CN113994300A - 提供周围场景的夜间视觉和直接视觉的视觉设备 - Google Patents

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CN113994300A CN202080045109.0A CN202080045109A CN113994300A CN 113994300 A CN113994300 A CN 113994300A CN 202080045109 A CN202080045109 A CN 202080045109A CN 113994300 A CN113994300 A CN 113994300A
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Abstract

一种用于安装在使用者(100)的头部上的视觉设备(100)，其包括：‑夜间视觉装置(110)，该夜间视觉装置用于形成第一虚像；‑偏移组件(120)，该偏移组件用于将该第一虚像投射在该使用者的视场中；‑快门(140)，该快门使得该偏移组件位于该快门与该使用者的眼睛之间，且能够具有打开位置及关闭位置，在该打开位置，该快门允许光通过，在该关闭位置，该快门阻挡该光；‑转换组件(160)，该转换组件能够具有打开位置及关闭位置，该转换组件在打开位置准许发射该第一虚像或向该偏移组件传送该第一虚像，该转换组件在该关闭位置阻挡所述影像发射或所述传送；及‑控制装置(150)，该控制装置用于根据打开周期及关闭周期来控制该快门及该转换组件，使得该快门(140)在该转换组件(160)打开期间的全部或部分时间段上关闭，且反之亦然。

Description

提供周围场景的夜间视觉和直接视觉的视觉设备
技术领域
本发明涉及视场设备，该视场设备旨在安装在使用者的头部上且能够向使用者提供周围场景的直接视图及虚像的视图两者。
背景技术
先前技术中习知眼镜、头戴式组件或屏蔽类型的视觉设备能够安装在使用者的头部上以便向使用者提供通过至少部分透明的屏幕看见的周围场景的视图及虚像的视图两者。此类设备形成扩增实境视觉设备。虚像形成在距眼睛一定距离处，然后通过延伸到眼睛前方的部分透明的偏移组件带至使用者的视场。
基于本发明的思想之一包括通过提出视觉设备来使此概念适于夜间视觉领域，该视觉设备旨在安装在使用者的头部上，能够向使用者提供周围场景的直接视觉及同一场景在夜间视觉中的视图两者。
本发明的另一目的是确保此种视觉设备在低照明条件下使用时提供很好的辨别力(discretion)。
发明内容
此目的通过一种用于安装在使用者的头部上的视觉设备来达成，该视觉设备包括：
-夜间视觉装置，该夜间视觉装置配置成形成一周围场景的增强和/或红外影像，其称为第一虚像；
-偏移组件，该偏移组件为至少部分透明的且配置成在使用时定位于该使用者的一眼睛前方且将所述第一虚像投射在该使用者的视场中；
-快门，该快门并且定位成使得该偏移组件在使用时位于该快门与该使用者的该眼睛之间，且能够具有打开位置及关闭位置，在该打开位置中该快门具有第一透射率，在该关闭位置中该快门具有小于该第一透射率的第二透射率；
-转换组件，该转换组件能够具有打开位置及关闭位置，在该打开位置中该转换组件准许由该夜间视觉装置发射该第一虚像或自该夜间视觉装置向该偏移组件传送该第一虚像，在该关闭位置中该转换组件阻挡所述发射或所述传送；及
-控制装置，该控制装置配置成控制该快门的该打开及该关闭以及该转换组件的该打开及该关闭，使得该快门在该转换组件打开期间的全部或部分时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
在全部文本中，应理解，“时间段”一词是指持续时间或时间间隔。
根据本发明的视觉设备能够向使用者提供至少穿过偏移组件以透明方式看见的周围场景的直接视觉及对应于由夜间视觉装置形成且投射在使用者的视场中的第一虚像作为同一场景的夜间视觉的视图两者。
根据本发明的转换组件可替代地具有打开位置或关闭位置。
在其打开位置中，转换组件准许由夜间视觉装置发射第一虚像或自夜间视觉装置向偏移组件传送第一虚像。然后，来自夜间视觉装置的光辐射可在偏移组件处和/或在使用者的眼睛上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上形成寄生反射。
在其关闭位置中，转换组件阻挡由夜间视觉装置发射第一虚像或自夜间视觉装置向偏移组件传送第一虚像。在此情况下，来自夜间视觉装置的光辐射不能在偏移组件处和/或在使用者的眼睛上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上形成寄生反射。
以相同之方式，根据本发明的快门可替代地具有打开位置或关闭位置。
在其打开位置中，快门允许光自周围场景传递到眼睛，从而向使用者提供周围场景的直接视觉。
在其关闭位置中，快门阻挡光在周围场景与使用者的眼睛之间通过。因此，阻止使用者直接观察周围场景。在此位置中，快门亦阻止观察器看见反射在偏移组件中和/或使用者的眼睛上和/或使用者的位于接近眼睛的面部区中的皮肤上的来自夜间视觉装置的光辐射。快门对寄生反射的此种阻挡在低照明条件下更为重要，在该低照明条件中观察器可容易侦测到寄生反射。
根据本发明的控制装置使得快门可能在转换组件处于打开位置的至少一部分时间期间处于关闭位置。因此，在来自夜间视觉装置的光辐射能够在偏移组件处和/或在使用者的眼睛上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上形成寄生反射的至少一部分时间期间，快门阻止第三观察器看见此等寄生反射。
对称地，根据本发明的控制装置亦使得快门可能在转换组件处于关闭位置期间的至少一部分时间段上处于打开位置。因此，在来自夜间视觉装置的光辐射不能在偏移组件处和/或在使用者的眼睛上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上形成寄生反射的至少一部分时间期间，快门准许向使用者提供周围场景的直接视觉。换言之，在第三观察器无法看见来自夜间视觉装置的光辐射风险的至少一部分时间期间，快门准许向使用者提供周围场景的直接视觉。
因此，视觉设备提供周围场景的直接视图及同一场景在夜间视觉中的视图两者。周围场景的此两种视图并不同时提供给使用者，这使得即使在低照明条件下亦可能保证在使用视觉设备时具有很好的辨别力。
根据本发明，控制装置具有一操作模态，在该操作模态中该控制装置配置成：
-控制打开及关闭该快门的第一连续周期；及
-控制打开及关闭该转换组件的第二连续周期；
其中在每个第一周期及每个第二周期中，该快门在该转换组件打开期间的全部或部分时间段上关闭，且相反该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
有利地，控制装置能够控制打开及关闭该快门的第一连续周期的占空比的变化和/或打开及关闭该转换组件的第二连续周期的占空比的变化。第一周期的占空比等于快门在此第一周期期间处于打开位置的持续时间除以此第一周期的总持续时间。第二周期的占空比等于转换组件在此第二周期期间处于打开位置的持续时间除以此第二周期的总持续时间。
可认为，根据打开及关闭的连续周期进行的控制定义周期性信号，若为这样，该周期性信号所具有的占空比随时间变化。周期性信号较佳地具有固定频率。作为变量，此周期性信号可具有随时间变化的频率。
控制装置可具有一操作模态，在该操作模态中该控制装置配置成控制快门的打开及关闭以及转换组件的打开及关闭，使得快门在转换组件打开期间的整个时间段上关闭，且快门在转换组件关闭期间的整个时间段上打开。
本发明的其他有利特征在从属于权利要求1的权利要求中有所提及。
本发明亦涵盖一种在根据本发明的视觉设备中实施的方法，该方法包括以下步骤：
-打开及关闭该快门，该打开及关闭由该控制装置控制；及
-打开及关闭该转换组件，该打开及关闭由该控制装置控制；
其中该快门在该转换组件打开期间的全部或部分时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
根据本发明的方法包括以下步骤：
-打开及关闭该快门，该打开及关闭由该控制装置控制且根据打开及关闭该快门的第一连续周期进行；及
-打开及关闭该转换组件，该打开及关闭由该控制装置控制且根据打开及关闭该转换组件的第二连续周期进行；
其中在每个第一周期及每个第二周期中，该快门在该转换组件打开期间的全部或部分时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
根据本发明的方法的其他有利特征在权利要求中有所提及。
附图说明
当阅读实施例的描述时，仅出于提供信息而决非限制性目的，参照附图将更好地理解本发明，在附图中：
图1A图解地展示出安装在使用者的头部上的根据本发明的视觉设备；
图1B图解地展示出根据本发明的视觉设备的第一实施例；
图1C图解地展示出图1B的处于第一组态的视觉设备；
图1D图解地展示出图1B的处于第二组态的视觉设备；
图2图解地展示出根据本发明的视觉设备的第二实施例；
图3图解地展示出根据本发明的视觉设备的第三实施例；
图4图解地展示出根据本发明的视觉设备的第四实施例；
图5A图解地展示出在根据本发明的视觉设备中实施的方法；以及
图5B图解地展示出根据本发明的视觉设备的第五实施例。
具体实施方式
图1A图解地展示出安装在使用者10的头部上的根据本发明的视觉设备100。视觉设备100形成能够通过在眼睛的高度处覆盖面部的至少一部分而安装在使用者10的头部上的可穿戴装置。视觉设备100呈例如集成视觉设备100的组件的眼镜、屏蔽或头戴式组件的形式。在使用时，视觉设备100相对于使用者10的头部固定。
在以下附图中，展示出使用者的眼睛，以便促进对本发明的理解。当然，应理解，眼睛并非是根据本发明的视觉设备的一部分。
图1B图解地展示出根据本发明的第一实施例的视觉设备100。在此，视觉设备100包括：夜间视觉装置110、偏移组件120、快门140、转换组件160及控制装置150。
夜间视觉装置110指定用于在低光条件下改善夜间视觉的成像装置。此种装置较佳地使用基于光的增强、热侦测、低照明度侦测(特别是使用CMOS传感器)的技术或此等技术的组合。此种装置配置成获取周围场景的增强和/或红外影像。在此，增强影像指定通过放大入射光通量形成或使用高灵敏度传感器形成的影像。
夜间视觉装置110可包括影像增强管，该影像增强管设置有光电阴极、用于电子倍增的构件及荧光幕。当操作时，光电阴极将入射的光子通量转变为电子通量。此电子通量被加速且传播到用于倍增的构件，每个经加速的入射电子的能量在该用于倍增的构件处致使若干次电子发射。因此生成强电子通量。强电子通量由荧光幕接收且由该荧光幕转变为强光子通量。此强光子通量对应于入射在光电阴极上但更强的光子通量。因此，夜间视觉装置110提供周围场景的增强影像，该增强影像投射在增强管的输出端处。
替代地，夜间视觉装置110可包括传感器矩阵，该传感器矩阵对可见光超灵敏和/或对红外光灵敏以便获取影像，该影像然后被显示在显示屏上。所述传感器矩阵可包括低照明度CMOS或CCD传感器、和/或电子撞击CMOS或CCD传感器、和/或增强型CMOS或CCD传感器、和/或对红外光灵敏的光二极管等。所关注的红外线波段特别是SWIR(短波红外线，对应于在1.4μm至3μm范围内的波长)、MWIR(中波红外线，对应于在3μm至8μm范围内的波长)和/或LWIR(长波红外线，对应于在8μm至15μm范围内的波长)、甚至近红外线(对应于在0.75μm至1.4μm范围内的波长)。因此，夜间视觉装置110提供周围场景的增强和/或红外影像，该增强和/或红外影像被显示在显示屏上。
在夜间视觉装置110的输出端处提供的影像称为“第一虚像”。此影像由属于可见光谱(在400nm与700nm之间)的光辐射形成。换言之，夜间视觉装置110撷取可属于红外光的波长，但在可见光谱中渲染影像。
偏移组件120在夜间视觉装置110的输出端与在使用时位于使用者的眼睛11前方的区域之间延伸。在使用时，偏移组件120的至少一部分在使用者的眼睛11前方延伸。偏移组件120配置成将作为来自夜间视觉装置110的输出提供的第一虚像投射在使用者的视场中。偏移组件在可见光谱中为至少部分透明的，以便防止干扰周围场景的直接视觉。偏移组件在可见光中具有大于或等于10％、甚至大于或等于30％的透射率。
在此，偏移组件120包括平面波导，该平面波导配置成接收由夜间视觉装置110提供的第一虚像作为输入，以便将此等影像引导至在使用时位于使用者的眼睛11前方的提取区且将此等影像投射到使用者的眼睛11。两个全像组件有利地形成在平面波导上，一个全像组件用于在夜间视觉装置110处起到使准直的入射辐射偏离的作用，另一个全像组件用于在提取区处将光散射到使用者的眼睛。
根据未展示的替代方案，偏移组件120可包括棱镜，特别是在使用时至少部分地在眼睛11前方延伸的厚玻璃。
图1B以虚线展示出来自周围场景且传播到夜间视觉装置110的光辐射以及作为夜间视觉装置的输出提供且通过穿过偏移组件120传播到使用者的眼睛的光辐射。
快门140配置成在使用时在使用者的眼睛11前方在偏移组件120的与眼睛111的相对侧上延伸。然后偏移组件120位于快门140与眼睛11之间。快门不一定具有与偏移组件120相同的延伸量。特别是，快门140面向偏移组件的仅在使用时位于使用者的眼睛对面的部分延伸。根据未展示的替代方案，快门可侧向延伸超过偏移组件，特别是用于尽可能地阻挡反射在使用者的眼睛和/或使用者的位于眼睛周围的面部区中的皮肤上的光线。
在此，视觉设备设置有在可见光中至少部分地透明的眼镜类型的屏幕180、或屏蔽幕或头戴式护目镜。在使用时，偏移组件120在屏幕180与使用者的眼睛之间延伸。在此，快门140联接屏幕180且沿着屏幕180的表面的全部或一部分延伸。在此，快门140在屏幕的与偏移组件120的相同侧上抵靠屏幕180延伸。根据未展示的替代方案，快门140在屏幕的与偏移组件120的相对侧上抵靠屏幕180延伸。根据未展示的另一替代方案，不存在与偏移组件分开的屏幕。然后快门140可在与使用者的眼睛的相对侧上抵靠偏移组件120联接。在任何情况下，快门140可沿着非平面表面延伸，例如以遵循屏幕180的曲率。
快门140能够具有在打开位置及关闭位置中的两个位置，在该打开位置中该快门具有第一透射率，在该关闭位置中该快门具有小于第一透射率的第二透射率。较佳地，第一透射率或低比率在可见光中小于1％，且第二透射率或高比率在可见光中大于30％。在任何情况下，第二透射率必须尽可能高，但约30％的比率将不会干扰使用者，只是会给使用者留下穿过略微着色的眼镜看的印象。为了简化，接下来考虑在关闭位置快门阻挡光，及在打开位置快门允许光通过。
快门140可为例如由液晶幕形成的矩阵类型。替代地，快门可为能够通过氧化还原现象响应于电荷的施加而改变颜色及透射率的电致变色类型。该现象是可逆的。快门可在预定时间间隔之后或响应于特低电荷的施加而自动恢复其初始透射率。因此，快门可在此两个位置之间快速地交替，同时仍然具有低能量消耗。
在其关闭位置中，快门140在两个方向上阻挡光通过。因此，来自周围场景的光不会到达使用者的眼睛，使得使用者不会直接看见周围场景。此外，快门140阻止观察器看见穿过偏移组件120传输和/或反射在使用者的眼睛上和/或反射在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上的光辐射，特别是来自夜间视觉装置110的光辐射。在此位置中，使用者不具有周围场景的直接视觉，但该周围场景对于观察器而言亦几乎不可见。
在其打开位置中，快门140在两个方向上准许光通过。在此位置中，来自周围场景的光到达使用者的眼睛，该使用者因此可直接观察到所述场景。此外，观察器可看见穿过偏移组件120和/或反射在使用者的眼睛上和/或反射在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上的光辐射，特别是来自夜间视觉装置110的光辐射。在此位置中，使用者具有周围场景的直接视觉，但该周围场景对于观察器而言亦更加可见。
有利地，根据例如大于或等于50Hz、甚至大于或等于140Hz的频率的周期(其中一个周期的持续时间对应于两次连续改变至打开位置之间的持续时间)，快门140能够在此两个位置之间快速地交替。在任何情况下，快门140有利地能够在此两个位置之间交替，使得使用者由于视网膜持久性而不会感知到此等交替且具有周围场景的持续视觉。快门140亦必须尽可能具有与可穿戴在头部上的装置兼容的质量，具有低能量消耗，与当前使用条件(温度、压力、冲击等)兼容，且提供高消光率。
转换组件160在夜间视觉装置110的输出端处在光于夜间视觉装置110的输出端处循环的方向上设置在偏移组件120的上游。
转换组件160能够具有在打开位置及关闭位置中的两个位置，在该打开位置中该转换组件准许由夜间视觉装置110发射第一虚像或将第一虚像自夜间视觉装置110传送到偏移组件120，在该关闭位置中该转换组件阻挡所述发射或所述传送。
在此，转换组件160由诸如上文所述液晶幕或电致变色类型的快门形成。转换组件配置成根据情况而准许或阻挡将虚像自夜间视觉装置110传送到偏移组件120。可以认为，转换组件160阻挡或准许光通过，即使在实践中，阻挡可简单地对应于第一透射率且准许对应于高于第一透射率的第二透射率时亦是如此。
根据未展示的替代方案，转换组件160配置成对夜间视觉装置110操作光的发射或使光的发射停止进行控制。影像增强管可例如设置有此种转换组件，从而根据可少于1μs的持续时间的周期(其中一个周期的持续时间对应于两次连续改变至操作位置之间的持续时间)而允许管在操作位置(发光)与停止位置(不发光)之间交替。以相同之方式，夜间视觉装置的显示屏可设置有此种转换组件，从而允许屏幕在操作位置(发光)与停止位置(不发光)之间交替。
在其打开位置中，转换组件160准许自夜间视觉装置110向偏移组件120传送第一虚像或简单地由夜间视觉装置110发射第一虚像。在此位置中，使用者看见投射在使用者的视场中的第一虚像。然而，由夜间视觉装置110发射的光辐射在偏移组件120内和/或在使用者的眼睛11上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上形成寄生反射。
在其关闭位置中，转换组件160阻挡自夜间视觉装置110向偏移组件120传送第一虚像或简单地阻挡由夜间视觉装置110发射第一虚像。在此位置中，使用者看不见来自夜间视觉装置的任何影像。由于来自夜间视觉装置的辐射并未到达偏移组件，因此在偏移组件120内和/或在使用者的眼睛11上和/或在使用者的位于眼睛附近的面部区中的皮肤上不存在与此种辐射关联的寄生反射。
控制装置150较佳地包括中央单元，该中央单元具有实施记录在存储器中的程序的处理器。该控制装置配置成控制转换组件160的位置以及快门140的位置，使得快门140在转换组件160打开期间的全部或部分时间段上关闭，且快门140在转换组件160关闭期间的全部或部分时间段上打开。
当转换组件160打开时，根据本发明的视觉设备提供周围场景在夜间视觉中的视图。当快门140打开时，根据本发明的视觉设备在此至少穿过偏移组件120以透明方式提供周围场景的直接视觉。因此，根据本发明的视觉设备可提供周围场景的透明视图及同一场景在夜间视觉中的视图两者。然而，为了保证很好的辨别力，此两种视图并不像先前技术的扩增实境视觉设备的情况一样被同时提出，而是至少部分地交替提出。
根据本发明的视觉设备可具有特别是图1C及图1D中分别所展示的两种组态。
在图1C中，转换组件160准许自夜间视觉装置110向偏移组件120传送第一虚像，且快门140关闭。在此位置中，使用者具有周围场景在夜间视觉中的视图(由于夜间视觉装置110所发射且投射在使用者的视场中的第一虚像所致)，但不具有周围场景的直接视图(由于快门140的关闭位置所致)。由于快门140的关闭位置，因此阻止观察器看见由通过夜间视觉装置110发射的光辐射形成的寄生反射。
在图1D中，转换组件160关闭以使得阻止自夜间视觉装置110向偏移组件120传送第一虚像，且快门140打开。在此位置中，使用者具有周围场景的直接视图。在此位置中，由于第一虚像未投射在使用者的视场中，因此使用者不具有周围场景在夜间视觉中的视图。在此情况下，通过在转换组件160处阻挡由夜间视觉装置110发射的光辐射来阻止形成可由观察器看见的寄生反射。
控制装置150配置成根据第一连续周期而打开及关闭快门140，该第一连续周期各自包括快门140打开的时间段及快门关闭的时间段。通过忽略转换时间，每个周期由此两个时间段中的每一个时间段形成。在每个周期中，快门140将连续地阻止及准许周围场景的直接视觉。较佳地，每个周期持续少于50ms，更佳地，少于5ms，例如约1ms。由于视网膜持久性，因此使用者将持续地具有周围场景的直接视觉。周围场景的此视觉是所谓的自然视觉，而不会减小使用者的视场。第一周期的持续时间定义快门的打开及关闭频率。对于每个第一周期，可将第一占空比定义为等于快门140处于打开位置的持续时间除以此第一周期的总持续时间。有利地，此第一占空比随时间变化。然后，第一占空比的值由控制装置150例如根据经由人机接口接收的指令或者根据使用亮度测量结果(或照明度测量结果)定义的指令来控制。(在整个本文中，“亮度”一词是指照明度。)
同样地，控制装置150配置成根据第二连续周期而打开及关闭转换组件160，该第二连续周期各自包括转换组件160打开的时间段及转换组件160关闭的时间段。通过忽略转换时间，每个周期由此两个时间段中的每一个时间段形成。在每个周期中，转换组件160将连续地阻止及准许周围场景在夜间视觉中的视图。较佳地，每个周期持续少于50ms，更佳地，少于5ms，例如约1ms。由于视网膜持久性，因此使用者将持续地具有周围场景在夜间视觉中的视图。周围场景在夜间视觉中的此视图是所谓的自然视觉，而不会减小使用者的视场。第二周期的持续时间定义转换组件的打开及关闭频率。对于每个第二周期，可将第二占空比定义为等于转换组件处于打开位置的持续时间除以此第二周期的总持续时间。有利地，此第二占空比随时间推移变化。然后，第二占空比的值由控制装置150例如根据经由人机接口接收的指令或者根据使用亮度测量结果(或照明度测量结果)定义的指令来控制。
此外，在每个第一周期及每个第二周期中，快门140在转换组件160打开期间的全部或部分时间段上关闭，且快门140在转换组件160关闭期间的全部或部分时间段上打开。换言之，控制装置150配置成根据连续的周期一起控制转换组件160及快门140，该连续的周期各自包括视觉设备具有图1C的组态的时间段及视觉设备具有图1D的组态的时间段。
较佳地，第一周期及第二周期的频率足够高以向使用者提供如下感觉：周围场景在夜间视觉中的视图及直接视觉中的视图具有连续且同时的视觉。因此，使用者可受益于周围场景的彩色的自然视觉，尽管环境照明度通常不允许这样做，且一起使用时具有很好的辨别力。
较佳地，第一周期及第二周期完全反相。换言之且通过忽略转换时间，在每个第一周期及每个第二周期中，快门140在转换组件160打开期间的整个时间段上关闭，且快门140在转换组件160关闭期间的整个时间段上打开。因此，仅当快门140处于关闭位置时及在快门140处于关闭位置的整个持续时间期间，由偏移组件间断地投射第一虚像。这允许根据本发明的视觉设备产生最大辨别力。这种操作模态在低光条件下(换言之，在低亮度条件下)特别有利。
在其余附图中且为了清晰起见，未展示眼镜的屏幕、屏蔽幕或头戴式护目镜类型。
图2展示出根据本发明的视觉设备200的第二实施例，该视觉设备与图1B至图1D的装置的不同之处仅在于其进一步包括亮度测量组件230或照明度测量组件230。
亮度测量组件230使得可能在可见光谱中相对于周围场景的环境亮度(或环境照明度)进行测量。亮度测量组件配置成获取例如光强度测量结果或照度测量结果。亮度测量组件可由对可见光灵敏的简单光二极管形成或由夜间视觉装置本身(参见图3)形成。
亮度测量组件230连接到控制装置250，以便向控制装置提供环境亮度测量结果(或照明度测量结果)。
控制装置250配置成接收所述环境亮度测量结果作为输入，以便作为响应确定取决于所述亮度测量结果的控制指令，且使用所述控制指令来控制快门240及转换组件260的打开或关闭。
有利地，控制装置250能够控制诸如上文所述的打开及关闭快门240的第一周期以及打开及关闭转换组件260的第二周期，且使得每个第一周期具有在亮度测量结果的值增加时增加的占空比，所述占空比等于快门240在此周期期间处于打开位置的持续时间除以所述周期的总持续时间。
当环境亮度(或环境光)较强时，对快门240的此种控制使得尽可能多地阻挡来自周围场景的光。因此，可能使直接到达使用者的来自周围场景的光的平均量与到达使用者的来自夜间视觉装置的光的平均量相等。因此，保证将视图最佳渲染为夜间视觉以及直接视觉中的视图。当环境亮度较低时，此控制亦使得可能阻挡与来自夜间视觉装置210的光关联的尽可能多的寄生反射。由于此等寄生反射的可见性取决于此等寄生反射与周围场景的光对比度，因此保证了视觉设备200具有很好的辨别力。
较佳地，第一周期及第二周期完全反相。因此，环境亮度越高，越有利于周围场景的直接视觉，且环境亮度越低，越有利于周围场景的夜间视觉。此两种极端情况对应于0或1的占空比(快门240持续地关闭且转换组件260持续地打开，或者相反快门240持续地打开且转换组件260持续地关闭)。
图3图解地展示出根据本发明的视觉设备300的第三实施例，其与图2所展示的实施例的不同之处仅在于夜间视觉装置310亦形成亮度测量组件330。在此情况下，夜间视觉装置310可包括用于使用由夜间视觉装置310的像元中的每一个像元提供的测量结果来计算整个周围场景的平均亮度的模块。替代地，仅夜间视觉装置310的侦测表面的一部分用来形成亮度测量组件330。
图4图解地展示出根据本发明的视觉设备400的第四实施例，其与图2所展示的实施例的不同之处仅在于控制装置450进一步包括存储一或多个亮度阈值(或照明度阈值)的存储器470。这些一或多个阈值一起定义亮度值的至少两个间隔。
控制装置450亦包括比较器451，该比较器451作为输入部连接到存储器470及亮度测量组件430；及处理模块452，该处理模块452连接到比较器451的输出端。
比较器451配置成将由亮度测量组件430提供的亮度测量结果与存储在存储器470中的一或多个阈值进行比较，且由此推导出亮度测量结果所属的亮度值的间隔。将此间隔提供给处理模块452。
处理模块452配置成将每个间隔与视觉设备的预定操作模态相关联，且然后根据所述操作模态来生成控制命令。将所述控制命令提供给快门440及转换组件460。
可能在下文定义例如如下三种操作模态：
当环境亮度较高，大于第一预定阈值时，快门240持续地处于打开位置且转换组件260持续地处于关闭位置；
当环境亮度较低，小于本身小于第一阈值的第二预定阈值时，快门240持续地处于关闭位置且转换组件260持续地处于打开位置；
当环境亮度介于此两个阈值之间时，根据诸如上文所述的连续周期，快门240及转换组件260以完全或部分反相的形式各自交替地处于打开及关闭位置。
因此，当环境亮度无法使用夜间视觉判断时，仅向使用者提供场景的直接视觉。相反，当环境亮度非常低时，仅向使用者提供场景的夜间视觉。在此两者之间，如上文所述结合此两种视觉。
参照图5A及图5B，描述根据本发明的视觉设备500的第五实施例，及在此视觉设备中实施的方法的特别完整的实例。
视觉设备500包括诸如上文所述的夜间视觉装置5101及扩增实境视觉装置5102。
扩增实境视觉装置5102例如连接到未展示的补充传感器，且配置成生成及发射包括视觉指示器的第二虚像，该视觉指示器表示由此等补充传感器提供的测量结果。此等指示器可为位置、高度、速度、方向等的指示器。此种装置亦可包括至少一个相机，该至少一个相机连接到图像处理构件以在由至少一个相机获取的影像上标识出感兴趣的对象，且作为响应生成在其中显露此等感兴趣对象的第二虚像。至少一个相机可包括热相机、夜间视觉相机和/或对可见光灵敏的相机等。装置可包括两个相机，例如热相机及对可见光灵敏的相机；及处理模块，该处理模块用来合并由此两个相机中的每一个相机获取的影像。
此外，偏移组件520能够将第二虚像投射在使用者的视场中。
两个转换组件5601、5602分别设置在夜间视觉装置5101的输出端处及扩增实境视觉装置5102的输出端处。此等转换组件中的每一个转换组件均诸如上文所述。特别地，此等转换组件5601、5602中的每一个转换组件可由液晶幕类型的硬件组件或由信号处理模块形成，该信号处理模块配置成分别由夜间视觉装置5101、扩增实境视觉装置5102直接控制虚像的发射时刻。
控制装置550类似于图4的控制装置，不同之处在于其亦控制与扩增实境视觉装置5102相关联的转换组件5602的打开及关闭。
在此，存储器570存储三个亮度阈值Vs1、Vs2、Vs3，其中Vs1严格地小于Vs2，且Vs2严格地小于Vs3。此三个值一起定义如下亮度值的四个间隔：
超低亮度值的间隔，其中亮度介于零值与Vs1之间(Vs1除外)，
低亮度值的间隔，其中亮度介于Vs1与Vs2之间(Vs2除外)，
高亮度值的间隔，其中亮度介于Vs2与Vs3之间(Vs3除外)，及
非常高亮度值的间隔，其中亮度大于或等于Vs3。
举例来说：
Vs1＝700μlux，则超低亮度值的间隔对应于夜间等级5；及
Vs2＝15mlux，则低亮度值的间隔对应于夜间等级3及4。
在第一步骤51中，亮度测量组件530获取环境亮度测量结果，且将此测量结果Lm发送到控制装置的比较器551。
在步骤52中，比较器551将测量结果Lm与最小阈值Vs1进行比较。
若Lm严格地小于Vs1，则比较器由此推导出值Lm位于超低亮度值的间隔中。在相关联操作模态中，控制装置550控制快门540及转换组件5601、5602，以使得快门540恒定地维持在关闭位置且转换组件5601、5602恒定地维持在打开位置(步骤53)。因此，根据本发明的视觉设备提供很好的辨别力。缺少周围场景的直接视觉并不会造成不利影响，因为此场景未被足够良好地照亮以向使用者提供令人满意的直接视觉。在适用的情况下，可能在成像装置5101、5102中的每一个成像装置的输出端处调适对比度和/或亮度参数，以便向使用者提供最佳视觉舒适度。替代地，在扩增实境视觉装置5102的输出端处的转换组件5602可维持在关闭位置。
若Lm大于或等于Vs1，则在步骤54处，比较器将亮度值Lm与阈值Vs2进行比较。
若Lm严格地小于Vs2，则比较器由此推导出值Lm位于低亮度值的间隔中。在相关联操作模态中，控制装置550根据诸如上文所述的打开及关闭的连续周期较佳地以完全反相的形式来控制快门540及转换组件5601。较佳地，控制装置550以与转换组件5601相同的方式控制转换组件5602。如上文所解释，因此确保了根据本发明的视觉设备具有很好的辨别力，同时仍然向使用者提供除虚像的视觉之外的周围场景直接视觉。
若Lm大于或等于Vs2，则在步骤56处，比较器将亮度值Lm与阈值Vs3进行比较。
若Lm严格地小于Vs3，则比较器由此推导出值Lm位于高亮度值的间隔中。在相关联操作模态中，控制装置550控制快门540，以使得该快门恒定地维持在打开位置(步骤57)。较佳地，控制装置控制与夜间视觉装置相关联的转换组件5601，以使得该转换组件恒定地维持在关闭位置。实际上，在此等亮度条件下，夜间视觉对于使用者而言毫不感兴趣。较佳地，控制装置控制与扩增实境视觉装置相关联的转换组件5602，以使得该转换组件恒定地维持在打开位置。因此，根据扩增实境视觉的原理，提供周围场景的直接视觉，通过来自补充传感器的信息来丰富该直接视觉。在适用的情况下，可能调适由扩增实境视觉装置提供的虚像的对比度和/或光强度参数，以便向使用者提供最佳的视觉舒适度。
若Lm大于或等于Vs3，则比较器由此推导出值Lm位于非常高亮度值的间隔中。在相关联操作模态中，控制装置550根据打开及关闭的连续周期来控制快门540的打开及关闭，以便限制环境光对使用者产生盲眩(步骤58)。较佳地，控制装置控制与夜间视觉装置相关联的转换组件5601，以使得该转换组件恒定地维持在关闭位置。实际上，在此等亮度条件下，夜间视觉对于使用者而言毫不感兴趣。较佳地，控制装置控制与扩增实境视觉装置相关联的转换组件5602，以使得该转换组件恒定地维持在打开位置；或者根据打开及关闭的连续周期来控制转换组件5602，以允许该转换组件5602在快门540处于关闭位置的至少一部分时间间隔期间处于打开位置。因此，通过减少当虚像投射在使用者的视场中时到达使用者的眼睛的光量来改善投射到使用者的虚像的可见性。
有利地，当视觉设备500的电池的电荷低于预定阈值时，控制装置550可转换到与超低亮度值的间隔相关联的操作模态。因此，最大程度地限制了视觉设备500的能量消耗。
根据视觉设备是否包括或不包括扩增实境视觉装置、具有或不具有相关联转换组件，可实施此方法的许多替代方案。
根据又其他替代方案，该方法不包括上文所述的全部操作模态。
本发明并不限于上文所述的实例，且可在不脱离本发明的范围的情况下实施视觉设备及相关联方法的许多替代方案。
例如，在所展示的实例中的每一个实例中，夜间视觉装置及快门在使用时位于偏移组件的相同侧上、与眼睛的相对侧上。替代地，在偏移组件设置在夜间视觉装置与快门之间的情况下，偏移组件可部分反射。
根据又其他替代方案，根据本发明的视觉设备不包括眼镜的屏幕、屏蔽幕或头戴式装置护目镜类型。
在其中控制装置连接到亮度测量组件的实施例中的每一个实施例中，控制装置可设置有用来从根据由亮度测量组件提供的亮度测量结果进行的自动控制转换到根据由使用者经由人机接口提供的指令进行的手动控制的转换器。根据又其他替代方案，控制装置并未连接到亮度测量组件，且包括人机接口以仅用于手动控制，特别是对与快门的打开及关闭和/或转换组件的打开及关闭相关联的占空比的控制。
视觉设备可包括一或两个组件，每个组件包括夜间视觉装置、偏移组件、快门及转换组件，且每个组件分配予使用者的两只眼睛中的一只眼睛。对于两个组件中的每一个组件，快门及转换组件的个别打开及关闭周期可在时间上发生偏移。这使得可能减少可能不利地影响使用者的舒适度的移动假影或其他不便之处。在适用的情况下，各自与两只眼睛中的一只眼睛相关联的快门可由单件一起形成。同样地，各自与两只眼睛中的一只眼睛相关联的转换组件可作为单件一起形成。根据又其他替代方案，可将包括夜间视觉装置、偏移组件、快门及转换组件的单个组件分配给使用者的两只眼睛。
可能根据对应转换组件的占空比在根据本发明的夜间视觉装置的输出端处调适光强度，以便补偿与夜间视觉装置的输出端的部分消光关联的亮度损失。亦可根据环境亮度在夜间视觉装置的输出端处调适光强度，以便改善投射到使用者的虚像的可见性。特别地，可能调整增强管的增益或显示屏的亮度。
在适用的情况下，可将快门在空间上划分成若干区，以便根据例如由夜间视觉装置提供的亮度的空间分布来局部地阻挡光。因此，可能从环境中滤除存在于视场中且可干扰虚像的令人不舒适或令人疲倦的强光源。
当根据本发明的视觉设备包括与使用者的同一只眼睛相关联的夜间视觉装置及扩增实境视觉装置两者时，此两种装置有利地与相同的偏移组件相关联。然而，它们中的每一者可能具有个别偏移组件。可将个别偏移组件分配给此两种装置中的每一种装置。替代地，相同的转换组件与此两个装置相关联。较佳地，将相同的快门分配给此两种装置中的每一种装置。

Claims (13)

1.一种用于安装在使用者(100)的头部上的视觉设备(100；200；300；400；500)，其包括：
夜间视觉装置(110；310；5101)，该夜间视觉装置配置成形成一周围场景的增强和/或红外影像，其称为第一虚像；及
偏移组件(120；520)，该偏移组件为至少部分透明的且配置成在使用时定位于该使用者的一眼睛前方且将所述第一虚像投射在该使用者的视场中；
快门(140；240；440；540)，该快门使得更多或更少的光能够在该周围场景与该使用者的该眼睛之间通过，并且定位成使得该偏移组件在使用时位于该快门与该使用者的该眼睛之间，且能够具有打开位置及关闭位置，在该打开位置，该快门具有第一透射率，在该关闭位置，该快门具有小于该第一透射率的第二透射率；
转换组件(160；260；460；5601)，该转换组件能够具有打开位置及关闭位置，该转换组件在其打开位置准许由该夜间视觉装置发射该第一虚像或自该夜间视觉装置向该偏移组件传送该第一虚像，该转换组件在其关闭位置阻挡所述发射或所述传送；及
控制装置(150；250；450；550)，该控制装置配置成控制该快门的该打开及该关闭以及该转换组件的该打开及该关闭；
特征在于，该控制装置(150；250；450；550)具有一如下的操作模态：在该操作模态，该控制装置配置成：
控制打开及关闭该快门(140；240；440；540)的第一连续周期；及
控制打开及关闭该转换组件(160；260；460；5601)的第二连续周期；
其中在每个第一周期及每个第二周期中，该快门(140；240；440；540)在该转换组件(160；260；460；5601)打开期间的全部或部分时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
2.如权利要求1所述的视觉设备(100；200；300；400；500)，其中该控制装置(150；250；450；550)具有一如下的操作模态：在该操作模态，该控制装置配置成控制该快门的打开及关闭以及该转换组件的打开及关闭，使得在每个第一周期及每个第二周期中，该快门(140；240；440；540)在该转换组件(160；260；460；5601)打开期间的整个时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的整个时间段上打开。
3.如权利要求1或2所述的视觉设备(200；300；400；500)，其中该视觉设备进一步包括亮度测量组件(230；330；430；530)，该亮度测量组件用于获取该视觉设备的外部环境中的亮度测量结果，且其中，该控制装置(250；450；550)具有一如下的操作模态：在该操作模态，该控制装置配置成接收由该亮度测量组件获取的亮度测量结果作为输入，及根据所述亮度测量结果来控制该快门的该打开及该关闭以及该转换组件的该打开及该关闭。
4.如权利要求3所述的视觉设备(200；300；400；500)，其中该控制装置(250；450；550)具有一如下的操作模态：在该操作模态，该控制装置配置成：
控制打开及关闭该快门(240；440；540)的第一连续周期；及
控制打开及关闭该转换组件(260；460；5601)的第二连续周期；
其中在每个第一周期及每个第二周期，该快门(240；440；540)在该转换组件打开期间的全部或部分时间段上关闭，且相反该快门在该转换组件(260；460；5601)关闭期间的全部或部分时间段上打开；
且其中每个第一周期具有当该亮度测量结果的值增加时增加的占空比，所述占空比等于该快门(240；440；540)在此周期期间处于打开位置的持续时间除以所述周期的总持续时间。
5.如权利要求3或4所述的视觉设备(400；500)，其中该控制装置进一步包括：
存储器(470；670)，该存储器存储多个阈值；及
比较器(451；551)，该比较器配置成将该亮度测量结果与所述阈值中的至少一个进行比较；
且其中该控制装置(450；550)配置成：根据多种预定操作模态中的一种操作模态并根据由该比较器(451；551)提供的至少一个比较结果进行操作，其中多种操作模态因用于控制该快门(440；540)及该转换组件(460；5601)的对应规则而不同。
6.如权利要求3至5中任一项所述的视觉设备(200；400；500)，其中该亮度测量组件(230；430；530)包括与该夜间视觉装置分开的光传感器(210；410；5101)。
7.如权利要求3至5中任一项所述的视觉设备(300)，其中该亮度测量组件(330)由该夜间视觉装置(310)的至少一部分形成。
8.如权利要求1至7中任一项所述的视觉设备(500)，其中其进一步包括扩增实境视觉装置(5102)，该扩增实境视觉装置配置成生成称为第二虚像的影像，且其中该偏移组件(520)配置成进一步将所述第二虚像投射在该使用者的视场中。
9.在如权利要求1至8中任一项所述的视觉设备(100；200；300；400；500)中实施的方法，其中，该方法包括以下步骤：
打开及关闭该快门(140；240；440；540)，该打开及关闭通过该控制装置控制且根据打开及关闭该快门的第一连续周期进行；及
打开及关闭该转换组件(160；260；460；5601)，该打开及关闭通过该控制装置控制且根据打开及关闭该转换组件的第二连续周期进行；
其中在每个第一周期及每个第二周期中，该快门(140；240；440；540)在该转换组件(160；260；460；5601)打开期间的全部或部分时间段上关闭，且相反该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述打开及关闭该快门(240；440；640)的步骤以及打开及关闭该转换组件(260；360；460；6101,6602)的步骤被实施而使得：该快门(140；240；440；540)在该转换组件(160；260；460；5601)处于该打开位置期间的整个时间段上处于该关闭位置，且该快门在该转换组件处于该关闭位置期间的整个时间段上处于该打开位置。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述方法在进一步包括亮度测量组件的视觉设备(200；300；400；500)中实施，且其中所述方法包括以下步骤：
由该亮度测量组件(230；330；430；530)获取该视觉设备的外部环境中的亮度测量结果；
由该控制装置(250；450；550)接收所述亮度测量结果；及
打开或关闭该快门(240；440；540)及打开或关闭该转换组件(260；460；5601)，该打开或关闭该快门及打开或关闭该转换组件由该控制装置根据所述亮度测量结果进行控制。
12.如权利要求11所述的方法，其中其包括以下步骤：
打开及关闭该快门(240；440；540)，该打开及关闭由该控制装置控制且根据打开及关闭该快门的第一连续周期进行；及
打开及关闭该转换组件(260；460；5101)，该打开及关闭由该控制装置控制且根据打开及关闭该转换组件的第二连续周期进行；
其中在每个第一周期及每个第二周期中，该快门(240；440；540)在该转换组件(260；460；5601)打开期间的全部或部分时间段上关闭，且该快门在该转换组件关闭期间的全部或部分时间段上打开；
且其中每个第一周期具有当该亮度测量结果的值增加时增加的占空比，所述占空比等于该快门(240；440；540)在此周期期间处于打开位置的持续时间除以所述周期的总持续时间。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中其包括以下步骤：
将由该亮度测量组件(430；530)获取的该亮度测量结果(Lm)与所谓的超低阈值(Vs1)进行比较；
当所述亮度测量结果(Lm)小于该超低阈值(Vs1)时，通过该控制装置(450；550)的控制使该快门(440；540)维持在该关闭位置及使该转换组件(5601)维持在该打开位置。
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