CN202362528U - 一种激光防护眼镜 - Google Patents

Abstract

一种激光防护眼镜，包括电源、镜架及安装在所述镜架上的图像采集装置、图像显示装置和图像处理装置，所述图像处理装置安装在所述图像采集装置及所述图像显示装置之间，所述图像处理装置与所述电源连接。本实用新型实现了人眼与激光的真正隔离，对眼睛起到了非常安全的防护作用，其特有的数字功能也为人们调节激光提供了极大便利。且可在激光实验中提供相应的保护，使得激光操作不再是一项存在危险的工作。

Description

一种激光防护眼镜

技术领域

本实用新型涉及一种防护眼镜，特别是一种能把人眼与激光真正隔离开来的激光防护眼镜。

背景技术

激光技术经过50年的发展，已经应用到电脑中光驱的激光读写头、大飞机的激光焊接、光子嫩肤美容术、激光武器等多个领域，渗透到了人类生活的多个方面。激光由于高的相干性、方向性及单色性等特点，成为人类认知自然、探索科学和改造世界最重要的工具之一。

然而从某种意义上讲，激光是一种危险的光源。具有一定强度的激光束，若照射到皮肤上，可能会造成局部的灼伤，尝若射入眼睛，将会导致更严重的问题——致盲。实际上即使严格控制激光束禁止直接照射到人体，经过物质表面散射的激光对人眼也是有害的。人眼长期暴露在强散射光环境中，会造成玻璃体浑浊从而最终影响视力，对于那些经常置身于激光布景表演和直接接触激光的工作人员来说，采取激光防护与保护是非常必要的，激光防护眼镜正是基于这样的背景而产生的。

专利号为“ZL200820053237”，名称为“多功能激光防护镜”的中国实用新型专利；申请号为“200580045254”，名称为“防护眼镜用镜片”的中国发明专利申请以及专利号为“ZL00232733”，名称为“一种1.06mn激光防护镜片”的中国实用新型专利，均公开了一种可用于激光防护的镜片或防护镜，但上述的激光防护眼镜，与我们俗称的“墨镜”原理基本相同，即允许某些特定波长(或颜色)的光透射进入人眼，其它波长(或颜色)的光，特别是有害的激光由镜片自身吸收而过滤掉，从而起到对人眼的保护作用。比如常见的波长532nm的绿色激光打到物体表面后，由于人眼对其比较敏感，因此激光只要有点亮度，我们就会感觉刺眼，时间久了眼睛就会感觉干涩。如果我们戴上一个红色镜片的眼镜，这样散射到人眼的绿光激光就会被大大衰减，眼睛就会感觉到柔和很多。若是质量较好的防护镜，绿光能被镜片衰减至眼睛几乎感觉不到的程度。再比如对于波长300nm以下的紫外激光或者波长5um以上的红外激光，只要戴上一个普通的眼镜(如树脂或者玻璃材料的近似或远视眼镜)，散射的激光基本就进入不了眼睛，这是因为光学介质对紫外和红外激光的衰减吸收是很大的。激光防护镜对某一特定波长的衰减度是用OD(Optical Density光密度)来表征的，该参数数值越大，表明对激光的衰减作用越强，但即使再高，也不能做到百分百衰减，因此当遇有强烈的散射激光时，还是会有一部分激光透过防护镜镜片进入眼睛的。在某些场合，甚至会有几种不同颜色(波长)的强激光同时存在，虽然采用中性衰减片的防护镜是能对不同波长的激光同时进行衰减，但衰减只能控制在一定的范围，若衰减过大，也就可能看不到除激光以外的其它物体了。因此现有技术的激光防护镜对人眼睛的防护作用和能力是有限的。

现有技术的激光防护眼镜的根本缺陷是不能把激光与人眼真正隔离开来，因而防护作用十分有限，如能实现一种将激光与人眼分开的激光防护工具，不仅将完全排除激光对人眼伤害的可能性，而且可以方便有效地开展激光应用的研究与生产工作，当今成像、光电探测、数字信号处理以及电光显示等技术都已发展到了一个前所未有的水平，因此研制这样一种轻便且价格低廉，并能把人眼与激光真正隔离开来的激光防护眼镜已成为可能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种轻便且价格低廉，并能把人眼与激光真正隔离开来的激光防护眼镜。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种激光防护眼镜，其中，包括电源、镜架及安装在所述镜架上的图像采集装置、图像显示装置和图像处理装置，所述图像处理装置安装在所述图像采集装置及所述图像显示装置之间，所述图像处理装置与所述电源连接。

上述的激光防护眼镜，其中，所述图像采集装置为物镜镜头，所述物镜镜头包括多个叠合设置的透镜，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述物镜镜头的焦距。

上述的激光防护眼镜，其中，所述图像显示装置为目镜镜头，所述目镜镜头包括多个叠合设置的透镜，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述目镜镜头的焦距。

上述的激光防护眼镜，其中，所述目镜镜头的透镜的最大直径小于所述物镜镜头的透镜的最大直径。

上述的激光防护眼镜，其中，所述图像处理装置包括集成于一体的感光芯片、数控芯片和微显示器芯片，所述感光芯片对应于所述图像采集装置设置，所述微显示器芯片对应于所述图像显示装置设置。

上述的激光防护眼镜，其特征在于，所述数控芯片分别固定于一印刷电路板的两面，所述感光芯片固定于所述印刷电路板对应于所述物镜镜头的一面且所述感光芯片的中心对准所述物镜镜头的光轴中心设置，所述微显示器芯片固定于所述印刷电路板对应于所述目镜镜头的一面且所述微显示器芯片的中心对准所述目镜镜头的光轴中心设置。

上述的激光防护眼镜，其中，所述感光芯片为CMOS或CCD。

上述的激光防护眼镜，其中，所述数控芯片为数字芯片DSP、逻辑芯片FPGA或CPLD。

上述的激光防护眼镜，其中，所述微显示器芯片为LCD、OLED、LCOS或MEMS超微显示屏。

上述的激光防护眼镜，其中，还包括一用于提供电池电源并外部接收控制指令的控制手柄，所述控制手柄与所述图像处理装置电连接。

本实用新型的有益功效在于：

本实用新型的激光防护眼镜采用了与现有技术的激光防护镜完全不同的设计理念，因此实现了人眼与激光的真正隔离，对眼睛起到了非常安全的防护作用，其特有的数字功能也为人们调节激光提供了极大便利。且可在激光实验中提供相应的保护，使得激光操作不再是一项存在危险的工作。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本实用新型的激光防护眼镜结构原理图；

图2为本实用新型一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例的结构示意图。

其中，附图标记

1电源

2镜架

3图像采集装置

31物镜镜头

4图像显示装置

41目镜镜头

5图像处理装置

51感光芯片

52数控芯片

53微显示器芯片

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本实用新型的激光防护眼镜结构原理图。自然光由图像采集装置3收集后汇聚成像于感光芯片51上，感光芯片51将图像信号转化为数字电信号，此信号由数控芯片52进行高速处理后输入微显示器芯片53再转化成微图像，最后由图像显示装置4将图像放大后成像于人眼。

参见图2及图3，图2为本实用新型一实施例的结构示意图，图3为本实用新型另一实施例的结构示意图。本实用新型的激光防护眼镜，包括电源1、镜架2及安装在所述镜架2上的图像采集装置3、图像显示装置4和图像处理装置5，所述图像处理装置5安装在所述图像采集装置3及所述图像显示装置4之间，所述图像处理装置5与所述电源1连接。本实施例中，所述图像采集装置3优选为物镜镜头31，所述物镜镜头31可包括一个或多个叠合设置的透镜，当所述物镜镜头31为多个透镜组成时，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述物镜镜头31的焦距。所述图像显示装置4优选为目镜镜头41，所述目镜镜头41可包括一个或多个叠合设置的透镜，当所述目镜镜头41为多个透镜组成时，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述目镜镜头41的焦距。其中物镜镜头31和/或目镜镜头41为焦距可变的镜头，以便于使用者调节镜头来看清远近不同距离处的物体。目镜镜头41的作用是将微小显示器上的图像给放大，使得上面显示的物体与现实中的物体以尽可能相近的视觉感受成像于人眼，它的焦距可以做适当的小调整，以适合不同视力的眼睛，这样即使近视眼的人也可以直接佩戴此防护镜，而无需戴着近视镜。其中，所述目镜镜头41的透镜的最大直径小于所述物镜镜头31的透镜的最大直径。作为眼镜，因为需要用两只眼睛同时观测，因此本实用新型发明的眼镜中具有两组微显示器芯片53和目镜镜头41。

本实施例中，所述图像处理装置5包括集成于一体的感光芯片51、数控芯片52和微显示器芯片53，所述感光芯片51对应于所述图像采集装置3设置，所述微显示器芯片53对应于所述图像显示装置4设置。具体说，所述数控芯片52可分别固定于一印刷电路板的两面，所述感光芯片51固定于所述印刷电路板对应于所述物镜镜头31的一面且所述感光芯片51的中心对准所述物镜镜头31的光轴中心设置，所述微显示器芯片53固定于所述印刷电路板对应于所述目镜镜头41的一面且所述微显示器芯片53的中心对准所述目镜镜头41的光轴中心设置。本实施例中，所述感光芯片51可为CMOS或CCD；感光芯片51优选采用的是CMOS芯片。虽然CMOS在灵敏度、分辨率和信噪比等方面不如CCD，但在这里用于普通的视觉应用已经足以，而且CMOS自身也具有一定优势。首先它输出的直接是数字信号，与数控芯片52衔接便于高度集成；其次由于图像采集方式不同，CMOS的功耗仅有CCD的1/3；还有CMOS的成本要远低于CCD成本。所述数控芯片52用于光电信号处理，优选为数字芯片DSP、逻辑芯片FPGA或CPLD，用于控制CMOS采集图像并将其输出信号进行处理后成像于微显示器。本实用新型的激光防护眼镜还可包括一用于提供电池电源并外部接收控制指令的控制手柄(图未示)，所述控制手柄与所述图像处理装置5电连接。FPGA接受控制手柄发来的指令可控制CMOS的参数如曝光时间。控制DSP对图像信号进行如亮度、对比度、色温(即红、绿、蓝三个通道的强度)等方面的处理，此外还可以控制镜头进行自动焦距调节。所述微显示器芯片53可为LCD、OLED、LCOS或MEMS超微显示屏，本实施例优选采用的是OLED超微显示屏，由于受到体积及精度的限制，超微OLED目前的分辨率还做得不够高，这是此元件发展的一个技术瓶颈，不过随着技术的不断进步，更高分辨率更清晰的超微OLED将会不断产生的。目前其分辨率主要是640*480。

其中，DSP芯片：数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)：复杂可编程逻辑器件，规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)：现场可编程门阵列，它是在CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS).

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

RGB色彩模式：是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。

本实施例中，物镜镜头31和目镜镜头41都为圆柱形，都由多个透镜组成，物镜镜头31的透镜的最大直径在30mm以上，目镜镜头41中的透镜的最大直径在20mm以上；感光芯片51、数控芯片52和微显示器芯片53均为方形，感光芯片51和微显示器芯片53的厚度约为2～3mm，边长为1cm左右，数控芯片52的厚度约为1～2mm边长约为15mm，这些芯片都固定同一个印刷电路板(厚度约为2mm，边长为4cm左右)两面(感光芯片51和微显示器芯片53位于电路板的正反两面，数控芯片52两面都有)，芯片之间由印刷电路板上的布线连接，电源1连接此印刷电路板；物镜镜头31和目镜镜头41固定在镜架2上，位于该激光防护眼镜的内外两侧(物镜镜头31位于外侧，目镜镜头41位于内侧)，印刷电路板位于眼镜镜架2的内部，位于物镜镜头31和目镜镜头41的之间，物镜镜头31的光轴中心点对准印刷电路板上的感光芯片51中心，目镜镜头41的光轴中心对准微显示器的中心，目镜镜头41和物镜镜头31与感光芯片51和微显示器芯片53不直接接触，是通过光线连接的。

图2和图3是本实用新型的两种实施例，其中，图2的实施例中包含有两套独立的图像采集和显示系统，即两套物镜镜头31、两个感光芯片51、两套数控芯片52、两个微显示器芯片53、两套目镜镜头41。其中两套数控芯片52各自有独立的DSP芯片，但共享同一块逻辑芯片FPGA或CPLD，由它同步控制两块DSP分别对两个感光芯片51输入的图像信号进行高速采集处理并由两个微显示器芯片53同步显示。图3所示的激光防护眼镜中包含有一套物镜镜头31、一个感光芯片51、一套数控芯片52、两个微显示器芯片53、两套目镜镜头41，两个微显示器芯片53同时显示同一数控芯片52传送来的视频信号，即人的两只眼睛看到的是同一套物镜镜头31和感光芯片51采集到的外部光学图像。图3相对于图2的实施例，主要优点是制作成本有所降低，其次人的两眼看到的图像一致性较好；缺点是是视野范围有所降低，人眼通过此防护镜在观察判断物体的感官位置时也不如图2的防护镜准确。

使用时，在戴上该激光防护眼镜之前，先打开其电源1的开关，一两秒后两个微显示器芯片53将亮起，戴上眼镜后，根据视力要求分别调节两个目镜镜头41的焦距，使眼睛都能够看清两个微显示器芯片53上的图像，然后根据所观测景象的远近，对物镜镜头31的焦距作适当的调节，使得所观察物体更加清晰。因为外部光线经物镜镜头31进入防护镜后就被感光芯片51截止，人的眼睛所看到的图像信息是经过光-电-光转化而来的，因此人眼与外部光线是彻底隔离开来的，这样即使激光光束经物镜镜头31进入了防护镜，也不可能打入人的眼睛，因而此防护镜对人眼可实现彻底防护。同时，因为感光芯片51所采用的CMOS或者CCD芯片的光谱响应范围可以从小于0.3微米直到大于1微米，因此在带有此防护眼镜的情况下，人眼就能观察到裸眼所看不到的紫外或者红外激光，此功能是传统激光防护眼镜所不具备的。

控制数控芯片52中DSP对视频图像数据的处理算法，可以使得微显示器芯片53中的图像按照预设的方式显示，这样可以有选择性的控制人的眼睛所感知到的激光强度，这对激光操作人员十分有利，例如：

当人眼周围充满某种波长的散射激光时，比如绿光，人眼在防护眼镜中也会发现图像中充满绿光，此时可以通过控制数控芯片52来降低视频图像的RGB三通道中G通道(即绿光)的强度，这样图像中的绿光强度就会明显降低了，可能整体图像亮度也会降低，则可以控制数控芯片52提高一下图像的整体亮度以作相应的补偿。

人们在调节激光器时，有时会用到荧光来调节光路，比如钦宝石振荡器，其荧光是800nm左右的暗红色光，但其强度很弱，人们往往会利用夜视仪来观察它；若利用该激光防护眼镜，则可以控制数控芯片52适当降低RGB三通道中G通道和B通道的强度，R通道保持不变，并适当增加感光芯片51的曝光时间，眼睛就可以通过微显示器芯片53清楚地观测到钦宝石荧光了，此时再利用此荧光进行光路调节，这要比利用手持式的夜视仪方便许多。

因为激光防护眼镜的特殊需要，本实用新型采用图像处理主要是控制图像的RGB三颜色通道的强度以及图像的亮度，使得图像按照不同要求的颜色通道的强度和图像亮度进行显示，DSP对视频图像数据的处理算法是非常成熟的现有技术，目前人们使用的计算机网络摄像头、数码相机和液晶电视等都已具备此功能，此技术在大部分的计算机图像处理等教科书上作为基本知识都有详细的介绍，在网络上也能找到大量的范例，其基本原理如下：数字信号芯片DSP从感光芯片51所采集到的图像中的每个像素都占有32位内存，其中最后8位不用，前24位分别代表R，G，B三个颜色通道，每个通道占有8位，对应的强度值为0～255，假如需要提高整个图像的亮度，只要在把每个通道的强度乘以一个大于1的数值即可；假如需要抑制某种颜色比如绿色，即可把绿色G通道的强度乘以一个小于1的数值使得其强度值减小，当其数值为0时，此颜色就不在图像中显示了。

感光芯片51(CCD或者CMOS)的曝光时间可通过控制其快门时间来控制曝光时间，而快门也是电子快门，即控制瞬间加电的时间长短来控制每个感光元所产生的光电信号的强度，目前的一般的数码相机和网络摄像头等均采用此技术。

综上所述，本实用新型的激光防护眼镜是将光信息先变成电信号然后由显示器成像后再进入人眼的，眼睛和眼睛外部的光是完全隔离开的，假如防护镜没有接通电源，那眼前将会是一片漆黑，就如同给人带了一个厚厚的眼罩似的。因此在带有此眼镜的情况下，即使有激光突然散射到眼睛方向，那至多使得CMOS输出的信号亮度增加甚至饱和，眼睛感觉到的仅是显示器变亮了；假如发生如激光光束直接射向眼睛这样的事故，若激光强度较弱，结果可能是会使得CMOS传感器饱和甚至严重饱和，眼睛会看到显示器一片白色，如若激光强度较高，结果或许是打坏CMOS传感器或者烧坏防护眼镜上的塑料框架，但不会对眼睛造成任何伤害。因此可以说，此防护眼镜对人眼的激光防护是完全安全的，在任何情况下都不会发生激光伤害眼睛的可能。

激光防护眼镜采用了与传统激光防护镜几乎完全不同的设计理念，因此实现了人眼与激光的真正隔离，对眼睛起到了非常安全的防护作用，其特有的数字功能也为人们调节激光提供了极大便利。这种新型激光防护镜的使用，将使得一线工作的激光操作不再是一项存在危险的工作，在激光实验室中是非常必备的保护手段。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光防护眼镜，其特征在于，包括电源、镜架及安装在所述镜架上的图像采集装置、图像显示装置和图像处理装置，所述图像处理装置安装在所述图像采集装置及所述图像显示装置之间，所述图像处理装置与所述电源连接。

2.如权利要求1所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述图像采集装置为物镜镜头，所述物镜镜头包括一个或多个叠合设置的透镜，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述物镜镜头的焦距。

3.如权利要求2所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述图像显示装置为目镜镜头，所述目镜镜头包括一个或多个叠合设置的透镜，所述多个透镜的光轴中心设置于同一直线上，调节所述多个透镜之间的距离能改变所述目镜镜头的焦距。

4.如权利要求3所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述目镜镜头的透镜的最大直径小于所述物镜镜头的透镜的最大直径。

5.如权利要求1、2、3或4所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述图像处理装置包括集成于一体的感光芯片、数控芯片和微显示器芯片，所述感光芯片对应于所述图像采集装置设置，所述微显示器芯片对应于所述图像显示装置设置。

6.如权利要求5所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述数控芯片分别固定于一印刷电路板的两面，所述感光芯片固定于所述印刷电路板对应于所述物镜镜头的一面且所述感光芯片的中心对准所述物镜镜头的光轴中心设置，所述微显示器芯片固定于所述印刷电路板对应于所述目镜镜头的一面且所述微显示器芯片的中心对准所述目镜镜头的光轴中心设置。

7.如权利要求5所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述感光芯片为CMOS或CCD。

8.如权利要求5、6或7所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述数控芯片为数字芯片DSP、逻辑芯片FPGA或CPLD。

9.如权利要求5、6或7所述的激光防护眼镜，其特征在于，所述微显示器芯片为LCD、OLED、LCOS或MEMS超微显示屏。

10.如权利要求1、2、3、4、6或7所述的激光防护眼镜，其特征在于，还包括一用于提供电池电源并外部接收控制指令的控制手柄，所述控制手柄与所述图像处理装置电连接。

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