KR20110086641A - 플랫 필드 접안 렌즈 - Google Patents

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KR20110086641A
KR20110086641A KR1020117014641A KR20117014641A KR20110086641A KR 20110086641 A KR20110086641 A KR 20110086641A KR 1020117014641 A KR1020117014641 A KR 1020117014641A KR 20117014641 A KR20117014641 A KR 20117014641A KR 20110086641 A KR20110086641 A KR 20110086641A
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KR1020117014641A
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도날드 자네츠코
존 마이클 할
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아이티티 매뉴팩츄어링 엔터프라이즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 제2 렌즈와 축방향으로 정렬되는 제1 렌즈를 포함하며, 이때 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈가 뷰어의 동공 이미지로부터 순차적으로 위치되도록 구성되는 접안 렌즈/확대 렌즈를 제공한다. 상기 제2 렌즈는 접합된 3개 요소를 갖는 트리플렛으로 형성된다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와 마주하는 볼록면, 및 상기 제2 렌즈의 볼록면과 반대인 평면을 포함한다. 상기 제1 렌즈는 상기 제1 렌즈의 평면과 반대인 오목면을 포함하며, 상기 제2 렌즈는 오목면 및 볼록면을 포함하고, 상기 제1 렌즈의 상기 오목면과 상기 제2 렌즈의 오목면 및 볼록면은 동일한 곡률 반경을 갖는다.

Description

플랫 필드 접안 렌즈 {FLAT FIELD EYEPIECE}
본 발명은 대체로 접안 렌즈 또는 확대 렌즈에 관한 것이며, 보다 상세하게로는 머리 장착식 디스플레이 및 야간 투시 고글 시스템 내에 사용되는 접안 렌즈 또는 확대 렌즈에 관한 것이다.
야간 투시 고글 및 머리 장착식 디스플레이는 적색, 녹색 및 청색에 대해 교정된 색인 접안 렌즈 또는 확대 렌즈를 필요로 하며, 고화질은 밀리미터 당 40 라인 쌍(line pairs)(lp/mm)에서 50% 보다 높은 변조 전달 함수(MTF)를 갖는다. 이들 접안 렌즈 또는 확대 렌즈는 뷰어(viewer)의 눈으로 이미지를 보내도록 이미지 튜브(영상관)의 스크린 또는 디스플레이와 협력한다. 이들 접안 렌즈 또는 확대 렌즈는 뷰어가 이미지를 보기 위해 그의 눈을 위치시킬 때 보다 큰 오차를 가질 수 있도록 20mm 보다 큰 긴 아이 릴리프(eye relief)를 또한 필요로 한다.
사용자의 눈의 위치를 정의하기 위해 대물 렌즈의 출구-동공-이미지(exit-pupil-image)가 확대 렌즈에는 없기 때문에, 양호한 접안 렌즈/확대 렌즈는 눈의 위치까지 집중되어야 한다. 이것은 눈이 주위로 이동됨에 따라 이미지가 스윔(swim)이나 왜곡되지 않도록 특히 구면 수차(spherical aberration)에 대해 보다 양호한 수준의 교정을 필요로 한다.
미국 특허에 개시된 확대 렌즈의 실례는 제임스 지.베이커(James G. Baker)에게 1959년 허여된 미국특허번호 제2,885,928호 및 제2,900,871호; 및 프린 조한 버스티그(Frits Johan Versteeg)에게 1974년 및 1978년 각각 허여된 미국특허번호 제3,823,999호 및 제4,111,528호에 개시된다.
접안 렌즈/확대 렌즈는 야간 투지 이미지 튜브의 인광체 스크린을 보기 위해 사용되어 왔다. 그러나, 이들 접안 렌즈는 제조가 어렵고 고가라는 단점을 갖는다. 또한, 이들 이미지 튜브는 필드 곡률 수차(field curvature abberration)의 교정을 돕기 위해 곡선형 스크린을 필요로 했다.
1990년대에, 접안 렌즈/확대 렌즈는 통상적으로 도 1에 도시된 바와 같은 큅틱(Qioptiq) 렌즈와 유사하게 구성되었다. 도시된 바와 같이, 렌즈(10)는 3개의 구면경 렌즈(13, 14, 15), 및 하나의 유리 접합식 더블렛(11, 12)을 포함한다. 렌즈(10)는 40 lp/mm에서 50% 보다 높은 변조 전달 함수(MTF)를 갖는 양호한 화질의 칼라 이미지를 제공한다. 렌즈(10)는 도면 부호 (16)으로 지시된 인광체 스크린의 곡선면으로부터 이미지를 수용하고, 뷰어의 눈으로 이것을 투과시킨다. 렌즈의 개수와 그 곡률로 인해, 렌즈(10)는 제조가 어렵고 비용이 많이 든다. 렌즈(13, 14)가 얇기 때문에, 이들 렌즈는 제조시 균열이 발생하기 쉽고, 따라서 낮은 수율을 얻는다.
2000년대에, 접안 렌즈는 도 2에 도시된 바와 같이 디스플레이 및 스크린 모두와 함께 사용하기 위해 발전되었다. 도시된 바와 같이, 렌즈(20)는 유리 렌즈(21), 플라스틱 비구면 렌즈(22) 및 플라스틱 하이브리드(회절) 렌즈(23)를 포함한다. 프리즘이 더 포함되는데, 이 프리즘은 애노드 스크린(26)으로부터 투사되는 빛과 다른 디스플레이(도시 안됨)로부터 투사되는 빛을 결합하기 위한 2개의 유리 플레이트(24, 25)로 이루어진다. 그러나, 렌즈(20)는 뷰어에게 용인될 수 없는 복수 이미지가 되는 하모닉스(harmonics)를 도입한다. 이 하모닉스는 회절 렌즈에서 입사각을 가파르게 하기 때문이다.
2005년에, 에드문드(Edmund)는 도 3에 도시된 바와 같이 디스플레이 및 스크린 모두 함께 사용하기 위한 접안 렌즈를 개발하였다. 도시된 바와 같이, 렌즈(30)는 3개의 유리 렌즈(32, 33, 34) 및 플라스틱 구면경(34)을 포함한다. 프리즘이 더 포함되는데, 이 프리즘은 애노드 스크린(37)으로부터 투사되는 빛과 다른 디스플레이(도시 안됨)로부터 투사되는 빛을 결합하기 위한 2개의 유리 플레이트(35, 36)로 이루어진다. 렌즈(30) 내에 제4 렌즈의 추가는 적절하지 못한 것으로 입증되었다.
2007년에, 노드룹 그루먼(Northrup Gruman)은 도 4에 도시된 접안 렌즈를 고안하였다. 도시된 바와 같이, 렌즈(40)는 제1 더블렛(42, 43) 및 제2 더블렛(44, 45)으로서 순차적으로 위치되는 2개의 유리 더블렛을 포함한다. 3개의 유리 렌즈(41, 46, 47)이 더 포함된다. 따라서, 렌즈(40)는 완전히 유리 물질로 형성된다. 그러나, 렌즈(46, 47)는 구면 교정을 제공하기 위한 비구면을 포함한다. 렌즈(40)는 양호하게 작동하지만 제조 비용이 많이 든다. 렌즈는 50도 보다 큰 넓은 시계를 갖는다. 그러나, 렌즈는 뷰어의 눈(동공(49)으로 또한 도시됨)을 향해 투사되는 광선(49)으로 도시된 스크린(48)으로부터 투사되는 이미지와 디스플레이로부터 투사되는 이미지를 결합시키는 기능을 갖고 있지 않다.
40도 보다 작은 시계에 대해, 유리 더블렛(glass doublet)은 양호한 화질을 갖는 효과적인 비용의 접안 렌즈/확대 렌즈를 제공한다. 그러나, 시계가 증가하거나 비임 결합기가 추가됨에 따라, 접안 렌즈/확대 렌즈는 보다 복잡하게 되고, 5개 이상의 구성 요소를 갖는 렌즈가 된다. 또한, 접안 렌즈/확대 렌즈는 구면 교정을 위해 복수의 비구체(asphere)를 필요로 한다. 따라서, 접안 렌즈/확대 렌즈는 양호한 융합 성능없이 복잡하고 고가의 디자인이 되어 버린다.
본 발명은, 아래 설명하듯이, 야간 투시 고글 시스템의 대물 렌즈에 의해 추사되는 스크린/애노드 상에 직접 형성되는 이미지와 디스플레이로부터 투사되는 이미지를 결합시킬 수 있는 비용 절감 효과가 좋은 접안 렌즈/확대 렌즈를 제공한다. 결합된 이미지들은 넓은 시계로 뷰어(viewer)를 향해 투사될 수 있다. 덧붙여, 접안 렌즈/확대 렌즈는 어떠한 편평한 표면들, 어떠한 비구체 표면들 및 어떠한 회절성 표면들을 갖지 않는 개별 렌즈들로부터 형성될 수 있다. 또한, 접안 렌즈/확대 렌즈는 편평하거나 또는 곡선형 스크린 면으로부터 넓은 시계를 투사할 수 있다.
이러한 수요와 다른 수요를 충족하기 위해 그리고 이 목적의 견지에서, 본 발명은 제2 렌즈와 축방향으로 정렬되는 제1 렌즈를 포함하며, 이때 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈가 뷰어의 동공 이미지로부터 순차적으로 위치되도록 구성되는 접안 렌즈/확대 렌즈를 제공한다. 상기 제2 렌즈는 접합된 3개 요소를 갖는 트리플렛으로 형성된다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와 마주하는 볼록면, 및 상기 제2 렌즈의 볼록면과 반대인 평면을 포함한다. 상기 제1 렌즈는 상기 제1 렌즈의 평면과 반대인 오목면을 포함하며, 상기 제2 렌즈는 오목면 및 볼록면을 포함하고, 상기 제1 렌즈의 상기 오목면과 상기 제2 렌즈의 오목면 및 볼록면은 동일한 곡률 반경을 갖는다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈를 향해 빛을 발산하고, 상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈로부터 방사된 빛을 수렴한다.
이러한 접안 렌즈/확대 렌즈는 제1 렌즈 제2 렌즈의 광학 라인을 따라 축방향으로 정렬된 이미지 스크린으로부터 빛을 수용한다. 이 빛은 이미지 스크린으로부터 제2 렌즈, 제1 렌즈 및 뷰어를 향해 순차적으로 투사된다. 상기 이미지 스크린으로부터 상기 뷰어로 통과하는 빛은 어떠한 비구면도 통과하지 않고 어떠한 회절면도 통과하지 않는다. 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 상기 이미지 스크린 사이에 비임 결합기가 제공되며, 상기 광학 라인에 실질적으로 수직하게 디스플레이가 제공되고, 상기 디스플레이로부터 방사되는 빛과 상기 이미지 스크린으로부터 방사되는 빛은 상기 뷰어에 보이도록 상기 비임 결합기에 의해 결합된다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 55도 보다 큰 각도의 시계와 40 라인 쌍(line pairs)/mm에서 50% 보다 높은 변조 전달 함수(MTF)를 제공하도록 구성된다. 이미지 스크린은 상기 뷰어에 보이도록 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 함께 광학 라인을 따라 축방향으로 정렬된다. 이 이미지 스크린은 100mm의 곡률 반경을 갖는 면 보다 실질적으로 더 편평한 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 마주하는 면을 포함한다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 대략 20.5mm의 유효 초점 거리(EFL) 및 24mm 보다 큰 아이 릴리프(eye relief)을 갖도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는 뷰어가 착용한 헬멧 상에 장착되는 야간 투시 고글(NVG) 시스템을 포함한다. 이 야간 투시 고글(NVG) 시스템은 대물 렌즈, 다채널 플레이트(MCP), 및 제1 이미지를 형성하는 애노드 스크린을 순차적으로 구비하는 이미지 집중기(image intensifier)를 포함한다. 상기 뷰어에게 상기 제1 이미지를 투사하기 위해 상기 애노드 스크린의 후방에 접안 렌즈가 위치된다. 제2 이미지를 디스플레이하기 위한 칼라 디스플레이를 포함하는 적외선 이미저(infrared imgager)가 포함된다.
상기 뷰어를 향해 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지 중 하나 또는 모두를 통과시키기 위한 비임 결합기를 포함된다. 상기 접안 렌즈는 제2 렌즈와 축방향으로 정렬되는 제1 렌즈를 포함하며, 상기 제2 렌즈 및 상기 제1 렌즈는 각각 상기 애노드 스크린으로부터 순서대로 위치되며, 상기 제2 렌즈는 3개의 접합 요소를 갖는 트리플렛으로 형성된다. 상기 제1 렌즈는 상기 뷰어와 마주하는 평면 및 상기 평면의 반대인 볼록면을 포함한다. 상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와 마주하는 볼록면, 및 상기 애노드 스크린과 마주하는 평면을 포함한다. 상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈와 마주하는 볼록면을 포함하며, 상기 제2 렌즈는 오목면 및 볼록면을 포함하고, 상기 제1 렌즈의 볼록면과 상기 제2 렌즈의 오목면 및 볼록면은 동일한 곡률 반경을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예는, (a) 광로를 따라 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 위치시키는 단계와, (b) 상기 제1 렌즈 상기 제2 렌즈에 의해 뷰어를 향해 야간 투시 고글 시스템의 애노드 스크린에 형성되는 이미지를 투과시키는 단계를 포함하는 이미지 확대 방법을 제공하며, 상기 제1 렌즈를 싱글렛 렌즈로 구성하고 상기 제2 렌즈를 트리플렛 렌즈로 구성한다. 상기 위치시키는 단계는 상기 뷰어와 상기 애노드 스크린 사이의 광로를 따라 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 순차적으로 배치시키는 단계를 포함한다. 상기 투과시키는 단계는 상기 제2 렌즈에 의해 상기 애노드 스크린으로부터 방사되는 광선을 발산시키는 단계, 및 상기 제1 렌즈에 의해 상기 제2 렌즈로부터 방사되는 광선을 수렴시키는 단계를 포함한다.
이러한 이미지 확대 방법은 상기 애노드 스크린으로부터 제1 광선을 수용하기 위한 비임 결합기를 상기 광로를 따라 위치시키는 단계와, 상기 비임 결합기를 향해 제2 광선을 방사하기 위한 디스플레이를 상기 광로에 실질적으로 수직하게 위치시키는 단계와, 상기 뷰어에 보이도록 상기 비임 결합기에 의해 상기 제1 광선 및 상기 제2 광선을 병합시키는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 광선은 이미지 집중기의 대물 렌즈에 의해 형성되며, 상기 디스플레이로부터 방사되는 상기 제2 광선은 적외선 이미저에 의해 형성된다.
전술한 전반적인 설명과 아래의 상세한 설명은 예시를 위한 것이지 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해한다.
도 1은 수 개의 렌즈를 포함하는 종래의 렌즈 시스템이다.
도 2는 수 개의 렌즈를 포함하는 종래의 다른 렌즈 시스템이다.
도 3은 수 개의 렌즈를 포함하는 종래의 또 다른 렌즈 시스템이다.
도 4는 수 개의 렌즈를 포함하는 종래의 또 다른 렌즈 시스템이다.
도 5는 비임 결합기를 통해 2개의 상이한 디스플레이로부터 투사되는 빛을 결합하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 시스템이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 5의 렌즈 시스템을 통해 뷰잉을 위해 비임 결합기에 의해 결합되는 2개의 개별의 센서에 의해 이미지를 포착하는 야간 투시 고글(NVG)의 블록도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 각 렌즈면의 세부사항 및 각 렌즈면 사이의 거리를 보여주는, 도 5의 렌즈 시스템과 유사한 렌즈 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 7b, 도 7c 및 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7a의 렌즈 시스템의 수차 곡선이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 각 렌즈면의 세부사항 및 각 렌즈면 사이의 거리를 보여주는, 도 5의 렌즈 시스템과 유사한 다른 렌즈 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 각 렌즈면의 세부사항 및 각 렌즈면 사이의 거리를 보여주는, 도 5의 렌즈 시스템과 유사한 또 다른 렌즈 시스템의 개략적인 블록도이다.
첨부 도면을 참조하면 다음의 상세한 설명으로부터 본 발명을 가장 잘 이해할 것이다.
본 발명은, 아래 설명하듯이, 대물 렌즈로부터 바로 형성되는 이미지와 디스플레이로부터 생성되는 이미지를 결합시킬 수 있는 비용 효율이 높은 접안 렌즈/확대 렌즈를 제공한다. 결합된 이미지들은 넓은 시계로 뷰어(viewer)를 향해 투사될 수 있다. 덧붙여, 접안 렌즈/확대 렌즈는 어떠한 편평한 표면들, 어떠한 비구체 표면들 및 어떠한 회절성 표면들을 갖지 않는 개별 렌즈들로부터 형성될 수 있다. 또한, 접안 렌즈/확대 렌즈는 편평하거나 또는 곡선형 스크린 면으로부터 넓은 시계를 투사할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예로서 이하에 접안 렌즈(50) 또는 확대 렌즈(50)라고도 때때로 지칭되는 접안 렌즈/확대 렌즈(50)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 접안 렌즈(50)는 도면부호 (53), (54) 및 (55)로 지시된 3개의 유리 싱글렛(glass singlet)으로 형성되는 하나의 유리 트리플렛(glass triplet)을 포함한다. 접안 렌즈(50)는 또한 동공(51)과 유리 트리플렛 사이에 위치되는 도면부호 (52)로 지시된 유리 싱글렛을 더 포함한다. 여기서는 동공(51)에 형성되는 이미지를 접안 렌즈(50)의 후면에 형성된 이미지로 정의한다.
본 발명은 스크린(58) 상에 형성된 이미지와 디스플레이(59) 상에 형성된 이미지를 병합하기 위한 2개의 유리 프리즘으로 형성된 비임 결합기를 포함한다. 결합된 이미지는 도면부호 (51)로 지시된 동공을 향해 투사된다. 예컨대, 여기서는 스크린(58) 상에 형성된 이미지를 접안 렌즈(50)의 전방에 형성된 이미지로 정의한다.
도 5에 도시되지 않은 다른 세트의 광학 요소들로부터 디스플레이(59) 상에 이미지가 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 한 세트의 광학 요소들은 IR 이미저(imager)(도시 안됨)에 의해 생성되는 이미지를 제공하기 위한 렌즈일 수 있다. IR 이미저에 의해 형성되는 이미지는 디스플레이(59) 상에 보여질 수 있으며, 여기서 디스플레이는 IR 이미저에 의해 보여지는 대상체의 칼라 이미지를 제공하는 TV 디스플레이일 수 있다.
스크린(58) 상에 형성되는 이미지는 병사와 같은 사람이 착용한 헬멧에 장착된 야간 투시 고글의 대물 렌즈(도시 안됨)에 의해 생성되는 이미지일 수 있음을 이해할 것이다. 접안 렌즈(50)는 스크린(58)으로부터 이미지 빛을 받아서 동공(51)에서 보기 위해 이미지 빛을 확대한다. 따라서, 보기 위해 투사된 이미지는 스크린(58)으로부터의 단일 이미지, 디스플레이(59)로부터의 단일 이미지, 또는 스크린(58) 및 디스플레이(59) 모두로부터의 결합 이미지일 수 있다.
프리즘(56, 57)에 의해 이미지들이 병합되면, 이미지 화질이 우수하고 55도 보다 넓은 시계(FOV: field of view)가 된다. 디스플레이(59)는 평면 디스플레이일 수 있고, 스크린(58)도 평면, 또는 100 mm의 곡률 반경(예컨대) 보다 큰 경미한 곡선형 면을 가질 수 있다. 접안 렌즈(50)에 의해 생성되는 결합된 이미지는 40 라인 쌍(pairs)/mm에서 50% 보다 좋은 화질을 갖는다.
대물 렌즈에 의해 동공(51)에 형성되는 단일 이미지만을 보는 이미지 튜브 스크린을 생성시키는 것이 바람직한 경우, 비임 결합기(56, 57)(또는 프리즘(56, 57))가 도 5에서 완전히 제외될 수 있음을 이해할 것이다. 물론, 이때 디스플레이(59)도 도 5에서 제외될 것이다.
따라서, 접안 렌즈(50)는 트리플렛 렌즈를 포함하는 비용 효과가 좋은 확대 렌즈이다. 본 발명자는 우수한 화질과 넓은 시계를 갖는 확대된 이미지를 형성하기 위해 접안 렌즈 내에 트리플렛 렌즈가 사용되는 것이 유리함을 발견하였다. 이러한 트리플렛 렌즈는 파손된 곡선형 단일 렌즈로 인한 비용 발생없이 제조가 용이하다.
표 1에는 지맥스 포맷(Zemax format) 렌즈 표면 데이터를 열거한 예시적인 렌즈(50) 형성 사양이 제공된다. 표의 A 부분은 무한대에 위치하는 대상체(도 5의 좌측)로부터 출발해서 유리 결합기 플레이트(56, 57)의 비임스플리터(beamsplitter) 표면을 향해 이동하고; 비임스플리터 표면으로부터 디스플레이(59)의 표면을 향해 위로 이동하는 반사형 배열의 요약을 제공한다. 한편, 표 1의 B 부분은 무한대에 위치되는 대상체(도 5의 좌측)로부터 출발해서 비임스플리터 표면을 향해 이동하고; 비임스플리터 표면을 통해 양극(anode) 스크린(58)의 표면으로 이동하는 투과형 배열의 요약을 제공한다. 도시된 바와 같이, 디스플레이 표면은 편평하며(무한대의 반경), 양극 스크린 표면은 110 mm의 반경을 갖는 약간 굴곡진(동공 이미지(51)로부터 보이는 바와 같이 오목한) 형상이다.
유리의 두께, 직경 타입과 렌즈 시스템(50)의 각 면의 반경도 표 1에 열거되어 있다.
도 5의 렌즈 시스템(50)을 형성하는 예시적인 사양
표면 데이터 요약 ( 지맥스 포맷( Zemax format ))
유효 초점 거리: 22.0552
이미지 공간 F/# : 3.676
축방 이미지 높이: 10.285
최대 절반 영역: 25도
Figure pct00001
A. 디스플레이로의 반사형 배열
Figure pct00002
B. 스크린으로의 투과형 배열
Figure pct00003
도 6은 본 발명의 렌즈 시스템(50) 또는 접안 렌즈(50)가 사용될 수 있는 예시적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도면부호 (60)으로 대체로 지시되는 야간 투시 고글(NVG) 시스템은 이미지 집중기(image intensifier)(62a), 적외선 카메라(62b)와 같은 제2 채널 센서, 비임 결합기(또는 비임스플리터)(65) 및 눈(67)으로 보기 위한 접안 렌즈(66)를 포함한다.
도 6에 도시된 접안 렌즈(66)는 도 5에 도시된 접안 렌즈(50)에 대응될 수 있다. 여기서는 전반적으로 렌즈 시스템으로서 접안 렌즈/확대 렌즈로 지칭된다.
이미지 집중기(62a)는 감지된 이미지(61a)로부터의 가시적이고 적외선 근방의 빛을 이미지 집중기 튜브 상에 초점을 맞추기 위해 구성된다. 이미지 집중기 튜브는 바람직하게로는, 광자를 전자로 변환시키는 광음극, 전자를 가속시키는 다채널 플레이트(MCP), 및 가속된 전자를 수용하고 가속된 전자에 응답해서 휘도를 생성하는 인광체 스크린을 대체로 포함하는 공지의 I2 튜브이다. 이미지 집중기(62a)에 의해 생성된 이미지는 화살표 (63a)로 지시된 바와 같은 이미지 집중화 입력 경로를 따라 비임스플리터(65)로 인도된다. 비임스플리터는 수용된 비임을 결합 및/또는 분기시킬 수 있으며, 여기서 역시 비임 결합기로 지칭된다.
접안 렌즈(66)는 이미지 집중기(62a) 및 비임스플리터(65)와 실질적으로 공통축을 가지지만, 이미지 집중기와 비임스플리터 사이에 형성된 비선형 광로에 의해 오프셋될 수도 있다. 이미지 집중기(62a)는 바람직하게 3세대(Generation Ⅲ)와 같이 최신 모델 버전이거나 2세대(Generation Ⅱ)와 같은 지난 모델 버전이다.
제2 채널 센서가 임의의 적합한 센서일 수 있지만, 본 개시를 위해, 제2 채널 센서는 적외선 카메라(62b)로 기술될 것이다. 이 적외선 카메라는 적외선 이미지를 가시적인 이미지로 변환하는데 사용된다. 적외선 카메라는 비냉각 초점면 배열(FPA: focal plane array)에 기초할 수 있고, 이미지 집중기의 시계(FOV)와 본질적으로 동일한 열(thermal) 비디오 시계(FOV)를 제공하도록 설계되는 그 자신의 대물 렌즈를 병합할 수 있다.
이미지 집중기와 적외선 카메라의 광축은 야간 투시 고글 시스템을 조립하는 동안 전반적으로 서로 평행하게 배열된다. 대물 렌즈는 이미지를 나타내는 신호를 출력하는 열 센서 상에 적외선 이미지(61b)를 초점을 맞춘다. 시스템 전자 회로(69b)는 열 센서로부터 출력 신호를 수신하고 디스플레이(68) 상에 이미지를 투사한다. 디스플레이(68)는 이미지 집중기 이미지(63a)의 경로에 대해 실질적으로 직각으로 카메라 출력 경로(63c)를 따라 비임스플리터(65)로 적외선 이미지를 제공하도록 구성된다.
디스플레이(68)는 예컨대, 방사형, 반사형 또는 투과형의 다양한 구성을 가질 수 있다. 반사형과 투과형 디스플레이가 여기에 포함되겠지만, 방사형이 가장 작은 패키지를 제공하며 가장 적은 전력을 소모하기 때문에 본 발명에 대해서는 방사형이 바람직하다. 방사형 디스플레이는 전자발광식 디스플레이, 진공 형광 디스플레이, 필드 방사형 디스플레이 및 OLED(유기 LED)를 포함한다. 이름이 암시하듯이, 방사원(emissive source)은 빛을 방사하고 별도의 광원을 필요로 하지 않는다.
비임스플리터(65)는 이 비임스플리터를 통해 카메라 출력 경로(63b)를 따라 적외선 카메라 비디오 이미지 및 이미지 집중기 이미지의 통로를 제어하도록 구성되는 이색성 면(dichroic surface)을 포함한다. 이색성 면은 표면 위 입사 광선의 일정 백분율의 빛이 통과할 수 있게 하고 빛의 나머지를 반사한다. 예컨대, 이색성 면은 표면 위 입사 광선의 대략 70-90 %가 통과하게 하는 한편 나머지 10-30%가 반사되게 하도록 구성될 수 있다. 통과하는 빛의 백분율은 변화될 수 있으며 상기한 지정 범위에 한정되지 않는다.
도 6의 설명을 계속하면, NVG 시스템(60)은 전자 회로(69a), 배터리(69b) 및 제어기(69c)를 포함한다. 전자 회로(69a)는 이미지 집중기, 적외선 카메라 및 비디오 디스플레이(68)와 연관되어 있다. 전자 회로는 또한 배터리(69b) 및 제어기(69c)와 연관되어 있다. 배터리는 NVG 시스템의 각 부품에 전력을 공급한다. 제어기는 이미지 집중기 및 적외선 카메라를 제어하도록 구성된다.
다음으로 도 7a를 참조하면, 렌즈 시스템(70) 또는 확대 렌즈/접안 렌즈(70)로 전반적으로 지시되어 있는 본 발명의 다른 예시적인 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 확대 렌즈/접안 렌즈(70)는 EP(동공)으로 지시된 관찰자의 눈에 이미지를 제공한다. 관찰자의 눈은 확대 렌즈/접안 렌즈를 통해 보며, 양극 스크린(I1) 및 디스플레이(I2)의 중첩인 융합 이미지를 본다.
좌측에서 우측으로 보이듯이, 확대 렌즈/접안 렌즈는 포지티브 파워의 싱글렛 렌즈(Ⅰ), 및 관찰자와 마주하는 볼록면을 갖는 포지티브 파워의 트리플렛 렌즈(Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ)를 포함한다. 트리플렛 렌즈의 표면은 서로 접합된다. 비임 결합 프리즘을 형성하기 위해 함께 접합된 2개의 유리 플레이트(Ⅴ 및 Ⅵ)가 또한 도시된다. 투명한 유리의 평행한 플레이트는 디스플레이(I2)용 먼지 보호기로서 작용한다.
표 2에 열거한 바와 같이, 반경(R1 및 R6)은 무한대이고, 이로써 평면을 형성한다. 스크린(I1)의 반경(R7)은 -110mm이다.
도 7a에 도시된 렌즈 요소들의 사양 (in mm)
f=21.95 f/0.7
반경 두께 nd/Vd
R1= ∞ D1= 24.000 1.883/40.8
R2= 57.443 D2= 4.000
R3= 28.422 D3= 0.100 1.883/40.8
R4= 57.443 D4= 9.750 1.923/18.9
R5= 57.443 D5= 2.000 1.883/40.8
R6= ∞ D6= 3.250
R7= -110 D7= 2.200
D8= 6.500 1.834/37.2
D9= 6.500 1.834/37.2
D10T= 2.431
D9R= 10.500 1.834/37.2
D10R= 1.521
D11R= 0.910 1.517/64.2
표면(R2, R4 및 R5)은 동일한 곡률 반경을 갖는다.
도 7a 및 표 2를 더 참조하면, "f"는 유효 초점 거리이고, R1, R2, ... R7은 각 표면의 반경이다. R7은 양극 스크린의 반경이다. 디스플레이는 평면이다. 직경(D1, D2, ... D9)은 여러 구성요소(렌즈 및 프리즘) 및 공기 공간의 두께이다. 직경(D10T)은 투과 경로 내의 공기 공간의 거리이다. 직경(D9R, D10R 및 D11R)은 반사된 경로의 거리이다. 무한대 부호는 평면을 나타내며, "f"는 f-수이고, nd는 d 빛의 굴절률이고, Vd는 d 부분 분산이다.
도 7b, 도 7c 및 도 7d는 도 7adp 도시된 확대 렌즈/접안 렌즈에 대한 540nm 파장에서의 구면 수차의 구차 곡선, 난시/필트 곡률 및 왜곡을 도시한다. 동공 거리가 1.1f인 경우 확대 렌즈/접안 렌즈가 2°×27.5°의 필드 각(field angle)에 대해 잘 교정된다는 것을 관찰할 수 있다.
계속해서 도 8을 참조하면, 확대 렌즈/접안 렌즈(80)의 또 다른 실시예가 도시되며, 이는 표 3에 상세히 명시되어 있다. 도시된 바와 같이, 싱글렛(Ⅰ)은 2개의 곡면(R1 및 R2)을 갖는다. 또한, 트리플렛(Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ)의 면(R6)도 곡선형이다. 스크린(I1)은 -56.9mm의 곡면(R7)을 갖는다. 따라서, 모든 렌즈 면이 곡면이다.
도 8에 도시된 렌즈 시스템(80)에 대한 구성요소의 사양
f=22.73 f/0.7
반경 두께 nd/Vd
R1= -53.820 D1= 24.000 1.883/40.8
R2= -27.772 D2= 4.750
R3= 25.519 D3= 0.100 1.883/40.8
R4= 122.135 D4= 6.522 1.923/18.9
R5= 20.123 D5= 2.000 1.883/40.8
R6= 75.278 D6= 6.020
R7= -56.9 D7= 3.0
D8= 6.500 1.834/37.2
D9= 6.500 1.834/37.2
D10T= 4.372
D9R= 10.500 1.834/37.2
D10R= 1.521
D11R= 0.910 1.517/64.2
마지막으로, 표 4에 대응되는 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 확대 렌즈/접안 렌즈(90)는 싱글렛(Ⅰ) 및 트리플렛(Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ)을 포함한다. 면(R1 및 R6)은 평면이다. 애노드 스크린(I1)은 -40 mm의 곡률 반경(R7)을 갖는다. 프리즘 및 디스플레이는 제거되었다.
도 9에 도시된 렌즈 시스템(90)의 구성요소들의 사양
Figure pct00004
여기에 특정 실시예 관하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 도시된 상세 사항에 한정되어선 안 된다. 오히려, 본 발명에서 벗어나지 않고 청구범위의 동등물의 범위와 영역 내에서 상세 사항에 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 제2 렌즈와 축방향으로 정렬되는 제1 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈가 뷰어의 동공 이미지로부터 순차적으로 위치되도록 구성되고,
    상기 제2 렌즈가 접합된 3개 요소를 갖는 트리플렛으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 동공 이미지와 마주하는 평면, 및 상기 제2 렌즈와 마주하는 볼록면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와 마주하는 볼록면, 및 상기 제2 렌즈의 볼록면과 반대인 평면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 제1 렌즈의 평면과 반대인 오목면을 포함하며,
    상기 제2 렌즈는 오목면 및 볼록면을 포함하고,
    상기 제1 렌즈의 상기 오목면과 상기 제2 렌즈의 오목면 및 볼록면은 동일한 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈를 향해 빛을 발산하고,
    상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈로부터 방사된 빛을 수렴시키는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    이미지 스크린으로부터 상기 제2 렌즈, 상기 제1 렌즈 및 상기 뷰어를 향해 순차적으로 빛을 투사하기 위해 상기 제1 렌즈 상기 제2 렌즈의 광학 라인을 따라 축방향으로 상기 이미지 스크린이 정렬되고,
    상기 이미지 스크린으로부터 상기 뷰어로 통과하는 빛은 어떠한 비구면(aspherical surfaces)도 통과하지 않고 어떠한 회절면도 통과하지 않는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 광학 라인을 따라 축방향으로 이미지 스크린이 정렬되고,
    상기 광학 라인을 따라 축방향 정렬로, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 상기 이미지 스크린 사이에 비임 결합기가 제공되며,
    상기 광학 라인에 실질적으로 수직하게 디스플레이가 제공되고,
    상기 디스플레이로부터 방사되는 빛과 상기 이미지 스크린으로부터 방사되는 빛은 상기 뷰어에 보이도록 상기 비임 결합기에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 상기 제2 렌즈는 55도 보다 큰 각도의 시계와 40 라인 쌍/mm에서 50% 보다 높은 변조 전달 함수(MTF)를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 뷰어에 보이도록 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 함께 광학 라인을 따라 축방향으로 이미지 스크린이 정렬되고,
    상기 이미지 스크린은 100mm의 곡률 반경을 갖는 면 보다 실질적으로 더 편평한 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 마주하는 면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 대략 20.5mm의 유효 초점 거리(EFL) 및 24mm 보다 큰 아이 릴리프(eye relief)을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    접안 렌즈/확대 렌즈.
  11. 뷰어가 착용한 헬멧 상에 장착되는 야간 투시 고글(NVG) 시스템으로서,
    대물 렌즈, 다채널 플레이트(MCP), 및 제1 이미지를 형성하는 애노드 스크린을 순차적으로 구비하는 이미지 집중기와,
    상기 뷰어에게 상기 제1 이미지를 투사하기 위해 상기 애노드 스크린의 후방에 위치되는 접안 렌즈와,
    제2 이미지를 디스플레이하기 위한 칼라 디스플레이를 포함하는 적외선 이미저와, 그리고
    상기 뷰어를 향해 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지 중 하나 또는 모두를 통과시키기 위한 비임 결합기를 포함하며,
    상기 접안 렌즈는 제2 렌즈와 축방향으로 정렬되는 제1 렌즈를 포함하며,
    상기 제2 렌즈 및 상기 제1 렌즈는 각각 상기 애노드 스크린으로부터 순서대로 위치되며,
    상기 제2 렌즈는 3개의 접합 요소를 갖는 트리플렛으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 뷰어와 마주하는 평면 및 상기 평면의 반대인 볼록면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와 마주하는 볼록면, 및 상기 애노드 스크린과 마주하는 평면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈와 마주하는 볼록면을 포함하며,
    상기 제2 렌즈는 오목면 및 볼록면을 포함하고,
    상기 제1 렌즈의 볼록면과 상기 제2 렌즈의 오목면 및 볼록면은 동일한 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 비임 결합기로부터 방사되는 빛을 발산하고,
    상기 제1 렌즈는 상기 제2 렌즈로부터 방사되는 빛을 수렴시키는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 유리로 형성되고 빛의 광학 파장을 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    야간 투시 고글(NVG) 시스템.
  17. 이미지 확대 방법으로서,
    광로를 따라 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 위치시키는 단계와,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에 의해 뷰어를 향해 야간 투시 고글 시스템의 애노드 스크린에 형성되는 이미지를 투과시키는 단계와, 그리고
    상기 제1 렌즈를 싱글렛 렌즈로 구성하고 상기 제2 렌즈를 트리플렛 렌즈로 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    이미지 확대 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계는 상기 뷰어와 상기 애노드 스크린 사이의 광로를 따라 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 순차적으로 배치시키는 단계를 포함하고,
    상기 투과시키는 단계는 상기 제2 렌즈에 의해 상기 애노드 스크린으로부터 방사되는 광선을 발산시키는 단계, 및
    상기 제1 렌즈에 의해 상기 제2 렌즈로부터 방사되는 광선을 수렴시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    이미지 확대 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 애노드 스크린으로부터 제1 광선을 수용하기 위해 비임 결합기를 상기 광로를 따라 위치시키는 단계와,
    상기 비임 결합기를 향해 제2 광선을 방사하기 위한 디스플레이를 상기 광로에 실질적으로 수직하게 위치시키는 단계와,
    상기 뷰어에 보이도록 상기 비임 결합기에 의해 상기 제1 광선 및 상기 제2 광선을 병합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    이미지 확대 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 광선은 이미지 집중기의 대물 렌즈에 의해 형성되며,
    상기 디스플레이로부터 방사되는 상기 제2 광선은 적외선 이미저에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    이미지 확대 방법.
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