CN104238070B - 改进的双目镜观察装置 - Google Patents

Abstract

一种用于观察远处物体的光学装置。该装置包括物镜系统和至少一个目镜，并且实现大于0.6mm^‑1倍入射光瞳直径(以毫米表示)的放大率，而出射光瞳为至少2毫米。来自物镜系统的图像被传感器探测到、被处理并被录下。图像被显示在显示器上，该显示器被使用者通过一个或多个目镜观察到。光学装置在低光线水平下工作良好。装置还具有用于调节目镜之间光瞳间距的滑动机构。

Description

改进的双目镜观察装置

本专利发明申请是国际申请号为PCT/US2009/065678，国际申请日为2009年11月24日，进入中国国家阶段的申请号为200980147996.6，名称为“改进的双目镜观察装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于观察远处物体的光学装置，并尤其涉及高分辨率的紧凑型双目镜。

背景技术

用于观察物体的放大图像的光学装置有许多形式，诸如双目镜、望远镜和显微镜。双目显微镜设计追溯到17世纪，但仅从由Ignatio Porro在1854年发明的现代棱镜双目望远镜，双目镜装置才能开始组合高放大倍率、高分辨率和紧凑尺寸的各种所期望的特征。尽管许多设计开发已优化了这些特征的各方面，但所有都涉及功能上的协调，由此紧凑的尺寸仅能通过牺牲高分辨率、高放大倍率和在低光条件下观察物体的能力来实现。

这些设计限制是源于出射光瞳直径通常由双目镜的光学观察系统的放大倍率除以物镜透镜单元的直径所确定。为了保持双目镜尺寸紧凑，物镜透镜单元必须具有相对较小的直径，但这限制分辨率和实际放大倍率。分辨率和放大倍率的降低的水平是不期望的，这是因为双目镜的目的是通过较高的放大倍率来看清楚远处物体的细节。尽管可以设计具有较小物镜(例如，20毫米或更小)和较高的理论放大倍率(例如，高于10×放大率)的透镜系统，但所得系统会具有小于2毫米的出射光瞳，这在本领域中已知为对于所有光学仪器的一种设计限制。低于2毫米的出射光瞳尺寸将具有由于衍射、暗光和低对比度而降低的性能。这种系统通常被认为是具有“空的”放大倍率，这是因为当分辨率超过人类眼睛的分辨能力时(这种分辨率出于本发明的目的将被定义成120弧秒)，观察者无法从更高的分辨率中获益。因此，在出射光瞳的尺寸和提供给使用者的放大倍率的量之间作出了妥协。

这种设计妥协从通常可获得的双目镜装置的调查中清楚可知：在固定的10×放大率下，且超过最小物镜直径为至少21毫米，且具有更高的放大倍率的装置具有明显更大的物镜直径。例如，典型的12×放大率的高分辨率双目镜具有至少32毫米的物镜直径，以实现足够的分辨率和低光观察能力。由于这些装置的物镜的较大直径，它们太大而不能被认为是紧凑的。作为对比，以“紧凑型”(图像观看^TM(IMAGE VIEW^TM)数字成像双目镜)推广的现代 双目镜模型用仅8×放大率和21毫米的物镜来制造。

最近，已作出向光学装置提供数字图像捕捉功能的努力，诸如上述的图像观看图像观看(IMAGE VIEW)型。这些努力使光学观察系统(例如，双目镜)与分开的数字照相机结合。这种布置具有一定的限制性。最重要的是，尽管装置允许与由观察者在光学观察系统中所看到的图像相关的数字图像捕捉，但该设计并不改变观察者使用装置实际看到什么，且因此并不对双目观察体验进行任何方式改进。此外，因为数字照相机具有其自身的光学系统，光学观察系统和照相机的分辨能力可能不同。这种分辨能力的差异可能导致使用者选择并不用照相机来录下如果使用者已看到照相机正在录的实际图像，他/她将会录下的图像。

用于将数字成像功能与双目装置集成的另一种方法是将由光学装置所接收的图像录到传感器上，并然后将它们重新显示到随后被使用者观察到的单个显示器上。这种方法的挑战之一是将光学系统与机械和电子部件集成以实现袖珍性。此外，单单这种现有的方法并不可实现高分辨率、高放大倍率双目镜的高放大倍率以及其它观察特性。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于观察远处物体的光学装置。光学装置包括至少一个物镜系统和至少一个目镜，物镜系统具有入射光瞳直径Ф毫米，该目镜带有用于观测来自至少一个物镜系统中的图像的出射光瞳。光学装置具有大于0.6mm^-1×Ф的放大率，且装置的出射光瞳至少为2毫米。

光学装置还可包括靠近至少一个物镜系统的至少一个传感器和被连接到该传感器的处理器，该传感器用于探测由至少一个物镜系统接收的远处物体的图像，而处理器用于处理图像并将这些图像记录在第一存储部件上。可提供至少一个用于显示记录在第一存储部件上的图像的显示器。至少一个目镜可被连接到至少一个显示器。为了观察至少一个显示器上的图像，使用者将其眼睛中的至少一只眼睛放到至少一个目镜。

另一方面，本发明提供一种通过使用宽光谱范围传感器而优化成在低光线水平下观察到远处物体的光学装置。光学装置包括至少一个物镜系统和至少一个目镜，物镜系统具有24毫米>Ф>10毫米的入射光瞳直径，目镜用于观测来自至少一个物镜系统中的图像。至少一个目镜可具有满足毫米关系的出射光瞳直径在这种构造中，光学装置的放大率可大于12。

在还一方面，本发明提供一种用于调节光学装置的至少两个目镜之间的光瞳间距的滑动机构。滑动机构包括至少一条导轨和用于沿至少一条导轨滑动的行进装置。行进装置可被附连于至少两个目镜中的一个目镜或与其成一体。

在又一方面，本发明提供一种折叠光学光路，由此系统的光学光路通过使用单物镜透镜系统被额外地最小化以实现紧凑性。

在本发明的再一方面，提供连续变焦透镜的使用以增加视场视角。

考虑到下述描述一个或多个实施例的具体的说明和各附图，本发明的其它方面和特征对于本领域的普通技术人员之一是显而易见的。

附图说明

现将参照附图仅以示例的方式描述实施例，附图中：

图1是光学装置的框图；

图2A是具有处于“在使用”位置的可变外部封壳的光学装置的立体图；

图2B是具有处于“存放”位置的可变外部封壳的光学装置的立体图；

图2C是具有为紧凑存放而缩回的透镜镜筒的另一物镜系统的剖视图；

图3A是图1的光学装置的剖切立体图；

图3B是光学装置的内部的剖切立体图，其示出目镜和显示器。

图4是光学装置的内部的立体图，其示出用于调节两个目镜的光瞳间隔的滑动机构。

图5是图4的光学装置的内部的另一立体图，其示出用于调节两个目镜的光瞳间隔的滑动机构；

图6是图4的光学装置的另一立体图，其示出用于图4和5的滑动机构的锁定按钮；

图7是具有可调节焦距的物镜系统的剖视图；

图8是具有可调节焦距的另一物镜系统的剖视图；

图9是具有固定焦距的物镜系统的剖视图；

图10是具有固定焦距的另一物镜系统的剖视图；以及

图11是目镜的剖视图；

相同的附图标记在整个附图中用于表示相同的元件和特征。

尽管结合所述实施例对本发明进行描述，但应当理解这并不意味着本发明仅限于这些实施例。

相反，本发明意在涵盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有更改、改变和等同物。

具体实施方式

图1示出用于观察远处物体的光学装置10的框图，在此描述的实施例可被应用到该光学装置。光学装置10包括至少一个物镜系统12和至少一个传感器14，该传感器与至少一个物镜系统12相邻以持续探测由至少一个物镜系统12所接收的远处物体的图像。光学装置10还包括用于持续处理图像并将这些图像记录在第一存储部件18上的处理器16。处理器16还可在选配地实现数字图像稳定功能。处理器16被连接到用于持续显示记录在第一存储部件18上的图像的一对显示器20。显示器20被联接到用于持续观察图像的一对目镜22。为了持续观察显示器20上的图像，使用者将他们的眼睛放到该对目镜22上(由此实现双目观察)。显示在显示器22上的图像基本上实时地(如对使用者可察觉的)对应于远处物体，如下将更详细所述。

图像可以永久记录在第二存储部件上，其可能是闪存24。使用者可使用录像按钮29触发录像功能。光学装置10还可经由USB端口30或另一合适的接口被连接到外部装置(诸如显示器或膝上型电脑)。

物镜系统12可以是可变焦距的物镜系统。物镜系统12的焦距f₀可使用连续变焦组件30来调节，该连续变焦组件包括电动机驱动器32、连续变焦电动机34和自动对焦(“AF”)单元36。焦距f₀可由使用者使用连续变焦按钮38来调节。下面将进一步详细描述可变焦距的物镜系统的构造。电动机驱动器32和自动对焦单元36可与处理器16集成。

光学装置10还可包括开/关按钮39和各种输入/输出按钮(例如，图形按钮42)。

应予以注意，虽然图1的光学装置是双目系统，但在此描述的实施例还可应用到其它类型的光学装置，诸如望远镜和显微镜。

如图2A和2B所示，光学装置10可具有带有可变外部封壳的外壳50，这样，物镜系统和/或目镜的外表面可由可移动盖子52来保护。图2A是处于“在使用”位置的光学装置10的示意图，该光学装置带有处于打开位置的可移动盖子52。图2B是处于存放位置的光学装置10的示意图，该光学位置带有处于闭合位置的可移动盖子52。根据可移动盖子52的构造，当处于存放位置时，光学装置10可具有比处于“在使用”位置更小的外部封壳。可选择地，光学装置10可被设计成当被移动到其存放位置时立即断电。外壳50可具有圆角54，这使使用者更容易将光学装置10携带在衬衫或裤袋内。

外壳50可具有固定的外部封壳。这种外壳将基本上更稳固、具有更大的整体刚度并从机械角度看复杂性更低(且考虑到需要被制造和组装的部件数量因此更便宜)。具有固定外部封壳的外壳50将更易不受天气影响，这是因为外壳50将通常具有更少的需要与环境密封开来的开口。

如图2B中所示，外壳50的尺寸将被称为长度L1(最长边)、长度L2(第二长边、深度)和长度L3(最短边、高度)。虽然外壳50可以由于光学装置10的构造是任何尺寸(如下面将更详细描述)，但外壳50可以足够小到可放在口袋内，即足够小到装入一条裤子、衬衫等的口袋内。具体来说，为了可放在口袋内，外壳50的长度/深度/高度比(L1:L2:L3)应当大约在1.0:0.6≤0.1:0.25≤0.1(其中L1可以是100－120毫米)。外壳的(L2:L3)应当是约1.0:0.6≤0.1:0.25≤0.1(其中L1可以是100－120毫米)。

L1的值应当足以适应使用者的瞳孔间距。例如，对于64毫米的瞳孔间距(即，成年人的平均瞳孔间距)，考虑到接目罩(eyecup)的尺寸，外壳将具有84毫米的长度L1。然而，为了适应具有更大瞳孔间距的使用者，L1可以如上所述大约是100－120毫米。此外，根据光学装置10的最终用途，外壳50的深度可以是易于由使用者用一只手或两只手抓持的尺寸。

图2C示出具有可缩回透镜镜筒252的可放在口袋内的双目镜的另一实施例。透镜镜筒提供连续变焦特征。

图3A是本发明的光学装置的剖切立体图。物镜系统12的最外面部分可被容纳在镜筒60内。印刷电路板(“PCB”)62、64和66可支承电子部件，诸如处理器16和第一存储部件18(未示出)。除了容纳各种电子部件，PCB62、64和66可提供对光学装置10的结构支承。可以容易地将传感器14(见图1)附连于PCB66，这样，传感器14与物镜透镜系统的光轴对齐。PCB62、64和66还可以是柔性的。传感器14还可设置在内部结构68中，从而以适当的对齐和定位固定传感器14并使传感器14屏蔽于漫射光。

在图3A的剖切部分中，示出物镜系统12的各种透镜。这些透镜被容纳于透镜镜筒60、70和72内。如前所述，透镜可形成可变焦距物镜系统，而使用连续变焦组件30来调节透镜镜筒70和72之间的距离。连续变焦组件30可包括连续变焦电动机34、连续变焦电动机驱动器32且选配地包括(图1中所示的)自动对焦单元36。

光瞳间调节机构

目镜22之间的光瞳间距可调节，使用滑动机构78来实现此调节，而无须采用任何目镜的转动。参考图4，滑动机构78可操作以使一个目镜22A相对于另一目镜22B运动。一个目镜22B可以是固定的。

如图5所述，可移动目镜22A可被附连于行进装置80或与其成一体。目镜22A还可被附连于显示器20中的一个显示器(在图1中示出)，这样，它们可出于光瞳间距调节目的而一起运动。行进装置80可沿至少一条导轨82滑动(示出两条导轨)。目镜22A可被联接到具有用于与锁定机构88配合的一系列齿的棘齿臂86，锁定机构88被附连于光学装置10的任何合适的不运动部分。使用锁定按钮90，使用者可配合锁定机构88并将棘齿臂86在特定的光瞳间调节位置下锁定在位。如图6中所示，外壳50可包括可滑动凸部92，该凸部被联接到用于由使用者手持的滑动机构。目镜22A的运动由图5和6中的双向箭头来表示。

物镜系统

物镜系统12可具有多种不同构造，现在将参考附图7、8、9和10来描述这些构造。附图7和8是可变焦距(连续变焦)系统。连续变焦用于增大视场：当物镜系统12的有效焦距(“f₀”)通过连续变焦减少到较低值时，放大倍率也将减少。图9和10是固定焦距系统。如将所示，物镜系统12的结构将取决于是使用固定还是可变焦距。元件可以如要求是简单的透镜或更复杂的光学部件。此外，各元件可具有不同色散以提供色差校正。可包括各种滤镜、偏光镜、涂层等。

还应予以注意，组成物镜系统12和/或目镜22的接目镜的一个或多个元件可具有一个或两个非球形的表面。非球形透镜元件可由光学塑料材料或玻璃材料构成。透镜元件可使用标准技术和材料被涂覆和被安装在物镜系统12内。

现参考图7，物镜系统12A具有可调节焦距和至少四个透镜子单元，SU1、SU2、SU3和SU4。第一透镜子单元SU1在物镜系统12A的长共轭边上(离传感器14处的图像最远)。第三透镜子单元SU3在第二透镜子单元SU2和第四透镜子单元SU4之间可运动，由此调节物镜系统12A的有效焦距f₀，以增大或减少视场。水平的光学折叠件100可位于第一透镜子单元SU1和第二透镜子单元SU2之间以使光学装置更紧凑。此外，物镜系统的第一透镜元件的光轴可与一个目镜近似对准。

用于物镜系统12A的规定数据示出于下表1中(只要适用的话，空间数据设置成用于f₀＝48mm、f₀＝70mm和f₀＝96mm)。在表1以及其后面的各表中，第一栏列出表面数(SRF)、第二栏列出第一栏(R1,R2,…R17,R18)中所列表面的曲率半径(以毫米示出)，且第三栏列出透镜顶点与光轴相交处元件的厚度(以毫米示出)(或者，只要适用的话，相邻表面之间的间隔)(T1,T2,…T13,T14)。第四栏示出光圈半径(以毫米示出)。第五栏列出介质(例如，塑料或玻璃的类型、空气)。应当予以理解的是，透镜元件可由多种光学材料构成。在表1至5中下方的标题为“介质”下所列的玻璃光学材料按照肖特北美玻璃目录(Schott North America glass catalog)的参考编号来标示。塑料光学材料按照由从拉姆达研究公司(Lambda Research Corporation)(www.lambdares.com)可购得的计算机程序使用的参考系统来标示。表1－5中的非球形数据还参考计算机软件程序来定义。

表1

非球形表面数据

现参考图8，物镜系统12B具有可调节焦距和至少三个透镜子单元，SU1、SU2和SU3。第一透镜子单元SU1在物镜系统12A的长共轭边上(离传感器14处的图像最远)。第二透镜子单元SU2在第一透镜子单元SU1和第三透镜子单元SU3之间可运动，由此调节物镜系统12B的有效焦距f₀，以增大或减少视场。光学折叠件102位于第三透镜子单元SU3和显示器14之间，以使光学装置更紧凑。

用于物镜系统12B的规定数据示出在下表2中(只要适用的话，数据设置成用于f₀＝48mm、f₀＝70mm和f₀＝96mm)。

表2

对称的中心非球形数据

现参考图9，物镜系统12C具有固定焦距和仅仅两个子单元，SU1和SU2。第一透镜子单元SU1在物镜系统12C的长共轭边上(离传感器14处的图像最远)。如所示，第二透镜子单元SU2可位于靠近传感器14，这样，(1)第二透镜子单元SU2的短共轭顶点与传感器14的光感表面的位置之间的距离T4和(2)物镜透镜系统的有效焦距f₀之比小于或等于0.25。这种比率还可小于或等于0.10，或者小于或等于0.05。这种短距离意味着被传送到传感器14的光线的射束直径是较小的，这又减少第二透镜子单元SU2的高制造精度的需要。如果高制造精度的需要减少，则子单元SU2的制造成本也降低。

如所示，第二透镜子单元SU2可由单个透镜元件构成。这样，整个物镜系统12C可包括仅三个透镜元件，这使物镜系统便宜、轻质且易于组装。

物镜系统12C的有效焦距f₀可以在30至90毫米的范围内。第一透镜子单元SU1可具有满足关系式0.75≤f_SU1/f₀≤1.2的有效焦距f_SU1。第二透镜子单元SU2可具有满足关系式|fSU2|/f₀≥3的有效焦距f_SU2。

如果需要，可使用物镜系统12C的其它构造。例如，第一透镜子单元SU1可具有正放大率或负放大率。若第一透镜子单元SU1具有负放大率，则物镜系统12C的长共轭顶点与传感器14的图像平面之间的光学路径将通常更长。如果期望较小总尺寸的外壳50，则光学折叠件可位于第一透镜子单元SU1和第二透镜子单元SU2之间。

下面在表3中阐释物镜系统12C的规定数据。

表3

圆锥和多项式非球形数据

现参考图10，物镜系统12D具有固定焦距和仅仅两个子单元，SU1和SU2。其结构上与物镜系统12E类似。下面在表4中阐释物镜系统12D的规定数据。

表4

多项式非球形数据

上述物镜系统12的每种构造可容纳于可放在口袋内的(上述的)外壳50内。为了如此进行，对于2.4微米≤D_CC≤2微米的传感器14的中心对中心的像素间隔来说，物镜系统12的有效焦距可以是40毫米≤f₀≤100毫米。替代地，对于D_CC<2微米的传感器12的中心对中心像素间隔，物镜系统12的有效焦距可以是30毫米≤f₀≤90毫米。应予以理解的是，在使用具有可变焦距的透镜时，有效焦距f₀对应于最大有效焦距f₀。

为了向使用者提供最大视场和呈可放在口袋内的尺寸的外壳，传感器14必须具有足够的像素数目和/或物镜系统12必须设置有可变焦距(如在构造12A和12B中)。物镜系统12在传感器14处的分辨率取决于入射光瞳的尺寸(直径)和物镜系统12的焦距f₀。假设像素填充因数～100％(即，像素的光电探测器的尺寸相对于像素表面的尺寸)，物镜系统12的入射光瞳直径Ф和单元的焦距f₀必须满足在传感器处罗利(Raleigh)限制的成像的下述方程：

f'₀＝Ф·D_CC/1.22λ

其中，λ是光的波长，对于可见图像则假设为0.550微米。因此，对于具有1至5兆像素的传感器典型的1.75与2.2微米之间的D_CC值，物镜系统12的有效焦距f₀将对于1.75微米的情况小于或等于65毫米，以及对于2.2微米的情况小于或等于82毫米。当然，示例性实施例并不限于1.75与2.2微米之间的D_CC值。

对于特定值f'₀的视场θ定义如下：

f'₀＝h'₀/tanθ

其中，h'₀是图像高度。因此，可确定对于特定传感器的视场和最大分辨能力。如果期望增大视场，则可使用连续变焦物镜透镜，由此焦距减少，视场被增大到更为期望的值。

物镜系统12的入射光瞳直径Ф可在10毫米至24毫米之间。对于可放在口袋内的装置，入射光瞳直径Ф可小于22毫米。为了使物镜透镜的实体直径最小化(由此，使物镜系统12的元件的最大清晰光圈CAmax最小化)，入射光瞳位于靠近物镜系统12的前部。同样，物镜系统12的一个或多个透镜元件的角可被修整，这是因为光学装置10的入射光瞳和出射光瞳并不关联，且由此尽管入射光瞳是矩形的，但可向使用者提供有圆形的出射光瞳。修整一个或多个透镜元件的角并不显著减少到达传感器的光的量。

通过选择f₀以使物镜透镜满足对于具有大于1兆像素的图像传感器来说的罗利(Rayleigh)标准，当使用具有小于1兆像素的典型的显示器时，使用者将不能观察到所有图像传感器像素。然而，物镜的分辨能力可通过使用数字连续变焦而被充分利用。为实现期望的放大率，可这样确定物镜的焦距f₀：

f'₀＝f'_d·MP/DR

其中，f'_d是接目镜的焦距，DR是数量显示比(显示器的宽度与传感器的宽度比)且MP是放大率(图像对使用者的眼睛看来大多少倍的度量)。由于上述构造，对于光学装置10可实现0.6Ф的放大率。

传感器

传感器14(见图1)可以是CCD或CMOS传感器或任何其它合适的传感器。典型的传感器将具有将入射的光子转化成电荷的有效表面以及扫描有效表面来获得单个像素处的电荷量的测量值的合适电子件。传感器可包括有效表面的输入侧上的微型透镜阵列以将主光线引导到有效表面并提高各个像素的填充因数。传感器可设有用于连接到包括电源40在内的其它部件的柔性电缆。

对于可放在口袋内的光学系统10(见图1)，传感器的所占面积可在10毫米×12毫米的量级上，板和安装的传感器及其相关的电子部件和选配微型透镜阵列的厚度可以在1.5毫米的量级上，且因此，传感器所占的总体积可在200立方毫米的量级上。应当予以理解的是，由于要减少外壳50的尺寸，像素的大小会受到限制。更大的像素聚集更多的光且具有更低的噪声水平，但导致相对大的传感器和较大的物镜系统。相似地，更多像素给出更高的分辨率和/或更宽的视场，但更多的像素一般又意味着更大的传感器和更大的物镜系统。显示器20的分辨率要求使传感器尺寸保持相对较小，这是因为像素大小和像素数目的要求并非限制性的。例如，具有像素大小在1.7至2.2微米范围内(中心对中心的测量)和在3至5兆像素范围内的像素数目的传感器14将产生对于显示器20上的录像观看来说足够的分辨率，该显示器具有小于传感器14的像素总数以及用于存储在第二存储部件24中的高质量JPEG和MPEG输出。

从传感器的电子输出可具有各种形式。通常，输出将组成一系列帧，这些帧暂时存储于第一存储部件18(例如，DRAM)内。然后，存储于第一存储部件18上的帧被读出到显示器以产生被观察到的远处物体的连续的图像流(例如，录像)。应当予以注意的是，虽然被显示的图像代表时间上略微更早的点，但时间滞后对使用者来说是无法察觉的，且录像流将看起来像是被观察的远处物体的实况流。

每秒显示的帧数需要足够高以使使用者不会看见图像闪动或运动物体的不连贯运动。在历史上，电影的帧速是24帧/秒，而电视的帧速是25帧/秒。这些帧速对于在可见光条件下具有3至5兆像素级上的CCD和CMOS传感器来说容易实现。帧速随着有效表面上的光的量减少而降低(且如果有更多像素，则帧速的下降将更大)。一般来说，每秒18帧量级上的帧速对于多数使用者还是可接受的。对于非常低的光线条件，帧速可通过探测IR谱带中的光线而非可见光谱带来提高。

为了使使用者能够捕捉特定图像或一系列用于后续使用的图像，光学装置10将通常包括使用者输入装置(例如，录像按钮26)以向处理器16发信号：要求这种动作。然后，处理器16将发信号给第一存储部件18以将接收到的各帧存储在第二存储部件24内。这种存储活动可与在显示器上显示图像同时进行，这样使用者对远处物体的观察不会被打断。

由于将各帧读入第一存储部件18和将图像显示到显示器20上之间的延迟，选择的图像或一系列图像将稍微被延迟。一旦图像捕捉信号被发出，处理器16发送记录在第一存储部件18中的下一帧或下几帧到第二存储部件24(处理器16并不将正在显示的帧发送到第二存储部件24)。由于这种构造，延迟相对较短，且除了快速变化场景的情况之外，在图像捕捉信号被发送到处理器16的同时，记录在第二存储部件24中的图像将基本上与正在显示在显示器20上的图像相同。可使用用于显示和存储图像的其它构造。

显示器

返回参见图1和3B，显示器20可以是反射或透射的微型显示器(透射的微型显示器更小)，其包括带有位于面板后的光源的LCD板。应当予以注意的是，显示器(例如，微型显示器)的制造商一般提供完整的系统，其包括LCD板、光源和用于使LCD运行的合适的电子部件。各部件被安装在PCB66上以形成集成单元。柔性电缆可从PCB66延伸出以使显示器20连接到处理器16和电源40。替代性的结构包括向PCB66提供多个用于与安装在外壳50内的合适的插口配合的销。

每个显示器20可被设置在具有10-15毫米×15量毫米级上的所占面积的PCB69上。PCB69、显示器20、关联的电子部件和光源的厚度可以在7毫米的量级上。因此，由单个显示器所占的总体积可在1000-1500立方毫米的量级上。这样，显示器20可仅占据外壳50的总体积的1－2％的量级(两个显示器占据外壳50的总体积的2－4％的量级)。

可获得多种形式和分辨率水平的微型显示器，诸如SXGA、SVGA、WVGA、VGA、WQVGA和QVGA显示器。一般来说，QVGA和WQVGA显示器比其它形式的更小且更便宜，QVGA显示器最小且最便宜并适于用于光学装置10。然而，如果需要，可使用其它形式，且对于某些场合可以是较佳的，例如WQVGA和WVGA可对为特定场合(诸如，观看运动赛事)而设计的光学装置10提供优点。从处理器16到显示器的输出可以呈并不处于完全分辨率的VGA形式，这是因为分辨率将损失在显示器上，但完全分辨率可被存储到第二存储部件24。

目镜

现参考图11，每个目镜22可包括用于用人类眼睛观察所显示图像的较小的接目镜110。接目镜110包括至少三个元件116、118和120。接目镜110可以允许用于每只眼睛的不同焦距设置。

下面在表5中阐释接目镜的规定数据。

表5

圆锥和多项式非球形数据

返回参见图3A和3B，目镜22还可各包括接目罩114以使使用者的眼睛舒适地放到对于观察显示图像来说合适的位置。接目罩114将减少环境光线对于为使用者提供的图像的影响。接目罩114还将在使用过程中提供参考位置，这样，使用者的眼睛与正被观察的图像很好地对齐。此外，接目罩114可在观察过程中提供一定的稳定性。

接目罩114需要具有足够大的外径以延伸超出使用者角膜，接目罩可配合与眼眶关联的骨头和/或肌肉组织。因此，每个接目罩114在其使用者配合表面处具有约30毫米的直径。接目罩114可收缩以缩小光学装置10的外部封壳。

目镜22具有多项相关的设计限制，这些限制考虑显示器20的特征以及使用者眼睛的特性。关于显示器20的主要可变化内容是：(1)显示器的宽度和高度，该宽度和高度建立目镜22必须具有的视场以向使用者的眼睛提供整个显示器的图像，以及(2)从显示器射出的光线的方向和角展度，其确定在哪里需要目镜22的入射光瞳以及入射光瞳需要包围多大的角展度。

对于典型的微型显示器，目镜22的入射光瞳必须是远心的或近远心的。对于远心的或近远心的入射光瞳，入射光瞳与最靠近显示器20的透镜元件的顶点之间的距离必须至少是目镜22的有效焦距的5倍(目镜22的有效焦距f₀的至少10倍则更佳)。

还对于典型的微型显示器，±6°量级(对应于f数为5)上的从单个像素中射出的光线的角展度以及由此目镜22的入射光瞳可具有对应的角展度以使向使用者提供的光线最大化。用于目镜22的入射光瞳的更大角展度并不提供优点。应当予以理解的是，目镜22的入射光瞳的更小角展度导致目镜22的更小的出射光瞳。更小的出射光瞳可被容忍到一定程度，特别是对于具有足够高的光照度的微型显示器，以使使用者的瞳孔收缩。然而，对使用者来说更难将他/她的眼睛的瞳孔与更小的出射光瞳对齐。

目镜22可提供眼睛间隙(即，最靠近眼睛的透镜元件的顶点与目镜22的出射光瞳之间的距离)，这样，使用者可以将他/她的眼睛的入射光瞳(即，基本上为使用者角膜的表面)放到目镜的出射光瞳处，而没有使用者的睫毛或眼镜和光学装置10的本体之间不期望的配合。例如，对于装备有接目罩的光学装置10，目镜22的出射光瞳需要在接目罩适当地配合使用者眼镜或眼眶之处，即足够近以使接目罩可以提供光学装置10相对于使用者脸部的稳定性，但不会近到在观察时从身体上干扰到使用者。

为了产生显示器20的高对比图像，目镜22的失常可被校正。然而，误差校正的水平并不需要比像素大小好。调制传递函数(MTF)可以在1/2D_CC高于20％和在1/D_CC高于60％。

目镜22可使用折射元件或折射和衍射元件的组合。例如，目镜22可具有与标准望远镜中所用的目镜相似的结构。然而，须予以注意的是，这种目镜通常具有多个透镜元件、受限的眼睛间隙、不适当的视场曲率校正和/或较差的图像质量。

如图11中所示，接目镜110可只具有三个透镜元件。只要透镜元件具有+-+结构(即，只要第一和第三透镜元件具有正放大率且第二元件具有负放大率)，这种构造就可提供非常好的图像质量、低视场曲率和较大的眼睛间隙。最靠近使用者眼睛的正透镜元件116主要提供放大倍率，负极透镜元件118主要提供色像差和视场曲率的校正，且最靠近显示器20的正透镜元件120主要提供眼睛间隙和对于远离接目镜110的目镜22的入射光瞳，即基本上为远心的入射光瞳。最靠近显示器20的正透镜元件120可以是低价的透镜元件，这是因为穿过目镜22的光线在该元件处具有较小的射束直径。如果接目镜110具有正的光学放大率，则将形成显示器20的真实图像。接目镜110还可具有至少一定的负光学放大率以校正色像差和视场曲率。

三个透镜元件116、118和120中的六个表面中的至少一个可以是非球形的。此外，三个透镜元件116、118和120中的六个表面中的三个或更多个可以是非球形的。为了减少目镜22的成本，三个透镜元件中的至少两个可包括光学塑料材料。塑料元件的使用还便于通过使用非球形的模具而形成非球形表面。最靠近使用者眼睛的正透镜元件116可由玻璃制成以减少由于擦伤造成的损失的可能性，但这种透镜还可由塑料制成，例如涂覆有抗擦痕材料的塑料。最靠近使用者眼睛的正透镜元件116是塑料的情况下，所有透镜元件都可以是塑料的，且每个透镜元件可具有至少一个非球形表面。

接目镜110的透镜元件可具有下述特征：

f3/fe≤0.5或f3/fe≤0.4

|f2|/fe≤0.5或|f2|/fe≤0.4

|f2|≤f3

f1/fe≥0.5或f1/fe≥0.75或f1/fe>1.0

d23/fe≤0.1或d23/fe≤0.05)

(ddisplay+d12+d23)/f0≤1.0或(ddisplay+d12+d23)/f0≤0.8或

(ddisplay+d12+d23)/f0≤0.6

其中，ddisplay、d12、和d23是假设使用者的眼睛聚焦在无穷远处而估出的，且fe是接目镜110的有效焦距，f1是正透镜元件120的有效焦距，f2是负透镜元件118的有效焦距，f3是正透镜元件116的有效焦距，d12是透镜元件120与118之间的距离，d23是透镜元件118和116之间的距离，且ddisplay是显示器和第一透镜元件120之间的距离。

为了提供屈光度调节，ddisplay和/或d12可变化。例如，ddisplay可通过使显示器相对于接目镜110运动来变化。替代地，目镜22可相对于显示器14运动。d12可通过使第一元件相对于第二元件和第三元件运动或者通过将第二元件和第三元件相对于第一元件运动或者通过将第一元件和第二元件/第三元件相对于彼此运动来变化。距离d23可在屈光度调节期间保持不变，这是因为这种间隔较小且对于接目镜110的性能是关键的。

屈光度调节可每次在一只眼睛上进行，例如通过在显示器上相继向使用者的每只眼睛提供测试图案或者通过同时向两只眼睛提供测试图案，并指示使用者分开聚焦每只眼睛。一旦使用者已为每个显示器选择合适的设置，屈光度调节可被固定(锁定)。

在量上，正透镜子单元的焦距fPU与接目镜110的有效焦距fe之比可以满足下述关系式之一：

fPU/f_e>1.0或fPU/fe>1.5

应当予以注意的是，在接目镜110具有相对较长有效焦距(例如，大于约25毫米)时可以不要求有正透镜子单元。在这种情况下，可使用仅具有两个透镜元件的接目镜110，该接目镜减少成本但增加目镜22的镜筒长度，并且一般提供相对低质量的图像。

本发明的上述实施例仅是例子而已。在不偏离由所附权利要求所限定的本发明范围的条件下，那些本领域的技术人员可对各特定实施例实现替换、修改和改型。

Claims (4)

1.一种接目镜单元，所述接目镜单元具有将电子显示内容成像到所述眼睛内的较远的入射光瞳，所述接目镜单元包括：正的第一透镜元件；负的第二透镜元件；和正的第三透镜元件，其中，满足下述关系式：

f3/fe≤0.5

|f2|/fe≤0.5

|f2|≤f3

fl/fe>0.5和

d23/fe≤0.1

2.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，满足下述关系式：

f3/fe≤0.4

|f2|/fe≤0.4

fl/fe>1.0

d23/fe≤0.05

3.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，(ddisplay+dl2+d23)/f0≤1.0。

4.如权利要求1所述的接目镜单元，其特征在于，fPU/fe>1.5。