CN102265203A - 照射光学装置 - Google Patents

Abstract

一种设备，可以包括：放大透镜，具有限定焦平面的焦距；光源，提供指向所述焦平面的可见光；以及控制器。所述控制器可被编程以：接收信号，该信号指示从所述设备到对象的距离；如果所述距离至少基本等于所述透镜的焦距，则使得所述光源发出第一亮度的可见光；如果所述距离至少基本不等于所述透镜的焦距，则使得所述光源发出第二亮度的可见光，所述第二亮度比所述第一亮度暗。

Description

照射光学装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年12月30日提交的第61/141,474号美国临时申请利益，该临时申请以参引方式被纳入本文。

技术领域

照明放大镜(lighted magnifier)可以被编程，以向用户提供关于该用户试图用放大镜观察的目标是否位于放大镜透镜焦距处的反馈。例如，仅当目标进入或靠近放大镜透镜焦距时，放大镜可以用最高亮度(full brightness)照射，并且当目标不在焦距附近时，放大镜减弱或关闭照射。因此放大镜提供照射和反馈，从而训练用户相对于透镜正确定位目标。

附图说明

图1-2是照明放大镜的示意性图解。

图3-5是示出了用于照明放大镜控制器编程的不同实施方案的流程图。

图6-9示出了照明放大镜的实施方案。

具体实施方案

同许多现有技术设备相似，目前公开的自动照明放大镜包括放大透镜和光源，该光源将光照射在待观察的目标上。但是所述照明放大镜还包括控制器，该控制器接收信号，并基于该信号向用户发出反馈。信号指示了设备到目标的距离，反馈指示了所述距离是否在透镜聚焦范围内。在本文本中，如果所述距离在透镜焦距的10％内(即不近于焦距的90％，并且不远于焦距的110％)，则该距离被认为是在透镜的聚焦范围。

这些反馈对于放大设备的训练和使用是有用的，因为它让用户知道到所关注的目标的合适的工作距离是多长。在用户需要在放大镜的合适工作距离内训练的情况中，反馈尤其有用。虽然在不是透镜焦距的距离处定位目标会产生模糊影像，但该模糊是微小的，且对于一些用户是不易察觉的。然而甚至轻微的模糊也可以导致疲劳和困难。发明人认识到放大镜可以被编程，以提供反馈，与仅仅是模糊相比，该反馈能被更及时且更容易的检测，从而帮助用户熟悉正确的工作距离。

一种特别方便的反馈形式是照射光级。控制器可以被编程为仅当目标定位在透镜的聚焦范围中，或者在放大镜透镜的焦距处，或者接近放大镜透镜的焦距(即在至少基本等于放大镜透镜的焦距距离处)时开启照射光源(或者将照射光源从暗状态提高到最大功率)。控制器接收从放大镜设备到目标的距离位置的信号指示，并基于该信号控制光源。

所述信号可以包括例如代表距离的数值数据，控制器将该测量值与预设的焦距值比较。所述信号可以包括代表焦距和所述距离之间的差值或比值(例如百分比)的数值数据。所述信号可以包括布尔数据(即，是/否或开/关)，该布尔数据指示距离是否在聚焦范围内，或者至少基本等于透镜焦距。

所述信号可以由传感器产生。传感器可以是例如红外光源和探测器，该红外光源和探测器在设备上成角度定位，以使得仅当目标在透镜焦距处时，所发出的传感器光从目标反射，并进入探测器。因此当放大镜关于目标正确定位以用于观察时，光源会自动照射(或变亮)。当信号指示没有目标在焦距处或靠近焦距时，控制器会停止(或减弱)照射。

控制器可以被编程，以保持照射光源在整个透镜可用范围上的开启，即使在目标从准确的焦距和/或其附近移走之后(即，照射仅在焦距处或靠近焦距处开启，但是可以在精确焦距周围的一定范围的距离内保持开启)。这一“缓冲(buffer)”可以以多种方式实施，包括基于时间和基于距离。在基于时间的实施中，控制器可以包括计时器，即使用户离开可用范围，该计时器仍暂时保持照射开启，以持续提供照射，直到用户回到范围内。当信号仅是目标距离是否匹配焦距的布尔指示时，计时器尤其有用。但是如果用户在计时器限定的时间范围内没有回到可用距离范围，则控制器仍将关闭(或减弱)照射。作为替代地，在基于距离的缓冲的实施中，传感器可以被设计为将在聚焦范围内，或者至少基本等于焦距的任何距离报告为等于焦距。这时控制器将保持照射，即使当所述距离在聚焦范围之外，或者不等于焦距但是仍至少基本等于焦距时。在另一个替代中，传感器被编程为随着距离经时间变化而对该距离进行采样，产生的信号指示时间平均距离。因此远离焦距的偏移被过滤，直到它们将平均距离偏出可接受界限之外。

除了对目标提供照射这一常规用途，本放大镜也为用户提供位置反馈：通过使用基于照射的反馈的放大镜，当目标被定位在最佳距离时，用户得到最佳照射。因此用户可学习将目标定位在透镜的焦距处。

该设备可利用各种形式的照射光，例如可见光、紫外光或红外光，以及这些光的组合和其他电磁光谱部分。可见光可以是白光或者由可见光的不同的次频段组成，例如红、绿、和/或蓝光。

虽然本文描述的实施方案使用照射光的亮度作为反馈的主要媒介，但是其他反馈形式也是可行的。例如，当在范围之外时，光可以闪烁；当在范围之内时，光变得稳定。当在范围之外时，照射光可以被指向远离透镜的聚焦中心；当在范围之内时，照射光指向该中心。根据目标是否在范围内，该设备可以发出声音、振动、热、或光(例如设备上的图标)。当在范围之外时，该设备发出有色光；当在范围之内时，该设备发出白光。当在范围之外时，该设备可以在白光和有色光之间转换；当在范围之内时，该设备发出稳定的白光。光的色调可以基于位置错误而变化：随着靠近焦距，色调消褪；随着离开焦距，色调加强；或者色调可以改变颜色，例如当距离太近时为红色，太远时为蓝色。

图1示出了放大和照射目标的装置100的方块图300。当通过用户接口309(例如开关)被用户所启动时，用户通过透镜301观察目标，以使得当测距电路305确定目标在期望的距离(通常是预定值，等于透镜301的焦距)处时，目标被照射源303所照射。

当目标位于期望的距离处时，处理设备307从测距电路305获得指示，并依照程序200启动照射源303。

处理设备307可以执行来自计算机可读介质——例如存储器311——的计算机可执行指令。计算机存储介质可以包括在任何用于信息——例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据——存储的方法或技术中实施的易失性的和非易失性的、可移动的和不可移动的介质。计算机存储介质包括但不限于：随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、或任何其他可以被用于存储期望的信息并可被处理设备307访问的介质。

图2示意性示出了放大和照射目标103的装置100的布局。该装置可以被用在眼镜架、手持放大镜、放大镜架等中。该装置包括传感器部件105和传感器部件107，当读物或者任何其他待观察的对象被带入透镜(未示出)的焦距内时，传感器部件105和传感器部件107触发LED(照射源)101，以照射所述对象。

装置100不仅提供观察所需要的光，还允许用户确切地知道其应该将读物保持在何处，以获得最佳光学聚焦。当涉及要求较短工作距离的较高光焦度透镜时，这个功能对于低视力是重要的。

装置100操作的前提是对象(目标)聚焦在透镜的焦点处。

装置100包括透镜系统(未在图2示出，而是在图6-9中示出)、照射器、传感器和用于这些部件的支架。装置100放大以及启动在放大镜焦点处的照射器，从而向用户提供放大镜正确使用的照射和正反馈。

在向瞬时功率开关111供电后，功率控制电路109被启动。功率控制电路109的一个功能是为装置100的其他电路提供功率，并且当不再使用装置100时关闭功率。在瞬时功率开关111启动后，功率控制电路109利用计时器保持功率。该计时器被来自范围寻找器调制光处理电路117的反馈重置。只要装置100在感测目标103，功率就会保持，且在感测之后的短时间内仍然保持，这由功率控制电路109中的计时器所确定。该方法节约了电能，同时为用户提供便利。

当装置100被初始化时，范围寻找器感测计时器113向调制光驱动器电路115发送信号，调制光驱动器电路115触发一系列脉冲到范围寻找器光源105。范围寻找器感测计时器113的功能是保存功率。范围寻找器光源105并非必须持续操作；对目标距离的间歇测试也是可以的。调制光驱动器电路115将一系列脉冲提供给范围寻找器光源105；例如，信号可以以38KHz的调制频率发送，每100毫秒中有10毫秒的瞬时脉冲群。这些脉冲具有较短的“工作时间”的占空比，因此节约电能。

到目标103所测得的距离可以由三角测量方法所确定。范围寻找器光源105和范围寻找器接收机107的视域在目标103处相交。该交叉点可以通过调整螺钉设置，并在放大镜的焦点前后的所确定的距离处校准，从而向观察者提供聚焦范围内的清晰图像。当目标103移动到范围寻找器光源105和范围寻找器接收机107的交叉点时，所反射的调制光变得足够强烈，从而可以触发范围寻找器调制光处理电路117的输出。范围寻找器调制光处理电路117仅对由范围寻找器光源105发出的调制光敏感，因此减少了来自其他光源的干扰，包括照射光源101。该行为相应地开启照射保持计时器119。假设目标101被短时间内移出交叉点，则照射保持计时器119将照射光源101保持在“开启”状态。照射保持计时器119的输出向照射光源驱动器121发出信号，以打开照射光源101从而照射目标103。

传感器117的功能是当待观察的对象(目标103)在透镜系统的焦距处，或者靠近透镜系统的焦距，或者穿过透镜聚焦范围时，启动(开启)照射源101。可以采用不同的范围寻找方法。这些方法包括但不限于：三角测量方法、反射信号强度方法、或者从对象反射回的信号的计时(飞行时间测量)。其他方法可以被用于感测焦距，诸如利用算法分析投射到图像传感器阵列、线性图像传感器、干涉仪的图像，或相移方法。上述感测方法可以利用红外光、可见光、固态激光器或声波。

如图6-9示出的，照射光源101和范围寻找器光源通常不穿过透镜而照射(尽管它们可以)，而是在透镜周缘周围。

可以通过不同方式来增强功率保存。范围寻找器感测计时器113，调制光驱动器电路115提供的短占空比调制脉冲，以及瞬时功率开关111的使用，有助于保存电能。装置100通常由可替换的或可充电的电池提供电力，所以受益于功率消耗的减少。在电能由外部源——例如标准壁电流、AC适配器、或安装在壁上的电源——提供的情况中，功率节约技术不太重要，或者不太需要。该设备可以根据电源调节控制器所使用的逻辑。

范围寻找器源105和范围寻找器接收机107各自包括光谱匹配红外(IR)LED和峰值敏感度在IR范围(例如940nm)内的IR过滤光电晶体管接收机。基于IR的范围寻找提供了一些益处。首先，IR LED对人眼不可见，因此不会分散用户注意力。此外，IR LED和IR过滤接收机为高环境光条件中的错误触发提供了额外的电阻测量。另外，光谱匹配对提供极好的光耦合，因此降低了运行所需功率。

基于不同应用中的适用性，各种光发射设备可以用于照射光源101。然而，提供高亮度适度扩散的白光的光源通常是优选的。在用户患有不同眼疾的情况中，有色光源可以是优选的，以增强目标图像的对比度。通常，高效率的LED是优选的光源，但是在一些情况中，基于预期用途，电致发光或OLED可以是更好的选择。

根据要求，照射器可以是不同的光频、单色光谱或宽光谱，并可以被选择为特别地帮助或提高低视力患者的视力。光可以由一种或多种方法产生，包括但不限于LED、白炽灯、荧光灯、OLED或电致发光。可以使用不同的传输或聚焦光的方法，包括但不限于透镜、光纤、镜子、反射表面或光导电材料。光可以根据其预期用途是漫射的或者不是漫射的。

透镜系统可由如手持放大镜或立式放大镜(但不限于这两种放大镜)中的单个透镜组成；或者如一对眼镜中的两个透镜组成。一些单独的透镜可以共同使用以组成透镜系统。透镜系统通常是固定的——即不可调节。因此固定的透镜系统具有固定的(即不可调节的)焦距，控制器和传感器被布置为基于所述焦距起作用。作为替代地，所述设备可以包括允许调节(通常是通过允许透镜之间的相对移动)的透镜系统，其中控制器和传感器适应该调节性。

安装架可包括眼镜架、支架、三脚架或手持设备。

图3-5示出了放大镜控制器的流程图。如图3示出的，在步骤201，当用户按下如图1示出的开关111时，装置100的电路被启动，功率计时器(通常位于功率控制电路109)被重置。步骤203确定功率计时器是否超时。如果超时，在步骤205，电能从装置100的电路移除。

步骤207确定是否基于范围寻找器感测计时器113通过范围寻找器源105产生测距信号。步骤209确定目标是否在期望距离(通常是透镜的焦距)。如果在期望的距离，在步骤213，照射保持计时器119被重置，以使得照射光源101照射目标103。

如果目标103不在期望的距离内，则步骤211确定照射保持计时器119是否超时。如果超时，则照射光源101停止照射目标103。

图4示出了类似于图3的流程图。与简单的开或关相反，该图一般地包括两个亮度等级。第一亮度等级通常是最高亮度，而第二亮度等级比第一亮度等级暗。第二亮度等级可以是最高亮度的例如0％到大约90％、大约10％到大约80％、大约20％到大约70％、大约30％到大约60％、大约40％到大约50％、大约10％、大约20％、大约30％、大约40％、大约50％、大约60％、大约70％、大约80％和/或大约90％。控制器包括功率计时器和照射计时器，并被编程为：如果照射计时器没有超时——即使距离在聚焦范围之外，或者至少基本不等于焦距——使得光源发出第一亮度的光；如果照射计时器超时，并且距离在聚焦范围之外，或者至少基本不等于焦距，使得光源发出第二亮度的光；以及如果照射计时器超时并且功率计时器超时，使得光源从第二亮度转换到不发光。因此照射计时器为对于保持目标在合适距离处有一些困难的用户提供缓冲；在照射计时器的持续时间内，即使控制器不再接收指示目标在焦距处的信号，照射计时器仍会将光源保持在第一亮度。在照射计时器超时后，光会转换到第二亮度，借此警告用户已偏离焦距。如果在功率计时器超时之前目标没有恢复到焦距，则设备会被置于休眠模式，即不向照射光源提供功率。

在电路启动和功率计时器重置之后，流程如下进行：

(I)使得光源发出第二亮度的光；

(Ⅱ)确定功率计时器是否超时，以及：

(A)如果功率计时器超时，则使得光源不发光；或者

(B)如果功率计时器没有超时，则：

(1)使得传感器测量距离；

(2)确定所述距离是否在聚焦范围内，或至少基本等于焦距，以及：

(a)如果所述距离在聚焦范围内，或至少基本等于焦距，则：

(i)重置功率计时器和照射计时器，并使得光源发出第一亮度的光；以及

(ii)从步骤(1)开始重复；或者

(b)如果所述距离不在聚焦范围内，或者至少基本不等于焦距，则确定照射计时器是否超时，以及：

(i)如果照射计时器超时，则：

(aa)使得光源发出第二亮度的光；以及

(bb)在没有首先重置功率计时器的情况下从步骤(Ⅱ)开始重复；或者

(ii)如果照射计时器没有超时，则在没有首先重置照射计时器的情况下从步骤(1)开始重复。

图5示出了省略照射计时器的简化方案的流程图。控制器包括功率计时器。第二亮度是零亮度，控制器被编程为如果功率计时器没有超时，则使得光源发光；如果功率计时器超时，则使得光源不发光。电路启动以及功率计时器重置之后，流程如下进行：

(I)使得光源发出第一亮度的光；

(Ⅱ)确定功率计时器是否超时，以及：

(A)如果功率计时器超时，则使得光源不发光；或者

(B)如果功率计时器没有超时，则：

(1)使得传感器测量距离；

(2)确定距离是否在聚焦范围内，或至少基本等于焦距，以及：

(a)如果距离在聚焦范围内，或至少基本等于焦距，则：

(i)重置功率计时器；以及：

(ii)从步骤(Ⅱ)开始重复；或者

(b)如果距离不在聚焦范围内，或至少基本不等于焦距，则在不首先重置功率计时器的情况下从步骤(Ⅱ)开始重复。

从全照射到无照射的转变，甚或在全照射和部分照射之间的转变，对用户会是一种刺激。相应地，控制器可以被编程，使得随着所述距离移出聚焦范围，或者在至少基本等于焦距到至少基本不等于焦距之间的改变，光源发射等级逐渐在第一亮度到第二亮度之间转变。

不同的亮度等级可以以多种方法获得。例如，如图4示出的，提供给照射源的功率等级可以被提高或降低，由此使得照射源发出更高或更低的光量。作为替代，光源可以包括多个离散的光发射机，当所有发射机被开启时，提供最高亮度，当所有发射机中的一部分被开启时，则提供较暗等级的光。

图6-7示出了手持观察器形式的放大镜装置400。用户通过透镜401观察目标403。基于范围寻找器光源407发射以及范围接收机409接收的测距信号，当范围寻找器确定目标403在透镜401的焦距处时，目标403被照射源405所照射。

图8-9示出了眼镜形式的放大镜装置500。装置500的操作方式与装置400类似。

如之前注意到的，聚焦光放大镜的基本前提是对象(目标)在透镜的焦点处被照射。在使用照射光作为反馈媒介的实施方案中，放大镜照射由传感器触发，该传感器在透镜的焦点处自动开启灯。立式放大镜照射可以被配置为使得当目标与支架接触时目标在透镜的焦点处。通过把所关注的目标放在透镜的焦点处，则从透镜发出的光是平行的，而不需要调焦、阅读透镜或双光眼镜。作为替代，如果用户更倾向于在佩戴阅读镜或双光眼镜时使用放大镜，或在没有佩戴远视眼镜时使用放大镜，则放大镜透镜可以为用户提供合适的近点修正。

如本领域技术人员应理解的，带有包括用于控制计算机系统的指令的相关计算机可读介质的计算机系统，可以被用于实施本文公开的示例性实施方案。计算机系统可以包括至少一个计算机，例如微处理器、数字信号处理器和相关联的外围电子电路。

尽管已经通过具体到结构特征和/或方法行为的语言描述了主题内容，应理解，在附加权利要求中限定的主题内容不是必须限制在上文描述的具体特征或行为。相反，上文描述的具体特征或行为仅作为实施权利要求的示例性形式而公开。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

放大透镜，具有固定的、不可调节的焦距，该焦距限定焦平面和聚焦范围；

光源，提供引向所述焦平面的可见光；以及

控制器，可被编程以：

接收信号，该信号指示从所述设备到对象的距离；

如果所述距离在所述透镜的聚焦范围内，则使得所述光源发出第一亮度的可见光；以及

如果所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，则使得所述光源发出第二亮度的可见光，所述第二亮度比所述第一亮度暗。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号包括表示所述距离的数值数据。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号包括表示所述焦距和所述距离之间差别的数值数据。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号包括指示所述距离是否在所述透镜的聚焦范围内的布尔数据。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二亮度大约是所述第一亮度的30％到大约60％。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二亮度是零亮度，并且当所述距离不在所述透镜的聚焦范围内时所述光源不发出光。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被编程以使得随着所述距离移出所述透镜的聚焦范围，所述光源发光等级在所述第一亮度到所述第二亮度之间逐渐转变。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括传感器，该传感器测量从所述设备到所述对象的距离，并产生指示从所述设备到所述对象的距离的信号。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述传感器包括发射机和接收机，该发射机和该接收机被布置在所述设备上，以通过三角测量测量所述距离。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述发射机包括光发射机，所述接收机包括光探测器。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述光发射机发出红外光，所述接收机对红外光敏感。

12.根据权利要求8所述的设备，其中所述传感器包括图像传感器。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述传感器包括线性图像传感器。

14.根据权利要求8所述的设备，其中所述传感器被编程以随着距离经时间变化而对该距离进行采样，所产生的信号是时间平均距离的指示。

15.根据权利要求8所述的设备，还包括功率计时器，其中所述第二亮度是零亮度，其中所述控制器被编程以：如果所述功率计时器没有超时，则使得所述光源发出光；如果所述功率计时器超时，则使得所述光源不发光。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述控制器被编程以：

(I)使得所述光源发出所述第一亮度的光；

(Ⅱ)确定所述功率计时器是否超时，以及：

(A)如果所述功率计时器超时，则使得所述光源不发光；或者

(B)如果所述功率计时器没有超时，则：

(1)使得所述传感器测量所述距离；

(2)确定所述距离是否在所述透镜的聚焦范围内，以及：

(a)如果所述距离在所述透镜的聚焦范围内，则：

(i)重置所述功率计时器；以及：

(ii)从步骤(Ⅱ)开始重复；或者

(b)如果所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，则在不首先重置所述功率计时器的情况下从步骤(Ⅱ)开始重复。

17.根据权利要求8所述的设备，还包括功率计时器和照射计时器，并且其中所述控制器被编程以：

如果所述照射计时器没有超时，即使所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，仍使得所述光源发出所述第一亮度的光；

如果所述照射计时器超时，并且所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，则使得所述光源发出所述第二亮度的光；以及

如果所述照射计时器超时并且所述功率计时器超时，则使得所述光源从所述第二亮度的光转换到不发光。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述控制器被编程以：

(I)使得所述光源发出所述第二亮度的光；

(Ⅱ)确定所述功率计时器是否超时，以及：

(A)如果所述功率计时器超时，则使得所述光源不发光；或者

(B)如果所述功率计时器没有超时，则：

(1)使得所述传感器测量所述距离；

(2)确定所述距离是否在所述透镜的聚焦范围内，以及：

(a)如果所述距离在所述透镜的聚焦范围内，则：

(i)重置所述功率计时器和所述照射计时器，并使得所述光源发出所述第一亮度的光；以及：

(ii)从步骤(1)开始重复；或者

(b)如果所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，则确定所述照射计时器是否超时，以及

(i)如果所述照射计时器超时，则：

(aa)使得所述光源发出所述第二亮度的光；以及

(bb)在没有首先重置所述功率计时器的情况下从步骤(Ⅱ)开始重复；或者

(ii)如果所述照射计时器没有超时，则在没有首先重置所述照射计时器的情况下从步骤(1)开始重复。

19.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述光源包括多个光发射机；

全部发射机被开启，以提供所述第一亮度的光；以及

全部发射机中的部分被开启，以提供所述第二亮度的光。

20.一种方法，包括：

感测从权利要求1所述的设备到对象的距离；以及

发出指示所述距离是否在所述透镜的聚焦范围内的反馈，该反馈被所述设备的用户感知，所述反馈包括：

如果所述距离在所述透镜的聚焦范围内，则发出所述第一亮度的光；以及

如果所述距离不在所述透镜的聚焦范围内，则发出所述第二亮度的光。

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