用于光学设备的联动调焦机构的制作方法

专利名称：用于光学设备的联动调焦机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与光学设备一起使用的联动调焦(ganged focus)机构，尤其适用于夜视场合。
背景技术：
10 夜视系统广泛地用于军事、工业和家居场合以使得能在黑暗环境中可视。例如，夜视系统在夜间飞行期间供军事飞行员或者侦察 地面的士兵使用。安全照相机使用夜视系统来监视黑暗区域以及医 疗器械使用夜视系统来避免比如色素性视网膜炎(夜盲症)之类的 情况。15 常规的图像增强夜视装备使用图像增强器(I2)来放大图像。图像增强器收集黑暗环境中的微量光线，包括红外线光谱的较低部 分，其出现在这种环境中但是人眼察觉不到。图像增强器将光线放 大以使得人眼能察觉图像。图像增强器的光线输出能供应至照相 机、外部监视器或者直接供应至观察者的眼镜。图像增强器设备通20 常应用于夜视眼镜，即单目的或双目的，戴在用户的头上用于将光 线输出直接传输至观察者。图像增强夜视装备利用可用的光线，比如星光和月光。尽管图 像增强装备可在非常低的光线下工作，但是在完全黑暗的环境中不 能工作，比如洞穴或岩洞。此外，图像增强装备的作用会由于战场 25 障碍物而降低，比如烟、雾、雨、灰尘和树叶。标准的夜视设备可通过增加热成像，即红外(IR)信息而增强。虽然采用图像增强器的常规夜视设备仅能看到可见的照射波长，但 是增强的系统通过将红外(即热)信息提供给图像从而提供了另外 的位置感知。很重要的一种典型场景是用图像增强器设备不能看到 伪装人员的时候。但是，在红外信息增加给同一图像时，就能看到 5 伪装人员的热特征。增强的夜视设备通常包括两个用于将景物图像传输到用户的 通道。第一通道包括热照相机(即红外检测器)和互补性物镜以便 以第一光谱带传输景物图像。第二通道包括图像增强器照相机和另 一互补性物镜以便以第二光谱带传输相同的景物图像。设备内的处 10 理模块将图像融合起来并将图像叠加。这种设备在美国专利No.6,560,029中公开，该专利的全部内容通过参考结合于此。所述增强夜视设备的每个通道的焦距由用户分别调节。更具体 地，每个物镜相对于每个检测器或照相机的位置由用户调节。设备 通常不允许一个物镜跟踪另一个物镜以同时聚焦通道，或者确定和15补偿视差。因而，有利地是提供一种同时将融合系统的两个通道同时聚焦 并且跟踪一个通道相对于另一个通道的位置以补偿视差的装置。发明内容20 根据这个发明的一个方面，提供一种用于观察图像的光学设备。这种光学设备包括多个定位为彼此相邻的光学通道，每个光学 通道具有图像检测器和间隔开相应距离的互补物镜。调焦机构结合 至光学设备并且构造为同时地调节每个光学通道的图像检测器和 物镜之间的相应距离。25 根据这个发明的另一个方面，提供了一种调焦机构，其构造来与具有多个定位为彼此邻近的光学通道的光学设备一起使用。每个通道包括图像检测器和间隔开相应距离的互补物镜，其中调焦机构 适合于同时地调节每个相应图像检测器和物镜之间的相应距离。


5 在连同附图阅读时，从下面详细描述中可最好地理解本发明。附图中包括以下视图图1A是从根据本发明使用的一个示例性实施例的夜视光学设 备的左上方看的透视图；图IB是从图1A所示夜视光学设备的右上方看的透视图；10 图1C是图1A所示夜视光学设备为了清楚起见的分解视图；图2A是在近焦距配置下从图1A所示夜视光学设备的左上方 看的透视图(为了清楚起见省略了设备的很多部件)；图2B是在远焦距配置下从图1A所示夜视光学设备的左上方 看的透视图(为了清楚起见省略了设备的很多部件)；15 图3A是从图1A所示示例性轴环的后上方看的透视图；图3B是图3A所示轴环的俯视图；图4A是从图1A所示示例性凸轮驱动器的右上方看的透视图；图4B是从图4A所示凸轮驱动器的左侧看的视图；图4C是图4A所示凸轮驱动器的俯视图；20 图4D是图4A所示凸轮驱动器的仰视图；禾口图5是根据本发明使用的另一示例性实施例的调焦机构的俯视 图(为了清楚起见省略了机构的很多部件)。
具体实施方式
下面将参照附图解释本发明。附图是示例性的而非限制性的， 并且包括在这里是为了便于解释本发明。附图不是按比例的，且并 非用作工程图纸。总体上参照附图，多通道光学设备由数字"10"标识。简言之， 5 多通道光学设备10例如可与安装在人体上的夜视单目装备(比如美国专利No. 6,560,029所示的) 一起使用。多通道光学设备10用 来观察和将图像传输至定位在用户眼睛前面的棱形视频显示器 (prismatic video display,未示出)。后面的描述将集中于光学设备 10的细节。io 在图1A—1C所示的示例性实施例中，光学设备10包括两个用于传输景物图像的通道。第一通道(即顶部通道)包括红外检测 器22 (或IR照相机)和适合于以第一光谱带传输景物图像的互补 性物镜12。第二通道(即底部通道)包括图像增强器组件24 (或 图像增强器照相机)和适合于以第二光谱带传输同一景物图像的分15 开的互补性物镜26。第一通道的部件可选地定位在第二通道的部 件的上方。为了清楚的缘故，进一步的描述将参照光学设备10的 第一通道(即顶部通道)，因为这两个通道的机械结构相似。根据一个示例性实施例，第一通道包括两个分开的组件(即第 一组件和第二组件)，它们一起配合来控制IR检测器22和物镜12 20之间的纵向距离。IR检测器22和物镜12之间的距离表征第一通 道的焦距。纵向和横向在图1B中分别用指向"L"和"T"的箭头 来表示。第一组件包括螺纹配合和固定到面板14上的物镜12。 一组支 架44和45紧靠面板14的后面并由一组穿过面板安装的紧固件48 25保持在基本上固定的位置。更具体地，紧固件与布置在每个支架 44和45中的纵向螺纹孔(参见图1C)螺纹配合。支架44和45的相对端部定位在布置于相对凸轮驱动器40和 50中的凹槽中。图1C中最佳地示出的左旋和右旋螺杆42与布置 在两个凸轮驱动器和两个支架44和45中的螺纹孔螺纹配合以使得 螺杆42的顺时针或逆时针旋转沿着横轴在相反方向上平移凸轮驱 5 动器40和50。右旋螺纹和左旋螺纹都布置在螺杆的外表面上。本 领域技术人员应当理解左旋和右旋螺杆的功能性。尽管未示出，但是手轮、旋钮、手柄或其它装置可结合至螺杆 42以实现螺杆的旋转以及所引起的凸轮驱动器的平移。手轮可结 合至螺杆42的端部。还可想象，马达或其它机械化装置可结合至 io螺杆42用于设备10的自动化操作。凸轮驱动器40和50包括凸轮表面46，其支承在浮动轴环18 的另一凸轮表面48上。在凸轮驱动器沿着横向平移时，它们沿纵 向推压浮动轴环18的凸轮表面48。更具体地，凸轮驱动器和轴环 具有倾斜表面以将凸轮驱动器的横向运动转换为轴环的纵向运动。 15 如同下面将更详细解释的，凸轮驱动器40和50同时支承在第一通 道的轴环18和第二通道的轴环18、上。因而，凸轮驱动器的平移包 括第一和第二通道的轴环的同时平移。凸轮驱动器和轴环之间的相 互作用将在后面参照其余附图更详细地描述。轴环18在上述第一组件和第二组件之间浮动。第二组件包括 20 中空套筒16，中空套筒16定位成围绕物镜12的圆柱体并且适合 在物镜的主体上浮动。该套筒包括圆柱体和滚花台肩52，由此轴 环18定位成围绕套筒16的圆柱体并且紧靠套筒的滚花台肩。因此， 由于轴环和台肩之间接触的优点，轴环的纵向平移引起套筒的纵向 平移。25 套筒16的内表面与平移支架20的螺纹凸缘21螺纹配合并且固定到其上。红外检测器22用螺纹紧固件或现有技术已知的任何紧固件安装至平移支架。该平移支架包括圆柱形孔隙，物镜12的主体穿过所述圆柱形孔隙。更具体地，支架沿着物镜12的外表面平移(即，行进)。应当理解到，由于套筒固定至支架20，并且检测器22安装至 5该支架，因此检测器连同套筒一起沿纵向平移。虽然没有示出，但 是面板14的后侧和套筒16之间存在着缝隙以适应套筒的纵向平 移。弹簧30在(第一组件的)物镜和(第二组件的)平移支架之 间压缩以将组件推压分离。此外，由于套筒16螺纹配合至支架20， io 所以弹簧将套筒16和物镜12推压分离。保护环28定位在弹簧和 物镜之间以保护物镜不受到来自弹簧的损害(例如擦伤或磨损)。 在使用中，当IR检测器相对物镜平移时，弹簧压縮发生变化。弹 簧的功能将参照图2 A和2 B稍后更详细地描述。仍然参照图1A至图1C，虽然套筒16在物镜12的主体上浮动， 15 但是套筒的行迸范围受到限制。如图1C中最好地示出的，若干个 销54固定地插入并穿过径向地定位在套筒上的孔57。所述销定位 为啮合径向地定位在物镜外表面上的槽56。销和槽之间的啮合限 制了套筒在物镜12上的浮动。更具体地，槽的边界限定了销(以 及套筒)的运动范围。套筒16在物镜12上的总行进范围(其为第 20 —通道的总行进)，可以为大约l/2毫米。然而，设备10的通道不 受限于任何具体运动范围。总之，第一通道包括在由弹簧30推压分离的两个组件之间浮 动的轴环18。在第一组件中，物镜12和支架44、 45固定至面板 14并且凸轮驱动器40、 50借助于螺杆42与所述支架啮合。在第 25二组件中，套筒16和IR检测器22固定至支架20的相反侧。凸轮 驱动器40、 50支承在浮动的轴环18 (轴环18支承在套筒16上)上。凸轮驱动器的横向平移(借助于螺杆42的旋转)引起轴环18、 套筒16以及IR检测器22的纵向平移，从而改变IR检测器22和 物镜12之间的纵向距离。检测器22和物镜12分开的距离还由套筒16螺纹配合到支架 5 20上的距离来控制。还提供滚花表面52以便于套筒旋转到支架上。 在装配中，套筒螺纹配合到支架上预定的距离。设备10随后被封 装以防止用户手动地旋转滚花表面。然而，给用户提供结合至螺杆 42的手柄(未示出)，其未被封装在设备中，以使得用户可设置两 个通道的焦距。应当理解到，套筒的滚花表面的旋转控制单个通道 io 的焦距设置，而螺杆42的旋转同时控制两个通道(即第一和第二 通道)的焦距设置。光学设备的联动调焦机构包括螺杆42、弹簧、凸轮驱动器、轴 环、套筒和支架。这些部件之间的相互作用和内部关系同吋控制两 个通道的焦距设置。术语"联动调焦机构"意味着机构同时控制多 15个通道的焦距。联动调焦机构还便于每个通道的各自调焦以调整物 镜到它们各自的对焦平面位置以匹配规定的焦距。现在参照图2A和2B，为了清楚起见，省略了前面示例性实施 例的很多部件。附图示出了凸轮驱动器40和50以及轴环18和18' 之间的配合。设备在图2A中示出为处于近焦距配置并且在图2B 20中示出为处于远焦距(即无限焦距)构造。更具体地，从图2A中示出的光学设备l(T的近焦距配置开始， 凸轮驱动器的凸轮表面的整个表面保持为与轴环18和18'的凸轮表 面相摩擦接触。[凸轮驱动器的凸轮表面46、 46、在图4A-4D中最好 地示出并且轴环18的凸轮表面48在图3A和3B中最好地示出。] 25 在螺杆42以逆时针方向旋转时，凸轮驱动器在平移方向上向外平 移。凸轮驱动器由于它们固定至支架44和45而基本上限制了不会在纵向上平移。在凸轮驱动器平移时，凸轮驱动器的凸轮表面46、 46'沿着轴环的凸轮表面48滑动，从而沿向前的纵向平移轴环，如 图2B的远焦距配置所示。向前和相反的纵向分别由指向"F"和 "R"的箭头指示。凸轮驱动器的凸轮表面46、 46'然后部分地接 5 触轴环的凸轮表面48，如图2B所示。如前面所描述的，套筒16 和IR检测器22连同轴环一起向前平移。弹簧30在IR检测器向前 平移时压縮，从而减少IR检测器22和物镜12之间的纵向距离。相反地，从图2B中所示的光学设备IO"的远焦距配置开始， 在螺杆42以顺时针方向旋转时，凸轮驱动器在横向上向内平移。io 在凸轮驱动器平移时，凸轮驱动器的凸轮表面46、 46、沿着轴环的 凸轮表面48滑动。弹簧30可以伸展，从而在相反的纵向上平移支 架、IR检测器和套筒。套筒的滚花台肩52支承在轴环上并且推压 轴环以在相反的纵向上平移直到凸轮驱动器的凸轮表面46、 46'的 整个表面与轴环凸轮表面48摩擦接触，如图2A的近焦距配置中所15 示。应当理解到，在IR检测器22以相反的纵向平移时，IR检测 器22和物镜12之间的距离增大。现在参照图3A和3B，其中示出了构造为与第一通道一起使用 的轴环18的示例性实施例。构造为与第二通道一起使用的轴环18、 基本上类似于轴环18。轴环18为大致圆柱形并且包括两个延伸的 20凸轮表面48。凸轮表面的角"A"可为任意角度尺寸。如前面提及 的，轴环是中空的以容纳贯穿其中的套筒16的圆柱体。现在参照图4A — 4D，其中示出了凸轮驱动器50的示例性实施 例。虽然只示出了一个凸轮驱动器，但是凸轮驱动器40和50是对 称的并且基本上类似。提供于凸轮驱动器一侧上的螺纹孔58 (右 25旋螺纹)与螺杆42螺纹配合。可选地，相对的凸轮驱动器40包括 左旋螺纹孔，其与螺杆42的相对端部螺纹配合。因此，凸轮驱动器响应于螺杆的旋转以相反的横向方向平移。凸轮驱动器包括两个构造为分别与轴环18和18、相接触的半圆形凸轮表面46和46、。凸 轮表面46的角"B"和凸轮表面46、的角"C"可为任意角度尺寸。 应当理解到，凸轮表面46和46、都与凸轮驱动器成整体，并且它们 5 同时地平移轴环18和18、，从而同时地改变两个通道的焦距。虽然 凸轮驱动器包括两个凸轮表面46和46、，但是每个凸轮驱动器可可 选地包括定位为与轴环的凸轮表面摩擦接触的单个凸轮表面。在使用中并且参照图3A、 3B和4A — 4D中，凸轮驱动器的凸 轮表面46、 46'沿着轴环18的凸轮表面48滑动。每个凸轮驱动器 io 包括至少一个倾斜的凸轮表面46以支承轴环18的至少一个凸轮表 面48从而控制第一通道的焦距。此外，每个凸轮驱动器包括至少 一个倾斜的凸轮表面46、以支承轴环18、的至少一个凸轮表面从而 控制第二通道的焦距。轴环18和18'和凸轮驱动器的凸轮表面是成角度的以将凸轮驱 15 动器的橫向平移转换成轴环的纵向平移。凸轮表面46、 46'以及48 可选地能是平面的，如图所示，以使得凸轮驱动器和轴环之间的平 移关系是线性的。角"A"和"B"期望地是相等的以使得轴环和 凸轮驱动器的凸轮表面保持充分的摩擦接触。而且，虽然轴环18、 的凸轮表面未示出，但是这个凸轮表面的角期望地等于凸轮表面 20 4 6'的角"C"。以非限制性例子的方式，角"A"可为大约22度， 角"B"可为大约22度并且角"C"可为大约45度。应该理解到， 凸轮表面46、 46、和48可选地能是非平面的(即弯曲的)，以使得 凸轮驱动器和轴环之间的平移关系是非线性的，如果希望如此的 话。25 在实践中并且根据这个示例性实施例，虽然凸轮驱动器的凸轮表面46、46、以相同的速度横向平移，但是由于凸轮驱动器的角"B"13200 禾口 "C"不等，轴环18和18'不以相等的速度纵向平移。因此，由 于轴环18和18、以不相等的速度平移，第一和第二通道的焦距比率 不相等，即各自物镜和检测器分开的距离中的变化是不相等的。然 而，如果希望的话角"B"和"C"可以相等以实现两个通道相等 5 的焦距。此外，凸轮驱动器的角"B"和"C"禾口/或轴环的凸轮表 面的角可为任意尺寸。总之，虽然第一和第二通道的焦距借助于联动调焦机构同时调 节，但是每个通道的焦距的比率由于上述不相等的凸轮表面角可以 不相等。io 光学设备的调焦部件，比如凸轮驱动器、轴环、左旋和右旋螺杆、套筒和支架可以由任何材料(比如铝或钢)构成以及由任何制 造工艺(比如铸造、模塑或机加工)形成。另一个示例性实施例的调焦机构IIO在图5中示出并且为了清 楚起见省略了很多部件。这个实施例类似于前面的实施例，然而，15 调焦机构110包括凸轮和槽界面以代替弹簧30 (参照图1C)。更具 体地，销160从每个凸轮驱动器140和150延伸。每个销啮合定位 在轴环118上的槽165，也就是，每个销沿着槽的边界平移。实际 上，在螺杆142旋转时，凸轮驱动器和销160以横向平移并且销啮 合槽165以纵向平移(即驱动)轴环118。类似于最后的实施例，20 套筒、支架和检测器还连同轴环118 —起沿纵向平移，从而改变检 测器和物镜之间的纵向距离，并且，因此，改变通道的焦距设置。再参照图1A和1B，物镜12和26分开一个竖直距离。本领域 技术人员将理解到，竖直分离引起视差不等，其是大多数多通道光 学系统固有的问题。穿过通道投影的图像彼此重叠(即覆盖)导致 25视差不等显示为两个图像的不匹配。图像的不匹配与物镜之间相对 于光学设备和被观测物体之间距离的分离程度成比例。联动调焦机构为物镜之间的位置不等提供了参照，这能用作机 械、模拟或数字成像系统中视差修正的输入。已经发现，结合至设 备10的定位反馈设备在全部焦距范围内提供了视差调节。虽然未示出，但是定位反馈设备，例如应变仪、霍耳效应设备， 5 或编码器可以与该设备相结合以测量物镜和其伴随的检测器之间 的距离。这种测量能用来得到多通道的焦距(目卩距成像物体的距离) 以及给工作表、算法或将一个或多个检测器本身或其输出图像移动 到棱镜显示设备(未示出)的机构提供输出。这样，通过两个通道 在无限远处观看的物体将在显示器上显示为包括两个重叠图像的 10 单个图像。在物体移动得更靠近并且两个通道的分离将通常清楚地 显示为棱形显示器上的覆盖不匹配时，来自这个实施例的反馈设备 的输入将为成像系统提供开路指令以补偿视差不等。在一个实施例中，数字成像系统与定位反馈设备协作以便在棱 形显示器上将一个图像相对于另一个图像竖直地移动适当数目的 15 象素以补偿视差不等。机械、模拟或数字成像系统也可用来水平地 平移显示在棱形显示器上的图像以补偿横向位移误差。虽然这里参照具体实施例示出和描述了本发明，但是本发明并 不限于所示细节。而是，在权利要求的范围和等同范围内并且在不 脱离本发明之下，能对细节作出各种修改。特别地，虽然设备打算 20与单筒夜视系统一起使用，但是其还可与双筒夜视系统或任何其他光学系统一起使用。此外，虽然实际上检测器22和22、沿着固定的 物镜平移，但是在这里未示出的另一个实施例中，物镜可沿着保持 在固定位置的检测器平移。由于可使用任何波长的检测器或图像增 强器，光学设备也不局限于检测器22和图像增强组件24。而且， 25 选择来在附图中示出的实施例不是按比例示出并且不限于所示比 例。
权利要求
1.一种用于观察图像的光学设备包括多个定位为彼此相邻的光学通道，每个光学通道具有图像检测器和间隔开相应距离的互补物镜；以及结合至光学设备的调焦机构，其构造为同时地调节每个光学通道的图像检测器和物镜之间的相应距离。
2. 根据权利要求1的光学设备，其中调焦机构包括具有至少 一个凸轮表面的凸轮驱动器，并且每个相应的图像检测器能沿着10 所述至少一个凸轮表面平移以同时地调节每个相应图像检测器和 物镜之间的距离。
3. 根据权利要求2的光学设备，还包括具有凸轮表面的轴环， 其中所述凸轮驱动器的所述凸轮表面啮合所述轴环的所述凸轮表 面以同时地调节每个相应图像检测器和物镜之间的距离。15
4.根据权利要求3的光学设备，其中所述轴环和所述凸轮驱动器定位于所述物镜和所述图像检测器之间。
5.根据权利要求3的光学设备，还包括弹簧，所述弹簧定位 成将所述凸轮驱动器的所述凸轮表面推压抵靠到所述轴环的所述 凸轮表面上。20
6.根据权利要求3的光学设备，还包括从所述凸轮驱动器延伸的销，所述销延伸穿过位于所述轴环中的槽，其中所述销和所 述槽协作以使所述凸轮驱动器和所述轴环相对彼此在正交方向上 平移。
7.根据权利要求3的光学设备，其中所述凸轮驱动器和所述轴环相对彼此以基本上正交的方向平移。
8. 根据权利要求1的光学设备，其中调焦机构包括具有至少 一个凸轮表面的凸轮驱动器并且每个相应的物镜能沿着所述至少 一个凸轮表面平移以同时地调节每个相应图像检测器和物镜之间的距离。
9. 根据权利要求1的光学设备，其中每个相应图像检测器和互补物镜相对彼此轴向地对齐。
10. 根据权利要求1的光学设备，其中所述图像检测器的其 中一个是图像增强器(I2)。
11.根据权利要求1的光学设备，其中所述图像检测器的其中一个是红外设备(IR)。
12.根据权利要求1的光学设备，还包括定位反馈设备，所 述定位反馈设备结合至调焦机构以调节光学通道之间的视差不 等。
13. —种调焦机构，其构造成与具有多个定位为彼此邻近的光学通道的光学设备一起使用，每个通道包括图像检测器和间隔 开相应距离的互补物镜，其中调焦机构适合于同时地调节每个相 应图像检测器和物镜之间的相应距离。
14. 根据权利要求13的调焦机构，其中调焦机构包括具有至 20 少一个凸轮表面的凸轮驱动器并且每个相应的图像检测器能沿着所述至少一个凸轮表面平移以同时地调节每个相应图像检测器和 物镜之间的距离。
15. 根据权利要求14的调焦机构，还包括具有凸轮表面的轴 环，其中所述凸轮驱动器的所述凸轮表面啮合所述轴环的所述凸轮表面以调节每个相应图像检测器和物镜之间的距离。
16. 根据权利要求15的调焦机构，还包括从所述凸轮驱动器 延伸的销，所述销延伸穿过位于所述轴环中的槽，其中所述销和 所述槽协作以使所述凸轮驱动器和所述轴环相对彼此在正交方向5 上平移。
17. 根据权利要求15的调焦机构，还包括弹簧，所述弹簧定 位成将所述凸轮驱动器的所述凸轮表面推压抵靠到所述轴环的所 述凸轮表面上。
18. 根据权利要求13的调焦机构，其中调焦机构包括具有至 io 少一个凸轮表面的凸轮驱动器并且每个相应的物镜能沿着所述至少一个凸轮表面平移以同时地调节每个相应图像检测器和物镜之 间的距离。
19. 根据权利要求13的调焦机构，其中每个相应图像检测器 和互补物镜相对彼此轴向地对齐。
20.根据权利要求13的调焦机构，还包括定位反馈设备，所述定位反馈设备结合至调焦机构以调节光学通道之间的视差不 等。
全文摘要
提供了一种用于观察图像的光学系统(10)。这种光学系统包括多个定位为彼此邻近的光学通道，每个光学通道具有间隔开相应距离的图像检测器(22，24)和物镜(12，26)。调焦机构(42)结合至光学设备并且构造为同时地调整每个光学通道的图像检测器和物镜之间的相应距离。
文档编号G02B7/06GK101243349SQ200680030189
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月18日 优先权日2005年8月19日
发明者B·R·多比, C·D·威利 申请人:Itt制造企业公司