УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ С УЛУЧШЕННЫМ ВОСПРИЯТИЕМ ГЛУБИНЫ
DEVICE FOR OBSERVATION WITH IMPROVED DEPTH PERCEPTION

Настоящее изобретение относится к устройству для наблюдения, предназначенному для наблюдения за объектом при увеличении, которое обеспечивает наблюдателю улучшенное восприятие глубины.
Существуют различные увеличительные устройства, предназначенные для наблюдения объектов, в том числе стереоскопическое увеличительное устройство, раскрытое в более раннем патенте США №5477385 А заявителя.
Однако изобретатель настоящего изобретения осознал, что можно обеспечивать наблюдателю значительно улучшенное восприятие глубины в моно- или стереоскопическом устройстве для наблюдения путем выполнения устройства с использованием эффектов фокусировки, параллакса и совмещения, которые все способствуют интерпретации наблюдателем восприятия глубины.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство для наблюдения, предназначенное для наблюдения за объектом при увеличении, при этом устройство для наблюдения содержит линзу объектива, выполненную с возможностью образования изображения объекта, расположенного на предметной плоскости и имеющего радиальную протяженность, определяемую апертурной диафрагмой, частично пропускающий отражатель, выполненный с возможностью обеспечения прохождения света через него от линзы объектива к узлу зеркала и обеспечения отражения света, который возвращается к нему от узла зеркала, узел зеркала, который принимает составляющую света от частично пропускающего отражателя и расположен так, что сфокусированное изображение объекта образуется на узле зеркала и свет, принимаемый узлом зеркала, отражается обратно к частично отражающему отражателю и передается для образования изображения объекта, узел линзы наблюдения, выполненный с возможностью образования оптического изображения объекта, который является видимым для наблюдателя в выходном зрачке в плоскости наблюдения и в котором линза объектива имеет угол (α) траектории луча, определяемый расстоянием от предметной плоскости до линзы объектива и радиальной протяженностью апертурной диафрагмы, при этом устройство для наблюдения имеет угол (β) наблюдения, определяемый расстоянием по оптической оси от узла зеркала до плоскости наблюдения и радиальной протяженностью выходного зрачка в плоскости наблюдения; при этом устройство для наблюдения выполнено таким образом, что отношение смещения угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 3:1, в результате чего наблюдатель обеспечивается более значительным изменением восприятия глубины наблюдаемого объекта по сравнению с величиной смещения головы человека.
В одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 4:1.
В другом варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 5:1.
Еще в одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 6:1.
Еще в одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 8:1.
Еще в одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 10:1.
Еще в одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 12:1.
Еще в одном варианте осуществления отношение смещений угла (α) траектории луча к углу (β) наблюдения составляет по меньшей мере 13:1.
В одном варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 6°.
В другом варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 8°.
Еще в одном варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 9°.
Еще в одном варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 10°.
Еще в одном варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 12°.
Еще в одном варианте осуществления угол (α) траектории луча составляет по меньшей мере 13°.
В одном варианте осуществления угол (β) наблюдения составляет не больше чем 2°.
В другом варианте осуществления угол (β) наблюдения составляет не больше чем 1,5°.
В одном варианте осуществления составляющая света, принимаемая узлом зеркала, проходит через частично пропускающий отражатель.
В одном варианте осуществления свет, принимаемый от узла зеркала и передаваемый частично пропускающим отражателем, отражается частично пропускающим отражателем.
В одном варианте осуществления линза объектива расположена по оптической оси на расстоянии меньше чем 120 мм от предметной плоскости.
В другом варианте осуществления линза объектива расположена по оптической оси на расстоянии меньше чем 100 мм от предметной плоскости.
Еще в одном варианте осуществления линза объектива расположена по оптической оси на расстоянии меньше чем 80 мм от предметной плоскости.
Еще в одном варианте осуществления линза объектива расположена по оптической оси на расстоянии меньше чем 60 мм от предметной плоскости.
В одном варианте осуществления апертурная диафрагма имеет отверстие диаметром по меньшей мере 30 мм.
В другом варианте осуществления апертурная диафрагма имеет отверстие диаметром по меньшей мере 35 мм.
Еще в одном варианте осуществления апертурная диафрагма имеет отверстие диаметром по меньшей мере 40 мм.
В одном варианте осуществления частично пропускающий отражатель представляет собой полупропускающий отражатель.
В одном варианте осуществления частично пропускающий отражатель содержит частично пропускающее зеркало, предпочтительно полупосеребренное плоское зеркало.
В одном варианте осуществления оптический центр устройства для наблюдения, задаваемый оптической осью на частично пропускающем отражателе, расположен по оптической оси на расстоянии по меньшей мере 150 мм от плоскости наблюдения.
В другом варианте осуществления оптический центр устройства для наблюдения, задаваемый оптической осью на частично пропускающем отражателе, расположен по оптической оси на расстоянии по меньшей мере 180 мм от плоскости наблюдения.
Еще в одном варианте осуществления оптический центр устройства для наблюдения, задаваемый оптической осью на частично пропускающем отражателе, расположен по оптической оси на расстоянии по меньшей мере 200 мм от плоскости наблюдения.
Еще в одном варианте осуществления оптический центр устройства для наблюдения, задаваемый оптической осью на частично пропускающем отражателе, расположен по оптической оси на расстоянии по меньшей мере 250 мм от плоскости наблюдения.
В одном варианте осуществления выходной зрачок в плоскости наблюдения имеет диаметр не больше чем 30 мм.
В другом варианте осуществления выходной зрачок в плоскости наблюдения имеет диаметр не больше чем 25 мм.
В одном варианте осуществления устройство для наблюдения дополнительно содержит осветитель, который включает в себя множество источников света для освещения объекта, которые смещены от оптической оси устройства для наблюдения.
В одном варианте осуществления источники света представляют собой точечные источники света, предпочтительно светоизлучающие диоды, которые расположены вокруг оптической оси.
В одном варианте осуществления устройство для наблюдения дополнительно содержит объектив с переменным фокусным расстоянием, который содержит линзу объектива и множество дополнительных линз.
В одном варианте осуществления частично пропускающий отражатель является расщепителем пучка для расщепления света от линзы объектива, чтобы имелись первая и вторая составляющие света, при этом первый упомянутый узел зеркала принимает первую составляющую света от расщепителя пучка, а устройство для наблюдения дополнительно содержит второй узел зеркала, который принимает вторую составляющую света от расщепителя пучка и расположен так, что сфокусированное второе изображение объекта образуется на втором узле зеркала и свет, принимаемый вторым узлом зеркала, отражается обратно к расщепителю пучка и передается для образования изображения объекта, при этом узлы зеркал ориентированы так, что центры выходных зрачков, передаваемые соответствующими узлами зеркал, смещены в соответствии с межзрачковым расстоянием наблюдателя, а узел линзы наблюдения передает оба выходных зрачка, вследствие чего обеспечивается то, что выходные зрачки от соответствующих узлов зеркал передаются к соответствующим зрачкам глаз наблюдателя и различные стереоскопические параллаксные виды представляются к каждому глазу наблюдателя.
В одном варианте осуществления составляющая света, принимаемая вторым узлом зеркала, отражается расщепителем пучка.
В одном варианте осуществления свет, принимаемый от второго узла зеркала и передаваемый расщепителем пучка, проходит через расщепитель пучка.
В одном варианте осуществления любой или каждый узел зеркала содержит зеркало и сферическую линзу на поверхности зеркала.
В одном варианте осуществления зеркало представляет собой плоское зеркало.
В другом варианте осуществления зеркало представляет собой асферическое зеркало.
Еще в одном варианте осуществления любой или каждый узел зеркала содержит вогнутое зеркало.
Теперь ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны только для примера с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фигура 1 - схема устройства для наблюдения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 2 - схема устройства для наблюдения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фигура 3 - схема устройства для наблюдения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения; и
фигура 4 - схема устройства для наблюдения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 1 показано устройство для наблюдения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Устройство для наблюдения содержит линзу 3 объектива для образования изображения объекта, расположенного на предметной плоскости ОР, в этом варианте осуществления определяемой апертурной диафрагмой 5.
В этом варианте осуществления линза 3 объектива расположена по оптической оси на расстоянии 100 мм от предметной плоскости OP, а апертурная диафрагма 5 имеет отверстие диаметром 35 мм.
Устройство для наблюдения также содержит полупрозрачное зеркало 11 для обеспечения посредством него прохождения света от линзы 3 объектива к узлу 12 зеркала и обеспечения отражения света, который возвращается к нему от узла 12 зеркала. В этом варианте осуществления полупрозрачное зеркало 11 представляет собой полупосеребренное плоское зеркало.
Кроме того, устройство для наблюдения содержит узел 12 зеркала, который принимает составляющую света от полупрозрачного зеркала 11, в этом варианте осуществления проходящую через полупрозрачное зеркало 11, и расположен так, что сфокусированное изображение 14 объекта образуется на узле 13 зеркала и свет, принимаемый узлом 12 зеркала, отражается обратно к полупрозрачному зеркалу 11 и передаются, в этом варианте осуществления как отраженный полупрозрачным зеркалом 11, для образования изображения апертурной диафрагмы 5 линзы 3 объектива.
В этом варианте осуществления узел 12 зеркала содержит плоское или асферическое зеркало 15 и сферическую линзу 17 на поверхности зеркала 15.
В альтернативном варианте осуществления узел 12 зеркала может содержать вогнутое зеркало.
Устройство для наблюдения также содержит узел 31 линзы наблюдения для передачи выходного зрачка на плоскость VP наблюдения, такую, из которой можно осуществлять наблюдение глазом наблюдателя.
В этом варианте осуществления узел 12 зеркала в сочетании с линзой 31 наблюдения выполнен с возможностью образования изображения диафрагмы 5 линзы 3 объектива в качестве выходного зрачка на глазу наблюдателя.
В этом варианте осуществления оптический центр устройства для наблюдения, представленный на полупрозрачном зеркале 11 оптической осью, расположен по оптической оси на расстоянии 300 мм от плоскости VP наблюдения, при этом расстояние до кажущегося изображения составляет 500 мм, а выходной зрачок в плоскости VP наблюдения имеет диаметр 25 мм.
При такой компоновке очень небольшое изменение угла β наблюдения наблюдателя относительно оптического центра устройства для наблюдения приводит к очень значительному сдвигу части изображения 14 на узле 12 зеркала, который передается к наблюдателю, и это представлено углом α траектории луча от объекта к линзе 3 объектива.
В этом варианте осуществления максимальный угол β наблюдения составляет 1,43°, и он соответствует углу α траектории луча 9,93°, так что отношение смещений угла α траектории луча к углу β наблюдения составляет 6,94:1.
В предпочтительных вариантах осуществления отношение смещений угла α траектории луча к углу β наблюдения составляет по меньшей мере 3:1, предпочтительно по меньшей мере 4:1, более предпочтительно по меньшей мере 5:1, еще более предпочтительно по меньшей мере 6:1.
В соответствии с этим для наблюдателя создается очень ясно выраженное восприятие глубины, если исходить из очень небольшого смещения головы наблюдателя, при этом для наблюдателя создается отчетливо выраженное восприятие глубины без потери фокусировки на части наблюдаемого изображения, как это может случаться, когда необходимо значительное смещение головы.
На фигуре 2 показано устройство для наблюдения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Устройство для наблюдения из этого варианта осуществления очень похоже на устройство для наблюдения из описанного первого варианта осуществления. Для исключения ненужного повторения описания подробно будут описываться только отличия, при этом одинаковые узлы будут обозначаться теми же позициями.
Устройство для наблюдения из этого варианта осуществления отличается от устройства для наблюдения из описанного первого варианта осуществления наличием осветителя 41, который включает в себя множество источников 43 света для освещения объекта, который смещен от оптической оси устройства для наблюдения.
В этом варианте осуществления источники 43 света представляют собой точечные источники света, в данном случае светоизлучающие диоды, которые расположены вокруг оптической оси. В этом варианте осуществления источники 43 света расположены по существу по кольцу.
При такой компоновке восприятие глубины, достигаемое благодаря структурной конфигурации оптических компонентов устройства для наблюдения, усиливается, поскольку при внеосевом освещении имеется тенденция подчеркивания всех краевых элементов или граней на поверхности объекта, и это содействует глубине восприятия, когда наблюдатель перемещает голову, при этом краевые элементы или грани высвечиваются благодаря изменению отражательной способности.
На фигуре 3 показано устройство для наблюдения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Устройство для наблюдения из этого варианта осуществления очень похоже на устройство для наблюдения из описанного первого варианта осуществления. Для исключения ненужного повторения описания подробно будут описываться только отличия, при этом одинаковые узлы будут обозначаться теми же позициями.
Устройство для наблюдения из этого варианта осуществления отличается от устройства для наблюдения из описанного первого варианта осуществления тем, что устройство для наблюдения содержит объектив 51 с переменным фокусным расстоянием, который содержит линзу 3 объектива и множество дополнительных линз 53, 55, и тем, что линза 3 объектива расположена ближе к предметной плоскости ОР, в этом варианте осуществления расположена по оптической оси на расстоянии 50 мм от предметной плоскости ОР.
При такой компоновке достигается дальнейшее улучшение восприятия глубины, поскольку угол α траектории луча составляет 19,86°, в результате чего отношение смещений угла α траектории луча к углу β наблюдения составляет 13,88:1.
В предпочтительных вариантах осуществления отношение смещений угла α траектории луча к углу β наблюдения составляет по меньшей мере 8:1, предпочтительно по меньшей мере 10:1, более предпочтительно по меньшей мере 12:1, еще более предпочтительно по меньшей мере 13:1.
На фигуре 4 показано устройство для наблюдения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Устройство для наблюдения из этого варианта осуществления отличается от устройства наблюдения из описанного первого варианта осуществления тем, что оно является стереоскопическим устройством для наблюдения, в результате чего расширенные выходные зрачки представляются к каждому из глаз пользователя для дальнейшего улучшения восприятия глубины. Для исключения ненужного повторения описания подробно будут описываться только отличия, при этом одинаковые узлы будут обозначаться теми же позициями.
В этом варианте осуществления полупрозрачное зеркало 11 является расщепителем пучка, предназначенным для расщепления света от линзы 3 объектива, чтобы имелись первая и вторая составляющие света.
В этом варианте осуществления первый узел 12 зеркала принимает первую составляющую света от расщепителя 11 пучка, в данном случае проходящую через расщепитель 11 пучка, и расположен так, что сфокусированное первое изображение 14 объекта образуется на первом узле 12 зеркала и свет, принимаемый первым узлом 12 зеркала, отражается обратно к расщепителю 11 пучка и передается, в данном случае как отраженный расщепителем 11 пучка, для образования изображения апертурной диафрагмы 5 линзы 3 объектива.
В этом варианте осуществления устройство для наблюдения также содержит второй узел 21 зеркала, который принимает вторую составляющую света с расщепителя 11 пучка, в данном случае как отраженную расщепителем 11 пучка, и расположен так, что сфокусированное второе изображение 23 объекта образуется на втором узле 21 зеркала и свет, принимаемый вторым узлом 21 зеркала, отражается обратно к расщепителю 11 пучка и передается, в данном случае благодаря прохождению через расщепитель 11 пучка, для образования изображения апертурной диафрагмы 5 линзы 3 объектива.
В этом варианте осуществления второй узел 21 зеркала содержит плоское или асферическое зеркало 25 и сферическую линзу 27 на поверхности зеркала 25.
В альтернативном варианте осуществления второй узел 21 зеркала может содержать вогнутое зеркало.
В этом варианте осуществления узлы 12, 21 зеркал ориентированы так, что центры выходных зрачков, передаваемые соответствующими узлами 12, 21 зеркал, смещаются в соответствии с межзрачковым расстоянием наблюдателя, в результате чего обеспечивается передача выходных зрачков со стороны соответствующих узлов 12, 21 зеркал к соответствующим зрачкам глаз наблюдателя, и тем самым обеспечиваются различные стереоскопические параллаксные виды объекта для каждого глаза.
В этом варианте осуществления узел 31 линзы наблюдения передает оба выходных зрачка на плоскость ПН наблюдения, такую, из которой можно осуществлять наблюдение соответствующими глазами наблюдателя.
При такой компоновке выходные зрачки создаются для каждого из глаз и наблюдатель наделяется восприятием стереоскопического изображения.
Наконец, должно быть понятно, что настоящее изобретение описано с обращением к предпочтительным вариантам осуществления и может быть изменено многочисленными различными способами без отступления от сущности изобретения, определяемой прилагаемой формулой изобретения.
В одной модификации устройство для наблюдения может также содержать инвертор изображения, обычно между линзой 3 объектива и полупрозрачным отражателем 11, для переориентации изображения объекта, образуемого линзой 3 объектива. В одном варианте осуществления инвертор изображения может содержать двойную призму Порро.