一种用于目视仪器的外置功能扩展的系统、装置和方法

本发明涉及透镜成像，尤其涉及一种用于目视仪器的外置功能扩展的系统、装置和方法。

背景技术：

1、伴随着科技的日益进步，应用场景的逐渐增加，目视仪器不仅仅要提供直接的人眼观测功能，还要具备一定的数码记录功能。目前已发展出目视功能与数码成像集成为一体的目视仪器产品。然而，这类产品普遍具有较高的集成度，将数码成像部分与目视仪器紧密封装在一起，使用户无法自由拆卸。并且这类产品无法为用户提供仪器上单独光学系统模块的使用。另外，目前已经装配在各个应用场景使用的目视仪器如果想增加数码成像功能，则需要重新研发设计，费时费力。目前亟需一种可进行目视功能和数码功能扩展的转接头。如果直接在目视仪器上增加数码成像系统，则会使原来的目视功能丧失，或者导致目视光路中的眼距变小，不利于用户使用。而且目前市面上的扩展头只适用于某一款具体的目视仪器，对不同型号的目视仪器兼容性较差，扩展性较低。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提出了一种用于目视仪器的外置功能扩展的系统、装置和方法。采用半反半透射镜和cmos图像传感器，为目视仪器增加了数码成像功能。同时采用望远光路，保证原目视仪器的眼距，在增加数码成像功能的基础上优化升级了目视功能。对不同目视仪器具有广泛的兼容性。该系统具有成像性能优异，结构简洁、安装方便。本发明使得目视仪器在接入后，具备既可进行目视观察，又能实现数码成像的多样化功能。

2、所述的用于目视仪器的功能扩展装置包括：光学系统、机械封装组件、图像处理系统、电源系统。

3、光学系统，包括物镜组、成像透镜组和目镜组。

4、所述的物镜组包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜。

5、所述的成像透镜组包括：第四半反半透射镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜。

6、所述的目镜组包括：第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜。

7、所述的第一透镜的物侧面曲率半径r1，所述的第一透镜的像侧面曲率半径r2，满足下列关系式：(r1+r2)/(r1-r2)＝0.23；所述的第二透镜的物侧面曲率半径r3，所述的第二透镜的像侧面曲率半径r4，满足下列关系式：(r3+r4)/(r3-r4)＝-1.9；所述的第三透镜的物侧面曲率半径r5，所述的第三透镜的像侧面曲率半径r6，满足下列关系式：(r5+r6)/(r5-r6)＝16.5；所述的第四元件为半反半透射镜，反射率为0.3，透射率为0.7所述的第五透镜的物侧面曲率半径r9，所述的第五透镜的像侧面曲率半径r10，满足下列关系式：(r9+r10)/(r9-r10)＝1；所述的第六透镜的物侧面曲率半径r11，所述的第六透镜的像侧面曲率半径r12，满足下列关系式：(r11+r12)/(r11-r12)＝0；所述的第七透镜的物侧面曲率半径r13，所述的第七透镜的像侧面曲率半径r14，满足下列关系式：(r13+r14)/(r13-r14)＝0；所述的第八透镜的物侧面曲率半径r15，所述的第八透镜的像侧面曲率半径r16，满足下列关系式：(r15+r16)/(r15-r16)＝0.17；所述的第九透镜的物侧面曲率半径r17，所述的第九透镜的像侧面曲率半径r18，满足下列关系式：(r17+r18)/(r17-r18)＝1；所述的第十透镜的物侧面曲率半径r19，所述的第十透镜的像侧面曲率半径r20，满足下列关系式：(r19+r20)/(r19-r20)＝-0.15；所述的第十一透镜的物侧面曲率半径r21，所述的第十一透镜的像侧面曲率半径r22，满足下列关系式：(r21+r22)/(r21-r22)＝2；所述的第十二透镜的物侧面曲率半径r23，所述的第十二透镜的像侧面曲率半径r24，满足下列关系式：(r23+r24)/(r23-r24)＝0.29；所述的第十三透镜的物侧面曲率半径r25，所述的第十三透镜的像侧面曲率半径r26，满足下列关系式：(r25+r26)/(r25-r26)＝-1；

8、所述的用于目视仪器的功能扩展光学系统第一透镜为凸透镜、第二透镜为凹透镜、第三透镜为凹透镜、第四为半反半透射镜、第五透镜为凸透镜、第六透镜为凸透镜、第七透镜为凸透镜、第八透镜为凹透镜、第九透镜为凸透镜、第十透镜为凸透镜、第十一透镜为凹透镜、第十二透镜为凹透镜、第十三透镜为凸透镜。

9、各透镜焦距为：物镜组的焦距为f物＝157mm；所述的目镜组的焦距为f目＝21mm；所述的第一透镜的焦距为f1＝505.56mm；所述的第二透镜的焦距为f2＝704.06mm；所述的第三透镜的焦距为f3＝2911.86mm；所述的第四半透半反射镜反射率r＝0.3；透射率＝0.7；所述的第五透镜的焦距为f5＝45.69mm；所述的第六透镜的焦距为f6＝47.00mm；所述的第七透镜的焦距为f7＝168.57mm；所述的第八透镜的焦距为f8＝-64.73mm；所述的第九透镜的焦距为f9＝-98.43mm；所述的第十透镜的焦距为f10＝34.56mm；所述的第十一透镜的焦距为f11＝-87.61mm；所述的第十二透镜的焦距为f12＝-165.78mm；所述的第十三透镜的焦距为f13＝-6765.94mm；

10、各透镜的中心厚度为：第一透镜的镜片中心厚度为d1＝6.5mm；第二透镜的镜片中心厚度为d2＝5.245mm；第三透镜的镜片中心厚度为d3＝5mm；第四半反半透射镜厚度为d4＝27.4662mm；第五透镜的镜片中心厚度为d5＝7mm；第六透镜的镜片中心厚度为d6＝5.5mm；第七透镜的镜片中心厚度为d7＝7mm；第八透镜的镜片中心厚度为d8＝1.8mm；第九透镜的镜片中心厚度为d9＝5mm；第十透镜的镜片中心厚度为d10＝6.02mm；第十一透镜的镜片中心厚度为d11＝3.65mm；第十二透镜的镜片中心厚度为d12＝2.93mm；第十三透镜的镜片中心厚度为d13＝3mm。

11、各透镜的折射率和阿贝数为：第一透镜的折射率n1＝1.5168，阿贝数v1＝64.2；第二透镜的折射率n2＝1.6284，阿贝数v2＝35.9；第三透镜的折射率n3＝1.6826，阿贝数v3＝32；第四半反半透射镜反射率r＝0.3，透射率t＝0.7第五透镜的折射率n5＝1.5524，阿贝数v5＝63.3；第六透镜的折射率n6＝1.5524，阿贝数v6＝63.3；第七透镜的折射率n7＝1.4874，阿贝数v7＝70.4第八透镜的折射率n8＝1.7285，阿贝数v8＝28.3；第九透镜的折射率n9＝1.4874，阿贝数v9＝70.4；第十透镜的折射率n10＝1.4874，阿贝数v10＝70.4；第十一透镜的折射率n11＝1.5244，阿贝数v11＝59.2；第十二透镜的折射率n12＝1.8222，阿贝数v12＝37.4；第十三透镜的折射率n13＝1.82，阿贝数v13＝37.4；

12、进一步的，在成像透镜组中，第四半反射半透射镜的透射率可以根据用户的需求进行自主调整，最佳透射率应保持在0.5至0.7之间。

13、所述的机械封装组件，使用6063铝合金作为镜筒封装外壳，如附图1所示，内用6063铝合金隔圈来确定每个镜片之间的相对位置。所述的第一透镜片和第二透镜片之间的距离为0mm；所述的第二透镜片与第三透镜片之间的距离为71.4930mm；所述的第三透镜片与第四半反半透射镜的距离为30mm；所述的第四半反半透射镜与第五透镜片之间的距离为60mm；所述的第五透镜片与第六透镜片之间的距离为0.2mm；所述的第六透镜片与第七透镜片之间的距离为0.2mm；所述的第七透镜片与第八透镜片之间的距离为0mm；所述的第八透镜片与第九透镜片之间的距离为0mm；所述的第四半反半透射镜与第十透镜片之间的距离为27.4622mm；所述的第十透镜片与第十一透镜片之间的距离为0.2745mm；所述的第十一透镜片与第十二透镜片之间的距离为0mm；所述的第十二透镜片与第十三透镜片之间的距离为0mm；

14、所述的镜筒两端采用光学胶进行固定，从而确保目视仪器的功能扩展光学系统中的各个光学元器件牢固的固定在镜筒内部。外置目视仪器通过螺纹旋钮卡槽与所述的目视仪器的功能扩展光学系统进行连接，从而确保整个发明仪器与外置目视仪器连接的稳固性。

15、所述的图像处理系统配备有cmos图像传感器、两个i/o串行口，在半反半透射镜反射后的光线聚焦在cmos图像传感器上，从而获取目视仪器的数码信号，cmos图像传感器利用光电效应将光子转换为电子，这些电子被储存在感光区域的像素中，随后经过电荷传输和adc转换，电子信号被转换成数字形式，最终生成可供显示或存储的数字图像，考虑到便携性，通过两个i/o串行口既可实现将cmos图像传感器收集到的信号传输给计算机进行图像处理，也可以将cmos图像传感器收集到的信号传输给用户自定义的显示屏。

16、外置目视仪器通过本发明所设计的望远系统可增长眼距，并且在望远系统之间额外增加半反半透射镜用来组成数码成像系统。

17、鉴于用户便携性的需求，所述的电源系统采用18650电池串联构成，其为cmos图像传感器及根据用户需求的显示屏提供电力。若用户需通过i/o串行口连接外置计算机，则需根据用户自身计算机型号选用相应电源进行适配。

18、所述的用于目视仪器的外置功能扩展的装置的使用方法如下：

19、第一步的，为了确保目视仪器与本发明稳定可靠地固定，用户需要利用螺丝通过所述的螺纹旋钮卡槽进行拧紧固定。这一步操作简单，只需将外置目视仪器对准目视仪器的功能扩展光学系统前端(即附图1左端卡槽)，然后转动旋钮使其夹紧外置目视仪器。

20、第二步，将目视仪器的功能扩展光学系统与显示屏和计算机i/o串行口连接。为此，用户需要使用数据线将这三个部分相互连接。数据线一端连接cmos图像传感器模块，另一端分别连接显示屏和计算机i/o串行口。这一步需要注意确保数据线的插头与相应接口匹配，以避免损坏设备。

21、第三步，将电源系统接入图像传感模块，为整个图像处理系统供电。电源系统采用18650电池组串联，用户只需将电源线一端连接到图像传感模块的电源接口即可。此时，整个系统即可正常工作。

22、第四步，通过显示屏可观看实时图像，并根据需要对图像进行调整。如需对图像进行处理，可通过计算机i/o串行口将图像导入计算机，利用相关软件进行处理。此外，本发明还可根据用户需求，通过串行口连接其他外部设备。

23、本发明的有益效果：

24、(1)在保持原有目视仪器的基础上，若直接添加半反半透射镜，眼距将变得极为狭窄，几乎使半反半透射镜与用户眼睛重合。为解决此问题，本发明在原有目视仪器之后引入一个望远系统，并将半反半透射镜置于该望远系统中，从而不妨碍用户的眼距。

25、(2)通过第四半反半透射镜，可将外置目视仪器的图像反射至本发明所配备的cmos图像传感器再通过数据线传输至数码屏幕从而达到在不妨碍原有用户眼距的前提下增加了数码成像的功能。

26、(3)鉴于多数目视仪器目镜均采用平行光发射设计，因此，本发明之望远系统具有广泛兼容性。只要为目视仪器，皆可配备相应目视仪器的功能扩展光学系统，实现目视与数码成像双重功能。

27、(4)本发明所述的光学系统整体长度在210毫米左右，从而实现了便携性，解决了传统高集成度仪器因体积较大而难以携带的问题。

28、(5)该系统的成像镜头f数为4.823。畸变小于0.51％，场曲小于0.25mm，该系统性能优越。

29、(6)该系统的半反射半透射膜可根据用户需求自由选用，即便半反射半透射膜反射的光线较弱，亦可借助计算机算法对cmos图像传感器上的成像进行色彩增强。