CN1650218A - 观看装置 - Google Patents

Abstract

一种观看装置包括一对基本不可挠的嵌套透镜。所述透镜中的一个具有发散折射表面，另一个具有会聚折射表面。所述观看装置还包括用于沿基本正交于所述折射表面的方向移动所述透镜中的至少一个的装置，从而在所述透镜的面对表面之间产生一变化宽度的间隙。

Description

观看装置

技术领域

本发明涉及一种观看装置(view device)，尤其涉及一种观看具有调节能力以便允许在距该装置的用户不同距离处对物体进行聚焦观看的观看装置。

背景技术

当在距人眼不同距离处观看物体时，虽然人眼具有一定的调节能力，但这种调节随着年龄增长而变得低效。眼镜的多种改变正在致力于解决该问题，例如，双焦、多焦或“变焦”透镜。这些方法仅仅在特定的视力距离实现清晰聚焦(通常在近点和无限远)，并且在上述每种方法中都限制了聚焦视觉的视野。此外，上述方法需要用户改变他的眼睛的仰角以便选择焦平面。

在对生产可变焦眼镜的一早期尝试(Wright B.M，“Variable FocusSpectacles(可变焦眼镜)”：Trans.Ophthal.Soc.U.K.(1978)98，84-87)中，将油压入固定玻璃板板和挠性玻璃板板之间的腔内。该挠性板板的变形改变了聚焦能力。其他变形透镜从此被引入。

取代或补充有缺陷透镜(failing lens)的调节能力的眼镜与基于伽利略望远镜的望远镜相反，其可以放大近处或远处的景象。其中，凸透镜放置在较短焦距凹透镜之前，该两透镜的间距接近两透镜焦距的差值(参见“System of Ophthalmology-Vol：V Ophthalmic Optics and Refraction”，第804-805页，编辑：Sir Stewart Duke-Elder：Mosby 1970；和美国专利第5076682号)。

由于调节能力的自然退化发生在人的中年时期，这种退化妨碍人们已经习惯的家庭、娱乐和职业生活的每个方面。例如，进餐前的准备，读取谱架上的乐曲，进行机械加工或查看计划，所有这些都需要一种能聚焦到从近处到无限远的任何平面的能力。一种真正复制视力调节能力的装置也同样提高那些因医药原因在年轻时失去调节能力的人们的生活质量。

发明内容

因此，本发明的第一方面提供了一种观看装置包括：

一对嵌套透镜，该对透镜的其中之一具有发散折射表面，另一个具有会聚折射表面；和

用于沿基本正交于折射表面的方向移动所述透镜中的至少一个的装置，从而在所述透镜的面对表面之间产生变化宽度的间隙。所述透镜优选地基本不可挠。

通过这种装置，能够对间隙的宽度进行连续地调节，从而，例如，对于校正远视眼来说，在任何距离的物体能够在从远视眼的近点到无限远的任何舒适的平面内被观看到。该间隙的宽度通常小于观看光线传播通过的透镜中的第一透镜的折射表面的焦距长度。更优选的，该间隙的宽度小于该焦距长度的一半或四分之一。

优选的，该透镜的其中之一具有凹表面，该凹表面嵌套了另一个透镜的凸表面，所述间隙产生在这些表面之间。典型地，所述透镜被布置成使观看光线顺序传播通过所述凹表面和凸表面。。实际上，本发明的另一独立方面提供了一种观看装置包括：第一透镜，该第一透镜具有凹表面，该凹表面内嵌套了具有凸表面的第二透镜；和用于沿基本正交于该面对的凹表面和凸表面方向移动所述透镜中至少一个，从而在所述透镜之间产生变化宽度的间隙。

上述的该装置的实施例基于如下发现：如果间隙通过嵌套凹透镜和凸透镜来限定，当在间隙中的介质(例如空气)的折射率小于透镜的折射率时，光线在第一透镜的凹表面处发散。该间隙的宽度决定光线入射到第二透镜的面对表面处的入射角。此入射角以及因此由第二透镜产生的会聚光的数量随着透镜的间距增大而增加。因而透镜的间距决定在光线射出第二透镜处的角度和物体平面的虚像位置。随着间距增大，虚像远离用户。实际上，间隙本身的功能好比具有相等或不同曲率半径的“厚透镜”(参见Jenkins F.A.和White H.E.的“Fundamentals of Optics”，第四版，第88页，McGraw-Hill 1981)。然而，与这种厚透镜不同，该间隙由于其可改变的宽度而能够提供可变焦。

在本发明的另一实施例中可实现相同的效果，其中在该另一实施例中，透镜具有径向变化的折射率梯度。因此，间隙中的介质是空气，第一透镜可在其中心具有相对小的折射率，增大到外围处的高折射率，以提供发散的折射面。反之，第二透镜可在中心具有相对高的折射率，减小到在外围处的小折射率，以提供会聚的折射表面。这种透镜可以具有基本一致的厚度，即它们可以是板。因此，对本发明来说，对于术语“透镜”我们理解为任何制作成对应的折射表面的光学体。

在本发明的一种形式中，透镜的材料和间隙内的介质是选定的，因此每个面对(更优选的，凹面和凸面)表面提供了反射面。

然而，在本发明的另一形式中，透镜具有如下形式：通过在间隙中的油或其它高折射率的流体隔开的弯曲(更优选的，球面)光透射板。对于“高折射率”，我们更优选地理解为一折射率大于包围该装置的介质(典型地空气)的折射率。油或其它流体的折射率可以基本与板的折射率相同，其中在板中的折射面是外透镜表面。如果板与间隙的宽度相比相对要薄，所述装置的光焦度(focusing power)将几乎完全归因于在间隙中的油或其它流体(该间隙再次像厚透镜一样有效的发挥作用)。此外，与先前所述的空气填充间隙的实施例相反，如果间隙通过嵌套第一和第二板来限定，其中该第一和第二板具有面对的凹和凸表面，光线会聚在第一板处并在第二板处发散。

因此，在间隙中的介质的折射率相似于或大于透镜的折射率将变得很重要，例如，诸如硅油的高折射率流体作为介质。

优选的，该面对表面具有互补的形状，因此当所述面对表面精确地并置在一起时，在它们之间的间隙实质上被消除。例如，如果该面对表面分别是球形凸面和球形凹面，并且具有相同的曲率半径，那么该面对表面可以以这种方法并置在一起。当透镜沿其共有轴线远离，在透镜间的间隙的宽度发生变化但对于任何一个分离间距，透镜厚度是不变的。

两个外部的透镜表面都可方便地是基本平的。然而期望的是外部透镜表面中的一个或两个可以形成曲面(contoured)，以便应付用户的特定折射误差。所述透镜可以由任何适合的光透射材料制成，包括高折射率的塑料或玻璃。它们的折射率可以相同或不同。在光学技术领域所公知的，所述透镜表面可以涂有涂层以增加透射率，或上色。每个透镜可包括多于一个的折射元件。

为了降低像差，或减少透镜的移动，可以安装多个两个的透镜。它们可以具有不同的折射率并限定多个间隙，其中间隙宽度可以以基本相同或不同的速率变化。

用于移动透镜或透镜组的装置可以以任何适合的方式提供，例如通过将透镜安装在嵌套或同心圆筒形框架中，该同心圆筒形框架相对于彼此滑动或旋转。

如果间隙用不同于空气的流体，例如硅油充满，有必要提供防漏密封装置以防止流体流出。

透镜相对于用户的方位可依赖于间隙中的介质。然而，如果该介质是空气，在使用中，该装置通常被定位成使具有一面对间隙的凹表面的透镜更靠近被观看的物体。

在某种光学系统中(例如用于创建和移动实像)，镜面(mirror)可用于所述球表面其中之一或两者。

在本发明一优选的形式中，该装置包括作为眼镜配戴的两对第一和第二透镜。

因此本发明的另一方面提供一副眼镜包括用于每只眼睛的如上所述的观看装置。优选的，所述移动装置具有用于该副眼镜的单独的共用致动机构。该致动机构可安装在鼻梁架或眼镜臂上，并且可以例如具有辊子、凸轮、滑杆或电动机的形式。可选的，根据现有技术，自动对焦装置可结合到该眼镜中。

对于具有正常视力但只是调节能力有问题的眼镜配戴者，对于透镜的外表面是基本平的会很满意，尤其在间隙中的介质的折射率小于透镜的折射率时的情况下。然而，出于美容目的或在传统光学实践中校正各种视力缺陷，那些表面可以形成曲面以便容易制造。校正视力当高折射率油用作间隙中的介质时，透镜可具有弯曲的外表面或它们可通过球面板来替代。

在具有凹和凸折射表面的实施例中，透镜可以排列以便在使用中折射表面的曲率中心位于靠近用户眼球的旋转轴线处。这有助于降低用户遭受光学畸变。

在正常人类中，双眼光学路径在调节以相交在被观看物体上的过程中，向内转动一角度(会聚)。该减少调节需要的眼镜能够有利于通过诸如将透镜对安装得比瞳孔之间的距离更靠近，在调节过程中将透镜对的元件移动到离用户最远并相互远离，或将两个完整透镜装置的轴线指向被观看物体的方法来重复会聚。

然而透镜通常将定位于到适当位置以便给出恒定厚度的间隙，该折射表面其中之一相对于另一折射表面可以是倾斜的。此外，该对折射表面相对于用户光轴可以是倾斜的。其向一选定方位的旋转可以例如用于散光校正。

同样的，通过优化间隙的宽度、其相对于彼此的表面倾斜度和系统相对于物体光轴的倾斜度和方位，球面像散校正校正能够被计算。

在主折射表面的折射率变化越大，系统就更有效，也就是图像的相同位移能够以更小的表面间距实现。因此，在间隙的每侧或间隙内对高折射率材料的使用可以扩展本发明的有效性。

优选地，该折射表面的光焦度是基本相等和相反的。然而，通过设置透镜从而使发散透镜的折射表面具有比会聚透镜的折射表面短的焦距，能够实现缩小效果。相反地，通过设置透镜从而使会聚透镜的折射表面具有比发散透镜的折射表面短的焦距，能够实现放大效果。

因此，在一具有空气填充的间隙的示例中，如果内折射表面是球形的，但具有不相等的曲率半径或折射率，放大(利用较短焦距或较高折射率的凸透镜)或缩小(利用较长焦距或较低折射率的凸透镜)被引入到该可变焦距系统。已经发现，只要内折射表面两者都是球形的(不论它们的焦距如何)，系统引入很少的球面像差，给出高分辨率的图像。

外表面的曲率半径以一通过传统光学可预见的方式影响图像。因此系统能够使用嵌套的弯月面透镜计算。如果外表面被适当地弯曲，额外的折射效果可并入该装置中，例如，用于带有或不带有散光的近视或远视校正。

在该原理的一特殊案例中，一正隐形眼镜在系统中作为第二折射元件使用。在其前面放置了一短后焦距的负透镜(弯月或平凹)，其凹表面面对角膜的凸面。通过向眼睛移动或远离眼睛移动该透镜实现了变焦。

如果两个内折射表面是非球面的，或者匹配或者不匹配，系统都能引入可预见的像差(例如，对于摄影或显示的鱼眼效果)。

如果透镜的厚度或重量对于期望的应用来说太大，所述透镜可被由雕刻棱镜制成的“球面”菲涅耳镜替代。

附图说明

将通过示例并参考附图对本发明加以描述，其中：

图1图解说明了本发明的原理；

图2a和2b示出了怎样能够通过观看装置的透镜分离来使一物体进入焦点；

图3a和3b示出了怎样能够通过另一可选形式的观看装置的透镜分离来使一物体进入焦点；和

图4和5是略图，各自示出了根据本发明的一副眼镜。

具体实施方式

图1示出了一装置，该装置具有第一平凹透镜2和第二平凸透镜3，如实线所示，透镜2的凹面4和透镜3的凸面5初始为紧贴地嵌套在一起。该表面4和5基本是球面并具有相同的曲率，并因此具有相等且相对的聚焦能力。如图中实线所示，当紧贴嵌套时，在透镜之间实际上没有间隙并且像一个单独的平透镜一样成对工作。

设置了用于使透镜2沿箭头6所示方向移动到虚线所示位置或任何在虚线和实线之间的中间位置的装置(未示出)。这限定了可变化宽度的间隙12，但统一了在表面4和5之间的厚度。在间隙之间的介质典型地是空气。

透镜2和3位于眼睛的前面，其中眼睛由点线7示意性的示出。物体8被示出放置在透镜2前面，如果透镜2位于由虚线示出的位置上，来自物体8的光线被折射而在表面4被发散，并且当光线穿过表面5时将再次被折射而会聚，会聚的范围依赖于入射角，其中该入射角当表面的间距增大并且第二表面被更远离光轴地交叉(be intersected further from the opticalaxis)时变大。物体8的图像图像9因此将在一平面上看到，其中该平面从物体8沿线10的方向位移。依赖于透镜沿箭头6所指示的方向的位移的范围，这将使图像图像9到达位于或接近眼睛的近点焦平面11的一平面。

图2a示出了一观看装置，其中透镜2和3位于与图1中实线所示位置等同的位置上。光线图示出了由具有近点焦平面11的远视用户对较近物体8的观看。虽然物体处在适合正常“年轻”眼睛调节的位置上，但对所述用户来说，该物体比眼睛的近点焦平面11，即这类用户的远视近点要更靠近所述用户的眼睛。物体8因此将被聚焦到眼睛的视网膜后面的平面上，并且用户不能正确地聚焦。

图2b示出了透镜2已沿方向6移动到虚线所示位置上的装置。在面对的内表面4和5处的折射现在已足够将物体8的焦点移动到与眼睛的视网膜的焦点相符合的位置上。图像对该用户来说，图像9因此位于或邻近于近点焦平面11，并且物体对于该用户来说焦点相对准。内表面4形成一发散折射表面，内表面5形成一会聚折射表面。

图3a和3b示出了一观看装置的可选形式。图3a和3b使用与图1和图2a和2b中相同的附图标记。然而在该可选的形式中，透镜2和3是统一厚度的球面透明板板，而不是平凹透镜和平凸透镜。图3a中，透明板板2和3靠近并置，并且在图3b中，板2已经沿着方向6移动到虚线示出的位置上。因此图3a和3b对应于图2a和2b。

在图3a中，与图2a相似，物体8被聚焦到在眼睛视网膜后面的平面上，并且用户不能正确地聚焦。

然而，在图3b中该插入的间隙12充满了油，优选的其折射率相似于板。因此折射表面4和5都通过板外表面和板-油交界面形成。当间隙的宽度增大时，与第二入射表面相比，入射光从更远离光轴处穿透第一折射表面(因此具有一更大的入射角)。会聚超过发散，并且在这些表面处的折射足够将物体8的焦点移动到与眼睛的视网膜相符合的平面处，因此图像9对该用户来说在近点焦平面处或靠近近点焦平面处看到，并且物体对于该用户来说焦点对准。虽然所述表面的曲率与图2b中的表面的曲率相同，但是折射表面4在此是会聚的，并且折射表面5是发散的。

图4和5每个都示出了根据本发明的一副眼镜。每副眼镜包括由鼻梁架21相连接的两个观看装置20，并且出于配戴的目的设置了侧臂22。如下所描述的，每个观看装置20都具有第一平凹透镜和第二平凸透镜。

图4以分解形式示出了观看装置20的其中之一。该装置具有第一平凹镜23，其中该第一平凹镜23具有一内螺纹套筒固定件24。该固定件24的套筒螺纹连接在第二平凹透镜25的螺纹框上，从而允许透镜23向透镜25移动或远离透镜25移动以改变两透镜间的间距。

重要的是，在缺乏其它的致动装置的情况下，每个透镜23能够相对于其关联的透镜25独立手动调节。然而，如图4所示，提供了共用致动装置。因此每个透镜固定件24与一齿轮26相啮合，并且该两个齿轮共享一安装在鼻梁架21上的共用致动辊，由此配戴者能够同时调节两透镜的间距。

图5示出了一致动装置的可选形式。该对平凹透镜23通过第二鼻梁架28连接。鼻梁架21和28通过一辊子机构(以附图标记29示意指示)连接起来。每个透镜23在其外侧带有滑杆30，用于与套管31相接合，其中该套管31在支撑凸透镜25的架的侧臂内。由配戴者进行的辊子29的操作允许透镜23向透镜25移动或远离透镜25移动。

其他眼镜可能具有定位在侧臂其中之一上的致动装置。这避免了如下问题：当使用该致动装置来调节透镜间的间距时，用户遮挡了他自己的视线。

从上述描述中可以看出，根据本发明的装置能够发现多种多样的应用。预期包括：

可变焦眼镜(包括自动对焦眼镜)和眼镜；

现有眼镜能够通过夹住一对相匹配的发散和会聚(例如凹和凸)透镜使其内表面或外表面相配合来制成具有可变焦点；

用于无晶状体的校正的眼镜，同时不需要折射和引入可变焦点(这可能在不发达国家是很有意义的，在该不发达国家，眼内透镜植入的成本可能非常高)；

可变焦隐形眼镜；

伴有可变焦点的眼内透镜植入，以便在白内障摘除后取代天生的透镜；

提供基本无像差的缩小可变焦眼镜(例如通过配置透镜，从而发散透镜的折射表面具有比会聚透镜的折射表面高的光焦度的绝对值(absolutepower))，允许相对于视敏度调整到合适(例如将视野的大区域呈现到青光眼患者的受神经支配的视网膜的缩小的区域上)；

提供基本无像差的放大可变焦眼镜(例如通过配置透镜，从而会聚透镜的折射表面具有比发散透镜的折射表面高的光焦度的绝对值)，以便将视力减小区域的放大图像呈现到患病的中心视网膜上；

利用成对的球面透镜进行散光校正，该球面透镜的轴相对于用户的光学轴倾斜；

提供用于光学设备的物镜或目镜，所述光学设部诸如双眼望远镜、望远镜、照相机、经纬仪、显微镜和测距仪；

在显示器上创建窗口(例如在汽车或飞行器中；实验室或工作间中的仪器；虚拟现实显示器)具有将图像移动到更适合观看的平面上的能力；

照相机透镜，特别是可变焦微距透镜和变焦透镜。

所预期的使用也可延伸到：

投影系统；

照明系统；

成像系统。

适当的任何上述应用中，折射元件其中之一或两者是镜面。另外或可选地，该装置可附加另外的会聚或发散透镜。

Claims (14)

1、一种观看装置，包括：

一对基本不可挠的嵌套透镜，所述透镜中的一个具有发散折射表面，另一个具有会聚折射表面；和

用于沿基本正交于所述折射表面的方向移动所述透镜中的至少一个的装置，从而在所述透镜的面对表面之间产生一变化宽度的间隙。

2、根据权利要求1所述的观看装置，其中所述间隙的宽度小于光线所传播通过的透镜中第一透镜的折射表面的焦距。

3、根据权利要求1或2所述的观看装置，其中所述透镜中的一个具有凹表面，该凹表面内嵌套了所述透镜中的另一个的凸表面，所述间隙在所述表面之间产生。

4、根据权利要求3所述的观看装置，其中所述透镜被布置成使观看光线顺序传播通过所述凹表面和凸表面。

5、根据前述权利要求中任一项所述的观看装置，其中第一和第二透镜的所述面对表面具有互补形状，因此当所述面对表面被精确并置时，其间的间隙实质上被消除。

6、根据前述权利要求中任一项所述的观看装置，其中所述折射表面的光焦度基本相等和相反。

7、根据前述权利要求中任一项所述的观看装置，其中所述透镜的两个外部表面基本是平面。

8、根据权利要求1到6中任一项所述的观看装置，其中所述透镜的外部表面中的一个或两者形成曲面。

9、一副眼镜，包括用于每只眼睛的根据前述权利要求中任一项所述的观看装置。

10、根据权利要求9所述的一副眼镜，其中该移动装置具有用于该副眼镜的单个共用致动机构。

11、一种可变焦隐形眼镜，包括根据权利要求1到8中任一项所述的观看装置。

12、一种可变焦眼内透镜，包括根据权利要求1到8中任一项所述的观看装置。

13、一种光学仪器目镜，包括根据权利要求1到8中任一项所述的观看装置。

14、一种照相机取景器，包括根据权利要求1到8中任一项所述的观看装置。

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