专利名称：利用谐振光纤图像产生法的单中心自动立体光学装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于观看用电子学方法产生的图像的自动立体显示系统，更具体地说，涉及用于利用谐振光纤元件产生左眼图像和右眼图像、以便形成图像的装置和方法，所述装置具有光学元件的单中心配置、以便提供很宽的视场和大的出射光瞳。
在SID 99 Digest的“Autostereoscopic Properties ofSpherical Panoramic Virtual Display(球面全景虚拟显示的自动立体特性)”一文中，G.J.Kintz公开了一种提供宽视场的自动立体显示的途径。利用Kintz的方法，不需要眼镜或头套。但观众的头部必须定位在一个快速转动的球形外壳中，所述球形外壳上有LED发射器阵列，由单中心镜成像，以形成准直的虚像。虽然Kintz的设计为具有宽视场的真正自动立体系统提供了一种解决方案，但所述设计有相当多的缺点。Kintz设计的缺点之一就是要求观众的头部与飞速旋转的表面十分靠近。这种方法要求具有能最大限度地减少因与旋转表面上的元件相接触而产生的事故和伤害的措施。即使有保护屏蔽，靠近飞速运动的表面至少也会使观众有些担心。而且，使用这种系统对头部的活动会有相当大的限制。
在S.A.Benton，T.E.Slowe，A.B.kropp，和S.L.Smith的“Micropolarizer-based multiple-viewer autostereoscopicdisplay(基于微偏振镜的多观众自动立体显示)”一文中(发表于Stereoscopic Displays and virtual Reality Systems VI，SPIE，January，1999)说明了一种将一对投影仪的出射光瞳成像到观众眼睛上进行工作的自动立体系统。如Benton在上述文章中所述，光瞳成像可以利用大的透镜或镜面来实现。眼睛与成像的光瞳一致的观众，不用戴任何类型的眼镜，就可以观看到没有交叉干扰的立体场景。
很容易理解，提供大视场的3-维图像就可以增强利用光瞳成像的自动立体系统所提供的观看体验的价值和真实感质量。如果允许观众坐得舒适，不使头部的活动限制在很小的范围，且不需要戴护目镜或其他装置，这种系统对于侵没式观看功能最为有效。为了完全满意的3维观看，这种系统应对右眼和左眼提供单独的、高分辨率的图像。也很容易理解，这种系统最好设计成小型结构、产生具有视场深度和宽度的幻觉，但占用尽可能小的实际面积和体积。为了具有最真实的观看体验，向观众提供的虚像应出现在一定的距离之外。
众所周知，与聚散度和调节度相关联的深度提示(cues)之间的矛盾会对观看体验产生不利的影响。聚散度是指观众的眼睛为了融合在视场内物体的单独图像而必须交叉的程度。观看的物体变远时，聚散度减小，然后消失。所述调节度是指观众的眼球晶状体为维持所关心的物体聚焦在视网膜上而改变形状的要求。已知当观众一段时间处于聚散度和调节度不匹配的深度提示时，观众的深度感觉会暂时变差。此外，众所周知，当调节提示对应于远景图像位置时这种对深度感觉的负面影响可以减轻。
美国专利NO.5671992(Richard)公开了一种传统的自动立体显示单元的实例，其中坐着的观众体验了明显的3维视觉效果，这种效果是利用单独的投影仪(每只眼睛一个)产生的并利用包括若干反射镜的成像系统导向观众的图像来建立的。
立体成像的传统的解决方案解决了上述一些挑战，但仍有改进的余地。例如，一些早期的立体系统使用特殊的头套、护目镜或眼镜来提供3维观看效果。作为这种系统的一个实例，美国专利NO.6034717(Dentinger等)公开了一种投影显示系统，要求观众戴上一付无源偏振眼镜，选择性地将适合的图像引导到每个眼睛来建立3维效果。
当然，也存在一些情况，在这些情况下可以认为某种类型的头套适合于立体观看，例如在模拟应用时。对于这种应用，美国专利NO.5572229(Fisher)公开了一种提供宽视场的立体观看的投影显示头套。但是，只要可能，提供自动立体观看而观众不需戴任何装置(如美国专利NO.5671992所公开的装置)总是有利的。允许头部运动有一定的自由度也会是有利的。相反，美国专利NO.5908300(Walker等)公开了一种悬挂-滑动模拟系统，使观众的头部保持在固定位置。虽然所述解决方案在Walker等公开的有限模拟环境中尚可忍受，而且可能会简化装置的整体光学设计，但对头部运动的限制在浸没式系统中是不利的。显然，在Walker等人的专利中公开的系统采用了窄的观看孔径，大大限制了视场。在美国专利NO.5908300中公开的装置中采用了位于离轴方向的复杂的传统投影透镜，用比例法来获得所需的输出光瞳大小。
已开发出许多系统来提供立体效果，其方法是通过分束器向观众呈现距观众不同距离的两个屏幕的组合图像，从而建立立体成像的幻觉，如美国专利No.5255028(Biles)所述。但是，这种类型的系统限于小视角，因而不适用于提供身临其境的观看体验。而且，用这种系统显示的图像是真实的图像，在离观众靠近处呈现，因此很易引发前述的聚散和调节问题。
通常已知为了最大限度减小聚散/调节效应，3-D观看系统应在距观众较远处显示其立体图像对，无论是实像或虚像。对于实像，这就意味着必须采用大的显示屏。最好放置在距观众有一定的距离处。而对于虚像，则可使用较小的曲面镜，如美国专利No.5908300(Walker等)所述。曲面镜作为准直器，在距观众较远处提供虚像。在发表于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，公开了另一种用于立体成像的系统，它使用可伸展的薄膜镜。虽然Mckay公开的装置提供小的出射光瞳，但只要改变投影光学的比例就可在一定程度上扩大所述光瞳。但是，由于使用传统的投影光学并由于限制薄膜镜曲率的尺寸限制，Mckay文章中公开的装置其视场有限。
曲面镜也已用于在立体系统中提供实像，此时曲面镜不是用作准直器。例如在美国专利No.4623223(Kempf)和4799763(David等)中公开了这种系统。但这些系统通常适用于仅需要小视场的场合。
显然，现有的立体投影的解决方案是将图像投影到扁平的屏幕上，即使在此所述图像又再从曲面反射。这就导致不希望有的的失真和其他像差，限制了视场，并在总体上限制了图像质量。
从光学观点看，可以看出利用光瞳成像对自动立体设计是有利的。光瞳成像的系统必须对应地向左光瞳和右光瞳提供单独的图像，并提供最自然的观看条件，不需要戴护目镜或头套。此外，这样的系统如能对观众提供最大可能光瞳，以便有某些活动的自由并提供超宽的视场就会很有利。在现有光学技术上已知这些要求中的每一个本身都难以实现。理想的自动立体成像系统必须面对要提供更令人满意的且真实的观看体验的要求的挑战。此外，这种系统必须为实像提供足够的分辨率，使其具有高的亮度和对比度。而且，必须考虑因系统需要小的覆盖区而提出的物理限制以及瞳孔分离的尺寸限制、使得导向每只眼睛的单独图像能有利地间隔开和正确地分离开以便观看。应当指出，瞳孔间距限制了仅靠改变投影透镜的比例在给定的超宽视场获得较大光瞳直径的能力。
已示出用单中心成像系统来提供扁平物体的高分辨率成像具有巨大优越性，如美国专利No.3748015(Offner)所述，所述专利提出一种配置、它具有在单位放大的成像系统中的配备有重合的曲率中心的若干球面镜。在Offner的专利中公开的单中心装置减少了许多类型的像差，从观念上比较直接，允许对高分辨率的反射成像系统作简化的光学设计。众所周知，反射镜和透镜的单中心配置对宽视场的远焦(望远)系统具有优越性，如美国专利No.4331390(Shafer)中所述。但是，虽然单中心设计对于整体简化和将失真和光学像差减至最小都具有优越性，但是，这种设计观念在要求宽视场、大出射光瞳以及合理的小整体覆盖面的浸没式系统中却难以实现。而且，完全单中心设计也不能满足左光瞳和右光瞳需要单独图像的全立体成像的要求。
如美国专利No.5908300中所公开的，可以采用传统的宽视场投影透镜作为光瞳成像自动立体显示的投影透镜。但是传统的途径有许多缺点。能够具有诸如身临其境式观看所必须的角视场的宽视角透镜系统会非常复杂和昂贵。用于大规格摄象机的典型宽角透镜，例如德国耶那Carl-Zeiss-Stiftung制造的BiogonTM透镜，能够具有75度的角视场。Biogon透镜由七个透镜部件组成，直径大于80mm，但仅提供10mm的光瞳尺寸。对于更大的光瞳尺寸，透镜需按比例放大，但这种透镜体的大直径给自动立体浸没系统提出了与观看位置的瞳孔间距有关的严重的设计困难。对透镜进行昂贵的切割、以便可以将左眼组件和右眼组件并排设置从而实现与人的瞳孔间距相一致地隔开的一对透镜光瞳，这提出了困难的制造问题。瞳孔间距的限制限制了对每只眼睛的投影装置的空间定位，并且不能仅靠改变透镜的比例来改变光瞳尺寸的比例。此外，一个有效的浸没式系统最好有非常宽的视场，最好大大超过90度，并且能提供大的出射光瞳直径，最好大于20mm。
作为大视场应用的另一种方案，已使用球形透镜提供专门的光学功能，特别是小型球形透镜用于光纤耦合和发射应用，如美国专利No.5940564(Jewell)中所述，所述专利公开了在耦合装置中小型球形透镜的有利使用。在较大规模时，球形透镜可以应用在天文跟踪装置中，如美国专利No.5206499(Mantravadi等)中所述。在Mantravadi等的专利中，使用球形透镜是因为它可以有大的视场，大于60度，并有最小的离轴像差和失真。特别是，有利地利用不存在唯一的光轴这一点、因此可以认为穿过球形透镜的每条主光线都形成自己的光轴。由于与入射光角度变化有关的照度衰减很低，所以，在这种应用中可以有利地使用单个球形透镜将光从空间导向多个传感器。值得注意的是，在球形透镜的输出端沿曲面焦面布置各光传感器。
用于广角成像的球形透镜的优点也使用在确定宇宙飞船姿态的装置中，如美国专利No.5319968(Billing-Ross等)中所述。此时，反射镜阵列引导光线穿过球形透镜。所述透镜的形状具有优势，因为穿过透镜的光束法线入射到图像表面。于是光线朝向透镜中心折射，构成具有宽视场的成像系统。
美国专利No.4854688(Heyford等)公开了球形透镜特性的另一专门用途。在Heyford等人的专利的光学装置中，针对CRT产生的2维图像沿非线性通路传输的问题(诸如固定在飞行员头套上的情况)，球形透镜导入一个在光学上无限远的准直输入图像供驾驶员观看。
美国专利No.4124978(Thompson)公开了球形透镜的广角观看能力的另一用途，所述专利提出将球形透镜用作双目光学系统中物镜的一部分作夜间观看。
在上述美国专利No.4124978和No.4854688公开了球形透镜在图像投影中的应用的情况下，提出了球形透镜结合辅助光学装置提供宽视场成像的整体能力的建议。但是，要有效地将这种装置使用在浸没式成像应用中，特别是图像经电子学方法处理再作投影的应用中，还有一些实质的问题需要解决。例如，利用诸如空间光调制器等装置的传统的电子图像呈现技术在平面上提供图像。而在平场成像情况下球形透镜的性能却特别差。
对于浸没式系统，还有其他的基本光学限制需要用任何类型的可提供宽视场的光学投影来加以处理。一个重要的限制来自于LaGrange不变量。任何成像系统均符合LaGrange不变量，即，光瞳尺寸和半场角的乘积等于图像尺寸和数值孔径的乘积，对光学系统来说是这一个不变量。当使用相对较小的空间光调制器或在相对较小的数值孔径工作的类似的像素阵列作为图像发生器时，由于与所述装置关联的LaGrange值很小，这就成为一种限制。但用大光瞳尺寸(即大数值孔径)提供大视场的单中心成像系统本身固有大LaGrange值。因此，当所述单中心成像系统和具有小LaGrange值的空间光调制器一起使用时，成像系统的视场或孔径，或二者，会因LaGrange值的这种不匹配而未充满。关于LaGrange不变量的详细说明，可参考Modern Optical Engineering，The Design of OpticalSystems，作者Warren J.Smith，由McGraw-Hill，Inc.，出版，第42-45页。
系列号为09/738747和09/854699的共同未决的美国专利申请在自动立体成像系统中利用使用球形透镜的广视场投影能力。在这两个共同未决的申请中，提供给每只眼的投影球形透镜的源图像是呈现在一个表面上的完全的2维图像。在所述申请中的优选实施例中公开的图像源是2维阵列，例如LCD、数字微反射镜器件(DMD)或类似装置。图像源或者也可以是CRT，即使是由扫描电子束产生，仍可向球形透镜投影光学系统提供完全的2维图像。
本专业的技术人员应能理解，对于宽视场自动立体成像来说，高亮度的图像源最为有利。但是为了对传统的自动立体系统获得适当的亮度级，基于LCD或DMD的系统需要复杂且昂贵的高功率照明装置。而CRT或OLED技术不能提供宽视场自动立体成像所需的高亮度的解决方案。因此，公认需要一种能很好适用于自动立体成像装置的简单、价廉、高亮度的图像源。
前已有人提出将谐振光纤扫描使用在诊断仪器中，例如用于内窥镜设备。Eric J Seibel，Quinn Y.J.Smithwick，Chris M.Brown和Per G.Reinhasll的文章，题目为“Single fiber endoscopegeneral design for small size，high resolution，and wide fieldof view”，发表在Proceedings of SPIE，Vol.4158(2001)pp.29-39，描述了使用振动的柔性光纤作2-维扫描应用，其中扫描用作输入传感功能。当以谐振频率激励光纤元件时，它被可控地在一个区域内被扫描，以周期形式跟踪给定的规则图案。利用这种能力，美国专利No.6294775(Siebel等)公开了在图像获取系统中作为扫描元件的柔性光纤受控偏转的方法。
虽然如上述文章和美国专利No.6294775中所述，谐振光纤扫描正应用于图像获取系统，但是，在将这种技术用于图像形成、例如用于图像投影装置方面，也具有优越性。
由此可见，虽然有一些传统的途径能满足立体成像的一些要求，但需要一种改进的自动立体成像解决方案来观看用电子学方法产生的图像，所述解决方案应提供结构简单的装置、减小像差和图像失真并满足宽视场、大光瞳尺寸、高亮度和低成本等苛刻的要求。
本发明的一个特征是使用光学元件的单中心配置，从而简化了设计、减小了像差并提供具有大出射光瞳的宽视场。
本发明的另一个特征是使用谐振光纤图像源来提供扫描的中间图像。
本发明的另一个特征是可以有多种配置，包括减少光学元件数量的配置，甚至包括不需要分束器的配置。
本发明的一个优点是它不需要昂贵的2-维表面作为图像源，而用价廉的扫描谐振光纤源来代替。
本发明的另一个优点是它可以使用价廉的亮光源来产生投影用的中间图像。
本发明的另一个优点是它提供了光学元件的紧凑配置，能够封装在具有小覆盖面的显示系统中。
本发明的另一个优点是可以进行具有高亮度、高对比度、非常宽的视场的高分辨率立体电子成像。本发明提供一种光效率非常高、能够提供投影用的高亮度级的系统。
本发明的另一个优点是，与传统的投影透镜系统相比，它提供价廉的宽视场立体投影解决方案。
本发明的另一个优点是它提供的立体观看不需要观众戴护目镜或其他装置。
本发明还有一个优点是它提供足够大的出射光瞳，用于观众与显示器的非严格对准。
虽然本说明书结束部分的权利要求书指明并明确要求本发明的主题事项，但从以下结合附图的描述可以更好地理解本发明，附图中
图1是显示自动立体成像系统中本发明装置的关键元件的透视图；图2是显示光学展开视图中基本上同心的投影光学部件的侧视图；图3是显示球形透镜组件的构成的截面图；图4是显示本发明的图像发生系统元件的示意图；图5是显示在利用曲面镜和基本上近轴光学的替代的实施例自动立体成像系统中本发明装置的关键元件的透视图；图6是显示在利用Fresnel曲面镜和基本上近轴光学的另一替代的实施例自动立体成像系统中本发明装置的关键元件的透视图；以及图7是显示用于彩色成像的本发明的图像发生系统的实施例的示意图。
参考图1，图中示出自动立体成像系统10的透视图。观众12坐在位置上从左和右观察光瞳14l和14r观看虚立体像。当观众12的左和右眼瞳孔68l(图1中看不见)和68r与相应的左和右观察光瞳14l和14r的位置重合时就可获得最佳观看条件。
左图像发生系统70l和右图像发生系统70r一起工作来提供虚像106供立体观看。左和右图像发生系统70l和70r以类似的方式工作以及与立体成像系统10的其他元件交互，为简单起见，现仅说明左光路，示于图1。左图像发生系统70l在左曲面40l上产生左球形透镜组件30l的第一左中间曲面图像75l。左球形透镜组件30l投影第一左中间曲面图像75l，所述图像由分束器16反射，在靠近曲面镜24的前焦面22形成第二左中间曲面图像76l。以同样的方式，通过在右曲面40r上形成第一右中间曲面图像75r来产生第二右中间曲面图像76r，所述第一右中间曲面图像75r是由右球形透镜组件30r投影而形成的。曲面镜24与分束器16配合，从第二左中间曲面图像76l以及第二右中间曲面图像76r，形成虚像106，在左和右观察光瞳14l和14r呈现给观众12。虚像106就好象是在曲面镜24的后面、在曲面镜24和无限远之间的某处，出现在观众12面前。
以下说明主要集中在将光线导向左或右观察光瞳14l和14r的光学元件。应强调，如前所述，对左图像发生系统70l和右图像发生系统70r，总之，对左和右二光路，采用类似的光学元件。为简明起见，以下说明同等适用于左和右二光路中的元件。仅在必要时对左和右二光路加以区别。(因此，除非必要，在以下的说明中均省去零件号后附加的左“l”和右“r”的标志符)必须指出，如图1所示，观众12看见的立体图像有两个成分。为简单起见，图1只用虚线表示产生左观察光瞳14l的光路。由于曲面镜24的成像，左和右观察光瞳14l和14r的投影光路在自动立体成像系统10中交叉。前焦面22在光学上以曲面镜24的曲率中心Cs为中心。焦点F则是焦面22上的一点，在投影光路的交叉处。
图1示出从光学设计观点来看有待解决的一些关键问题以及本发明提供的解决方案的概要。重温一下为获得最生动的立体观看效果所需要的关键设计考虑很有教益。为了给观众12提供一种有效的身临其境的体验，大视场是很重要的，利用现有技术可以超过60度。为使观众12舒适地使用，观察光瞳14l和14r必须足够大。作为设计目标，本发明的自动立体成像系统10要提供的视场至少有90度，观察光瞳14的直径大于20mm。为了在人的两眼分距的范围内提供可观看的立体虚像，球形透镜组件30l和30r最好也分开一段适当的以经验确定的轴间距离。
或者，扫描球形透镜组件30l和30r之间的轴间距离可以手动调节以适应观众12的瞳孔间距离，或由自动成像系统10自动感测和调节。左和右图像发生系统70l和70r的元件及相应的左和右球形透镜组件30l和30r可以安装在例如悬臂(boom)上、允许每个图像发生系统70l/70r相对于另一个移动，以补偿瞳孔间距离的差异。可参考共同未决的美国专利申请No.09/854699，其中说明了利用球形透镜进行左和右眼投影组件的自动感测和调节。在此较早的申请中公开的同样的反馈回路装置和方法也适用于本发明的相应装置。
图像路径的单中心设计本发明的装置中光学元件的本质上单中心的配置对减小像差和增大视场具有许多明显的优点。参考图2，图中以合并的形式、以侧视图示出光路中关键元件的光学同心关系，适用于左和右光路。反射镜24的曲率中心是Cs，光学上位于左和右球形透镜组件30l和30r之间的中点。在图2所示的总体方案中，曲面40最好这样弯曲、使得其曲率半径的中心与球形透镜组件30的中心C1和C2一致。这种同心配置使球形透镜组件30能与分束器16一起形成第二中间曲面图像76，所述图像在光学上具有与球形透镜组件30一样的曲率中心C1或C2。曲面镜24的焦点Fmirror位于焦面22的交点处，光轴为O。曲面镜24最好是球形，也具有与扫描球形透镜组件一样的曲率中心C1或C2。
应该看到，图2给出的是合并的光路中元件关系的概括的初步近似。曲面镜24的曲率中心(图2中标为Cs)的实际位置，是在左和右扫描球形透镜组件30l和30r的曲率中心(分别标为C1或C2)之中间，但在图2的侧视图中不能分别看到。由于有分开的左和右扫描球形透镜组件30l和30r，以及相应地，在观众12的左和右人眼瞳孔68l和68r之间有瞳孔间距离，因此不能实现光学元件的几何上的完美单中心。作为一种接近的近似，图2中已实现相对于中心Cs的实质上的单中心。还应该看到，对于观众12而言，左和右扫描球形透镜组件30l和30r的最理想的设置应该是这样的、使得其由曲面镜24形成的实像分别与左和右观察光瞳14l和14r的位置和瞳孔间分离相对应。
回到图1，作为参考，第二中间图像76的最佳位置是在可认为是“靠近”焦面22的范围内。最佳范围从焦面22本身(作为外界限)延伸到大约20％的焦面22和曲面镜24表面之间的距离(内界限)。如果第二中间图像76形成在焦面22和观众12之间，那么，虚像106就会模糊不清。
由于球形透镜组件30是曲率中心在中心C的球形，如图2的展开配置所示，所以，可以提供宽的视场并具有最小的像差。应当指出，本发明的设计是对单一光瞳放大率进行优化，但是，在本发明的范围内，对单一光瞳放大率的某些改动是可能的。
球形透镜组件30的操作球形透镜组件30l/30r起与其关联的左或右光学系统的投影透镜的作用。参考图3，图中示出为每个球形透镜组件30提供的同心配置。中心球形透镜46设置在凹凸透镜42和44之间，其中，凹凸透镜42和44具有用来将轴上球面像差和色差减至最小的折射率和其他特性，这是光学设计技术上众所周知的。光阑48将入射光瞳限制在球形透镜组件30范围之内。光阑48不一定是物理的，也可以利用例如总内部折射等光学效应来实现。至于光路，光阑48用于限定球形透镜组件30的出射光瞳。
在一个优选实施例中，选择凹凸透镜42和44以便减小投影到曲面镜24上的图像的像差并优化图像质量。应当指出，球形透镜组件30可以包括在中心球形透镜46周围的任何数量的辅助透镜配置。这些辅助透镜的表面，不论使用多少，都与中心球形透镜46共有共同的曲率中心C。而且，在本发明的范围内，用于球形透镜组件30的透镜元件的折射材料可以变化。例如，除了标准的玻璃透镜外，中心球形透镜46可以包括塑料、油类或其他液体物质，或为应用的需要而选择的任何其他折射材料。凹凸透镜42和44以及球形透镜组件30中的任何其他的附加的辅助透镜，可用玻璃、塑料、封闭的液体或其他适当的折射材料制成，均属于本发明的范围之内。在最简单的实施例中，球形透镜组件30可仅包括单一的中心球形透镜46，没有附加的辅助折射元件。
图像发生系统70参考图4，图中详细示出了图像发生系统70的元件配置。将来自数字图像源的图像数据输入到光源驱动器141中，所述驱动器包含用于调制光源143的逻辑控制和驱动电子线路。光源143提供已调制光信号，用于形成第一中间曲面图像75。光源143耦合到用作光波导的光纤138。将光源耦合到光纤上的技术，在光学技术界已众所周知，包括例如对接耦合和透镜耦合。在所述优选实施例中，光源143是能被直接调制的激光器。
光源143和光纤138与谐振光纤扫描器137和中继透镜组件122配合，形成第一中间曲面图像75。在曲面40上形成包含各像素104的第一中间曲面图像75，供球形透镜组件30投影用。
谐振光纤扫描器137包括光纤138的端头部分，用作谐振悬臂部分139；以及驱动谐振悬臂部分139运动的致动器140。致动器140本身由与光源驱动器141同步的驱动信号控制，光源驱动器141向光源143提供控制信号。
中继透镜组件122用作光中继元件，用于从由光源143和谐振光纤扫描器137交互而产生的相应的扫描器像素104’形成第一中间曲面图像75上的每一个像素104。作为此功能的一部分，中继透镜组件122必须向曲面40上的第一中间曲面图像75提供所需的场曲率。如图4的示意图所示，中继透镜组件122可能需要将图像从由谐振悬臂部分139的动作形成的曲率中继到由曲面40形成的第二曲率。因此，中继透镜组件122可以包括为此目的而适当配置的任何数量的透镜。作为另一种可供选择的方案，中继透镜组件122可以包括光纤面板，例如Incom，Inc.，Charlton，MA制造的光纤面板，或者与谐振悬臂部分139的输出端紧耦合的光纤棒。
如图4所示，谐振悬臂部分139的输出端每次发射单一的扫描像素104’，作为被按照时序方式调制的点光源，以便提供像素104的二维图像阵列中的每个像素104。谐振光纤扫描器137的工作与以下文章中说明的相同文章题目“single fiber endoscopegeneraldesign for small size，high resolution，and wide field ofview(单光纤内窥镜小尺寸，高分辨率，宽视场的一般设计)，作者Eric J.Seibel，Quinn Y.J. Smithwick，Chris M.Brown，和G.Reinhall，发表在Proceedings of SPIE，Vol.4158(2001)pp.29-39。
致动器140可以是适合于向谐振悬臂部分139提供必须的谐振振动的许多类型致动器中的任何一种。合适的致动器140类型的实例包括双压电晶片或压电管致动器，例如可从位于MA的Hopkinton的ValpeyFisher公司购买的压电陶瓷管。其他合适的致动器可以是电磁致动器，包括电动式装置、诸如语音线圈、谐振扫描器、微-电-机-结构(MEMS)致动器、电流计、静电致动器；以及机械致动器，例如与偏心凸轮组合的一个或多个电机。
致动器140传递给谐振悬臂部分139的输出端的扫描图形能以多种方式跟踪像素104的全部二维阵列。最直接的扫描图形是直线性扫描图形，例如作CRT电子束扫描通常采用的图形。但也可采用其他图形。例如，由于图像发生器70的目的是提供曲面图像，所以采用螺旋形状或含有同心圆的扫描图形也很有利。其他扫描，例如在上述文章中提出的螺旋桨式扫描，对某些成像条件可能有利。应当看到，所用的扫描图形决定了扫描器像素104’的排序。
在所述优选实施例中，曲面40是扩散的曲面，其曲率中心与球形透镜组件30的曲率中心C相重合。如图4所示，球形透镜组件30将第一中间曲面图像75投影而形成第二中间曲面图像76。
曲面40和球形透镜组件30的同心配置将关于在曲面40上形成的第一左/右中间曲面图像75l/75r的投影的视场像差和轴上像差减至最小。再参考图3，可以把曲面40看作无数个其射线由球形透镜组件30接收的扩散点光源50的集合。通过提供扩散曲面40上的第一中间曲面图像，有效地克服关于出射光瞳大小和视场角度的LaGrange不变量限制。从图1所示的元件来看，曲面40起一个界面的作用，使作为图像发生器70的特性的低LaGrange不变量与立体投影元件(包括球形透镜组件30、分束器16和曲面镜24)的较高LaGrange不变量相匹配。克服了LaGrange不变量的限制，利用曲面40就允许球形透镜组件30的宽视角图像投影。
曲面40的功能是使由中继透镜组件122转发的光漫射，但具有尽可能高的亮度，用于球形透镜组件30以宽图像视角投影。为使观众12最终观看投影的图像，重要的是每个点光源50有效地填充球形透镜组件30的光阑48。如果实现这一点，则当观众12的眼睛定位在观察光瞳14l/14r时，就可从观察光瞳14l/14r内的任何一点观看到整个的投影图像。
在所述优选实施例中，曲面40包含涂敷在一个表面上(例如涂敷在透镜表面上)的涂层。合适的扩散涂层和关于曲面40的处理，本专业的技术人员都已知晓。或者，可以对曲面40进行研磨、腐蚀或以其他方式进行处理，以便提供必要的扩散特性，如光学技术领域中已众所周知的。
在另一实施例中，扩散曲面40可以用光纤面板来实现，例如Incom，Inc.，Charlton，MA制造的光纤面板。光纤面板通常用在平板显示应用中，将图像从一个表面传送到另一个表面。作为曲面40的一部分，光纤面板可以具有例如双凹形状，用于将由中继透镜组件122转发来的图像从任意场曲率转换为与球形透镜组件30同心的场曲率。所述光纤面板的输出凹面起曲面40的作用，可以用本专业技术人员熟知的许多技术加以处理，以增强扩散表面的性能。可以利用各种研磨、抛光、腐蚀或其他能造成扩散表面的技术，或利用全息光栅来进行表面处理。或者，可在曲面40的输出凹部加一层扩散涂层。
应当指出，本发明的装置和方法可以通过处理谐振光纤扫描器137的扫描图形、或控制成像光束的定时、或利用扫描图形和定时调节的某种组合而使第一中间曲面图像75的纵横比或相应尺寸量度在一定范围内可变。
关于曲面镜24配置的任选方案就一般而论，曲面镜24是某种类型的反射表面，作为形成自动立体图像的一种反射装置。以上参考图1和图2所述的优选实施例采用基本上球形的镜面作为曲面镜24，其曲率中心基本上在左和右球形透镜组件30l和30r之间的光学中点。在这种球形配置的情况下，曲面镜24在相应的左和右观察光瞳14l和14r处或非常靠近处形成左和右球形透镜组件30l和30r的实像。但也可使用曲面镜24的其他配置，只要这些配置也在相应的左和右观察光瞳14l和14r位置或非常靠近处提供左和右球形透镜组件30l和30r的实像。图5和图6的配置示出能满足曲面镜24的成像要求的不同配置。
可以理解，如果曲面镜24具有较短的焦距，那么，系统尺寸可按比例减小。这种尺寸减小的好处在于有利于在一定程度上将曲面镜24的实际形状调节为不是精确的球形。曲面镜24也可采用非球面形状，例如用以将离轴光瞳像差减至最小。
利用传统的成型、研磨和抛光技术，曲面镜24是一种制造起来相当昂贵的元件。用两个或多个较小的反射镜部分结合起来组成一个大反射镜24，这样制造反射镜24更为实际一些。
在另一实施例中，曲面镜24可以包括薄膜镜，例如可伸展的膜片镜(SMM)，其曲率由在伸展的反射表面后面的气密空腔中产生的受控真空状态来确定。可伸展的膜片镜的使用公开在以上背景部分引用的McKay的文章中。
另一方面，曲面镜24也可用复制镜、例如Composite MirrorApplications，Inc.，Tuscon，AZ制造的复制镜来实现。利用复合复制镜技术制造的单个曲面复制镜在成本、重量和耐久性方面都有特殊的优越性。关于曲面镜24的其他可能的替代方案包括Fresnel镜或后向反射镜或表面。
参考图5，图中示出另一种本质上单中心的配置，其中，设置在靠近光轴O的左和右扫描球形透镜组件30l和30r直接投影到曲面镜24上，不用图1和图2所示的分束器16。对于这样一种配置，曲面镜24必须具有可接受的离轴性能，因为每个观察光瞳14l和14r的图像路径相对于曲面镜24的曲率中心C而言必须要有一定程度的偏离中心。对于这样一种配置可以采用非球面镜。为使图5的配置可行，离轴距离(图5中的Cs到Cm)与曲面镜24的焦距之比必须很小。根据经验，已确定如果左和右扫描球形透镜组件30l和30r的离轴角在大约6度之内，具有球面的曲面镜24就可令人满意地工作。
对于大于6度的离轴角，非球面的曲面镜24更为合适。对于这样一种非球面，曲率点的第一中心Cm’位于观察光瞳14l和14r之间的中点。曲率点的第二中心Cm位于扫描球形透镜组件30l和30r各自的中心点Cl和Cr之间的中点。这样一种非球形设计可以是环形的，相对于通过点Cm’和Cm的轴线E是单中心的。从截面看，用这种方式制造的曲面镜24是椭圆形的，以点Cm和Cm’作为椭圆的焦点。
参考图6，图中示出另一种配置，类似于图5所示，也没有分束器16。在图6中，曲面镜24是圆柱形的曲面反射式Fresnel镜66。图6所示的元件配置相对于轴线E也是单中心的，如图5所示。反射式Fresnel镜66只在一个方向上有功率。反射式Fresnel镜66可以是例如在柔性衬底上制造的平面元件，类似于Fresnel Optics，Rochester，NY制造的Fresnel光学元件。Fresnel镜66可以围绕轴线E弯曲成一般的圆柱形状，如图6所示。任选地，Fresnel镜66可以是基本上平的。Fresnel镜66可以以类似于上述曲面镜24的方式将扫描球形透镜组件30l和30r的出射光瞳成像到观察光瞳14l和14r上。
作为利用图5的总体元件配置的另一任选方案，曲面镜24可以用反向反射表面来代替，所述表面具有基本上球形的形状，其曲率中心与扫描球形透镜组件30的曲率中心相重合。反向反射表面不会引入因曲面镜反射而产生的图像交叉，如图1中对左图像路径所示。使用反向反射镜成像可以提供增大的观察光瞳14的尺寸以及更均匀的亮度等优点。使用反向反射镜后图像发生系统70中就不再需要扩散曲面镜40。但需指出，这种配置提供的是实像，而不是在优选实施例中自动立体成像系统10形成的虚像。
图1到图6的实施例说明了用元件的各种不同的可能配置时图像是如何形成的。需要强调的是在本发明的范围内有许多可能的变通实施例。例如，有许多方式可利用本发明的装置和方法来提供彩色图像的排序。此处公开的扫描光纤技术可以利用例如交错的彩色光束或利用时间排序的彩色帧来提供彩色帧。
参考图7，图中示出用于彩色图像投影的图像发生器70的优选的实施例。红、绿、兰光源143r，143g和143b耦合到三分支光纤组件150，它将来自光纤(红)138r、光纤(绿)138g和光纤(兰)138l的相应的各彩色组合起来，提供一个多色光纤138t。谐振光纤扫描器137工作，激励多色谐振悬臂部分139t，形成作为彩色图像的第一中间曲面图像75。红、绿、兰色通常用作全色显示，但也可使用两种或多种彩色的不同组合来形成多色图像。
本发明的优选实施例提供了用于立体成像的超宽视场和所需亮度，视场可超过90度的范围，观察光瞳14接近20mm。而且，球形透镜组件30提供优异的离轴性能，且可有更宽的视场，可达180度。这就为观众12提供了增强的观看体验，而不需戴头套、护目镜或其他装置。
权利要求
1.一种本质上单中心的自动立体光学装置，用于显示立体虚像，后者包括观众在左观察光瞳观看的左图像和观众在右观察光瞳观看的右图像，所述装置包括(a)左图像发生系统和右图像发生系统，其中，每个左和右图像发生系统形成包含像素阵列的第一中间曲面图像，每个图像发生系统包括(a1)光源，用于以按照扫描图形排列的一系列像素的形式发射调制光；(a2)光波导，它具有耦合到所述光源的输入端以及柔性输出端，其中，所述输出端发射所述调制光；(a3)致动器，用于按照所述扫描图形偏转所述光波导的所述柔性输出端；(a4)曲面，用于通过接收从所述光波导的所述输出端发射的、由所述致动器按照所述扫描图形偏转的所述调制光而在该曲面上形成所述第一中间曲面图像；(a5)光中继元件，用于将所述光波导的所述柔性输出端按照所述扫描图形发射的所述调制光转发到所述曲面上，形成所述第一中间曲面图像；(b)左球形透镜组件，用于投影来自所述左图像发生系统的所述第一中间曲面图像，形成所述左图像发生系统的第二中间曲面图像，所述左球形透镜组件具有左球形透镜光瞳；(c)右球形透镜组件，用于投影来自所述右图像发生系统的所述第一中间曲面图像，形成所述右图像发生系统的第二中间曲面图像，所述右球形透镜组件具有右球形透镜光瞳；(d)曲面镜，它设置成在所述左观察光瞳处形成所述左球形透镜光瞳的实像、并在所述右观察光瞳处形成所述右球形透镜光瞳的实像；以及其中，所述曲面镜从来自所述左图像发生系统的所述第二中间曲面图像和来自所述右图像发生系统的所述第二中间曲面图像形成所述立体虚像。
2.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述光源是激光器。
3.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述光源提供白光。
4.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述扫描图形是直线形的。
5.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述扫描图形是螺旋形的。
6.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述扫描图形是辐射状的。
7.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述扫描图形包括同心圆。
8.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述光波导包括光纤。
9.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述致动器是压电式的。
10.如权利要求1所述的自动立体光学装置，其特征在于所述致动器是电磁式的。
全文摘要
光学元件的本质上单中心配置提供虚像的立体显示，利用柔性光波导通过谐振光纤扫描器(137)的谐振激励以电子学方法对虚像进行扫描并利用球形透镜组件(30)以实中间图像的形式投影到曲面镜(24)的焦面(22)附近。为了形成左和右各自的中间图像成分，分立的左和右图像发生系统(70)各自包括谐振光纤扫描器(137)，后者本身包括光纤(138)的谐振悬臂部分(139)，它将已调制光束导向曲面(40)，供球形透镜组件(30)投影用。光学元件的单中心配置把左和右扫描球形透镜光瞳成像在观众(12)的相应的左和右观察光瞳(14)并为投影元件提供单一的曲率中心。使用这种具有曲面中间图像源和球形透镜组件(30)的单中心配置提供了具有大观察光瞳(14)的特别宽的视场。
文档编号G02B26/10GK1444094SQ03120560
公开日2003年9月24日 申请日期2003年3月10日 优先权日2002年3月8日
发明者J·A·阿格斯蒂内利, J·M·科布 申请人:伊斯曼柯达公司