CN1813213A - 双目镜观察系统 - Google Patents

Abstract

一种双目镜观察系统将来自电子显示元件的图像经右眼和左眼显示器组件而透射到用户的左眼和右眼，该右眼和左眼显示器组件由鼻架元件连接。该双目镜观察系统包括瞳距调节机构以适应多个用户。还可以提供对视力矫正和焦点机构的适应性调节。该双目镜观察系统还在一种布置中提供位于小于无穷远的距离处的虚像，其也适应一定的瞳距范围。在另一方面，双目镜观察系统结合面部曲率以更舒适地配合用户的头部，并邻近用户的眼睛放置该电子显示元件，或者在视线中，或者在鼻架元件中。

Description

双目镜观察系统

相关申请的相互参照

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2003年4月25日的美国临时专利申请第60/465441的权益，该申请的内容在此引入作为参考。

关于政府资助的研究和开发的声明

不适用

技术领域

本发明涉及双目镜观察系统领域。

背景技术

信息存储和处理、声音和图像的电子记录、电子通信和电子娱乐系统已经变得很普遍，这些技术的便携式应用正在迅速发展。已经有对单目镜光学观察系统集成到或可连接到眼镜上的描述。例如，参见美国专利US 5886822。也已经知道将两个单目镜观察器形成双目镜观察器。例如，在美国专利US 6349001 B1的图21中和美国专利US 6091546的图21中示出一种双目镜眼镜显示器。在形成双目镜观察器的方法中，没有教导连接两个目镜的鼻架的细节。

通常，将双目镜观察系统的光学部件连接到镜架结构上，该镜架结构延伸跨过面部并位于用户的眼睛前面。美国专利US 5129716是可佩戴的立体显示设备的一个实例，其利用延伸跨过面部并位于眼睛前面的透明镜架，但是该镜架不对从图像显示器到眼睛的透射光执行光学功能。取而代之的是，图像显示器的光学系统中的光学部件与镜架分开，镜架用于安装和支承这些光学部件。

发明内容

本发明涉及双目镜观察系统，其提高对用户的舒适性和可用性，特别是对于诸如DVD和其他视频观察的应用，在观察中，用户佩戴该单元一段时间。通过提供一种双目镜观察系统来实现这些目的，其中光学部件是自承重的，并且不需要连接到面部前面的镜架上。位于侧面的镜腿部件在用户的耳朵上支承该双目镜观察系统。该双目镜观察系统也考虑不同用户之间的瞳距差。还可以对小于光学无穷远的舒适距离处的虚像的位置进行调节。该双目镜观察系统还可以为具有不完全视力的用户提供焦点调节和视力矫正。

在一个实施例中，本发明的双目镜观察系统提供通过鼻架连接的左眼和右眼显示器。例如通过提供可相对于该鼻架滑动的光导管元件来调节每个显示器，这允许根据各种瞳距而进行调节。可以以降低成本和减轻重量的方式来制造该双目镜观察系统。

在另一个实施例中，本发明的双目镜观察系统可通过将用户看到的虚像的位置固定在小于无穷远的位置来适应具有一定瞳距范围的用户。在一个实施例中，每只眼睛的显示器组件的光轴设置为朝中心移动虚像。在另一个实施例中，在鼻架元件中提供枢轴点。

在本发明的另一方面，该双目镜观察系统结合面部曲率以更舒适地配合用户的头部，并接近用户的眼睛放置电子显示元件，或者在视线中，或者在该鼻架元件中。

附图说明

根据下面结合附图所进行的详细描述将更充分地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明的双目镜观察系统的示意性俯视图；

图2示意性地表示供图1的双目镜观察系统使用的环视(see-around)光学部件；

图3示意性地表示供图1的双目镜观察系统使用的直视(see-through)光学部件；

图4A是图3的双目镜观察系统的侧视图；

图4B是将弹簧载荷结合到通道中的图3所示双目镜观察系统的侧视图；

图5示意性地表示安装在外壳中的图3的双目镜观察系统；

图6A是向图3的双目镜观察系统增加矫正透镜的眼镜架的分解图；

图6B是图6A中的眼镜架和矫正透镜装配之后的视图；

图6C是表示图3所示双目镜观察系统的底架的眼镜架和矫正透镜的侧视图；

图7表示组合有图6所示眼镜架的双目镜观察系统；

图8表示安装到没有附加矫正透镜的眼镜架上的双目镜观察系统；

图9示意性地表示供双目镜观察系统使用的焦点调节机构；

图10是图9的焦点调节机构的横截面视图；

图11A表示双目镜观察系统的光导管，其包括整体的安装轨道；

图11B表示双目镜观察系统的光导管，其包括整体的安装轨道和电路系统空腔；

图12表示在鼻架上具有电路系统空腔的双目镜观察系统；

图13表示在镜腿中具有服务回路空腔的双目镜观察系统；

图14是由具有一定瞳距范围的人所能看见的双目镜观察系统的示意性俯视图；

图15是图14的双目镜观察系统的另一个顶视图；

图16A和16B是具有可枢转的瞳距调节机构的双目镜观察系统的另一实施例的示意图；

图17是由具有一定瞳距范围的人所能看见的双目镜观察系统的再一实施例的示意图；

图18是图17所示双目镜观察系统的另一实施例的示意性正视图；

图19是图18的双目镜观察系统的侧视图；

图20是图18的双目镜观察系统的俯视图；

图21是结合面部曲率的双目镜观察系统的示意图；

图22是结合面部曲率的双目镜观察系统的另一实施例；

图23是结合面部曲率和宽视场的双目镜观察系统的再一个视图；

图24是具有较高放大率的另一个双目镜观察系统的示意图；

图25是图24的双目镜观察系统的光学部件的示意图；

图26是图24的双目镜观察系统的光学部件的另一个实施例的示意图；

图27是图24的双目镜观察系统的光学部件的再一个实施例的示意图；

图28是具有高放大率的双目镜观察系统的另一个实施例的示意图；

图29是图28的双目镜观察系统的光学部件的示意图；

图30是图28的双目镜观察系统的光学部件的另一个实施例的示意图；

图31是根据本发明的整个双目镜观察系统的实施例的示意图；

图32是观察系统的示意图，其结合了本发明双目镜观察系统；以及

图33是图32的接口控制器的方框图。

具体实施方式

图1表示根据本发明的双目镜观察系统的第一实施例。该双目镜观察系统具有一对显示器组件5，一个用于右眼，一个用于左眼。每个显示器组件都包括电子显示元件30，如本领域已知的LCD或其他器件。每个显示元件还包括透明的光导管元件10。一个光导管元件包括多个光学部件，其中包括目镜组件，将来自显示元件的图像传送到用户的右眼，另一个光导管元件包括多个光学部件，其中包括目镜组件，将来自显示元件的图像传送到用户的左眼。例如，参考图2，在环视方法中，转向反射镜20和目镜30形成由透明机械导管10支承的目镜组件，使光从显示器30透射到眼睛，如光线35所表示的。如图3所示的另一个例子，在直视方法中，来自显示器30的光线35通过导管10传递(relay)到偏振光分束器45，到达聚焦反射镜60，并通过该分束器返回。光两次穿过四分之一波片46，因此由分束器45反射，并传递到眼睛。

该双目镜观察系统是可调节的，以便适合宽范围的人。更特别的是，该观察系统具有用于调节瞳距(IPD)的调节机构。IPD是用户瞳孔之间的距离，其必须与该观察系统的目镜组件的光瞳之间的距离大致对准。

双目镜系统需要将图像传递给左眼和右眼的光学子系统以精密公差对准。在物平面中的垂直位移必须小于30微米，左眼和右眼的中心光线的角距应小于沿垂直轴的弧的5分。该系统的IPD调节机构能够保持这种对准。

本发明的IPD调节机构包括鼻架元件，其保持在用户鼻子上方居中的位置。右和左显示器组件可移动地安装到该鼻架元件上。该右和左显示器组件以及鼻架元件自承重地跨在用户的面部上，不需要为此目的而连接到面部前面的镜架上。在该右和左显示器组件的相对端提供镜腿部件，用以将该双目镜观察系统架在用户的耳朵上。除了安装矫正透镜之外，还可以提供镜架，这在下面进一步描述。

更特别地参考图1、4A和5，在IPD调节机构中的优选实施例包括架在鼻子上的连接轨道100。轨道110沿着透明的塑料光导管的顶(或底)面而安装到该导管上。轨道110包括如鸠尾槽或其他斜面的通道，该通道与连接轨道100互锁，如图4中的横截面视图所示。因此，光导管能够自由地水平移动但不能转动。

在可替换的实施例中，接头可以是弹簧加载的或者以其他方式偏置，从而迫使带倒角的边缘共同沿着一侧，以将制造公差考虑进去。在图4B所示的实施例中，弹簧111迫使连接轨道紧靠带鸠尾槽的通道的一侧，使得在轨道110中的鸠尾槽稍大于连接轨道100时产生的转动最小。图4B中示出线绕式压缩弹簧；应该理解，可以使用复式弹簧和其他类型的弹簧，如板簧，以便迫使该连接轨道紧靠通道表面。

要注意，这些轨道的实施例也可以具有弯曲通道，光导管具有相匹配的弯曲，从而当通过沿轨道的运动而调节IPD时，可略微改变光学会聚角(在图15中的γ)。这具有以下好处，即，使IPD范围内的会聚距离和焦平面距离更好地匹配，从而使这两个距离的差异最小。

鼻垫210连接在轨道100上。(参见图1和图5。)这些鼻垫210确保在右和左显示器组件沿该轨道自由滑动时该轨道保持在用户鼻子上方的中心，从而调节IPD。

导管10和轨道110可以形成为单独的部件，通过胶粘或焊接将其接合，或者可以整体地形成；例如，如果光导管是注射模塑而成，那么该轨道可以形成为模塑工艺中的材料的一部分。可替换的是，可以将必需的倒角加工在导管内。可以使用任何适当的材料，如适合于光学用途的塑料，如本领域所公知的。

还要注意，滑动轴可以不必与光轴对准。光轴可以倾斜，使眼睛看到位于固定距离处的立体图像。但是，光导管10的平移，更特别的是光学系统的光瞳的平移应该垂直于用户注视远距离目标时的视线，并且应该在水平面中。对准轨道可以置于光学元件的顶面或底面上，或者置于这两个表面上。

本发明的系统比现有技术的光学系统有改进，在现有技术的光学系统中，光瞳足够大而不需要进行调节，但是光学系统必须很大并且很重。本发明的系统通过将较小的更适当尺寸的光学系统与IPD调节相结合来提供更舒适的设计。

在上述附图中所示的系统可以任意地安装到外壳200中，如图5中所示。该外壳可以具有轨道或其他结构，用以滑动前述光学系统的座架从而将对准和调节系统集成在外壳中。镜腿220可以连接到外壳上。镜腿可包括音频转换器。

参考图6A-C、7和8，提供一种双目镜观察系统，该系统允许对用户的不完全视力进行额外的矫正。该观察系统安装到眼镜架上，眼镜架设计为可以安装镜片来矫正用户的视力。该镜架可以设计成无论是否安装矫正镜片都具有吸引人的外观。

图6A示出一种镜架300，其保持住眼镜光学系统，并且由图1-5中所示的双目镜光学系统来支承。该眼镜架具有可拆卸的镜片保持器320，当安装镜片313时，该镜片保持器是套环的一部分，在不安装镜片时不使用该镜片保持器。镜架300制成看上去很有吸引力，甚至在没有镜片313和镜片保持器320时也如此。通过铰链310和鼻垫处的小螺钉312连接镜片保持器320(左和右)，该鼻垫配合到镜片保持器320中的分接头部分(tapped section)311中。图6B示出带有镜片的眼镜架，图6C示出已安装双目镜观察光学系统的侧视图。

图7示出安装有矫正镜片和双目镜观察光学系统的不同样式的眼镜架。镜片330矫正用户的视力。这些镜片安装在镜架中，因此位于该观察光学系统和用户的眼睛之间。图8示出没有矫正镜片的该系统。这样，尽管这些附图示出了常规的眼镜，但是也可以将镜架设计为在带有或不带有镜片时都是时髦且吸引人的。镜架可以由模制塑料、机加工的金属制成，或者由眼镜架领域中已知的其他材料和工艺制成。

图6C示出说明光学系统325的外壳连接到镜架300的侧视图。可以使用许多方法将镜架300与光学系统相连，包括用于可调性的球窝接合或枢转接合，以及其他连接方法，如机械、夹紧或磁支架。

镜架300可以在鼻梁元件处连接到光学系统325，从而可以调整IPD，而不会对由镜架300强加的运动进行任何限制。可替换的是，该镜架可具有可滑动的鼻架或其他调节装置，从而能够在镜腿处由光学系统325支承镜架300，而不会限制该光学系统的IPD调节。镜架300和相联的矫正眼镜片也可以与将要描述的任何其他实施例一起使用。

另外，左和右镜片保持器320可形成为单个镜片保持器，其保持住两个镜片，其中，镜片可以是半持久地固定在套环保持器中。这种镜片保持系统能够以许多方式安装到镜架300上，包括使用如前所述的螺钉、使用夹紧装置、磁铁或其他连接机构。这一特征允许许多用户使用镜架300，每个用户都可以在使用该系统时安装自己的眼镜片。

矫正用户不完全视力的另一实施例利用了焦点调节机构，在图9中示出。通过相对于该光学系统移动显示器(例如，液晶显示器和背照明器)来光学地获得这种调节。这对于移动物平面的距离并因此移动虚像面的距离具有直接的影响。可通过在外壳中设立机械固定装置使用户调整该距离来获得焦点调节。该机构必须在不改变显示器彼此对准的情况下移动该显示器。为此，有利的是将显示器组件直接安装到光导管的端部，而不使用转向反射镜40(图2)。图9示出这种系统。显示器安装在特定外壳420中的特定托架410中，该特定外壳安装到光导管430上。

通过螺杆450使指轮440与托架410相连。旋转指轮来移动该显示器托架。要注意，显示器托架的仅仅几毫米的运动就可获得全部聚焦范围，其具有在大约25cm和无穷远之间可调的虚像距。

图10示出怎样将显示器托架410安装在形成组件420的外壳中的横截面视图。形成的鸠尾通道或其他通道将托架410精确定位在组件420中，其刚性地连接到光学系统上，以便保持在整个聚焦范围内的对准。对于液晶显示器的情况，该外壳包括背面光。在最终的对准过程中，将该显示器胶合或以其他方式固定在该外壳中作为组装的最后一步。

在制造该双目镜观察系统中希望得到最低的可能成本。如果通过注射模塑法并通过将对准、焦点调节和易于组装所需的特征嵌入到部件中，那么可获得低成本。光导管可形成为一个部件，其包括用于IPD调节所需的鸠尾系统或轨道系统，以及整体目镜和/或场镜。对于不利用IPD调节的观察器，可以在一次注射模塑操作中形成左和右光导管作为一个整体的部件。

图11A中示出具有整体轨道550和整体目镜560的光导管。可增加其他特征来简化该光导管在所需外壳中的装配。例如，可以增加配准特征，该特征能够使图10中的组件420以正确的配准而咬合到光导管上。然后可以将该导管和外壳胶合或超声波焊接或其他方式彼此固定。

在一些设计中，仅仅具有到达头部的一根电缆是有利的。这需要通过导线将左和右显示器相连，这些导线紧靠该光导管的一侧设置，优选是顶侧或底侧。这些导线可包括柔性电路。可以在注射模塑工艺中形成浅的空腔570，其为柔性电路或其他布线提供空间，如图11B中所示。一旦插入该柔性电路，空腔就填满相匹配的适当厚度的鸠尾形插入物。

该柔性电路或布线580可以延伸到鼻架582中的空腔581中。参见图12。可以采用弯曲电路中的服务回路(service loop)允许布线中的必要松弛，从而允许通过利用前面讨论的轨道100和110移动导管10来调节瞳距。可以将鼻架582中的空腔形成为允许导管10滑入和滑出该鼻架，例如，由距离590所示的。鼻架582本身被粘合到轨道100上以保持对准。该导管和鼻架可以通过注射模塑来制成，以获得紧密公差和低制造成本。

作为可替换的方案，如图13中所示，可以在容纳显示器组件420的右和左镜腿外壳595中放置服务回路585。在这种情况下，电缆580可以固定到轨道100上。该服务回路允许导管10相对于鼻架582移动。

在鼻架和其他地方使用空腔可以减少该系统的重量。也可以在光导管中采用空腔，只要适当地改变这些镜片的焦距。

电子设备可集成到图5所示的镜腿220中。这需要使用如KopinCyberdisplay的微液晶显示器230，和具有视频驱动电路和音频电路的小印刷电路板。可以通过本领域已知的技术在镜腿220中嵌入扬声器和麦克风。

图14和15中示出了由具有一定瞳距范围的人能观察的另一个双目镜系统。将显示器630，如透射液晶显示器连接到透明的光机械导管610和目镜组件620，因此使光线670表示的光从背面光640透过显示器630和光导管610，并通过组件620传递到眼镜。如果显示器630是自发射的，如有机发光二极管(oLED)显示器，那么就不需要背面光640。利用转向反射镜659反射光，使其通过透镜660然后到达眼睛。该转向反射镜可包括金属涂层，可利用全内反射，或可利用本领域已知的用于反射选定波长的干涉涂层。镜片660可以是单镜片(singlet)、双镜片(doublet)、衍射的、全息的或具有改变光的聚散度并允许观察到位于舒适距离处的虚像的其他性质。

如果镜片660的间距691对应于用户的瞳距(IPD)，那么朝向眼睛观察到位于无穷远的像的注视方向将是直的。在这种情况下，与反射镜相关联的角度α和β都是45°。但是，本发明通过调整虚像的位置使该像看上去不是位于无穷远来提供对于该系统的改进。这在向用户提供在25cm和5m之间的舒适视距处的虚像的任何系统中都是重要的。在该范围中，用户以几种方式观察距离，包括(在其他方式中)通过用户注视的会聚来判断距离(如通过眼睛转动所确定的)，以及通过判断焦平面(通过使眼睛聚焦的肌肉的位置所确定的)来判断距离。为了产生以一定深度观察到的舒适的像，眼睛应该转动到用于观察位于该距离处的实物的近似角度。规定注视的会聚在用于3-D立体像的显示器中也是重要的。

如果用户两只眼睛的注视方向平行，那么观察到位于无穷远的虚像。如图15所示，对于两只眼睛的注视方向会聚的情况下，在离开观察者的距离105处形成虚像。可以仅仅通过朝中心稍微移动每只眼睛中的虚像来改变该虚像的位置。例如，在一个实施例中，显示器630相对于目镜组件620的光轴移动。如果镜片660提供可接受的离轴性能，例如，如利用适当的非球面镜片设计所产生的，那么该用户观察到位于距离105的像。应该例如通过在组装过程中固定或通过如上所述的机构相应地调节该焦点，从而焦距和会聚距离之差最小。镜片的光学间隔106设定为可以小于用户IPD107的距离。因此，如图15中所示，眼睛以角度γ转向虚像。镜片660的直径允许由具有一定IPD范围的人观察到该像。

距离109可以是可调的，以适应用户的IPD范围，对于较大的IPD，该距离较大，对于较小的IPD，该距离较小。这样，可以使用将观察器保持在头部的镜架中的可调固定装置来改变距离109，允许由不同IPD的人舒适地使用该观察设备。例如，如果将虚像距105设定为1m，并且将镜片间距106设定为60mm，那么在25mm范围内调整距离109将提供从60mm到61.5mm的IPD范围。

图16A和16B示出可替换的实施例，其中，在观察者的鼻架中安装枢轴点120。在这种情况下，角γ与该枢轴点处引入的角相加，引起光轴更大的变化，因此引起该虚像的视距105′的大变化。可以使用这种类型的枢转来使观察设备更适合于具有大IPD107′的人。

图17中示出将图15、16A和16B所示发明组合的另一个实施例，通过利用光轴朝中心的定量倾斜来形成不位于无穷远的固定且会聚的虚像的系统。在这种情况下，通过相对于朝无穷远的点的注视方向来调节反射镜659的角α，以及目镜和显示器的相关联的光轴来得到倾斜。在这种情况下，光轴上的反射全角β可以保持90°，但是角α小于45°。这具有在允许镜片和显示器保持几乎或完全轴向时使光学系统倾斜的作用。这种设计的另一个优点在于，左和右眼虚像很容易会聚在1m和2m之间的舒适视距处。

无论透明光导管610是否用在光学设计中，都可以应用图15、16A、16B和17中示出的这种类型的光学倾斜。例如，在图18和19中，示出了利用目镜620、显示器630和背面光640，但不使用光导管的简化眼镜显示器设计。在这种情况下，两个目镜从机械支架175上悬下，该机械支架也承载布线和IPD调节结构(如果使用的话)。图20示出俯视图，其示出依照图16A、16B中的本发明的光轴倾斜。

根据本发明的另一方面，通过适当地改变该光学系统可以增加遵循面部的光学系统的曲率(所谓的“面部曲线”)。图21示出插入到实心光导管764中的反射镜762和镜片760，从而使光线770沿轴向从显示器传递到眼睛。由于用于面部曲线的反射镜的位置在用于会聚的相反方向上，因此，在镜片760之后引入光楔766是有用的。这保持了光学系统的轴向性质，并且可根据需要调整光楔766以保证主光线770和该镜片之间的轴向光学对准。

要注意，该光导管不需要是实心的；其也可以是空心的以减少重量。如果将该导管制成空心的，那么会改变光程长度。可以采用利用不同焦距的可替换镜片，或者可以采用可替换的设计。图22示出了可替换的方案，其中目镜760移动到镜腿772。在这种情况下，在约等于目镜760的焦距的距离774处放置该显示器。通过反射镜776和778观看该虚像，在这种情况下该虚像是远距离的。导管764可以是实心的或空心的。在这种情况下，角α应该设定为使光线770看来似乎来自无穷远，并因此平行于注视方向。如图22中所示，可以将光楔780充分延伸跨过两眼之间的空间，或者可以只在每个反射镜前面提供该光楔。如果将位于眼睛前面的导管的前表面制成为相对平坦，那么将存在可忽略的畸变。在该实施例中，可以通过对反射镜776部分地镀银来制成直视系统，从而透射所需比例的显示光和环境光。图23示出另一个实施例，其中在每只眼睛前面提供多个反射镜776。如果给这些反射镜部分地镀银，那么光线770将在第一反射镜776上部分地反射，并且部分地透射到第二反射镜776。通过调整镀银，光线770可以从所有反射镜776均匀地透射，这意味着用户观看到显示器730的宽视场。要注意，可以单独或结合使用可替换的涂层，包括干涉涂层、全息图、二向色涂层等，以产生具有光线770的均匀直视透射和均匀透射的系统。

图24示出在双目镜观察设计中的又一种改进。在本发明中，LCD830被移动到邻近镜片系统820。光导管810透射来自LED840的光。通过将LCD移动到邻近该透镜组件，缩短了焦距，这意味着可以获得更高的放大率。要注意，未包装的LCD主要是玻璃；因此，如果使用未包装的LCD，那么它将不会特别使用户分散注意力而在镜片组件820附近看见它。这样，保持了用户的环境视野。互连电路系统800、801可以由Kapton柔性电路系统形成，并且可以叠置在光导管810的顶部，并在视野中看不见。

图25中示出每个镜片系统820的光学设计，该图示出俯视图，但没有示出互连800。中心光线870从背面光840通过光导管810传递到LCD830。(要注意，如果使用自发射显示器，如oLED，那么显示器830发出光线870。)光线870从该显示器传递到反射镜859，随之反射到目镜860。该光线从该目镜传递到眼睛。如果从显示器830到镜片860的光程等于该镜片的焦距，那么将在无穷远处观察到像。对于反射镜以相对于显示器830成45°角设定的情况，物理路径长度将等于导管的宽度889。那么，光程是折射率n除物理长度889。例如，如果显示器和物镜之间的材料858的折射率是1.5，并且物理长度889是1cm，那么光程是6.7mm。因此，该系统能够实现非常低的f数和高放大率。这种系统得益于使用非球面双透镜或三联体透镜作为目镜860来减小像差。目镜860也可利用在其表面上的衍射元件来进一步校正像差。如果需要更长的焦距，那么材料858可以是空气(自由空间)，或者可以通过朝背面光840移动显示器或通过在目镜860和光学材料858之间增加一个隔离物来增大目镜860和显示器830之间的距离。光学材料858可包括与光导管810相同或不同的材料。这些材料可包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯树脂、环氧树脂、尿烷、环烯、玻璃和本领域已知的其他光学材料。

图26示出利用反射液晶显示器的等效设计，如由Displaytech有限公司、III-V公司和Microdisplay公司制造的。光学设计考虑与图25中的光学设计考虑类型；但是，对于反射LCD来说，用偏振光分束器863来代替反射镜859。分束器863使偏振光传递到反射显示器831。显示器831使入射到一些像素的光的偏振发生旋转以形成图像，其将光反射回到分束器863，该分束器作为观察系统中的分析器并将来自所需像素的光反射到目镜860。该系统得益于显示器831和背面光之间的长距离，其用于准直光并提高反差比。也可以在导管810中采用任意的准直透镜867，从而进一步改进照明光的准直。

如图27中所示，还可以在导管的入口处采用准直透镜867。理想的是，通过采用光导管822的另一部分和转向反射镜868而将光源840放置在与透镜867相隔一定距离处，从而为了将该系统戴在头部而对其进行更好地配置。部分823以及部分822可包括光学材料或自由空间。为另一只眼提供等效系统。

如图28中所示，可以将显示器830和背面光840移动到靠近透镜组件820。在这种情况下，朝鼻子而不是朝镜腿移动该显示器和背面光。图28示出可将互连800、801叠置到光导管上，如前所述。在这种情况下，该互连也可以包括用于背面光840的电源，该电源可以集成到互连800中，或者可以是单独的叠层。在该实施例中，可以采用前述所有考虑，用以增加面部曲率，或者在正确距离处提供虚像。

图29示出该光学设计。对于显示器830包括透明LCD的情况，提供薄的背面光840。如果显示器830是自发射的，那么不需要背面光。该光学设计考虑与图25中所描述的情况类似，除了朝向鼻子而不是镜腿放置该LCD，以及使反射镜859反转。也要注意，也可以如图29中所示将导管821放置在背面光840和鼻架之间，这提供最大的放大率，或者如图30中所示将导管821放置在反射镜859和显示器830之间，这允许将显示器和背面光移动到不能由眼睛看到的位置，并因此提供最小的视觉障碍。另外，通过将显示器和背面光放置在不能被看到的鼻子附近(图30)，该显示器和背面光可以覆盖装饰罩。

在所描述的所有实施例中，显示出在光导管元件和其他地方使用光学材料。本发明还可以利用导管内部的空气或其他气体来实现，只要用户能够通过导管的直边观察到。在一些情况下，通过除去光学材料来实现最小的重量和成本。例如，可以通过利用空心光导管810来使图28中的显示系统最轻。

图31示出完整的双目镜观察系统，其可用于包括娱乐(观察游戏、电视、DVD、MP4等)的许多应用，用于如观察立体显微镜图像、计算机图像、来自CAD或其他系统的立体图像等的工业应用，用于如从内窥镜观察图像的医疗应用，以及许多其他应用。使用透明导管910允许用户具有对周围环境的高度认识。注意，图31也示出符合面部的面部曲率929。引入的曲线可以考虑用户的自然的眼睛转动，如眼镜领域已知的，从而使该曲率可以在用户视力中引入最小数量的像差。导管910可以是空心的以减轻重量。

在图31的实施例中，采用导管921来使显示器远离眼睛且朝向鼻子移动，罩951用于遮蔽显示器和背面光。罩951能够覆盖鼻架950的所有外表面周围，防止室内光在鼻架处进入显示系统，并防止来自背面光的杂散光从系统射出，且使其变为可见。

在图31中采用的光学系统如前面所述(图30)。另外，图31示出使用铰链275来使镜腿折叠。这通过覆盖柔性互连(前面描述的，但是在此处为了清楚而未示出)使电路在垂直面折叠而实现。镜腿285可以是空心的，并且可以容纳用于处理电缆990提供的音频和视频信号的电路系统295。可替换的是，这些电路可以是与信号源进行RF或其他无线通信，电路295可包括给设备提供电力所需的电池组。为音频提供变换器290。该变换器290可以是简单的扬声器，或者也可以具有噪声消除或采用麦克风的其他改进。可以将用于语音识别命令或通信的麦克风结合到这种设计中，如我们的在先申请中所述。

图32和33示出用于观察图像的系统。双目镜观察系统990通过电缆991、993和接口控制器992与图像数据源994通信。图像源994例如可以包括电视、数字视频盘(DVD)播放器、MPEG4播放器、摄像机、数字照相机、磁带放像机或其他视频图像源。图像源994产生视频信号，其可以提供标准形式的视频信号，如复合视频(NTSC或PAL)、电视信号分量或通过输出连接器的其他标准化形式。可替换的是，图像源994可提供任何其他格式的输出信号。图像源994也可以包括个人计算机、个人数字助理、蜂窝式电话，或者能够提供计算机或其他图像的其他便携式电子设备。电缆993将图像信号传送到控制器992，其可以向用户提供用于调整亮度、对比度或图像的其他方面的控制。该控制器还可以为结合电池组提供空间。接口控制器还可以结合电路，用以改变图像信号，从而按照最适合于驱动LCD的形式重新格式化该信息。这种改变的信号可以通过电路991供给该双目镜观察系统。电缆991也可以提供串行数据线，用以将控制指令发送给安装在镜腿中的电路295(参见图31)。电路991、993可以具有连接器。

在可替换的实施例中，该接口电路可以完全放置在图像源994中或者镜腿中(图31中的285)。可以使用图像源、接口控制器或镜腿之间的位置的任意组合，在全部重新定位所有电路系统和电池组的一些实施例中，不需要接口控制器992。

也可以通过用将信号传送到双目镜观察器990的RF或IR方法来取代电缆991、993从而去掉它们，如美国专利US6091546中所述。

应该理解，可以在单目镜系统中采用本发明的一些方面，其中仅仅为一只眼睛提供显示器组件。本发明不限于特别示出和描述的技术方案，而是如随附的权利要求书中的记载。

Claims (75)

1.一种双目镜观察系统，包括：

鼻架元件，其设置在用户的鼻子上方；以及

右眼显示器组件和左眼显示器组件，每个显示器组件都包括：

        电子显示元件，其用于提供图像，以及

        光导管元件，其包括透明导管和目镜组件，该透明导

    管设置为在内部将光从该电子显示元件传递到该目镜组

    件；以及

瞳距调节机构，配置为将右眼显示器组件和左眼显示器组件可移动地安装到鼻架组件上，以调节右眼显示器组件的目镜组件与左眼显示器组件的目镜组件之间的间隔，由此可适应用户眼睛之间的瞳距。

2.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该鼻架元件包括轨道元件，该瞳距调节机构包括滑动构件，该滑动构件置于每个光导管元件上并配置为沿着该轨道元件滑动。

3.如权利要求2的双目镜观察系统，其中该轨道元件包括在其中延伸的细长凹槽，该滑动构件保持在该凹槽中，以沿着该凹槽滑动。

4.如权利要求3的双目镜观察系统，其中该滑动构件包括细长鸠尾形突出，该细长凹槽具有相配合的构形以容纳该鸠尾形突出。

5.如权利要求2的双目镜观察系统，进一步包括偏压机构，该偏压机构置于该滑动构件和该轨道元件之间。

6.如权利要求5的双目镜观察系统，其中该偏压机构包括压缩弹簧机构。

7.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该瞳距调节机构被固定到该光导管元件上。

8.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该瞳距调节机构与该光导管元件集成在一起。

9.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该瞳距调节机构和光导管元件包括单个注射模塑制品。

10.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该瞳距调节机构和光导管元件包括光学塑性材料。

11.如权利要求1的双目镜观察系统，其中安装的该光导管元件使每个目镜组件的光轴都设置为向用户提供立体图像。

12.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该瞳距调节机构设置为当用户注视远距离目标时沿着垂直于用户视线的方向移动该光导管元件。

13.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该鼻架元件置于外壳中。

14.如权利要求1的双目镜观察系统，进一步包括连接到右眼和左眼显示器组件的镜腿部件。

15.如权利要求14的双目镜观察系统，进一步包括连接到该镜腿部件的音频变换器。

16.如权利要求14的双目镜观察系统，进一步包括连接到至少一个镜腿部件上的麦克风。

17.如权利要求1的双目镜观察系统，进一步包括连接到鼻架元件的一对鼻构件。

18.如权利要求1的双目镜观察系统，进一步包括镜架和镜片，其安装到右眼和左眼显示构件与用户眼睛之间的鼻架元件上。

19.如权利要求18的双目镜观察系统，其中镜片包括矫正用户视力的矫正镜片。

20.如权利要求18的双目镜观察系统，其中该镜架包括可拆开的透镜保持元件，其配置为可拆卸地保持其中的镜片。

21.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该右眼显示器组件和左眼显示器组件的每一个都进一步包括聚焦调节机构。

22.如权利要求21的双目镜观察系统，其中该聚焦调节机构包括配置为相对于每个相联的光导管元件可移动地安装每个电子显示元件的机构。

23.如权利要求21的双目镜观察系统，其中该聚焦调节机构包括座架固定装置，其布置为将每个电子显示元件安装到每个相联的光导管元件的端部。

24.如权利要求23的双目镜观察系统，其中每个座架固定装置包括为外壳内的线性运动而安装的托架，该电子显示元件固定在该托架中，可旋转的螺杆经传送元件固定到托架上，从而将螺杆的转动变为外壳中托架的线性运动。

25.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该光导管元件包括空腔，用于保持连接该电子显示元件的电路系统或布线。

26.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该鼻架元件包括空腔，用于保持连接该电子显示元件的电路系统或布线。

27.如权利要求1的双目镜观察系统，进一步包括置于右眼和左眼显示器组件端部的镜腿外壳，在该镜腿外壳中形成的空腔保持该电子显示元件以及电路系统或布线的服务回路。

28.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该光导管元件的透明导管进一步包括两个光学表面，其设置为允许环境光通过这两个光学表面到达用户的眼睛。

29.如权利要求1的双目镜观察系统，其中每个光导管元件的目镜组件包括设置为将光朝眼睛引导的转向反射镜和目镜。

30.如权利要求1的双目镜观察系统，其中每个光导管元件的目镜组件包括偏振光分束器涂层、四分之一波片和聚焦反射镜，其设置为使来自该显示器组件的偏振光通过该分束器涂层和四分之一波片，并将其从该聚焦反射镜反射，从而沿相反方向穿过四分之一波片，并从该分束器涂层朝眼睛反射。

31.如权利要求1的双目镜观察系统，其中该右眼显示器组件和左眼显示器组件以适合用户面部曲率的弯曲构形来设置。

32.一种用于适应一定瞳距范围的双目镜观察系统，包括：

右眼显示器组件和左眼显示器组件，其通过鼻架元件连接，每个显示器组件包括：

        电子显示元件，用于提供图像，以及

        目镜组件，其包括光导管元件和表面，其设置为使光

    从该电子显示元件朝用户的眼睛传递；

其中该右眼显示器组件和左眼显示器组件相对于彼此布置，以便将来自用户每只眼睛的光线会聚为小于光学无穷远的距离处提供的虚像。

33.如权利要求32的双目镜观察系统，其中右眼和左眼显示器组件的每个电子显示元件都从其光轴横向移动，由此在小于无穷远的会聚距离处提供左和右虚像。

34.如权利要求32的双目镜观察系统，其中通过该双目镜观察系统可移动地安装每个电子显示元件。

35.如权利要求32的双目镜观察系统，其中通过该双目镜观察系统可移动地安装每个目镜组件。

36.如权利要求32的双目镜观察系统，其中每个目镜组件包括为使离轴像差最小而选择的目镜。

37.如权利要求36的双目镜观察系统，其中该目镜包括非球面透镜。

38.如权利要求36的双目镜观察系统，其中将该目镜的直径选择为适合一定范围的瞳距。

39.如权利要求32的双目镜观察系统，进一步包括焦点调节机构。

40.如权利要求32的双目镜观察系统，其中该右眼和左眼显示器组件相对于彼此可调地安装，以调节在用户眼睛与右眼和左眼显示器组件之间的距离。

41.如权利要求32的双目镜观察系统，其中该右眼显示器组件和左眼显示器组件通过在鼻架元件处的枢转连接件而连接，该枢转连接件用于调节每个显示器组件的光轴相对于用户眼睛的角定向。

42.如权利要求32的双目镜观察系统，其中每个目镜组件的表面相对于彼此设置，以便将来自用户每只眼睛的光线会聚为小于光学无穷远的距离处提供的虚像。

43.如权利要求32的双目镜观察系统，其中该鼻架元件包括光导管元件，其连接右眼显示器组件和左眼显示器组件。

44.如权利要求32的双目镜观察系统，其中每个目镜组件从支架上悬下，该电子显示元件直接固定到该支架处的目镜组件上。

45.如权利要求44的双目镜观察系统，进一步包括与置于该支架上的电子显示元件通信的电路系统或布线。

46.如权利要求32的双目镜观察系统，其中右眼显示器组件和左眼显示器组件的每一个都包括光导管元件，其布置为将光从该电子显示元件透射到该目镜组件。

47.如权利要求32的双目镜观察系统，其中该鼻架元件包括与右眼显示器组件和左眼显示器组件的光导管对准的光导管。

48.如权利要求47的双目镜观察系统，其中将右眼显示器组件和左眼显示器组件的光导管弯曲以适应用户面部的曲率。

49.如权利要求32的双目镜观察系统，其中右眼和左眼显示器组件安装在镜架上，该镜架配置为由用户的头部支承。

50.一种双目镜观察系统，包括：

光导管元件，其曲率适应用户面部的曲率，光导管元件的中间部分形成鼻架元件；

右眼显示器组件和左眼显示器组件，每个显示器组件都包括：

        电子显示元件，用于提供图像，其布置为将光透射到

    该光导管元件的一端；

        一部分光导管元件，其布置为接收来自该电子显示元

    件的光，以及

        目镜组件，包括目镜和至少一个反射面，该反射面布

    置在该光导管元件中，用以将该部分光导管元件中的光朝

    用户的眼睛传递。

51.如权利要求50的双目镜观察系统，其中该光导管元件是实心和透明的。

52.如权利要求50的双目镜观察系统，其中该光导管元件是空心的。

53.如权利要求50的双目镜观察系统，其中每个显示器组件进一步包括光楔，其置于从该反射面到该目镜的光路上且位于该目镜和该光导管元件之间，该光楔配置为提供从该电子显示元件到该目镜的轴向光学系统。

54.如权利要求50的双目镜观察系统，其中每个显示器组件的目镜都位于该光导管元件的镜腿一端。

55.如权利要求50的双目镜观察系统，其中该电子显示元件与该目镜隔开的距离近似等于该目镜的焦距。

56.如权利要求50的双目镜观察系统，每个显示器组件进一步包括光楔，该光楔位于从反射面到眼睛的光路上的光导管元件的外表面上，该光楔配置为提供在电子显示元件和眼睛之间的轴向光学系统。

57.如权利要求56的双目镜观察系统，其中每个显示器组件的光楔整体地连接，从而延伸跨过该光导管元件的一部分。

58.如权利要求50的双目镜观察系统，其中每个目镜组件包括置于该光导管元件中的多个反射面，从而将该部分光导管元件中的光朝用户的眼睛传递，由此提供宽视场。

59.如权利要求50的双目镜观察系统，其中将该光导管元件、右眼显示器组件和左眼显示器组件连接到镜腿部件上，该镜腿部件配置为由用户头部支承。

60.一种双目镜观察系统，包括：

光导管元件，该光导管元件的中间部分形成鼻架元件；以及

右眼显示器组件和左眼显示器组件，每个显示器组件包括：

        电子显示元件，用于提供图像，该电子显示元件置

    于光导管元件的一部分中，与该电子显示元件相连的电

    路系统或布线沿该光导管元件的上表面或下表面通过，

    或者在该光导管元件的空腔中通过，以及

        目镜组件，包括目镜和至少一个至少部分反射的表

    面，该反射面置于该光导管元件中，用以将光从该电子

    显示元件朝用户的眼睛传递。

61.如权利要求60的双目镜观察系统，其中该至少部分反射的表面包括反射镜。

62.如权利要求60的双目镜观察系统，其中该至少部分反射的表面包括偏振光分束器，其布置为从照明源沿着该光导管元件将照明传递到该电子显示元件，该电子显示元件是反射的，以便使光返回到该表面，该表面用于将光反射到目镜。

63.如权利要求60的双目镜观察系统，进一步包括用于电子显示元件的照明源，其布置为从该光导管元件的一端提供照明。

64.如权利要求63的双目镜观察系统，进一步包括准直透镜，其布置在光导管元件中或其端面上，用以准直从照明源到电子显示元件的光。

65.如权利要求60的双目镜观察系统，进一步包括用于电子显示元件的照明源，其邻近该电子显示元件布置。

66.如权利要求60的双目镜观察系统，其中该目镜使像差最小。

67.如权利要求60的双目镜观察系统，其中该光导管元件由聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯树脂、环氧树脂、尿烷、环烯或玻璃形成。

68.如权利要求60的双目镜观察系统，其中将光导管元件、右眼显示器组件和左眼显示器组件连接到镜腿部件上，该镜腿部件配置为由用户头部支承。

69.如权利要求60的双目镜观察系统，其中每个显示器组件的电子显示元件都与光导管元件的鼻架元件布置在一起。

70.如权利要求69的双目镜观察系统，进一步包括用于电子显示元件的照明源，其置于光导管元件的鼻架元件中。

71.如权利要求1、32、50或60的双目镜观察系统，其中该电子显示元件与图像数据源通信。

72.如权利要求71的双目镜观察系统，其中该图像数据源包括电视、数字视频盘播放器、MPEG4播放器、摄像机、数字照相机、磁带放像机、个人计算机、个人数字助理或蜂窝式电话。

73.如权利要求32、50或60的双目镜观察系统，进一步包括镜架和镜片，其安装到右眼和左眼显示器组件与用户眼睛之间的鼻架元件上。

74.如权利要求73的双目镜观察系统，其中镜片包括用于矫正用户视力的矫正镜片。

75.如权利要求73的双目镜观察系统，其中该镜架包括可拆开的镜片保持元件，其配置为可拆卸地保持其中的镜片。

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