CN115516359A - 用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置和方法 - Google Patents

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CN115516359A CN202180033478.2A CN202180033478A CN115516359A CN 115516359 A CN115516359 A CN 115516359A CN 202180033478 A CN202180033478 A CN 202180033478A CN 115516359 A CN115516359 A CN 115516359A
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马农·罗斯蒂库斯
克里斯蒂安·马尔特
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Abstract

一种用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置，包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置包括位于第一显示器前面的第一光学装置。第一光学装置包括至少一个透镜。附加地，可头戴式显示装置包括构造为将第一显示器紧固到用户的头部的安装结构。可头戴式显示装置构造为，如果安装结构被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置观看第一显示器时允许从用户的第一只眼睛到第一显示器外部的用户的视场中的物体的直接视线。显示方向与直接视线之间的角度小于50°，并且显示方向与第一显示器正交。

Description

用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置和方法
技术领域
示例涉及在可头戴式显示器上显示显微镜图像，并且尤其涉及用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置和方法。
背景技术
显微外科手术通常需要手术区域的无失真放大立体视图。数字立体显微镜可以提供手术区域的这种视图。图像可以通过显微镜处的目镜被观看，或可以被显示在外部屏幕上或通过可头戴式显示器被显示。
发明内容
实施例涉及一种用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置包括位于第一显示器前面的第一光学装置。第一光学装置包括至少一个透镜。附加地，可头戴式显示装置包括构造为将第一显示器紧固到用户的头部的安装结构。可头戴式显示装置构造为，如果安装结构被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置观看第一显示器时允许从用户的第一只眼睛到第一显示器外部的用户的视场中的物体的直接视线。显示方向与直接视线之间的角度小于50°，并且显示方向与第一显示器正交。
通过允许用户在使用可头戴式显示装置时到物体的直接视线，与完全或几乎完全阻挡用户的视域的显示装置相比，用户更方便地与他的直接环境(例如，与其它人或工具)交互。
另一实施例涉及用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置包括构造为将第一显示器紧固到用户的头部的安装结构。安装结构包括鼻部件，鼻部件构造为将第一显示器与用户的第一只眼睛对齐。此外，安装结构构造为通过鼻部件将可头戴式显示装置的小于40％的重量支撑在用户的鼻部上。
鼻部件可以实现显示器与用户的眼睛的稳定的对齐。以此方式，可以显著地减少或甚至完全避免显示器相对于用户的眼睛的未对齐和移动。另一方面，安装结构使得可头戴式显示装置的重量的主要部分能够支撑在用户的头部上，而不是在鼻部上。以此方式，可以实现高的佩戴舒适性。
另一实施例涉及用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置包括构造为将第一显示器紧固到用户的头部的安装结构。附加地，可头戴式显示装置包括位于第一显示器前面的第一光学装置。第一光学装置包括三个透镜。此外，三个透镜中的至少一个透镜是非球面透镜。
通过在显示器和用户的眼睛之间使用至少三个透镜，可以获得关于放大率和像差的良好光学性能。通过使用至少一个非球面透镜，与仅使用球面透镜的系统相比，可以显著地减小光学装置的尺寸和重量。因此，可以提供具有小尺寸、低重量和良好光学性能的可头戴式显示装置。
附图说明
下面将仅通过示例的方式并且参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中
图1是可头戴式显示装置的示意图；
图2是包括两个显示器的另一种可头戴式显示装置的示意图；
图3是允许调节瞳孔间距的另一种可头戴式显示装置的示意图；
图4a是处于第一状态的另一种可头戴式显示装置的示意图；
图4b是处于第二状态的图4a的可头戴式显示装置的示意图；
图5a是另一种可头戴式显示装置的侧视图；
图5b是图5a的可头戴式显示装置的前视图；
图5c是另一种可头戴式显示装置的侧视图；
图5d是图5c的可头戴式显示装置的侧视图；
图5e是图5c的可头戴式显示装置的侧视图；
图5f是另一种可头戴式显示装置的侧视图；
图5g是图5f的可头戴式显示装置的侧视图；
图5h是图5f的可头戴式显示装置的侧视图；
图6是用户视域的图示；
图7是另一种可头戴式显示装置和显微镜系统的示意图；
图8是具有鼻部件的可头戴式显示装置的示意图；
图9是具有包括至少三个透镜的光学装置的可头戴式显示装置的示意图；
图10是用于可头戴式显示装置的光学装置的示意图；以及
图11是用于显示从显微镜接收的图像的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述各个示例，附图中示出了一些示例。在图中，为了清楚起见，区域、层和/或线的厚度会被夸大。
图1示出了根据实施例的用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置100包括构造为显示物体14的部分的第一图像的第一显示器10，第一图像是从显微镜12接收的。此外，可头戴式显示装置100包括位于第一显示器10前的第一光学装置30。第一光学装置30包括至少一个透镜32。附加地，可头戴式显示装置100包括构造为将第一显示器10紧固到用户的头部的安装结构20。可头戴式显示装置100构造为，如果安装结构20被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置观看第一显示器10时，允许从用户的第一只眼睛到第一显示器10外部的用户的视场中的物体14的直接视线16。显示方向18与直接视线之间的视角小于50°(或小于45°或小于40°)，并且显示方向18与第一显示器10正交。
例如，由于第一显示器10、第一光学装置30的尺寸和/或几何形状和/或第一光学装置30到用户的眼睛的位置和/或距离，可头戴式显示装置100可以允许到物体14的直接视线16。通过使用如下所述的第一显示器10和/或第一光学装置30，显示器和光学装置的尺寸可以保持得小和/或到眼睛的距离可以保持得大，使得例如可以实现视角小于50°的直接视线。以此方式，在用户观看显示器上的第一图像时，用户可以具有对第一显示器10外部周围处的物体的不受阻挡的视域。例如，当在显示器上观看手术部位的放大时，脑外科医生可以具有在显示器外部的到患者的身体或头部和/或到他的手中或接近患者的头部的工具的直接视线。以此方式，与被阻挡的周围视域相比，外科医生可以对他的环境具有好得多的控制和/或理解。
例如，直接视线16可以是用户的眼睛(例如，用户的眼睛的瞳孔)与物体14之间的直线，在其间没有任何不透光或不透明的结构或在其间根本没有任何结构。用户的视场在第一显示器10和/或第一光学装置30外部可以不被阻挡。如果用户通过第一光学装置30在第一显示器10上观看图像，则用户仍然能够在大于50°(或大于45°或大于40°)的视角处看到他的环境。例如，在显示方向18和直接视线16之间测量视角。显示方向18可以与第一显示器10的前侧正交。例如，显示方向18可以在第一显示器10的中心处与第一显示器10的前侧正交。可头戴式显示装置100可以构造为在显示方向18与用户的第一只眼睛对齐时，允许从用户的第一只眼睛到第一显示器10外部的用户的视场中的物体14的直接视线16。例如，可头戴式显示装置100可以构造为允许在第一显示器10周围的至少180°(或至少160°或至少140°)的范围上的直接视线16。可头戴式显示装置100可以构造为允许至少在第一显示器10下方的直接视线16。
安装结构20构造为将第一显示器10紧固、固定、附连和/或安装到用户的头部。安装结构20可以包括各种结构特征以使得能够将可头戴式显示装置100牢固且稳定地安装在用户的头部上。例如，安装结构20可以包括头带、头部带、可调节的框架和/或头部悬挂装置，它们构造为将可头戴式显示装置10的重量分布在用户的头部上。安装结构20可以构造为支撑第一显示器10的重量(例如，全部的重量)。安装结构20可以构造为将可头戴式显示装置的小于40％(或小于50％、小于30％或小于20％)的重量支撑在用户的鼻部上或不将可头戴式显示装置的重量支撑在用户的鼻部上(例如，通过鼻部件)。通过减少在用户的鼻部上的重量，可以显著地增加可头戴式显示装置10的佩戴舒适性，同时仍然可以确保可头戴式显示装置10的稳定性和/或与眼睛的对齐。例如，安装结构20可以包括对齐件(例如，鼻部件)，该对齐件构造为在被紧固到用户的头部时控制可头戴式显示装置10与用户的对齐。通过例如由鼻部件来控制可头戴式显示装置10与用户的眼睛的对齐，可以提高稳定性和/或可以减少由于移动而导致的不对齐。安装结构20可以构造为允许调节第一显示器10的位置以适应用户的瞳孔间距。以此方式，可以改进第一光学装置30和第一显示器10的位置与用户的眼睛的对齐。
第一光学装置30可以包括光学元件(例如，至少一个透镜)，以便为用户在第一显示器10上放大图像。第一光学装置30可以附接(例如，胶合)到第一显示器10的前表面。例如，第一显示器10的显示方向可以平行于第一光学装置30的光轴。第一光学装置30的至少一个透镜可以是非球面透镜。与球面透镜相比，非球面透镜可以实现减小尺寸和重量。例如，第一光学装置30可以包括至少三个透镜。三个透镜可以实现关于放大率和像差的良好光学性能。例如，第一光学装置30包括至少三个非球面透镜。非球面透镜与球面透镜相比可以实现减小尺寸和重量，而三个透镜可以实现关于放大率和像差的良好光学性能。附加地或替代地，第一光学装置30可以构造为允许对其屈光度进行调节。以此方式，用户可以能够使装置适应于他个人的眼睛。
例如，可头戴式显示装置100可以构造为，如果安装结构20被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置30观看第一显示器10时，允许从用户的第一只眼睛到第一光学装置30外部的用户的视场中的物体14的直接视线16。第一光学装置30的光轴与直接视线之间的视角可以小于50°(或小于45°或小于40°)。例如，可以在第一光学装置30的光轴与直接视线16之间测量小于50°的视角。
可头戴式显示装置100还可以包括构造为显示物体的部分的第二图像的第二显示器40。第二图像可以从显微镜被接收。第一图像和/或第二图像可以是来自显微镜的实况图像流的部分。第二显示器40可以以与第一显示器10相同或相似的方式附接至安装结构20。第二显示器40可以相对于第一显示器10定位，使得用户可以用第一只眼睛观看第一显示器10，并且用第二只眼睛观看第二显示器40。安装结构20可以构造为将第二显示器40紧固到用户的头部。第一图像和/或第二图像可以通过有线或无线连接被传输到可头戴式显示装置100。
第一显示器10和/或第二显示器40可以是LCD显示器(液晶显示器)、TFT显示器(薄膜晶体管显示器)或OLED显示器(有机发光二极管显示器)。第一显示器10和/或第二显示器40的显示器对角线可以为至少0.5英寸(或至少0.6英寸)和/或为至多1英寸(或至多0.8英寸)。
通过使用两个独立的显示器，显示器之间的距离可以是可调节的。例如，安装结构20可以构造为允许调节第一显示器10到第二显示器40的距离。以此方式，用户可以调节两个显示器之间的距离以适应用户的个人瞳孔间距。
替代第二显示器，第一显示器10的第一部分构造为显示物体的部分的第一图像，并且第一显示器10的第二部分构造为显示物体的部分的第二图像。例如，第一显示器10构造为在分屏模式下工作，其中显示器的第一部分为用户的第一只眼睛示出图像，并且显示器的第二部分为用户的第二只眼睛示出图像。通过使用单个显示器，可以减少可头戴式显示装置100的部件的数量。
与使用两个显示器还是单个显示器无关，第一图像和第二图像可以构造为允许立体视觉。用户可以在同时用第一只眼睛观看第一图像并且用第二只眼睛观看第二图像时获得物体或物体的部分的三维感。
物体14可以是人体、人体的部分(例如，头部或胸部)、手术的部位或微电子装置(例如，半导体芯片)。用户可以是外科医生或需要物体的放大图像的任何其它人。
例如，在周围视域中可以看到显示器上示出的相同的物体。例如，第一图像可以示出物体的表面的一部分，并且物体的表面或物体的表面的另一部分可以处于显示器外部的用户的视场中。例如，在手术期间，第一图像可以示出人脑的表面的部分，并且人脑的表面也可以在周围视域中被用户看到。
周围视域可以不限于可头戴式显示装置100的外部和下方的方向。还可以向上看(例如，具有一些限制)并且看向内部方向(例如，朝向鼻部)。例如，这可以通过在眼睛的观看方向的同轴方向上布置显示器来实现。即使周围观看性能在这些附加方向上可能不理想，但也可以给用户与其环境交互的机会。
可头戴式显示装置100还可以被称为数字观看器或数字目镜。可头戴式显示装置100可以是能够被佩戴在用户的头部上并且具有用于向用户示出图像、视频和/或实况流的显示器的装置。可头戴式显示装置100可以包括各种附加的可选部件，例如能量存储装置(例如，一个或更多个移动电源)和/或接收器(例如，一个或更多个无线图像接收器)。例如，能量存储装置可以为第一显示器10提供电源和/或可以附接到可头戴式显示装置100的安装结构20或可以附接到用户的除头部之外的部分(例如，通过腰带或臂带)。接收器可以是有线或无线接收器。例如，可头戴式显示装置100可以构造为无线地接收图像。接收器可以构造为接收待由第一显示器10显示的图像。可头戴式显示装置100可以构造为使得在使用可头戴式显示装置100时，至多600g(或至多700g、至多500g或至多400g)的重量支撑在用户的头部上。可头戴式显示装置100的总重量可以更大，但是其余的重量(例如，对于能量存储装置和/或接收器)可以由用户的身体的其它部分承载(例如，通过腰带或臂带)。
例如，可头戴式显示装置的延迟可以是至多70ms(或至多90ms、至多60ms或至多50ms)。延迟可以是在可头戴式显示装置100的接收器处接收图像与在第一显示器和/或第二显示器上显示图像之间的时间。通过针对接收器和/或显示器和/或附加的图像处理部件使用快速电气部件，可头戴式显示装置100可以能够显示物体14的至少一部分的实况或实时的图像或视频流。
可头戴式显示装置100可以与不同类型的显微镜一起使用。可头戴式显示装置100可以利用合适的接口连接到任何显微镜。例如，显微镜12可以是仅具有一个相机的数字立体显微镜或数字显微镜，以在2D中使物体可视化(例如，来自单个相机的图像可以被复制，并且该唯一的图像可以被注入两个显示器中，或如果仅实施一个显示器，则仅注入一个通道中)。显微镜不是可头戴式显示装置100的部分。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图2-11)提及可头戴式显示装置100的更多细节和方面。可头戴式显示装置100可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图2示出了根据实施例的包括两个显示器的可头戴式显示装置200的示意图。可头戴式显示装置200可以实施成类似于结合图1描述的实施方式。第一显示器10和第二显示器40可以附接到安装结构20。第二显示器40可以相对于第一显示器10定位，使得用户可以用第一只眼睛观看第一显示器10并且用第二只眼睛观看第二显示器40。第一光学装置30安装在第一显示器10的前侧，并且第二光学装置50安装在第二显示器40的前侧。第一光学装置30和第二光学装置50可以包括一个或更多个光学元件(例如透镜)。第二光学装置50可以实施成在透镜的数量和类型方面与第一光学装置30类似或相同。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1或图3-图11)提及可头戴式显示装置200的更多细节和方面。可头戴式显示装置200可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图3示出了根据实施例的允许调节瞳孔间距的可头戴式显示装置300。可头戴式显示装置300可以实施成类似于结合图2描述的实施方式。另外，安装结构20构造为允许调节第一显示器10到第二显示器40的距离。以此方式，用户可以调节两个显示器之间的距离以适应个人的瞳孔间距。此外，第一光学装置30可以构造为允许对其屈光度进行调节。例如，一个或更多个光学元件(例如透镜)到显示器之间的距离可以是可调节的。以此方式，用户可以能够使装置适应于他个人的眼睛。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图2或图4a-图l1)提及可头戴式显示装置300的更多细节和方面。可头戴式显示装置300可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图4a和图4a示出了根据实施例的可头戴式显示装置400。可头戴式显示装置400可以实施成类似于结合图1、图2或图3描述的实施方式。另外，可头戴式显示装置400构造为允许将第一显示器10从用户的视场至少部分地移除。例如，第一显示器10可以手动地或自动地可旋转或可滑动，以至少部分地离开用户的视域。例如，安装结构20可以构造为响应于识别的事件(例如，接收由用户或由事件的自动检测引起的控制信号)自动地移除第一显示器10。图4a示出了处于第一状态(例如，正常使用阶段)的可头戴式显示装置400。在第一状态中，第一显示器10的显示方向和/或第一光学装置30的光轴可以与用户的眼睛对齐。例如，在第一状态中，第一光学装置30的光轴穿过用户的眼睛的瞳孔。图4b示出了处于第二状态(例如，移除状态)的可头戴式显示装置400。在第二状态中，用户可以具有到处于用户的视场的中心的物体的直接和/或未受阻挡的视线。在第二状态中，第一显示器10和第一光学装置30位于某一位置，使得第一显示器10的显示方向和/或第一光学装置30的光轴不与用户的眼睛对齐。在第二状态中，第一光学装置30的光轴例如不延伸到用户的眼睛。安装结构20可以包括铰链28，铰链28构造为将第一显示器10从用户的视场至少部分地移除，如图4a和4b所示。第一显示器10可以机械地连接到铰链28。替代地或附加地，安装结构20可以包括滑动机构，滑动机构构造为将第一显示器10从用户的视场至少部分地移除。第一显示器10可以机械地连接到滑动机构。
图4a和图4b可以示出观看器(可头戴式显示装置)的示例，该观看器可以包含用于将光学器件移出用户视域的机构。这种移动可以自动和/或手动实现，并且可以实现从数字视图到直接视图的改变。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图3或图5a-图l1)提及可头戴式显示装置400的更多细节和方面。可头戴式显示装置400可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图5a和图5b示出了根据实施例的可头戴式显示装置500。可头戴式显示装置500可以实施成类似于结合图1描述的实施方式。在安装结构20被紧固到用户的头部时，可头戴式显示装置500在用户通过第一光学装置30观看第一显示器10时实现从用户的第一只眼睛到第一显示器10和第一光学装置30外部的用户的视场中的物体的直接视线。显示方向18和直接视线16之间的视角17为至少43°。此外，可头戴式显示装置500构造为允许在第一显示器10周围的至少180°的范围上的直接视线16。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图l-图4b或图5c-图l1)提及可头戴式显示装置500的更多细节和方面。可头戴式显示装置500可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图5c示出了根据实施例的可头戴式显示装置550的侧视图。可头戴式显示装置550可以实施成类似于结合图1描述的实施方式。可头戴式显示装置550构造为相对于可头戴式显示装置550的参考平面552倾斜。在图5c中，显示器的显示方向18和/或光学装置的光轴与参考平面552平行。在图5d中，显示器的显示方向18和/或光学装置的光轴在参考平面552下方倾斜-5°。在图5e中，显示器的显示方向18和/或光学装置的光轴在参考平面552上方倾斜+5°。例如，可头戴式显示装置550可以构造为相对于可头戴式显示装置550的参考平面552倾斜至少+/-10°和/或至多+/-20°。可头戴式显示装置550可以包括用于手动调节倾斜的倾斜调节器554，倾斜调节器554布置在显示器的与光学装置的一侧相对的一侧上并且布置在用户的眼睛之间。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图5b或图5f-图l1)提及可头戴式显示装置550的更多细节和方面。可头戴式显示装置550可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图5f示出了根据实施例的可头戴式显示装置590的侧视图。可头戴式显示装置590可以实施成类似于结合图1描述的实施方式。可头戴式显示装置590构造为允许调节光学装置与用户的眼睛之间的距离。在图5f中，相对于光学装置与用户的眼睛之间的参考距离592的距离偏移是零。在图5g中，相对于光学装置与用户的眼睛之间的参考距离592的距离偏移596是+6mm。在图5h中，相对于光学装置与用户的眼睛之间的参考距离592的距离偏移596是-6mm。例如，可头戴式显示装置590可以构造为允许相对于参考距离592调节偏移距离596至少+/-10mm和/或至多+/-15mm。可头戴式显示装置590可以包括用于手动调节距离的距离调节器594。距离调节器594可以布置在显示器的与光学装置的一侧相对的一侧上并且布置在用户的眼睛之间。
可头戴式显示装置590可以附加地包括用于手动调节倾斜的倾斜调节器554，如结合图5c-图5e所描述的。例如，倾斜调节器554和距离调节器594可以围绕共同的轴线旋转，但是可以独立地实现倾斜和距离的调节。距离调节器594可以布置在倾斜调节器554和显示器之间。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图5e或图6-图11)提及可头戴式显示装置590的更多细节和方面。可头戴式显示装置590可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图6是上文或下文描述的可头戴式显示装置中的一个的可能的用户视域的示例。图6示出了第一显示器10上的左通道图像610、第二显示器40上的右通道图像620以及人脑的手术部位的未受阻挡的周围视域630的示例。
图7示出了根据实施例的可头戴式显示装置700和显微镜系统790。可头戴式显示装置700可以实施成类似于结合图1、图2、图3、图4a、图4b、图5a和/或图5b描述的实施方式。可头戴式显示装置700包括用于第一显示器10的移动电源710和无线图像接收器720以及用于第二显示器40的移动电源710和无线图像接收器720。替代地，第一显示器10和第二显示器40可以由公共的移动电源710供电和/或可以被提供由公共的无线图像接收器720接收的图像。显微镜系统790可以包括数字显微镜792，数字显微镜792包括由一个或更多个相机控制器794控制的一个或更多个相机，一个或更多个相机控制器794包括一个或更多个无线图像传输器796。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图6或图8-图11)提及可头戴式显示装置700的更多细节和方面。可头戴式显示装置700可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图8示出了根据实施例的用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置800包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器10，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置800包括构造为将第一显示器10紧固到用户的头部的安装结构20。安装结构20包括构造为将第一显示器10与用户的第一只眼睛对齐的鼻部件25。此外，安装结构20构造为通过鼻部件25将可头戴式显示装置的小于40％(或小于50％、小于30％或小于20％)的重量支撑在用户的鼻部上。
鼻部件25可以构造为(例如，可以包括几何形状)，如果安装结构20被紧固到用户的头部，则至少在鼻部的左侧上的一个点处和至少在鼻部的右侧上的一个点处接触用户的鼻部。以此方式，如果用户移动他的头部，则可以显著地减少或避免可头戴式显示装置800相对于鼻部向右或向左的移动。
例如，可头戴式显示装置800构造为使得在使用可头戴式显示装置800时，至多250g(或至多200g、至多150g或至多lOO g)的重量支撑在用户的鼻部上。
例如，在用户使用可头戴式显示装置时，可头戴式显示装置的重量的至少10％(或至少20％或至少30％)可以通过鼻部件25支撑在用户的鼻部上。以此方式，可以确保稳定的对齐。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图7或图9-图11)提及可头戴式显示装置800的更多细节和方面。可头戴式显示装置800可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图9示出了用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置。可头戴式显示装置900包括构造为显示物体的部分的第一图像的第一显示器10，第一图像是从显微镜接收的。此外，可头戴式显示装置900包括构造为将第一显示器紧固到用户的头部的安装结构20。附加地，可头戴式显示装置900包括位于第一显示器10前面的第一光学装置30。第一光学装置30包括三个透镜32、34、36。此外，三个透镜32、34、36中的至少一个透镜是非球面透镜。
通过使用在显示器和用户的眼睛之间的至少三个透镜，可以获得关于放大率和像差的良好光学性能。通过使用至少一个非球面透镜，与仅使用球面透镜的系统相比，可以显著地减小光学装置的尺寸和重量。
例如，第一光学装置30包括第一透镜32、第二透镜34和第三透镜36。第一透镜32可以是三个透镜中最靠近第一显示器10的透镜。第二透镜34可以布置在第一透镜32和第三透镜36之间。第一光学装置30可以恰好包括三个透镜或可以包括多于三个透镜。该三个透镜可以是玻璃透镜，或可以由其它合适的材料制成。
三个透镜中的非球面透镜可以是第一透镜、第二透镜或第三透镜。例如，非球面透镜可以是第二透镜34，而第一透镜32和第三透镜可以是球面透镜。替代地，所有三个透镜都可以是非球面透镜。以此方式，第一光学装置30的尺寸和重量可以保持得低。
例如，三个透镜中的每个透镜可以包括第一表面和第二表面。三个透镜的表面可以呈现或形成表面的序列。例如，第一非球面透镜的第一表面可以是第一球面，第一非球面透镜的第二表面可以是第一非球面，第二非球面透镜的第一表面可以是第二球面，第二非球面透镜的第二表面可以是第二非球面，第三非球面透镜的第一表面可以是第三球面并且第三非球面透镜的第二表面可以是第三非球面。表面的序列可以包括第一球面、随后的第一非球面、随后的第二球面、随后的第二非球面、随后的第三球面、随后的第三非球面。例如，表面的序列不包含衍射表面。通过光学装置30的光路可以根本不包含衍射表面。
例如，三个透镜中的每个透镜包括不同的玻璃材料。三种不同的玻璃材料可以用于三个透镜。例如，第一透镜可以包括第一玻璃材料或由第一玻璃材料构成，第二透镜可以包括第二玻璃材料或由第二玻璃材料构成，并且第三透镜可以包括第三玻璃材料或由第三玻璃材料构成。例如，第一玻璃材料、第二玻璃材料和第三玻璃材料是三种不同的玻璃材料。
例如，第一透镜32可以是正透镜和/或非球面透镜。第一透镜32的焦距可以是至多25mm(或至多20mm或至多30mm)和/或至少15mm(或至少10mm或至少20mm)。
例如，第二透镜34可以是负透镜和/或非球面透镜。第二透镜34的焦距可以是至多-15mm(或至多-20mm或至多-13mm)和/或至少-5mm(或至少-10mm或至少-3mm)。
例如，第三透镜36可以是正透镜和/或非球面透镜。第三透镜36的焦距可以是至多20mm(或至多25mm或至多17mm)和/或至少10mm(或至少13mm或至少7mm)。
通过使用上述参数中的一个或更多个，可以获得期望的视角、总体尺寸、重量和/或出射光瞳尺寸。
例如，三个非球面透镜中的一个或更多个可以是自由曲面透镜。以此方式，可以进一步减小尺寸和重量，但是会增加成本。
三个透镜(例如，第一透镜32、第二透镜34和第三透镜36)的总重量可以是至多30g(或至多25g、至多20g或至多35g)。三个透镜(例如，第一透镜32、第二透镜34和第三透镜36)中的每个透镜的直径可以是至多25mm(或至多20mm或至多30mm)。第一光学装置30的总焦距可以为至多30mm(或至多35mm或至多25mm)和/或至少15mm(或至少10mm或至少20mm)。由第一光学装置30引起的第一显示器10与用户的眼睛之间的总最佳距离可以是至多60mm(或至多70mm、至多55mm或至多50mm)。通过实施具有所提及的参数中的一个或更多个参数的第一光学装置30，第一光学装置30和可头戴式显示装置900的尺寸和/或重量可以保持得低。
第一显示器10的显示器对角线可以为至少0.5英寸(或至少0.6英寸)和/或为至多1英寸(或至多0.8英寸)。以此方式，可以在重量被保持得低的同时显示足够大的图像。
可头戴式显示装置900可以包括如结合一些其它示例描述的第二显示器和第二光学装置。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图8或图10-图11)提及可头戴式显示装置900的更多细节和方面。可头戴式显示装置900可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图10示出了根据实施例的用于可头戴式显示装置的光学装置1000。光学装置1000可以实施成类似于结合图1和/或图9描述的第一光学装置的实施方式。光学装置1000包括三个非球面透镜。第一透镜32是正透镜，第二透镜34是负透镜，并且第三透镜36是正透镜。光学装置1000的总焦距为至多30mm并且至少15mm。第一透镜32的焦距为至多25mm并且至少15mm，第二透镜34的焦距为至多-15mm并且至少-5mm，并且第三透镜36的焦距为至多20mm并且至少10mm。三个透镜32、34、36的总重量为至多30g。三个透镜32、34、36中的每个透镜的直径为至多25mm。由光学装置1000引起的第一显示器10与用户的眼睛之间的总最佳距离为至多60mm。
图10中所示的光学装置1000可以被用作上文或下文描述的可头戴式显示装置中的一个的第一光学装置和/或第二光学装置。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图9或图11)提及光学装置1000的更多细节和方面。光学装置1000可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
图11示出了根据实施例的用于显示从显微镜接收的图像的方法的流程图。方法1100包括从显微镜接收1110物体的部分的第一图像，并且在通过可头戴式显示装置的安装结构紧固到用户的头部的可头戴式显示装置的第一显示器上显示1120第一图像。可头戴式显示装置构造为，如果可头戴式显示装置通过安装结构被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置观看第一显示器时允许从用户的第一只眼睛到第一显示器外部的用户的视场中的物体的直接视线。此外，显示方向和直接视线之间的角度小于50°。附加地，显示方向与第一显示器和位于第一显示器前面的第一光学装置正交，并且包括至少一个透镜。
结合所提出的构思和/或以上或以下描述的一个或更多个示例(例如，图1-图10)来提及方法1100的更多细节和方面。方法1100可以包括与所提出的构思的一个或更多个方面和/或以上或以下描述的一个或更多个示例的一个或更多个方面相对应的一个或更多个附加的可选特征。
一些实施例涉及根据上述示例中的一个的用于将来自数字显微镜的图像实况地数字可视化的头戴式装置和/或头戴式数字观看器或数字目镜。与完全包围用户并且通过护目镜阻挡用户的周围视域的系统相比，所提出的系统例如实现不受阻挡的周围视域。此外，与具有沉重的数字观看器的系统相比，所提出的系统可以提供改进的稳定性，使得可以保持每个眼睛在每个通道前面的对齐。数字观看器可以包括两个单独的通道，每只眼睛一个通道。每个通道可以包括一个或几个光学元件和显示器(例如参见图2)。
光学器件可以用于放大显示器的视图，并且可以允许由数字显微镜传输的图像的立体视图。光学器件可以被设计成重量轻的(例如，以避免由于装置被佩戴在头部上而导致的头部/肌肉疼痛)，可以是紧凑的并且可以允许用户的不受阻挡的周围视域(例如，以允许外科医生例如在必要时看到工具、手和助手)，例如如图6中所示。
该机构可以设计成重量轻的、紧凑的并且符合人体工程学的，以允许不受阻挡的周围视域。用于图像传输和供电的电缆可以通过机械部件处理。数字观看器可以以无线方式接收图像并且可以被供电。例如，数字观看器可以使用移动电源和图像传输适配器。
数字观看器可以被佩戴在用户的头部或身体上，并且可以由位于鼻部上的支撑部件定位，以例如将两个光学通道与眼睛对齐。数字观看器几何形状可以基于大多数眼镜的中间部分，并且与头部带一起提供显示模块对个人的眼睛的必要稳定性。这种支撑构思(例如，在鼻部上被控制的定向以及在头部上利用带的固定)可以克服纯护目镜或纯头戴式解决方案的缺点。
整个观看器可以通过在头部周围的带或可调节的框架被保持在位置中。机械部件可以被设计成通过一个或几个调节选项来适配个人的头部几何形状，并且可以包含用于将光学器件移出用户视域的机构。
所提出的可头戴式显示装置可以实现两个数字通道单独地适应于屈光度失配和瞳孔间距、实况同时显微视域和周围视域、从数字视图到直接视图的改变、利用鼻部上的支撑垫和头部上的条带的组合的数字观看器的定位、和/或无线连接和移动电源支持。
例如，为了用视觉显微镜获得立体感，两个视觉通道必须以这样的方式被调节，即各个目镜的出射光瞳与人眼的瞳孔相遇。这可以通过瞳孔间距(IPD)调节的机会来实现。与纯视觉显微镜相比，数字观看器的光学系统可以提供在其设计的出射光瞳外部的图像。人眼的最佳定位可以是各个目镜的中心轴线。如果两只眼睛都不定位在理想的横向位置处，即使正确地调节IPD，系统的光学性能也可能变差。这可以导致图像中的不同像差，直到失去产生立体感的能力。所提出的光学系统的设计可以通过相应的努力(例如透镜的数量和形状)防止这种风险。
可以选择具有3个非球面透镜的光学设计以优化光学模块的尺寸和重量。例如，可以使用使显示内容无限大的元件，从而以期望的放大率并且以紧凑的方式在具有屈光度调节和使用眼镜的可能性的情况下轻松观看显示内容。例如，可以使用导致小于60mm的总长度(显示器到眼睛)的3个透镜。
如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的列出的项目的任何和所有组合，并且可缩写为“/”。
尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是应当清楚，这些方面还表示对相应方法的描述，其中块或装置对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项目或特征的描述。
附图标记列表
10 第一显示器
12 显微镜
14 物体
16 直接视线
17 视角
18 显示方向
20 安装结构
25 鼻部件
28 铰链
30 第一光学装置
32 第一透镜
34 第二透镜
36 第三透镜
40 第二显示器
50 第二光学装置
100 可头戴式显示装置
200 可头戴式显示装置
300 可头戴式显示装置
310 瞳孔间距调节
320 屈光度调节
400 可头戴式显示装置
500 可头戴式显示装置
550 可头戴式显示装置
552 参考平面
554 倾斜调节器
590 可头戴式显示装置
592 参考距离
594 距离调节器
596 距离偏移
610 左通道
620 右通道
630 未受阻挡的周围视域
700 可头戴式显示装置
702 供应单元
710 能量存储装置
720 无线图像接收器
790 显微镜系统
792 数字显微镜
794 相机控制器
796 无线图像传输器
800 可头戴式显示装置
900 可头戴式显示装置
1000 光学装置
1100 用于显示从显微镜接收的图像的方法
1110 接收第一图像
1120 显示第一图像

Claims (36)

1.用于显示从显微镜(12)接收的图像的可头戴式显示装置(100、200、300、400、500、550、590、700)，包括：
第一显示器(10)，第一显示器(10)构造为显示物体(14)的部分的第一图像，第一图像是从显微镜(12)接收的；
位于第一显示器(10)前面的第一光学装置(30)，其中第一光学装置(30)包括至少一个透镜(32)；以及
安装结构(20)，安装结构(20)构造为将第一显示器(10)紧固到用户的头部，
其中，可头戴式显示装置构造为，如果安装结构(20)被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置(30)观看第一显示器(10)时允许从用户的第一只眼睛到第一显示器(10)外部的用户的视场中的物体(14)的直接视线(16)，其中，显示方向(18)与直接视线之间的角度小于50°，其中，显示方向(18)与第一显示器(10)正交，其中，可头戴式显示装置构造为允许在第一显示器(10)周围的至少180°的范围上的直接视线(16)。
2.根据权利要求1所述的可头戴式显示装置，其中，第一光学装置(30)包括至少三个透镜。
3.根据权利要求2所述的可头戴式显示装置，其中，第一光学装置(30)包括至少三个非球面透镜。
4.根据权利要求1至3中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一光学装置(30)构造为允许对其屈光度进行调节。
5.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，可头戴式显示器构造为无线地接收图像。
6.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，还包括
第二显示器(40)，第二显示器(40)构造为显示物体的部分的第二图像，第二图像是从显微镜接收的，
其中，安装结构(20)还构造为将第二显示器(40)紧固到用户的头部。
7.根据权利要求6所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)还构造为允许调节第一显示器(10)到第二显示器(40)的距离。
8.根据权利要求1至5中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一显示器(10)的第一部分构造为显示第一图像，并且第一显示器(10)的第二部分构造为显示物体的部分的第二图像，第二图像是从显微镜接收的。
9.根据权利要求6至8中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一图像和第二图像构造为允许立体视觉。
10.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)包括对齐件，对齐件构造为在被紧固到用户的头部时控制可头戴式显示装置与用户的对齐。
11.根据权利要求10所述的可头戴式显示装置，其中，对齐件是构造为将第一显示器(10)与用户的第一只眼睛对齐的鼻部件(25)。
12.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)构造为将可头戴式显示装置的小于40％的重量支撑在用户的鼻部上。
13.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)构造为承载第一显示器(10)的重量。
14.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)包括头带。
15.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，还包括构造成为第一显示器(10)提供电源的能量存储装置(610)。
16.根据权利要求15所述的可头戴式显示装置，其中，能量存储装置(610)可附接到用户的除头部之外的部分。
17.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)还构造为允许将第一显示器(10)从用户的视场至少部分地移除。
18.根据权利要求17所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)构造为响应于识别的事件自动地移除第一显示器(10)。
19.根据权利要求17至18中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)还包括铰链(28)，铰链(28)构造为将第一显示器(10)从用户的视场至少部分地移除，其中，第一显示器(10)机械地连接到铰链(28)。
20.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，安装结构(20)构造为允许调节第一显示器(10)的位置以适应用户的瞳孔间距。
21.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，可头戴式显示装置构造为在显示方向与第一只眼睛对齐时，允许从用户的第一只眼睛到第一显示器外部的用户的视场中的物体的直接视线。
22.用于显示从显微镜接收的图像的可头戴式显示装置(900)，包括：
第一显示器(10)，第一显示器(10)构造为显示物体的部分的第一图像，第一图像是从显微镜接收的；
安装结构(20)，安装结构(20)构造为将第一显示器紧固到用户的头部；以及
位于第一显示器(10)前面的第一光学装置(30)，其中，第一光学装置(30)包括三个透镜，三个透镜包括第一非球面透镜(32)、第二非球面透镜(34)和第三非球面透镜(36)，其中，第一非球面透镜(32)是三个透镜中最靠近第一显示器(10)的透镜，其中，第二非球面透镜(34)布置在第一非球面透镜(32)与第三非球面透镜(36)之间，其中，三个透镜中的每个透镜包括第一表面和第二表面，其中，三个透镜的表面呈现表面的序列，其中，表面的序列包括第一球面、随后的第一非球面、随后的第二球面、随后的第二非球面、随后的第三球面、随后的第三非球面。
23.根据权利要求22所述的可头戴式显示装置，其中，表面的序列不包含衍射表面。
24.根据权利要求22至23中一项所述的可头戴式显示装置，其中，三个透镜中的每个透镜包括不同的玻璃材料。
25.根据权利要求22至24中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一光学装置(30)的总焦距为至多30mm并且至少15mm。
26.根据权利要求22至25中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一透镜(32)的焦距为至多25mm并且至少15mm。
27.根据权利要求22至26中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第二透镜(34)的焦距为至多-15mm并且至少-5mm。
28.根据权利要求22至27中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第三透镜(36)的焦距为至多20mm并且至少10mm。
29.根据权利要求22至28中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一透镜(32)是正透镜中的至少一个。
30.根据权利要求22至29中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第二透镜(34)是负透镜中的至少一个。
31.根据权利要求22至30中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第三透镜(36)是正透镜中的至少一个。
32.根据权利要求22至31中一项所述的可头戴式显示装置，其中，三个透镜(32、34、36)的总重量为至多30g。
33.根据权利要求22至32中一项所述的可头戴式显示装置，其中，三个透镜(32、34、36)中的每个透镜的直径为至多25mm。
34.根据权利要求23至33中一项所述的可头戴式显示装置，其中，由第一光学装置(30)引起的第一显示器(10)与用户的眼睛之间的总光学距离为至多60mm。
35.根据前述权利要求中一项所述的可头戴式显示装置，其中，第一显示器(10)的显示器对角线为至少0.5英寸并且至多1英寸。
36.用于显示从显微镜接收的图像的方法(1100)，包括：
从显微镜接收(1110)物体的部分的第一图像，
在通过可头戴式显示装置的安装结构紧固到用户的头部的可头戴式显示装置的第一显示器上显示(1120)第一图像，
其中，可头戴式显示装置构造为，如果可头戴式显示装置通过安装结构被紧固到用户的头部，则在用户通过第一光学装置观看第一显示器时允许从用户的第一只眼睛到第一显示器外部的用户的视场中的物体的直接视线，其中，显示方向与直接视线之间的角度小于50°，其中，显示方向与第一显示器正交，其中，第一光学装置位于第一显示器前面并且包括至少一个透镜，其中，可头戴式显示装置构造为允许在第一显示器(10)周围的至少180°的范围上的直接视线(16)。
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