立体取景仪器的制作方法

专利名称：立体取景仪器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及立体取景仪器，尤其涉及具有相对大的光瞳、高亮度、宽 ,鹏和相对长咖艮镜间隙的立体取景仪器。
背景技术：
普遍认为饊多呈:E胆体图像的显示设备具有显著的优点。立体取景仪器已 被大量应在例如虚拟现实系统、医疗仪器、飞行员训练和信息系统等领域。
用于立体显示的几禾中已被提出的解决方案的典型实例如下
第5,757,546号美国专利(Upton etal.)公开了一种用单显示屏浸没立体取 景的场连续系统；
第3,463,570号美国专利(Ratl近,Jr.)公开了一种使来自照片的图像呈立体 显示的取景器；
第5,615,046号美国专利(Gilchrist)公开了一种具有分离的显示屏以提供 左右眼图像的立体取景器；
第4,982,278和4,933,755号美国专利(Dahletal.)公开了一种具有由一对 液晶(液晶)显示器产生的左右眼图像的头戴装置(HMD);
公开号为2005/0001899和2004/0196553 (Banjuetal.)的美国专利申请公开 了一种专门适用于医疗仪器的悬臂式立体取景仪器。
如Jl^专利文献的简要列表所表明的，禾,CRT和液晶显^置的立体取 景器的设计具有许多个不同的方法。在McDowall等人的"Stereoscopic Displays andAoolications"1990,SP正Volume 1256，pp.l36-146中也公开了iMCRT图像的 悬臂式^S:器。Fisher等人的"Stereoscopic Displays and Virtual Reality System IT1995, SP正Volume 2409,pp. 196-199公开了一种4:OT液晶，的改进的方法。 可以在市场上购买来自如Inition, Ltd. London, UK等公司的具有立体显示能力的 HMD产品。
虽然有许多用于立体显^置的建议解决方案，但是固有的几何和人体工
程限帝棉'j约了光学设计。对于观察者来说，存在两眼分离距离的一个数值范围 和为了取景舒适对一定数量的眼睛间隙的需求，尤其是对戴眼镜的观察者。为 了提供最佳的图像质量，也存在对高亮度、大的取景光瞳、高^f摔和宽卑郷予 的需求。应当具有^E右眼图像之间的最小色度亮度干扰和环境光的最小干扰。 应该允许观察者的适度移动，即在眼睛位置的一个范围内能够观看至啲立体图 像。
正如立体取景器设计领域的技术人员所熟知的，这些需求经常是鄉虫的并 且不得不作出一些折中。特别，双目立体取景器有三个希望具备的特細每增加 目镜的直径
(i)大鹏；
(11)大取景光瞳；和
(iii)加长的眼睛间隙。
当用大直蹄镜總佳地实现战每个希望具备的特征(i)， di)， (iii)时， 目镜透镜自身的尺寸受两眼间距的限制，使得每个目镜的直径不得大于这个距 离。因为人体工程的限制，所以作出了不同的折中。例如，(i) !鹏、(ii)光瞳 大小和(iii)眼睛间隙有所^K如果大柳艮睛间隙(in)是首要重要的，那么 设计就必须牺牲(i)和(iO，提供更小的卑鹏和更小的光瞳，完全保证透!體 径小于两眼间距。另外，对于HMD，例如，要没有大取景光瞳的话，牺牲眼睛 间隙(in)以得至概野(i)的最大值。对于悬臂式取景设备，减少特征(i)、 (ii) 和(in)之间的折中所需的更大的透镜由于两眼间距不能够安装在一起。
例如，大部分HMD限于提供最好不大于12到15mm的取景光瞳，同时眼睛 间距通常小于25mm。其它鄉的双目和悬臂式系统也难于提供更大的光瞳尺 寸。典型地，双目系统，提供一般在2—3mm范围内的小光瞳尺寸，需要观察 者的头部倚着定位机构方爐以傲见察者咖艮镜固定在正确的位置。双目系统也 提供两眼间距的调整。
试图最大化视野，使用传统的立体取景设计方法得到晕影效应。传统立体 取景系统的晕影效应减少了立体，鄉予并具有更宽的单眼，鹏予。例如，針眼睛 可以看见60度的视野，但是4TN艮睛之间重叠的仅40度。
因此，虽然已经提出了用于悬臂式和其它便携式立体取景系统的解决方法， 但是公认为仍存在相当大的提升空间，尤其是对于提高的图像亮度、提供更宽的,鹏、更高的^f,率、更大的取景光瞳尺寸和更大的眼睛间隙。

发明内容
本发明的一个技术问题是提供一种用于立体取景的光学仪器，包括
a) 第一jWl,包括
I) 用于产生第一图像的第一显示器；
II) 用于提供所述第一显示器的虚拟图像并把光弓I向第一取景光瞳的第一取 繊竟组件；
其中第一取誠镜组件的至少一个光学组件沿第一侧面截断；
b) 第二M道，包括
1)用于产生第二图像的第二显示器；
ii)用于提供所述第二显示器的虚拟图像并把光弓I向第二取景光瞳的第二取
其中第二取:tit镜组件的至少一个光学组件沿第二侧面截断；
lil)布置在第二显示器和第二取皿镜之间的第一反射折叠表面以折叠在
第二M道内的大部分光；
其中所述第一反射折叠表面的,部分阻挡了在第一 道中的一部分
光；和
其中第一取景组件的第一侦腼不布置i^fi第二取景透镜组件的第二侧面。
本发明的一个瞎征是具有^3M察者两眼间距的直径的透镜元件的使用。 本发明的一个优点是在立体取景仪器中提供了大取景光瞳、大视野和大眼 睛间隙。
本发明的另一个优点是不需要用于提供立体显示的快门装置。 本领域的技术人员M阅读下面结合附图的详细描述，其中包括显示和描
述了本发明的一个示例实施例，对本发明的这些和其它目的、特征和优点将变
得清楚。


虽然说明书以具体地指出并清楚地声明了本发明的主题的权禾腰求作为
结束，但是相信由下面结合附图的描述将更好地理解本发明，其中
图1是根据本发明的立体取景仪器的透视图2是显示形成左取景光瞳的光径的射线图3是显示左取景光瞳如何形成的顶视图4 ，示右取景光瞳如何形成的顶视图5A和5B分别是取景光瞳241和24r的平面图6是根据一个实施例的itH装置的平面图7是根据一个实施例的透镜装置的透视图； 图8是根据一个实施例的透镜装置的分解图。
具体实施例方式
本说明书特别针对构成根据本发明的设备的部分的元件或更直接地与根据 本发明的设备相配合的元件。可以理解的是没有特别示出或描述的元件可以有 不同的对于本领域技术人员熟知的形式。
参照图i，显示了在本发明的一个实施例中的立体取景仪器io。显示器m
和12r,典型的一种平板显示器，提供左眼和右眼的源图像。折叠镜14或其它 鄉的反射面使来自显示器12r的右眼图像的光径改变方向。取景光学系统20 具有左右取，镜组件221和22r,以随后描述的方式固定在一起。取景光学系 统20提供中心分离为两眼间距D的左右取景光瞳241和24r。
参照图2，显示了用于形成左取景光瞳241的光径。在这个实施例中，取景 iS!竟组件221具有三个部件，用于在取景光瞳241提供显示器121的虚像的透镜 元件L1、 L2和L3。由于在取l^tl竟组件22r和显示器12r之间的折叠镜14， 用于形成右取景光瞳24r的光径是类似的。iSI竟Ll和L2可以形成接合的透镜 沐如图2中所示。在另一个实施例中，育^I對柳透镜元件L1、 L2和L3的不 同布置，和不同数量的iff竟元件。
在图1的布置中，育鹏观察到左右显示器121和12r超出了取景光瞳241和 24r的尺寸。虽然这个尺寸关系不是必须的(显示器121和12r可以更小)，但是 当显示器121和12r大于％1光瞳241和24r时會^l多具有在亮度和分辨率上的显 著优势。
显示器121和12r可以是若干显示^M中的任何一种。尤其是重量和尺寸
占优的如液晶显示器的平板显示器，包括更大尺寸的薄膜晶体管(TFT)类型的 液晶显示器。有机LED (OLED)显示器是另一种适合的平板显示器。CRT或 其它类型的显示器也能够用于提供左右眼图像。
也能够注意到在本发明的设备中至少一^3i道被折叠了。在图1的布置中， 右光通道是折叠的。任选地，左 道，或左和右光通道都可以包括一折叠镜。 折叠的两个 道具有简化在两个通道内的电子器件的优点。位于折叠的 道中的显示器显示最终被观察者观看到的镜像。依靠这个应用，也可以具有在 立W(景光学系统20的深度或形成因素方面的优点。 取景光学系统20
如图1中所示，取景光学系统20具有用于形成左右取景光瞳241和24r的 光学组件的布置。为了提供大的取景光瞳241和24r，以及大^I予和大眼睛间隙， 在左右取，镜组件221和22r中的透镜元件Ll 、 L2和L3是相对较大的。在 一个实施例中，这些透镜超^J:是大于3英寸(76mm)的。但是，这超出了 两眼间距，其对成人来说典型地是在大约60—70mm的范围内。因此，为了使 用大尺寸的透镜，左右取:Sit镜组件221和22r的一个或多个透镜元件Ll、 L2 和L3沿一个边缘截断，如图3、 4、 5A和5B。对于左取景透镜组件221，截断 部分261朝向孑L径的右侧。对于右取景邀竟组件22r，截断部分26r朝向孔径的 左侧。作为透镜截断的结果，Wit镜组件221和22r肯詢多在一个^l虫的箱体内 装配到一起，保持左右光轴正确地以两眼平均间距大约为64mm来间隔。
参照图6、 7和8，分别显示了在一个实施例中的取景光学系统20的透镜装 置30的平面图、透视图和分解图。透镜装置30为左右取景透镜组件221和22r 提供一箱体32 。在这个实施例中，左右取景透镜组件221和22r的透镜Ll和L2 (在图2的实施例中接合的透镜对)的直径都^1了两眼平均间距D并且被截断 以便安装在一起，如参照图3、 4、 5A和5B所描述。
图6显示了在左右取景透镜组件221和22r的各个光轴之间的两眼间距D。 图8的懒军图显示了在这个实施例中的装配详情。根据实施例，可以或不可以 截1 镜L3或其它透镜。透镜Ll/L2的接合组件和后透镜L3也在懒军图中显 示。箱体32把左右取景透镜组件221和22r作为一个单元封^来。也显示了 可选择的固定器34。可以理解的是任何数量的箱体32的其它可能布置和相关组 件會,被用于以一个单独组件封装左右取景透镜组件221和22r。
使用相对大的透镜元件肖,实现相对于传统的悬臂式和HMD立体取景仪 器更大的左右取景光瞳241和24r、更大的视野和增加两眼间距的结合。图3和 4分别显示了左右M道的射线图。在图3中，显示了被显示器121上产生的 图像的典型射线。由于镜子14的位置和在图3中显示的透镜元件的截断，少量 的图像被有效地晕影了，如在图3中通过虚线圆圈Vi突出的。类似，图4显示 了在右显示器12r上产生的图像的典M"线。来自显示器12r —侦啲光的一小部 分没有被镜子14 Ml寸，如通过虚线圆圈K突出的。这些晕影效应导致在MI予 中的这些位置上的光瞳尺寸的一些损失。但是，显而易见的是这些晕影效应不 ^右取景光瞳241和24r的立体Wf相同的部分中。由于这种方式的晕影，大 部分左右取景光瞳241和24r上的全立体图像是有用的。在晕影出现的地方，图 像对于左眼或右眼仍然是可视的，但是，^I 的那部分不是立体的了。
即使在取景光瞳241、 24r的一些部分中不是真正立体，这种布置实现了更 大的有效取景光瞳241、 24r。视野中立体部分的相对比例取决于观察者眼睛的位 置。如果观察者向左或向右移动的过远，整个视野是看得见的，但是图像是立 体的部分所占的比例更小。有效地，取景光瞳241、 24r的尺寸或皿随着Wf 而改变。不同的情况，旨US予在光瞳区域A上能够被立体地观察(亦即利用 双眼)并且相同的视野在区域A的夕刚能够连续以非立体地被看到(也就是， 仅用一个眼睛)。这在图5A和5B中示例了。如果观察者的眼睛处于截断的圆 形光瞳241、 24r的内部的任何位置，那么旨图像场是可见的。如果观察者的 眼睛iSA光瞳的截断部分(对于左眼的261，对于右眼的26r)，那么一部分场是 晕影的。如果，例如，观察者的左目腿入截断部分261，那么观察者的右眼一定 处于右取景光瞳的非截断部分。由于这个设计，在任何给定的时间，对于任何 给定的头部位置，视野仅仅对一个眼睛是晕影的。
本发明的设 供具有使观察者舒适的眼睛间隙(如在图3中显示的尺寸 E)的立体显示器，大光目IX寸和比由传统悬臂式立体显示器提供的视野更大的 视野。例如，在一个悬臂式取景器的实施例中，可以得到眼睛间隙在50mm范 围内，并且伴以+/-36度的水平W予，禾口30mm的取景光瞳。
本发明的设备能够对于悬臂式立体取景提供非常高的聚光率。由于显示器 121和12r的尺寸育詢多大于两眼间距D，所以这是特别正确的。
在左右取景透镜组件221和22r中的光学部件的布置具有相当大的灵活性。
如参照图1所描述的这些光学元件的截断允许合适的两眼间距D (认为与瞳孔间距相等)。在图l、 3和4中显示的布置在右 道中使用镜子14;但是，如对光学设计领域的技术人员显而易见的是，类似的布置将允许改变在左光通道中用于折叠光径的镜子14的用途。如之前駄的，在其它实施例中，也可能折叠两个光鹏。
因此，提供的是具有相对大的光瞳、相对大的视野、相对大的眼睛间隙和 高亮度的用于立体取景的设备和方法。
部件列表
10立微景仪器
121左显不器
12r右显示器
14镜子
20取景光学系统
221左取 镜组件
22r右取，镜组件
241左取景光瞳
24r右取景光瞳
261左截断部分
26r右截断部分
30透镜装置
32箱体
34固定器
权利要求
1.用于立体取景的光学仪器，包括a)第一光通道，包括i)用于产生第一图像的第一显示器；ii)用于提供所述第一显示器的虚拟图像并把光引向第一取景光瞳的第一取景透镜组件；其中第一取景透镜组件的至少一个光学元件沿第一侧面截断；b)第二光通道，包括i)用于产生第二图像的第二显示器；ii)用于提供所述第二显示器的虚拟图像和把光引向第二取景光瞳的第二取景透镜组件；其中第二取景透镜组件的至少一个光学元件沿第二侧面截断；iii)在第二显示器和第二取景透镜组件之间放置的第一反射折叠表面以折叠在第二光通道内的大部分光；其中所述第一反射折叠表面的边缘部分阻挡了在第一光通道中的一部分光；和其中第一取景组件的第一侧面被布置成靠近第二取景透镜组件的第二侧面。
2. 权利要求l的光学仪器，其中第一光通道进一步包括安置在第一显示器 和第一取:S^镜组件之间的第二魁付斤叠表面以折叠在第一光通道内的大部分光。
3. 权利要求l的光学仪器，其中第一取景组件的至少一个光学元件的直径
4. 权利要求l的光学仪器，其中该第一和第二取皿镜组件被安装在相同 的箱体中。
5. 权利要求l的光学仪器，其中第一显示器是液晶装置。
6.权利要求l的光学仪器，其中第一显示器是有机LED装置。
7. 权利要求l的光学仪器，其中第一显示器包括CRT。
8. 权利要求l的光学仪器，其中第一取景光瞳是右眼取景光瞳。
9. 权利要求1的光学仪器，其中第一取景光瞳駐眼取景光瞳。
10. 丰又利要求1的光学仪器，其中第一和第二取皿镜组件的外直径大于 第一和第二透镜组件的各个光轴之间的间距。
11. 用于立体取景的光学仪器，包括a) 第一M道，包括b)用于产生第一图像的第一显示器；11)用于提供所述第一显示器的虚拟图像并把光弓I向第一取景光瞳的第一取景镜组件；其中第一取，镜组件的至少一个光学元件沿第一侧面截断；安置在第一显示器和第一取景镜组件之间的第一反射折叠表面以折叠在第一 通道内的大部分光。b) 第二通道，包括l)用于产生第二图像的第二显示器；ii)用于提供所述第二显示器的虚拟图像和把光弓I向第二取景光瞳的第二取 驗镜组件；其中第二取驗镜组件的至少一个光学元件沿第二侧面截断；iii)安置在第二显示器和第二取:Sit镜组件之间的第二反射折叠表面以折叠在第二通道内的大部分光；其中所述第二反射折叠表面的边缘部分阻挡了在第一光通道中的一部分光；和其中第一取景组件的第一侧面被布置成S^第二取景透镜组件的第二侧面。
12. 权利要求ll的光学仪器，其中第一取景组件的至少一个光学元件的直径超过64mm。
13. 权利要求ll的光学仪器，其中该第一和第二取景透镜组件被安装在相 同的箱体中。
14. 权利要求ll的光学仪器，其中第一显示器是液晶装置。
15. 权利要求ll的光学仪器，其中第一显示器是有机LED装置。
16. 禾又利要求ll的光学仪器，其中第一显示:tl包括CRT。
全文摘要
立体取景仪器(10)，包含具有第一显示器(121)和第一取景透镜组件(221)的第一光通道，其产生一个虚像。第一取景透镜组件的至少一个光学组件沿第一侧面截断(261)。第二光通道具有第二显示器(12r)和第二取景透镜组件(22r)，其产生一个虚像。第二取景透镜组件的至少一个光学组件沿第二侧面截断(26r)。安置在第二显示器和第二取景透镜组件之间的反射折叠表面以折叠在第二光通道内的大部分光。第一取景组件的第一侧面被布置为靠近第二取景透镜组件的第二侧面。
文档编号G02B27/22GK101198895SQ200680021568
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月2日 优先权日2005年6月17日
发明者J·M·科布, M·E·布里奇斯 申请人:伊斯曼柯达公司