TWI270686B - Devices and method for providing wide field magnification - Google Patents

Description

1270686 -九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於光學裝置，可以放大遠近物體，以 便輔助正常視力與視力受損者。更特別地，本發明係關於 ^ 光學裝置，具有多數望遠鏡透鏡組，可以提供一加大的視 野，以便用於遠距離眺望以及如閱讀等近距離觀看。 【先前技術】 p 先前技術的光學裝置包括許多種類的放大鏡、望遠鏡 與望遠顯微鏡，這些裝置係能夠輔助正常視力者與例如具 有不良視力的視力受損者以一距離或靠近的方式來觀看物 體。幾乎所有的現有設計用於視力受損者的望遠鏡均為傳 統的伽利略式（Gal i lean-type)或開普樂式（Kepierian-type)望遠鏡。一般來說，這些習知的望遠鏡具有受限的視 野，此視野主要是與放大率、光學校正度數與其光學設計 的對應複雜性有關。例如，伽利略式望遠鏡的視野（F0V)是 鲁與其物鏡直徑有關。然而，增加伽利略式望遠鏡的透鏡直 徑會以指數方式增加橫向球面像差與彗形像差，此兩種像 差是一般形式的光學像差。為了控制球面像差、彗形像差 與色像差，習知的望遠鏡設計者一般求助於複雜的物鏡， 例如可能包含兩個或更多的元件或非球狀表面。然而，因 為目鏡或接目鏡的視角是等於物鏡的視角乘上望遠鏡的放 大率，這樣複雜的物鏡系統通常會導致彗形像差、散光像 差與場曲（field curvature)等離軸像差增長得更大。這些 像差一般僅能藉由使用一多重元件的接目鏡來加以校正， 5 1270686 因此，當視野增加時，如望遠鏡與望遠顯微鏡的混合系統 之校正則會變得越來越複雜，且裝置也會變得更加昂貴與 魔大。

Katz等人提出的低視力望遠鏡研究論文「Optical Properties of low vision telescopes, 1987， Journal of the American Osteopathic Association, 54(4), 320-31j 描述伽利略式望遠鏡的以下視野： 放大率 總有效視野（F0V)

2. 1 21.8 度 2. 9 11·1 度 3. 7 12.1 度

Meade儀器公司是望遠鏡的一主要製造商，它製造出 4x30倍的伽利略式雙筒顯微鏡，具有16· 5°的總有效視野（參 閱http: www. solarob jects/)。本發明的一些型態提供一有 效視野，係大於先前技術目前所能提供的視野。例如，本 發明的一些型態可以提供一 2倍伽利略式望遠鏡，具有放 大率為2，且有效視野大於70度，也就是超過在上表中先 前技術2. 1倍望遠鏡的視野之三倍。 關於近距離的視力損傷，Faye在「Clinical Low Vision， 1967， Little Brown and C.， Boston， ρρ· 67， 72， 139， 238」一文中提到：「對於醫師來說，最佳的工作就是定出 一望遠鏡，能對病人提供最寬的視野而非最大的放大率」。 增加望遠鏡與望遠顯微鏡的視野覆蓋範圍可以提供一些優 點，擴大的視野能增加搜尋與捕獲感興趣的物體（例如街道 6 1270686 號誌）之能力。可以看出藉由擴大視野而改善在視野不同部 位中物體的空間關係，本發明的一些型態能提供這些擴大 的視野。 本發明的一些視野亦有助於追縱移動目標，甚至例如 追蹤飛鳥。提供雙光陣列之本發明的其他型態中能協助走 動的使用者免於周圍場所中的危險。可提供寬廣周圍視野 覆蓋範圍之本發明的一些型態，對於具有中央視力損失、 偏百等的問題來說特別有效。 雙光望遠鏡可用於視力受損的駕駛人員。〇wsley等人 在「”Vision impairment and driving”， Survey of Ophthalmology， 1999， May-June， 43(6) : 535-550」一 文中已經注意到視覺的疾病僅「微弱地與撞擊事件有關， 但反而是周圍視力扮演很重要的角色」。本發明的一些型態 能提供增加的周圍視力，且減少尋找與閱讀交通號誌的搜 尋時間，因此可以產生較安全的駕駛。 關於幾乎視覺障礙，大部分具有低視力的人需要放大 才能閱讀。放大鏡的視野通常一次僅包含一些字母而已， 頁面瀏覽是讀者將放大鏡從一個字移動到另一個字，且從 一行尾端移動到下一行開始之過程。如Beckmann等人在 r”Psychophysics of Reading—XIV， The page navigation problem in using magnifiers’’，Vision Research, 1996 Nov. 36(22) 3723-3733」一文中提到頁面瀏覽會耗費許多時間 且降低閱讀速度。Legge等人在「Psychophysics of Reading—XVU, The visual span in normal and low vision, 7 1270686

Vision Research，1997 July:37(l4) 1999-2010」一文中 提到閱讀的時間與文字長度有很大的相關性。本發明的一 些型態可藉由透鏡蓋而轉換成用於近距離的視力。 如前所述，Faye發現到來自光學輔助器對於閱讀的獲 益會受限於在輔助器的工作距離處之病患的視野大小。在 、 本發明的運用型態中，藉由擴大的視野，能使閱讀與近距 離工作變得更加正常。例如，在本發明的使用型態中，可 * 以掃描整行的文字，且因此可有助於前進到下一行文字。 > 對於先前技術中的望遠顯微鏡來說，工作距離是一很 重要的特徵。對於使用所有的望遠顯微鏡來說，工作距離 顯然一定比使用單純的放大鏡來得大。例如，相較於8倍 '的放大鏡之工作距離為31mm，4倍的望遠鏡配合2倍的透 •鏡蓋將可具有8倍的放大率，其工作距離為125mm。本發明 的一些型態可促進閱讀，因為藉由本發明所提供的放大文 字之較低空間頻率可以增加對散焦的裕度。如Legge等人 在 r”Tolerance to visual defocus”， Journal of the Optical Society of the American Medical Association, 1987 May: 4(5): 85卜863」一文中提到，具有較低視覺疾 病的個人比起具有正常視力的人來說，更加能忍受散焦。 因此，對於光學裝置來說，實在需要提供一改善的視 野，且在其他物品之間，對於視覺受損者與視覺並未受損 者來說，提供增進的遠視力與近視力。 【發明内容】 本發明提供一些光學裝置，可以對望遠鏡、望遠顯微 8 1270686 鏡與放大鏡等光學系統提供寬廣的角度視野，甚至是相當 大的角度視野。本發明的一些型態包含一組陣列的望遠鏡， 可提供超過現有裝置兩倍以上的視野。本案的發明人運用 新藝拉瑪（Cinerama)全景電影的聯想概念，也就是寬螢幕 電影投射系統的概念。自1952年引進，新藝拉瑪全景電影 包含一個具有三透鏡的攝影機，將電影動作拍攝於三倍寬 度的35mm底片上。然後，藉由三個放映機將電影放映出來， 其中一放映機位於中央，而電影院的兩側各一架放映機。 三個底片影像變成一具有146度的廣角影像，且在一曲線 螢幕上具有兩度的重疊，在此可稱為寬螢幕的〜馬賽克〃。 本發明的一些型態就是將此〜馬賽克〃原理運用至光學裝 置上，有點像是昆蟲的複眼，如此可改善視覺受損者或其 他人的視力。 具有相當寬廣視野的這等光學裝置之設計，在其他參 數之中，還需要考量到透鏡直徑與透鏡放大率之間的相互 關係、角度放大率、良視距、鏡片視野與暈影效果 (vignetting)、光學裝置的角度與直線對齊，以及透鏡孔 徑形狀等因素。透過光學分析，本案的發明人發現上述參 數的相互關係，可以提供一組陣列的望遠鏡，具有能覆蓋 廣角的連續視野。一標準原型2倍的望遠鏡陣列之設計方 式，係藉由麻塞諸塞州Littleton地的Lambda研究股份有 限公司所提供之光學設計軟體OSLO來加以設計的，如此可 以構成2倍的陣列標準原型，此標準原型的性能證實了本 案發明人的計算結果。本案發明人已經發現到根據本發明 9 1270686 的一些型態之連續視野，可以藉由一組陣列的望遠鏡來加 以產生。一標準原型2倍的望遠鏡陣列具有受限的校正與 適應性，將其組裝後用於初步研究，發現可證實本案發明 人的分析計算。雖然精確的光線追蹤顯示出此複合視野具 有毫無接缝的連續性，但是有一些因素，例如場闌（field stop)的暈影效果、透鏡與安裝架的製造公差，及該組陣列 的個別望遠鏡之對齊精確性等，均可能導致完美連續視野 的偏差。然而，本發明的一些型態係針對這些考量因素， 且在現有技術中產生了廣角光學裝置的進步。 本發明的一型態是一種光學裝置，包含多數望遠鏡透 鏡組，每一望遠鏡透鏡組包含一物鏡與一目鏡，兩者係以 一望遠鏡伸縮關係產生定位；且包含多數折射光學元件（例 如棱鏡），係放置在至少一些物鏡的前方，該等折射光學元 件適用於將光線至少局部地改變方向而朝向至少一些物 鏡。 本發明的另一型態是一種提供寬廣視野放大率的方 法，此方法包含以下步騾：設置多數物鏡；將多數目鏡與 該多數物鏡以望遠鏡伸縮的關係產生定位，其中使用者透 過該等物鏡與目鏡所看到的一物體之影像可產生放大；且 在光線進入物鏡之前，將來自物體的光線加以折射，其中 透過該等多數目鏡觀看物體的一觀察者所看到的是該物體 的一大致連續寬廣視野。在一型態中，將來自物體的光線 加以折射之步騾包含將多數折射光學元件（例如棱鏡）定位 在至少一些物鏡的前方。在本發明的一型態中，棱鏡，例 1270686 〜如折射材質製成的楔形物，可以將來自物體的光線路徑加 " 以折射與偏斜。 本發明的另一型態是一寬廣視野光學放大系統，包含： 多數望遠鏡透鏡組，每個望遠鏡透鏡組均包含一物鏡、一 與該物鏡成望遠鏡伸縮關係定位的目鏡、一配置在該物鏡 ' 前方的棱鏡，及一適用於定位該等多數透鏡組的支架結構， 其中至少一些棱鏡包含一棱鏡角石，此角度係選擇用來將 • 光線朝向至少一些物鏡折射，以便提供使用者一大致連續 > 的放大寬廣視野。在本發明的一型態中，此角度yS可以選 擇用來將光線朝向至少一些物鏡折射與偏斜。 從以下伴隨附圖所作的詳細說明中，可以更加清楚了 _ 解本發明的這些與其他型態、特色與優點。 【圖式簡单說明】 本發明的主要標的係特別揭示於說明書結尾處的申請 專利範圍。從以下伴隨附圖所作的詳細說明中，可以更加 B 清楚了解本發明的這些與其他型態、特色與優點。 圖1是一概略圖，顯示一用於伽利略式望遠鏡的先前 技術透鏡裝置，其中顯示光線正進入人眼的虹膜（就是孔 闌）； 圖2是一概略圖，顯示根據本發明一型態之具有三個 望遠鏡透鏡組之裝置； 圖3是一概略圖，顯示一先前稜鏡的光學特性； 圖4是一概略圖，顯示根據本發明一型態之具有七個 望遠鏡透鏡組之裝置； 11 1270686 圖5是一概略圖，顯示根據本發明一型態之具有二個 望遠鏡透鏡組之裝置； 圖6是一概略平面圖，顯示根據本發明另一型態適用 於雙眼視覺的望遠鏡透鏡組之裝置； 圖7是一概略平面圖，顯示根據本發明另一型態之具 有多數透鏡蓋的望遠鏡透鏡組之裝置，此裝置能提供一望 遠顯微裝置； 圖8是一概略平面圖，顯示根據本發明另一型態的望 遠鏡透鏡組與單一彎月型透鏡之裝置，此裝置能提供一望 遠顯微裝置； 圖9是一概略平面圖，顯示根據本發明一型態的望遠 鏡透鏡組外殼之裝置； 圖10是一頂視平面圖，顯示根據本發明一型態的光學 裝置，其中安裝有多數透鏡組外殼； 圖11是一前視圖，係沿著圖10的線11-11所看到之 圖10的光學裝置； 圖12是一剖面圖，係沿著圖11的線12-12所看到之 圖10與11的光學裝置； 圖13是一頂視平面圖，顯示圖10，11與12的光學裝 置之底座； 圖14是一側視圖，係沿著圖13的線14-14所看到之 圖13的底座； 圖15是一頂視平面圖，顯示圖10，11與12的光學裝 置之外蓋； 12 1270686 圖16疋一側视圖，係沿著圖15的線1 g — 16所看到之 圖15的外蓋； 圖17疋一側視圖，顯示根據本發明一型態如圖12所 示的透鏡支持架； 圖18是一平面圖，係沿著圖17的線18—18所看到之 圖17的透鏡支持架； 圖19是一平面圖，係沿著圖17的線ι9—19所看到之 圖17的透鏡支持架； 圖20是一前視圖，顯示根據本發明另一型態之具有多 數排望遠鏡透鏡組的裝置；及 圖21是一概略前視圖，顯示根據本發明另一實施例之 具有一排的望遠鏡透鏡組，此排望遠鏡透鏡組係定位在一 球形表面周圍。 【實施方式】 圖1是一概略圖，顯示先前技術的透鏡組丨〇，此透鏡 組係連接到具有一虹膜（就是孔闌21)的人眼（未顯示）。透 鏡組20可以是典型的透鏡裝置，可用於望遠鏡與望遠顯微 鏡且在此可稱為、、望遠鏡的透鏡組〃。習知地，透鏡組1 〇 包括一物鏡14及一目鏡16。如先前技術中所知道的，物鏡 14收集來自遙遠物體（未顯示）的光線，如光線射線13的一 軸向對準光束，且將此光線會聚成一點，或聚焦於物鏡的 第二焦點平面透鏡上（未顯示）。物鏡14亦收集來自視野17 兩邊緣的光線之對準光束。光束19各在物鏡14的第二焦 點平面上聚焦成多數光點。目鏡16在會聚的光束抵達物鏡 13 1270686 " 14的焦點平面之前，可攔截會聚的光束，且使光束再次對 ~ 準而具有放大的角度，且將這些光束導引至眼睛的瞳孔。 — 光束19表現出具有50%暈影效果的視野角度（也就是，這些 光束填滿孔闌21的直徑之一半）。光束19的最外面光束是 主要的光線，視野一般是藉由50%暈影效果的光束來明確指 定。目鏡16所產生的放大角度能將形成於眼睛（未顯示）視 網膜上的影像放大。物鏡14與目鏡16係以 > 望遠鏡的伸 ： 縮關係〃來加以定位，也就是說，物鏡14與目鏡16之尺 > 寸與位置能使得當透過目鏡16與物鏡14觀看時，物體看 起來會具有放大的尺寸。 在以下的說明與申請專利範圍中，一或更多透鏡與相 ' 關光學裝置係處於望遠鏡伸縮關係，因此透鏡組10可以稱 - 為 ''望遠鏡透鏡組〃。望遠鏡透鏡組10可以包含一伽利略 式透鏡組，其中物鏡14是一凸透鏡，而目鏡16是一凹透 鏡；或者包含一開普勒式透鏡組，其中物鏡14與目鏡16 _ 可以都是凹透鏡。在開普勒式的裝置中，使用者所看到的 影像是上下顛倒的。開普勒式望遠鏡的設計可以藉由各種 方式在物鏡與目鏡之間插入中繼透鏡、棱鏡及/或鏡子等來 加以修改，以便建立影像。經過如此的修改方式，開普勒 式望遠鏡也可以用作為行星望遠鏡。一般來說，觀察者的 眼睛在觀察放大影像時係相對地固定於望遠鏡後面的適當 位置。 在圖1中，為求簡化，選擇一伽利略式透鏡組作為透 鏡組10，且由於它能提供豎立的影像。透鏡組10的視野是 14 1270686 -藉由圓弧15與17來加以界定，其中圓弧15代表在50%暈 — 影效果的實際視野，而圓弧17代表50%暈影效果的有效視 野Γ暈影效果〃是本技術領域中的術語，以下將再作說明）。 用於界定圓弧15所界定的實際視野之光束在圖1中是50% 暈影效果的光束19。 根據本發明的一些型態，設有一組陣列的望遠鏡、或 望遠鏡透鏡組，能提供觀察者寬廣的視野，例如圖2所示 ； 寬廣連續的視野。參考圖2，觀察者的眼睛34是可以移動 ί 的，它繞著本身的旋轉中心作旋轉，以便透過此組陣列的 望遠鏡來觀看寬廣連續的視野。根據本發明的一些型態， 一組陣列的望遠鏡之設計需要考量、分析與載明一些光學 與機械參數。所考量的光學與機械參數有：透鏡直徑與放 大率、眼睛瞳孔大小、角度放大率、良視距（eye relief)、 根據適當暈影效果所得的望遠鏡視野（FOV)、望遠鏡的角度 與幾何對齊、透鏡孔徑形狀，及獲得連續放大視野元件的 棱鏡之規格，以及其他參數。以下，將會界定並說明這些 ® 與其他參數。 如先前技術所知，伽利略式望遠鏡的視野是與物鏡的 尺寸有關，所以無法在陣列設計中任意設定。透過分析， 本案發明人已經證明出從前面看來的物鏡寬度在一些情形 中會受到以下因素的影響，就是必須在相鄰透鏡提供物理 餘隙以及提供連續水平視野的要求。個別望遠鏡的垂直視 野會比水平視野來得大，但是垂直視野可能會受到以下因 素的限制，就是必須避免複雜的物鏡設計，以校正伴隨的 15 l27〇686 像差増加。 透鏡組10的放大率（M) 一般可藉由 如先前技術所知， 方程式1來界定：

方程式1 ，、中f。疋物叙14的正焦距，而fe是目鏡16的負焦距 如先前技賴知，介於物鏡14與目鏡16之_距離，就 是'透鏡間I d可藉由方程式2來界定： 方程式1 d = f〇+fe

_透鏡間隔在圖1中標示為18。物鏡14所選用的相對孔 &開口 F/#4 f_闌可以決定出物鏡14的直徑D。，且是藉由 方程式3來界定： f〇/D〇 方程式3 物鏡14與目鏡16係藉由一距離18而隔開，且目鏡16 與眼睛則是以-距離2G(也就是、、良視距％)來隔開。目鏡 (或眼睛）16的直徑則表示為De。當透過單筒望遠鏡觀看時， 眼睛的位置基本上是固定的。為了觀看不同的方向，望遠 鏡與觀察者的頭部必須要轉動。為了觀察本發明型態所呈 現的寬廣視野，所以移動的眼鏡必須在其眼窩中繞著自身 旋轉軸0來旋轉，這一點在每天看物體時都是如此正常地 運作。在旋轉中心〇所假設的孔闌直徑表示成心。在本發 明的技術中，從目鏡到旋轉中心〇的理想距離，就是良視 距e，一般來說是27mm。根據本發明的一些型態，具有一 或更多望遠鏡透鏡組的陣列可以如此配置，使得所有透鏡 組的光學軸均相交於眼睛的旋轉中心〇。根據本發明的一型 16 1270686 - 態，假設的孔闌直徑〇8就位於旋轉中心〇上。 - 在本發明的一型態中，稱為 '暈影〃的光學效果是很 - 顯著的。根據光電字典，暈影效果是指當偏軸角度增加時， 影像照度的逐漸減少，這是導因於一光學系統内元件的清 楚孔徑之限制。例如，在老式的人物肖像攝影中，照片的 角落可能會變暗（為了藝術效果），這就是暈影效果的一範 例。視野的標準定義就是暈影效果為50%時的角度。根據本 ； 發明的一些實施例，50%的暈影效果並不是用於最佳相鄰性 I 的暈影之最佳量。根據本發明的一型態，最好在望遠鏡組 之間能設置大致連續的視野，而沒有重疊或間隙產生。在 本發明的一型態中，在望遠鏡組之間的這些大致連續視野， 可以藉由使用特定量的暈影效果而產生出來。為了研究暈 .影效果在根據本發明一些型態的光學裝置之視野相鄰性上 的影響，所以本案發明人研發出方程式4 : tan u = [(D0/2M) + (V-0. 5)/Da]/(eM)+d 方程式4 B 在此方程式中，u是光學裝置的視野之一半，單位是度 數；D。是物鏡的直徑（或寬度），它是一長度，單位是mm; Μ 是透鏡組的放大率，它是一比率；Da是在旋轉中心的假設 孔闌直徑，它是一長度，單位是mm; e是良視距，它是一 長度，單位是丽；d是透鏡間隔，它是一長度，單位是mm; 而V是以百分比或小數點表示的比例之暈影效應。 除此之外，本案發明人還研發出方程式5來決定目鏡 的直徑，De作為暈影V的函數。在方程式5中的變數均與 17 1270686 方程式4中所定義的一樣。

De -2 [(eD0/2) (V-0.5)/dDJ/(eM)+d 方程式5 以下’將使用方程式4與5作一範例性的計算。假設 透鏡組10具有2倍的放大率，也就是;物鏡14的卜

闌為F/2.5，焦距f。為16_ :物鏡14的直徑（或寬度）d。為 6-4丽；目鏡16的焦距為—8mm·’介於物鏡14與目鏡16 之間的間隔（1為8咖；孔闌直徑3咖；良視距e為27随； 以及100%暈影效果（也就是ν=1· 〇)。將方程式4與5計算 於方程式6與7中，產生出視野一半的恤值以及^ 的直徑（或寬度）De : tan u = [(6.4mm/2x2)Kl.0-0. 5)3mm]/(27mm x2)+8mm = 0· 050 方程式 6

De = 2[(27mm x 6.4mm/2)-(l.〇u)8min χ 3mm]/(27mm x 2)+8mm = 2.40mm 方程式 7 因此，對於100%暈影效果來說，光學裝置1〇的物體空 間一半視野u在方程式8中計算出來為： uioor〇 = arctan (tan u) = arctanO. 〇5〇 =2.8624 度=2.86度 方程式8 且影像空間或有效一半視野u’則藉由方程式9計算出 來為. u’ = Mu = 2(2· 86 度）=5· 72 度 方程式 9 根據本發明的一型態，矩形的透鏡形狀可以將相鄰望 遠鏡透鏡組10的一方位角陣列之相鄰性予以最大化。相鄰 18 1270686 透鏡組的物鏡可以具有筆直與平行的側邊。在前一個範例 中，具有三個透鏡組ίο的陣列可以在方位角（或圓周）方向 上提供總實際視野為3x2x2. 86度= 17. 16度。具有七個透鏡 裝置的陣列可以在方位上提供總實際視野為7x2x2.86度 二40. 0度。於是，影像空間u’或有效視野會分別變成兩倍， 就是大約34. 32度與大約80. 1度。根據本發明的其他型態， 其他數目的透鏡組也能提供對應的總實際與有效視野。 根據本發明的一型態，藉由使物鏡14的形狀為矩形， 且在垂直方向的尺寸較長，而非形成正方形，如此各裝置10 可以在俯仰角中覆蓋較大的視野（伽利略式望遠鏡的視野係 與物鏡的尺寸有關）。因此，具有一矩形物鏡14的透鏡組10， 也就是例如6.4mm寬（D。）且9.6mm高（也就是寬高比為 1. 5)，如此可以在方位角（或圓周）方向上覆蓋大約5. 72度， 且在俯仰角上覆蓋大約1. 5 X 5. 72 = 8. 6度。這樣具有三 個透鏡裝置10的陣列可以提供的實際視野大約是17. 16度 X 8. 6度；具有七個透鏡組10的陣列可以提供總實際視野 大約為40度X 8. 6度。藉由放大率為2倍（M=2)，有效視 野將會變成兩倍大。 雖然在上述範例中假設暈影效果為100%，也就是 V=1. 0，但是根據本發明的一型態，也可以改變暈影效果的 值。例如，在一型態中，暈影效果可以從50%改變至100%， 或者在50%與100%之間選擇任一值。在本發明的一型態中， 對於一陣列中所有透鏡來說，暈影效果可以是固定的。在 另一型態中，暈影效果可以在一組陣列的透鏡組中，從一 19 1270686 -透鏡組到另一透鏡，或一排透鏡組到另一排透鏡組，或一 區域的透鏡組到另一區域的透鏡組不斷地改變。 圖2是一概略平面圖，顯示根據本發明一型態具有三 個望遠鏡透鏡組31，32與33的陣列30或裝置，此三個透 鏡組係連接到人眼34上。在圖2中，且在其他說明本發明 一些型態的圖形中，透鏡組31，32與33的相對尺寸與位 置，以及人眼34的相對尺寸與位置並不需要依照比例繪製， • 而只需要繪製出來供最佳表現本發明的型態即可。在本發 | 明的一型態中，透鏡組31，32與33包含多數望遠鏡，例 如伽利略式望遠鏡。如圖2所示，物體空間軸向光束51，52 與53分別延伸進入且與望遠鏡透鏡組31，32與33 —致， 且大致上相交於眼睛的旋轉中心0。類似於圖1所示的望遠 鏡透鏡組10 ’望遠鏡透鏡組31，32與33分別包括物鏡35, 36與37及目鏡38，39與40。裝置30的總實際與有效視 野分別由圖2中的圓弧44與46指出。如圖2所示，與每 個透鏡組31，32與33有關的邊緣光線係藉由文字〃與 B v'b〃來標示。例如，對於接受軸向光線51的透鏡組31來 說，進入透鏡組31的下邊緣光線標示成51a，而上邊緣光 線則標示成51b。對於圖2中的其他透鏡組32與33亦標示 成類似的參數。 單純將陣列中的每個望遠鏡指向物體空間内的相鄰實 際視野將會導致嚴重的重疊有效視野，這是由於透鏡組31， 32與33的角度放大率之故。另一方面，假如瞄準透鏡組31， 32與33，使得放置的影像空間視野不會重疊，則無法產生 20 1270686 - 真正的相鄰性，這是因為透鏡組已經觀看過物體視野的非 - 連續部位。換句話說，實際視野的部位可能會找不到。根 - 據本發明的一型態，為了大致獲得相鄰性，相鄰透鏡組的 視野邊緣光線角度之實際外緣與内緣最好大致上是相等 的，且物鏡最好不要重疊。根據本發明的一型態，為了提 供相鄰性，至少一光學元件41，42與43(例如稜鏡）可以放 置於透鏡組31，32與33的前面。光學元件41，42與43 ; 可以是一折射光學元件，也就是可以折射光線的任何元件， B 其中光線可以至少局部改變方向，例如朝向其個別物鏡。 在本發明的一型態中，光學元件41，42與43能折射或彎 曲進入的光線，而脫離相鄰的實際空間視野，使得在影像 ^ 空間中的對應放大視野，對於觀察者來說，會看成彼此相 鄰。光學元件41，42與43可以包含多數棱鏡，例如塑膠 或玻璃棱鏡，繞射光學元件，或鏡子等。雖然光學元件41，42 與43可以是任何折射光學元件，但是在以下的說明與申請 專利範圍中，光學元件41，42與43也可以稱為稜鏡41，42 ® 與43。雖然光學元件42可以被稱為a棱鏡〃，在本發明的 一些型態中，沿著中心線45定位的光學元件，例如圖2中 所示的光學元件42，可以折射很少的進入光線，或完全不 會折射任何進入光線，也就是說光學元件42並不會是一棱 鏡。由於穿過物鏡36的光線是從物體直接傳送到物鏡36 内，所以此光線不會受到任何的偏移。在本發明的一型態 中，沿著中心線45放置的光學元件可以是不會產生偏移的， 例如一窗戶，或者可以省略。 21 1270686 根據本發明的一型態，透鏡組31，32與33最好是對 準用以將連續實際視野放大成連續有效視野。如上所述， 對於每個透鏡組來說，在物體空間内的一半視野就是u值。 根據本發明的一些型態，最好設置具有放大率P的棱鏡41， 42與43，以便使進入的光線產生偏移，而獲得具有想要放 大率的連續有效視野。根據本發明的一型態，照射到棱鏡41， 42與43的物體空間軸向光線51，52與53可藉由等於視野 =2u的一角度而分開。在藉由棱鏡41，42與43產生偏移之 後，轴向光線會藉由一 Μ X 2u的角度而分開。在此範例中， M=2。例如，假如對於每個透鏡組31，32與33來說，在物 體空間内的一半視野是2. 86度的話，則照射到棱鏡41，42 與43的物體空間軸向光線51，52與53可藉由一角度而分 開，此角度等於視野=2xu=5. 72度。在藉由棱鏡產生偏移之 後，軸向光線會藉由一 Μ X 2u=l 1. 44度的角度而分開。 例如，參考圖2,假如對於每個透鏡組31，32與33來 說，在物體空間内以一選定的暈影效果（例如在此範例中為 100%)的一半視野是2. 86度的話，則總實際視野為2xu=5. 72 度。總視野是藉由用於每個透鏡組31，32與33的兩邊緣 光線來加以限定。例如，為了在視野之間產生相鄰性，透 鏡組32的兩物體空間邊緣光線相對於中心線45可產生-2. 86度以及+2. 86度的角度；透鏡組33的兩物體空間邊緣 光線可產生+2. 86度以及+8. 58度（就是2. 86+5. 72)的角度； 且透鏡組31的兩物體空間邊緣光線可產生-2. 86度以及-8. 58度的角度。 22 1270686 對應地，為了產生相鄰性，在每個透鏡組31，32與33 的物體空間中之軸向光束51，52與53最好分別是-5. 72度、 0度與+5. 72度。根據本發明的一些型態，在影像空間内的 這些角度值將會藉由放大率Μ來加以放大，以便對每個透 鏡組提供有效角度值。例如，對於放大率Μ=2來說，對於 每個透鏡組31，32與33來說，有效視野=MxFOV=2x5. 72度 = 11. 44度，而透鏡組32的有效一半視野接會落在+5. 72度 到+17. 16度（就是Mxu+MxF0V=+17. 16度）的範圍内。因此， 透鏡組33的軸線將會指在+11. 44度，介於+ 5. 72度與+ 17. 16 度中間（就是[5. 72 + 17· 16]/2)。在圖2及其他圖形中，為 求簡潔，用於每個透鏡組的邊緣光線均顯示為分開。然而， 根據本發明的一些型態中，相鄰透鏡組的視野之邊緣光線 最好大致上是在同一直線上且平行的，因此可以對觀察者 提供一大致連續的視野。在此範例中，圖2所示的陣列30 之總實際視野大約是+/-8. 58度（也就是17. 16度）；總有效 視野大約是+/-17. 17度（就是34. 34度）。 在本發明的一型態中，其中光學元件41，42與43包含 棱鏡，光學元件41，42與43可以設計成使光線折射或偏離 物體視野的中心，致使光線會垂直於每個棱鏡的後表面而 射出去。在本發明的一型態中，此垂直方向會符合每個透 鏡組（或望遠鏡）的對齊角度（或望遠鏡指向角度）δ。根據本 發明的此型態，一透鏡組的對齊角度是透鏡組的中心線與 透鏡組的陣列之中心線45所產生的角度，例如圖2中的角 度ό是透鏡組33的對齊角度。如上所述，在一型態中，其 23 1270686 中每個相鄰透鏡組的每個視野均與相鄰的透鏡組呈連續， ~ 、在中心光線53的物體空間中之角度，此角度符合透鏡組33 - 的軸線且因此可建立其對齊角度，此角度是一半視野u的 函數。例如，在一型態中，透鏡組33的光線53之物體空 間角度可以是0=2x11，例如5. 72度。因此，透鏡組33的 對齊角度可以是ό =M X 2 X u，例如11. 44度。 在本發明的另一型態中，其中每個相鄰透鏡組的每個 ; 視野均與其相鄰透鏡組呈連續，一透鏡組33的軸向光線之 I 方向角度ό也可以是u的函數。例如，在一型態中，透鏡 組33的轴向光線之角度可以是0 =2xu。假如u=2. 86度， 根據本發明的一型態，此對齊角度δ與每個透鏡組31，32 與33的物體空間軸向光線0係整理於表1中，其中標稱值 會對應於軸向光線。表1也分別提供每個透鏡組31，32與 33的邊緣光線51a，51b，52a，52b，53a與53b的物體空 間中之斜率。在藉由棱鏡產生偏移之後，這些光線的斜率 會增加了透鏡組放大率的值。根據本發明的一型態，透鏡 > 組41與42的邊緣光線51b與52a之斜率大致上是相等的， 如同透鏡組42與43的邊緣光線52b與53a，因此產生了相 鄰性。在一型態中，因為邊緣與軸向光線各藉由棱鏡31與 33而產生不同角度的偏移，所以可能產生在相鄰性上的誤 差。藉由調整光線組軸向角度與棱鏡角度，可以縮小或消 除這些誤差，例如藉由反覆計算方程式10而描繪出邊緣光 線通過棱鏡的斜率，直到相鄰透鏡組邊緣光線（例如光線51b 與52a，52b與53a)的斜率大致上相等為止。在一型態中， 24 1270686 此程序能產生對於表1中的棱鏡偏移與棱鏡角度提供校正 值。當方程式4中的一或更多參數改變時，將會隨著u值 的變化而提供6>與P的其他值。 表1 與圖2的透鏡組有關的角度 (u二2· 86 度） 透鏡組（或望遠鏡） 31 32 33 光線組的物體視野角度έ(度） -5. 72 0 5. 72 光線組對齊角度ό(度） -11.44 0 11.44 光線53b在物體空間内的斜率(度） 8. 59 光線53a在物體空間内的斜率(度） 2· 86 光線52b在物體空間内的斜率(度） 2. 86 光線52a在物體空間内的斜率(度） -2.86 光線51b在物體空間内的斜率(度） -2· 86 光線51a在物體空間内的斜率(度） -8· 59 標稱棱鏡偏移δ(度） -5· 72 0 2u=5.72 標稱稜鏡角S(度） -10·819 0 10.819 校正棱鏡偏移a(度） -5· 616 0 5.616 校正稜鏡角δ(度） -10·622 0 10.622 在本發明的一型態中，為了使棱鏡41，42與43偏移 入射光線的路徑，藉此使光線以大致符合對齊角度P的方 向而從棱鏡41，42與43出去，此為棱鏡偏移角度就 1270686 疋入射光可藉由一稜鏡而彎折通過的角度，可以是對齊角 度9與物體空間軸向光線角度0之間的差異。也就是說，在 本發明的一型態中，d = 。對於透鏡組31，32與33來 說’棱鏡偏移角5亦顯示於表1中。 光線透過一稜鏡的折射是藉由Snell折射定律來決定 的’此定律係表示如方程式1 〇。 sina = n sina ? 方程式 10 ^ 其中α與α ’分別是入射角與折射角，且η是棱鏡的折 射率。典型的棱鏡50與相關的幾何形狀與光線路徑均顯示 於圖3中。棱鏡50的特徵在於一棱鏡角万及一棱鏡偏移角 度5。如圖3所示，Α是進入的光束，β是光束Α與棱鏡50 表面的接觸點，C是折射光束d的射出點，且E是假如稜鏡 i 50並未產生折射時光束A可能走的路徑。N是在接觸點β 上垂直於棱鏡50入射表面的法線，角度^是介於入射光束 Α的方向與法線Ν之間的角度，角度^，則是介於折射光束β

• 的方向與法線N之間的角度。在本發明的一型態中，光束D 可以在點C垂直於棱鏡5〇的表面射出。在這樣的傳導之下， 對於棱鏡50來說，稜鏡角々大致上會等於棱鏡偏移角占， 也就是石=(5。在現有技術中，早已知道在這些條件下，可 以應用方程式11所提到的關係，且可用於決定棱鏡的折射 角。 tan/3= sin 5/(η-cos 5 ) 方程式 11 方程式11中的變數係界定如上。例如，在一型態中， 透鏡組33的棱鏡43將光線偏移一角度725度（參 26 1270686 閱表1)。對於具有折射率n=l. 517(例如，一硼矽砂冕牌玻 璃棱鏡）的棱鏡來說，方程式11可以產生出以下的結果： tan^= sin5. 725/(1. 517-cos5. 725) = 0.191 1 方程式12 如此產生/3=10.819度。 因此，為了使透鏡組33的棱鏡43能夠偏移光線，藉 此對觀察者提供一大致連續的視野，棱鏡43的角度/3可以 ； 具有大約10.819度的值。棱鏡41，42與43的對應棱鏡角 > 冷亦列於表1内。在表1中所顯示的角度是標稱角度。因 為邊緣與軸向光線均可以藉由稜鏡41與43而偏移至不同 的角度，因此可能會產生相鄰性上的誤差。在一型態中， 可以藉由反覆計算方程式10來描繪出通過棱鏡的邊緣光 線，直到相鄰的光線組之相鄰邊緣光線大致上相等為止， 以便將這些誤差縮至最小或消除，藉此校正偏移角度與棱 鏡角。根據用於設計光線組的三角射線追蹤結果，來產生 額外的修正。由於製造公差所導致在相鄰性的誤差，可以 t 藉由調整角度ys值及/或調整透鏡組的定向來加以校正。這 一點需要重複一次或更多次。 根據本發明的一些型態，光學裝置的暈影（V)可以達到 最佳化，提供視野之間的最佳相鄰性。典型地，在習知的 光學裝置中，50%的暈影效果係使用來界定視野；然而，50°/〇 的暈影效果可以藉由本發明的一型態之透鏡組，而導致視 野不想要的重疊。在本發明的一型態中，提供最大的100% 暈影效果。雖然100°/。暈影效果可以藉由相鄰的透鏡組而排 27 1270686 - 除視野的重疊，但是在視野邊緣的照度下降可以被看成為 ~ 視野中的間隙。例如，製造公差也可能導致相鄰透鏡組的 視野之間的間隙。為了防止這些間隙，在本發明的一型態 中，暈影效果可以大於50%，而小於100%。例如，在本發 明的一型態中，視野中的輕微重疊是比較好的。在一型態 中，暈影效果可以介於大約85%與大約95%之間，例如大約 90%。 ; 根據本發明的一型態，可以使用至少兩望遠鏡透鏡組， > 來提供本發明的上述優點。在本發明的其他型態中，可以 使用至少三個透鏡組，如圖2所示。在本發明的其他型態 中，透鏡組的數目僅藉由光學系統的可接受尺寸來加以限 制，藉由使用者的身體限制，例如具有一或兩隻眼睛，而 具有受限的視野（例如小於180度）。例如，在本發明的一 些型態中，可以使用4，5，6，7或8或更多的透鏡組。然 而，本發明的一些型態並未侷限於僅供人們使用，而是還 可以連接到任何光線偵測裝置，例如近聯裝置（CCD)，用以 _ 偵測光線。在本發明的此型態中，透鏡組可以配置成陣列 方式而在方位角（或圓周）方向上跨過至少180度以上，例 如甚至360度。在本發明的其他型態中，為了增加俯仰角 的視野，透鏡組可以成排地配置在方位角平面的上方與下 方，例如水平方位角光線組的俯仰角視野可以是大約+u度 與大約-u度，或者其倍數。例如，在一型態中，在方位角 平面上方的多排透鏡組之俯仰角視野可以從大約+u到大約 + 3u度或更多，而在方位角平面下方的多排透鏡組之俯仰角 28 1270686 _ 視野可以從大約-U到大約-3u度或更多。在本發明的一型 態中，總俯仰角視野等於大約6u度。在一型態中，透鏡組 — 可以配置成多數高度或多數排，每一高度或每一排可跨越 一方位角視野角度。在本發明的一型態中，透鏡組可以配 置成一球形結構，具有方位角從0度到360度且高度跨越0 度到360度，或者在這些極限值之間的任意方位角或高度 角度。 . 圖4是一概略平面圖，顯示根據本發明一型態具有七 > 個望遠鏡透鏡組61，62, 63, 64, 65, 66與67的一裝置60。 透鏡組61到67能將光線引導到代表性人眼68的一假設孔 闌121，其中人眼具有旋轉中心為0。類似於透鏡組41，42 與43,每個透鏡組61，62，63，64，65，66與67分別包 括一目鏡 71，72, 73, 74，75，76 與 77 ; —物鏡 81，82, 83, 84，85，86 與 87 ;及一棱鏡 91，92，93，94，95，96 與 97。 以類似於圖2所使用的方式，在圖4中，與每個透鏡組61 到6 7有關的軸向光線與邊緣光線係藉由字母a 〃、〜b 〃與 > ''c〃來標示，其中與一透鏡組有關的軸向光線則標示成 〃，下方邊緣光線則標示成''a"，而上方邊緣光線則標 示成'' b 〃。例如，透鏡組61接受一軸向光線61 c、一下方 邊緣光線61a，及一上方邊緣光線61b。類似的參數亦顯於 於其他的透鏡組62到67上，但為求簡潔，因此省略了從 透鏡組6 3到6 6之敘述。 類似於圖2中所提到的棱鏡.42，稜鏡94可以是一不會 產生偏移的窗形物。而且，在本發明的一型態中，也可以 29 1270686 _ 省略稜鏡94而不會影響本發明的性能。根據本發明的一型 態用於望遠鏡透鏡組61到6 7之對應透鏡組參數係整理於 — 表2中，而且再次假設一半視野為2„ 86度。用於圖4所示 的陣列60之實際視野大約是40. 04度（也就是7 X 5. 72)， 有效視野大約是80. 08度（也就是7 X 2 X 5. 72)，假設一 半視野u為2. 86度。因為邊緣與軸向光線各可以藉由棱鏡 91，92，93，94，95，96與97之任一棱鏡而偏移成不同的 ： 度數，因此可能會產生相鄰性上的誤差。在本發明的一型 > 態中，可以藉由調整軸線角度及/或棱鏡角度使這些誤差縮 到最小或消除。 表2 與圖4的透鏡組有關之角度 (u=2.86 度） 透鏡組（或望遠鏡） 61 62 63 64 65 66 67 綠组的㈣餅 角度度） -17.17 -11· 45 - 5· 725 0 5.725 11.45 17· 17 光線紐對齊角度9 -34 35 -22· 90 -11.450 0 11.450 22.90 34.35 標稱棱鏡^移紅度) -17· 17 -11.45 -5.725 0 5.725 11.45 17.17 衞級鏡角§(度） - 27· 74 - 20· 29 -10· 819 0 10.819 20.29 27.74 校1¾鏡偏移紅度) -15· 124 -10· 758 - 5.616 0 5.616 10.758 15.124 校^拔鏡角畝度） -25.313 -19· 247 -10· 622 0 10.622 19.247 25.313 在一型態中，位於兩侧或偏離中心線的望遠鏡透鏡組 可以提供較寬廣的周圍視野，此周圍視野是用於捕獲想要 的物體，這些物體是藉由將頭部扭轉朝向偏心的透鏡組所 30 1270686 - 捕獲的物體，且然後透過中心透鏡組64而看到的。在圖4 ~ 中最大的物體空間邊緣光線61a與67b係定向成為與中心 - 線成大約+20. 04度與-20. 04度。邊緣光束61a與67b限定 此陣列的透鏡組之實際視野。圖4中的有效視野70則是由 光線61a與67b在一影像空間（在藉由個別透鏡組放大之後） 中的投影來限定的。對於具有放大率M=2，其對應的視野角 度70分別為大約+40. 07度與大約-40. 07度。 • 在本發明的一型態中，望遠鏡透鏡組可以跨設於一中 I 心線兩側，圖5是一概略平面圖，顯示根據本發明一型態 具有二個望遠鏡透鏡組101與102的一裝置100。在本發明 的此型態中，透鏡組101與102跨設於裝置100的中心線110 - 兩側，且將光線導引到人眼103。透鏡組101與102分別包 . 括目鏡104與105、物鏡106與107，及棱鏡108與109。 雖然並未於圖5中顯示出來，額外的透鏡組可以被引入到 裝置100，以便擴大裝置100的視野。例如，裝置100可以 包括至少三個透鏡組，四個透鏡組或八個透鏡組，或更多 •的透鏡組。 圖6是一平面圖，顯示根據本發明另一型態的望遠鏡 透鏡組之雙筒望遠鏡裝置或陣列120。在本發明的此型態 中，雙筒望遠鏡裝置120是與右眼122與左眼124結合在 一起。裝置120包括一含有透鏡組131，132，133與134 的右眼透鏡組陣列130,以及包含透鏡組141，142，143與 144的左眼透鏡組陣列140。透鏡組131至134與141至144 各包括一目鏡、一物鏡與折射元件（例如一棱鏡），就如本 31 1270686 - 發明的其他型態一樣。透鏡裝置120的總有效視野是藉由 圓弧146來表示，而透鏡裝置120的總實際視野是藉由圓 弧148來表示。根據本發明的一型態，右眼122看穿一中 心望遠鏡透鏡組131與右邊側面透鏡組132，133與134， 以便觀看右邊的視野。左眼124看穿一中心望遠鏡透鏡組144 與右邊側面透鏡組141，142與143，以便觀看左邊的視野。 根據本發明的一型態，只有中心透鏡組131，144可以具有 * 大致相等的視野，且提供雙目視覺。如上所述，且如圖6 > 所示，與每個透鏡組131到134與141到144之代表性的 邊緣光線與轴向光線均標不為〜a 〃、〜b 〃與〜c 〃’以便促 進有關於這些光線的討論。而且，為求簡潔，並非所有的 光線均標示於圖6中。 在一型態中，相對於每個透鏡組的中心線，軸向光線 144c與131c可以具有零度的斜率，光線144a與131a可以 具有-u的斜率，而光線144b與131b可以具有+u的斜率。 而且，側面的望遠鏡透鏡組可以提供較寬廣的周圍視野， > 此周圍視野是用於捕獲想要的物體，這些物體是藉由將頭 部扭轉朝向偏心的透鏡組所捕獲的物體，且然後透過中心 透鏡組131，144而看到的。根據本發明的其他型態，雖然 圖6顯示出有四個透鏡組與每個眼睛122，124相結合，但 是雙筒透鏡陣列120也可以包括任意數量的透鏡組。例如， 透鏡陣列可以僅包含一右眼陣列130或一左眼陣列140。在 本發明的另一型態中，陣列130及/或140可以包括1，2，3, 4，5或更多的透鏡組。圖6所示的望遠鏡透鏡組之光學設 32 1270686 - 計參數可以類似於上述對應的透鏡組之方式來加以設計， ~ 也就是在單筒望遠鏡陣列中之方式。 本發明的一些型態亦提供一些功用如同望遠顯微鏡的 裝置，也就是可以用來放大及/或近距離工作的裝置。圖7 是一平面圖，顯示根據本發明的一型態之望遠顯微鏡裝置 150。在所顯示的型態中，裝置150包括多數透鏡組151，152, 153，154，155，156與157，用於放大一物體，例如藉由 • 物體平面160所指出的一樣，例如書本的一頁。此放大的 B 影像係導引朝向一眼睛（未顯示），其中眼睛是以旋轉中心0 來確認。根據本發明的一些型態，圖7中顯示有總共七個 透鏡、组，裝置15 0可以包括2或更多的透鏡組，例如，如 ^ 圖2，4與5所示。透鏡組151到157可以是類似於上述的 ^ 其他透鏡組，例如，圖4所示的透鏡組61到6 7，且包括對 應的目鏡、物鏡與折射元件（例如棱鏡）。根據本發明的此 型態，透鏡組151到157可以設計成具有上述適當的參數 0， β，Ρ等，藉此可以提供大致連續的視野，這一點也 同上述的-樣。 根據本發明的此型態，至少一些透鏡組151到157可 以包括至少一放大光學元件161，162，163，164，165，166 與167，例如這些光學元件係安裝在透鏡組151到157的至 少一些折射元件之前面。在本發明的一型態中，放大光學 元件161到167可以包含任何光學元件，只要適用於對準 來自近距離物體的光線，且將引入透鏡組151到157的光 線影像予以放大即可。在本發明的一型態中，大致所有的 33 1270686 透鏡組151到157包括至少一放大元件161到167。根據一 型態，放大元件161到167可以是一放大凸透鏡或一透鏡 - 蓋。在本發明的一型態中，可以改變介於物鏡與目鏡之間 的間隔，例如增加而改變透鏡組的焦距。例如，在一型態 • 中，可以增加介於透鏡之間的間隔，以便改善在近距離物 體上的聚焦。然而，如此可能會導致比使用透鏡蓋還要小 的放大率。 ： 根據本發明的一型態，放大元件161到167各可以具 > 有屈光率，也就是透鏡的折射率。放大元件161到167的 屈光率將會與想要的放大率及/或與物體（例如欲觀看的書 本）的距離有關。放大元件或透鏡蓋可以作為一簡單的放大 鏡。根據先前技術，放大透鏡Μ的放大率是由M=F/4而提 供的，其中F是放大透鏡的屈光率。如同先前技術中所知 道的，透鏡的屈光率是等於其焦距以米為單位的倒數。例 如，對於屈光率F=8的屈光度，一放大透鏡（例如透鏡蓋161) 具有放大率為M=F/8=8/4=2，或者是2倍的放大率。根據本 > 發明的一型態，放大元件161到167的放大率是藉由分別 乘以透鏡組151到157的放大率，以便提供透鏡組與放大 元件的組合之總放大率。例如，引進在一 2倍透鏡組前面 的一 2倍放大透鏡之總放大率M=2 X 2 =4倍放大率。根據 本發明的一些型態，放大透鏡161到167可以具有大於1 倍的放大率，或者大於2倍，例如4倍或6倍或更高。在 本發明的一型態中，放大透鏡組161到167係設計成確保 所應用的一組陣列透鏡組之想要的運影效果，例如，以便 34 1270686 一 維持在本發明一型態中想要的大約100%暈影效果。 — 在一型態中，放大光學元件161到167的放大率可以 - 是具有250/乙的Me，其中fc是放大光學元件的焦距（mm)。 例如，f/100mm，則一元件的放大率大約是Mc=250/100 = 2. 5。 只要適當的話，也可以使用其他放大率以及與焦距的關係。 根據本發明的一型態，元件161到167可以具有與個別元 件相連的棱鏡之相同形狀，例如圓形或多角形（六角形）， • 且可以安裝在個別棱鏡的前面，例如安裝在一圓形、圓柱 I 形或球形的一半徑上。 在本發明的一型態中，放大光學元件161到167係適 用於解決增加傾斜度的缺點，此一缺點可能會發生在望遠 顯微鏡的透鏡蓋上。例如，對於具有大致相等焦距的望遠 顯微鏡，當觀察一平坦的近距離物體時，由於視野的不適 當深度之故，導致影像可能變得很模糊。根據本發明的一 型態，為了維持清析度，可以改變透鏡蓋的焦距，例如增 加焦距，作為相對於陣列的中心軸線之位置的函數。由於 B 增加距離之故，所以對於傾斜指向的透鏡組之物體，可以 校正模糊影像，就是望遠顯微鏡。例如，對於放置在陣列 中心線上的中心透鏡蓋之一透定焦距，例如圖7中的透鏡 蓋164具有100mm的焦距，相鄰的透鏡蓋165，166與167 之焦距可以分別是100. 5mm，102. 0mm與104. 7mm。結果， 這些透鏡蓋的角度放大率可以減少而小於標稱放大率。例 如，假如具有透鏡蓋164的透鏡組154之標稱放大率為5.0， 則透鏡組165，166與167的放大率可以分別變成4. 98，4. 90 35 1270686 與 4·78 〇 放大光學元件 161，162，163，164，165，166 與 167(例 — 如放大透鏡）可以設置成個別元件，以便安裝於其對應棱鏡 與物鏡之前面。在本發明的一型態中，元件161到167，或 — 其分支組，均可以設置成為一組陣列的元件，例如一模製 陣列的元件，這些元件係可以安裝在一或更多棱鏡與物鏡 之前方。這些元件係可移除式地裝配，藉此他們可以被移 ； 開而用於觀察遠距離的物體。 B 圖8是一概略平面圖，顯示根據本發明另一型態的另 一望遠顯微鏡裝置170。在所示的型態中，裝置170包括多 數透鏡組 171，172，173，174，175，176 與 177,用於放 大一物體，例如物體平面180所指出的物體（例如書本的一 頁）。此放大的影像係導引朝向一眼睛（未顯示），此眼睛標 示有旋轉中心0。而且，如圖7所示的裝置150，雖然圖8 顯示具有總計七個透鏡組，根據本發明的一些型態，裝置18 0 可以包括二個或更多的透鏡組，例如圖2，4與5所示，透 _ 鏡組171到177可以類似於上述的其他透鏡組，例如圖4 所示透鏡組61到67，且包括對應的目鏡、物鏡與折射元件， 例如棱鏡。根據本發明的此型態，透鏡組171到177可以 設計成具有上述適當的參數0，点，P等，藉此可以提供 大致連續的視野，這一點也如同上述的一樣。 根據本發明的此型態，一或更多的彎月形透鏡181可 以設置在前方，且折射進入透鏡組171到177的陣列中至 少一些透鏡組的至少一些光線，以便提供一望遠顯微鏡裝 36 1270686 - 置。此彎月形透鏡181的屈光率係與想要的放大率及/或與 — 物體180(例如欲觀看的書本）的距離有關。根據本發明的一 些型態，彎月形透鏡181可以具有大於1倍的放大率，或 者大於2倍，例如4倍或6倍或更高。彎月形透鏡181的 對應折射率可以是8，16與32屈光度。對於圖8所示的單 ' 一陣列的透鏡組來說，彎月形透鏡的形狀可以夠寬廣到延 伸至至少一些（最好是全部）透鏡組171與177的最大方位 ； 角物體空間邊緣光線。例如，根據本發明的一型態，從圖11 ，中的一透鏡組之前視圖可以看出，·彎、月形透鏡181可以覆 蓋方位角與俯仰角的物體空間。 根據本發明的一些型態，在一陣列中的每個望遠鏡透 鏡組可以安裝在一個別的外殼中，如圖9所示。根據本發 明的一型態，藉由將透鏡組包圍在外殼内，相鄰的透鏡組 外殼之側邊會阻擋_擾現象〃，也就是說，外殼會縮小或 防止來自一指定透鏡組的視野之光線進入一相鄰的透鏡 組。圖9是一平面圖，顯示一裝置190，具有望遠鏡透鏡組 B 外殼 191，192，193，194，195，196 與 197。放大的影像 係導引朝向一眼睛，此眼睛標示有旋轉中心0。雖然圖9顯 示具有總計七個透鏡組外殼，根據本發明的一些型態，裝 置190可以包括二個或更多的透鏡組外殼，例如2，4，5，8 或更多的外殼。透鏡組外殼191到19 7可以包括一些透鏡 組，係類似於上述其他透鏡組，例如圖4所示透鏡組61到 6 7，且可以包括對應的目鏡、物鏡與折射元件，例如棱鏡（均 以虛線表示）。透鏡組191到197也可以包括一或更多的放 37 1270686 _ 大元件，例如圖7所示的透鏡蓋。根據本發明的此型態， 位於透鏡組外殼191到197内的透鏡組可以設計成具有上 述適當的參數0，yS， P等，藉此可以提供大致連續的視 野，這一點也如同上述的一樣。根據本發明的一型態，位 於透鏡組外殼191到197内的透鏡組可以藉由調整介於個 別物鏡與目鏡之間的間隔而設置成無聚焦狀態。在一型態 中，裝置或陣列190可以存放於一支撐結構或底座（參見圖 • 10，11與12)中，如此可允許個別透鏡組外殼191到197 P 的軸線之細微或顯著的方位角度及/或細微或顯著的高度角 度調整，以便使相鄰性達到最佳化。裝置或陣列190可以 藉由一裝配至支撐結構或底座上的外蓋而包圍起來。 圖10，11與12顯示一光學裝置200,用於安裝根據本 發明一型態的多數透鏡組。圖10是此裝置200的一頂視平 面圖，其中此裝置具有一外殼210與多數透鏡組外殼201， 202，203，204，205，206與207(均以虛線表示），例如類 似於圖9所示的透鏡組外殼191到197之透鏡組外殼。圖11 是一前視圖，係沿著圖10的線11-11所看到的圖10之光 學裝置200。而且，雖然圖10顯示具有總計七個透鏡組外 殼，根據本發明的一些型態，裝置200可以包括二個或更 多的透鏡組外殼，例如2，4，5，8或更多的外殼。透鏡組 外殼201到207可以包括一些透鏡組，係類似於上述其他 透鏡組，例如圖4所示透鏡組61到6 7，且可以包括對應的 目鏡、物鏡與折射元件，例如棱鏡（均以虛線表示）。透鏡 組201到207也可以包括一或更多的放大元件，例如圖7 38 1270686 所示的透鏡蓋。根據本發明的此型態，位於透鏡組外殼2〇1 到207内的透鏡組可以設計成具有上述適當的參數泠， P等，藉此可以提供大致連續的視野，這一點也如同上述 的 & 外砍21 〇包括一底座212及一例如藉由機械固定 器而安裝至此底座212上的外蓋214。 圖12是一剖面圖，係沿著圖11的線12-12所看到的 圖ίο與11之裝置200。圖12是一剖面圖，顯示底座212、 外蓋214與透鏡組外殼2〇2。如圖12所示，作為典型的透 鏡組外殼201到207，透鏡組外殼202可以包括一透鏡外殼 220，具有一目鏡222、一物鏡224及一棱鏡226，且選擇 性地包括一透鏡蓋228。如圖12所示，透鏡組外殼202可 以藉由一透鏡組支持器230來支撐，此透鏡支持器230可 以藉由習知的方式（例如黏著劑、焊接或螺絲213等的機械 固定器）來安裝到底座212上。 如圖11所示’在本發明的一型態中，透鏡組支持器2 〇 1 到207及其包含的元件（例如透鏡與稜鏡）可以具有矩形的 形狀。在本發明的其他型態中，透鏡組201到207及其包 含的兀件可以是圓形、橢圓形、或多角形（例如三角形、正 方形、五角形或六角形）。 圖13, 14, 15與16顯示根據本發明的一型態之底座212 與外蓋214的詳細圖形。圖13是一底座212的頂視平面圖， 圖14是沿著圖13的線14-14所看到的底座212之側視圖。 底座212包括一底板215與兩侧板216。底座212與215可 以包含一例如從單一塊體鍛造、鑄造或焊接的整體結構， 39 1270686 或者由黏著劑或機械固定器組裝而成的分開部位。底座212 可以適用於安裝並定位透鏡組外殼，例如圖1〇與n所示 的透鏡組外殼201到207。在一型態中，底座212包括多數 孔217，用於安裝透鏡組外殼2〇1到207至底座212上，例 如多數埋頭通孔。側板216也可以適用於安裝外蓋214，例 如側板216可以包括一或更多能容納螺旋固定器（未顯示） 的螺旋孔218。 底座212可以是金屬製的也可以是非金屬製的。例如， 底座212可以由一或更多下列的金屬製成：鐵、鋼、不鏽 鋼、鋁、鈦、鎳、鎂、黃銅、青銅或任何其他結構金屬。 底座212也可以由一或更多的下列塑膠製成：聚醯胺（pA)、 耐隆、聚乙晞（PE)、聚丙埽（pp)、聚酯（PE)、聚四氟乙烯 (PTFE)、丙烯-丁二烯-苯乙缔共聚物（ABS)及聚氯乙晞（pvc) 等。 圖15是一外蓋214的頂視平面圖，圖16是沿著圖15 的線16-16所看到的外蓋214之侧視圖。外蓋214可以包 括多數孔219，用於安裝外蓋214至底座212上，例如多數 埋頭通孔。外蓋214可以是金屬製成的或非金屬製成的， 且相對於底座212，可以由上述的一或更多種金屬或塑膠製 成。 底座212與外蓋214的尺寸可以根據其中安裝的光學 裝置之尺寸來加以變化。在本發明的一型態中，底座212 與外蓋214的長度221可以介於大約25mm與大約3m之間， 一般係介於50mm與大約100mm之間，例如大約60mm。在本 1270686 發明的一型態中，底座212與外蓋214可以具有内徑223 ' 為介於大約5mm與大約250mm之間，一般係介於20mm與大 _ 約40mm之間，例如大約29腿。在本發明的一型態中，底座 212與外蓋214可以具有外徑225為介於大約5腿與大約 250mm之間，一般係介於35mm與大約55匪之間，例如大約 44mm。在本發明的一型態中，底座212與外蓋214可以具 有高度227為介於大約5mm與大約250mm之間，一般係介 • 於5mm與大約25mm之間，例如大約13mm。在本發明的一型 ί 態中，外蓋214可以具有厚度229為介於大約1mm與大約50mm 之間，一般係介於1 mm與大約5mm之間，例如大約3mm。 圖17，18與19顯示根據本發明另一型態圖12所示的 透鏡支持器230之圖形。圖17是透鏡支持器230的一側視 圖，圖18是沿著圖17的線18-18所看到的透鏡支持器230 之平面圖，圖19是沿著圖17的線19-19所看到的透鏡支 持器230之側視圖。根據本發明的一型態，透鏡支持器230 包括第一區段231及第二區段232，其中第一區段係適用於 ® 容納一透鏡組外殼的物鏡，例如圖10所示的透鏡組外殼201 到207，而第二區段則適用於容納一透鏡組外殼的目鏡端。 第二區段232可以包含一斜面，具有介於10度到50度之 間的角度，此角度是根據所使用的光學裝置之尺寸有關。 在一型態中，區段232包含一介於20度到30度之間的角 度，例如大約22度。區段231與232可以包括渾圓的凹陷 部（未顯示），係適用於容納一圓形透鏡組外殼。透鏡固持 器230可以包括一或更多孔，例如一或更多的螺旋孔234， 41 1270686 - 235與236(均以虛線顯示），藉此透鏡支持器230可以被安 ' 裝到外殼210上。 - 透鏡支持器230的尺寸可以根據其中安裝的光學裝置 之尺寸來加以變化。在本發明的一型態中，透鏡支持器230 的長度237可以介於大約5mm與大約50匪之間，一般係介 於8mm與大約16mm之間，例如大約11 mm。在本發明的一型 態中，透鏡支持器230可以具有寬度238為介於大約3mm • 與大約25匪之間，一般係介於5mm與大約12匪之間，例 , 如大約7mm。在本發明的一型態中，透鏡支持器2 3 0可以具 有高度239為介於大約2mm與大約25mm之間，一般係介於 3匪與大約7丽之間，例如大約5mm。透鏡支持器230可以 相對於底座212,由上述的一或更多種金屬或塑膠製成。 根據本發明的一型態，一透鏡組裝置或陣列可以設置 成具有多數排的透鏡組。圖20是一前視圖，顯示根據本發 明一型態的陣列或裝置240，具有多數排的望遠鏡透鏡組。 而且，雖然圖20顯示在三排中每個均具有總計七個透鏡， ® 根據本發明的一些型態，裝置240可以包括每排二個或更 多的透鏡組外殼，例如每排3，4，5，8或更多的透鏡組。 陣列240中的透鏡組可以包括一些透鏡組，係類似於上述 其他透鏡組，例如圖4所示透鏡組61到6 7，且可以包括對 應的目鏡、物鏡與折射元件，例如稜鏡（均以虛線表示）。 陣列240中的透鏡組也可以包括一或更多的放大元件，例 如圖7所示的透鏡蓋。根據本發明的此型態，陣列240中 的透鏡組可以設計成具有上述適當的參數0，；5， p等， 42 1270686 - 藉此可以提供大致連續的視野，這一點也如同上述的一樣。 ' 圖20包含一易於說明的發展情形。雖然本發明的一些 " 型態可以提供一陣列240具有多數以平面形式配置的透鏡 組，但是在一型態中，陣列240之配置方式，也可以使透 鏡組以一具有半徑的陣列來配置，例如，如圖3，4與7所 示。假如透鏡組安裝在一圓形圓柱的表面上時，具半徑的 陣列240中的透鏡組可以一圓柱形方式配置；假如透鏡組 ； 安裝在一球形表面上時，這些透鏡組也可以配置成球狀方 > 式，此球形例如其球心可與眼睛的旋轉中心一致。圖21是 一概略前視圖，顯示根據本發明一型態之具有一排望遠鏡 透鏡組280，其中這些透鏡組係圍繞著球290以一球狀方式 配置。球290的半徑可以在大約5mm與大約250mm之間作 變化，一般係介於35mm與大約55mm之間，例如大約44mm。 為了促進圖20中每個透鏡組的識別，每個透鏡組均標 示有兩個整數碼（X，y)，其中X是透鏡組的排數，而y是 每排中透鏡組相對於陣列240的垂直中心線242之位置。 _ 使用此命名法，則沿著水平中心線244對齊的中間排陣列 則標示為排。而且，如圖20所示，中心透鏡組係標 示成（0，0)，而在上排中最右邊的透鏡組為（1，3)。 在本發明的一型態中，圖20中的透鏡組之透鏡組外殼 可以塑形，而符合陣列中的相鄰外殼。例如，在所顯示的 陣列中，透鏡組的外殼之形狀為六角形，如此可以提供最 佳的相容性與透鏡組外殼的封裝。外殼也可以是圓形、橢 圓形、三角形、正方形、矩形或任何多角形。如圖20所示， 43 1270686 - 透鏡組可以相對於相鄰的透鏡組以一交錯關係來進行安 裝。在本發明的另一型態中，透鏡組可以直接配置在上方 - 與下方的透鏡組之頂面上，藉此透鏡組的中心線大致是與 上方與下方的透鏡組中心線相對齊。在另一型態中，在相 鄰排中的透鏡組之中心線可以不需要對齊。 在圖21的球形陣列280中，在所示的此排透鏡組上方 與下方之透鏡組與稜鏡可能需要在形狀與方向上有漸進的 ； 變化，這是由於其本身係定位在球290的傾斜大圓形上之 B 緣故。 本發明的一些型態提供一些方法與裝置，可以增進正 常視力與視力受損者的視力，此乃藉由提供比先前技術更 寬廣的視野，且在一些型態中，可以提供一連續的寬廣視 野。本發明的一些型態可用於促進捕獲想要的目標，例如 街道標誌或駕駛危險物，且允許使用者扭轉並觀看此目標。 本發明的一些型態可用於小型觀賞戲劇用的雙眼望遠鏡， 且對於歌劇或電影愛好者或運動迷提供較大的舞台、足跡、 ® 場地的視野。藉由本發明的一些型態所提供之較寬廣視野 也可以增進戶外追蹤或觀賞，例如在軍隊監視或鳥類觀察 等情形。對於熟知此項技術者來，本發明的一些型態之其 他應用是很熟悉的。 雖然已經藉由上述的多種型態來說明本發明，但是對 於熟知此項技術者來說，仍可以產生其他型態的型態而達 成同樣的目的。因此，藉由以下的申請專利範圍來涵蓋這 些落入本發明範圍與精神之各種等效型態。 44 1270686 【主要元件符號說明】 - 〇 -眼睛的旋轉中心 10 -透鏡組 13 -光線 14 -物鏡 16 -目鏡 ： 17 -視野 ’ 19 -光束 21 -孔闌 30 -陣列 31，32，33 -望遠鏡透鏡組 34 -人的眼睛 35，36，37 -物鏡 38，39，40 -目鏡 41，42，43 -光學元件 45 -中心線 50 _棱鏡 51，52，53 -物體空間軸向光線 60 -陣列 望遠鏡透鏡組 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 -61a，62a，67a -下方邊緣光線 61b，62b，67b -上方邊緣光線 61c，62c，67c —軸向光線 45 1270686 68 -人的眼睛 69 -實際視野 70 -有效視野 71，72，73，74，75，76，77 -目鏡 81，82，83，84，85，86，87 -物鏡 91，92，93，94，95，96，97 -棱鏡 100 -裝置 101，102 -望遠鏡透鏡組 103 -人眼 104，105 -目鏡 106，107 -物鏡 108，109 -棱鏡 110 -中心線 120 -裝置 122 -右眼 121 _孔闌 124 -左眼 130 -右眼透鏡組陣列 131，132，133，134，141，142，143，144 -透鏡組 140 -陣列 150 -望遠顯微鏡裝置 151，152,153，154，155，156，157 -透鏡組 160 -物體平面 161，162，163，164，165，166，167 -放大光學元件 46 1270686 170 -望遠顯微鏡裝置 171，172，173，174，175，176，177 -透鏡組 180 -物體平面 181 -彎月形透鏡 190 —裝置 191，192，193，194，195，196，197 -望遠鏡透鏡組 外殼 200 -光學裝置 201，202，203，204，205，206，207 -透鏡組外殼 210 —外殼 212 -底座 214 -外蓋 215 -底板 216 -側板 217 -孔 218 -螺旋孔 220 -透境外殼 222 -目鏡 223 -内徑 224 -物鏡 225 -外徑 226 -棱鏡 2 2 7 -向度 2 2 8 -透鏡盖 47 1270686 -厚度 -透鏡組支持器 -第一區段 -第二區段 -長度 -寬度 -南度 -陣列 -垂直中心線 -水平中心線 -球形陣列 一球 48

Claims (1)

1270686 十、申請專利範圍： 1. 一種光學裝置，包含： 多數望遠鏡透鏡組，各望遠鏡透鏡組均包含一物鏡與一 目鏡，兩者係以一望遠鏡伸縮關係產生定位；及 多數折射光學元件，係定位於至少一些該等物鏡的前方， 該等折射光學元件係適用於將光線至少局部朝向至少一 些該等物鏡改變方向。 2. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等多數折 射光學元件包含棱鏡。 3. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等多數望 遠鏡透鏡組包含至少三個望遠鏡透鏡組。 4. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等多數望 遠鏡透鏡組係定位於單一平面中。 5. 如申請專利範圍第4項之光學裝置，其中該等多數望 遠鏡透鏡組的每一物鏡係定位於具有半徑Rc的一共同圓 形上。 6. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等多數望 遠鏡透鏡組的每一物鏡係定位於具有半徑Rs的一共同球 形上。 7. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置 進一步包含至少一放大光學元件，係定位於該等物鏡的 至少一物鏡前方，該放大光學元件係適用於放大引入到 透鏡組内的一光線影像。 8. 如申請專利範圍第7項之光學裝置，其中該至少一放 49 1270686 大光學元件包含至少一放大凸透鏡。 9. 如申請專利範圍第7項之光學裝置，其中該至少一放 大光學元件包含至少一彎月形透鏡。 10. —種提供寬廣視野放大率的方法，該方法包含以下步 驟： 設置多數物鏡； 將多數目鏡與該等多數物鏡以望遠鏡伸縮關係產生定 位，其中使用者透過物鏡與目鏡所看到的一物體影像會 產生放大；及 在光線進入物鏡之前，使來自物體的光線產生折射，其 中透過該等多數目鏡觀看物體的一觀察者可以看見物體 的一大致連續放大寬廣的視野。 11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中來自物體的折 射光線包含將多數折射光學元件定位在至少一些物鏡的 前方。 12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該等折射光學 元件包含光學稜鏡。 13. 如申請專利範圍第10項之方法，進一步包含在折射 來自物體的光線之前，將來自物體的光線加以放大。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中放大光線包含 將至少一放大透鏡定位於至少一物鏡的前方。 15. —種寬廣視野光學放大系統，包含： 多數望遠鏡透鏡組，各望遠鏡透鏡組包含一物鏡、一目鏡 與一棱鏡，其中該目鏡係與該物鏡以望遠鏡伸縮的關係 50 1270686 產生定位，而該棱鏡係定位於該等物鏡的前方；及 一支撐結構，係適用於定位該等多數透鏡組； 其中至少一些該等棱鏡包含一棱鏡角/3，係選定用以折 射光線而朝向至少一些物鏡，藉此提供使用者一大致連 續放大寬廣的視野。 16. 如申請專利範圍第15項之寬廣視野光學放大系統， 其中至少一該等望遠鏡透鏡組包含一半視野角u、一孔 闌、一良視距、一目鏡與物鏡之間的間隔，及暈影效果， 其中u是藉由以下的方程式而決定的： tan u = [(D0/2M) + (V-0.5)/Da]/(eM)+d 其中是物鏡的寬度，M是透鏡組的放大率，Da是孔闌 直徑，e是良視距，d是透鏡間隔，且V是透鏡組的暈影 效果。 17. 如申請專利範圍第15項之寬廣視野光學放大系統， 其中至少一該等望遠鏡透鏡組包含一目鏡直徑De、一良 視距、一介於目逕與物鏡之間的間隔，及暈影效果，其 中De是藉由以下的方程式而決定的： De =2 [(eD0/2) - (V-0.5)/dDa]/(eM)+d 其中D。是物鏡的寬度，Μ是透鏡組的放大率，Da是孔闌 直徑，e是良視距，d是透鏡間隔，且V是透鏡組的暈影 效果。 18. 如申請專利範圍第15項之寬廣視野光學放大系統， 其中至少一該等棱鏡包含一棱鏡偏移角5及一折射率η， 且其中棱鏡角/5係選定用以大致滿足以下方程式： 51 19 1270686 tan/3= siri(5 /(n-cos δ ) •如申請專利範圍第18項之寬廣視野光學放大系統， /、中土少一该等望遠鏡透鏡包含對齊角$，及一物體空 間轴向光線角0，其中5大致上等於P — P之差異。 20·如申請專利範圍第15項之寬廣視野光學放大系統， 其中該支撐結構包含一透鏡組外殼與至少一定位於透產、 組外殼内的透鏡組支架。 ' 身

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