CN1751505A - 用于观看电视屏幕或计算机屏幕的辅助镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于观看显示屏(2)的装置(5)，其包含可被放置在该显示屏(2)之前的大面积的视觉媒体(1)。本发明装置的特征在于，该视觉媒体(2)具有至少615mm的焦距f。该视觉媒体(2)优选为针对利用双眼(4)来观看整个显示屏(2)是最优的大面积透镜(1)。

Description

用于观看电视屏幕或计算机屏幕的辅助镜头
本发明涉及用于观看屏幕的助视领域。本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于观看屏幕的装置。
现有技术
这样的装置例如从US6,417,894中公知。其中说明了辅助镜头，该辅助镜头借助支撑臂固定到计算机屏幕上并且针对5cm到20cm的眼距被装设在透镜之前。由此可达到表面上无穷远的像距，由此应使老花眼用户容易实现眼睛的适应性调节。可是仍然存在许多人类工程学和操作生理学的问题。
发明描述
因此，本发明的任务是提供一种开头所述类型的用于观看屏幕的装置，该装置使得改进的工作环境和轻松的观看成为可能。
具有权利要求1的特征的用于观看屏幕的装置解决了该任务。
本发明提供以下优点：
由于像对于观看者看来作为整体并显得相当大，该观看导致头部不断的轻微运动，这抵制了使颈肌和肩肌系统僵硬。
由于装置的光学有效直径相当大，双目观看整个屏幕是可能的。通过聚焦从屏幕发出的光，该像对于观看者显得更加明亮。
通过该装置的放大作用，像距、也就是所观看的物体或屏幕对于观看者看上去的距离变得更大。由此观看者的眼睛的负荷通过适应性调节来减小。像距可以选择直至无穷远，可是已经表明，一定的残留适应性调节是有益的。同时像距应优选地不比观看者的“明视距离”更近。对于年轻人最小的明视距离可直至25cm，并且随着年龄增长而增大，直到约1m。根据通常的视觉习惯，从0.5m到2m的明视距离是有益的。
光学介质优选地具有650mm和2000mm之间的焦距。通过大的焦距，也能比较薄地形成具有足够的放大倍数的大面积的透镜。
这种选择对应于视觉媒体、尤其是单透镜的大小和重量的最佳化，利用该视觉媒体即使在大屏幕的情况下在观看者、透镜和屏幕之间的小距离也是可能的。因此，即使在受限制的场地情况下屏幕也完整地并以舒适的距离显现，以致只有小的适应性调节是必需的。
优选地在应用单透镜时这样选择其参数、尤其是透镜两侧的曲率半径，使得针对两眼在整个像上散光和慧形象差(Koma)小而且得以补偿。同时通过与物距和眼距一起合适地选择焦距，使像弯曲最小。这类参数化透镜与传统方法不同：以传统方式将透镜或者透镜系统针对光轴或者透镜轴上的观看点来优化。这对于双目镜的一半或者针对应用一只眼的放大镜而言是正确的。可是，通过大透镜来双目观看提出其他要求。传统的透镜或者放大玻璃镜在使用双眼时要求精确布置透镜、眼睛和物体，然后也只具有其中色失真和像失真是可接受的小的可用区域。
根据本发明类型的参数化通过在感觉到的像点上模拟物点的成像来发生。同时从处在离开透镜轴的地方的眼情的感觉出发并针对物点的不同颜色部分执行成像。尤其是通过透镜的慧形象差效应和色差，物点被模糊，也就是说成像在不同的像点上。因此像变得有点模糊。根据本发明的参数化通过透镜参数的系统变化得到，直到得到模糊均匀分布在整个像上为止。
由这种优化得到的单透镜的优选参数为：1000mm和1200mm之间的焦距，300mm和600mm之间的透镜的眼距，以及300mm和500mm之间的物体到透镜的距离。针对双凸透镜，内透镜表面的半径优选地在300mm到1000mm之间、尤其是在450mm和700mm之间，而外透镜表面的半径优选地在-600与-10000mm之间、尤其是在-1200mm和-10000mm之间。针对凹凸透镜，内透镜表面的半径优选地在300mm和1000mm之间、尤其是在450mm和700mm之间，而外面的、凹透镜表面的半径优选地在1000mm和10000mm之间、尤其是在4000mm和6000mm之间。
利用这样优化的实施方案得到本发明的另一优点：管状屏幕或LCD屏幕的单个像点没有被理想地放大，而是在彼此之间轻微模糊。像素的效应消失。像的这种平滑令人吃惊地主观上感觉是令人舒服的。屏幕的理想放大也可能放大了像点，并由此使其可更好地识别出。虽然这对于理论家是好消息，可是因为观看者并不对单个像点感兴趣而是对整个像感兴趣，所以对于观看者而言仍然感到烦恼。
透镜有利地由塑料、尤其是由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylat))或由CR39来制造。CR39通常用于制造塑料镜片。
在发明的另一优选实施方案中，视觉媒体具有多个透镜的系统。该多个透镜优选地相互正匹配地(formschluessig)连接。
其它的优选实施方案由从属权利要求得知。
附图简述
以下，本发明主题根据在附图中描绘的优选的实施例详细说明。
其中：
图1示出光学系统中的光程的示意图；
图2示出根据本发明的光学系统中的光程的示意图；
图3示出根据本发明的装置的第一实施方案的视图；和
图4示出根据本发明的装置的第二实施方案的视图。
在附图中应用的参考符号及其意义在参考符号列表中概括列出。原则上，在图中，相同部分配备相同参考符号。
本发明的实施方法
为了说明光学基本概念，图1示出光学系统中的光程的示意图。分别以虚线沿着透镜轴6或光学轴排成行地示出透镜1、物体2和观看者的眼睛4。眼距a等于眼睛4到透镜1的距离，或者更精确地说，到适当定义的透镜中心的距离，而物距g等于物距g到透镜1的距离。一部分物体2典型地被表示为黑体箭头。没有透镜，观看者可能以角度α和在距离a+g处看到该物体。通过透镜1的作用，对观看者而言，该物体被看作以角度β和在距离a+b处放大的虚像，其中b是到透镜1的像距。通过等式
1 f = 1 b - 1 g
来概括该成像，其中f是透镜1的焦距，并且根据惯例物距g具有负号。像3与物体2的大小比称为理论放大倍数vt。因此适用
               vt＝b/g＝f/(f+g)。
眼睛4以在比没有透镜1时的角度α更大的角度β通过透镜1看物体2。所看到的放大倍数vs相应地通过以下角度比定义为
vs = tan ( α ) / tan ( β ) = b ( g + a ) g ( b + a ) .
在正透镜的情况下，所看到的放大倍数vs小于理论放大倍数vt。
如果像距b和物距g涉及焦距f，则得到相关量
c＝g/f和e＝a/f，
利用这些量所看到的放大倍数vs可以表达为
vs = c + e c + e + eg .
如果针对分别在0和1之间的c和e的值描绘vs的关系，则可以看到，针对分别小于0.5的c和e的值，所看到的放大倍数vs达到其最大增加。尤其是针对0和0.5之间的e的值，放大倍数vs最大地增大，而针对0.5和1之间的值，放大倍数vs还只相当弱地增加。增加的眼距a因此只引起轻微的放大倍数增加。由于在计算机屏幕处，选择眼距a有利地大于物距g或屏幕距离，所以c的值优选地被选择在0.2和0.6之间而e的值优选地被选择在0.3和0.7之间。这些值允许焦距f为0.8m至2m。
图2示出根据本发明的光学系统中的光程的示意图。为了清楚，物体2及像3不作为整体示出，而只是示出相应的象征性的箭头。示意性地示出在物体2的平面中箭头尖端上的物点21和眼睛4之间的光程。通过大面积透镜1，两眼4同时观看物点21，并且把它看作像点31。眼睛4分别距离透镜轴6眼中心距离ya的一半。
与传统的理论相反，透镜不是针对在透镜轴6上的单眼最佳，而是针对两个隔开的眼睛4最佳。从物点21出发，更确切地说针对从物点21出发的光的各种光谱分量确定相应的感觉到的像点31。为此，从物点21和所观看的眼睛4的已知位置和假设为给定的透镜装置和几何结构出发，为了确定从物点21到眼睛4的光程，边界值问题得以解决。同时在透镜1的表面上、也即在内透镜表面11上和外透镜表面12上必须满足折射定律。
根据一定光程的光束的入射角ε1和出射角ε2是外角。适用：
ε1＝1+ψ1和ε2＝2+ψ2。
当入射角ε1和出射角ε2彼此相等时，光束经受最小偏转，并因此也得到最小误差。可是针对大面积透镜和扩大的物体在整个像区域上这个要求可能不被满足。从物点21出发的光束通过眼睛4被感觉为来自像点31。由于瞳孔的小开口，该光束的孔径角相对小。由于散光和慧形象差，该光束不能准确地成像到像点31上。散光涉及斜穿越透镜1的光束，而慧形象差涉及广开口的光束。色差导致，光束按颜色或光束的光谱分量没有准确地在像点31上感觉到；例如在物平面重叠的、也即处于同一地点的绿色、红色和蓝色的物点21并不处于像平面的同一位置；因此感觉它们处于不同位置。色差不能利用单透镜来校正，因此应用具有小色散的材料、诸如PMMA。
因此白色物点21被感觉为模糊或歪曲的像点31。以下述方式找到最佳值，因而模糊：针对多个、例如针对28个物点21确定像点31的这种模糊或歪曲，该多个物点21有规则地分布在整个面积或物体2的平面的象限上。针对每个点，确定例如每8个蓝色、绿色和红色光束的成像。针对每个点，偏差的误差均方值相加作为偏差的量度。为了优化，关于所有点和针对双眼、也就是针对总共56个点的误差相加。此外，靠经验对模糊评估。针对给定的焦距f，系统地改变内透镜表面11的半径r1和外透镜表面12的半径r2，直到在所有观看的物点21上、也即在整个像上以及针对双眼4找到模糊的均匀和整体最小的分布作为最优值为止。由此针对利用双眼来观看整个物体2来优化透镜1。必要时，针对其它的焦距f和相应的物距g和像距b，可重复半径的这种改变。
内透镜表面11的半径r1优选地小于外透镜表面12的半径r2。由此失真小于相反情况下的失真。
相反，用于透镜设计的传统方法只针对透镜轴6上的一只眼睛提供最优成像。针对从物点21出发的相对大的光束也被优化。确定不同于根据上述方法确定的透镜1的曲率或半径r1和r2。因此随着到透镜轴6的眼中心距离ya的增加，各种模糊和失真增加，以致只有一小部分视野足够清晰看到并且实际上是可利用的。模糊区域导致在尝试清楚看到一定的像区域时的观看者的烦燥和疲劳的运动。
针对68mm的平均的眼中心距离ya，根据本发明的上述优化方法的应用示例地提供下述优选值(所有单位为毫米)：
  物距g   眼距a   r1   r2
  焦距f＝1200mm
  -300-300   300450   529.5558.4   5000-10000
  -300-450-450-450   600300450600   770.0529.5627.1833.7   -25005000-10000-2000
  焦距f＝1000mm
  -300-300-300-450-450-450   300450600300450600   449.4586.2726.0517.0609.6783.9   5000-3000-1500-10000-2500-1300
r2的负值对应于双凸透镜，r2的正值对应于凹凸透镜。优选近似等于给定值的半径值。半径改变了指定值的约10％到20％还总是导致好的结果。也可以应用平凸透镜取代具有大r2(例如-10000mm)的透镜。
焦距f优选地至少为约600、650或700mm，以致较大的放大倍数是可能的，而没有在小焦距f的情况下出现的失真过大的情况。另一方面，焦距f优选为最高2000mm，因为针对在合理的物距g的情况下的较大值，最终的放大倍数不够。因此优选的焦距处于800mm到1500mm的范围中。
物距g优选地处在160mm和1500mm之间、尤其是在200mm和800mm之间。直至例如30mm的较小值也是可能的，可是具有相应的较小放大倍数。眼距a优选地为100mm到1500mm、尤其是205mm到1400mm。
透镜1的直径优选地大于250mm，该透镜1的直径尤其是大于或等于380mm和小于1000mm。
在本明的优选的实施方案中，透镜是平凸透镜，具有约380mm的直径，并且凸侧的曲率半径在550mm和640mm之间、尤其是在585mm和605mm之间并优选地至少近似594mm。
根据本明的上述实施方案的透镜优选地在一侧或双侧是抗反射的。通过以蒸发镀膜或浸渍方法淀积一层或多层光学活性层或者通过粘接抗反射的箔或抗反射的层压板进行抗反射。
由于通常多层建立具有例如近似0.2mm厚的层压板，并且比箔更加坚固和不易弯曲、也即没有强的可延伸性，所以优选地在平凸透镜的平面侧粘贴该薄层。
图3示出根据本发明的观看装置5的第一实施方案的正视图。该观看装置5具有直径为380mm的球状透镜1，由PMMA(聚甲基丙烯甲酯)材料制成并具有约1.3Kg的重量。在本例中透镜是双凸透镜，并且为了减少成像误差具有两个不同的曲率半径。观看装置5具有可调整的支撑臂53，用于在屏幕、尤其是计算机屏幕前对透镜1定位。支撑臂53可固定在台上并且优选地具有其中透镜1可运动的5个或6个自由度。透镜1也可被构造为椭圆或者矩形或者正方形。
图4示出根据本发明的观看装置5的第二实施方案的正视图。所应用的透镜1是矩形透镜，其中矩形对角线基本上等于前一实施例的透镜直径。透镜1通过任意倾斜装置或定位装置52固定在脚51上，该脚可以放在台面上。脚51例如具有可更换的元件，以实现透镜1关于台面的不同高度。在本发明的另一实施方案中，该脚被构造为桥形，以致该脚可以放在计算机键盘之上，这允许更大的物距g。当然这样的脚也可以与圆形或其他形状的透镜1组合。
参考符号列表：
f             焦距
g             物距
b             像距
a             眼距
1             视觉媒体、透镜
11            内透镜表面
12            外透镜表面
2             物体
21            物点
3             像
31            像点
4             眼睛
5             观看装置
51            脚
52            定位装置
53            支撑臂
54            台
6             透镜轴

Claims (20)

1、用于观看屏幕(2)的装置，其具有可布置在该屏幕(2)之前的大面积的视觉媒体(1)，其特征在于，该视觉媒体具有至少615mm的焦距(f)。
2、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置针对利用双眼(4)来观看整个屏幕(2)是最优的。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置针对多于220mm的眼距(a)被装设。
4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置针对220mm到1500mm的眼距(a)被装设。
5、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置针对100mm到1500mm的物距(g)被装设。
6、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置具有620mm到2000mm的焦距(f)。
7、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置具有超过800mm的焦距(f)。
8、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置具有250mm到1000mm的直径。
9、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置具有超过370mm的直径。
10、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，该装置具有多个透镜的系统。
11、根据权利要求1至9所述的装置，其特征在于，该装置具有单个透镜1。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述透镜(1)是平凸、凹凸或双凸透镜。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述透镜(1)是双凸透镜，并且具有300mm到1000mm的范围内的第一曲率半径(r1)和-600mm到-10000mm的范围内的第二曲率半径(r2)。
14、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述透镜(1)是凹凸透镜，并且具有300mm到1000mm的范围内的第一曲率半径(r1)和1000mm到10000mm的范围内的第二曲率半径(r2)。
15、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述透镜(1)是平凸透镜，并且具有550mm和660mm之间、优选地585mm和605mm之间的范围内的曲率半径。
16、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述透镜通过粘贴的箔或层压板至少一侧是抗反射的。
17、根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述透镜通过一层或多层蒸汽镀膜的或通过浸渍方法淀积的光学活性层至少在一侧是抗反射的。
18、根据前述权利要求之一所述的装置，其具有用于在所述屏幕(2)之前布置所述视觉媒体(1)的支撑装置(53；51，52)。
19、根据权利要求18所述的装置，其中所述支撑装置是具有多个自由度的可调整的臂(53)，该臂(53)可以被固定在台(54)上。
20、根据权利要求18所述的装置，其中所述支撑装置是具有用于调整视觉媒体(1)的高度和/或用于倾斜视觉媒体(1)的装置(52)的台式支架(51)。
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