NO318198B1 - Fokuseringsmekanisme for zoomlinse - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse gjelder generelt fremgangsmåter og innretninger for å endre fokus for en optisk innretning for å betrakte nære eller fjerne gjenstander, og spesielt fremgangsmåter og innretninger for fokusering av et optisk sys-tem med variabel styrke eller variabelt synsfelt.

Optiske innretninger med variabel styrke er velkjent og inkluderer eksempelvis de velkjente kameralinsene med "zoom" samt teleskopsikter med variabel styrke montert på rifler. Disse eksemplene på innretninger er av en type med kontinuerlig variabel styrke. En økning i styrke og tilsvarende reduksjon av synsfeltet er typisk for slike systemer med variabel styrke. Som oftest bruker disse systemene en innvendig linseenhet som beveges langs den optiske hovedaksen i den optiske innretningen til å endre styrken, mens en annen linse, som objektiv- eller okularlinseenheten, blir beveget aksielt i forhold til de andre optiske komponentene for å fokusere innretningen. Det kreves altså adskilte mekaniske systemer for å bevege adskilte optiske komponenter for å utføre de to funksjonene endring av styrke og fokusering. Disse systemene kalles mekanisk kompenserte zoomlin-ser.

Variabel styrke i diskrete trinn fremfor kontinuerlig variabel styrke blir foretrukket for visse anvendelser. Én teknikk for å oppnå slike diskrete styrkeendringer er fysisk å fjerne visse av de mellomliggende optiske komponentene fra den optiske rekken og erstatte disse med andre. En annen teknikk er ganske enkelt å forflytte en mellomliggende del av det optiske systemet, typisk et par konvekse (konverge-rende) linser, mellom eksempelvis to faste posisjoner. Som for de kontinuerlige systemene, kan fokuseringen av systemet oppnås ved aksiell forflytning av enten objektivet eller okularet i forhold til resten av det optiske systemet. Teknikken der et mellomliggende linsepar, noen ganger kalt en variator, blir forflyttet mellom to diskrete posisjoner, tillater at fokuseringen kan oppnås ved å forflytte de samme optiske komponentene, variatoren, som ble forflyttet for å endre synsfeltet. Det er sterkt ønskelig at endring av styrke og fokusering kan oppnås ved forflytning av de samme optiske komponentene, fordi dette eliminerer mekaniske komponenter og reduserer plassbehovet. Det foreligger imidler-tid en uønsket sideeffekt. Retningen variatoren må forflyttes for å endre fokus fra et fjernt objekt til et nærliggende objekt i én styrkemodus er den motsatte av retningen variatoren må forflyttes for å endre fokus fra et fjernt objekt til et nærmere objekt når systemet er i en annen styrkemodus. Dette virker forvirrende på brukerne av det optiske systemet. Patent EPO 0287 202 A beskriver en variabel -fokus -innretning som forflytter et optisk element for å endre styrke og fokus.

Det er ønskelig å få til et kompakt, diskret optisk zoom-system der endringer i styrke og fokus oppnås ved å forskyve de samme optiske komponentene samtidig som man unngår problemet med reversert fokuseringsretning.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse gir løsninger på ovenstående prob-lemer ved å anvise en optisk innretning med variabel for-størrelse (optisk styrke) og variabel fokus (brennvidde), omfattende et antall optiske elementer plassert langs en primær optisk akse i innretningen, der de optiske elementene omfatter minst ett optisk element som er bevegelig langs aksen mellom minst to distinkte områder, nemlig et første område som svarer til en høyere optisk styrkemodus og et andre område som svarer til en lavere optisk styrkemodus, der nevnte minst ene optiske element som er bevegelig langs aksen innenfor hver av de to distinkte områdene for å variere fokuseringen av innretningen, idet innretningen omfatter et første betjeningsorgan for å flytte nevnte minst ene optiske element mellom nevnte første og andre område for etter ønske å veksle fra én styrkemodus til en annen, og et andre betjeningsorgan for å variere aksial plassering av nevnte minst ene optiske element innenfor hver av de nevnte områdene for å fokusere den optiske innretningen i hver styrkemodus, der nevnte andre betjeningsorgan er bevegelig i én retning for å endre fokusering fra et nærliggende objekt til et fjernere objekt i hver av de nevnte områdene, og i motsatt retning for å endre fokusering fra et fjernt objekt til et nærmere objekt i hver av de nevnte områdene, idet forbedringen utgjør følgende: at det andre betjeningsorganet inkluderer en innstillingsknapp og en gjenget aksel i inngrep med innstillingsknappen på innretningen, og videre omfatter et par stoppere som er skrudd inn på den gjengede akselen, samt midler for å omdanne aksialbevegelse i den ene eller andre stopperen, avhengig av valgt styrke, langs den gjengede akselen, til sakte bevegelse av minst ett optisk element langs den primære optiske aksen, idet den gjengede akselen er høyregjen-get på det stykket som er koblet med en gjenge til den ene stopperen og er venstregjenget på et annet stykke som er i inngrep med den andre stopperen.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Figur 1 viser en periskopisk optisk innretning konstruert for vidt synsfelt, sett fra siden, delvis gjennomskåret, og illustrerer én utførelse av foreliggende oppfinnelse,

figur 2 viser et snitt langs linjene 2-2 på figur 1,

figur 3 viser innretningen på figur 1 og 2 sett nedefra,

figur 4 viser et snitt i likhet med figur 2, men viser innretningen innstilt til smalt synsfelt og fokusert på maksimum avstand,

figur 5 viser et snitt i likhet med figurene 2 og 4, men viser innretningen innstilt til smalt synsfelt og fokusert på middels avstand,

figurene 6a-6c er forenklede sekvensielle illustrasjoner av koblingen mellom betjeningsarmen for styrke og fokus og va-riatorinnstillingsstangen som går fra vidt synsfelt til smalt synsfelt, og

figur 7 er en grafisk illustrasjon av sammenhengen mellom bevegelig linseposisjon og avstanden som innretningen på figurene 1-5 er fokusert på.

Bokstavmerkingen angir samme deler på de forskjellige tegningsfigurene.

Detaljert beskrivelse av tegningsfigurene

På figur 1 vises innfallende lys ved pilen 11 i optisk innretning 10. Lyset går gjennom et vindu 13 og blir reflek-tert av et speil 15, i retning ned gjennom en rekke linser som vises bedre på figur 2. Lyset går gjennom en objektiv-linse 17, gjennom et par linser 19 og 21, og endelig gjennom linsene 23 og 25. Sistnevnte linser kan betraktes som et "okular", og lyset som kommer ut av dette danner et direkte synlig bilde som kan projiseres på en skjerm eller nyttes på annen måte. I den foretrukne utførelsen virker innretningen i det infrarøde området i spekteret, og lyset ut fra linsen 25 er ikke lenger synlig og må derfor videre-behandles av en konstruksjon plassert under den som er vist, for å frembringe et synlig bilde av objektet.

Linseparet 19 og 21 er montert i en hylse 27 som lar seg forskyve langs den optiske hovedaksen 29 i innretningen. Dette linseparet kan grovforflyttes for å virke som en zoomlinse eller variator for å endre styrken {og dermed og-så synsfeltet) for innretningen. Figur 2 viser variatoren i øvre stilling for vidt synsfelt og lav styrke. Figurene 4 og 5 viser variatoren i en lavere stilling for større styrke og mindre synsfelt. Linseparet 19 og 21 lar seg også fininnstille for etter ønske å fokusere den optiske innretningen på nære eller fjernere gjenstander. Figur 4 viser variatoren i en posisjon der innretningen er fokusert på maksimum avstand. Denne variatorposisjonen er benevnt 30 på figur 7, mens maksimum fokuseringsavstand er benevnt 38. Figur 5 viser variatoren forflyttet noe oppover til en posisjon 34 på figur 7, midt i området, for å fokusere innretningen på en nærmere gjenstand.

Det ville være mulig å innrette et betjenbart direkte drev for eksempel for hylsen 27 og dens variatorlinsepar 19 og 21, ved bruk av for eksempel en enkel tannstang-tannhjuls-drev-kombinasjon, slik at en operatør kunne dreie på en betjeningsknapp for å flytte hylsen 27 langs aksen 29. En slik konstruksjon har flere betydelige mangler som best forklares ved henvisning til figur 7.

På figur 7 viser kurven 26 sammenhengen mellom variatorposisjon eller bevegelig linseposisjon og avstanden den optiske innretningen er fokusert på når denne befinner seg i stilling for smalt synsfelt. Kurve 28 illustrerer sammenhengen mellom variatorposisjon eller bevegelig linseposisjon og avstanden den optiske innretningen er fokusert på når den befinner seg i stilling for vidt synsfelt. Når variatoren befinner seg i nedre posisjon, svarende til smalt synsfelt, vil bevegelse av variatoren i retning oppover som følge av at innstillingsknappen dreies for eksempel med urviserretningen, endre fokus fra et fjernere objekt til et nærmere objekt. Når variatoren befinner seg i øvre posisjon, svarende til vidt synsfelt, vil bevegelse av variatoren i retning oppover, igjen som følge av at innstillingsknappen dreies med urviserretningen, endre fokus fra et nærmere objekt til et fjernere objekt. Den aller laveste variatorposisjonen 30 svarer til fjerneste fokus, og den aller øverste variatorposisjonen 32 svarer også til fjerneste fokus. Derfor vil veksling mellom posisjonene for vidt synsfelt og smalt synsfelt føre til at dreieretningen for innstillingsknappen forandrer seg, hvilket er ytterst irriterende og forvirrende for brukeren.

Det finnes et område som er merket "ubrukelig", som ligger mellom variatorposisjonene for vidt og smalt synsfelt, og der den optiske innretningen ikke virker. Med det foreslåt-te tannstangdrevet ville det kreves betydelig dreiing av innstillingsknappen for å kjøre variatoren gjennom dette området under skifting fra det ene synsfeltet til det andre. Under denne forflytningen ville det medgå betydelig tid uten noe synsfelt tilgjengelig. Videre ville fokuseringsavstanden som tidligere var innstilt for ett av synsfeltene, gå tapt ved overgangen fra ett synsfeltområde til det andre .

Nå med henvisning hovedsakelig til figurene 2 og 3, er disse manglene blitt eliminert i foreliggende oppfinnelse ved innføring av en dreibar fokuseringsknapp 31 og en fast fo-kuserings ak sel 33 passende båret av lagre som bøssing 35 for å kunne rotere om akselens akse 75. Akselen 33 er med gjenger forbundet med et par skiveformede fokuserings-ringstoppere 37 og 39. Et par spiralfjærer 41 og 43 for fokuseringsringstopperne holder fokuseringsringstopperne 37 og 39 fra hverandre og eliminerer derved mulig bevegelse av stopperne 37 og 39 som følge av aksiell slark, noe som el-lers kan forekomme på grunn av toleranseklaringer mellom de innvendige gjengene i stopperne og gjengene på akselen. Spiralfjærene 41 og 43 holder fokuseringsringstopperne i stilling under vibrasjoner. Videre vil en stopper, så lenge den bare er i inngrep med akselen 33, ha tilstrekkelig friksjon mot akselen til at ringen roterer med akselen og derved beholder sin aksiale posisjon selv om akselen roterer .

En fokuseringsrulle 45 kobler inn stopper 39 og gir tilstrekkelig friksjon til å hindre rotasjon av stopper 39 når akselen 33 roterer. Følgelig vil rotasjon av akselen 33 nå få stopper 39 til å bevege seg frem og tilbake langs gjengene på akselen 33. Rulle 45 er festet med stift 53 til innstillingsarmen 49 for styrke/fokus. Rulle 45 og stift 53 er dreibart opphengt i blokken 47 og tillater bevegelse mellom stillingen som er vist på figur 2 og stillingen vist på figurene 4 og 5. Armen 49 er koblet med leddene vist på figurene 6a - 6c til betjeningsakselen 55. Aksel 55 har på-montert en festeblokk 67 som holder forbindelsesstangen 69 slik at denne er forskyvbar. Stangen 69 har en kuleformet ende som passer inn i en sokkel 71 på variatorhylsen 27. Følgelig vil rotasjon av akselen 55 føre til vertikal bevegelse av hylsen 27 og dennes variatorlinser 19 og 21, langs den primære optiske aksen til innretningen.

Det finnes en betjeningshendel 73 for operatøren {se figur 3), festet til aksel 55, som kan beveges for å veksle mellom innretningens tilstander for vidt og smalt synsfelt. Betjeningsarmen 79 brukes til å endre vinkelen på speilet 15 noe, og utgjør ikke noen del av foreliggende oppfinnelse. Dreiing av betjeningshendelen 73 om innstillingsakselen

77 vil også bevege blokk 47 og dermed stift 53 og rulle 45, som blir kastet over mellom stillingen for vidt synsfelt, vist på figur 2, og stillingen for smalt synsfelt, vist på figurene 4 og 5, slik det best fremgår av figurene 6a - 6c. Så snart hendelen 73 har beveget seg forbi senteraksel 77, vil rullen 45 automatisk treffe stopper 37 eller 39. Aksel 55 er festet i rammen til den optiske innretningen slik at den kan rotere om senteraksel 77. Fokuseringsarmen 49 er fiksert i innretningen slik at den kan vippe omkring stift 51. For å veksle fra vidt synsfeltmodus til smalt synsfeltmodus, betjener operatøren hendelen 73 for å dreie akselen 55 med urviserretningen som det fremgår av figurene 6a - 6c. Aksel 55 har en forskjøvet arm 59 som er hengslet til en forbindelsesarm 63. En stift 65 nær enden av forbindel-sesarmen 63 griper inn i et spor i armen 49. Ved fortsatt rotasjon vil stift 65 forflytte seg i sporet og likeledes vil stift 53 forflytte seg i et spor nær den andre enden av arm 47 som det fremgår av figur 6b. Videre rotasjon i urviserretningen fører til posisjonen for smalt synsfelt på figur 6c. Overgangen fra posisjonen på figur 6a til posisjo nen på figur 6b vil trykke spiralfjæren 57 sammen, mens overgangen fra posisjonen på figur 6b til posisjonen på figur 6c blir assistert av spiralfjæren 57. Betjeningsspaken 73 virker altså om lag som en kippvender ved veksling mellom de ulike synsfeltene, og så snart posisjonen på figur 6b er nådd, blir akselen presset mot stillingen på figur 6c.

Gjengeretningen for sammenskruing av stopper 37 og aksel 33 er motsatt av gjengeretningen for sammenskruing av stopper 39 og aksel 33. Stopper 37 kan eksempelvis være utført med

en venstregjenget innvendig gjenge mens stopper 39 er høy-regjenget. Dreiing av knapp 31 med urviserretningen som

vist på figur 1 vil forflytte stopper 39 mot venstre på figur 2 og få armen 49 til å vippe på stift 51 i urviserretningen. Akselen 55 roterer fordi blokk 47 dreier denne. Aksel 55 roterer mot urviserretningen, og variatorlinsene 19 og 21 beveger seg oppover og endrer fokus i vidt synsfelt fra nær til fjernere. Dreiing av knapp 31 med urviserretningen som sett på figur 1 vil forflytte stopper 37 mot høyre på figurene 4 og 5, slik at variatorlinsene 19 og 21 beveger seg nedover og endrer fokus i smalt synsfelt fra nær til fjernere. I begge posisjonene vil vridning av knapp med urviserretningen tilsvare å endre fra et nært til et mer fjernt fokus, og vridning av knapp mot urviserretningen tilsvare å endre fra et mer fjernt fokus til et nærmere fokus .

Som en konklusjon medfører oppfinnelsen et antall fordeler i forhold til hittil kjente fokuseringsteknikker for vari-able synsfelt. Samme sett linser blir forflyttet for å oppnå endringer i styrke og fokusering. Fokusering skjer i samme retning, uansett synsfeltmodus. Det vil si at dreieretningen for knapp 31 for å endre fokus fra for eksempel et nært objekt til et fjernere, er den samme uansett hvilket styrkevalg innretningen er innstilt til. Når fokuseringsavstand er innstilt i én styrkemodus og innretningen blir omstilt til den andre styrkeinnstillingen, blir den første fokusinnstillingen bibeholdt, slik at innretningen går tilbake til den innstilte fokuseringsavstanden når den går tilbake til den første styrkemodusen. Valgte fokusav-stander blir bibeholdt for hver styrkemodus til tross for veksling av styrkemodus fordi stopperne 37 eller 39 roterer med akselen 33 og derved beholder sin aksiale plassering så lenge de ikke blir påvirket av rullen 45.

Claims (4)

1. Optisk innretning med variabel forstørrelse (optisk styrke) og variabel fokus (brennvidde), omfattende et antall optiske elementer (15, 19, 21, 23, 25) plassert langs en primær optisk akse (29) i innretningen, der de optiske elementene omfatter minst ett optisk element (19, 21) som er bevegelig langs aksen mellom minst to distinkte områder, nemlig et første område som svarer til en høyere optisk styrkemodus og et andre område som svarer til en lavere optisk styrkemodus, der nevnte minst ene optiske element som er bevegelig langs aksen (29) innenfor hver av de to distinkte områdene for å variere fokuseringen av innretningen, idet innretningen omfatter et første betjeningsorgan (73, 55, 67, 69, 27) for å flytte nevnte minst ene optiske element mellom nevnte første og andre område for etter ønske å veksle fra én styrkemodus til en annen, og et andre betjeningsorgan (31, 33, 37, 39, 45, 53, 49, 63, 59, 55, 67, 69, 27) for å variere aksial plassering av nevnte minst ene optiske element innenfor hver av de nevnte områdene for å fokusere den optiske innretningen i hver styrkemodus, der nevnte andre betjeningsorgan er bevegelig i én retning for å endre fokusering fra et nærliggende objekt til et fjernere objekt i hver av de nevnte områdene, og i motsatt retning for å endre fokusering fra et fjernt objekt til et nærmere objekt i hver av de nevnte områdene, karakterisert ved at det andre betjeningsorganet inkluderer en innstillingsknapp (31) og en gjenget aksel (33) i inngrep med innstillingsknappen på innretningen, og videre omfatter et par stoppere (37, 39) som er skrudd inn på den gjengede akselen, samt midler (45, 53, 49, 63, 59, 55, 67, 69) for å omdanne aksialbevegelse i den ene eller andre stopperen, avhengig av valgt styrke, langs den gjengede akselen, til sakte bevegelse av minst ett optisk element (19, 21) langs den primære optiske aksen, idet den gjengede akselen (33) er høyregjenget på det stykket som er koblet med en gjenge til den ene stopperen (39) og er venstregjenget på et annet stykke som er i inngrep med den andre stopperen (37).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene for omdanning av bevegelse er i inngrep med selektivt den ene men ikke den andre stopperen for å hindre at den innkoblede stopperen roterer med den gjengede akselen, slik at rotasjon av den gjengede akselen medfører forflytning av den innkoblede stopperen langs aksen til den gjengede akselen, mens den andre stopperen bibeholder sin plassering på den gjengede akselen til tross for rotasjon av den gjengede akselen.

3. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at første og andre betjeningsorgan har følgende til felles: • en felles hylse (27) som holder minst ett bevegelig optisk element og som kan gli langs den primære optiske aksen, • en felles innstillingsaksel (55) opplagret for begrenset rotasjon om en senterakse (77), en felles festeblokk (67) festet til og dreibar med innstillingsakselen, og • en felles forbindelsesstang (69) forskyvbart festet til festeblokken og i vippbar kontakt med hylsen slik at rotasjon av den felles innstillingsakselen fører til at hylsen beveger seg langs den primære optiske aksen.

4. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at første betjeningsorgan inkluderer en betjeningsspake (73) i inngrep med innstillingsakselen for å tillate operatøren direkte å dreie innstillingsakselen (55) og grovforflytte hylsen.