專利名稱：用于觀看電視屏幕或計算機(jī)屏幕的輔助鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于觀看屏幕的助視領(lǐng)域。本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于觀看屏幕的裝置。
現(xiàn)有技術(shù)這樣的裝置例如從US6,417,894中公知。其中說明了輔助鏡頭，該輔助鏡頭借助支撐臂固定到計算機(jī)屏幕上并且針對5cm到20cm的眼距被裝設(shè)在透鏡之前。由此可達(dá)到表面上無窮遠(yuǎn)的像距，由此應(yīng)使老花眼用戶容易實現(xiàn)眼睛的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。可是仍然存在許多人類工程學(xué)和操作生理學(xué)的問題。
發(fā)明描述因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種開頭所述類型的用于觀看屏幕的裝置，該裝置使得改進(jìn)的工作環(huán)境和輕松的觀看成為可能。
具有權(quán)利要求1的特征的用于觀看屏幕的裝置解決了該任務(wù)。
本發(fā)明提供以下優(yōu)點由于像對于觀看者看來作為整體并顯得相當(dāng)大，該觀看導(dǎo)致頭部不斷的輕微運動，這抵制了使頸肌和肩肌系統(tǒng)僵硬。
由于裝置的光學(xué)有效直徑相當(dāng)大，雙目觀看整個屏幕是可能的。通過聚焦從屏幕發(fā)出的光，該像對于觀看者顯得更加明亮。
通過該裝置的放大作用，像距、也就是所觀看的物體或屏幕對于觀看者看上去的距離變得更大。由此觀看者的眼睛的負(fù)荷通過適應(yīng)性調(diào)節(jié)來減小。像距可以選擇直至無窮遠(yuǎn)，可是已經(jīng)表明，一定的殘留適應(yīng)性調(diào)節(jié)是有益的。同時像距應(yīng)優(yōu)選地不比觀看者的“明視距離”更近。對于年輕人最小的明視距離可直至25cm，并且隨著年齡增長而增大，直到約1m。根據(jù)通常的視覺習(xí)慣，從0.5m到2m的明視距離是有益的。
光學(xué)介質(zhì)優(yōu)選地具有650mm和2000mm之間的焦距。通過大的焦距，也能比較薄地形成具有足夠的放大倍數(shù)的大面積的透鏡。
這種選擇對應(yīng)于視覺媒體、尤其是單透鏡的大小和重量的最佳化，利用該視覺媒體即使在大屏幕的情況下在觀看者、透鏡和屏幕之間的小距離也是可能的。因此，即使在受限制的場地情況下屏幕也完整地并以舒適的距離顯現(xiàn)，以致只有小的適應(yīng)性調(diào)節(jié)是必需的。
優(yōu)選地在應(yīng)用單透鏡時這樣選擇其參數(shù)、尤其是透鏡兩側(cè)的曲率半徑，使得針對兩眼在整個像上散光和慧形象差(Koma)小而且得以補(bǔ)償。同時通過與物距和眼距一起合適地選擇焦距，使像彎曲最小。這類參數(shù)化透鏡與傳統(tǒng)方法不同以傳統(tǒng)方式將透鏡或者透鏡系統(tǒng)針對光軸或者透鏡軸上的觀看點來優(yōu)化。這對于雙目鏡的一半或者針對應(yīng)用一只眼的放大鏡而言是正確的?？墒牵ㄟ^大透鏡來雙目觀看提出其他要求。傳統(tǒng)的透鏡或者放大玻璃鏡在使用雙眼時要求精確布置透鏡、眼睛和物體，然后也只具有其中色失真和像失真是可接受的小的可用區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明類型的參數(shù)化通過在感覺到的像點上模擬物點的成像來發(fā)生。同時從處在離開透鏡軸的地方的眼情的感覺出發(fā)并針對物點的不同顏色部分執(zhí)行成像。尤其是通過透鏡的慧形象差效應(yīng)和色差，物點被模糊，也就是說成像在不同的像點上。因此像變得有點模糊。根據(jù)本發(fā)明的參數(shù)化通過透鏡參數(shù)的系統(tǒng)變化得到，直到得到模糊均勻分布在整個像上為止。
由這種優(yōu)化得到的單透鏡的優(yōu)選參數(shù)為1000mm和1200mm之間的焦距，300mm和600mm之間的透鏡的眼距，以及300mm和500mm之間的物體到透鏡的距離。針對雙凸透鏡，內(nèi)透鏡表面的半徑優(yōu)選地在300mm到1000mm之間、尤其是在450mm和700mm之間，而外透鏡表面的半徑優(yōu)選地在-600與-10000mm之間、尤其是在-1200mm和-10000mm之間。針對凹凸透鏡，內(nèi)透鏡表面的半徑優(yōu)選地在300mm和1000mm之間、尤其是在450mm和700mm之間，而外面的、凹透鏡表面的半徑優(yōu)選地在1000mm和10000mm之間、尤其是在4000mm和6000mm之間。
利用這樣優(yōu)化的實施方案得到本發(fā)明的另一優(yōu)點管狀屏幕或LCD屏幕的單個像點沒有被理想地放大，而是在彼此之間輕微模糊。像素的效應(yīng)消失。像的這種平滑令人吃驚地主觀上感覺是令人舒服的。屏幕的理想放大也可能放大了像點，并由此使其可更好地識別出。雖然這對于理論家是好消息，可是因為觀看者并不對單個像點感興趣而是對整個像感興趣，所以對于觀看者而言仍然感到煩惱。
透鏡有利地由塑料、尤其是由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylat))或由CR39來制造。CR39通常用于制造塑料鏡片。
在發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，視覺媒體具有多個透鏡的系統(tǒng)。該多個透鏡優(yōu)選地相互正匹配地(formschluessig)連接。
其它的優(yōu)選實施方案由從屬權(quán)利要求得知。
附圖簡述以下，本發(fā)明主題根據(jù)在附圖中描繪的優(yōu)選的實施例詳細(xì)說明。
其中

圖1示出光學(xué)系統(tǒng)中的光程的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中的光程的示意圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施方案的視圖；和圖4示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實施方案的視圖。
在附圖中應(yīng)用的參考符號及其意義在參考符號列表中概括列出。原則上，在圖中，相同部分配備相同參考符號。
本發(fā)明的實施方法為了說明光學(xué)基本概念，圖1示出光學(xué)系統(tǒng)中的光程的示意圖。分別以虛線沿著透鏡軸6或光學(xué)軸排成行地示出透鏡1、物體2和觀看者的眼睛4。眼距a等于眼睛4到透鏡1的距離，或者更精確地說，到適當(dāng)定義的透鏡中心的距離，而物距g等于物距g到透鏡1的距離。一部分物體2典型地被表示為黑體箭頭。沒有透鏡，觀看者可能以角度α和在距離a+g處看到該物體。通過透鏡1的作用，對觀看者而言，該物體被看作以角度β和在距離a+b處放大的虛像，其中b是到透鏡1的像距。通過等式1f=1b-1g]]>來概括該成像，其中f是透鏡1的焦距，并且根據(jù)慣例物距g具有負(fù)號。像3與物體2的大小比稱為理論放大倍數(shù)vt。因此適用vt＝b/g＝f/(f+g)。
眼睛4以在比沒有透鏡1時的角度α更大的角度β通過透鏡1看物體2。所看到的放大倍數(shù)vs相應(yīng)地通過以下角度比定義為vs=tan(α)/tan(β)=b(g+a)g(b+a).]]>
在正透鏡的情況下，所看到的放大倍數(shù)vs小于理論放大倍數(shù)vt。
如果像距b和物距g涉及焦距f，則得到相關(guān)量c＝g/f和e＝a/f，利用這些量所看到的放大倍數(shù)vs可以表達(dá)為vs=c+ec+e+eg.]]>如果針對分別在0和1之間的c和e的值描繪vs的關(guān)系，則可以看到，針對分別小于0.5的c和e的值，所看到的放大倍數(shù)vs達(dá)到其最大增加。尤其是針對0和0.5之間的e的值，放大倍數(shù)vs最大地增大，而針對0.5和1之間的值，放大倍數(shù)vs還只相當(dāng)弱地增加。增加的眼距a因此只引起輕微的放大倍數(shù)增加。由于在計算機(jī)屏幕處，選擇眼距a有利地大于物距g或屏幕距離，所以c的值優(yōu)選地被選擇在0.2和0.6之間而e的值優(yōu)選地被選擇在0.3和0.7之間。這些值允許焦距f為0.8m至2m。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中的光程的示意圖。為了清楚，物體2及像3不作為整體示出，而只是示出相應(yīng)的象征性的箭頭。示意性地示出在物體2的平面中箭頭尖端上的物點21和眼睛4之間的光程。通過大面積透鏡1，兩眼4同時觀看物點21，并且把它看作像點31。眼睛4分別距離透鏡軸6眼中心距離ya的一半。
與傳統(tǒng)的理論相反，透鏡不是針對在透鏡軸6上的單眼最佳，而是針對兩個隔開的眼睛4最佳。從物點21出發(fā)，更確切地說針對從物點21出發(fā)的光的各種光譜分量確定相應(yīng)的感覺到的像點31。為此，從物點21和所觀看的眼睛4的已知位置和假設(shè)為給定的透鏡裝置和幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，為了確定從物點21到眼睛4的光程，邊界值問題得以解決。同時在透鏡1的表面上、也即在內(nèi)透鏡表面11上和外透鏡表面12上必須滿足折射定律。
根據(jù)一定光程的光束的入射角ε1和出射角ε2是外角。適用ε1＝1+ψ1和ε2＝2+ψ2。
當(dāng)入射角ε1和出射角ε2彼此相等時，光束經(jīng)受最小偏轉(zhuǎn)，并因此也得到最小誤差?？墒轻槍Υ竺娣e透鏡和擴(kuò)大的物體在整個像區(qū)域上這個要求可能不被滿足。從物點21出發(fā)的光束通過眼睛4被感覺為來自像點31。由于瞳孔的小開口，該光束的孔徑角相對小。由于散光和慧形象差，該光束不能準(zhǔn)確地成像到像點31上。散光涉及斜穿越透鏡1的光束，而慧形象差涉及廣開口的光束。色差導(dǎo)致，光束按顏色或光束的光譜分量沒有準(zhǔn)確地在像點31上感覺到；例如在物平面重疊的、也即處于同一地點的綠色、紅色和藍(lán)色的物點21并不處于像平面的同一位置；因此感覺它們處于不同位置。色差不能利用單透鏡來校正，因此應(yīng)用具有小色散的材料、諸如PMMA。
因此白色物點21被感覺為模糊或歪曲的像點31。以下述方式找到最佳值，因而模糊針對多個、例如針對28個物點21確定像點31的這種模糊或歪曲，該多個物點21有規(guī)則地分布在整個面積或物體2的平面的象限上。針對每個點，確定例如每8個藍(lán)色、綠色和紅色光束的成像。針對每個點，偏差的誤差均方值相加作為偏差的量度。為了優(yōu)化，關(guān)于所有點和針對雙眼、也就是針對總共56個點的誤差相加。此外，靠經(jīng)驗對模糊評估。針對給定的焦距f，系統(tǒng)地改變內(nèi)透鏡表面11的半徑r1和外透鏡表面12的半徑r2，直到在所有觀看的物點21上、也即在整個像上以及針對雙眼4找到模糊的均勻和整體最小的分布作為最優(yōu)值為止。由此針對利用雙眼來觀看整個物體2來優(yōu)化透鏡1。必要時，針對其它的焦距f和相應(yīng)的物距g和像距b，可重復(fù)半徑的這種改變。
內(nèi)透鏡表面11的半徑r1優(yōu)選地小于外透鏡表面12的半徑r2。由此失真小于相反情況下的失真。
相反，用于透鏡設(shè)計的傳統(tǒng)方法只針對透鏡軸6上的一只眼睛提供最優(yōu)成像。針對從物點21出發(fā)的相對大的光束也被優(yōu)化。確定不同于根據(jù)上述方法確定的透鏡1的曲率或半徑r1和r2。因此隨著到透鏡軸6的眼中心距離ya的增加，各種模糊和失真增加，以致只有一小部分視野足夠清晰看到并且實際上是可利用的。模糊區(qū)域?qū)е略趪L試清楚看到一定的像區(qū)域時的觀看者的煩燥和疲勞的運動。
針對68mm的平均的眼中心距離ya，根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)化方法的應(yīng)用示例地提供下述優(yōu)選值(所有單位為毫米)
r2的負(fù)值對應(yīng)于雙凸透鏡，r2的正值對應(yīng)于凹凸透鏡。優(yōu)選近似等于給定值的半徑值。半徑改變了指定值的約10％到20％還總是導(dǎo)致好的結(jié)果。也可以應(yīng)用平凸透鏡取代具有大r2(例如-10000mm)的透鏡。
焦距f優(yōu)選地至少為約600、650或700mm，以致較大的放大倍數(shù)是可能的，而沒有在小焦距f的情況下出現(xiàn)的失真過大的情況。另一方面，焦距f優(yōu)選為最高2000mm，因為針對在合理的物距g的情況下的較大值，最終的放大倍數(shù)不夠。因此優(yōu)選的焦距處于800mm到1500mm的范圍中。
物距g優(yōu)選地處在160mm和1500mm之間、尤其是在200mm和800mm之間。直至例如30mm的較小值也是可能的，可是具有相應(yīng)的較小放大倍數(shù)。眼距a優(yōu)選地為100mm到1500mm、尤其是205mm到1400mm。
透鏡1的直徑優(yōu)選地大于250mm，該透鏡1的直徑尤其是大于或等于380mm和小于1000mm。
在本明的優(yōu)選的實施方案中，透鏡是平凸透鏡，具有約380mm的直徑，并且凸側(cè)的曲率半徑在550mm和640mm之間、尤其是在585mm和605mm之間并優(yōu)選地至少近似594mm。
根據(jù)本明的上述實施方案的透鏡優(yōu)選地在一側(cè)或雙側(cè)是抗反射的。通過以蒸發(fā)鍍膜或浸漬方法淀積一層或多層光學(xué)活性層或者通過粘接抗反射的箔或抗反射的層壓板進(jìn)行抗反射。
由于通常多層建立具有例如近似0.2mm厚的層壓板，并且比箔更加堅固和不易彎曲、也即沒有強(qiáng)的可延伸性，所以優(yōu)選地在平凸透鏡的平面?zhèn)日迟N該薄層。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的觀看裝置5的第一實施方案的正視圖。該觀看裝置5具有直徑為380mm的球狀透鏡1，由PMMA(聚甲基丙烯甲酯)材料制成并具有約1.3Kg的重量。在本例中透鏡是雙凸透鏡，并且為了減少成像誤差具有兩個不同的曲率半徑。觀看裝置5具有可調(diào)整的支撐臂53，用于在屏幕、尤其是計算機(jī)屏幕前對透鏡1定位。支撐臂53可固定在臺上并且優(yōu)選地具有其中透鏡1可運動的5個或6個自由度。透鏡1也可被構(gòu)造為橢圓或者矩形或者正方形。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的觀看裝置5的第二實施方案的正視圖。所應(yīng)用的透鏡1是矩形透鏡，其中矩形對角線基本上等于前一實施例的透鏡直徑。透鏡1通過任意傾斜裝置或定位裝置52固定在腳51上，該腳可以放在臺面上。腳51例如具有可更換的元件，以實現(xiàn)透鏡1關(guān)于臺面的不同高度。在本發(fā)明的另一實施方案中，該腳被構(gòu)造為橋形，以致該腳可以放在計算機(jī)鍵盤之上，這允許更大的物距g。當(dāng)然這樣的腳也可以與圓形或其他形狀的透鏡1組合。
參考符號列表f 焦距g 物距b 像距a 眼距1 視覺媒體、透鏡11內(nèi)透鏡表面12外透鏡表面2 物體21物點3 像31像點4 眼睛5 觀看裝置51腳52定位裝置53支撐臂54臺6 透鏡軸
權(quán)利要求
1.用于觀看屏幕(2)的裝置，其具有可布置在該屏幕(2)之前的大面積的視覺媒體(1)，其特征在于，該視覺媒體具有至少615mm的焦距(f)。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置針對利用雙眼(4)來觀看整個屏幕(2)是最優(yōu)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置針對多于220mm的眼距(a)被裝設(shè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該裝置針對220mm到1500mm的眼距(a)被裝設(shè)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置針對100mm到1500mm的物距(g)被裝設(shè)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有620mm到2000mm的焦距(f)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有超過800mm的焦距(f)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有250mm到1000mm的直徑。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有超過370mm的直徑。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有多個透鏡的系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的裝置，其特征在于，該裝置具有單個透鏡1。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述透鏡(1)是平凸、凹凸或雙凸透鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述透鏡(1)是雙凸透鏡，并且具有300mm到1000mm的范圍內(nèi)的第一曲率半徑(r1)和-600mm到-10000mm的范圍內(nèi)的第二曲率半徑(r2)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述透鏡(1)是凹凸透鏡，并且具有300mm到1000mm的范圍內(nèi)的第一曲率半徑(r1)和1000mm到10000mm的范圍內(nèi)的第二曲率半徑(r2)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述透鏡(1)是平凸透鏡，并且具有550mm和660mm之間、優(yōu)選地585mm和605mm之間的范圍內(nèi)的曲率半徑。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述透鏡通過粘貼的箔或?qū)訅喊逯辽僖粋?cè)是抗反射的。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述透鏡通過一層或多層蒸汽鍍膜的或通過浸漬方法淀積的光學(xué)活性層至少在一側(cè)是抗反射的。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其具有用于在所述屏幕(2)之前布置所述視覺媒體(1)的支撐裝置(53；51，52)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述支撐裝置是具有多個自由度的可調(diào)整的臂(53)，該臂(53)可以被固定在臺(54)上。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述支撐裝置是具有用于調(diào)整視覺媒體(1)的高度和/或用于傾斜視覺媒體(1)的裝置(52)的臺式支架(51)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于觀看顯示屏(2)的裝置(5)，其包含可被放置在該顯示屏(2)之前的大面積的視覺媒體(1)。本發(fā)明裝置的特征在于，該視覺媒體(2)具有至少615mm的焦距f。該視覺媒體(2)優(yōu)選為針對利用雙眼(4)來觀看整個顯示屏(2)是最優(yōu)的大面積透鏡(1)。
文檔編號G02B5/00GK1751505SQ200380109803
公開日2006年3月22日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者沃爾特·邁耶 申請人:格蘭尼特貿(mào)易有限公司