專利名稱：廣角顯示設(shè)備的制作方法
廣角顯示設(shè)備
優(yōu)先權(quán)申請的引用
本申請要求2006年11月30日提交的英國專利申請?zhí)朑B0623893.5
的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及觀察設(shè)備，尤其是涉及用于安全應(yīng)用的廣角觀察裝置。
用于住宅安全的門觀察器(door viewer)是眾所周知的。 一個普通的 方法提供了包括微型廣角透鏡的窺視孔。窺視孔的問題是，觀察人員的臉 必須貼在小孔上。
美國專利號4,082,434公開了 一種包括凹物鏡透鏡、中間凹透鏡和凸 目鏡透鏡的廣角門觀察器。目鏡透鏡位于離物鏡透鏡的預(yù)定距離處。中間 透鏡校正由物鏡透鏡形成的豎立虛像的象差。目鏡透鏡放大由中間透鏡形 成的圖像。放大的最終豎立虛像在目鏡透鏡上形成。4,082,434裝置的問 題是，虛像的位置使插入漫射屏來提供實像變得不實際。因此，用戶的眼 睛必須位于目鏡透鏡附近。進一步地，凹物鏡透鏡的小的有效直徑導(dǎo)致模 糊的圖像。增加凹物鏡透鏡的有效直徑以提供較亮的圖像將允許從外部可 視訪問，除非遮光器包括到觀察器中。
美國專利號4,257,670公開了 一種光學(xué)窺視孔設(shè)備，其包括沿著公共 光軸連續(xù)布置的3個透鏡組件。第一組件提供包括厚邊緣凹凸透鏡和雙凹 透鏡的成對物。第二組件包括彼此等距地間隔開的5個一樣的平凸透鏡。 第三組件提供調(diào)節(jié)并包括平凸透鏡和目鏡。由凹凸透鏡形成的豎立虛像通 過平凸透鏡轉(zhuǎn)變成倒置的實像。其它平凸透鏡校正象差并對所述倒置的實 像執(zhí)行第二倒置，使得最終的豎立實像在平凸透鏡上形成。4,257,670裝置的缺點是，雖然從平凸透鏡得到的圖像是豎立的和實的，但是最終圖像
的亮度受到由大量透鏡引起的透射損失的影響。與4,082,434裝置的情況中一樣，不可能提供實像，因此用戶的眼睛必須位于目鏡附近。而且，該設(shè)備由于其總長度大而不適合于一般的家門應(yīng)用。
Ohn的美國專利號4,892,399公開了 一種門觀察器，其包括橫截面為直角等腰三角形形狀且斜邊表面水平鄰接的兩個棱鏡、前凸透鏡、中間平凸透鏡和平凸目鏡透鏡。前凸透鏡具有前凹表面和后凸表面，以校正色差。中間透鏡和目鏡透鏡的凸表面彼此面對面地定位，以校正桶形畸變。門觀察器將圖像投射到在目鏡透鏡上形成的或鄰接于目鏡透鏡設(shè)置的毛玻璃屏上。
基于Ohn設(shè)備的原理的門觀察器能夠提供可從小距離觀察的小實像，一般在尺寸上為25-60毫米。稱為Ultra Vista門觀察器的基于Ohn發(fā)明的在市場上可買得到的門觀察器通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站www.doorviewers.ca分銷。Ultra Vista門觀察器提供了 132。水平視場并具有大約57毫米直徑的輸出圖像屏幕尺寸。圖像可從大約2米的范圍觀察并具有微型電視顯示器的外觀。對于在大約20到45毫米范圍內(nèi)的門厚度，所需的門開口尺寸是56毫米。然而，基于Ohn發(fā)明的門觀察器的問題在于，觀察屏尺寸大致上確定了門孔的尺寸。因此很難使用根據(jù)Ohn發(fā)明的原理設(shè)計的觀察器來提供大面積屏幕。
在設(shè)計具有小的門孔徑和大面積屏幕的門觀察器中存在要克服的一些問題。為了達到高圖像亮度，透鏡系統(tǒng)需要在數(shù)值上低的焦距比數(shù)，其中焦距比數(shù)被定義為圖像投影透鏡的焦距除以透鏡的有效孔徑。
在監(jiān)測角、用戶可用的屏幕觀察角的范圍、屏幕尺寸和門尺寸之間要進行權(quán)衡?；竟鈱W(xué)理論規(guī)定，入瞳面積與相應(yīng)于監(jiān)測視場的光收集立體角相乘的積應(yīng)大致等于最大屏幕觀察立體角乘以屏幕面積。提供具有大觀
察屏的門觀察器，寬監(jiān)測視場和寬視角將傾向于增加入瞳的尺寸。這又將增加透鏡的總直徑，因而增加所需門孔的尺寸。
為了最小化門觀察器的厚度，投影屏應(yīng)具有大彎角。換句話說，屏幕應(yīng)能夠?qū)⒁源箦F角入射到屏幕表面的光引導(dǎo)到實質(zhì)上垂直于屏幕表面的平均方向上。很難同時使測光和屏幕厚度要求達到最大。
Burstyn等人的美國專利號6,511,186公開了 一種屏幕，其中具有對屏幕的銳角入射角的光線由全內(nèi)反射(TIR)菲涅耳透鏡元件或由衍射元件偏轉(zhuǎn)到觀察空間。然而，由于菲涅耳透鏡面的小尺寸，Burstyn所公開的裝置不適合于在數(shù)值上小的焦距比數(shù)照明。
存在對低成本門觀察器的需要，該門觀察器提供理想地對角線為大約100到150毫米的大的可見面積。視場在水平上應(yīng)為130度。就門改造和安裝技能而言，安裝要求不應(yīng)比現(xiàn)有技術(shù)要求更多。屏幕應(yīng)從大約2米的范圍且對于典型的觀察人員高度的范圍是看得見的。理想地，門孔尺寸應(yīng)在40-60mm的范圍內(nèi)。設(shè)備應(yīng)具有從門的前表面或后表面的最小投影。設(shè)備應(yīng)提供用于消除雜散光的裝置，雜散光可能損害輸出圖像的質(zhì)量。
因此存在對改進的門觀察器的需要，該門觀察器可提供寬監(jiān)測視場、大面積的可見圖像和只需要小的門孔徑的薄形狀因子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有寬監(jiān)測視場、大面積的可見圖像和只需要小的門孔徑的薄形狀因子的改進的門觀察器。
本發(fā)明的目的在第一實施方式中實現(xiàn)，該實施方式包括含有倒像器的廣角透鏡系統(tǒng)、多次反射透鏡系統(tǒng)和漫射屏。廣角透鏡系統(tǒng)光學(xué)地耦合到多次反射透鏡系統(tǒng)，并布置在多次反射透鏡和外部場景之間。多次反射透鏡系統(tǒng)至少包括才乘作來將光從外部場景導(dǎo)入門觀察器的第一透射表面、用于使監(jiān)測視場的第一區(qū)域朝著觀察人員透射的第二透射表面、用于使監(jiān)測視場的第二區(qū)域朝著觀察人員透射的第三透射表面、第 一反射表面以及第二反射表面。從所述外部場景到觀察人員的第一多個光路通過第一透射表面，橫穿至少一種光折射介質(zhì)并通過第二透射表面?zhèn)鬟f到觀察人員。從所述外部場景到所述觀察人員的第二多個光路通過第一透射表面，在第一反射表面經(jīng)歷第 一次反射和在第二反射表面經(jīng)歷第二次反射，并通過第三透射表面?zhèn)鬟f到觀察人員，所述路徑橫穿至少一種光折射介質(zhì)。第一多個光路相應(yīng)于具有在第一透射表面處的小于或等于預(yù)定值的入射角的入射光，且所述第二多個光路相應(yīng)于具有在第 一透射表面處的大于所述預(yù)定值的入射角的入射光。
第二反射表面圍繞第一透射表面。第一反射表面圍繞第二透射表面，以及第三透射表面圍繞第一反射表面和第二透射表面。在優(yōu)選的操作配置中，第二透射表面、第一反射表面和第三透射表面位于第一單個連續(xù)的表面上，且第一透射源和第二反射表面位于第二單個連續(xù)的表面上。所述第一和第二單個連續(xù)的表面圍繞至少一種折射率介質(zhì)。
多次反射透鏡系統(tǒng)的第二透射表面或第三透射表面中的至少 一個可具有漫射特征。
多次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可以球面、菲涅耳、衍射或非球面光學(xué)表面形式中之一為特征。多次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可具有變形的表面形式。多次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可具有圓錐形表面形式。
多次反射透鏡系統(tǒng)的第 一反射表面和第二反射表面中的至少 一個可起全內(nèi)反射表面的作用。多次反射透鏡系統(tǒng)的第 一反射表面和第二反射表面中的至少一個可具有反射涂層。
廣角透鏡系統(tǒng)和多次反射透鏡系統(tǒng)一起在漫射屏上形成外部場景的圖像。
倒像器是操作來使輸入圖像至少在垂直方向倒置的光學(xué)器件。倒像器包括定向成通過全內(nèi)反射阻擋外部雜散光的傳播的至少一個氣隙。
在本發(fā)明的第一實施方式中，倒像器包括一對相同的上光學(xué)部件和下光學(xué)部件。每個部件進一步包括從外部場景導(dǎo)入光的輸入表面、反射表面和出射表面。所述部件的反射表面背對背放置，實質(zhì)上彼此重疊和平行。所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，而所
件包括沿著外部場景的光路順次布置的兩個光學(xué)元件。第 一元件具有提供倒像器的輸入表面的第一表面以及第二表面。第二元件具有與第一元件的第二表面的形狀相同的第 一表面以及提供倒像器的出射表面的第二表面。第一元件的第二表面和第二元件的第一表面由小氣隙分開。對于在不導(dǎo)致在平反射表面的反射的方向上入射的來自外部場景的光，第一元件的第二表面作為全內(nèi)反射表面操作。沒有被第一元件的第二表面引導(dǎo)出倒像器的入射環(huán)境光通過輸入表面，被所述反射表面反射，并最終通過出射表面。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為彎曲的。所述第 一元件的所述第 一表面和所述第二元件的所迷第二表面中的至少一個可為傾斜的表面。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為圓錐形表面。
倒像器的每個部件中的反射表面可涂覆有反射鏡涂層，或可以可選地為全內(nèi)反射表面。理想地，所述反射表面被排列成平行于水平觀察面。在反射表面依賴于全內(nèi)反射的情況下，所述表面由小氣隙分開。在使用反射鏡涂層的情況下，反射表面可相接觸。所述輸入表面和出射表面可為平面。可選地，所述輸入表面和出射表面中的至少一個可為彎曲的。
漫射屏布置在多次反射透鏡系統(tǒng)和觀察人員之間。所述漫射屏包括布置在多次反射透鏡系統(tǒng)的第二透射表面和觀察人員之間的中央部分以及布置在第三透射表面和觀察人員之間的周圍部分。漫射屏的中央部分設(shè)計成使從多次反射透鏡的中央部分射出的光線彎曲到預(yù)定的觀察方向。漫射屏的外部部分設(shè)計成使從多次反射透鏡的外部部分射出的光線彎曲到預(yù)定的觀察方向。
門觀察器的所有光學(xué)表面可具有共同的對稱軸。
在類似于第一實施方式的本發(fā)明的另一實施方式中，另外的透鏡系統(tǒng)布置在多次反射透鏡系統(tǒng)的第二透射表面和漫射屏的中央部分之間。
在類似于第一實施方式的本發(fā)明的另一實施方式中，多次反射透鏡系統(tǒng)分成兩個空氣間隔部分,使得第 一多個光路和第二多個光路每個都橫穿至少一個空氣隙?？諝庀队梢粚ο鄬Φ墓鈱W(xué)表面包圍。所述相對的表面可具有在第一實施方式中使用的光學(xué)表面形式中的任一種，且每個表面可包括多于一種類型的光學(xué)表面形式。
在類似于第一實施方式的本發(fā)明的另一實施方式中，第一多個光^各相
10應(yīng)于具有小于在第一反射表面處的臨界角的入射角的入射光。第二多個光路相應(yīng)于具有大于或等于在第一反射表面處的臨界角的入射角的入射光。
在進一步的實施方式中實現(xiàn)了本發(fā)明的目的，其中第一實施方式的多次反射透鏡分成第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。在本發(fā)明的所述可選實施方式中，倒像器包括一對相同的上部件和下部件。所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，而所述下部件操作來提供對以低于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置。每個部件進一步包括輸入表
面、反射表面和出射表面。在本發(fā)明的所述可選實施方式中，MLR的第一元件具有從廣角透鏡導(dǎo)入光的第 一表面以及第二表面。第二元件具有與第一元件的第二表面的形狀相同的第一表面以及第二表面。第一元件的第二表面和第二元件的第一表面由小氣隙分開。對于在不導(dǎo)致在平反射表面的反射的方向上入射的來自外部場景的光，第一元件的第二表面作為全內(nèi)反射表面操作。所述第 一元件的所述第 一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為彎曲的。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為傾斜的表面。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為圓錐形表面。沒有被第 一元件的第二表面引導(dǎo)出多次反射透鏡的入射環(huán)境光被根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的原理成像。
在包括廣角透鏡和漫射屏的另外的實施方式中實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。廣角透鏡包括倒像器。所述另外的實施方式消除了上面討論的多次反射透鏡。倒像器包括一對相同的上光學(xué)部件和下光學(xué)部件。所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，而所述下部件操作來提供對以低于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置。每個部件進一步包括從外部場景導(dǎo)入光的輸入表面、反射表面和出射表面。所述部件的反射表面背對背布置，實質(zhì)上彼此重疊和平行。每個所述光學(xué)部件分成沿著外部場景的光路順次布置的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。第一元件具有提供倒像器的輸入表面的第一表面以及第二表面。第二元件具有與第一元件的第二表面的形狀相同的第 一表面以及提供倒像器的出射表面的第二表面。第一元件的第二表面和第二元件的第一表面由小氣隙分開。對于在不導(dǎo)致在平反射表面的反射的方向上入射的來自外部場景的光，第一元件的第二表面
作為全內(nèi)反射表面操作。沒有被第一元件的第二表面引導(dǎo)出倒像器的入射
環(huán)境光通過輸入表面，被所述反射表面反射，并最終通過出射表面。所述
第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個
可為彎曲的。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表
面中的至少一個可為傾斜的表面。所述第一元件的所述第一表面和所述第
二元件的所述第二表面中的至少 一個可為圓錐形表面。廣角透鏡可進一步
包括布置在倒像器和屏幕之間的至少一個分離的光學(xué)元件。廣角透鏡可進
一步包括布置在外部場景和倒像器之間的至少一個分離的光學(xué)元件。廣角
透鏡在屏幕上形成外部場景的圖像。
通過結(jié)合附圖考慮下面的詳細描述可獲得本發(fā)明的更徹底的理解，其 中相似的索引數(shù)字表示相似的部分。為了清楚的目的，沒有詳細描述關(guān)于 在與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中已知的技術(shù)材料的細節(jié)。
附圖的簡要說明


圖1A是本發(fā)明的操作配置的示意性三維視圖。
圖1B是本發(fā)明的操作配置的示意性三維視圖。
圖2A是本發(fā)明的第一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖2B是本發(fā)明的第一實施方式的示意性后正視圖。
圖2C是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖2D是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性前正視圖。
圖2E是可在本發(fā)明中使用的另一倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖2F是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖2G是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖2H是可在本發(fā)明中使用的又一另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。圖3是示出所顯示的圖像的中央和外圍區(qū)域的示意性后正視圖。
圖4是示出在本發(fā)明的第一實施方式中的光線的傳播的示意性側(cè)正 視圖。
圖5是本發(fā)明的第二實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖6是示出在本發(fā)明的第二實施方式中的光線的傳播的示意性側(cè)正視圖。
圖7是本發(fā)明的另外的實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖8是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖9是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖IO是本發(fā)明的第一實施方式的細節(jié)的示意性側(cè)正視圖。
圖11是在本發(fā)明的另外的實施方式中使用的光學(xué)表面的示意性側(cè)正 視圖。
圖12C是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖12D是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性前正視圖。
圖12E是可在本發(fā)明中使用的另 一倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖12F是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖12G是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖12H是可在本發(fā)明中使用的又一另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖13是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖14是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖15C是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖15D是可在本發(fā)明中使用的倒像器的示意性前正視圖。
圖15E是可在本發(fā)明中使用的另 一倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖15F是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。
圖15G是可在本發(fā)明中使用的另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。圖15H是可在本發(fā)明中使用的又一另外的倒像器的示意性側(cè)正視圖。 圖13是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖14是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖16是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖17是本發(fā)明的又一實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖18A是本發(fā)明的特定的實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖18B是本發(fā)明的另 一特定的實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖18C是本發(fā)明的另一特定的實施方式的示意性側(cè)正視圖。
圖18D是本發(fā)明的另一特定的實施方式的示意性側(cè)正視圖。
具體實施例方式
在圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理的門觀察器的基本概念。圖1A示出門 觀察器的示意性三維視圖。在本發(fā)明的第一實施方式中，門觀察器包括廣 角透鏡系統(tǒng)IO、多次反射透鏡系統(tǒng)20和觀察屏元件30。所述廣角透鏡系 統(tǒng)包括將在下面更詳細描述的至少一個倒像器和與所述多次反射透鏡系 統(tǒng)的光學(xué)接口。廣角透鏡系統(tǒng)可進一步包括額外的透鏡元件。圖1B示出 顯示在一般操作配置中的門觀察器的示意性側(cè)正視圖。廣角透鏡系統(tǒng)插入 門50中的筒形孔中。在圖1A中，輸入光線通常用1000表示，而輸出光 線通常用2000表示。應(yīng)注意，僅為了在一般操作配置中顯示本發(fā)明的大 致外觀的目的而提供圖1。在下面給出的本發(fā)明的實施方式的描述中討論 光學(xué)系統(tǒng)的細節(jié)。
在圖2中示意性示出門觀察器的第一實施方式。根據(jù)圖2A，門觀察 器包括廣角透鏡系統(tǒng)l、多次反射透鏡系統(tǒng)2和漫射屏4。廣角透鏡系統(tǒng) 至少包括前折射表面11和向多次反射透鏡系統(tǒng)提供入射表面的表面12。 表面12可為廣角透鏡的內(nèi)表面?？蛇x地，表面12可為廣角透鏡的后表面， 所述后表面與多次反射透鏡系統(tǒng)接觸或與多次反射透鏡系統(tǒng)空氣分離?？?選地，廣角透鏡可形成多次反射透鏡系統(tǒng)的部分，表面12相應(yīng)于分離廣
14角透鏡系統(tǒng)和多次反射透鏡系統(tǒng)的虛表面。
多次反射透鏡系統(tǒng)包括入射表面12、彎曲反射表面21a、 21b、中央 彎曲表面部分22、彎曲反射表面部分23a、23b以及彎曲透射表面部分24a、 24b。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，表面21a、 12、 21b形成第一、單個連 續(xù)的表面，而表面24a、 23a、 22、 23b、 24b形成第二、單個連續(xù)的表面。 所述第一表面和第二表面包圍至少一種折射介質(zhì)。理想地，折射介質(zhì)是光 學(xué)塑料。可選地，折射介質(zhì)可為光學(xué)玻璃。為了描述本發(fā)明的目的，假定 透鏡為軸對稱的，且就被限制到與點AA，相交的子午面的光線來討論本發(fā) 明。還應(yīng)理解，彎曲反射表面21a、 21b和23a、 23b以及彎曲透射表面部 分24a、 24b表示圓環(huán)表面區(qū)域與所述子午面的相交部分。因此，多次反 射透鏡系統(tǒng)包括入射表面12、彎曲反射表面21a、 21b、中央彎曲表面部 分22、彎曲反射表面部分23a、 23b以及彎曲透射表面部分24a、 24b。圖 2B提供了多次反射透鏡系統(tǒng)的后表面的后正視圖，其示出相應(yīng)于子午斷 面24a、 23a、 22、 23b、 24b的實際表面部分的布置。多次反射透鏡系統(tǒng) 的反射表面可依賴于全內(nèi)反射?？蛇x地，反射表面可使用反射鏡涂層。多 次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可以球面、菲涅耳、衍射或非球面光學(xué)表面形 式之一為特征。多次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可具有變形的表面形式。多 次反射透鏡系統(tǒng)的每個表面可具有圓錐形表面形式。
廣角透鏡1具有兩個主要功能。第一功能是收集大視場角范圍內(nèi)的 光。 一般，廣角透鏡收集從0度到大于±60度的光。因為多次反射透鏡 使圖像有效地倒置，必須應(yīng)用相反的倒置。因此，廣角透鏡的第二功能是 使圖像的方位在至少垂直方向上倒置。廣角透鏡因此包括倒像器，其將在 下面的段落中描述。
廣角透鏡系統(tǒng)可包括一個或多個透鏡元件。透鏡可設(shè)計成提供內(nèi)部孔 徑光闌。可選地，透鏡可設(shè)計成具有例如在風(fēng)景透鏡中的外部光闌。廣角 透鏡系統(tǒng)可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的球面、非球面、衍射和其他表面形 式中的至少一個。本發(fā)明不限于任何特定類型的廣角透鏡配置。
倒像器是操作來使輸入圖像在至少垂直方向上倒置的光學(xué)器件。在本 發(fā)明的一個實施方式中，倒像器包括一對相同的上光學(xué)部件和下光學(xué)部件。所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，
個所述光學(xué)部件包括從外部場景導(dǎo)入光的輸入表面、平反射表面和出射表
面。所述部件的反射表面背對背布置，實質(zhì)上彼此重疊和平行。入射環(huán)境
光通過輸入表面，接著被所述反射表面反射，且最終通過出射表面。反射
表面可為涂覆有反射鏡涂層，或可以可選地為全內(nèi)反射表面。理想地，所
述反射表面被排列成平行于水平觀察面。在反射表面依賴于全內(nèi)反射的情
況下，所述表面由小氣隙分開。在使用反射鏡涂層的情況下，反射表面可
接觸。所述輸入和出射表面可為平面。可選地，所述輸入和出射表面中的 至少一個可為彎曲的。
每個所述光學(xué)部件分成沿著外部場景的光路順次布置并被氣隙分開 的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。氣隙的目的是通過全內(nèi)反射阻擋外部雜 散光的傳播。雜散光被定義為沿著不與上面描述的反射表面之一相交的路 徑的任何外部光。第一元件具有提供倒像器的輸入表面的第一表面以及第 二表面。第二元件具有與第 一元件的第二表面的形狀相同的第 一表面以及 提供倒像器的出射表面的第二表面。第 一元件的第二表面和第二元件的第 一表面由小氣隙分開。對于在不導(dǎo)致在平反射表面的反射的方向上入射的 來自外部場景的光，第一元件的第二表面作為全內(nèi)反射表面起作用。沒有 被第一元件的第二表面引導(dǎo)出倒像器的入射環(huán)境光通過輸入表面，被所述 反射表面反射，并最終通過出射表面。所述第一元件的所述第一表面和所 述第二元件的所述第二表面中的至少 一個可為彎曲的。所述第 一元件的所 述第一表面和所述第二元件的所述第二表面中的至少一個可為傾斜的表 面。
圖2C-2G示出倒像器的優(yōu)選操作實施方式的例子。圖2C和圖2E到 2H示出示意性側(cè)正視圖。通過首先參考圖2C和圖2D可理解倒像器的基 本原理，其中圖2D是圖2C所示倒像器的前正視圖。倒像器包括被設(shè)計 成通過全內(nèi)反射阻擋外部雜散光的傳播的至少一個氣隙。氣隙的配置和功 能將在圖2E-2H中示出，而沒有在圖2C和圖2D中示出。倒像器包括一 對相同的元件51、 52。元件51包括輸入表面51a、反射表面51b和出射表面51c。反射表面51b可涂覆有反射鏡涂層，或可以可選地為全內(nèi)反射 (TTR )表面。在TIR配置的情況下，反射表面由小氣隙分開。在使用反 射鏡涂層的情況下，反射表面可相接觸。圖像倒置過程由光線1101、 1102、 1103、 1104以示意性方式表示。由虛線標出的虛表面13表示轉(zhuǎn)像器的有 效孔徑。如所示的，表面13可位于轉(zhuǎn)像器的外部。表面13可與轉(zhuǎn)像器的 出射表面重合。表面13可與入射表面12重合?？蛇x地，表面13可通過 氣隙與入射表面13分開?？蛇x地，表面13可為多次反射透鏡系統(tǒng)的內(nèi)表 面。
如圖2D的示意性前正視圖中所示的，倒像器可具有矩形橫截面。圖 2D示出圖2C所示元件51、 52的前表面51a、 52a。根據(jù)應(yīng)用和可用物理 開口，倒像器可具有其它橫截面形狀。例如橫截面可設(shè)計成適合于圓形開 口內(nèi)部。
圖2E示出類似于圖2C所示倒像器的倒像器的例子。該倒像器包括 一對相同的部件61、 62。部件61包括平輸入表面61a、平反射表面61b、 平出射表面61c和外表面61d。部件61包括以平表面63a、 64a為界的氣 隙。出射表面和反射表面形成直角。圖像倒置過程通過由光線1201、 1202、 1203、 1204指示的光線路徑以示意性方式表示。在氣隙處經(jīng)歷全內(nèi)反射 的光線路徑由1205、 1206表示。表面63a、 64a和表面63b、 64b可表示 平表面。在可選的實施方式中，表面63a、 64a和表面63b、 64b可表示彎 曲表面。在可選的實施方式中，表面63a、 64a和表面63b、 64b可表示圓 錐形表面的橫截面。
圖2F示出可在本發(fā)明中使用的倒像器的另一例子。倒像器包括一對 相同的光學(xué)部件71、 72。部件71包括平輸入表面71a、平反射表面71b 和平出射表面71c。部件71包括以平表面73a、 74a為界的氣隙。輸入表 面和出射表面都相對于反射表面傾斜。圖像倒置過程由光線1301、 1302、 1303、 1304以示意性方式表示。在氣隙處經(jīng)歷全內(nèi)反射的光線路徑由 1305、 1306表示。表面73a、 74a和表面73b、 74b可表示平表面。在可 選的實施方式中，表面73a、 74a和表面73b、 74b可表示彎曲表面。在可 選的實施方式中，表面73a、 74a和表面73b、 74b可表示圓錐形表面的橫截面。
原則上多次反射透鏡可設(shè)計成提供形成最終實像所必需的所有光功 率。然而由于考慮到象差控制，將某種程度的光功率結(jié)合到廣角透鏡中是
有利的。包括圖2C-2F所示的平表面倒像器的廣角透鏡因此需要額外的
透鏡元件來提供光功率。通過將彎曲表面包括在倒像器中可避免對另外的 透鏡元件的需要。
圖2G示出也提供光功率的倒像器的一個例子。倒像器包括一對相同 的光學(xué)部件81、 82。部件81包括彎曲輸入表面81a、平反射表面81b和 彎曲出射表面81c。部件81包括以平表面83a、 84a為界的氣隙。圖像倒 置過程通過由光線1401、 1402、 1403、 1404指示的光線的路徑以示意性 方式表示。在氣隙處經(jīng)歷全內(nèi)反射的光線路徑由1405、 1406表示。表面 83a、 84a和表面83b、 84b可表示平表面。在可選的實施方式中，表面83a、 84a和表面83b、 84b可表示彎曲表面。在可選的實施方式中，表面83a、 84a和表面83b、 84b可表示圓錐形表面的橫截面。
圖2H示出也提供光功率的倒像器的另一例子。倒像器包括一對相同 的光學(xué)部件91、 92。部件91包括彎曲輸入表面91a、平反射表面91b和 平出射表面91c。部件91包括以平表面83a、 84a為界的氣隙。圖像倒置 過程由光線1501、 1502、 1503、 1504所指示出的光線的路徑而以示意性 方式表示。在氣隙處經(jīng)歷全內(nèi)反射的光線路徑由1505、 1506表示。表面 93a、 94a和表面93b、 94b可表示平表面。在可選的實施方式中，表面93a、 94a和表面93b、 94b可表示彎曲表面。在可選的實施方式中，表面93a、 94a和表面93b、 94b可表示圓錐形表面的橫截面。
類似于上面描述的方案的很多其它圖像倒置方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員 將很明顯。
屏幕4由具有適當?shù)穆浣堑谋惩队捌敛牧现瞥?。漫射角是根?jù)所需 要的觀察距離和觀察人員高度的范圍因素來確定的。如圖2A所示，根據(jù) 早些時候定義的幾何常規(guī)，屏幕包括中央部分41和由42a、 42表示的外 部環(huán)形部分。屏幕的中夾部分41和外部部分42a、 42b可設(shè)計成提供不同 的漫射特征。例如，中央和外部位置可由不同的材料制造。可選地，中央和外部部分可具有不同的結(jié)構(gòu)。屏幕部分中的一個或兩個可包括衍射結(jié) 構(gòu)，其設(shè)計成具有組合的光彎曲和漫射特性。屏幕可基于菲涅耳表面。屏 幕的一個或多個部分可使用全息光整形漫射器。屏幕可與透鏡3和多次反 射透鏡2的表面物理地分離?？蛇x地，屏幕可鄰接透鏡3和多次反射透鏡
2的表面。屏幕可為彎曲的。屏幕可在多次反射透鏡2的外表面中的一個
或兩個上實現(xiàn)，作為在所述外表面或所述外表面內(nèi)形成的表面浮雕結(jié)構(gòu)
(surface relief structure )上沉積的散射材料的薄層。屏幕可設(shè)計成將光導(dǎo) 引到實質(zhì)上向下的垂直方向上。
現(xiàn)在參考圖3和圖4解釋使用圖2的裝置來根據(jù)本發(fā)明的第一實施方 式形成被觀察的圖像。圖3示出在屏幕上顯示的圖像的幾何特征。小入射 角光傳播通過廣角透鏡系統(tǒng)元件的表面11、虛界面13、多次反射透鏡系 統(tǒng)的表面22、透鏡3和屏幕元件41,結(jié)果形成中央圓形圖像部分300。 大入射角光傳播通過廣角透鏡系統(tǒng)的表面11和虛界面13、在表面23a、 23b和21a、 21b處經(jīng)歷反射、并傳播通過透射表面24a、 24b和屏幕元件 42a、 42b,結(jié)果形成實質(zhì)上鄰接圓形區(qū)域的環(huán)形圖像區(qū)域400。通過謹慎 的光學(xué)設(shè)計可最小化在中央?yún)^(qū)域300和環(huán)形區(qū)域400之間的任何可見連接 的效應(yīng)。然而，可見邊界對大多數(shù)應(yīng)用來說可能是可接受的。現(xiàn)在參考圖 4將更詳細地解釋圖像區(qū)域300和400的形成。
圖4示出在子午面內(nèi)的入射光線的傳播。我們考慮小入射角光線100 和大入射角光線200。光線100是相應(yīng)于環(huán)形區(qū)域300的邊緣的界限光線。 換句話說，入射角等于或小于光線100的入射角的光線將在圓形區(qū)域300 中成像。光線200是界定外部環(huán)形區(qū)域400的內(nèi)邊緣的界限光線。換句話 說，入射角等于或大于光線200的入射角的光線將在環(huán)形圖像區(qū)域400 中成像。實際上，通過廣角透鏡系統(tǒng)的精確的光線路徑將取決于廣角透鏡 的光學(xué)配置和包括在其中的圖像旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的類型。為了簡化本發(fā)明的解 釋，沒有詳細示出通過廣角透鏡的光線路徑?？杉俣?，廣角透鏡包括了原 理與基于與圖2C到2H所示的倒像器的原理類似的倒像器。因此，在廣 角透鏡系統(tǒng)內(nèi)部的光線路徑由虛線101、 201表示。在通過廣角透鏡傳播 之后，光線101、 201分別作為光線102和202進入多次反射透鏡。
19我們首先考慮入射光線200在通過廣角透鏡傳播并進入多次反射透
鏡系統(tǒng)2之后的傳播。光線202與第一反射表面23a相交，并在方向203 上朝著第二反射表面21a反射，在該處，光線反射到方向204上。反射光 線204射在折射表面24a上，在該處，光線朝著屏幕元件42a折射到方向 205上。光線在屏幕元件42a處散射到通常由206表示的漫射光線方向上。
我們現(xiàn)在考慮入射光線100在通過廣角透鏡傳播并進入多次反射透 鏡系統(tǒng)2之后的傳播。光線102與中央折射表面22相交，在該處，它朝 著漫射屏幕元件41折射到光線方向103上。屏幕元件41設(shè)計成使從多次 反射透鏡的中央部分射出的光線彎曲到實質(zhì)上垂直于屏幕表面的觀察方 向上。最后，光線103被屏幕元件41散射到通常由104表示的漫射方向 上。
在圖5中示意性示出所提出的廣角觀察設(shè)備的第二實施方式。觀察設(shè) 備包括廣角透鏡系統(tǒng)1和多次反射透鏡系統(tǒng)2以及漫射屏5和另外的透鏡 系統(tǒng)3。因為廣角透鏡和多次反射透鏡系統(tǒng)的特征類似于在圖2-4中示出 的實施方式的特征，因此相同的標號用于描述這些表面元件。屏幕5可基 于關(guān)于圖2-4所示的實施方式討論的任何表面類型。屏幕包括中央部分 41和由41a、 41b表示的外部周圍部分。所述內(nèi)部和外部部分可具有實質(zhì) 上不同的散射特性。
圖6示出在子午面內(nèi)的入射光線的傳播。光線以與圖4的光線100、 200類似的方式被定義。我們考慮小入射角光線110和大入射角光線210。 在廣角透鏡系統(tǒng)內(nèi)部的光線路徑由虛線111、 211表示，其中為了解釋本 發(fā)明的目的，再一次簡化了對在所述透鏡內(nèi)部的光傳播的圖示?？赏瑯蛹?定，廣角透鏡將包括與圖2C到2H所示倒像器類似的倒像器。在通過廣 角透鏡傳播之后，光線1U、 211分別作為光線112和212進入多次反射 透鏡。
我們首先考慮入射光線210在通過廣角透鏡傳播并進入多次反射透 鏡系統(tǒng)2之后的傳播。光線212與第一反射表面23a相交，并在方向213 上朝著第二反射表面21a反射，在該處，它反射到方向214上。反射光線 214射在折射表面24a上，其中它朝著屏幕元件42a折射到方向215上。散射到通常由216表示的漫射光線方向上。
我們接著考慮入射光線110在通過廣角透鏡傳播并進入多次反射透 鏡系統(tǒng)2之后的傳播。光線112與中央折射表面22相交，在該處，它朝 著透鏡元件3折射到光線方向113上。透鏡元件3將光線113引導(dǎo)到朝向 漫射屏區(qū)域41的方向114上。理想地，光線114實質(zhì)上垂直于屏幕區(qū)域 41。最后，光線114被屏幕元件41散射到通常由115表示的漫射方向上。
在本發(fā)明的另外的實施方式中，類似于第一實施方式，廣角透鏡系統(tǒng) 和多次反射透鏡系統(tǒng)可為分離的，如圖7所示。廣角透鏡系統(tǒng)1至少包括 前折射表面11和后表面12。廣角透鏡也可包括如早些時候討論的轉(zhuǎn)像器。 在廣角透鏡和多次反射透鏡之間有分離的一個優(yōu)點是兩個彎曲表面可用 于優(yōu)化。圖7的實施方式的基本成像特性類似于圖2-4所示的實施方式的 那些特性。
在類似于第一實施方式的圖8所示的本發(fā)明的又一實施方式中，多次 反射透鏡系統(tǒng)可分成具有如圖8所示的相對的分離表面25和26的兩個元 件。這樣的布置將提供由氣隙分離的進一步的兩個表面，用于設(shè)計優(yōu)化。 所述表面可具有早些時候討論的任何表面形式。表面25和26每個可為包 括多于一個表面形式的連續(xù)的復(fù)合表面。例如，所述復(fù)合表面可具有中央 圓形部分和外部環(huán)形部分?？蛇x地，表面25和26可具有相同的、但相反 的曲率，使得在兩個元件之間沒有氣隙。表面25和26可為如圖8所示的 平面。如果模制工藝用于制造透鏡元件，則將多次反射透鏡分成兩個較薄 的元件可提供成本利益。圖8的實施方式的基本成像特性類似于圖2中所 示的實施方式的那些特性。
圖9示出本發(fā)明的另外的實施方式，其中多次反射透鏡系統(tǒng)分成具有 相對的分離的彎曲表面27和28的兩個元件。所述表面可具有早些時候討 論的任何表面形式。例如，表面27和28每個可為包括多于一個表面形式 的連續(xù)的復(fù)合表面。所述復(fù)合表面可具有中央圓形部分和外部環(huán)形部分。
根據(jù)圖4所示的光線路徑的考慮很清楚的是,從接近于大入射角光和 小入射角光之間的過渡的視場區(qū)域起源的光束的部分可通過中央部分22 和第一反射區(qū)域23a同時傳播。換句話說，在周圍場景中的點可產(chǎn)生光，被同時成像到圓形區(qū)域300和環(huán)形區(qū)域400中。此效應(yīng)可產(chǎn)生中央?yún)^(qū)域 300和環(huán)形區(qū)域400之間的可見連接。雖然可見邊界可能對大多數(shù)應(yīng)用是 可接受的，但將這樣的邊界減少到最小是有利的。再次參考圖4,光線100 是相應(yīng)于圓形區(qū)域300的邊緣的界限光線。換句話說，入射角等于或小于 光線100的入射角的光線將在圓形區(qū)域300中成像。光線200是界定外部 環(huán)形區(qū)域400的內(nèi)邊緣的界限光線。換句話說，入射角等于或大于光線 200的入射角的光線將在環(huán)形圖像區(qū)域400中成像。圖IO示出多次反射 透鏡的表面21、 22和23a的部分以及屏幕4的部分。我們考慮來自于環(huán) 境源的接近于界限光線的光線的傳播。具體地，我們考慮光線102a、 102b、 102c、 102d。與圖4所示一樣，光線102a、 102b朝著表面21a被反射表 面23a作為光線302a、 302b反射。光線302a、 302b朝著表面23a被反射 為光線402a、 402b，并朝著屏幕4被表面23a折射到方向502a、 502b上， 在點40處形成焦斑。同時光線102c、 102d通過表面22朝著屏幕4一皮透 射為光線103a、 103b,形成4妾近于點40的焦斑。
圖11示出可用于執(zhí)行圖4和圖10中表面22和23的功能的一種類型 的表面的例子。在圖11中，表面反射以大于界限光線入射角的角110a 入射的光105a。以小于或等于界限光線入射角的角110b入射的光105b 通過表面25透射到光線方向130上。應(yīng)注意，入射光在折射率介質(zhì)中傳 播。表面25具有光學(xué)特征，其允許反射以小于由所述折射率介質(zhì)和空氣 之間的界面界定的臨界角的角度發(fā)生。表面25可為衍射或全息表面?？?選地，表面可為菲涅耳表面。
在本發(fā)明的可選的實施方式中，圖2所示的倒像器方案由圖12所示 的可選的倒像器方案代替。根據(jù)圖12的考慮，應(yīng)看到，所述可選的倒像 器方案每個都有在與圖2的倒像器中的氣隙方向相對的方向上定向的氣 隙。特別地，變化如下。在圖12E中，部件61現(xiàn)在包括以平表面65a、 66a為界的氣隙。在圖12F中，部件71現(xiàn)在包括以平表面75a、 76a為界 的氣隙。在圖12G中，部件81現(xiàn)在包括以平表面85a、 86a為界的氣隙。 在圖12H中，部件91現(xiàn)在包括以平表面95a、 96a為界的氣隙。
在上面描述的本發(fā)明的第一實施方式中，通過在倒像器中提供氣隙和臨界角表面來消除雜散光。本發(fā)明的目的在本發(fā)明的另外的實施方式中實 現(xiàn)，其中氣隙和臨界角表面設(shè)置在第一實施方式的多次反射透鏡內(nèi)。圖
13-14示出這樣的可選實施方式的例子。圖13和圖14所示的實施方式分 別與圖5和圖7的實施方式相同，除了第一實施方式的多次反射透鏡分成 由小氣隙分開的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。MLR的第一元件具有從 廣角透鏡導(dǎo)入光的第一表面部分和由25a和25b所界定的第二表面部分。 第二元件具有與第 一元件的第二表面的形狀相同的由26a和26b界定的第 一表面部分以及第二表面。第一元件的第二表面和第二元件的第一表面由
場景的光，第一元件的第二表面作為全內(nèi)反射表面起作用。沒有被第一元 件的第二表面引導(dǎo)出多次反射透鏡的入射環(huán)境光被根據(jù)本發(fā)明的第一實
施方式的原理成像。參考圖13和圖14，應(yīng)看到，氣隙設(shè)置在表面25a、 26a以及表面25b、 26b之間。表面25a、 26a具有實質(zhì)上相似的形式。表 面25b、 26b具有實質(zhì)上相似的形式。在圖13-14中示出的表面25a、 26a 以及表面25b、 26b可表示平表面。在可選的實施方式中，在圖13-14中 示出的表面25a、 26a以及表面25b、 26b可表示彎曲表面。在可選的實施 方式中，在圖13-14中示出的表面25a、 26a以及表面25b、 26b可表示圓 錐形表面的橫截面。除所述氣隙的設(shè)置以外，多次反射透鏡的功能與如上 討論的本發(fā)明的第 一 實施方式的多次反射透鏡的功能相同。
注意，在圖13-14中示出的本發(fā)明的可選實施方式中，倒像器包括一 對相同的光學(xué)部件，每個進一步包括輸入表面、反射表面和出射表面。倒 像器不包括氣隙。在圖15中示出了在所述可選實施方式中使用的沒有氣 隙的倒像器的一般例子。除了沒有氣隙以外，圖15中所示的倒像器與圖 2或圖12中所示的倒像器相同。
在圖16-17中示出的本發(fā)明的可選實施方式中，氣隙在與圖13-14所 示的氣隙方向相對的方向上被定向。具體地，在圖16-17中，多次反射透 鏡現(xiàn)在包括以空氣分離表面27a、 27b和28a、 28b為界的氣隙，其中所述 空氣分離表面具有實質(zhì)上類似的形式。
我們接著考慮不使用上面描述的多次反射透鏡的本發(fā)明的實施方式。在包括廣角透鏡和漫射屏的特定實施方式中實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。在 圖18的側(cè)正視圖中示意性示出本發(fā)明的所述特定實施方式。在每種情況 中，廣角透鏡包括倒像器。在所述特定實施方式中的倒像器實質(zhì)上與在圖
2的實施方式中使用的倒像器相同。倒像器包括一對相同的上部件和下部
件。所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，
個部件進一步包括從外部場景導(dǎo)入光的輸入表面、反射表面和出射表面。 所述部件的反射表面背對背布置，實質(zhì)上彼此重疊和平行。每個部件分成 沿著外部場景的光路順次布置的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。第一元件 具有提供倒像器的輸入表面的第 一表面以及第二表面。第二元件具有與第 一元件的第二表面的形狀相同的第 一表面以及提供倒像器的出射表面的 第二表面。第一元件的第二表面和第二元件的第一表面由小氣隙分開。對 于在不導(dǎo)致在平反射表面的反射的方向上入射的來自外部場景的光，第一 元件的第二表面作為全內(nèi)反射表面起作用。沒有被第一元件的第二表面引
導(dǎo)出倒像器的入射環(huán)境光通過輸入表面，被所述反射表面反射，并最終通 過出射表面。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元件的所述第二表 面中的至少一個可為彎曲的。所述第一元件的所述第一表面和所述第二元 件的所述第二表面中的至少一個可為傾斜的表面。廣角透鏡可進一步包括 布置在倒像器和屏幕之間的至少一個分開的光學(xué)元件。廣角透鏡可進一步 包括布置在外部場景和倒像器之間的至少一個分開的光學(xué)元件。
因為可在本發(fā)明中使用的倒像器的細節(jié)已經(jīng)在圖2和圖12中示出， 所以在圖18的示意性圖示中沒有示出倒像器的細節(jié)。
在圖18A的側(cè)正視圖中示出的本發(fā)明的實施方式中，廣角透鏡包括 圖2G-2H所示類型的倒像器，其中光功率由倒像器提供。
在圖18B的側(cè)正視圖中示出的本發(fā)明的實施方式中，廣角透鏡包括 圖2E-2H所示類型的倒像器以及布置在所述倒像器和所述屏幕之間的另 外的透鏡元件。
在圖18C的側(cè)正視圖中示出的本發(fā)明的實施方式中，廣角透鏡包括 圖2E-2H所示類型的倒像器以及布置在所述倒像器和外部場景之間的另
24外的透鏡元件。
在圖18D的側(cè)正視圖中示出的本發(fā)明的實施方式中，廣角透鏡包括
圖2E-2H所示類型的倒像器、布置在所述倒像器和外部場景之間的透鏡 元件以及布置在所述倒像器和所述屏幕之間的另外的透鏡元件。
在圖18A-D中示出的任何實施方式中，與倒像器廣角透鏡結(jié)合使用 的透鏡元件可由多元件透鏡系統(tǒng)、反射鏡、衍射光學(xué)元件或在廣角透鏡系 統(tǒng)的設(shè)計中使用的任何其它類型的成像部件代替。
本基本發(fā)明不限于門安全觀察器?？赡艿膽?yīng)用包括在交通工具和過程 監(jiān)控中使用的觀察器。本發(fā)明可用于在成本因素、危險環(huán)境或隱私要求排 除窗戶的使用的很多應(yīng)用領(lǐng)域中提供可視訪問。本發(fā)明也可配置成在比安 全所需的接近得多的物體結(jié)合物(object conjugate )處操作。例如，本發(fā) 明可提供用于檢查紡織品、印刷材料的放大鏡。在很多應(yīng)用中，包括照明 源例如LED、激光器或白熾燈可能是有利的。
在旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)表面方面描述了門觀察器的圖像形成。然而，觀察 器也可使用基于其它形式例如圓柱形元件或變形的光學(xué)元件的光學(xué)元件。 在圖2-8中討論的光學(xué)元件可成形為提供橢圓形橫截面。可選地，可移除 光學(xué)元件的部分以提供矩形橫截面。
在一般門觀察器應(yīng)用中，被觀察的對象可能與觀察器的光軸一致或在 該光軸之下。因此，相應(yīng)于對象的中心的出射光線一般沿著光軸或在光軸 之上的某個角度。因此理想地，觀察屏應(yīng)具有不對稱的漫射特性，以便射 在屏幕上的光朝著標稱觀察位置彎曲。
門觀察器的設(shè)計需要謹慎的優(yōu)化來最大化光通過量并最小化象差和 失真。例如，可對色差與圖像失真進行折衷。
門觀察器的折射和反射表面可使用球面的、非球面的以及衍射的和本 領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它光學(xué)表面形式。特別是衍射光學(xué)表面可在優(yōu)化性 能方面起關(guān)鍵作用。衍射光學(xué)表面的使用將提供相當大的形狀因子利益， 包括減小所需的門孔尺寸和最小化觀察器屏幕離門表面的距離。為了顏色 校正的目的，在觀察器中使用的任何光學(xué)表面可包括衍射形式。使用衍射表面形式的進一步的利益包括提高圖像的圖像分辨率和補償色差。使用衍 射表面的其它利益對光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員將是熟悉的。
觀察器可包括用于在照明不足的條件下觀察的輔助光源。 對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)很清楚，本發(fā)明也可在光線路徑的方向反轉(zhuǎn) 的情況下應(yīng)用。
從圖2C-2G的考慮中很清楚，在每種情況中， 一半倒像器可用于形 成^L場的上部分或下部分的圖像的目的。
從附圖的考慮中很清楚，因為顯示裝置是關(guān)于倒像器反射表面的平面 對稱的，所以可提供使用裝置的上部分或下部分的顯示器。
雖然關(guān)于目前被認為是最實際和優(yōu)選的實施方式描述了本發(fā)明，應(yīng)理 解，本發(fā)明不限于所公開的布置，而是旨在覆蓋包括在本發(fā)明的實質(zhì)和范 圍內(nèi)的各種更改和等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，其用于顯示圖像，所述裝置包括廣角透鏡和屏幕；其中所述廣角透鏡在所述屏幕處形成外部場景的豎立像，其中所述廣角透鏡包括倒像器，其中所述倒像器包括上部件和下部件，其中所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，并且所述下部件操作來提供對以低于預(yù)定的入射角入射的光的垂直倒置，其中每個所述部件包括輸入表面、反射表面和出射表面，所述輸入表面從所述外部場景導(dǎo)入光，其中所述部件關(guān)于所述裝置的對稱軸對稱地布置，其中所述反射表面背對背布置且實質(zhì)上重疊，其中每個所述部件分成順次布置的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，其中所述第一元件具有第一表面以及第二表面，所述第一表面提供所述輸入表面，其中所述第二元件具有與所述第一元件的所述第二表面的形狀相同的第一表面以及提供所述出射表面的第二表面，其中所述第一元件的所述第二表面和所述第二元件的所述第一表面由氣隙分開，其中對于在不與所述反射表面相交的方向上入射的來自所述外部場景的光，所述第一元件的所述第二表面作為全內(nèi)反射表面起作用。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述第一元件的所述第一表面和 所述第二元件的所述第二表面中的至少一個是彎曲的。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所迷第一元件的所述第一表面和 所述第二元件的所述第二表面中的至少 一個為傾斜的平表面。
4. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述第一元件的所述第一表面和 所述第二元件的所述第二表面中的至少一個為圓錐形表面。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述反射表面是全內(nèi)反射表面。
6. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述表面由所述第一元件和所述 第二元件分成兩個部分。
7. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述廣角透鏡包括布置在所述倒 像器和所述屏幕之間的至少一個透鏡。
8. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述廣角透鏡包括布置在所述外 部場景和所述倒像器之間的至少一個透鏡。
9. 一種用于顯示圖像的裝置，包括 廣角透鏡和屏幕；其中所述廣角透鏡包括倒像器，其中所述倒像器包括相同的上部件和下部件，其中每個所述部件包括輸入表面、反射表面和出射表面，所述輸入表 面從所述外部場景導(dǎo)入光，其中所述反射表面背對背布置且實質(zhì)上重疊， 其中每個所述部件分成順次布置的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，其中所述第 一元件具有第 一表面以及第二表面，所述第 一表面提供所 述輸入表面，其中所述第二元件具有與所述第 一元件的所述第二表面的形 狀相同的第 一表面以及提供所述出射表面的第二表面，其中所述第 一元件的所述第二表面和所述第二元件的所述第 一表面 由氣隙分開。
10. —種裝置，其用于顯示圖像，所述裝置包括 廣角透鏡、多次反射透鏡和屏幕；其中所述廣角透鏡從外部場景導(dǎo)入光； 其中所述多次反射透鏡包括第一光透射表面，其操作來從所述廣角透鏡引入光； 第二光透射表面，其操作來朝著觀察人員透射光； 第三光透射表面，其操作來朝著觀察人員透射光； 第一光反射表面；以及 第二光反射表面；其中所述廣角透鏡包括倒像器，其中所述倒像器包括上部件和下部件，其中所述上部件操作來提供對以高于預(yù)定的入射角入射的光的垂直 倒置，并且所述下部件操作來提供對以低于預(yù)定的入射角入射的光的垂直 倒置，其中每個所述部件包括輸入表面、反射表面和出射表面，所述輸入表 面從所述外部場景導(dǎo)入光，其中所述部件關(guān)于所述裝置的對稱軸對稱地布置，其中所述反射表面背對背布置且實質(zhì)上重疊，其中每個所述部件分成順次布置的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，其中所述第 一元件具有第 一表面以及第二表面，所述第 一表面提供所 述輸入表面，其中所述第二元件具有與所述第 一元件的所述第二表面的形 狀相同的第 一表面以及提供所述出射表面的第二表面，其中所述第一元件的所述第二表面和所述第二元件的所述第一表面 由氣隙分開，景的光，所述第一元件的所述第二表面作為全內(nèi)反射表面起作用，其中從所迷外部場景到所述觀察人員的第一多個光路通過所迷第一 透射表面，橫穿至少一種光折射介質(zhì)并通過所述第二透射表面；以及其中從所述外部場景到所述觀察人員的第二多個光路通過所述第一 透射表面，在所述第一反射表面經(jīng)歷第一次反射和在所述第二反射表面經(jīng)歷第二次反射，并通過所述第三透射表面；所述光路橫穿至少一種光折射 介質(zhì)。
11. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其中漫射屏布置在所述多次反射透 鏡和所述觀察人員之間。
12. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，其中所述倒像器包括一對相同的光 學(xué)元件，每個光學(xué)元件進一步包括輸入表面、平反射表面和出射表面，其 中所述光學(xué)元件關(guān)于所述多次反射透鏡的對稱軸對稱地布置，且其中所述 平反射表面實質(zhì)上鄰接。
13. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，其中所述第一多個光路相應(yīng)于具有 在所述第一透射表面處的小于或等于預(yù)定值的入射角的入射光，且其中所 述第二多個光路相應(yīng)于具有在所述第一透射表面處的大于所述預(yù)定值的入射角的入射光。
14. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第一多個光路相應(yīng)于具有 小于在所迷第一反射表面處的臨界角的入射角的入射光，且其中所述第二 多個光路相應(yīng)于具有大于或等于在所述第一反射表面處的所述臨界角的 大入射角的入射光。
15. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第二反射表面圍繞所述第 一透射表面，其中所述第一反射表面圍繞所述第二透射表面，以及其中所 述第三透射表面圍繞所述第 一反射表面和所述第二透射表面。
16. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其中透鏡和漫射屏連續(xù)地布置在所 述多次反射透鏡和所述觀察人員之間。
全文摘要
公開了一種用于安全應(yīng)用的廣角觀察裝置。該裝置包括廣角透鏡和漫射屏。廣角透鏡包括倒像器和用于消除雜散光的裝置。
文檔編號G02B17/04GK101542351SQ200780043917
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者安托萬·伊凡·麥斯歐, 米蘭·莫姆希洛·波波維奇 申請人:米蘭·莫姆希洛·波波維奇