NO333706B1 - Nattsynanordning - Google Patents

Abstract

En nattsynanordning har en linse (1) anordnet langs en optisk akse (A) som fokuserer lavnivålys som kommer fra et objekt som skal observeres, på et inngangsvindu (2) av en lavlysnivåforsterker (3). En optisk modul (6-8) projiserer objektbildet som er tilgjengelig på utgangsvinduet (4) av lavlysnivåforsterkeren (3) og er representert i et forutbestemt bølgelengdeområde på i det minste en reseptor, slik som et menneskeøye (9). Strålebanen mellom utgangsvinduet (4) av lavlysnivåforsterkeren (3) og reseptoren (9) er bestemt av reflektive, optiske elementer (6,8), hvorav et (8) befinner seg langs en akse (B) som fører til reseptoren (9) som i hovedsaken er parallell med aksen (A) til linsen (1) og i hovedsaken er reflektiv for det forutbestemte bølgelengdeområdet til lavlysnivåforsterkeren (3) men, dersom det er påkrevd, i hovedsaken transparent for andre bølgelengdeområder.

Description

Oppfinnelsen angår en nattsynsanordning ifølge den innledende delen av patentkrav 1, og spesielt en monokulær eller énlinse (dvs. for ett øye) nattsynsanordning.

WO 97/45760 A gjelder et system for montering på en hjelm for en pilot, for å tilveiebringe nattsyn til piloten. Systemet innbefatter et objektiv, bildeforsterker, en linse-gruppe og optiske innretninger for å projisere et bilde på et optisk reflekterende element på innsiden av et visir til hjelmen.

US 5416315 A gjelder et system med en visirmontert nattsynsapparat.

I US 5254852 A angis et hjelmmontert nattsynssystem.

GB 2100466 A gjelder en optisk anordning for festing på en pilothjelm og for bruk som nattsynsbriller.

Monokulære nattsynsanordninger er i hovedsaken designet i samsvar med følgende prinsipp. En fortrinnsvis lyssterk linse fokuserer strålene som går ut fra et objekt som skal observeres på et inngangsvindu av en lavlysnivåforsterker. Bildet av objektet blir elektrisk forsterket der og på grunn av det fosforescente belegget på utløpet av lavlysnivåforsterkeren viser det seg som et klart grønt bilde på utgangsvinduet. Det vesentlige trekket ved lavlysnivåforsterkeren i denne sammenhengen er at den er utstyrt med en inverter (bildeinversjonssystem) som inverterer det forsterkede grønne bildet av objektet. Dette grønne bildet blir projisert via et øyestykke inn i brukerens øye. Å utstyre lavlysnivåforsterkeren med en inverter er kostbart og lengden og vekten av lavlysnivåforsterkeren øker i vesentlig grad.

På den annen side, istedenfor å bruke en inverter, er det mulig å invertere det elektronisk forsterkede, grønne bildet av objektet ved hjelp av en separat optisk inverter som så projiserer bildet gjennom et øyestykke inn i øyet. Resultatet er imidlertid virtuelt det samme siden i tilfellet med konvensjonelle invertere dannet av linser, vil resultatet da være en lang, tung og relativt kostbar (monokulær) nattsynsanordning.

I motsetning til dette er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en nattsynsanordning, spesielt en monokulær eller énlinset nattsynsanordning, som krever hverken en lavlysnivåforsterker med en konvensjonell inverter eller et separat optisk system for bildeinver-sjonen. Som et resultat av disse omstendighetene, er det mulig i vesentlig grad å redu-sere lengde, vekt og produksjonskostnader for anordningen.

Dette kan ifølge oppfinnelsen oppnås ved å realisere de karakteriserende trekkene i patentkrav 1 og 10. Når det er angitt at den optiske aksen som passerer gjennom linsen til anordningen i hovedsak skal være parallell med aksen som fører til mottakeren, kan små avvik fra parallelliteten være resultatet av en parallellaksekompensasjon. Når det er ut-talt at strålebanen mellom utløpsvinduet til lavlysnivåforsterkeren og mottakeren er bestemt av reflektive optiske elementer, betyr ikke dette på noen måte at linser også (dvs. brytende elementer) blir brukt sammen til for eksempel å endre forstørrelsesfaktoren.

Fordelaktige alternative utførelser er beskrevet med trekkene angitt i de uselvstendige patentkravene.

I oppfinnelsen blir i prinsippet de brytende optiske delene mellom lavlysnivåforsterkeren og det menneskelige øye erstattet av reflekterende deler, som reduserer produksjons-kostnadene for anordningen ifølge oppfinnelsen. Også med hensyn på brukskomforten representerer dette ingen uvesentlig reduksjon av vekt og sammenmontert lengde. I tillegg vil det som oppnås med oppfinnelsen, som omfatter reflektive optiske elementer, fremdeles ha den egenskapen at man er i stand til å observere objektet direkte (for eksempel som gjennom solbriller) og samtidig se dets forsterkede, generelt grønne bilde, overlagret på det "direkte" bildet.

Oppfinnelsen er beskrevet kun som eksempel nedenfor, med henvisning til tegningene. Fig. 1 viser skjematisk det optiske systemet for en nattsynsanordning ifølge oppfinnelsen, og spesielt en monokulær anordning;

Fig. 2 og 3 viser en variant av anordningen; og

Fig. 4 viser en variant av fig. 3.

De vesentlige komponentene av en monokulær nattsynsanordning ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 1. En første linse 1, fortrinnsvis designet for bølgelengdeområdet fra omtrent 450 til 950 nm fokuserer strålene som utsendes fra et objekt som skal observeres på et inngangsvindu 2 av en lavlysnivåforsterker 3. Denne lavlysforsterkeren 3 korresponderer i sin design spesielt med en av generasjonene eller typene som selges på markedet under benevnelsen Gen II, Gen III eller Gen IV. I denne lavlysnivåforsterkeren 3 blir bildet av objektet elektronisk forsterket og opptrer på det fosforescente utgangsvinduet 4 av lavlysnivåforsterkeren 3 som et klart grønt bilde. Dette grønne bildet blir polymert ved hjelp av et linsesystem 5 på et optisk element 6. Dette optiske elementet 6 fokuserer den innfallende strålen i et mellomliggende bildeplan 7. For dette formålet er det optiske elementet 6 for eksempel i formen av et speil, som kan være sfærisk eller asfærisk.

Strålen treffer overflaten av det reflekterende optiske element 8 som samtidig virker som en transparent synslinse og som i den viste versjonen er konkav mot øyet 9. Overflaten som vender mot øyet 9 kan imidlertid også være asfærisk eller torodial. Den ene av de to overflatene av det reflekterende elementet 8, i det foreliggende tilfellet for eksempel overflaten som vender mot øyet 9, er utstyrt med et belegg som innehar et refleksjonsmaksimum i bølgelengdeområdet for lyset som opptas via lavlysnivåforsterkeren 3, dvs. fosforescent grønt. På denne måten blir forskjellen mellom bølgelengdeom-rådene av lys utenfra og bølgelengdeområdet som sendes ut av lavlysnivåforsterkeren på fordelaktig måte utnyttet i oppfinnelsen.

Det mellomliggende bildet av mellomplanet 7 blir således reflektert og kollimert av det reflekterende elementet 8 og projisert inn i øyet 9. Avbildingsskalaene av objektbildet som frembringes på denne måten har på fordelaktig måte en forsterkingsfaktor på 1.

Dersom det optisk reflekterende elementet 8 samtidig virker som en transparent synslinse, kan øyet også se objektet samtidig direkte gjennom det reflekterende elementet 8, på en måte som kan sammenlignes med å se gjennom solbriller. Siden stråler som faller inn gjennom linsen og strålen som passerer gjennom det reflekterende elementet 8 har strålebane som i hovedsaken er parallelle med hverandre, vil resultatet i og for seg være en liten paralakse, men de individuelle optiske komponentene 1 til 8 kan anordnes, for eksempel som kjent for binokulare reflekskameraer, på en slik måte at det forsterkede objektbildet som frembringes via lavlysnivåforsterkeren 3 og det direkte tilgjengelige, generelt ekstremt bleke bildet av objektet, er nøyaktig overlagret i øyet og således blir projisert på det sammen området av netthinnen, og spesielt med en forstørrelsesfaktor på 1, også i den samme bildemålestokk.

De tilknyttede fordelene er åpenbare. Persepsjonen av objektmiljøet, dvs. av den samme verden, er forbedret ved dualsynet, og brukerens bevegelsesfrihet og sikkerhetsfølelse

blir økt. Dersom lavlysnivåforsterkeren 3 skulle falle ut, vil det fremdeles være beholdt en restsynskapasitet gjennom det reflektive elementet 8, særlig ved skumring eller halv-mørke, og plutselig totalt bildeutfall unngås. Dette er spesielt aktuelt i tilfellet med vari-able lysforhold hvor lavlysnivåforsterkeren kan bli "blind" på grunn av et plutselig økt

lysnivå eller sterke lyskilder som entrer synsfeltet til nattsynsbrillene eller anordningen, slik at det forsterkede bildet også blir ubrukbart. I dette tilfellet vil den direkte observa-sjonen gjennom det reflektive elementet 8 samtidig være mulig idet dette virker som en brillelinse og det menneskelige øyet tilpasser seg automatisk de endrede lysforholdene ved å endre pupillstørrelsen.

Linser kan være anordnet mellom det optiske elementet 6 og det reflektive optiske elementet 8 for å forbedre bildekvaliteten. I tillegg kan et trådkors eller et grafisk eller alfa-numerisk display være anordnet i bildeplanet 7.

En spesiell fordel med den foreliggende oppfinnelsen er erstatningen av det brytende med det reflektive optiske systemet mellom lavlysnivåforsterkeren 3 og øyet 9, og den resulterende muligheten for å bøye strålebanen. Følgelig blir både vekten og lengden til anordningen redusert.

Når uttrykket "monokulært" nattsynsanordning blir brukt ovenfor, må det forstås at det optiske systemet vist på fig. 1 selvsagt er effektiv som en monokulær anordning. På den annen side er oppfinnelsen på ingen måte begrenset til monokulær observasjon siden strålebanen nettopp beskrevet i virkeligheten vil være tilveiebragt for hvert av de to øy-nene, hvilket resulterer i binokular observasjon av de respektive objektene.

I varianten vist på fig. 2 av utførelsen ifølge krav 1, korresponderer igjen lavlysnivåforsterkeren 3 i design med en av generasjonene Gen II, Gen III eller Gen IV, og er utstyrt med en fiberoptisk konverter 14 istedenfor de konvensjonelle inverterne som omfatter linser eller speil. Denne inverteren er en optisk fiberbunt som roteres på en slik måte at dens inngangsoverflater blir dreid over omtrent 180° i forhold til dens utgangsoverflater. Funksjonen til den fiberoptiske inverteren 14 er således å invertere det elektronisk forsterkede, grønne bildet fra lavlysnivåforsterkeren 3 på utgangsvinduet 4' som nå befinner seg bak inverteren 14. Utgangsvinduet 4' kan være enten perpendikulært på eller i en vinkel i forhold til den optiske aksen til lavlysnivåforsterkeren 3.

Det grønne bildet fra lavlysnivåforsterkeren 3 invertert på denne måten blir så igjen projisert på et optisk element 6. Som i den forutgående utførelsen, reflekterer det optiske elementet 6 den innfallende strålen på det reflektive elementet 8, som allerede nevnt. For dette formålet er det optiske elementet 6 for eksempel i formen av et speil som, liksom i tilfellet med speiloverflaten av det reflektive elementet 8, kan være plant, sfærisk eller asfærisk.

I denne utførelsen treffer også strålen som ankommer fra det reflektive elementet 6 overflaten av det reflektive optiske elementet 8 som samtidig virker som en transparent synslinse. Også her virker det reflektive optiske elementet 8 samtidig med en transparent synslinse og er tilveiebragt på en av de to overflatene, for eksempel overflaten som vender mot øyet 9, og har et belegg som innehar et refleksjonsmaksimum i bølgelengde-området av lyset frembragt via lavlysnivåforsterkeren 3, dvs. fosforescent grønt. Strålen blir således reflektert og kollemert av det reflektive elementet 8 og projisert inn i øyet 9. Bildeskalaen for objektbildet som frembringes på denne måten har igjen på fordelaktig

måte en forstørrelsesfaktor på 1.

Fig. 3 er en variant av utførelsen ifølge fig. 2. Her også gjøres det igjen bruk av en fiberoptisk inverter 14, som fortrinnsvis har et utgangsvindu som kan være flatt eller det kan ha en krumning, for eksempel en sfærisk eller asfærisk krumning, og danne en vinkel a med den optiske aksen av lavlysnivåforsterkeren 3, hvilken akse er indikert med en strekprikket linje. I alle tilfellene kan den sammenmonterte lengden av anordningen således bli ytterligere drastisk redusert. Fig. 4 viser en variant som korresponderer med fig. 3. Det grønne bildet som frembringes via lavlysnivåforsterkeren 3 og inverteren 14 blir fokusert her via en linse 15 på en CCD-rekke 16 med høy sensitivitet. For dette formålet er den overflaten av det reflektive elementet 8 som vender mot øyet 9 lagt på en slik måte at en spesifikk fraksjon av lyset som frembringes vis lavlysnivåforsterkeren 3 kan passere gjennom mens den andre delen av lyset blir fokusert av det reflektive elementet 8 inn i øyet 9. På denne måten kan nattbildet også observeres på en monitor koordinert med CCD-rekken 16. For den sensitive CCD-rekken vil det være tilstrekkelig med en transmisjon av 10 til 20% for det bølgelengdeområdet det gjelder; og den korresponderende intensitetsreduksjonen av andelen som reflekteres inn i øyet er ikke svært viktig siden lyssensitiviteten til øyet er proporsjonal med logaritmen av påvirkningen. I tillegg er den maksimale sensitiviteten til øyet (selv for det lystilpassede øye) i det grønnfargede området.

Korresponderende med det numeriske eller grafiske displayet som er mulig å tilveiebringe over bildeplanet 7 på fig. 1, er det her også mulig, i samsvar med bruken av natt-synsanordningen, å tilveiebringe et display 18, som blir projisert via en linse eller et linsesystem 17 inn i øyet. Displayet 18 og linsesystemet 17 befinner seg langs den optiske aksen B hvorpå reseptoren, øyet 9, og også det reflektive elementet 8 er anordnet.

Claims (10)

1. Nattsynsanordning omfattende en linse (1) anordnet langs en optisk akse (A) og som fokuserer lavnivålys som går ut fra et objekt som skal observeres på et inngangsvindu (2) av en lavlysnivåforsterker (3), og som omfatter en optisk modul som projiserer objektbildet som er tilgjengelig på utgangsvinduet (4) av lavlysnivåforsterkeren (3) og som er representert i et forutbestemt bølgelengdeområde, på i det minste én reseptor, slik som et menneskeøye (9), hvor strålebanen mellom utgangsvinduet (4) og lavlysnivåforsterkeren (3) og reseptoren (9) er bestemt av i det minste ett reflektivt optisk element (6,8), hvor det i det minste første reflektive elementet (8) er anordnet langs en akse (B) som fører til reseptoren (9) og som i hovedsak er parallell med aksen (A) til linsen (1) og er i hovedsak reflektiv overfor det forutbestemte bølgelengdeområdet av lavlysnivåforsterkeren (3) men i hovedsaken transparent for andre bølgelengdeområder,karakterisert vedat bildet som leveres til reseptoren (9) via lavlysnivåforsterkeren (3) har en forstørrelsesfaktor på 1, og en fiberoptisk inverter (14) er tilveiebragt ved lavlysnivåforsterkerens (3) utgangsvindu, hvor utgangsvinduet er skråstilt i en vinkel (a) i forhold til den optiske aksen som passerer gjennom det.

2. Nattsynsanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat linsen (1) er designet for et bølgelengdeområde mellom 400 og 1000 nm, fortrinnsvis 450 og 950 nm.

3. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat det reflektive elementet (8) som leverer bildet til reseptoren (9) er sfærisk, asfærisk eller torodialt, og spesielt konkavt, mot reseptoren.

4. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat det reflektive elementet (8) som leverer bildet til reseptoren (9) er sfærisk, asfærisk eller torodialt, og spesielt konvekst, på den siden som vender bort fra reseptoren.

5. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat det andre reflektive elementet (6) er sfærisk, asfærisk eller torodialt, og spesielt konkavt.

6. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat utgangsvinduet fra den fiberoptiske inverteren (14) er skråstilt i en vinkel (a) i forhold til den optiske aksen av lavlysnivåforsterkeren (3).

7. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat utgangsvinduet fra den fiberoptiske inverteren (14) har en krumning, for eksempel en sfærisk eller asfærisk krumning.

8. Nattsynsanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat det i det minste første reflektive elementet (8) har en transmisjon på omtrent 10-20% for det forutbestemte bølgelengdeområdet av lavlysnivåforsterkeren (3).

9. Nattsynsanordning ifølge krav 8,karakterisert vedat i strålebanen til lavnivålysfraksjonen som er tilgjengelig via lavlysnivåforsterkeren (3) og som blir transmittert av det første reflektive elementet (8) er det tilveiebragt et arrange-ment for å behandle de optiske signalene som sendes ut via denne lavnivålysfraksjonen, slik som en CCD-rekke eller oppstilling, for å fremvise bildet av objektet som skal observeres på en monitor.

10. Nattsynsanordning ifølge et hvilket som helst av de forutgående kravene,karakterisert vedat en bildegenerator, slik som et grafisk eller al-fanumerisk display (18) og et linsesystem (17) som er koordinert med dette, og som har i det minste én linse, er anordnet langs den parallelle aksen (B), idet det første reflektive elementet (8) er anordnet spesielt mellom reseptoren og bildegenerator og linsesystemet (17).