监视窗的制作方法

专利名称：监视窗的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及监视用光学器件的设计。特别是涉及一种暗中监视用的单向透光的窗。
本发明的背景为了监视或侦察，观察者希望能看到目标而不被目标看到。观察者和目标不一定是人。观察者可以是摄像机或其他光检测器，目标可以是观察者有兴趣观察的任何人或任何事。
使用理想的器件，目标根本不可能看到观察者，而观察者仍能清楚地看到目标。目前本行业有两种型式的光学器件比较接近这个理想，即双向玻璃镜和中灰滤光片。
双向玻璃镜由透明的面板和反射材料构成，来自目标侧的投射光部分被传送、部分被反射，而来自观察者侧的投射光大多数被传送。由于它允许光线从观察者传送到目标，因此这种单向透明玻璃镜被这样安装使观察者位在比目标暗的区域内。在这条件下，反射返回目标的光压倒从观察者传出的光，许可进行单向观察。
双向玻璃镜在公共场所普遍被用来作为光学监视以致一般公众常会怀疑因而便会注意它所在公共场所是否也有这种镜存在。而在暗中监视的领域内，不让潜在目标觉察到至关紧要。这在许多情况下是双向玻璃镜不能做到的。
在本行业现有技术状态下，中灰滤光片是双向玻璃镜的代用品。中灰滤光片由金属如铝、镍或铬蒸发后沉积在玻璃衬底上构成。由于这些金属不同的组合，中灰滤光片可被制成反射性的或吸收性的。为了避免发生以前提到过的反射表面的缺点，用于监视的中灰滤光片常被制成吸收性的。
吸收性的中灰滤光片工作时吸收掉投射光的广谱部分。结果滤光片一般看起来像一个黯淡而不透明的表面。但通过中灰滤光片传送的光的吸收光谱在光的传送方向上并没有多大改变。目标对观察者来说只是暗淡一些而己。当观察者不被人觉察这一点十分重要时这时就可用中灰滤光片。在这情况下，光学质量较高的双向玻璃镜可被不引人注意的中灰滤光片替代。
其他用于暗中监视窗的方法也曾有人提出过。授予Allen等人的美国专利6,185,039曾公开一种“红外可选反射偏振元件”(ISRPE)。ISRPE包括两个线性偏振构件，它们可被相对于同一在平面内的轴线转动为的是控制被传送的光的数量。ISRPE还包括一个红外反射或吸收的构件用来反射或吸收投射到ISRPE的红外波长的光。但交叉的偏振片为了控制被传送的光的数量必须用机械方法转动，并且当设计成敞露形态时不再能保密。
授予Budd等人的美国专利6,064,523曾公开一种“偏振转变用的设备”，从而S偏振光可被转变为P偏振光，反之亦然。但Budd等人没有公开这种设备如何能被用来拦阻光，例如用在暗中监视方面。
本发明的简要综述本发明提供一种监视窗能解决上述问题。该窗对目标来说外表黯淡且不透明但允许有较高比例的光传送给观察者。监视窗由一个线性偏振片、四分之一波片和一个反射表面构成。如果需要，一个或多个线性偏振片和四分之一波片可堆积起来使用，这样可增加监视窗的外观不透明度，但会减少传送给观察者的光的数量。另外可以用保护覆盖物或涂层来提高监视窗的耐用性。
附图的简要说明从下面的详细说明和附图可以看到本发明的目的、优点和特点。在附图中

图1为按照本发明一个实施例的监视窗的取向和布置的横截面；图2为按照本发明另一个实施例的较厚的监视窗的取向和布置的横截面；
图3为一略图说明光在按照本发明的监视窗系统内的偏振；图4为本发明的一个容纳监视器件的实施例的前平面的视图；图5为图4中本发明的实施例沿5-5线切开的放大的剖视图；图6为图4中本发明的实施例的透视分解图；图7为本发明的一个视图说明它被用作暗中监视时可能用的安装方式。
本发明的详细说明下面本发明的某些优选实施例将作为例子详细说明。但应知道，不应把本发明限制在所说明的具体形式；而是本发明应覆盖所有修改、替代和等同只要它们是在权利要求所限定的创意和范围之内。
本发明的一个实施例用横截面在图1中示出。在其左侧为目标，在其右侧为观察者，观察者位在比目标黑的区域25内。监视窗被这样安装，偏振片150面向目标，四分之一波片面向观察者，而反射表面250设在观察者侧。光学透明的胶粘材料如Nitto Americas cs-9601可被用来连结线性偏振片150和四分之一波片200。在观察者侧的墙壁250有一光滑的表面，它能吸收大多数投射光而将其余反射。这样，墙壁250可以是抛光的或黑色的(或者最好既抛光又是黑色)。在一不同的实施例中，反射表面或墙壁250可以是摄像机的透镜。
本发明由多个具有特殊光学性能的元件构成。作为基础，波片(也被称为延迟板、波长延迟板或波长板)通常由双折射材料制成。双折射材料具有两个特殊的光学性能首先，它们将投射光折射成两个不同的方向，有时被称为慢轴线和快轴线(而两个不同光线有时被称为正常和反常光线)；第二，它们将折射光限制在一个方向上进行偏振，这个偏振与在另一个方向的折射光正交，即，沿慢轴线行进的光线在x方向上被偏振，而沿快轴线行进的光线可在y方向上偏振。沿这两个轴线行进的光线在离开双折射材料时重新结合。正确选择双折射材料的厚度可使投射光的偏振可被转移成直线的、圆形的或椭圆的偏振。四分之一波片的厚度选择使它能在光线的两个正交的偏振向量之间造成一个等于投射光波长四分之一的相位滞后(90度的相位滞后)。线性偏振光投射到四分之一波片上离开时会成为圆形的偏振光。
在图2所示的另一个实施例中，监视窗包括两组线性偏振片150和四分之一波片200。当多于一组的线性偏振片150和四分之一波片200被使用时，四分之一波片的慢轴线应被对准得互相平行。在本发明上增加一组线性偏振片150和四分之一波片的效果是可以增加监视窗对目标的外观不透明度，但传送到观察者的光量被减少。这种实施例在要补偿所使用的线性偏振片或四分之一波片的制造缺陷时可能有用。
监视窗还可用其他方法使潜在目标较少注意它如将它装在其他黑色物品附近或将它制造得看上去好像较普通的黑色物品如时钟、电话、柜子、用具、桌子、应答机、计算机、电视机、监控器或打印机。还可部分被覆盖或伪装。
本发明的监视窗还可包括一个双向玻璃镜。在这实施例中，双向玻璃镜中的反射部被不透明的线性偏振片150和四分之一波片200组覆盖。结果是较隐秘的外观和传送光是减少的侧边效应。或者，线性偏振片150和四分之一波片组可被用在双向玻璃镜的观察者一侧。在这实施例中，双向玻璃镜的外观由于观察者一侧较为黑暗而得到改善，而传送的光是未被大量减少。在其他还有的实施例中，一个或多个线性偏振片150和四分之一波片200组还可与一个或多个中灰滤光片结合使用。
本发明的监视窗可被装在移动的环境内如船舶、火车、飞机或汽车。在这种环境内需要给该窗提供某些防护。风、雨、雪和其他气候可能会刮伤或压凹监视窗，降低其光学质量。为了防止发生这方面缺陷，线性偏振片150和四分之一波片200组可用透明材料如聚碳酸酯或玻璃覆盖或用光学上透明的涂敷材料如光学上透明的聚合物或漆涂敷。在某些装置中，如在飞机中，该透明材料最好还能防火。
本发明的监视窗代表一个相当重大的改进，特别是超过中灰滤光片，因为它允许将光从观察者传送到目标上。按照本发明的一个实施例，一个波长是潜在目标所不能看见的(如红外波长)照明用的光(今后被称为“照明光”)结合线性偏振片150和四分之一波片200组被用来将光从观察者照到目标上。如果检测器灵敏到能检测到这种波长，例如电荷耦合器件(CCD)、光电倍增管(PMT)、或雪崩光二极管(APD)，那么观察者就能在完全黑暗中检测到目标。只要照明光是在目标所不能看见的波长上操作，那么照明光在观察者侧的存在不会破坏如图1和2所示的观察者侧须比目标侧黑暗的条件。
图3提供一个略图用来阐明本发明的提供方向上特定的滤光器的功能。为了解释这个功能，先需复习一下在描述偏振光时所使用的某些基本数学定义。
首先，必须选择一个假定的座标系统100。该座标系统包含三个互相垂直的轴线。Z轴线垂直于监视窗的平表面；x和y轴线被选择为垂直于z轴线，因此平行于监视窗的表面。三个座标轴这样规定，但对x轴线和y轴线的相对取向仍有含混之处，这跟人们使用右手和左手的习惯有关。图3示出的一种一般被称为“右手的”座标系统100。所以被称为右手是因为如果拿右手拇指来规定z轴线，那么右手食指就规定x轴线，右手中指就规定y轴线，三个指头放在一起(虽然相互间只是大致成90度角)就象图3示出的座标系统。
大多数商业上供的光源如荧光灯和白炽灯所产生的都是非偏振光。这是因为在荧光灯管的涂层或白炽灯泡的灯丝内的分子在方向上没有对齐的原故，因此由这些分子辐射的光是在众多方向上偏振的(即没有偏振)。在图3中，非偏振光用一粗的箭头50指出。
为了便于说明，在图3中监视窗用两个分开的构件(150和200)示出，实际上这两件是用光学上透明的胶粘材料(如Nitto AmericasCS-9601)连结在一起的。
当非偏振光50进入窗内时，它被监视窗中构成目标侧一层的线性偏振片150作用而沿着x轴线被直线偏振，在x方向上偏振的光60然后进入四分之一波片200，在那里继续在y方向上被偏振，一直到从四分之一波片200上离开，成为右手的圆形偏振光70。
从图3中也被标为“墙壁”的光滑后表面250反射回来，偏振光突然从右手倒转成左手圆形偏振光。任何一个与监视窗平行的光滑后表面都可用作墙壁。反射回来的左手圆形偏振光于是来到四分之一波片200，在那里光成为在y方向上偏振的光90，一直到离开四分之一波片200而来到线性偏振片150，在那里只允许在x方向偏振的光，在y方向上偏振的光于是被吸收到线性偏振片150内而有效地消失。
实际上，具有上述功能的系统将来自观察者一侧的光的约40％传送给目标侧。与此相似，它将来自目标一侧的光的约40％传送给观察者一侧。但从目标反射回来到观察者的光只有其原来强度的约16％，并且如上所述，光将不再从观察者反射回来给目标。这些数字适用于使用一个线性偏振片和四分之一波片组时。增加一组或多组线性偏振片和四分之一波片时可增加从目标侧看过来的监视窗的外观不透明度，但传送给观察者的光量会相应减少(到约4％)。具有两个这种组的实施例在图4中示出。
现在转到图4、5和6，其中示出本发明的一个隐藏监视器件如照相机或摄像机的实施例。如图4所示，本发明的监视窗可包括文字并可被制成标志的一部分装在需要暗中监视的区域例如飞机内驾驶室的入口，而文字却可写成“出口”那样普通常见的标志。
监视窗的外观可基本上象一平板，按照本发明的一个实施例，在监视窗后面的一块或多块板上可开有小洞以便容纳监视器件如摄像机。在监视器件要被装在监视窗之后的情况下，文字标志应不妨碍监视器件的视域。由于某些监视器件能够观察可见图像，因此监视窗最好能传送多种波长不同的光。例如，如果所用监视器件能检测红外光和可见光，那么监视窗不应拦阻红外光。
现在主要参阅图5和6，对于某些用途和环境，监视窗组合件500可基本上装在由能够延迟点燃的材料或板制成的箱内，因为典型的聚合物基的偏振片和波片都是易燃的。在某些环境下如在飞机内，聚合物基的四分之一波片优选于石英或方解石为基的双折射材料，因为它们较轻、较便宜和较耐用。例如装在飞机内的监视窗就需要能延迟点燃的外围。监视窗的前面包括一个聚碳酸酯的前板300基本上能延迟点燃。如果将监视窗制成标记的一部分，文字305就可设在聚碳酸酯板300上。如果文字305可被设在聚碳酸酯板300的前面或后面，那么还是设在后面较好，这样可保护文字305以免文字305损坏。文字305可用各种传统技术敷设，但最好做得非常薄以免改变或扭曲板300在构成监视窗的成叠板中的关系。在有一实施例中，文字305是用丝网印刷的，可以做到极薄。
设在聚碳酸酯前板300之后为一前圆形偏振片310。如前所述，这种偏振片可由一个四分之一波片和一个线性偏振片构成。前圆形偏振片310的线性偏振片侧可用极薄的光学上透明的胶粘剂粘结到聚碳酸酯前板300上。还设有一个后圆形偏振片320，它被这样设置使其线性偏振器侧与前圆形偏振片310的四分之一波片侧(延迟侧)邻近，而前圆形偏振片310和后圆形偏振片320的四分之一波片侧(延迟侧)的慢轴线是平行的。后圆形偏振片320可用极薄的光学上透明的胶粘剂粘结在前圆形偏振片310上。另外在后圆形偏振片320的后面可以设置一个最好能延迟点燃的聚碳酸酯后板330并用极薄的光学上透明的胶粘剂将它粘结到后圆形偏振片320上。为了提供较大的结构支撑并提供对准的条件以便接纳监视器件如摄像机，在聚碳酸酯后板330的后面可设置一块铝板340，该铝板最好较薄并由黑色阳极化铝制成。此外，该板可制出一个圆形小洞345，以便接纳监视器件如摄像机或至少这种监视器件的透镜组合件的前部并提供对准条件。铝板340可用高效能丙烯酸胶粘剂粘结到聚碳酸酯后板330上。为了将监视窗组合件装到墙上或其他表面上可用双面胶粘带350，将一面粘结在铝板340上，另一面粘结在所要安装的表面(未示出)上。最后，环绕组合件的所有边缘用硅酮环氧树脂400密封，最好这个树脂能延迟点燃。
现在应该明白，图4、5和6中示出的监视窗组合件500中的圆形偏振片310和300是典型易燃的，现在都被能延迟点燃的材料包围起来变成不易点燃的了。
现在转到图7，其中示出本发明的监视窗的安装情况，图中500为监视窗组合件，710为监视器件，700为用来安装的墙壁。
应该知道这里所说明的优选实施例可在不离开本发明的创意和范围并且不减少有关人员利益的情况下进行各种变化和修改。
权利要求
1.一种暗中监视用的窗，所说窗包括一个圆形的偏振装置，具有一个在目标侧的线性偏振片，一个在观察者侧的四分之一波片，一种光学上透明的材料用来连结线性偏振片和四分之一波片，以及一个在圆形偏振装置的观察者侧的反射表面。
2.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个设在圆形偏振装置和反射表面之间的增添的圆形偏振装置。
3.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在窗的目标侧使用的保护的透明覆盖物。
4.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在窗的目标侧上的保护的透明涂层。
5.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在偏振装置的目标侧的双向玻璃镜。
6.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在偏振装置的观察者侧的双向玻璃镜。
7.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在偏振装置的目标侧的中灰滤光片。
8.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括一个在偏振装置的观察者侧的中灰滤光片。
9.根据权利要求1的窗，其特征在于，还包括该窗目标侧的伪装的图形。
10.一种暗中监视的方法，该方法包括下列步骤使投射光沿一条轴线偏振，以便产生线性偏振光，将线性偏振光转变成圆形偏振光，及反射圆形偏振光。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括下面的步骤用透明的涂层保护外部。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括下面的步骤用透明的覆盖物保护外部。
13.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括下面的步骤用均匀吸收滤光器过滤光。
14.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括下面的步骤用伪装的图形伪装外部。
15.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括下列步骤用目标不能检测的波长的光照射目标，用适宜用于检测所述波长的光的检测器检测目标。
全文摘要
一种监视窗包括至少一组线性偏振片和四分之一波片，还有一个反射表面。该监视窗对目标来说是黯淡不透明的，但能允许百分比相当高的光传送给观察者。还提到各种改进包括照明光、检测器、伪装、防火和提高不透明度。
文档编号G02B27/28GK1610855SQ02826478
公开日2005年4月27日 申请日期2002年11月26日 优先权日2001年11月26日
发明者泽维尔·本戈切亚, 弗朗切斯科·菲尼齐奥, 理查德·格里奇 申请人:泰利斯电子设备公司