專利名稱：利用諧振光纖圖像產(chǎn)生法的單中心自動立體光學裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于觀看用電子學方法產(chǎn)生的圖像的自動立體顯示系統(tǒng)，更具體地說，涉及用于利用諧振光纖元件產(chǎn)生左眼圖像和右眼圖像、以便形成圖像的裝置和方法，所述裝置具有光學元件的單中心配置、以便提供很寬的視場和大的出射光瞳。
在SID 99 Digest的“Autostereoscopic Properties ofSpherical Panoramic Virtual Display(球面全景虛擬顯示的自動立體特性)”一文中，G.J.Kintz公開了一種提供寬視場的自動立體顯示的途徑。利用Kintz的方法，不需要眼鏡或頭套。但觀眾的頭部必須定位在一個快速轉(zhuǎn)動的球形外殼中，所述球形外殼上有LED發(fā)射器陣列，由單中心鏡成像，以形成準直的虛像。雖然Kintz的設計為具有寬視場的真正自動立體系統(tǒng)提供了一種解決方案，但所述設計有相當多的缺點。Kintz設計的缺點之一就是要求觀眾的頭部與飛速旋轉(zhuǎn)的表面十分靠近。這種方法要求具有能最大限度地減少因與旋轉(zhuǎn)表面上的元件相接觸而產(chǎn)生的事故和傷害的措施。即使有保護屏蔽，靠近飛速運動的表面至少也會使觀眾有些擔心。而且，使用這種系統(tǒng)對頭部的活動會有相當大的限制。
在S.A.Benton，T.E.Slowe，A.B.kropp，和S.L.Smith的“Micropolarizer-based multiple-viewer autostereoscopicdisplay(基于微偏振鏡的多觀眾自動立體顯示)”一文中(發(fā)表于Stereoscopic Displays and virtual Reality Systems VI，SPIE，January，1999)說明了一種將一對投影儀的出射光瞳成像到觀眾眼睛上進行工作的自動立體系統(tǒng)。如Benton在上述文章中所述，光瞳成像可以利用大的透鏡或鏡面來實現(xiàn)。眼睛與成像的光瞳一致的觀眾，不用戴任何類型的眼鏡，就可以觀看到?jīng)]有交叉干擾的立體場景。
很容易理解，提供大視場的3-維圖像就可以增強利用光瞳成像的自動立體系統(tǒng)所提供的觀看體驗的價值和真實感質(zhì)量。如果允許觀眾坐得舒適，不使頭部的活動限制在很小的范圍，且不需要戴護目鏡或其他裝置，這種系統(tǒng)對于侵沒式觀看功能最為有效。為了完全滿意的3維觀看，這種系統(tǒng)應對右眼和左眼提供單獨的、高分辨率的圖像。也很容易理解，這種系統(tǒng)最好設計成小型結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生具有視場深度和寬度的幻覺，但占用盡可能小的實際面積和體積。為了具有最真實的觀看體驗，向觀眾提供的虛像應出現(xiàn)在一定的距離之外。
眾所周知，與聚散度和調(diào)節(jié)度相關(guān)聯(lián)的深度提示(cues)之間的矛盾會對觀看體驗產(chǎn)生不利的影響。聚散度是指觀眾的眼睛為了融合在視場內(nèi)物體的單獨圖像而必須交叉的程度。觀看的物體變遠時，聚散度減小，然后消失。所述調(diào)節(jié)度是指觀眾的眼球晶狀體為維持所關(guān)心的物體聚焦在視網(wǎng)膜上而改變形狀的要求。已知當觀眾一段時間處于聚散度和調(diào)節(jié)度不匹配的深度提示時，觀眾的深度感覺會暫時變差。此外，眾所周知，當調(diào)節(jié)提示對應于遠景圖像位置時這種對深度感覺的負面影響可以減輕。
美國專利NO.5671992(Richard)公開了一種傳統(tǒng)的自動立體顯示單元的實例，其中坐著的觀眾體驗了明顯的3維視覺效果，這種效果是利用單獨的投影儀(每只眼睛一個)產(chǎn)生的并利用包括若干反射鏡的成像系統(tǒng)導向觀眾的圖像來建立的。
立體成像的傳統(tǒng)的解決方案解決了上述一些挑戰(zhàn)，但仍有改進的余地。例如，一些早期的立體系統(tǒng)使用特殊的頭套、護目鏡或眼鏡來提供3維觀看效果。作為這種系統(tǒng)的一個實例，美國專利NO.6034717(Dentinger等)公開了一種投影顯示系統(tǒng)，要求觀眾戴上一付無源偏振眼鏡，選擇性地將適合的圖像引導到每個眼睛來建立3維效果。
當然，也存在一些情況，在這些情況下可以認為某種類型的頭套適合于立體觀看，例如在模擬應用時。對于這種應用，美國專利NO.5572229(Fisher)公開了一種提供寬視場的立體觀看的投影顯示頭套。但是，只要可能，提供自動立體觀看而觀眾不需戴任何裝置(如美國專利NO.5671992所公開的裝置)總是有利的。允許頭部運動有一定的自由度也會是有利的。相反，美國專利NO.5908300(Walker等)公開了一種懸掛-滑動模擬系統(tǒng)，使觀眾的頭部保持在固定位置。雖然所述解決方案在Walker等公開的有限模擬環(huán)境中尚可忍受，而且可能會簡化裝置的整體光學設計，但對頭部運動的限制在浸沒式系統(tǒng)中是不利的。顯然，在Walker等人的專利中公開的系統(tǒng)采用了窄的觀看孔徑，大大限制了視場。在美國專利NO.5908300中公開的裝置中采用了位于離軸方向的復雜的傳統(tǒng)投影透鏡，用比例法來獲得所需的輸出光瞳大小。
已開發(fā)出許多系統(tǒng)來提供立體效果，其方法是通過分束器向觀眾呈現(xiàn)距觀眾不同距離的兩個屏幕的組合圖像，從而建立立體成像的幻覺，如美國專利No.5255028(Biles)所述。但是，這種類型的系統(tǒng)限于小視角，因而不適用于提供身臨其境的觀看體驗。而且，用這種系統(tǒng)顯示的圖像是真實的圖像，在離觀眾靠近處呈現(xiàn)，因此很易引發(fā)前述的聚散和調(diào)節(jié)問題。
通常已知為了最大限度減小聚散/調(diào)節(jié)效應，3-D觀看系統(tǒng)應在距觀眾較遠處顯示其立體圖像對，無論是實像或虛像。對于實像，這就意味著必須采用大的顯示屏。最好放置在距觀眾有一定的距離處。而對于虛像，則可使用較小的曲面鏡，如美國專利No.5908300(Walker等)所述。曲面鏡作為準直器，在距觀眾較遠處提供虛像。在發(fā)表于Stereoscopic Displays and Virtual RealitySystems VII，Proceedings of SPIE，Volume 3957(Mckay，Mair，Mason，Revie)的“Membrane Mirror BasedAutostereoscopic Display for Tele-Operation and TelepresenceApplications”一文中，公開了另一種用于立體成像的系統(tǒng)，它使用可伸展的薄膜鏡。雖然Mckay公開的裝置提供小的出射光瞳，但只要改變投影光學的比例就可在一定程度上擴大所述光瞳。但是，由于使用傳統(tǒng)的投影光學并由于限制薄膜鏡曲率的尺寸限制，Mckay文章中公開的裝置其視場有限。
曲面鏡也已用于在立體系統(tǒng)中提供實像，此時曲面鏡不是用作準直器。例如在美國專利No.4623223(Kempf)和4799763(David等)中公開了這種系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)通常適用于僅需要小視場的場合。
顯然，現(xiàn)有的立體投影的解決方案是將圖像投影到扁平的屏幕上，即使在此所述圖像又再從曲面反射。這就導致不希望有的的失真和其他像差，限制了視場，并在總體上限制了圖像質(zhì)量。
從光學觀點看，可以看出利用光瞳成像對自動立體設計是有利的。光瞳成像的系統(tǒng)必須對應地向左光瞳和右光瞳提供單獨的圖像，并提供最自然的觀看條件，不需要戴護目鏡或頭套。此外，這樣的系統(tǒng)如能對觀眾提供最大可能光瞳，以便有某些活動的自由并提供超寬的視場就會很有利。在現(xiàn)有光學技術(shù)上已知這些要求中的每一個本身都難以實現(xiàn)。理想的自動立體成像系統(tǒng)必須面對要提供更令人滿意的且真實的觀看體驗的要求的挑戰(zhàn)。此外，這種系統(tǒng)必須為實像提供足夠的分辨率，使其具有高的亮度和對比度。而且，必須考慮因系統(tǒng)需要小的覆蓋區(qū)而提出的物理限制以及瞳孔分離的尺寸限制、使得導向每只眼睛的單獨圖像能有利地間隔開和正確地分離開以便觀看。應當指出，瞳孔間距限制了僅靠改變投影透鏡的比例在給定的超寬視場獲得較大光瞳直徑的能力。
已示出用單中心成像系統(tǒng)來提供扁平物體的高分辨率成像具有巨大優(yōu)越性，如美國專利No.3748015(Offner)所述，所述專利提出一種配置、它具有在單位放大的成像系統(tǒng)中的配備有重合的曲率中心的若干球面鏡。在Offner的專利中公開的單中心裝置減少了許多類型的像差，從觀念上比較直接，允許對高分辨率的反射成像系統(tǒng)作簡化的光學設計。眾所周知，反射鏡和透鏡的單中心配置對寬視場的遠焦(望遠)系統(tǒng)具有優(yōu)越性，如美國專利No.4331390(Shafer)中所述。但是，雖然單中心設計對于整體簡化和將失真和光學像差減至最小都具有優(yōu)越性，但是，這種設計觀念在要求寬視場、大出射光瞳以及合理的小整體覆蓋面的浸沒式系統(tǒng)中卻難以實現(xiàn)。而且，完全單中心設計也不能滿足左光瞳和右光瞳需要單獨圖像的全立體成像的要求。
如美國專利No.5908300中所公開的，可以采用傳統(tǒng)的寬視場投影透鏡作為光瞳成像自動立體顯示的投影透鏡。但是傳統(tǒng)的途徑有許多缺點。能夠具有諸如身臨其境式觀看所必須的角視場的寬視角透鏡系統(tǒng)會非常復雜和昂貴。用于大規(guī)格攝象機的典型寬角透鏡，例如德國耶那Carl-Zeiss-Stiftung制造的BiogonTM透鏡，能夠具有75度的角視場。Biogon透鏡由七個透鏡部件組成，直徑大于80mm，但僅提供10mm的光瞳尺寸。對于更大的光瞳尺寸，透鏡需按比例放大，但這種透鏡體的大直徑給自動立體浸沒系統(tǒng)提出了與觀看位置的瞳孔間距有關(guān)的嚴重的設計困難。對透鏡進行昂貴的切割、以便可以將左眼組件和右眼組件并排設置從而實現(xiàn)與人的瞳孔間距相一致地隔開的一對透鏡光瞳，這提出了困難的制造問題。瞳孔間距的限制限制了對每只眼睛的投影裝置的空間定位，并且不能僅靠改變透鏡的比例來改變光瞳尺寸的比例。此外，一個有效的浸沒式系統(tǒng)最好有非常寬的視場，最好大大超過90度，并且能提供大的出射光瞳直徑，最好大于20mm。
作為大視場應用的另一種方案，已使用球形透鏡提供專門的光學功能，特別是小型球形透鏡用于光纖耦合和發(fā)射應用，如美國專利No.5940564(Jewell)中所述，所述專利公開了在耦合裝置中小型球形透鏡的有利使用。在較大規(guī)模時，球形透鏡可以應用在天文跟蹤裝置中，如美國專利No.5206499(Mantravadi等)中所述。在Mantravadi等的專利中，使用球形透鏡是因為它可以有大的視場，大于60度，并有最小的離軸像差和失真。特別是，有利地利用不存在唯一的光軸這一點、因此可以認為穿過球形透鏡的每條主光線都形成自己的光軸。由于與入射光角度變化有關(guān)的照度衰減很低，所以，在這種應用中可以有利地使用單個球形透鏡將光從空間導向多個傳感器。值得注意的是，在球形透鏡的輸出端沿曲面焦面布置各光傳感器。
用于廣角成像的球形透鏡的優(yōu)點也使用在確定宇宙飛船姿態(tài)的裝置中，如美國專利No.5319968(Billing-Ross等)中所述。此時，反射鏡陣列引導光線穿過球形透鏡。所述透鏡的形狀具有優(yōu)勢，因為穿過透鏡的光束法線入射到圖像表面。于是光線朝向透鏡中心折射，構(gòu)成具有寬視場的成像系統(tǒng)。
美國專利No.4854688(Heyford等)公開了球形透鏡特性的另一專門用途。在Heyford等人的專利的光學裝置中，針對CRT產(chǎn)生的2維圖像沿非線性通路傳輸?shù)膯栴}(諸如固定在飛行員頭套上的情況)，球形透鏡導入一個在光學上無限遠的準直輸入圖像供駕駛員觀看。
美國專利No.4124978(Thompson)公開了球形透鏡的廣角觀看能力的另一用途，所述專利提出將球形透鏡用作雙目光學系統(tǒng)中物鏡的一部分作夜間觀看。
在上述美國專利No.4124978和No.4854688公開了球形透鏡在圖像投影中的應用的情況下，提出了球形透鏡結(jié)合輔助光學裝置提供寬視場成像的整體能力的建議。但是，要有效地將這種裝置使用在浸沒式成像應用中，特別是圖像經(jīng)電子學方法處理再作投影的應用中，還有一些實質(zhì)的問題需要解決。例如，利用諸如空間光調(diào)制器等裝置的傳統(tǒng)的電子圖像呈現(xiàn)技術(shù)在平面上提供圖像。而在平場成像情況下球形透鏡的性能卻特別差。
對于浸沒式系統(tǒng)，還有其他的基本光學限制需要用任何類型的可提供寬視場的光學投影來加以處理。一個重要的限制來自于LaGrange不變量。任何成像系統(tǒng)均符合LaGrange不變量，即，光瞳尺寸和半場角的乘積等于圖像尺寸和數(shù)值孔徑的乘積，對光學系統(tǒng)來說是這一個不變量。當使用相對較小的空間光調(diào)制器或在相對較小的數(shù)值孔徑工作的類似的像素陣列作為圖像發(fā)生器時，由于與所述裝置關(guān)聯(lián)的LaGrange值很小，這就成為一種限制。但用大光瞳尺寸(即大數(shù)值孔徑)提供大視場的單中心成像系統(tǒng)本身固有大LaGrange值。因此，當所述單中心成像系統(tǒng)和具有小LaGrange值的空間光調(diào)制器一起使用時，成像系統(tǒng)的視場或孔徑，或二者，會因LaGrange值的這種不匹配而未充滿。關(guān)于LaGrange不變量的詳細說明，可參考Modern Optical Engineering，The Design of OpticalSystems，作者Warren J.Smith，由McGraw-Hill，Inc.，出版，第42-45頁。
系列號為09/738747和09/854699的共同未決的美國專利申請在自動立體成像系統(tǒng)中利用使用球形透鏡的廣視場投影能力。在這兩個共同未決的申請中，提供給每只眼的投影球形透鏡的源圖像是呈現(xiàn)在一個表面上的完全的2維圖像。在所述申請中的優(yōu)選實施例中公開的圖像源是2維陣列，例如LCD、數(shù)字微反射鏡器件(DMD)或類似裝置。圖像源或者也可以是CRT，即使是由掃描電子束產(chǎn)生，仍可向球形透鏡投影光學系統(tǒng)提供完全的2維圖像。
本專業(yè)的技術(shù)人員應能理解，對于寬視場自動立體成像來說，高亮度的圖像源最為有利。但是為了對傳統(tǒng)的自動立體系統(tǒng)獲得適當?shù)牧炼燃?，基于LCD或DMD的系統(tǒng)需要復雜且昂貴的高功率照明裝置。而CRT或OLED技術(shù)不能提供寬視場自動立體成像所需的高亮度的解決方案。因此，公認需要一種能很好適用于自動立體成像裝置的簡單、價廉、高亮度的圖像源。
前已有人提出將諧振光纖掃描使用在診斷儀器中，例如用于內(nèi)窺鏡設備。Eric J Seibel，Quinn Y.J.Smithwick，Chris M.Brown和Per G.Reinhasll的文章，題目為“Single fiber endoscopegeneral design for small size，high resolution，and wide fieldof view”，發(fā)表在Proceedings of SPIE，Vol.4158(2001)pp.29-39，描述了使用振動的柔性光纖作2-維掃描應用，其中掃描用作輸入傳感功能。當以諧振頻率激勵光纖元件時，它被可控地在一個區(qū)域內(nèi)被掃描，以周期形式跟蹤給定的規(guī)則圖案。利用這種能力，美國專利No.6294775(Siebel等)公開了在圖像獲取系統(tǒng)中作為掃描元件的柔性光纖受控偏轉(zhuǎn)的方法。
雖然如上述文章和美國專利No.6294775中所述，諧振光纖掃描正應用于圖像獲取系統(tǒng)，但是，在將這種技術(shù)用于圖像形成、例如用于圖像投影裝置方面，也具有優(yōu)越性。
由此可見，雖然有一些傳統(tǒng)的途徑能滿足立體成像的一些要求，但需要一種改進的自動立體成像解決方案來觀看用電子學方法產(chǎn)生的圖像，所述解決方案應提供結(jié)構(gòu)簡單的裝置、減小像差和圖像失真并滿足寬視場、大光瞳尺寸、高亮度和低成本等苛刻的要求。
本發(fā)明的一個特征是使用光學元件的單中心配置，從而簡化了設計、減小了像差并提供具有大出射光瞳的寬視場。
本發(fā)明的另一個特征是使用諧振光纖圖像源來提供掃描的中間圖像。
本發(fā)明的另一個特征是可以有多種配置，包括減少光學元件數(shù)量的配置，甚至包括不需要分束器的配置。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是它不需要昂貴的2-維表面作為圖像源，而用價廉的掃描諧振光纖源來代替。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是它可以使用價廉的亮光源來產(chǎn)生投影用的中間圖像。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是它提供了光學元件的緊湊配置，能夠封裝在具有小覆蓋面的顯示系統(tǒng)中。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是可以進行具有高亮度、高對比度、非常寬的視場的高分辨率立體電子成像。本發(fā)明提供一種光效率非常高、能夠提供投影用的高亮度級的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，與傳統(tǒng)的投影透鏡系統(tǒng)相比，它提供價廉的寬視場立體投影解決方案。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是它提供的立體觀看不需要觀眾戴護目鏡或其他裝置。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是它提供足夠大的出射光瞳，用于觀眾與顯示器的非嚴格對準。
雖然本說明書結(jié)束部分的權(quán)利要求書指明并明確要求本發(fā)明的主題事項，但從以下結(jié)合附圖的描述可以更好地理解本發(fā)明，附圖中

圖1是顯示自動立體成像系統(tǒng)中本發(fā)明裝置的關(guān)鍵元件的透視圖；圖2是顯示光學展開視圖中基本上同心的投影光學部件的側(cè)視圖；圖3是顯示球形透鏡組件的構(gòu)成的截面圖；圖4是顯示本發(fā)明的圖像發(fā)生系統(tǒng)元件的示意圖；圖5是顯示在利用曲面鏡和基本上近軸光學的替代的實施例自動立體成像系統(tǒng)中本發(fā)明裝置的關(guān)鍵元件的透視圖；圖6是顯示在利用Fresnel曲面鏡和基本上近軸光學的另一替代的實施例自動立體成像系統(tǒng)中本發(fā)明裝置的關(guān)鍵元件的透視圖；以及圖7是顯示用于彩色成像的本發(fā)明的圖像發(fā)生系統(tǒng)的實施例的示意圖。
參考圖1，圖中示出自動立體成像系統(tǒng)10的透視圖。觀眾12坐在位置上從左和右觀察光瞳14l和14r觀看虛立體像。當觀眾12的左和右眼瞳孔68l(圖1中看不見)和68r與相應的左和右觀察光瞳14l和14r的位置重合時就可獲得最佳觀看條件。
左圖像發(fā)生系統(tǒng)70l和右圖像發(fā)生系統(tǒng)70r一起工作來提供虛像106供立體觀看。左和右圖像發(fā)生系統(tǒng)70l和70r以類似的方式工作以及與立體成像系統(tǒng)10的其他元件交互，為簡單起見，現(xiàn)僅說明左光路，示于圖1。左圖像發(fā)生系統(tǒng)70l在左曲面40l上產(chǎn)生左球形透鏡組件30l的第一左中間曲面圖像75l。左球形透鏡組件30l投影第一左中間曲面圖像75l，所述圖像由分束器16反射，在靠近曲面鏡24的前焦面22形成第二左中間曲面圖像76l。以同樣的方式，通過在右曲面40r上形成第一右中間曲面圖像75r來產(chǎn)生第二右中間曲面圖像76r，所述第一右中間曲面圖像75r是由右球形透鏡組件30r投影而形成的。曲面鏡24與分束器16配合，從第二左中間曲面圖像76l以及第二右中間曲面圖像76r，形成虛像106，在左和右觀察光瞳14l和14r呈現(xiàn)給觀眾12。虛像106就好象是在曲面鏡24的后面、在曲面鏡24和無限遠之間的某處，出現(xiàn)在觀眾12面前。
以下說明主要集中在將光線導向左或右觀察光瞳14l和14r的光學元件。應強調(diào)，如前所述，對左圖像發(fā)生系統(tǒng)70l和右圖像發(fā)生系統(tǒng)70r，總之，對左和右二光路，采用類似的光學元件。為簡明起見，以下說明同等適用于左和右二光路中的元件。僅在必要時對左和右二光路加以區(qū)別。(因此，除非必要，在以下的說明中均省去零件號后附加的左“l(fā)”和右“r”的標志符)必須指出，如圖1所示，觀眾12看見的立體圖像有兩個成分。為簡單起見，圖1只用虛線表示產(chǎn)生左觀察光瞳14l的光路。由于曲面鏡24的成像，左和右觀察光瞳14l和14r的投影光路在自動立體成像系統(tǒng)10中交叉。前焦面22在光學上以曲面鏡24的曲率中心Cs為中心。焦點F則是焦面22上的一點，在投影光路的交叉處。
圖1示出從光學設計觀點來看有待解決的一些關(guān)鍵問題以及本發(fā)明提供的解決方案的概要。重溫一下為獲得最生動的立體觀看效果所需要的關(guān)鍵設計考慮很有教益。為了給觀眾12提供一種有效的身臨其境的體驗，大視場是很重要的，利用現(xiàn)有技術(shù)可以超過60度。為使觀眾12舒適地使用，觀察光瞳14l和14r必須足夠大。作為設計目標，本發(fā)明的自動立體成像系統(tǒng)10要提供的視場至少有90度，觀察光瞳14的直徑大于20mm。為了在人的兩眼分距的范圍內(nèi)提供可觀看的立體虛像，球形透鏡組件30l和30r最好也分開一段適當?shù)囊越?jīng)驗確定的軸間距離。
或者，掃描球形透鏡組件30l和30r之間的軸間距離可以手動調(diào)節(jié)以適應觀眾12的瞳孔間距離，或由自動成像系統(tǒng)10自動感測和調(diào)節(jié)。左和右圖像發(fā)生系統(tǒng)70l和70r的元件及相應的左和右球形透鏡組件30l和30r可以安裝在例如懸臂(boom)上、允許每個圖像發(fā)生系統(tǒng)70l/70r相對于另一個移動，以補償瞳孔間距離的差異?？蓞⒖脊餐礇Q的美國專利申請No.09/854699，其中說明了利用球形透鏡進行左和右眼投影組件的自動感測和調(diào)節(jié)。在此較早的申請中公開的同樣的反饋回路裝置和方法也適用于本發(fā)明的相應裝置。
圖像路徑的單中心設計本發(fā)明的裝置中光學元件的本質(zhì)上單中心的配置對減小像差和增大視場具有許多明顯的優(yōu)點。參考圖2，圖中以合并的形式、以側(cè)視圖示出光路中關(guān)鍵元件的光學同心關(guān)系，適用于左和右光路。反射鏡24的曲率中心是Cs，光學上位于左和右球形透鏡組件30l和30r之間的中點。在圖2所示的總體方案中，曲面40最好這樣彎曲、使得其曲率半徑的中心與球形透鏡組件30的中心C1和C2一致。這種同心配置使球形透鏡組件30能與分束器16一起形成第二中間曲面圖像76，所述圖像在光學上具有與球形透鏡組件30一樣的曲率中心C1或C2。曲面鏡24的焦點Fmirror位于焦面22的交點處，光軸為O。曲面鏡24最好是球形，也具有與掃描球形透鏡組件一樣的曲率中心C1或C2。
應該看到，圖2給出的是合并的光路中元件關(guān)系的概括的初步近似。曲面鏡24的曲率中心(圖2中標為Cs)的實際位置，是在左和右掃描球形透鏡組件30l和30r的曲率中心(分別標為C1或C2)之中間，但在圖2的側(cè)視圖中不能分別看到。由于有分開的左和右掃描球形透鏡組件30l和30r，以及相應地，在觀眾12的左和右人眼瞳孔68l和68r之間有瞳孔間距離，因此不能實現(xiàn)光學元件的幾何上的完美單中心。作為一種接近的近似，圖2中已實現(xiàn)相對于中心Cs的實質(zhì)上的單中心。還應該看到，對于觀眾12而言，左和右掃描球形透鏡組件30l和30r的最理想的設置應該是這樣的、使得其由曲面鏡24形成的實像分別與左和右觀察光瞳14l和14r的位置和瞳孔間分離相對應。
回到圖1，作為參考，第二中間圖像76的最佳位置是在可認為是“靠近”焦面22的范圍內(nèi)。最佳范圍從焦面22本身(作為外界限)延伸到大約20％的焦面22和曲面鏡24表面之間的距離(內(nèi)界限)。如果第二中間圖像76形成在焦面22和觀眾12之間，那么，虛像106就會模糊不清。
由于球形透鏡組件30是曲率中心在中心C的球形，如圖2的展開配置所示，所以，可以提供寬的視場并具有最小的像差。應當指出，本發(fā)明的設計是對單一光瞳放大率進行優(yōu)化，但是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對單一光瞳放大率的某些改動是可能的。
球形透鏡組件30的操作球形透鏡組件30l/30r起與其關(guān)聯(lián)的左或右光學系統(tǒng)的投影透鏡的作用。參考圖3，圖中示出為每個球形透鏡組件30提供的同心配置。中心球形透鏡46設置在凹凸透鏡42和44之間，其中，凹凸透鏡42和44具有用來將軸上球面像差和色差減至最小的折射率和其他特性，這是光學設計技術(shù)上眾所周知的。光闌48將入射光瞳限制在球形透鏡組件30范圍之內(nèi)。光闌48不一定是物理的，也可以利用例如總內(nèi)部折射等光學效應來實現(xiàn)。至于光路，光闌48用于限定球形透鏡組件30的出射光瞳。
在一個優(yōu)選實施例中，選擇凹凸透鏡42和44以便減小投影到曲面鏡24上的圖像的像差并優(yōu)化圖像質(zhì)量。應當指出，球形透鏡組件30可以包括在中心球形透鏡46周圍的任何數(shù)量的輔助透鏡配置。這些輔助透鏡的表面，不論使用多少，都與中心球形透鏡46共有共同的曲率中心C。而且，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，用于球形透鏡組件30的透鏡元件的折射材料可以變化。例如，除了標準的玻璃透鏡外，中心球形透鏡46可以包括塑料、油類或其他液體物質(zhì)，或為應用的需要而選擇的任何其他折射材料。凹凸透鏡42和44以及球形透鏡組件30中的任何其他的附加的輔助透鏡，可用玻璃、塑料、封閉的液體或其他適當?shù)恼凵洳牧现瞥?，均屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在最簡單的實施例中，球形透鏡組件30可僅包括單一的中心球形透鏡46，沒有附加的輔助折射元件。
圖像發(fā)生系統(tǒng)70參考圖4，圖中詳細示出了圖像發(fā)生系統(tǒng)70的元件配置。將來自數(shù)字圖像源的圖像數(shù)據(jù)輸入到光源驅(qū)動器141中，所述驅(qū)動器包含用于調(diào)制光源143的邏輯控制和驅(qū)動電子線路。光源143提供已調(diào)制光信號，用于形成第一中間曲面圖像75。光源143耦合到用作光波導的光纖138。將光源耦合到光纖上的技術(shù)，在光學技術(shù)界已眾所周知，包括例如對接耦合和透鏡耦合。在所述優(yōu)選實施例中，光源143是能被直接調(diào)制的激光器。
光源143和光纖138與諧振光纖掃描器137和中繼透鏡組件122配合，形成第一中間曲面圖像75。在曲面40上形成包含各像素104的第一中間曲面圖像75，供球形透鏡組件30投影用。
諧振光纖掃描器137包括光纖138的端頭部分，用作諧振懸臂部分139；以及驅(qū)動諧振懸臂部分139運動的致動器140。致動器140本身由與光源驅(qū)動器141同步的驅(qū)動信號控制，光源驅(qū)動器141向光源143提供控制信號。
中繼透鏡組件122用作光中繼元件，用于從由光源143和諧振光纖掃描器137交互而產(chǎn)生的相應的掃描器像素104’形成第一中間曲面圖像75上的每一個像素104。作為此功能的一部分，中繼透鏡組件122必須向曲面40上的第一中間曲面圖像75提供所需的場曲率。如圖4的示意圖所示，中繼透鏡組件122可能需要將圖像從由諧振懸臂部分139的動作形成的曲率中繼到由曲面40形成的第二曲率。因此，中繼透鏡組件122可以包括為此目的而適當配置的任何數(shù)量的透鏡。作為另一種可供選擇的方案，中繼透鏡組件122可以包括光纖面板，例如Incom，Inc.，Charlton，MA制造的光纖面板，或者與諧振懸臂部分139的輸出端緊耦合的光纖棒。
如圖4所示，諧振懸臂部分139的輸出端每次發(fā)射單一的掃描像素104’，作為被按照時序方式調(diào)制的點光源，以便提供像素104的二維圖像陣列中的每個像素104。諧振光纖掃描器137的工作與以下文章中說明的相同文章題目“single fiber endoscopegeneraldesign for small size，high resolution，and wide field ofview(單光纖內(nèi)窺鏡小尺寸，高分辨率，寬視場的一般設計)，作者Eric J.Seibel，Quinn Y.J. Smithwick，Chris M.Brown，和G.Reinhall，發(fā)表在Proceedings of SPIE，Vol.4158(2001)pp.29-39。
致動器140可以是適合于向諧振懸臂部分139提供必須的諧振振動的許多類型致動器中的任何一種。合適的致動器140類型的實例包括雙壓電晶片或壓電管致動器，例如可從位于MA的Hopkinton的ValpeyFisher公司購買的壓電陶瓷管。其他合適的致動器可以是電磁致動器，包括電動式裝置、諸如語音線圈、諧振掃描器、微-電-機-結(jié)構(gòu)(MEMS)致動器、電流計、靜電致動器；以及機械致動器，例如與偏心凸輪組合的一個或多個電機。
致動器140傳遞給諧振懸臂部分139的輸出端的掃描圖形能以多種方式跟蹤像素104的全部二維陣列。最直接的掃描圖形是直線性掃描圖形，例如作CRT電子束掃描通常采用的圖形。但也可采用其他圖形。例如，由于圖像發(fā)生器70的目的是提供曲面圖像，所以采用螺旋形狀或含有同心圓的掃描圖形也很有利。其他掃描，例如在上述文章中提出的螺旋槳式掃描，對某些成像條件可能有利。應當看到，所用的掃描圖形決定了掃描器像素104’的排序。
在所述優(yōu)選實施例中，曲面40是擴散的曲面，其曲率中心與球形透鏡組件30的曲率中心C相重合。如圖4所示，球形透鏡組件30將第一中間曲面圖像75投影而形成第二中間曲面圖像76。
曲面40和球形透鏡組件30的同心配置將關(guān)于在曲面40上形成的第一左/右中間曲面圖像75l/75r的投影的視場像差和軸上像差減至最小。再參考圖3，可以把曲面40看作無數(shù)個其射線由球形透鏡組件30接收的擴散點光源50的集合。通過提供擴散曲面40上的第一中間曲面圖像，有效地克服關(guān)于出射光瞳大小和視場角度的LaGrange不變量限制。從圖1所示的元件來看，曲面40起一個界面的作用，使作為圖像發(fā)生器70的特性的低LaGrange不變量與立體投影元件(包括球形透鏡組件30、分束器16和曲面鏡24)的較高LaGrange不變量相匹配?？朔薒aGrange不變量的限制，利用曲面40就允許球形透鏡組件30的寬視角圖像投影。
曲面40的功能是使由中繼透鏡組件122轉(zhuǎn)發(fā)的光漫射，但具有盡可能高的亮度，用于球形透鏡組件30以寬圖像視角投影。為使觀眾12最終觀看投影的圖像，重要的是每個點光源50有效地填充球形透鏡組件30的光闌48。如果實現(xiàn)這一點，則當觀眾12的眼睛定位在觀察光瞳14l/14r時，就可從觀察光瞳14l/14r內(nèi)的任何一點觀看到整個的投影圖像。
在所述優(yōu)選實施例中，曲面40包含涂敷在一個表面上(例如涂敷在透鏡表面上)的涂層。合適的擴散涂層和關(guān)于曲面40的處理，本專業(yè)的技術(shù)人員都已知曉。或者，可以對曲面40進行研磨、腐蝕或以其他方式進行處理，以便提供必要的擴散特性，如光學技術(shù)領(lǐng)域中已眾所周知的。
在另一實施例中，擴散曲面40可以用光纖面板來實現(xiàn)，例如Incom，Inc.，Charlton，MA制造的光纖面板。光纖面板通常用在平板顯示應用中，將圖像從一個表面?zhèn)魉偷搅硪粋€表面。作為曲面40的一部分，光纖面板可以具有例如雙凹形狀，用于將由中繼透鏡組件122轉(zhuǎn)發(fā)來的圖像從任意場曲率轉(zhuǎn)換為與球形透鏡組件30同心的場曲率。所述光纖面板的輸出凹面起曲面40的作用，可以用本專業(yè)技術(shù)人員熟知的許多技術(shù)加以處理，以增強擴散表面的性能。可以利用各種研磨、拋光、腐蝕或其他能造成擴散表面的技術(shù)，或利用全息光柵來進行表面處理。或者，可在曲面40的輸出凹部加一層擴散涂層。
應當指出，本發(fā)明的裝置和方法可以通過處理諧振光纖掃描器137的掃描圖形、或控制成像光束的定時、或利用掃描圖形和定時調(diào)節(jié)的某種組合而使第一中間曲面圖像75的縱橫比或相應尺寸量度在一定范圍內(nèi)可變。
關(guān)于曲面鏡24配置的任選方案就一般而論，曲面鏡24是某種類型的反射表面，作為形成自動立體圖像的一種反射裝置。以上參考圖1和圖2所述的優(yōu)選實施例采用基本上球形的鏡面作為曲面鏡24，其曲率中心基本上在左和右球形透鏡組件30l和30r之間的光學中點。在這種球形配置的情況下，曲面鏡24在相應的左和右觀察光瞳14l和14r處或非常靠近處形成左和右球形透鏡組件30l和30r的實像。但也可使用曲面鏡24的其他配置，只要這些配置也在相應的左和右觀察光瞳14l和14r位置或非常靠近處提供左和右球形透鏡組件30l和30r的實像。圖5和圖6的配置示出能滿足曲面鏡24的成像要求的不同配置。
可以理解，如果曲面鏡24具有較短的焦距，那么，系統(tǒng)尺寸可按比例減小。這種尺寸減小的好處在于有利于在一定程度上將曲面鏡24的實際形狀調(diào)節(jié)為不是精確的球形。曲面鏡24也可采用非球面形狀，例如用以將離軸光瞳像差減至最小。
利用傳統(tǒng)的成型、研磨和拋光技術(shù)，曲面鏡24是一種制造起來相當昂貴的元件。用兩個或多個較小的反射鏡部分結(jié)合起來組成一個大反射鏡24，這樣制造反射鏡24更為實際一些。
在另一實施例中，曲面鏡24可以包括薄膜鏡，例如可伸展的膜片鏡(SMM)，其曲率由在伸展的反射表面后面的氣密空腔中產(chǎn)生的受控真空狀態(tài)來確定。可伸展的膜片鏡的使用公開在以上背景部分引用的McKay的文章中。
另一方面，曲面鏡24也可用復制鏡、例如Composite MirrorApplications，Inc.，Tuscon，AZ制造的復制鏡來實現(xiàn)。利用復合復制鏡技術(shù)制造的單個曲面復制鏡在成本、重量和耐久性方面都有特殊的優(yōu)越性。關(guān)于曲面鏡24的其他可能的替代方案包括Fresnel鏡或后向反射鏡或表面。
參考圖5，圖中示出另一種本質(zhì)上單中心的配置，其中，設置在靠近光軸O的左和右掃描球形透鏡組件30l和30r直接投影到曲面鏡24上，不用圖1和圖2所示的分束器16。對于這樣一種配置，曲面鏡24必須具有可接受的離軸性能，因為每個觀察光瞳14l和14r的圖像路徑相對于曲面鏡24的曲率中心C而言必須要有一定程度的偏離中心。對于這樣一種配置可以采用非球面鏡。為使圖5的配置可行，離軸距離(圖5中的Cs到Cm)與曲面鏡24的焦距之比必須很小。根據(jù)經(jīng)驗，已確定如果左和右掃描球形透鏡組件30l和30r的離軸角在大約6度之內(nèi)，具有球面的曲面鏡24就可令人滿意地工作。
對于大于6度的離軸角，非球面的曲面鏡24更為合適。對于這樣一種非球面，曲率點的第一中心Cm’位于觀察光瞳14l和14r之間的中點。曲率點的第二中心Cm位于掃描球形透鏡組件30l和30r各自的中心點Cl和Cr之間的中點。這樣一種非球形設計可以是環(huán)形的，相對于通過點Cm’和Cm的軸線E是單中心的。從截面看，用這種方式制造的曲面鏡24是橢圓形的，以點Cm和Cm’作為橢圓的焦點。
參考圖6，圖中示出另一種配置，類似于圖5所示，也沒有分束器16。在圖6中，曲面鏡24是圓柱形的曲面反射式Fresnel鏡66。圖6所示的元件配置相對于軸線E也是單中心的，如圖5所示。反射式Fresnel鏡66只在一個方向上有功率。反射式Fresnel鏡66可以是例如在柔性襯底上制造的平面元件，類似于Fresnel Optics，Rochester，NY制造的Fresnel光學元件。Fresnel鏡66可以圍繞軸線E彎曲成一般的圓柱形狀，如圖6所示。任選地，F(xiàn)resnel鏡66可以是基本上平的。Fresnel鏡66可以以類似于上述曲面鏡24的方式將掃描球形透鏡組件30l和30r的出射光瞳成像到觀察光瞳14l和14r上。
作為利用圖5的總體元件配置的另一任選方案，曲面鏡24可以用反向反射表面來代替，所述表面具有基本上球形的形狀，其曲率中心與掃描球形透鏡組件30的曲率中心相重合。反向反射表面不會引入因曲面鏡反射而產(chǎn)生的圖像交叉，如圖1中對左圖像路徑所示。使用反向反射鏡成像可以提供增大的觀察光瞳14的尺寸以及更均勻的亮度等優(yōu)點。使用反向反射鏡后圖像發(fā)生系統(tǒng)70中就不再需要擴散曲面鏡40。但需指出，這種配置提供的是實像，而不是在優(yōu)選實施例中自動立體成像系統(tǒng)10形成的虛像。
圖1到圖6的實施例說明了用元件的各種不同的可能配置時圖像是如何形成的。需要強調(diào)的是在本發(fā)明的范圍內(nèi)有許多可能的變通實施例。例如，有許多方式可利用本發(fā)明的裝置和方法來提供彩色圖像的排序。此處公開的掃描光纖技術(shù)可以利用例如交錯的彩色光束或利用時間排序的彩色幀來提供彩色幀。
參考圖7，圖中示出用于彩色圖像投影的圖像發(fā)生器70的優(yōu)選的實施例。紅、綠、蘭光源143r，143g和143b耦合到三分支光纖組件150，它將來自光纖(紅)138r、光纖(綠)138g和光纖(蘭)138l的相應的各彩色組合起來，提供一個多色光纖138t。諧振光纖掃描器137工作，激勵多色諧振懸臂部分139t，形成作為彩色圖像的第一中間曲面圖像75。紅、綠、蘭色通常用作全色顯示，但也可使用兩種或多種彩色的不同組合來形成多色圖像。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了用于立體成像的超寬視場和所需亮度，視場可超過90度的范圍，觀察光瞳14接近20mm。而且，球形透鏡組件30提供優(yōu)異的離軸性能，且可有更寬的視場，可達180度。這就為觀眾12提供了增強的觀看體驗，而不需戴頭套、護目鏡或其他裝置。
權(quán)利要求
1.一種本質(zhì)上單中心的自動立體光學裝置，用于顯示立體虛像，后者包括觀眾在左觀察光瞳觀看的左圖像和觀眾在右觀察光瞳觀看的右圖像，所述裝置包括(a)左圖像發(fā)生系統(tǒng)和右圖像發(fā)生系統(tǒng)，其中，每個左和右圖像發(fā)生系統(tǒng)形成包含像素陣列的第一中間曲面圖像，每個圖像發(fā)生系統(tǒng)包括(a1)光源，用于以按照掃描圖形排列的一系列像素的形式發(fā)射調(diào)制光；(a2)光波導，它具有耦合到所述光源的輸入端以及柔性輸出端，其中，所述輸出端發(fā)射所述調(diào)制光；(a3)致動器，用于按照所述掃描圖形偏轉(zhuǎn)所述光波導的所述柔性輸出端；(a4)曲面，用于通過接收從所述光波導的所述輸出端發(fā)射的、由所述致動器按照所述掃描圖形偏轉(zhuǎn)的所述調(diào)制光而在該曲面上形成所述第一中間曲面圖像；(a5)光中繼元件，用于將所述光波導的所述柔性輸出端按照所述掃描圖形發(fā)射的所述調(diào)制光轉(zhuǎn)發(fā)到所述曲面上，形成所述第一中間曲面圖像；(b)左球形透鏡組件，用于投影來自所述左圖像發(fā)生系統(tǒng)的所述第一中間曲面圖像，形成所述左圖像發(fā)生系統(tǒng)的第二中間曲面圖像，所述左球形透鏡組件具有左球形透鏡光瞳；(c)右球形透鏡組件，用于投影來自所述右圖像發(fā)生系統(tǒng)的所述第一中間曲面圖像，形成所述右圖像發(fā)生系統(tǒng)的第二中間曲面圖像，所述右球形透鏡組件具有右球形透鏡光瞳；(d)曲面鏡，它設置成在所述左觀察光瞳處形成所述左球形透鏡光瞳的實像、并在所述右觀察光瞳處形成所述右球形透鏡光瞳的實像；以及其中，所述曲面鏡從來自所述左圖像發(fā)生系統(tǒng)的所述第二中間曲面圖像和來自所述右圖像發(fā)生系統(tǒng)的所述第二中間曲面圖像形成所述立體虛像。
2.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述光源是激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述光源提供白光。
4.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述掃描圖形是直線形的。
5.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述掃描圖形是螺旋形的。
6.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述掃描圖形是輻射狀的。
7.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述掃描圖形包括同心圓。
8.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述光波導包括光纖。
9.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述致動器是壓電式的。
10.如權(quán)利要求1所述的自動立體光學裝置，其特征在于所述致動器是電磁式的。
全文摘要
光學元件的本質(zhì)上單中心配置提供虛像的立體顯示，利用柔性光波導通過諧振光纖掃描器(137)的諧振激勵以電子學方法對虛像進行掃描并利用球形透鏡組件(30)以實中間圖像的形式投影到曲面鏡(24)的焦面(22)附近。為了形成左和右各自的中間圖像成分，分立的左和右圖像發(fā)生系統(tǒng)(70)各自包括諧振光纖掃描器(137)，后者本身包括光纖(138)的諧振懸臂部分(139)，它將已調(diào)制光束導向曲面(40)，供球形透鏡組件(30)投影用。光學元件的單中心配置把左和右掃描球形透鏡光瞳成像在觀眾(12)的相應的左和右觀察光瞳(14)并為投影元件提供單一的曲率中心。使用這種具有曲面中間圖像源和球形透鏡組件(30)的單中心配置提供了具有大觀察光瞳(14)的特別寬的視場。
文檔編號G02B26/10GK1444094SQ03120560
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者J·A·阿格斯蒂內(nèi)利, J·M·科布 申請人:伊斯曼柯達公司