改進的雙目鏡觀察裝置制造方法
【專利摘要】一種用于觀察遠處物體的光學(xué)裝置。該裝置包括物鏡系統(tǒng)和至少一個目鏡，并且實現(xiàn)大于0.6mm-1倍入射光瞳直徑(以毫米表示)的放大率，而出射光瞳為至少2毫米。來自物鏡系統(tǒng)的圖像被傳感器探測到、被處理并被錄下。圖像被顯示在顯示器上，該顯示器被使用者通過一個或多個目鏡觀察到。光學(xué)裝置在低光線水平下工作良好。裝置還具有用于調(diào)節(jié)目鏡之間光瞳間距的滑動機構(gòu)。
【專利說明】改進的雙目鏡觀察裝置
[0001] 本專利發(fā)明申請是國際申請?zhí)枮镻CT/US2009/065678,國際申請日為2009年11月 24日，進入中國國家階段的申請?zhí)枮?00980147996. 6,名稱為"改進的雙目鏡觀察裝置"的 發(fā)明專利申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及用于觀察遠處物體的光學(xué)裝置，并尤其涉及高分辨率的緊湊型雙目 鏡。

【背景技術(shù)】
[0003] 用于觀察物體的放大圖像的光學(xué)裝置有許多形式，諸如雙目鏡、望遠鏡和顯微鏡。 雙目顯微鏡設(shè)計追溯到17世紀，但僅從由IgnatioPorro在1854年發(fā)明的現(xiàn)代棱鏡雙目 望遠鏡，雙目鏡裝置才能開始組合高放大倍率、高分辨率和緊湊尺寸的各種所期望的特征。 盡管許多設(shè)計開發(fā)已優(yōu)化了這些特征的各方面，但所有都涉及功能上的協(xié)調(diào)，由此緊湊的 尺寸僅能通過犧牲高分辨率、高放大倍率和在低光條件下觀察物體的能力來實現(xiàn)。
[0004] 這些設(shè)計限制是源于出射光瞳直徑通常由雙目鏡的光學(xué)觀察系統(tǒng)的放大倍率除 以物鏡透鏡單元的直徑所確定。為了保持雙目鏡尺寸緊湊，物鏡透鏡單元必須具有相對較 小的直徑，但這限制分辨率和實際放大倍率。分辨率和放大倍率的降低的水平是不期望的， 這是因為雙目鏡的目的是通過較高的放大倍率來看清楚遠處物體的細節(jié)。盡管可以設(shè)計具 有較小物鏡（例如，20毫米或更小）和較高的理論放大倍率（例如，高于IOX放大率）的 透鏡系統(tǒng)，但所得系統(tǒng)會具有小于2毫米的出射光瞳，這在本領(lǐng)域中已知為對于所有光學(xué) 儀器的一種設(shè)計限制。低于2毫米的出射光瞳尺寸將具有由于衍射、暗光和低對比度而降 低的性能。這種系統(tǒng)通常被認為是具有"空的"放大倍率，這是因為當分辨率超過人類眼睛 的分辨能力時（這種分辨率出于本發(fā)明的目的將被定義成120弧秒），觀察者無法從更高的 分辨率中獲益。因此，在出射光瞳的尺寸和提供給使用者的放大倍率的量之間作出了妥協(xié)。
[0005] 這種設(shè)計妥協(xié)從通?？色@得的雙目鏡裝置的調(diào)查中清楚可知：在固定的IOX放 大率下，且超過最小物鏡直徑為至少21毫米，且具有更高的放大倍率的裝置具有明顯更大 的物鏡直徑。例如，典型的12X放大率的高分辨率雙目鏡具有至少32毫米的物鏡直徑，以 實現(xiàn)足夠的分辨率和低光觀察能力。由于這些裝置的物鏡的較大直徑，它們太大而不能被 認為是緊湊的。作為對比，以"緊湊型"（圖像觀看TM(IMGEVIEW?)數(shù)字成像雙目鏡）推 廣的現(xiàn)代布什內(nèi)爾(g(Bushnell?)雙目鏡模型用僅8X放大率和21毫米的物鏡來制造。
[0006] 最近，已作出向光學(xué)裝置提供數(shù)字圖像捕捉功能的努力，諸如上述的圖像觀看圖 像觀看（IMAGEVIEW)型。這些努力使光學(xué)觀察系統(tǒng)（例如，雙目鏡）與分開的數(shù)字照相 機結(jié)合。這種布置具有一定的限制性。最重要的是，盡管裝置允許與由觀察者在光學(xué)觀察 系統(tǒng)中所看到的圖像相關(guān)的數(shù)字圖像捕捉，但該設(shè)計并不改變觀察者使用裝置實際看到什 么，且因此并不對雙目觀察體驗進行任何方式改進。此外，因為數(shù)字照相機具有其自身的光 學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)觀察系統(tǒng)和照相機的分辨能力可能不同。這種分辨能力的差異可能導(dǎo)致使用 者選擇并不用照相機來錄下如果使用者已看到照相機正在錄的實際圖像，他/她將會錄下 的圖像。
[0007] 用于將數(shù)字成像功能與雙目裝置集成的另一種方法是將由光學(xué)裝置所接收的圖 像錄到傳感器上，并然后將它們重新顯示到隨后被使用者觀察到的單個顯示器上。這種方 法的挑戰(zhàn)之一是將光學(xué)系統(tǒng)與機械和電子部件集成以實現(xiàn)袖珍性。此外，單單這種現(xiàn)有的 方法并不可實現(xiàn)高分辨率、高放大倍率雙目鏡的高放大倍率以及其它觀察特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] -方面，本發(fā)明提供一種用于觀察遠處物體的光學(xué)裝置。光學(xué)裝置包括至少一個 物鏡系統(tǒng)和至少一個目鏡，物鏡系統(tǒng)具有入射光瞳直徑Φ毫米，該目鏡帶有用于觀測來自 至少一個物鏡系統(tǒng)中的圖像的出射光瞳。光學(xué)裝置具有大于0.6mm1XΦ的放大率，且裝置 的出射光瞳至少為2毫米。
[0009] 光學(xué)裝置還可包括靠近至少一個物鏡系統(tǒng)的至少一個傳感器和被連接到該傳感 器的處理器，該傳感器用于探測由至少一個物鏡系統(tǒng)接收的遠處物體的圖像，而處理器用 于處理圖像并將這些圖像記錄在第一存儲部件上?？商峁┲辽僖粋€用于顯示記錄在第一存 儲部件上的圖像的顯示器。至少一個目鏡可被連接到至少一個顯示器。為了觀察至少一個 顯示器上的圖像，使用者將其眼睛中的至少一只眼睛放到至少一個目鏡。
[0010] 另一方面，本發(fā)明提供一種通過使用寬光譜范圍傳感器而優(yōu)化成在低光線水平下 觀察到遠處物體的光學(xué)裝置。光學(xué)裝置包括至少一個物鏡系統(tǒng)和至少一個目鏡，物鏡系統(tǒng) 具有24毫米〉φ>10毫米的入射光瞳直徑，目鏡用于觀測來自至少一個物鏡系統(tǒng)中的圖像。 至少一個目鏡可具有滿足φ>2毫米關(guān)系的出射光瞳直徑φ。在這種構(gòu)造中，光學(xué)裝置的放大 率可大于12。
[0011] 在還一方面，本發(fā)明提供一種用于調(diào)節(jié)光學(xué)裝置的至少兩個目鏡之間的光瞳間距 的滑動機構(gòu)?；瑒訖C構(gòu)包括至少一條導(dǎo)軌和用于沿至少一條導(dǎo)軌滑動的行進裝置。行進裝 置可被附連于至少兩個目鏡中的一個目鏡或與其成一體。
[0012] 在又一方面，本發(fā)明提供一種折疊光學(xué)光路，由此系統(tǒng)的光學(xué)光路通過使用單物 鏡透鏡系統(tǒng)被額外地最小化以實現(xiàn)緊湊性。
[0013] 在本發(fā)明的再一方面，提供連續(xù)變焦透鏡的使用以增加視場視角。
[0014] 考慮到下述描述一個或多個實施例的具體的說明和各附圖，本發(fā)明的其它方面和 特征對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員之一是顯而易見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 現(xiàn)將參照附圖僅以示例的方式描述實施例，附圖中：
[0016] 圖1是光學(xué)裝置的框圖；
[0017] 圖2Α是具有處于"在使用"位置的可變外部封殼的光學(xué)裝置的立體圖；
[0018] 圖2Β是具有處于"存放"位置的可變外部封殼的光學(xué)裝置的立體圖；
[0019] 圖2C是具有為緊湊存放而縮回的透鏡鏡筒的另一物鏡系統(tǒng)的剖視圖；
[0020] 圖3Α是圖1的光學(xué)裝置的剖切立體圖；
[0021] 圖3Β是光學(xué)裝置的內(nèi)部的剖切立體圖，其示出目鏡和顯示器。
[0022] 圖4是光學(xué)裝置的內(nèi)部的立體圖，其示出用于調(diào)節(jié)兩個目鏡的光瞳間隔的滑動機 構(gòu)。
[0023] 圖5是圖4的光學(xué)裝置的內(nèi)部的另一立體圖，其示出用于調(diào)節(jié)兩個目鏡的光瞳間 隔的滑動機構(gòu)；
[0024] 圖6是圖4的光學(xué)裝置的另一立體圖，其示出用于圖4和5的滑動機構(gòu)的鎖定按 鈕；
[0025] 圖7是具有可調(diào)節(jié)焦距的物鏡系統(tǒng)的剖視圖；
[0026] 圖8是具有可調(diào)節(jié)焦距的另一物鏡系統(tǒng)的剖視圖；
[0027] 圖9是具有固定焦距的物鏡系統(tǒng)的剖視圖；
[0028] 圖10是具有固定焦距的另一物鏡系統(tǒng)的剖視圖；以及
[0029] 圖11是目鏡的剖視圖；
[0030] 相同的附圖標記在整個附圖中用于表示相同的元件和特征。
[0031] 盡管結(jié)合所述實施例對本發(fā)明進行描述，但應(yīng)當理解這并不意味著本發(fā)明僅限于 這些實施例。
[0032] 相反，本發(fā)明意在涵蓋可包括在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi) 的所有更改、改變和等同物。

【具體實施方式】
[0033] 圖1示出用于觀察遠處物體的光學(xué)裝置10的框圖，在此描述的實施例可被應(yīng)用到 該光學(xué)裝置。光學(xué)裝置10包括至少一個物鏡系統(tǒng)12和至少一個傳感器14,該傳感器與至 少一個物鏡系統(tǒng)12相鄰以持續(xù)探測由至少一個物鏡系統(tǒng)12所接收的遠處物體的圖像。光 學(xué)裝置12還包括用于持續(xù)處理圖像并將這些圖像記錄在第一存儲部件18上的處理器16。 處理器16還可在選配地實現(xiàn)數(shù)字圖像穩(wěn)定功能。處理器16被連接到用于持續(xù)顯示記錄在 第一存儲部件18上的圖像的一對顯示器20。顯示器20被聯(lián)接到用于持續(xù)觀察圖像的一對 目鏡22。為了持續(xù)觀察顯示器20上的圖像，使用者將他們的眼睛放到該對目鏡22上（由 此實現(xiàn)雙目觀察）。顯示在顯示器22上的圖像基本上實時地（如對使用者可察覺的）對應(yīng) 于遠處物體，如下將更詳細所述。
[0034] 圖像可以永久記錄在第二存儲部件上，其可能是閃存24。使用者可使用錄像按鈕 28觸發(fā)錄像功能。光學(xué)裝置10還可經(jīng)由USB端口 30或另一合適的接口被連接到外部裝置 (諸如顯示器或膝上型電腦）。
[0035] 物鏡系統(tǒng)12可以是可變焦距的物鏡系統(tǒng)。物鏡系統(tǒng)12的焦距&可使用連續(xù)變 焦組件30來調(diào)節(jié)，該連續(xù)變焦組件包括電動機驅(qū)動器32、連續(xù)變焦電動機34和自動對焦 ("AF"）單元36。焦距&可由使用者使用連續(xù)變焦按鈕38來調(diào)節(jié)。下面將進一步詳細描 述可變焦距的物鏡系統(tǒng)的構(gòu)造。電動機驅(qū)動器32和自動對焦單元36可與處理器16集成。
[0036] 光學(xué)裝置10還可包括開/關(guān)按鈕39和各種輸入/輸出按鈕（例如，圖形按鈕42)。
[0037] 應(yīng)予以注意，雖然圖1的光學(xué)裝置是雙目系統(tǒng)，但在此描述的實施例還可應(yīng)用到 其它類型的光學(xué)裝置，諸如望遠鏡和顯微鏡。
[0038] 如圖2A和2B所示，光學(xué)裝置10可具有帶有可變外部封殼的外殼50,這樣，物鏡系 統(tǒng)和/或目鏡的外表面可由可移動蓋子52來保護。圖2A是處于"在使用"位置的光學(xué)裝 置10的示意圖，該光學(xué)裝置帶有處于打開位置的可移動蓋子52。圖2B是處于存放位置的 光學(xué)裝置10的示意圖，該光學(xué)位置帶有處于閉合位置的可移動蓋子52。根據(jù)可移動蓋子 52的構(gòu)造，當處于存放位置時，光學(xué)裝置10可具有比處于"在使用"位置更小的外部封殼。 可選擇地，光學(xué)裝置10可被設(shè)計成當被移動到其存放位置時立即斷電。外殼50可具有圓 角54,這使使用者更容易將光學(xué)裝置10攜帶在襯衫或褲袋內(nèi)。
[0039] 外殼50可具有固定的外部封殼。這種外殼將基本上更穩(wěn)固、具有更大的整體剛度 并從機械角度看復(fù)雜性更低（且考慮到需要被制造和組裝的部件數(shù)量因此更便宜）。具有 固定外部封殼的外殼50將更易不受天氣影響，這是因為外殼50將通常具有更少的需要與 環(huán)境密封開來的開口。
[0040] 如圖2B中所示，外殼50的尺寸將被稱為長度Ll(最長邊）、長度L2 (第二長邊、深 度）和長度L3(最短邊、高度）。雖然外殼50可以由于光學(xué)裝置10的構(gòu)造是任何尺寸（如 下面將更詳細描述），但外殼50可以足夠小到可放在口袋內(nèi)，即足夠小到裝入一條褲子、襯 衫等的口袋內(nèi)。具體來說，為了可放在口袋內(nèi)，外殼50的長度/深度/高度比（L1:L2:L3) 應(yīng)當大約在1. 〇:〇· 6彡0· 1:0. 25彡0· 1(其中LI可以是100 - 120毫米）。外殼的（L2:L3) 應(yīng)當是約1. 〇:〇· 6彡(λ1:0. 25彡(λ1(其中LI可以是100 - 120毫米）。
[0041]Ll的值應(yīng)當足以適應(yīng)使用者的瞳孔間距。例如，對于64毫米的瞳孔間距（即，成 年人的平均瞳孔間距），考慮到接目罩（eyecup)的尺寸，外殼將具有84毫米的長度L1。然 而，為了適應(yīng)具有更大瞳孔間距的使用者，Ll可以如上所述大約是100 - 120毫米。此外， 根據(jù)光學(xué)裝置10的最終用途，外殼50的深度可以是易于由使用者用一只手或兩只手抓持 的尺寸。
[0042] 圖2C示出具有可縮回透鏡鏡筒252的可放在口袋內(nèi)的雙目鏡的另一實施例。透 鏡鏡筒提供連續(xù)變焦特征。
[0043] 圖3A是本發(fā)明的光學(xué)裝置的剖切立體圖。物鏡系統(tǒng)12的最外面部分可被容納在 鏡筒60內(nèi)。印刷電路板（"PCB")62、64和66可支承電子部件，諸如處理器16和第一存儲 部件18 (未示出）。除了容納各種電子部件，PCB62、64和66可提供對光學(xué)裝置10的結(jié)構(gòu) 支承?？梢匀菀椎貙鞲衅?4(見圖1)附連于PCB66,這樣，傳感器14與物鏡透鏡系統(tǒng)的 光軸對齊。PCB62、64和66還可以是柔性的。傳感器14還可設(shè)置在內(nèi)部結(jié)構(gòu)68中，從而以 適當?shù)膶R和定位固定傳感器14并使傳感器14屏蔽于漫射光。
[0044] 在圖3A的剖切部分中，示出物鏡系統(tǒng)12的各種透鏡。這些透鏡被容納于透鏡鏡 筒60、70和72內(nèi)。如前所述，透鏡可形成可變焦距物鏡系統(tǒng)，而使用連續(xù)變焦組件30來調(diào) 節(jié)透鏡鏡筒70和72之間的距離。連續(xù)變焦組件30可包括連續(xù)變焦電動機34、連續(xù)變焦電 動機驅(qū)動器32且選配地包括（圖1中所示的）自動對焦單元36。
[0045] 光瞳間調(diào)節(jié)機構(gòu)
[0046] 目鏡22之間的光瞳間距可調(diào)節(jié)，使用滑動機構(gòu)78來實現(xiàn)此調(diào)節(jié)，而無須采用任何 目鏡的轉(zhuǎn)動。參考圖4,滑動機構(gòu)78可操作以使一個目鏡22A相對于另一目鏡22B運動。 一個目鏡22B可以是固定的。
[0047] 如圖5所述，可移動目鏡22A可被附連于行進裝置80或與其成一體。目鏡22A還 可被附連于顯示器20中的一個顯示器（在圖1中示出），這樣，它們可出于光瞳間距調(diào)節(jié)目 的而一起運動。行進裝置80可沿至少一條導(dǎo)軌82滑動（示出兩條導(dǎo)軌）。目鏡22A可被 聯(lián)接到具有用于與鎖定機構(gòu)88配合的一系列齒的棘齒臂86,鎖定機構(gòu)88被附連于光學(xué)裝 置10的任何合適的不運動部分。使用鎖定按鈕90,使用者可配合鎖定機構(gòu)88并將棘齒臂 86在特定的光瞳間調(diào)節(jié)位置下鎖定在位。如圖6中所示，外殼50可包括可滑動凸部92,該 凸部被聯(lián)接到用于由使用者手持的滑動機構(gòu)。目鏡22A的運動由圖5和6中的雙向箭頭來 表不。
[0048] 物鏡系統(tǒng)
[0049] 物鏡系統(tǒng)12可具有多種不同構(gòu)造，現(xiàn)在將參考附圖7、8、9和10來描述這些構(gòu)造。 附圖7和8是可變焦距（連續(xù)變焦）系統(tǒng)。連續(xù)變焦用于增大視場：當物鏡系統(tǒng)12的有效 焦距（"f/)通過連續(xù)變焦減少到較低值時，放大倍率也將減少。圖9和10是固定焦距系 統(tǒng)。如將所示，物鏡系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)將取決于是使用固定還是可變焦距。元件可以如要求是 簡單的透鏡或更復(fù)雜的光學(xué)部件。此外，各元件可具有不同色散以提供色差校正?？砂?各種濾鏡、偏光鏡、涂層等。
[0050] 還應(yīng)予以注意，組成物鏡系統(tǒng)12和/或目鏡22的接目鏡的一個或多個元件可具 有一個或兩個非球形的表面。非球形透鏡元件可由光學(xué)塑料材料或玻璃材料構(gòu)成。透鏡元 件可使用標準技術(shù)和材料被涂覆和被安裝在物鏡系統(tǒng)12內(nèi)。
[0051] 現(xiàn)參考圖7,物鏡系統(tǒng)12A具有可調(diào)節(jié)焦距和至少四個透鏡子單元，SU1、SU2、SU3 和SU4。第一透鏡子單元SUl在物鏡系統(tǒng)12A的長共軛邊上（離傳感器14處的圖像最遠）。 第三透鏡子單元SU3在第二透鏡子單元SU2和第四透鏡子單元SU4之間可運動，由此調(diào)節(jié) 物鏡系統(tǒng)12A的有效焦距&，以增大或減少視場。水平的光學(xué)折疊件100可位于第一透鏡 子單元SUl和第二透鏡子單元SU2之間以使光學(xué)裝置更緊湊。此外，物鏡系統(tǒng)的第一透鏡 元件的光軸可與一個目鏡近似對準。
[0052] 用于物鏡系統(tǒng)12A的規(guī)定數(shù)據(jù)示出于下表1中（只要適用的話，空間數(shù)據(jù)設(shè)置成 用于fQ = 48mm、fQ = 70mm和fQ = 96mm)。在表1以及其后面的各表中，第一欄列出表面 數(shù)（SRF)、第二欄列出第一欄（R1，R2,…R17，R18)中所列表面的曲率半徑（以毫米示出）， 且第三欄列出透鏡頂點與光軸相交處元件的厚度（以毫米示出）（或者，只要適用的話，相 鄰表面之間的間隔）（Tl,T2,…T13,T14)。第四欄示出光圈半徑（以毫米示出）。第五欄列 出介質(zhì)（例如，塑料或玻璃的類型、空氣）。應(yīng)當予以理解的是，透鏡元件可由多種光學(xué)材料 構(gòu)成。在表1至5中下方的標題為"介質(zhì)"下所列的玻璃光學(xué)材料按照肖特北美玻璃目錄 (SchottNorthAmericaglasscatalog)的參考編號來標示。塑料光學(xué)材料按照由從拉姆 達研究公司（LambdaResearchCorporation)(www.lambdares.com)可購得的0SL0?i十 算機程序使用的參考系統(tǒng)來標示。表I一5中的非球形數(shù)據(jù)還參考OSLO?計算機軟件程 序來定義。
[0053]表1
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于調(diào)節(jié)光學(xué)裝置的至少兩個目鏡之間的光瞳間距的滑動機構(gòu)，所述滑動機構(gòu) 包括： 至少一條導(dǎo)軌；以及 行進裝置，所述行進裝置用于沿所述至少一條導(dǎo)軌滑動， 其中，所述行進裝置附連于所述至少兩個目鏡中的第一個目鏡或與所述第一個目鏡成 一體。
2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述至少兩個目鏡的所述第一個目鏡 被聯(lián)接到棘齒臂，所述棘齒臂具有用于與附連于所述光學(xué)裝置的本體的鎖定機構(gòu)配合的一 系列齒。
3. -種接目鏡單元，所述接目鏡單元具有將電子顯示內(nèi)容成像到所述眼睛內(nèi)的較遠的 入射光瞳，所述接目鏡單元包括：正的第一透鏡元件；負的第二透鏡元件；和正的第三透鏡 元件，其中，滿足下述關(guān)系式： f3/fe ^ 0. 5 f2|/fe ^ 0. 5 f 2 | ^ f 3 fl/fe>0. 5 和 d23/fe ^ 0. 1
4. 如權(quán)利要求3所述的接目鏡單元，其特征在于，滿足下述關(guān)系式： f3/fe ^ 0. 4 f2|/fe ^ 0. 4 fl/fe>l. 0 d23/fe ^ 0. 5
5. 如權(quán)利要求3所述的接目鏡單元，其特征在于，（ddisplay+dl2+d23)/f0彡1.0。
6. 如權(quán)利要求3所述的接目鏡單元，其特征在于，fPU/fe>l. 5。
【文檔編號】G02B7/12GK104238070SQ201410317115
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2008年11月26日
【發(fā)明者】E·比特斯基, K·G·拉斯克, A·拉斯克 申請人:袖珍光學(xué)發(fā)展有限公司