131)으로 향한다. 대체적인 실시예들은 최종 반사면으로 헬멧 바이저, 거울 또는 다른 (적어도 부분적으로) 반사면을 사용할 수 있다.

Description

나이트 비전 안경 {Night vision glasses}
본 명세서에 기재된 일부 실시예들은 광학계 및 엘리먼트들에 관한 발명이며, 특히 중요한 적외선 특성들과 폴드된 광 경로(folded optical path)를 가지고, 착용자에게 실제 세계의 증폭된 이미지(intensified image)를 제공하는 나이트 비전 안경을 형성하는 시스템에 관한 발명이다.
본 출원은 2008년 5월 16일에 출원되고, "나이트 비전 안경 (Night Vision Glasses)"의 제목을 가진 미국 특허 가출원 61/053,843을 기초로 우선권 주장을 하는 출원이다. 또한 본 출원은 2008년 5월 16일에 출원되고, "바이저 헤드 업 표시부(Visor Heads-Up Display)"의 제목을 가진 미국 특허 출원 12/404,087 및 2009년 3월 13일에 출원된 미국 특허 가출원 61/036,281과 연관된다.
도 1은 한 실시예에 따른 나이트 비전 안경의 전면도,
도 2는 도 1의 실시예에 따른 광학 배치 구조(optical arrangement)의 전면도,
도 3은 명확한 도시를 위해 두 개의 평면 폴드 거울(planar fold mirror)들과 두 개의 폴드 프리즘을 펼친, 도 1의 실시예의 광학계의 개략도,
도 4는 도 1의 실시예의 광학 배치 구조의 평면도, 및
도 5는 도 1의 실시예의 광학 배치 구조의 배면도이다.
본 발명의 원리의 이해를 도모하기 위한 목적으로 도면들에 도시된 실시예를 참조하고, 이를 설명하기 위해 특정 언어가 사용될 것이다. 상술된 실시예 및 특정 언어에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아님을 이해하게 될 것이다. 통상적으로 당업자에게 발생하는 상술되거나 도시된 실시에들로부터의 어떠한 변경예들 및 변형예들과, 본 명세서에 도시된 본 발명의 원리들의 적용예들이 예기될 수 있다.
수년 동안, 나이트 비전 기술은 군요원이 저조도(low light condition) 환경에서 장면들을 관측할 수 있도록 하였다. 그러나 다수의 나이트 비전 시스템들은 중량 분배와 총 부피로 인하여 민간용 또는 엔터테인먼트용과 같은 많은 응용에 있어서는 부적합했다. 이러한 시스템들은 종종 외부 구조(예. 운송수단의 프레임(vehicle frame)), 조종사의 헬멧 또는 사용자의 한 손 또는 양손과 같은 추가적인 지탱부를 필요로 했다.
일반적으로, 본 명세서에 서술된 한 형태의 시스템은 증폭된 이미지를 착용자에게 제공하는 나이트 비전 기술을 장착한 안경이다. 다양한 실시예들은 안경 또는 다른 안경류에 장착되고, 사용자의 얼굴에 가만히 있을 만큼 균형 잡혀 있고 가볍다. 다른 형태들로는 랩 어라운드 안경(wrap around glasses), 헬멧에 장착된 형태들, 거울 기반 형태들(mirror-based) 및 본 명세서에 서술된 내용을 참조하여 당업자가 도출해낼 수 있는 다른 실시예들이 될 수 있다. 명확한 기재를 위하여 '바이저(visor)'라는 용어는 착용자의 시야 내에 있고, 생성된 이미지(들)이 반사되는 물체를 지칭하는데 사용될 것이다. 이러한 물체가 단순히 렌즈, 거울 또는 다른 (적어도 부분적으로 반사적인) 물체일지라도, '바이저'라는 용어가 그러한 물체들을 설명하는데 일반적으로 사용될 것이다.
도 1을 참조하면, 나이트 비전 안경(100)은 프레임(110), 안경 대(stem)(120), 광 모듈(140) 및 바이저(130)를 포함하는 것이 관례적이거나 바람직하다. 광 모듈(140)은 수신한 저조도의 에너지(low light level energy)를 착용자에게 바이저(130)의 표면에서 반사된, 향상된 이미지로 보이는 가시광으로 변환한다.
광 모듈(140)의 구성요소들은 도 2에서 그림으로 상세하게 도시되고, 도 3에서 개략적으로 도시된다. 광 모듈(140)은 대물 렌즈(object lens) 서브시스템(501), 이미지 증폭기(image intensifier)(152) 및 접안 렌즈(eyepiece lens) 서브시스템(601)을 포함한다. 대물 렌즈 서브시스템(501)은 이중 렌즈(doublet)(142), 폴드 프리즘(fold prism)(144), 단일(singlet) 또는 이중 렌즈(146), 폴드 프리즘(148) 및 필드 플레트너 렌즈(field flattener lens)(150)을 포함한다. 접안 렌즈 서브시스템(601)은 평면 거울(162), 렌즈(154), 곡면 거울(curved mirror)(156), 렌즈(158), 평면 거울(164) 및 렌즈(160)을 포함한다.
이러한 실시예에 있어서, 광 모듈(140)은 총 다섯 개의 광 폴드 구성들(optical folds)를 구비하는데, 그 중 두 개는 대물 렌즈 서브시스템(501)에 있고, 나머지 세 개는 접안 렌즈 서브시스템(601)에 있다. 광 모듈에 있는 폴드 구성들 이외에도, 하나의 추가적 폴드 구성이 바이저(130)에 의해 제공되는데, 이에 따라 총 여섯 개의 폴드가 구비된다. 이러한 여섯 개의 폴드는 개수로는 짝수가 되는 것인데, 그리하여 실제 세계에 비하여 이미지의 올바른 좌우성(handedness)(리버전(reversion))을 유지할 수 있다. 이미지 증폭기(152)는 단순한 유리 출력창(glass window output)으로 만들어지고, 이에 대물 렌즈 서브시스템(501)과 접안 렌즈 서브시스템(601)을 통해 보이는 이미지는 대물 렌즈 서브시스템의 정상(正常) 회전(normal image rotation)으로 인하여 올바른 방향을 향해 있지 않는다. 이를 정정하기 위하여, 두 개의 변경된 아미치(Amici) 또는 루프 프리즘(roof prism)들(144, 148)이 대상 이미지(objective image)를 180도로 다시 회전시키고 눈으로 볼 때 올바른 방향으로 향하도록(proper orientation) 하는데 사용된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이중 렌즈(142)가 착용자의 전방으로부터 빛을 받는다. 빛은 폴드 프리즘(144), 단일 또는 이중 렌즈(146) 및 또 다른 폴드 프리즘(148), 및 필드 플레트닝 렌즈(150)를 통과해서 이미지 증폭기(152)의 음극 입력창(cathode input window)에 진입한다. 이러한 실시예에서 프리즘(144) 및 프리즘(148)은 변경된 아미치 또는 루프 프리즘들이고, 이중 렌즈(142), 단일 또는 이중 렌즈(146) 및 필드 플레트너(150)와의 조합으로 이미지를 올바른 위치와 방향으로 이미지 증폭기(152)에 포커스(focus)되게 한다. 본 명세서의 상세한 설명으로 단순하고 프리즘 대신 전면 거울들로 구성된 단순한 아미치 반사경(reflector)들을 이용하는 다른 실시예들이 가능함을 당업자가 알 수 있다. 참고로 명확한 설명을 위하여 폴드 프리즘들 (144, 148)에 의해 만들어진 폴드들은 도 3에 도시되지 않는다.
이러한 실시예에서 이미지 증폭기(152)는 12 내지 13 밀리미터 지름의 이미지 포맷과 얇은 유리, 제 2 세대(멀티 알칼리(multi-alkali) 음극 창 및 얇은 유리 출력창을 가진다. 참고로 종래의 나이트 비전 장치들에 장착된 출력창을 위해 사용되는 광섬유 트위스터(fiber optic twister)는 상당히 큰 크기와 비용을 추가하지만, 본 실시예에서는 아미치 프리즘들(또는 반사경들)에 의해 성취되는 도립현상(inversion)으로 인하여 불필요하다. 다른 종류의 이미지 증폭기들은 다양한 크기, 무게 비용, 상업용도, 저력 소비 및 일광 보호(daylight protection)을 위해 선택될 수 있다. 다른 양극(anode)들은 이러한 요소들과 다른 디자인 고려사항들에 근거하여 선택될 수 있지만, 여전히 본 발명의 사상 안에서, 유리 종류의 출력(음극) 창들은 인광물질(phosphor)로부터 군용 광섬유 기반 창들에서 보다 상당히 더 높은 양의 빛을 전달한다. 이러한 실시예들에 있어서, 유리 종류 출력창의 더 높은 전달량은 좀 더 조리개 값(aperture)이 작은 대물 렌즈와 제 2 세대 이미지 증폭기의 더 낮은 이득(gain)으로 인한 손실을 일부 상쇄한다. 어떠한 실시예들은 예를 들어 소정의 군용 나이트 비전 시스템들에 비해 65 내지 75%의 증폭된 시야를 제공하지만, 이러한 군용 나이트 비전 시스템들의 무게의 10 분의 1만큼만의 무게를 가진다.
이미지 증폭기(152)에 의해 출력된 이미지는 얇은 플라스틱으로 만들어진 메니스커스 종류의 보정 렌즈(corrector)인 렌즈(154)를 곡면(예. 구형(spherical), 비구형(aspheric), 쌍곡선형(hyperbolic), 타원형(elliptical), 포물선형(parabolic) 또는 토로이드(toroid) 모양) 거울에서 반사되기 전후에 통과한다. 이러한 실시예에서, 거울(156) 및 렌즈(154)의 조합은 경사진 구형 바이저 또는 반사경(130)에 의해 초래된 난시 및 디스토션(distortion)을 보정한다. 이러한 실시예의 거울(156)은 구형의 전면 거울인 것이 바람직하지만, 마진 거울(Margin mirror) 역할을 하기 위한 후면 거울이 될 수도 있다. 이러한 거울은 플라스틱이던지, 어떠한 적합한 재료로도 만들어 질 수 있다. 본 실시예의 렌즈(158)는 증폭된 이미지를 사용자의 동공(131)에 위치시키고 시준(collimate)하도록 렌즈들(160, 154)들과 매치된다. 렌즈들(160, 158, 154)은 본 실시예에서는 플라시틱 렌즈들이고, 중간 이미지는 렌즈(160)와 렌즈(158) 사이에 나타난다. 시스템의 다양한 렌즈들과 거울들은 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 재료로 만들어 질 수 있다. 다양한 렌즈들과 유리들을 위하여 다른 종류의 플라스틱들의 조합을 사용하는 방법은 시스템에서의 색수차를 지우고(achromatizaton), 부피가 크고 무거운 유리 종류의 색지움렌즈의 필요를 줄인다. 참고로, 명확성을 위해서 평면 거울들(162, 164)에 의해 만들어진 폴드들은 도 3의 개력적인 뷰에서 삭제되었다.
마지막으로, 이미지는 나이트 비전 안경(100)의 바이저(130)에서 관찰자의 동공(131)으로 반사된다. 본 실시예의 바이저(130)는 구형이지만, 비구형, 포물선형(parabolic) 또는 토로이드(toroid) 모양이나 당업자가 착안해 낼 다른 모양을 갖추는 다른 실시예들 또한 가능하다. 나아가 본 실시예의 바이저(130)는 주로 균등한 반사율, 부분적 반사율 또는 소정의 종래 선글라스의 렌즈들에서 처럼 수직적으로 변하는 반사율을 가진다. 구형 바이저의 디자인은 소정의 다른 디자인들 보다 더 신축성 있고 제조 과정에서의 작은 변형에도 덜 민감하다.
렌즈들(154, 160)은 아크릴릭 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)가벼운 플라스틱 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 한편 당업자가 착안해 낼 다른 렌즈 재료들 또한 사용 가능하다. 이와 같이 거울(156)은 구형, 비구형, 포물선형 또는 토로이드 모양이나 렌즈(154) 및 시스템의 나머지 구성요소들과 적합한 조합을 형성하는 다른 모양이 될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 거울(156)은 플라스틱, 거울, 금속 또는 당업자가 착안해 낼 다른 재료들로 만들어 질 수 있다. 거울들(156, 162, 164)은 복제 과정(replication process)을 사용하여 제조될 수 있다.
렌즈(158)는 폴리스티렌이나 폴리카보네이트 종류의 플라스틱인 것이 바람직하다. 이러한 플라스틱 재료들 일부는 제너럴 일렉트릭(General Electrics) 사와 같은 제조업자들에 의해 생산되거나 유통된다. 다른 렌즈들은 당업자가 착안해 낼 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
바이저(130) 또한 플라스틱인 것이 바람직하고 다양한 실시예들에서는 틴트(tinted)거나 틴트 되지 않거나 다양하고 그리고/또는 감광 동적 틴트 기술로 처리되거나 한쪽 면을 박막 반사 코팅(thin film reflection coating)될 수 있다. 이러한 박막은 전면에 적용되거나 일부 영역에만 적용될 수도 있다. 바이저는 폴리카보네이트 플라스틱이나 눈 보호를 향상하기 위한 다른 비산 방지(shatterproof) 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 또한 바이저는 당업자가 착안해 낼 어떠한 다양한 종류의 수단들을 사용하여 프레임(110)에 부착된다.
도 4는 후방에서 본 안경의 오른편에 증폭된 이미지를 투사하기 위한 광학계의 한 실시예에 있는 나이트 비전 안경(100)의 광학 배치 구조의 평면도를 도시한다. 도 5는 동일한 실시예의 배면도를 도시한다. 광학계 전반에 거친 다양한 광 폴드들(optical folds)은 공간적 조밀도(spatial compactness)를 증진시킨다. 특히 본 실시예는 평면 폴드 거울(planar folding mirror)들(162, 164), 곡면 거울(156) 및 폴드 프리즘들(144, 148)을 구비한다. 도 4에 도시된 바와 같이 증폭된 이미지는 바이저(130)의 영역(166)에 반사되어 사용자의 동공(131)으로 들어간다.
종합해보면, 도 1에 도시된 실시예는 두 개의 아미치 프리즘들이나 거울들을 사용하는 대물 렌즈 서브시스템(501), 광섬유 창 대신 단순한 유리 출력창을 사용하는 이미지 증폭기 및 미국 특허 가출원 61/036,281과 미국 특허 출원 12/404,087에 서술된 바와 같이 바이저(130)와 조합되서 증폭된 이미지를 사용자의 눈에 투사하는 접안 렌즈 서브시스템(601)을 사용하는 이미지 증폭 시스템을 포함한다.
본 명세서에 기재된 모든 발행물, 종래 특허 출원들 그리고 다른 문서들은 각각 참고 문헌으로 포함된 것처럼 전체로서 그리고 온전히 설명된것 처럼 참조로 포함된다. 본 발명이 도면들과 상세한 설명에서 도시되고 상세하게 설명되었지만, 도시적 목적을 위한 것으로 이해되어야하고, 한정적인 목적으로 사료되어서는 안된다. 본 발명은 바람직한 실시예만이 도시되고 설명되었으며, 본 발명의 사상 속에서 발상되는 모든 변형예들과 변경예들은 보호되어야 한다.

Claims (12)

  1. 프레임;
    곡면의 반사면(curved reflective surface)을 가진 바이저(visor);
    두 개의 아미치 프리즘(Amici prism)들, 이중 렌즈(doublet lens), 단일 렌즈(singlet)과 이중 렌즈(doublet)를 포함하는 렌즈 종류에서 선택된 하나의 추가적 렌즈, 및 필드 플레트너(field flattener) 렌즈를 포함하는 대물 렌즈 서브시스템(objective lens subsystem);
    상기 대물 렌즈 서브시스템에 있는 구성요소들 각각을 통과한 입력된 빛을 수광하고 증폭된 이미지를 생성하는 이미지 증폭기(image intensifier); 및
    접안 렌즈(eyepiece lens) 서브시스템을 포함하는 나이트 비전 안경(night vision glasses)으로,
    상기 프레임은 상기 대물 렌즈 서브시스템, 상기 이미지 증폭기 및 상기 접안 렌즈 서브시스템을 상대적 위치들에서 지지하여, 상기 증폭된 이미지가 상기 접안 렌즈 서브시스템을 통과하고, 상기 바이저의 상기 반사면에서 반사되어, 사용자의 눈에 들어가도록 하는 것을 특징으로 하는 안경.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 대물 렌즈 서브시스템은 F/n의 조리개 값(aperture)을 가지고, n은 대략 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 안경.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 대물 렌즈 서브시스템은 상기 이미지를 회전시키지 않는 것을 특징으로 하는 안경.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기를 통한 상기 광로는 광섬유 회전을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 안경.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기는 유리 출력창을 가진 것을 특징으로 하는 안경.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기는 제 2 세대 이미지 증폭기인 것을 특징으로 하는 안경.
  7. 프레임;
    곡면의 반사면(curved reflective surface)을 가진 바이저(visor);
    두 개의 아미치 프리즘(Amici prism)들, 이중 렌즈(doublet lens), 단일 렌즈(singlet)과 이중 렌즈(doublet)를 포함하는 렌즈 종류에서 선택된 하나의 추가적 렌즈, 및 필드 플레트너(field flattener) 렌즈를 포함하는 대물 렌즈 서브시스템(objective lens subsystem);
    상기 대물 렌즈 서브시스템에 있는 구성요소들 각각을 통과한 입력된 빛을 수광하고 증폭된 이미지를 생성하는 이미지 증폭기(image intensifier); 및
    접안 렌즈(eyepiece lens) 서브시스템을 포함하는 나이트 비전 안경(night vision glasses)으로,
    상기 프레임은 상기 대물 렌즈 서브시스템, 상기 이미지 증폭기 및 상기 접안 렌즈 서브시스템을 상대적 위치들에서 지지하여, 상기 증폭된 이미지가 상기 접안 렌즈 서브시스템을 통과하고, 상기 바이저의 상기 반사면에서 반사되어, 사용자의 눈에 들어가도록 하는 것을 특징으로 하는 안경.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 대물 렌즈 서브시스템은 F/n의 조리개 값(aperture)을 가지고, n은 대략 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 안경.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 대물 렌즈 서브시스템은 상기 이미지를 회전시키지 않는 것을 특징으로 하는 안경.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기를 통한 상기 광로는 광섬유 회전을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 안경.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기는 유리 출력창을 가진 것을 특징으로 하는 안경.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 이미지 증폭기는 제 2 세대 이미지 증폭기인 것을 특징으로 하는 안경.
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