Установка для улучшения бинокулярного зрения Российский патент 2020 года по МПК E06B7/30 G02B13/00 G02B25/04 G02B27/00 

Настоящее изобретение относится к установке для улучшения поля бинокулярного зрения.

При наличии конструкционных стоек, а также конструкционных элементов вообще, бинокулярное зрение частично перекрывается и ухудшается из-за их большой толщины. В частности, ширина перекрываемого участка поля зрения обратно пропорциональна расстоянию от глаз до стойки.

Этот недостаток в общем случае особенно опасен в транспортной сфере, а в частности - в автомобильной отрасли. В этом отношении конструкционные стойки автомобиля частично препятствует боковому зрению, что может помешать водителю заметить присутствие объектов небольших размеров (например, пешеходов, велосипедистов и мотоциклистов), а это связано с риском возникновения аварий и (или)столкновений.

Кроме того, в течение последних десятилетий из соображений безопасности, направленных главным образом на уменьшение последствий, связанных с переворачиванием автотранспортных средств, вертикальные стойки пассажирского салона выполняют все более утолщенными, что неизбежно приводит к появлению все более широких зон, где ухудшается нормальное бинокулярное зрение.

Соответственно, с точки зрения строительства, конструкционные элементы, поддерживающие здание вместе с дверными и оконными рамами, уменьшают обзор, отрывающийся наружу, и ухудшают освещение его внутренних комнат. В частности, стойка или соединительная часть, вставляемая между двумя прозрачными элементами, как правило, определяет видимый разрыв, нарушающий визуальное восприятие наблюдаемого объекта.

В патенте GB 1493244 раскрывается способ определения расхождения при совмещении опорной точки или опорной оси с фиксируемой осью. В частности, в нем описано использование афокальной оптической системы, содержащей конструкцию из линз, расположенных на общей оптической оси, для определения погрешностей позиционирования на рабочем столе применительно к рабочей режущей головке.

В патенте US 7280283 раскрывается эндоскопическая объективная оптическая система, состоящая из серии различных групп линз, расположенных последовательно. В частности, данная система очень сложна и включает четыре группы линз: первую группу, содержащую выпуклую менисковую линзу, вторую группу, содержащую положительную линзу, третью группу линз, содержащую по меньшей мере одну вогнутую поверхность преломления и обладающую положительной общей преломляющей силой, и четвертую группу линз, обладающую положительной преломляющей силой и содержащую отрицательную менисковую линзу и двояковыпуклую линзу. Кроме того, между первой и второй группами линз предусмотрена диафрагма.

В патенте US 4892399 раскрывается монокуляр, предназначенный для установки в двери, чтобы наблюдатель мог рассмотреть людей, расположенных перед ней. Это устройство видения содержит сложную оптическую систему, сформированную из двух призм, размещенных горизонтально одна на другой, выпуклую фронтальную линзу, промежуточную плосковыпуклую линзу и выпуклую заднюю линзу.

В патенте US 4257670 раскрывается монокуляр, предназначенный для установки в двери. В частности, он содержит оптическую систему, сформированную из трех групп линз, а именно: первой группы линз, включающей менисковую линзу и двояковыпуклую линзу, второй группы линз, включающей пять плосковыпуклых линз, равноудаленных друг от друга, и третьей группы линз, включающей плосковыпуклую линзу.

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, позволяющую при наличии препятствий, закрывающих поле зрения, улучшить бинокулярное зрение, не вызывая каких-либо оптических аберраций.

Другая цель изобретения состоит в том, чтобы предложить установку, позволяющую уменьшить, устранить и (или) сделать мало значимым участок поля зрения, закрываемый препятствиями, присутствующими в поле зрения.

Другая цель изобретения состоит в том, чтобы предложить установку, позволяющую при наличии соединительной части между двумя прозрачными элементами устранить зрительное восприятие той зоны наблюдения, которая связана с данной соединительной частью, и, следовательно, обеспечить непрерывность поля зрения между двумя прозрачными элементами.

Другая цель изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, отличающуюся простым, быстрым и малозатратным производством.

Другая цель изобретения состоит в том, чтобы предложить установку, которую можно также легко и быстро применить в уже существующих конструкциях.

Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить установку, не предполагающую использование исключительно монокулярного зрения и (или) не требующую от наблюдателя непосредственного контакта с самой установкой, как это требуется в монокуляре.

Все эти и другие цели, которые будут понятны из последующего описания, достигаются согласно настоящему изобретению за счет использования установки с характеристиками, заявленными в п. 1 формулы изобретения, и конструкционных элементов с характеристиками, заявленными в п. 19 формулы изобретения.

Далее настоящее изобретение раскрывается дополнительно на примере некоторых предпочтительных вариантов его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

на Фиг. 1 схематично показано бинокулярное зрение при наличии твердой конструкционной стойки в соответствии с известным уровнем техники;

на Фиг. 2 схематично показано бинокулярное зрение в присутствии установки в соответствии с настоящим изобретением,

на Фиг. 3 показан горизонтальный разрез деталей установки в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 4 показан вертикальный разрез для первого варианта реализации конструкционного элемента установки в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 5 показано бинокулярное видение объекта через апертуру (диафрагму) стойки без оптической системы, используемой в установке в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 6 показано бинокулярное видение того же объекта, что и на Фиг. 5, наблюдаемого через апертуру (диафрагму) стойки, где установлена оптическая система, используемая в установ1 е в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 7 показан второй вариант реализации конструкционного элемента установки в соответствии с изобретением в том же виде, что и на Фиг. 4;

на Фиг. 8 показан третий вариант реализации конструкционного элемента в том же виде, что и на Фиг. 4;

на Фиг. 9 показан вертикальный разрез установки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, на виде сбоку, где конструкционный элемент расположен под наклоном;

на Фиг. 10 показан вид конструкционного элемента в разрезе, выполненном по линии Х-Х, изображенной на Фиг. 9; и

на Фиг. 11 показан вид конструкционного элемента в разрезе, выполненном по линии XI-XI, изображенной на Фиг. 9.

Как видно из Фиг. 1, вертикальная конструкционная стойка 2, расположенная в поле зрения, закрывает одну из его зон, создавая так называемую невидимую зону 4. В частности, в присутствии стойки 2 в виде единственной детали, невидимая зона 4 получается в том случае, если размер поперечного сечения 5 стойки 2 превышает расстояние 6 между глазами 8' и 8'' наблюдателя. Кроме того, ширина невидимой зоны 4 зависит от размера поперечного сечения 5 стойки 2, расстояния 10 между глазами 8' и 8'' наблюдателя и стойкой 2, а также от проекции 12 межзрачкового расстояния в направлении стойки.

Как можно увидеть из Фиг. 2-8, установка 50 в соответствии с настоящим изобретением содержит конструкционный элемент 52, например, вертикальную или наклонную стойку, имеющую сквозную апертуру (или диафрагму) 54, где используется оптическая система 56, содержащая две собирающие линзы 58, 62, а между ними по центру вставлена рассеивающая линза 60.

В частности, конструкционный элемент 52, например, вертикальная или наклонная стойка, имеет тип, закрывающий поле зрения наблюдателя, когда он находится на расстоянии от наблюдателя, равном или превышающем расстояние 6 между глазами 8', 8'' наблюдателя.

В частности, оптическая система 56 содержит оптические элементы, расположенные в следующей последовательности:

- плосковыпуклую первую линзу 58 с выпуклостью, обращенной наружу;

- двояковогнутую вторую линзу 60, расположенную по центру;

- плосковыпуклую третью линзу 62 с выпуклостью, обращенной наружу и зеркально противоположной выпуклости первой линзы 58.

Оптическая система 56 выполнена соответствующим образом, чтобы он могла иметь угол поля зрения (определяемый относительно центра второй центральной линзы 60) в диапазоне от 30 до 90°, предпочтительно составляющий около 40°.

Как показано на Фиг. 3, используемый в дальнейшем термин «осевая длина 40» оптической системы 56 обозначает расстояние вдоль оптической оси между внешними вершинами первой линзы 58 и третьей линзы 62.

Предпочтительно, чтобы первая линза 58 имела радиус кривизны равный половине осевой длины 40 оптической системы 56.

Целесообразно, чтобы вторая линза 60 обладала подходящей симметричной кривизной, сферической или асферической (т.е. задавала профиль поверхности, не являющейся частью сферы или цилиндра с круглым основанием).

Предпочтительно, чтобы третья линза 62 имела радиус кривизны равный радиусу кривизны первой линзы 58.

Если говорить более подробно, плоские части первой линзы 58 и третьей линзы 62 имеют размеры, соответствующие размерам конструкционного элемента 52.

Конструкционный элемент 52 разделяется на две части, отделяемые одна от другой с помощью апертуры (или диафрагмы) 54, куда вставляют и помещают двояковогнутую вторую линзу 60. Первую линзу 58 и третью линзу 62 располагают соответствующим образом, чтобы закрыть противоположные стороны апертуры 54.

Целесообразно, чтобы первая линза 58 и третья линза 62 имели коэффициенты преломления (n_d) в диапазоне от 1,43 до 1,63, предпочтительно около 1,53, и число Аббе (V_d) в диапазоне от 37 до 67, предпочтительно около 52. Целесообразно, чтобы третья линза 60 имела коэффициент преломления (n_d) в диапазоне от 1,64 до 1,84, предпочтительно около 1,74, и число Аббе (V_d) в диапазоне от 27 до 57, предпочтительно около 42.

Световые лучи, проходящие через оптическую систему 56 сводятся в одну точку и передаются с помощью плосковыпуклой третьей линзы 62 по направлению ко второй двояковогнутой линзе 60, расположенной в центральной апертуре 54 конструкционного элемента 52, где используется данная оптическая система. Это позволяет наблюдателю достичь двойного бинокулярного поля зрения с помощью апертуры (диафрагмы) 54 и, следовательно, получить возможность бинокулярного видения из точек 8', 8'' без невидимых зон 4.

Говоря более подробно, увеличение видимого бинокулярного поля зрения достигается за счет видимого увеличения с помощью апертуры или диафрагмы 54 для ввода света, формируемой с использованием плосковыпуклой линзы 62. Другими словами, как показано на Фиг. 3, увеличивается реальная апертура 42 диафрагмы 54, чтобы в результате получить видимую (или мнимую) апертуру 44.

Целесообразно, чтобы отношение реальной апертуры 42 диафрагмы 54 к осевой длине 40 оптической системы 56 составляло от 0,3 до 0,5, предпочтительно около 0,4, тогда как отношение видимой (или мнимой) апертуры 44 диафрагмы 54 к осевой длине 40 составляло от 0,5 до 0,7, предпочтительно около 0,6.

Вторая двояковогнутая центральная линза 60 устраняет сходимость лучей, сфокусированных с помощью линзы 62, путем рассеивания пучка входящих лучей в той же степени, но с противоположным знаком в фокальной точке линзы 58 оптической системы 56. По этой причине световой пучок, покидающий оптическую систему 56, параллелен и имеет такие же размеры, что и входящий пучок, однако угловые размеры последнего на 50% больше, чем угловые размеры светового пучка, который входил бы в диафрагму 54 при отсутствии оптической системы 56.

В частности, если бы оптическая система 56 отсутствовала, то объект 100 был бы виден наблюдателю через апертуру (или диафрагму) 54 так, как это видно на Фиг. 5, т.е. с боковыми участками, закрываемыми конструкционным элементом 52; напротив, наличие оптической системы 56 (которая присутствует, но не показана на Фиг. 6) позволяет удвоить бинокулярное поле зрения таким образом, чтобы объект 100 был полностью виден наблюдателю через апертуру (или диафрагму) 54 (как показано на Фиг. 6), при этом наблюдатель расположен на расстоянии от конструкционного элемента, равном или превышающем межзрачковое расстояние наблюдателя.

Линзы 58, 60 и 62 оптической системы 56 расположены таким образом, что общая система относится к нейтральному афокальному типу, т.е. система 56 не имеет фокальной плоскости реальной или мнимой сходимости световых лучей, при этом изображения объекта, получаемые с использованием последовательности линз 58,60 и 62 системы, остаются неизменными в части положения и видимых размеров. Это позволяет увеличить ширину бинокулярного поля зрения и одновременно с этим иметь малые оптические аберрации.

Если апертура 54, выполненная в конструкционном элементе 52, круглая, оптическую систему 56 формируют в сферическом варианте исполнения (см. Фиг. 7). В частности, в этом варианте исполнения контуры трех линз 58, 60 и 62 имеют круглый профиль. Установка 50 в соответствии с изобретением также может содержать конструкционный элемент 52, снабженный серией отдельных круглых отверстий 54, каждое из которых предназначено для размещения соответствующей оптической системы 56 в сферическом варианте исполнения (см. Фиг. 8).

Если апертура 54, выполненная в конструкционном элементе 52, имеет удлиненную прямоугольную форму, оптическую систему 56 формируют в цилиндрическом варианте исполнения (см. Фиг. 4). В частности, в этом варианте исполнения линзы 58, 60 и 62 имеют удлиненную форму в том направлении, в котором проходит прямоугольная апертура 54, при этом криволинейные поверхности являются цилиндрическими, а не сферическими.

Цилиндрический вариант исполнения оптической системы 56 предпочтительно использовать для конструкционных элементов или стоек 52, расположенных вертикально или имеющих наклон равный или меньший 30° относительно положения наблюдателя, поскольку в случае превышения этого угла наклонная часть цилиндрического варианта исполнения системы теряет свою нейтральность.

Для конструкционных элементов или стоек 52, расположенных под наклоном к направлению наблюдения, например, под углом 45° (см. Фиг. 9), оптическая система 56 должна быть соответствующим образом вытянута вдоль наклонной оси расположения конструкционного элемента или стойки 52. В частности, горизонтальное сечение (см. Фиг. 10) оптической системы 56 для наклонного конструкционного элемента 52 соответствует горизонтальному сечению, используемому для вертикального конструкционного элемента 52, тогда как сечение оптической системы 56, образуемое в плоскости перпендикулярной оси расположения (наклона), будет таким, как показано на Фиг. 11.

Целесообразно, чтобы оптическая система 56 могла вставляться в круглую апертуру (или диафрагму) 54 по типу иллюминатора. Это позволяет увеличить бинокулярное поле зрения на 50%, не вызывая оптических искажений, приводящих к изменению формы, при одновременном уменьшении размеров апертуры.

Из вышеизложенного очевидно, что установка в соответствии с настоящим изобретением обладает особыми полезными эффектами, поскольку:

- установка позволяет уменьшить и (или) устранить невидимую зону;

- установка позволяет поддерживать неизменной прочность конструкционного элемента, при этом обеспечивая мнимое уменьшение его размеров; в частности, это позволяет получить бинокулярное видение через апертуру (или диафрагму) с видимыми размерами, превышающими реальные размеры на 50%;

- если конструкционный элемент установки представляет собой вертикальную стойку автомобиля, установка позволяет устранить нарушение бинокулярного зрения водителя (или пассажиров), вызванное наличием указанной стойки, и обеспечивает непрерывное восприятие изображений, наблюдаемых через ветровое стекло транспортного средства или боковое окно;

- установка позволяет увеличить бинокулярное поле зрения, не вызывая какого-либо оптического искажения, что особенно полезно в военной и авиационной отрасли,

где металлические конструкционные элементы, например, в разведывательном самолете или наземной бронированной машине, выполняют особенно толстыми.

В частности, в отличие от настоящего изобретения в патентах GB 1493244 и US 7280283 ни в каком виде не предлагается использовать нейтральную афокальную систему для улучшения поля зрения при наличии конструкционного элемента.

Если говорить более подробно, в отличие от настоящего изобретения, в патенте GB 1493244 раскрывается использование тонких линз, где на основе отношения толщины к фокусному расстоянию используемых линз вычисление сопряженных точек можно упростить за счет использования синтетических оптических формул, не учитывающих влияние толщины материала; в частности, условия, необходимые для применения этих формул, не подходят для настоящего изобретения, где общая толщина линз равна или превышает 50% от общей длины системы.

Если рассмотреть это более подробно, в отличие от настоящего изобретения последовательность из четырех групп линз, предлагаемая в патенте US 7280283, служит для корректировки и изменения сходимости, учитывая тот факт, что наклонный и расходящийся входящий пучок выходит сходящимся и с различной апертурой. Другими словами, это означает, что система линз в патенте US 7280283 не является афокальной и нейтральной. Кроме того, учитывая, что апертуры, где установлены линзы третьей группы, являются идентичными, и в частности тот факт, что для центрального отрицательного элемента не предусмотрено сокращение диаметра (апертуры), явно доказывает, что эти линзы никоим образом не предназначены для улучшения бинокулярного поля зрения в присутствии конструкционного элемента.

Кроме того, оба патента US 4892399 и US 4257670 относятся к дверному монокуляру, т.е. к области применения совершенно отличной от той, что предусмотрена в установке в соответствии с настоящим изобретением; в этом отношении при использовании дверного монокуляра наблюдатель должен значительно приблизить глаз к отверстию, выполненному в двери, где установлена оптическая система монокуляра, и, кроме того, эта оптическая система позволяет использовать лишь монокулярное зрение, при этом требуется, чтобы наблюдатель закрыл другой глаз, т.е. тот, который расположен не перед монокуляром.

Установка (50) для улучшения ноля бинокулярного зрения, содержащая конструкционный элемент (52), расположенный на некотором расстоянии от наблюдателя, равном или превышающем межзрачковое расстояние наблюдателя, при этом конструкционный элемент (52) представляет собой вертикальную или наклонную стойку с возможностью размещения между двумя прозрачными поверхностями и снабжен по меньшей мере одной сквозной апертурой (54), используемой оптической системой (56), содержащей две собирающие линзы (58, 62), между которыми по центру вставлена рассеивающая линза (60), при этом расстояние между каждой из указанных собирающих линз (58, 62) и центральной рассеивающей линзой (60) выбирают таким, чтобы данная оптическая система (56) относилась к нейтральному афокальному типу. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Установка (50) для улучшения поля бинокулярного зрения, содержащая конструкционный элемент (52), расположенный на определенном расстоянии от наблюдателя, равном или превышающем межзрачковое расстояние наблюдателя, отличающаяся тем, что конструкционный элемент (52) представляет собой вертикальную или наклонную стойку с возможностью размещения между двумя прозрачными поверхностями и выполнен по меньшей мере с одной сквозной апертурой (54), используемой оптической системой (56), содержащей две собирающие линзы (58, 62), между которыми вставлена центральная рассеивающая линза (60), при этом расстояние между каждой из указанных собирающих линз (58, 62) и центральной рассеивающей линзой (60) выбрано с обеспечением отнесения данной оптической системы (56) к нейтральному афокальному типу.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что конструкционный элемент (52) содержит две части, отделенные одна от другой сквозной апертурой (54).

3. Установка по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что центральная рассеивающая линза (60) размещена в одной плоскости с апертурой (54), при этом апертура (54) закрыта с двух противоположных сторон двумя собирающими линзами (58, 62).

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что центральная рассеивающая линза (60) расположена внутри сквозной апертуры (54).

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что:

- каждая из двух собирающих линз содержит плосковыпуклую линзу с выпуклостью, обращенной наружу;

- центральная рассеивающая линза содержит двояковогнутую линзу (60).

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что две собирающие линзы (58, 62) имеют радиус кривизны, равный половине осевой длины (40) оптической системы (56).

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что центральная рассеивающая линза (60) обладает сферической или асферической кривизной.

8. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что

- две собирающие линзы (58, 62) имеют коэффициенты преломления (nd), приблизительно составляющие 1,43-1,63, и число Аббе (Vd), приблизительно равное 37-67, и (или)

- центральная рассеивающая линза (60) имеет коэффициент преломления (nd), приблизительно составляющий 1,64-1,84, и число Аббе (Vd), приблизительно равное 27-57.

9. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что оптическая система (56) имеет угол поля зрения, определяемый относительно центра второй центральной рассеивающей линзы (60), приблизительно составляющий от 30 до 90°.

10. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что собирающая линза (62), через которую попадает световой луч, обеспечивает увеличение сквозной апертуры (54) от реального размера (42) до видимого размера (44), расширяя в результате поле бинокулярного зрения.

11. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что

- отношение реального размера (42) сквозной апертуры (54) к осевой длине (40) оптической системы (56) составляет около 0,3-0,5;

- отношение видимого размера (44) сквозной апертуры (54), определяемого светом, попадающим в собирающую линзу (62), к осевой длине (40) оптической системы (56) составляет около 0,5-0,7.

12. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что плоская часть плосковыпуклых линз (58, 62) имеет размеры, соответствующие размерам конструкционного элемента (52).

13. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что апертура (54) имеет круглую форму, при этом оптическая система (56) выполнена сферической формы.

14. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что апертура (54) имеет прямоугольную форму, при этом оптическая система (56) выполнена цилиндрической формы.

15. Установка по предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что конструкционный элемент (52) расположен под наклоном, при этом оптическая система (56) выполнена цилиндрической формы и вытянута вдоль наклонной оси расположения конструкционного элемента (52).

16. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что оптическая система (56) размещена в круглой апертуре (54) и при этом она имеет форму иллюминатора.

17. Установка по одному или нескольким предыдущим пунктам, отличающаяся тем, что конструкционный элемент (52) представляет собой вертикальную или наклонную стойку автомобиля и (или) самолета.

18. Конструкционный элемент (52) автомобиля, самолета, стены или здания, отличающийся тем, что содержит установку по одному или нескольким предыдущим пунктам.