CN1629678A - 光学设备 - Google Patents

Abstract

一种用于训练高尔夫球手的光学设备，其形式为一副带有染色镜片的眼镜，镜片之一是倾斜的，使得一个投射在该镜片内表面上的图象被反射到使用人的一只眼睛上。该图象包括帮助高尔夫球手训练击球的信息。为了降低重像图象，允许产生双目视觉和将该投射的图象叠加在一个背景视野上，这些镜片的吸收率为60％～85％。

Description

光学设备

发明背景

本发明涉及用于产生一个相对于背景的图象的光学设备，该设备特别适用于帮助训练高尔夫球。

在各种情况下需要有一个叠加在背景景色上的图象。例如，一位处理一个高尔夫球的运动员如果在其正常的视野叠加一个只有该运动员才能看到的图象，那就会有助于他的击球。这类情况例如描述于国际申请No.PCT/IB 02/00953的说明书中。

该国际申请描述一个系统，其中光线用一个聚光元件集中而后通过一个将图象引到一反射器上的标线(一个光网格)，该反射器具有光束分离器性质并将光从标线反射到眼睛而同时沿从正常视野来的方向通过该光。通常制造一个该申请提到的那种类型的光束分离器需要涂敷一个光反射涂层，该涂层可以称之为镜片的内表面即面对眼睛的表面。涂敷此类光反射涂层可能很贵，而且如果该涂层不是一种令人满意的材料，那么该涂层可能由于刮擦、磨损等而容易损伤。与该类镜片有关的另一因素是，使用人的没有接受从标线来的图象的第二眼睛直接暴露于总视野。换言之，接受该图象的一只眼睛通过一个镜片来观察该总视野，而在另一只眼睛和总视野之间却没有放置镜片。在一定程度上，用一个罩住双眼的外镜片或护目镜可以补偿这种不平衡，但该最终产品的总体外观可能对某些使用人是不能接受的。同时，在使用人双眼上的不同的光强度可能干扰和影响使用人的视力和平衡。

美国专利No.3498293描述一种用于为一个人取向的系统。使用一个镜射的镜片或一个取决于波长的光束分离器即选择地反射和依赖于重量的装置。

在为一个使用人取向中遇到的问题与处理高尔夫球时遇到的问题十分不同。在该专利说明书中参考了高尔夫球，但没有公开如何瞄准一个高尔夫球。在一个实施例中这些镜片是半透明的，但没有公开这些镜片的其它性质。

已知半透明镜片能产生重像或二次图象，但在上述美国说明书中既没有说明也没有考虑与此有关的问题。

美国专利No.4806011公开了一种系统，其中使用一个部分反射的小的辅助镜片来将一个图象投射到使用人的眼睛上。该辅助镜片的位置及其尺寸可能是问题并能够对使用人成为一个实际危害源。

在提供能用于高尔夫球训练辅助的光学设备时，希望有一个尽可能具有一副正常的眼镜或太阳镜的外观的系统，该系统不是不合情理地笨重而且制造时相当容易而不贵。

发明概要

本发明提供用于在背景景色上产生图象的光学设备，该设备包括至少一个第一镜片和一个装置，使用人通过该第一镜片能够用一只第一眼睛看到该背景景色，该第一镜片是透光的，而且它在该第一镜片的第一表面与大气的界面处有一外反射表面，而在该第一镜片的第二表面与大气的界面处有一内反射表面，该装置用于将一个图象投射在外反射表面上，该外反射表面的取向能将一第一光强度的投射图象的第一图象反射在第一眼睛上，而且其中该第一镜片用至少在560nm～660nm的光谱范围内具有至少60％的吸收率A的镜片材料制成，使得由该内反射表面的引向第一眼睛的该投射图象的第二图象具有小于第一强度的16％的第二强度。

该镜片材料可以在400nm～700nm的光谱范围内具有至少60％的吸收率。虽然较窄的光谱范围(560nm～660nm)基本上对应于眼睛最能接收的光谱范围，但大多数人能接收更宽的光谱范围如400nm～700nm内的图象。

为了产生令人满意的第一图象，在若干可变的因素之间必须取得折中。可以称为重像图象的第二图象的强度必须显著地小于第一图象或主要图象的强度。如后面要说明的，可以通过合适地选择镜片材料的吸收率和折射率来控制这些相对强度。必须从外反射表面反射足够的光能来产生强度可以接受的主要图象。该图象应当相对于一个对比的背景来被优选地观察，它是由第一镜片形成的，因此容易看到。

一般说来，当吸收率增大时，相对于第一图象强度的第二图象强度减小。但是，当吸收率增大时，镜片的使光从总视野透射到眼睛的能力减小。后面要提到的另一因素是，如果一只眼睛上的光强度的变化大于另一眼睛上的光强度的12％，那么使用人的双目视觉就会停止。

在很大程度上，相对于上述参数，必须在很大的自觉基础上取得折中。然而已经通过实验确立这种折中，当吸收率A至少为60％而两个图象的强度之比小于16％时，产生一种能至少适用于一些高尔夫球手的可以通过地接受的状况。

最好是，镜片材料具有至少70％的吸收率，其好处是第二强度小于第一强度的约9％。因而第二图象的“强度”显著降低了。

但最好是该镜片材料具有80％～85％的吸收率。这将保证信号(第一图象)对噪声(第二图象)之比大于25∶1，即第二图象的强度小于第一图象强度的4％。这在第一图象和第二图象之间产生令人满意的对比。

按照本发明的不同方面，第一镜片用折射率为n的材料制成，使得由表达式 ${[1-{\left(\frac{n-1}{n+1}\right)}^2]}^2\·{(1-A)}^2$ 给出的光因子小于0.10。

最好该光因子小于0.05。

第一镜片最好厚度基本上均匀。第一镜片的厚度应当尽可能小，理想的镜片其厚度应当小于2mm。这样的理由是当镜片的厚度减小时第二图象越移近第一图象。此时第二图象的效果可能是仅仅使第一图象稍许变模糊而并不产生一个清晰而分开的第二图象。

为了使提供的光学设备基本上为一副传统的眼镜的形式，该设备最好包括一个邻近使用人第二眼睛的第二镜片，制造该第二镜片的材料与制造第一镜片的材料相同。

该设备可以包括一个供第一和第二镜片用的支架，使得第二镜片相对于使用人的取向为第二眼睛的视线与第二镜片的对着第二眼睛的表面成直角，而第一镜片相对于使用人的取向为第一眼睛的视线在邻近(即更接近)第二眼睛的侧面上与第一镜片的第一表面成锐角。

用于投射该图象的装置可以是任何合适的类型。虽然该装置为主动装置和使用一个电池为动力的光源也属于本发明的范围之内，但最好仅仅为此目的而利用天然光或环境光。该装置可以是PCT/IB 02/00953中描述的那种类型。最好该装置包括一个屏蔽板，该板带有一个或几个界定该图象的透光部位。这些透光部位可以包括界定屏蔽板中细孔的线或槽。这些透光部位可以与一个滤光片一起使用，该滤光片可以更换或变化，从而改变图象的颜色。这样做可以满足使用人的要求或改变光因子。

屏蔽板和镜片的形状例如可以是曲面的，以适当方式补偿镜片形状，使得使用人看到的投射的图象能包括直线。

如果使用一个主动的(电池为动力的)图象投射系统，那么该系统或至少电池和伴随的电子部件可以是与该设备的其余部分可脱开地啮合的。

附图简述

下面参考附图作为例子进一步描述本发明，附图中：

图1是例示作为本发明设备基础的原理的一种镜片的截面图；

图2是按照本发明的一副眼镜的性质的光学设备的平面图；

图3是本发明设备的侧视图；以及

图4是本发明另一方案的示意图。

优选实施例描述

附图1例示本发明设备中使用的镜片10的截面。该镜片用透光材料如玻璃或塑料(如聚碳酸酯)制成，并有一外反射表面12和一内反射表面14。该镜片材料具有吸收率A和反射率n。镜片具有均匀的厚度T，此处T最好≤2mm。

图1例示照射到外反射表面12上的入射光线I₁。该光线产生第一反射光线I_R1和折射光线I_T1。当光线I_T1射到内反射表面14上时，在内部反射出光线I_R2而该光线I_R2在外表面12与大气的界面上折射而产生光线I_T2。在内表面与大气的界面上产生出射的折射光线I_R3。

一个观察从外表面12产生的光线的人因而将用眼睛18看到一个由光线I_R1产生的主要图象和一个由光线I_T2产生的二次图象。这两个图象并不符合一致，因此由光线I_R1构成的主要图象变模糊。因而需要使由光线I_T2构成的图象的强度相对于由光线I_R1产生的主要图象的强度尽可能小。这可以通过给镜片材料染色或使用合适的镜片材料使镜片至少在560nm～600nm的光谱范围内而最好在400nm～700nm的光谱范围内具有至少60％而最好80％～85％的吸收率来达到。这些参数选来保证信号(第一图象)对噪声(第二图象)之比大于6∶1，此比例可以看做一个底部“截止”点，小于此点时图象品质是不可接受的。

可以看到，这两个图象的强度之比(此处称为“光因子”)由表达式 $\frac{I_{T2}}{I_{R1}}={(1-R)}^2{(1-A)}^2,$ 给出，式中R为镜片的反射能力并由表达式 给出，而A为镜片材料的吸收率。

如果该比值充分减小到至少为0.16而最好为0.05或更低，那么使用人观察这些图象的眼睛只适应于和“看到”一个图象，即由光线I_R1构成的占优势的图象。这一方面在后面还要说明。

表达式(1-A)²对光因子所起的作用对于各种吸收率表示如下：

A＝60％，光因子影响＝16％；

A＝70％，光因子影响＝9％；

A＝80％，光因子影响＝4％；

A＝85％，光因子影响＝2.25％。

一种典型的镜片材料具有从1.1到1.5的折射率n。对于1.4和1.5的折射率(仅作为例子)表达式(1-R)²对光因子的影响为：

n＝1.4，对光因子的影响＝97.8％；

n＝1.5，对光因子的影响＝96％。

显然，减小两个图象的强度之比的首要因素或决定性因素是镜片材料的吸收率。也称为费涅耳定律的表达式(1-R)²给出光线在正入射下在两种具有不同折射率的介质的界面上的反射损失。该反射损失必须明确地足够地高，以保证在镜片的外表面12上产生足够强度的一次图象。反射损失取决于镜片材料的折射率。因此，通常，折射率越高，一次图象就越明亮，而折射率不受限制地应当最好至少为1.1。

如果折射率太高，那么从正常视野通过镜片到达使用人眼睛的图象可能失真。因此，对折射率存在实际的限制。因而为了得到尽可能小的光因子，必须提高吸收率A。但是又产生实际的限制，就是高的吸收率减小从总视野落到眼睛上的光量，而这降低了作为眼睛可辨别的总视野的图象的品质。第二个因素是，如果两个视网膜(一个使用人的两只眼睛)的照明强度不相等，那么就产生一种称为普尔弗里希(Pulfrich)现象的不希望有的效果。如果进入两眼的光量之差为大约12％或更大，那么由于产生图象抑制和停止双目视力，这种普尔弗里希现象就可以注意到了。

图2例示按照本发明的光学设备20的平面图，该设备具有一副眼镜的性质，而且是以上述考虑为基础的。

设备20包括一个对应于图1中所示的镜片10的镜片22、一个第二镜片24、一个中央鼻状件26、可以以已知方式挂在使用人两耳上的腿28和30，以及一个图象产生装置32。

镜片24与戴镜人左眼观测法线34大体上成直角。另一方面，镜片22与右眼观测法线34A成锐角，而镜片的直接面对眼睛的表面12与方向34A(即在更接近第二眼睛的侧面上)成锐角(在“鼻子”侧面上)。倾斜是这样的，使得相对于图象产生装置，一个被该装置投射在外反射表面12上的图象I₁被引导(I_R1和I_T2)到使用人右眼上。尽管如此，右眼能够以常规方式沿方向34A通过镜片22来观察背景。

装置32有一个小的杯形盖40和一个曲面屏蔽板42。穿过该屏蔽板以所要的图形形成若干有网格线性质的弯曲细槽或缝隙44。选择该图形的方式与使用该设备20的方式相一致。该屏蔽板和缝隙弯曲的方式取决于镜片的曲率，使得由装置32投射在镜片22上的图象包括直线(而非曲线)。装置32可以选择地可包括一个或多个可以移去的滤光片46，滤光片可以邻近屏蔽板的位置处插入盖中。每个滤光片例如可用合适的颜色塑料制成。配置是这样的，使得当滤光片在位置中时，一种特定颜色的光通过网格线缝隙44，如上所述，该颜色可以按照需要来选定。滤光片的使用是随意的，因为没有滤光片时通过网格线缝隙的光是白光，即从大气来的自然光。

镜片22在一切实用目的上都与镜片10相同并基本上厚度均匀。该镜片具有吸收率A，而镜片24具有相似的吸收率。因此，这两个镜片将基本上相同强度的光透射到使用人的相应的眼睛上，从而避免了普尔弗里希现象。

在本发明的一个实用的实施例中，镜片22和24用聚碳酸酯制成，其折射率n＝1.184。然后算出R为R＝0.0513。

光因子由表达式 $\frac{I_{T2}}{I_{R1}}={(1-R)}^2{(1-A)}^2$ 给出。

假定至少对于560nm～660nm的光普范围A＝0.85。

因此 $\frac{I_{T3}}{I_{R1}}={(1-0.0513)}^2\·{(1-0.85)}^2=0.02$

因此第二(重像)图象为第一图象强度的约2％，对于一般使用人，该重像图象可以看不见。

图象I_R1的强度为入射光线I₁强度的5.13％，而图象I_T2的强度为入射光线I₁强度的0.02×5.13％＝0.1％。

图象产生装置32用于将所要图形的图象投射在镜片的外表面12上，而这被反射成为射到使用人右眼上的分别对应于图1中称为光线I_T1和I_T2的两个图象。在例子的例子中，仅右眼看到图象。但是脑子能够将该投射的图象叠加在用两只眼睛看到的法线视野上，而使用人不会觉察只有一只眼睛看到图象。因为镜片22和24具有基本上相同的吸收率，所以获得了双眼的视觉。

由装置32产生的图象可以按需要而变化，其颜色可以简单地通过更换滤光片46来以简易方式变化。

装置32使用环境光线来将所要图象投射到镜片22上。可以用图4的主动装置50来替换装置32，该主动装置50包括一个光源如LED 52和一个给LED充电的小电池54。然后光56从该光源通过网格或图形58而射到屏蔽板60上，由此形成的图象投射到镜片22上。该装置50可以移去地附接在一个合适的眼镜架上。

如图2中所示，本发明设备的外观在许多方面与普通眼镜的外观相似。但是，向外突出的镜片22有损于“眼镜型”外观。但是镜片22和24变暗，而且除了装置32将一个图象投射在使用人的一只眼睛上之外，该光学设备的作用基本上与一副太阳眼镜一样。从总视野入射到眼睛18上的光横切其表面而倾斜于方向34A的镜片22，不像基本上垂直于方向34的镜片24的表面。因此从总视野通过镜片22在图象中产生小量的折射。为了减小可能由此产生的畸变，如已经指出的，镜片应当相当薄，如为2mm量级或更薄。

投射的图象可以按需要变化，并大体上可以为在PCT/IB 02/00953中描述的性质。

Claims (16)

1.用于在背景景色上产生图象的光学设备，该设备包括至少一个第一镜片和一个装置，使用人通过该第一镜片能够用一第一眼睛看到该背景景色，该第一镜片是透光的，而且它在该第一镜片的第一表面与大气的界面处有一外反射表面，而在该第一镜片的第二表面与大气的界面处有一内反射表面，该装置用于将一个图象投射在外反射表面上，该外反射表面的取向能将一第一光强度的投射图象的第一图象反射在第一眼睛上，其中该第一镜片用至少在560nm～660nm的光谱范围内具有至少60％的吸收率A的镜片材料制成，使得由该内反射表面引向第一眼睛的该投射图象的第二图象具有小于第一强度的16％的第二强度。

2.按照权利要求1所述的光学设备，其特征在于，该镜片材料在400nm～700nm的光谱范围内具有至少60％的吸收率。

3.按照权利要求1或2所述的光学设备，其特征在于，该镜片材料具有至少70％的吸收率。

4.按照权利要求3所述的光学设备，其特征在于，该第二强度小于该第一强度的9％。

5.按照权利要求1或2所述的光学设备，其特征在于，该镜片材料具有至少80％的吸收率。

6.按照权利要求5所述的光学设备，其特征在于，该第二强度小于该第一强度的4％。

7.按照权利要求1所述的光学设备，其特征在于，该镜片材料具有折射率n，使得一个由表达式 ${[1-{\left(\frac{n-1}{n+1}\right)}^2]}^2\·{(1-A)}^2$ 给出的光因子小于0.10。

8.按照权利要求7所述的光学设备，其特征在于，该光因子小于0.05。

9.按照权利要求1～8中任何一项所述的光学设备，其特征在于，该第一镜片的厚度基本上是均匀的。

10.按照权利要求9所述的光学设备，其特征在于，该第一镜片的厚度小于2.0mm。

11.按照权利要求1～10中任何一项所述的光学设备，其特征在于，包括一个邻近使用人第二眼睛的第二镜片，该第二镜片用与制造第一镜片的材料相同的镜片材料制成。

12.按照权利要求11所述的光学设备，包括一个供第一和第二镜片用的支架，使得第二镜片相对于使用人的取向为第二眼睛的视线与第二镜片的对着第二眼睛的表面成直角，而第一镜片相对于使用人的取向为第一眼睛的视线在邻近第二眼睛的侧面上与第一镜片的第一表面成锐角。

13.按照权利要求1～12中任何一项所述的光学设备，其特征在于，该图象投射装置包括一个屏蔽板，该屏蔽板含有至少一个限定图象的透光部位。

14.按照权利要求13所述的光学设备，其特征在于，该透光部位是由屏蔽板中的至少一个细槽形成的。

15.按照权利要求13或14所述的光学设备，其特征在于，还包括一个邻近该屏蔽板的用于将一所需颜色给于该图象的滤光片。

16.按照权利要求1～15中任何一项所述的光学设备，其特征在于，该第一镜片是用一种其折射率至少为1.1的镜片材料制成的。

Images