专利名称：图象显示方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序用于图象显示的方法，及根据权利要求10的前序用于图象显示的装置。
已知的技术在通常的开放式外科手术中，外科医生以其眼睛直接观察手术部位，并能够以很好的精确度使用这一通常的立体视觉进行各种动作。然而，使用封闭式外科技术正变得日益普遍，其中手术只通过一个小的外部切口在体内进行。这使得外科医生难以获得手术部位良好的观察。为了解决这一问题，已采用的技术是向手术部位插入内窥镜，并借助于此获得在显示器屏幕上可由外科医生观察的图象。然而，这类成象的缺陷是，其不能提供任何深度的信息，并此外图象从手术部位被转移，其结果是外科医生发现难以按所需的精确度操作。
已作出努力为实现带有一定分开距离并以一定偏移显示在监视器上的图象立体视觉成象，使用特别的3D眼镜观看监视器，并这样体验到图象深度的感觉。然而这类解决方案证明难以使用并使外科医生疲劳，特别是在需要长时间的手术期间。
为了给予外科医生更舒服的工作位置，并允许其头部在全部时间指向手术部位，已试图使用头部安装的图象显示装置。然而已发现这种设备相当沉重并因而不便于使用，且另外的缺陷是在相当程度遮蔽了周围，继而用户难以使其自己指向手术周围。此外除了引起脖颈痛之外，这还有背部的问题，眼睛疲劳等，结果是常常造成用户晕船样的感觉，结果在精确手术工作中造成问题。
针对这一背景，在这一领域明显需要新更好的解决方案。
本发明的目的本发明的目的例如是要使得外医生能够获得隐藏手术部位比以往可能的更好的视觉感觉，而同时使医生能够感知周围情形，特别是其自己用于手术的手和仪器。另一目的在于该解决方案必须以具有良好的光学性质使用户感到平静，并必须是使用简单。另一目的是要实现一种头部安装的装置，其不感觉沉重并易于适配不同的个人。
这些目的是根据本发明使用具有权利要求1中所述特征的方法，并还借助于具有权利要求10所述特征的装置实现的。
使用图象投影到每一眼睛前部的头部安装的设备，能够使图象在眼睛前部所需的距离处，生成图象的深度感觉。还通过使得这些图象显示位置每一个占据用户总视野相对受限的部分，能够在设备的上方和下面及向侧面实现一种自由视图，这有助于在很大程度允许用户保持在设备使用的空间中良好的朝向，这在延长的工作期间是特别重要的。
此外，根据本发明，获得的设备通过改变一个或多个元件易于适配不同的个体，而无需改变设备所有其它部分。例如每一用户可使用其自己的特别适配于其自己视觉的设备，对于特定的工作情形该设备能够通过附加的设备易于被补充。
由于设备重的部分在用户腰角高处佩戴，能够使设备的头部安装的部分重量低，其对用户给出增加的运动的自由度且感觉舒服，特别是在延长使用时。然而就此来说，由于元件进一步发展的结果，希望设备能够变轻，使得整个单元能够安装到头部。
电子图象处理使得能够不改变光学设备，通过选择用于图象处理的具体的图象处理程序，控制所显示的图象，且结果是图象特别适于特定的工作情景。这样，例如通过电子装置聚焦能够被改变到一定的程度，例如这对于光强和对比度是同样的。还能够以简单的方式通过电子装置存储所需的图象类型，并从存储器检索这些图象供使用。例如以对应的的方式，对不同的工作环境和照明条件适当的设置能够迅速存储和从存储器检索。
而且通过电子装置还能够在需要时暂时向用户显示其它的信息，例如X-射线图象，由磁摄像机，磁记录器等产生的图象，并的采用这种信息之后返回实际的工作环境。
根据本发明的该解决方案，通过添加一个或多件设备或一个或多个监视器，还使得能够显示外科医生在手术期间经历工作情景，例如对于培训的目的有价值情形。
从以下的说明和专利的权利要求其它的特征和优点是明显的。
将在以下参照附图所示实施例更为详细地描述本发明。
附图的描述在附图中
图1示出根据本发明的图象显示装置的框图，图2示出根据本发明的头部安装的显示器的透视图，图3示出图2中局部分解的显示器的侧视图，图4示出从背后斜向看到的显示器模块的透视图，图5示出通过显示模块中一个单元的垂直截面，图6示出根据本发明的装置的用户，图7示出根据本发明显示器的实施例的前视图，图8示出图7中显示器的侧视图，以及图9示出从图7和8中显示器之上的视图。
实施例的说明图1示意性示出根据本发明构成的图象显示器装置1的框图，使用该装置用户2能够观察通常对用户隐藏的对象3。用户2例如可能是需要观察人体中内部器官的外科医生，该器官与通过封闭外科进行手术相关，就是说手术在患者体内进行，外科医生不必直接看见手术部位。这种情形下，使用插入到或者体内的内窥镜4，能够观察对象3，或手术部位，内窥镜把光信号传送到图象处理装置5，该装置连接到由用户2佩戴的图象观察装置6，通过着观察装置用户2能够以两眼看见对象3。
从内窥镜4发送的光信号被输入摄像机7，其转换光信号为表示对象3的图象的电信号。信号从摄像机7输入到计算机8，在其中进行适当的信号处理，且其中根据不同场合的需要能够以各种方式控制信号处理。使用连接到计算机8的监视器30，能够可视地监视不同的设置和成象结果。计算机8与摄像机7一同能够被有利地设计为用来向用户显示立体感图象的处理图象基础。监视器30不配备或用于观察这类图象，但用来显示二维图象。如果这需要，摄像机7和计算机8当然也能够显示二维图象。
借助于适当的接口，信号从计算机8被传送到图象观察装置6，在此信号首先到达驱动器单元9，并然后在这样处理之后，它们到达显示器10，该显示器包括一显示单元11，其被用来附加到支架12，而支架是由用户2以对应于眼镜的方式佩戴的。显示单元11又分为两个不同的显示模块13和14，用户的每一眼睛一个。例如通过使用内窥镜4使对象3立体感成象，在控制单元7中适当的图象处理之后，计算机8和驱动器单元9能够在两个显示模块13，14中显示不同的图象，使得用户2由于立体感视觉的结果，感受到通过两个显示模块13，14显示的对象3的图象有深度的感觉。这样，希望用户感受到显示在其眼睛前方的虚拟对象基本上与实际对象为相同的距离，并且虚拟图象的焦距是来自用户的预定的一距离，这是对用户即外科医生在通常工作距离之内。另外，可选择通常的二维画面。
显示器10的设计更为详细地示于图2和3。支架12适当地设计为一对防护镜，用来防护用户的眼镜，这些防护镜在光学上有利地适配佩戴者。例如光学适配可被研磨为眼镜透镜本身，或可包括一安装在眼镜上配在内部的特别附加物。这样每一用户具有与其自身个体适合的支架12。图2中，显示器10所示为准备使用，显示单元11安装在支架12上，使得显示模块13，14每一个位于用户一个眼睛前方、图3中，显示单元11所示是从支架12移除。例如对于近距离工作或微细的工作，通过向支架12安装适配不同视觉需要的显示单元11，能够以简单的方式适配用户的视觉以适合所需的工作情景。根据图6驱动器单元9适合于佩戴在用户2的腰角高处，为了形成显示单元11和驱动器单元9之间的电连接，支架12有一个或多个导线15，其能够通过部分安装在支架12上部分在显示单元11上的连接器16连接到显示单元11。这一连接器16能够按需要的方式被设计，以提供显示模块13，14到驱动器单元9的各个连接。
又如在图2和3中所示，显示单元11的设计使得显示模块13和14只是局部地遮挡用户2视觉，这样允许用户自由看见显示单元11的边侧及其上下。在基本上能够使用户看到其手和所使用的仪器，并在工作进行的区域提供了良好的空间指向和感觉，特别是在长时段工作期间。能够看见上下则消除了用户感觉不稳定和晕船的危险。此外，根据本发明，作为显示单元11和支架12组合的显示器10重量低，宜小于100g，这意味着不会感到脖颈和背部的劳损的麻烦。此外，设备的电能消耗低，这意味着不会引起棘手的温度问题。
图4和5中更详细地示出显示单元11的构成。图4示出两个显示模块13和14支撑在结合固定器17上，其设计为附加在支架12上，该固定器17适当允许两个显示模块13和14移动，以便使它们分开的距离匹配用户的瞳孔距离d，以提供优化的视觉。还示出两个显示模块13和14从用户来看基本上例如是宽度大于高度的矩形。大小使用户能够看见在最大大约50°，适合是大约30°的角度α内的对角线。可以看见的圆形的图象应当能够形成至少大约15°的角度β，适合是大约25°。此外所显示的两个图象的性质是它们给用户的印象是所观察的大小3位于预定的工作距离，例如距离眼睛大约0.2-1.2m。对于坐姿的工作，适合的距离大约为0.4m，而对于站立工作适合的距离为0.6-0.8m，这就是按臂的长度。另一方面，对于显微镜，适合的距离可小于到0.2m。
图5示出通过显示模块13的垂直截面，对应的结构适用于另一显示模块14。用户看见在专门设计的棱镜18中显示的图象，而其感觉是所显示的对象位于它的注视所指的方向的棱镜之上。图象是借助于基本上水平放置的图象屏幕19，适合的是LCD型屏幕以电子方式在棱镜18之上产生的，借助于光源20从背后照明并能够从棱镜18观察。为了使在白天有良好的观察，因而重要的是能够设置适当的对比度和光强。为了清楚地区分图象视野与周围，有一个框架例如黑色框架围绕图象视野。用来控制图象屏幕19的电子电路21位于光源20之上。更为详细来说，上述的部件适宜由图中一未示出重量轻的材料的盖子防护。这样，对于显示模块13就获得一紧凑的重量轻的结构，其中棱镜18可以是玻璃的或其它适当的材料。导线15连接显示模块与驱动器9用于电信号和电能的传送。
为了使用户能够有稳定的视觉，眼睛的肌肉放松，显示模块13适宜根据图5就位，使得用户的注视指向能够相对于水平面稍微向下一个角度δ。这一角度δ的大小应当适当地在大约2-12°的范围，并最好大约为5-9°。为了使得能够对白天的用户形成良好的个体适配，除了上述瞳孔距离的设置之外，还适宜能够使其它调节适合用户的其它身体特征。这样例如，对于不同用户的适配可在显示单元11与支架12之间形成在各方面可调的固定器17而实现。例如这使得能够围绕水平轴以其瞳孔处的中心驱转显示单元11，通过整个显示单元11被这样安装，使得它能够相对于支架12旋转使其可在垂直方向沿在固定器17适当的弯曲轨迹移动。通过这一装置，观察的方向能够在垂直方向变化，例如从水平线以上大约10°到水平线以下大约10°。此外，通过形成固定器17使得其允许从显示单元11到用户眼睛的距离变化，与适配用户瞳孔距离配合，能够在用户与显示单元之间实现良好的个体适配。
为了实现棱镜18良好的个体适配，面向眼睛的这一表面的形状应当有对应于观察者眼睛形状。由于眼睛在水平面中观察通常比在垂直平面有较大的曲率半径，于是棱镜应当有对应于面向眼睛表面的曲率，在水平面和垂直平面观察带有眼睛和棱镜的弯曲表面，具有基本上相同的曲率中心。这意味着有不同眼睛大小的用户应当个别地调节显示单元，以实现最优的视觉。通过使棱镜18相对于眼睛可调节，能够对所述佩戴者给予棱镜最佳的位置。在这方面，希望对于不同眼睛良好适配，棱镜或者显示单元应当能够在侧面向稍微旋转，使得能够对于所述眼睛的几何结构，特别是眼睛中黄斑的位置设置正确的位置。
电子图象处理使得能够借助于适合所连接的硬件的适当的图象处理程序，以数种不同的方式操纵用户将看见的图象。例如，通过对驱动器单元9的操作控制，按需要简单地改变图象的颜色，对比度和光强度。通过这一装置，在工作进行时能够按需要作出适当的改变。还能够使用数种事先确定的参数组合并在这些组合之间按需要选择。另一个可能性是，例如对于更好的细节观察和更好的总体观察，借助于适当的软件操纵图象，使得其向用户显示其移动靠近或远离。电子图象处理还使得其能够彼此易于适配不同的类型的外围设备，诸如监视器和显示设备。
根据图1，还能够对所示的图象观察装置6提供声音装置21，使用户能够进行声学通信，话音控制等。为此，例如可把一传导型微音器结合到支架12的臂，其形状如同眼镜框并从而能够与用户头骨接触，同时扬声器由适配到用户耳朵的一耳机组成。图6中，示出用户2通过用于传送信号和电能的导线22与通信处理装置5连接，但其当然是在本发明的范围内，在驱动器单元9中是以电池的形式置必须的能量供给，并使用向图象处理装置5和其它装置的无线信号传送。例如并没有任何妨碍一个以上的图象观察装置6连接到图象处理装置5，其如果需要也能够装设一个以上的监视器。
通过提供带有检测用户头部运动的运动传感器的设备，在头部运动时能够与用户眼睛相关移动图象。
所显示的两个图象的每一个在颜色上适配，并例如对三原色RGB(红色，绿色和蓝色)的每一个具有大约800水平象素和大约600垂直象素，这样每一图象能够包含三倍象素数，即大约1.4百万象素。然而当前在市场上可得的摄像机和监视器还没有这样高的分辨率，因此能够使用的图象质量仍然受到这些装置的限制。如所述，图象的性质可借助于对驱动器单元9适当操作的控制23，或例如借助于话音控制由用户改变。
为了有立体感视觉，由内窥镜4与摄像机7产生的图象信号能够以各种方式传送到两个显示模块13和14。一个可能性是使用分开的导线，一个导线传送右手图象而另一导线传送左手图象。另一可能性是使用几乎正对显示单元的共享导线，并通过这一导线交替传送右手图象和左手图象，并只在靠近显示单元处把信号划分到两个导线，每一显示单元一个。这后者尽可能降低了对导线的需要。
当然，根据本发明的装置能够用于除外科手术之外的其它目的。例如一个这种可能的应用领域是在机械设备中难以靠近的区域的检查或工作。
为了保证设备良好发挥功能，至少当设备付诸使用并在使用期间有规则时，方便的方式是计算机8通过自动进行规则的功能控制而监视设备。
在图7-9中更为详细示出根据本发明的显示器10的进一步的实施例。如所示，这里支架12设计为以框架24和护目镜25靠近用户的面部和眼睛。护目镜25能够适配安装在框架24上，使得例如为清洁时其能够被移除。如前所述的实施例，显示单元11安装在支架12上，使得其能够被移除，并通过连接器(未示出)能够电连接到支架12，该支架又设计为适通过导线15连接到驱动器单元9。根据图9导线15适宜划分为支架12处的两个分支15a和15b，其每一个通过支架12的一个臂走线，直通到各显示单元13，14。
为了使显示器10佩戴起来更轻便，框架24的两个臂在背后由皮带26连接，皮带26其上有衬垫27，设计为与用户的头部背后接触，皮带26的长度和衬垫27的位置适宜可调以适配所述用户。当使用时衬垫27一适宜的位置示于图6。为了缓解用户头部背后及其背部的紧张，例如可配有一夹子等形的张力承受器28，可夹持到用户的衣服上，以降低用户头背后部来自导线15的负载。
为了缓解对用户鼻子的压力以使显示器10佩戴起来更轻便，如图9所示可装有一皮带28附加到框架24前部的两侧，该皮带要伸展到用户头顶上并由置有一距离的两个皮带29支撑。通过调节皮带28的长度，可缓解对用户鼻子的压力到所需的程度，并由于皮带29分开一定距离就位，避免了对头骨敏感中心部位的压力。
根据本发明观察者对图象深度的充分的感觉，是通过置于基本上在图象中心的焦距平面获得的。通过这一装置，能够自然感觉到对象处于焦距平面的前方或后方。
以上已经提出，通过使两个显示模块13和14可彼此相关移动，显示单元11能够被调节到用户瞳孔距离d。另一有利的可能性是以对瞳孔距离d的小数目的标准尺寸，例如按三个不同的标准尺寸，制造显示单元11。其结果是简化了显示单元11，而同时大多数用户将能够示于这些标准尺寸之一。与此相关，为了能够个别微调瞳距，能够有利地配置，使得在两个显示模块13和14每一个中的图象通过电子装置能够在水平和垂直方向稍微移动。这种移动适当的值例如可以是从正常位置开始，在每一横向8个象素，在上下每一方向6个象素。
为了能够完全释放用户的视野，显示单元11能够这样制成，使其可向上翻转，于是如果需要其能够离开用户视野向上翻转。
如上所述，图象的焦距平面位于与正在工作的用户适当的距离。对于特定的工作，该距离能够增加到大约2米。
对于佩戴眼镜的用户，如上所述，显示器10的光学调节能够通过其装有光学调节的护目镜的支架12进行。然而，还可使用用户自身的眼镜作为用于显示单元11的安装器。
权利要求
1.图象显示方法，其中对象(3)被成象，并在图象处理之后图象被显示在设备的用户眼睛前方头部安装的设备(10)上，其特征在于，图象显示在用户每一眼睛的前方，每一眼睛视野限制的部分内，使得用户能够感觉到其至少在这一图象之下和侧方的环境。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，向用户显示两个不同的图象，每一眼睛前方一个图象，使得用户在其视野一部分中在其眼睛前方预定的距离，感受到有深度感的立体感的图象。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，每一图象这样被显示，使得感觉到的图象被感觉是处于用户正常臂长度及工作距离内，距离大约离用户眼睛0.2-1.2米。
4.根据权利要求1-3的方法，其特征在于，图象的显示这样进行，使得当观察时，用户能够使其注视指向相对于水平面稍微向下，适宜达到大约2-12°。
5.根据权利要求1-4的方法，其特征在于，每一图象显示在对于各眼睛至少大约15°的视角(β)的圆形视野内。
6.根据权利要求1-5任何之一的方法，其特征在于，每一图象以彩色显示。
7.根据权利要求1-6任何之一的方法，其特征在于，每一图象通过电子装置显示。
8.根据权利要求1-7任何之一的方法，其特征在于，每一图象在与用户眼睛个别适配的位置显示。
9.根据权利要求1-8任何之一的方法，其特征在于，每一图象在一暗框内显示，以便清晰地将其与环境区分。
10.用于图象显示的装置，带有连接到成象装置(4)的图象处理装置(5)，及连接到图象处理装置的图象观察装置(6)，该图象观察装置结合有显示器(10)用来佩戴在用户头部，以便在用户眼睛前方显示成象的对象的所述图象，其特征在于，显示器(10)由两个显示模块(13，14)构成，它们设计为位于每一眼睛的前方，在每一眼睛视野的限制的部分内，每一显示模块的配置是要在用户的视野的所述部分内显示其图象，并被构成为至少向下和向用户侧方留有朝向环境的自由视野。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于，显示模块(13，14)配置为显示两个不同的图象，每一眼睛前方一个，使得用户在其视野一部分中在其眼睛前方预定的距离处，感受到有深度感的立体感的图象。
12.根据权利要求10或11的装置，其特征在于，每一显示模块对每一眼睛取最大大约为50°的视野角度，此角度宜大约为30°。
13.根据权利要求10-12任何之一的装置，其特征在于，两个显示模块(13，14)一起结合到显示单元(11)，该显示单元设计为安装到其形状适配用户头部的一支架(12)，该显示单元和支架共同形成显示器(10)。
14.根据权利要求13的装置，其特征在于，支架(12)被构成为用户的一对防护眼镜，这些防护眼镜有利地能够光学适配用户，并在于，显示模块(13，14)配置为位于这些防护眼镜外侧。
15.根据权利要求10-14任何之一的装置，其特征在于，图象观察装置(6)除了显示器(10)之外还包括与其连接的驱动器单元(9)，其设计为由用户与显示器(10)分开佩戴。
16.根据权利要求10-15任何之一的装置，其特征在于，两个显示模块(13，14)对于个体位置设置都是可调节的，以至少适配用户瞳距。
17.根据权利要求10-16任何之一的装置，其特征在于，每一显示模块(13，14)包括设计为用于观察的一棱镜(18)，及配置在棱镜上侧的一图象屏幕(19)，该屏幕配置为借助于光源(20)从背后被照明，从而能够通过棱镜观察图象屏幕。
18.根据权利要求17的装置，其特征在于，每一显示模块(13，14)装有一电子电路(21)用于控制图象屏幕(19)，该电子电路最好位于光源(20)之上。
19.根据权利要求17的装置，其特征在于，棱镜(18)面向观察者侧是凹面的，并最好有对应于用户眼睛形状的曲线。
20.根据权利要求10-19任何之一的装置，其特征在于，显示模块(13，14)相对于观察者的眼睛这样就位，使得观察者能够使其注视方向相对于水平面稍微向下指向。
21.根据权利要求10-20任何之一的装置，其特征在于，显示模块对(13，14)设计用于预定类型的任务，并能够对不同的任务和视觉需要改变。
22.根据权利要求10-20任何之一的装置，其特征在于，显示模块(13，14)都配置为在暗框架内显示图象，以便清晰地界定图象与环境。
全文摘要
对象(3)被成象并在图象处理后一图象显示在显示器用户眼睛前的头部安装的显示器(10)。显示器(10)由用于显示图象的两个显示模块(13，14)构成，设计为位于每一眼睛视野限制部分内每一眼睛的前方，显示器模块每一个配置为显示分开的图象，并设计为向至少在用户的向下和侧面周围留出自由视野。显示模块(13，14)有利的配置以显示两个不同的图象，每一只眼睛前一个，使得用户在这一视野的一部分在其眼睛前方预定的距离处感受到有深度感的立体视觉。
文档编号G06F3/00GK1600035SQ02816231
公开日2005年3月23日 申请日期2002年7月23日 优先权日2001年7月23日
发明者肯特·奥森 申请人:Ck管理股份公司