专利名称：使用双折射光路长度调节器进行体成像的显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于调节两个光学元件之间的光路长度的方法和设备。具体但非排他，本发明涉及产生在限定成像容积内的虚像的三维显示装置中的光路长度调节。
背景技术：
可以以数种方式创建三维图像。例如，在立体显示器中，可以同时或分时地显示可由观众的各个眼睛单一观测到的两幅图像。这些图像是借助观察者所佩戴的专用眼镜或护目镜加以选择的。在前一种情况下，这些眼镜可以配备偏振透镜。在后一种情况下，这些眼镜可以配备电子控制的遮光器。这些类型的显示器构造相对简单，并且具有较低的数据速率。不过，使用专用的观看眼镜并不方便，而且缺乏运动视差也会使观众感觉不适。
使用自动立体视觉显示器可以产生更真实的三维效果。在这些类型的显示器中，每一个象素发射在不同的观看方向上强度不同的光。观看方向的数量应当大得足以使观众的各只眼睛看到不同的画面。这些类型的显示器显示实际的运动视差；如果观众的头部移动，则视图会相应地改变。
在实践中，大多数这些类型的显示器在技术上都难以实现。在文献中可以找到多种提案，参见例如US5969850。这些显示器的优点是，许多观众可以观看例如单独一个3D电视显示器，而不需要专用的观看眼镜，并且各个观众都能看到包含视差和全景(perspective)的逼真三维图像。
另一种类型的3D显示器是体显示器，如http://www/cs.berkley.edu/jfc/MURI/LC-display中介绍的那种体显示器。在体显示器中，图像显示容积中的点发出光。这样，可以创建三维物体的图像。这种技术的缺点是遮挡，即，它不可能阻挡被其它物体挡住的点的光线。因此，每一个被显示的物体都是透明的。在原理上，这个问题可以借助视频处理以及可能跟踪观众头部或眼睛位置来加以克服。
图1中示出了体显示器的一种已知实施方式。该显示器由透明晶体10构成，两个激光器11、12(或更多)在该透明晶体中进行扫描。在激光光束13和14相交的位置15处，通过上转换可以产生光16，在上转换过程中，通过吸收许多较低能量的光子(即，从合成激光束中)产生了较高能量的光子发射。这种类型的显示器很昂贵，也很复杂。它需要专用的体晶10和两个扫描激光器11、12。此外，上转换不是效率很高的处理过程。
图2中示出了体显示器20的另一种可供选用的实施方式。这种方案采用一种可以在透明和扩散之间进行切换的材料，比如散布聚合物的液晶(PDLC)或液晶凝胶(LC-凝胶)。在三维栅格容积21中，单元22可以在这两种状态之间切换。典型地，容积21是从一个方向受到照射的。在该图中，照射源23位于该栅格容积下方。如果将单元22切换到扩散状态，则光24向各个方向散射。
发明内容
本发明的一个方面是为了提供一种体三维图像显示设备，从而克服与现有设备相关的一些或所有问题。
本发明的另一方面是为了提供一种在体三维图像显示设备中适合调整两个光学元件之间的光路长度的装置。
本发明还有一个目的是为了提供一种光路长度调节器，从而改变在输入光路和输出光路之间的光路长度。
下面描述的本发明的实施例可以实现上述一些或全部的目的。
一个方面，本发明提供了一个产生三维体图像的显示装置，包括二维图像显示屏，用于产生二维图像；第一聚焦元件，用于把上述二维图像投射成成像容积内的虚像；以及用于改变显示屏与投射聚焦元件之间的有效光路长度、从而改变虚像在成像容积内的位置的构件，其中用于改变有效光路长度的构件包括光路长度调节器，该光路长度调节器用于改变在输入光路和输出光路之间的有效光路长度，包括第一偏振开关，用于为在输入光路上的输入光束选择偏振状态；
具有双折射特性的光学元件，从而该光学元件定义了从中经过的至少两条不同长度的可能有效光路，该光学元件用于依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两条可能的光路中选定的一条光路传送输入光束，并且用于在所述的输出光路上提供已沿着所选择的光路传播过来的输出光束。
另一方面，本发明提供了一种产生三维体图像的方法，包括以下步骤在二维图像显示屏上产生二维图像；利用第一聚焦元件，把上述二维图像投射为成像容积中的虚像；通过改变位于显示屏与投射聚焦元件之间的光路长度调节器的输入光路和输出光路之间的有效光路长度，改变在显示屏与投射聚焦元件之间的光路长度，从而改变虚像在成像容积中的位置，其中，包括以下步骤使用第一偏振开关为在输入光路上的输入光束选择偏振状态；将输入光束送到具有双折射特性和从而定义了从中经过的至少两条不同长度的可能有效光路的光学元，输入光束依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两条可能的有效光路中选定的一条光路传播；将双折射光学元件的输出光束提供到所述输出光路上。
下面将通过例子并结合图来描述
具体实施例方式图1示出了基于两个激光扫描器和一个向上转化晶体的体显示器透视示意图；图2示出了基于聚合物散布液晶或液晶凝胶体的可切换单元的体显示器透视示意图；图3给出了用于说明体三维图像显示设备的原理的示意图，本发明能有利地用于该显示设备中；图4示出了根据本发明的体三维图像显示设备的示意图，该体三维图像显示设备包括显示平面和光路长度调节器；图5示出了体三维图像显示设备的示意图，表明该体三维图像显示设备在显示平面和聚焦元件之间具有一个光路长度调节器；
图6给出了提供两条不同路径长度的光路长度调节器的示意图；图7是表明双折射光学元件的光轴方向对输入偏振光束的影响的示意图；图8示意给出了描述如图6所示的调节器的两条不同的光路的示意图；图9示出了基于分束器的提供两条不同路径长度的光路长度调节器的示意图，所述分束器可以与图6中的调节器一起使用；图10示出一个能提供八条不同光路长度的折叠多路径光路长度调节器，其中基于分束器产生了7条不同的路径长度，该调节器可以与图6中的调节器一起使用；图11是说明图10的调节器的八条不同的光路的示意图；图12给出了图5中显示设备的控制系统的示意性的功能框图；图13示出了在双折射晶体中，用于定义波法线的极角和方位角的常用术语；图14是说明双折射晶体的汇聚光束及其不同的焦点的示意图；图15是图14中的焦点位移作为具有0和90度的方位角的寻常光线和非寻常光线的每一个的入射角的函数的图形表示；图16示出了圆柱形双折射元件与一个用于修正象散的非双折射补偿对应元件(counterpart)一起使用的示意图；图17示出了图16的透镜设置的焦点位移作为具有0和90度的方位角的寻常光线和非寻常光线的每一个的入射角的函数的图形表示；图18a和18b是能用于光路长度调节器的球面双折射元件的示意图，该元件具有很小的象散；图19是按照图18b的双折射元件对于具有0度的方位角的寻常光线、具有0度的方位角非寻常光线和具有90度的方位角的非寻常光线的每一个的像距的图形表示；图20a和20b是用于修正双折射元件的球面象差的光学元件的示意图；图21是针对图16中的圆柱形修正平面平行元件板，在寻常光线的焦点与(i)具有0度的方位角的非寻常光线的焦点、(ii)具有90度的方位角的非寻常光线的焦点的距离的图形表示；图22是针对如图18b中的球面双折射透镜，对于具有0度和90度的方位角的非寻常光线在非寻常图像和寻常图像之间的像距的差别的图形表示。
具体实施例方式
图3a和3b图解说明三维图像显示设备中使用的一些基本原理。在图3a中，借助菲涅耳反射镜32给出小显示屏31的相对较大的虚像30。在图3b中，借助菲涅耳透镜37给出小显示屏36的相对较大的虚像35。虚像30或35呈现在透镜前方的空中。观众可以将目光聚集在图像30或35上，并观察到它是‘飘浮’在空中的。
图4a和4b图解说明图3a和3b方案的改型。如图4a所示，显示屏41和菲涅耳反射镜42之间的有效光路长度是通过设置适当的有效路径长度调节器43来加以改变的。同样，如图4b中所示，显示屏46和菲涅耳透镜47之间的有效光路长度是通过设置适当的有效路径长度调节器48的来加以改变的。
按照一种方案(该方案是由本申请人同时提交的、名称为《体显示器(Volumetric display)》的单独的专利申请的主题)中，有效路径长度调节器43、48都是可变强度的透镜；按照同一申请中的另一种方案，有效路径长度调节器是机械驱动的装置，该装置通过一个或多个光学元件的物理运动在两个或多个光路之间进行切换。
按照另一种方案(该方案是由本申请人同时提交的、名称为《光路长度调节器(Optical Path Length Adjuster)》的单独的专利申请的主题)，有效路径长度的调节是使用偏振开关和一对分束器以光电方式来进行的。该分束器设置成用于在它们之间给出至少两个不同的光路长度，这些路径可以借助偏振开关来加以选择。
不过，本发明的目的在于在双折射光学元件中的两个或多个光路之间进行电光切换。
从一般意义上讲，会注意到，反射镜42或透镜47一般来说可以由用于把显示屏41、46的二维图像投射为位于成像容积44或49内的虚像40或45的任何光学聚焦元件来代替或实现。最好，反射镜42或透镜47是具有单一焦距的单一或组合的光学聚焦元件，以使平面显示屏成像到成像容积的单一的平面内。
图5图解说明按照图4的原理的显示装置50的基本组成部分。二维显示装置或‘光引擎’51为在成像平面55上成像提供照明光源。光沿着输入光路52传播到光路长度调节器53，又从光路长度调节器53经输出光路54传播到聚焦元件57(例如，反射镜42或透镜47)，该聚焦元件将二维图像投射到平面55上。
光路长度调节器53的操作有效地移动了成像平面55的深度位置，如箭头58所示。该路径长度最好是以3D图像显示帧频周期性地加以调节。典型的，这个帧率为50或60Hz。再返回来参照图4，在一个3D图像帧周期内(例如，1/50秒)，显示屏41或46的虚像充满了成像容积44或49。在同一帧周期内，可以驱动显示屏来改变所投射的图像，使得成像容积44或49内不同的深度接收不同的虚像。
将会理解，按照一个优选方面，路径长度调节器53可以有效地将基本为平面的二维显示屏的基本为平面的虚像以3D帧速率周期性地通过成像容积44或49。在该3D帧周期中，2D图像显示屏以实质上高于3D帧速率的2D帧速率显示一连串的2D图像。
因此，在成像容积40、49中的不同的平面40a、40b或45a、45b上，获得了不同的图像，从而可以构成任何物体的三维图像。
二维显示屏可以是用于产生二维图像的任何适当的显示装置。例如，可以是多LED显示器、LCD、LCOS显示器或基于数字微反射镜器件(DMD)的投影显示器。
最好，显示屏快得足以实现在一个帧周期(例如，1/50秒)内产生多幅2D图像。例如，可以用商业手段得到的DMD可以达到10000帧/秒的速率。如果使用24个二维帧来产生彩色和灰度级的效果，并且要求3D图像的刷新率为50Hz，那么可以在成像容积44、49内产生8个不同的成像平面40a、40b、45a、45b。
参照图6，介绍光路长度调节器53a的第一种方案。该光路长度调节器基于双折射材料和偏振开关。
取决于光入射到材料上的偏振状态，双折射材料具有不同的有效折射系数。这种差异是很有意义的。例如，对于偏振方向与材料的光轴平行的光，公知材料方解石具有ne＝1.486的折射系数；并且对于偏振方向垂直于光轴的光，其折射系数为no＝1.685。本发明就是基于这一特性。
图6图解说明这一原理。光路长度调节器150包括处于输入光路52上的偏振开关160，该偏振开关160位于表现出双折射特性的光学元件161之前。从双折射光学元件161的输出面表示光输出路径54。
在本文中使用表达‘偏振开关’来涵盖用于选择特定偏振状态的任何适当装置，例如可以进行导通和切断或者或者切入和切出光路的偏振转子。偏振开关可以改变已经偏振的光束的偏振状态，或者为未偏振的光束选择偏振状态。在来自显示屏41、51的光已得到偏振的情况下，则偏振开关可以全部是偏振改变类型的。
偏振开关可以是具有扭转向列90度结构或者铁电效应单元(这种单元能够实现较高的切换速度)的单一单元液晶屏。依据所施加的电场，偏振开关一般提供具有两种可能偏振状态中的一种偏振状态的偏振光输出。按照另一种可选方案，偏振开关可以用具有两个可选起偏振器的可旋转轮来实现。
在本文中使用的表达‘双折射光学元件’161指的是这样的光学元件该光学元件表现出足够的双折射特性以通过选择入射光束的偏振状态来实现从中经过的至少两种不同有效光路长度的选择。该双折射光学元件可能包括聚焦特性。该双折射光学元件可以包括不表现出双折射的部分，下文中将对此进行讨论。
由于在双折射光学元件161中的不同的折射系数ne和no，对于在垂直于光轴163的方向162上偏振的光，所要通过的视在(有效)光学路径长度要长于在平行于光轴163的方向164上偏振的光(或者相反，这取决于晶体的材料)。通过切换偏振开关160来选择合乎要求的偏振状态，可以选择短或长的光路。
必须仔细的选择双折射光学元件的光轴的方向。P偏振光的有效折射系数可取决于入射角。在成像系统中，这是不方便的。在典型的应用情况下，用光线以多个入射角度照射双折射元件161。最好，对于具有一种偏振状态的光(比如，寻常光线或非寻常光线)，有效折射系数的变化应当是最小的。这一点可以通过将晶体的光轴选择成与系统的光轴相垂直来实现(即，如图6所示，垂直于输入路径52)。
在这种情况中，对于垂直于光轴的偏振光，双折射元件161的折射系数等于双折射元件的寻常折射系数no。对于平行于双折射元件161的光轴163偏振的光，情况比较复杂，这一点将结合图7进行讨论。
图7a和7c表示双折射光学元件161在平行于光轴163的方向上的视图。图7b和7d表示双折射光学元件161在垂直于光轴163的方向上的视图。折射系数取决于光的传播方向。注意对于平行于光轴的输入光束偏振方向，折射系数的两个值是极值。对于具有相同的角度θe的其它传输方向，折射系数具有介于上述两个极值之间的值。
图8示出了实际的实施方式。在该示意图中，‘物体’可以相当于沿着输入光路52向双折射光学元件161发射光线的显示屏或光引擎51。偏振开关160为输入光束选择期望的偏振状态。图像55、55’的位置取决于所选择的光的偏振状态。
一般说来，图8所示的实施方式只能在55、55’处的两个不同平面上产生图像。一系列的N个这些光路长度调节器将有效地得到2N种不同的路径长度，每一个这样的光路长度调节器具有双折射光学元件161，双折射光学元件161的厚度为前一个双折射元件的厚度的两倍。例如，假设通过双折射光学元件的光线的偏振方向可以独立地选择，并且假设可以避免或修正象散所带来的问题，那么利用八个偏振开关160和八个双折射光学元件161可以实现256个不同的成像平面，这一点在后面讨论。
本发明还可以与前面引用过的共同审查当中的名称为《光路长度调节器(Optical Path Length Adjuster)》中介绍的光路长度调节器一起使用，下面将结合图9简要讨论这种光路长度调节器。
图9中的光路长度调节器包括第一偏振分束器61和第二偏振分束器62。偏振开关60设置在输入光路52中的第一分束器61之前。
第一分束器61分别具有第一输入表面61a，以及第一和第二输出表面61b、61c。第二分束器62具有第一和第二输入表面62a、62b，以及输出表面62c。第一光路63直接延伸在第一分束器61的第一输出表面61b与第二分束器62的第一输入表面62a之间。第二光路64(长于第一光路63)在第一分束器61的第二输出表面61c与第二分束器62的第二输入表面62b之间延伸。第二分束器的输出表面62c与输出光路54相耦合。
借助偏振开关60，可以按照下面的方式在两个不同的光路63、64之间进行选择。我们假设从输入路径52上的偏振光(例如具有偏振状态P)的输入光束开始。则按照下面的方式可以选择两个不同的光路63、64。首先，如果偏振开关60切断，则P偏振光将进入第一分束器61，并且不在其中发生反射，直接穿过到达光路63。同样的情况适于第二分束器62。因此，在这种偏振状态下，光沿着直线穿过调节器53a传播。
如果偏振开关60导通，则将会使P偏振输入光束转换成S偏振。这种偏振光将会进入第一分束器61，并将会被向右反射到光路64上。在第二分束器62中该光将会再次得到反射，并沿着输出路径54离开调节器53a。
按照图9的结构，将会注意到第二光路64包括由两个反射镜66a和66b分隔开的三个路径段64a、64b和64c。按照其它一些方案，可以有更多或更少的路径段。
借助这个调节器53a，我们可以在体显示装置50中产生两个成像平面55。
调节器53a与本发明的双折射调节器150一起使用能够增加图像平面的数目。
图10示出了采用图9中方案的原理的更复杂的路径长度调节器100。借助四个偏振开关101、102、103、104以及仅仅两个偏振分束器105、106，可以把不同光路的数目增加到7个。这是一种非常有益的结构，因为大的偏振分束器相对贵一些。
与图9的方案类似，将输入光路52引向第一分束器105的第一输入表面105a。将输出光路54与第二分束器106的第一输出表面106相耦合。
第一分束器105具有第一和第二输入表面105a、105d，以及第一和第二输出表面105b、105c。第二分束器106具有第一和第二输入表面106a、106b，以及第一和第二输出表面106c、106d。如图所示，反射镜108a、108b、108c、108d的阵列将各个不同的光路段折转到分束器的适当输入表面。第一光路110存在于输出表面105b与输入表面106a之间。第二光路111存在于输出表面105c与输入表面106b之间。第三光路112存在于输出表面106d与输入表面105d之间。各个输入表面105a、106b、105d、106a与相应的一个偏振开关101、102、103、104相关联。
原理上，可以有十六种不同的状态，其中运用四个偏振开关。对于进入调节器的光，这些状态中的一些实际上会得到相同的路径。由图可知，有八种不同的路径，在这八种路径中有七种路径具有不同的总路径长度。图11示出了这八种不同的路径。这些路径的详细的说明可以参见上面提到的共同审查当中的申请。
可以理解，本发明中的双折射光路长度调节器150也可以与图10中的调节器一起使用。
由于偏振开关60、101至104和/或双折射元件161和/或分束器61、62、105、106的吸收系数，不同的光路可能会导致亮度上的差别。这种吸收可以由光引擎显示器51的亮度来补偿，比如对提供给它的视频信号用电学的方法加以修正。
参照图12，示出了采用本文介绍的双折射光路长度调节器以及控制系统的总的体图像显示装置的示意图。插在2D显示屏46和聚焦元件47之间的路径长度调节器120(例如前面介绍的调节器53、150、53a、100)是由路径长度控制电路73控制的。路径长度控制电路向各个偏振开关提供驱动信号。显示驱动器72接收来自图像生成器71的2D帧图像数据。借助同步电路74，使一连串2D图像的显示与路径长度控制器的操作同步。
结合附图6、7和8介绍的双折射光路长度调节器150一般来说存在象差问题。非寻常光线可能遭受象散。即使当角度θe很小时(注意θe是相对于系统光轴加以定义的)，对于光线的偏振方向平行于晶体光轴时的两种情况，晶体造成的折射也可能是显著不同的，这将导致经双折射平面平行板聚焦的光束发生严重象散。这种象散将导致焦点‘模糊’，该焦点可能完全与寻常焦点重叠。于是，在许多环境中，不提供这种象散的修正，光路长度调节就不能有效进行。有许多方法用于修正这些象散，下面将进行说明。
而且，对于经过平面平行板的汇聚光束而言，球面象差可能很严重。对于球面象差，计算表明，对寻常光束进行球面象差修正优化也能导致非寻常光束的球面象差明显降低。
按照一种方案，提出了将修正寻常光束中的球面象差用的(非双折射)球面象差修正光学元件包含在光路中。即使当应用偏振方向的旋转并且非寻常光束通过一些平面平行板时，假设入射角不是太大，这种球面象差修正方法也可以满足需要。
现在参照图13简要讨论光在双折射材料中的传播。根据在M.Born&E.Wolf所著的《Principles of Optics》 (第7版，CUP，2001，P.806)中介绍推理，我们从波法线的菲涅耳方程开始sx2(vp2-vy2)(vp2-vz2)+sy2(vp2-vz2)(vp2-vx2)+sz2(vp2-vx2)(vp2-vy2)=0---(1)]]>其中Vp，Vx，Vy，Vz都是相速度，是传播中的三个主速度，sx，sy，sz是晶体中波法线分量。假设光轴是x方向的，即vx＝ve，且vy＝vz＝vo，(2)其中Ve是非寻常速度，而vo是寻常速度。
把这些式子代入表达式1中，得到sx2(vp2-vo2)(vp2-vo2)+sy2(vp2-vo2)(vp2-ve2)+sz2(vp2-ve2)(vp2-vo2)=0,]]>因此vp2-vo2=0,]]>或者sx2(vp2-vo2)+sy2(vp2-ve2)+sz2(vp2-ve2)=0.---(3)]]>在晶体中，波法线v的方向是由极角θ(相对于z轴)和方位角(相对于x轴)来表征的，即sx＝sinθcos，sy＝sinθsin， (4)sx＝cosθ。
图13示出了几何图形。
把这些表达式代入表达式3中，得到vp2-vo2=0,]]>或者 结果是相速度满足vp＝±vo2或者 (6)
假设晶体表面的法线处于z方向上。
这样，Snell法则可以写作sinθ1sinθ=cvp.---(7)]]>注意方位角在晶体里面和外面是相等的。对于普通光线，Snell法则是sinθisinθ=cvo=no,---(8)]]>其中no表示寻常折射系数。比如，对于非寻常光线，Snell法则是 其中ne表示非寻常折射系数。可以针对θ求解这个表达式，得到 这个结果可用于计算作为在晶体外波法向的函数的非寻常波法向在晶体内的方向。可以按照与Snell法则相同的形式对该结果进行重写，即 该重写结果揭示了一个重要的特点有效折射系数取决于入射角并且取决于入射波的方位角。
现在我们计算双折射对折射光线的影响。波矢量k可以写作k→=|k|·s→=2πλ0·vpc·s→=ωvp·s→---(12)]]>利用sx2(vo2-ve2)+sy2(vp2-ve2)+sz2(vp2-ve2)=0,---(3)]]>我们能够为k得到下面的表达式ω2[sx2(1-vo2vp2)+sy2(1-ve2vp2)+sz2(1-ve2vp2)]=0.---(13)]]>因为s是一个单位矢量，上述方程式可以重新写作
ω2[1-sx2vo2vp2-sy2ve2vp2sz2ve2vp2]=0,---(14)]]>上述表达式又可以写为 和kx2no2+ky2ne2+kz2ne2-ω2c2=0.---(16)]]>波矢量k和光矢量(＝群速度矢量)v按下面的方式相互关联[J.Opt.Soc.AM.A Vol19，No5，p814(1992)]v→=▿→k·ω,---(17)]]>比如v→=▿→k·ckx2no2+ky2ne2+kz2ne2,---(18)]]>结果是v‾=c2ω[kxno2,kyne2,kzne2]=c2vp[sxno2,syne2,szne2]---(19)]]>注意，光线的方向与波法线的方向不同。
折射光线与表面法线的角度ξ为tan(ξ)=sx2no4+sy2ne4sz2ne2.---(20)]]>把sx，xy的表达式代入到上述表达式中，得到 结果得到的表达式是θi的函数
对于yz-平面(＝90°)内的非寻常光线，该表达式为tan(ξ)=sinθine2-sin2θi,---(23)]]>而对在xz-平面(＝0°)内的非寻常光线而言，该表达式为tan(ξ)=(neno)·sinθno2-sin2θi.---(24)]]>对于寻常光线，相应的表达式为tan(ξ)=sinθino2-sin2θi.---(25)]]>可以利用寻常和非寻常光线之间的这种差异来改变汇聚光束焦点的位置。该双折射晶体的缺点是在非寻常光线中存在象散，即，对于xz-平面和yz-平面内的光线，折射光线方向不同。图14示出了在方解石晶体141中的汇聚光束140。中间的线142代表寻常光线。外侧的线143和内侧的线144分别代表在xz-平面和yz-平面内的非寻常光线。为清楚起见，两种非寻常光线实际上都画在了图中的同一平面上。
由图14可以很清楚地看到，可以改变由汇聚光束140产生的焦点145的位置。不过，从寻常光束切换到非寻常光束造成了可能完全覆盖寻常焦点的象散。
没有双折射晶体的情况下的焦点146(如图中虚线所示)与有双折射晶体的情况下的焦点145之间距离表示为δe,o=d[1-tanξe,otanθi]]]>其中d表示晶体141的厚度。由上述表达式，很显然，球面象差也是由晶体所带来的，因为‘焦点距离’δ是入射角度的函数。图15表示，针对厚度为10mm(no＝1.4864，ne＝1.6584)的方解石晶体，针对方位角为0和90度的寻常光线和非寻常光线，作为入射角度函数的焦点位移。线182表示方位角为0度的寻常光线的焦点位移。线183表示方位角为0度的非寻常光线的焦点位移。线181表示方位角为90度的非寻常光线的焦点位移。
按照第一种方案，可以通过向双折射光学元件141或161增加失真光功率(anamorphic optical power)来修正象散。图16示出了一个合适的方案，图中双折射元件165的表面之一是圆柱形的，在其上连接一个相配的、非双折射对应元件(counterpart element)166。对应元件166的折射系数应当与双折射元件165的寻常折射系数相匹配。于是，寻常光线就不会受到曲面的影响了，同时两个平面内的非寻常光线的焦点能够得到匹配。
为了模拟这个原理，我们假设在到达双折射晶体以前，xz-平面内的入射非寻常光线要得到散焦。我们假设以这样一种方式选择恒定的散焦条件对于近轴光线，非寻常光线的焦点能够相互匹配。图17示出了结果得到的作为入射角函数的焦点位移。曲线186代表对应于方位角为0度的寻常光线的焦点位移。曲线184代表对应于方位角为0度的非寻常光线的焦点位移。曲线185代表对应于方位角为90度的非寻常光线的焦点位移。
圆柱形透镜系统165、166的一个潜在的缺点是它的复杂性，以及对于10mm厚的双折射材料(例如，方解石)仅有大约0.7mm的小的焦点位移。另一个潜在缺点是只能对特定的物距修正象散。将物距改变得远离对双折射光学元件修正过的位置将会造成象散。
按照另一种实施方式，如图18a所示，不采用平面平行双折射元件161，可以采用双折射球面透镜201。在图18a中，使用了平凸双折射透镜，但是也可以使用其它的构形。假设双折射元件材料201的光轴平行于x轴。最好，将球面透镜构成为，使得非寻常光线的象散最小。在图18b示出了平凸球面双折射透镜201的更为详细的模拟图，该透镜具有位于y＝0上的平坦表面、位于y＝-38.0mm处的寻常图像、位于y＝-35.9mm处的非寻常焦点和位于y＝-44.9mm处的原始物体(虚拟的)。线208表示非寻常光线，线209表示寻常光线。注意，两种非寻常光线的焦点重合。
利用上面给出的原理，可以计算出该透镜201的焦距。对于两种非寻常光线，透镜201产生了焦点的不同。不过，计算表明，对于特定的物距SO和特定的光线锥体202，象散象差是不存在的。图19图解说明这个原理，该图对应于5mm厚、曲率半径为100mm的平凸方解石透镜201和位于y＝-44.9mm处的物体。在这个图中，使用薄透镜近似，描绘出了对应于寻常和非寻常光线的像距SI。曲线190代表对应于方位角为0度的寻常光线的作为入射角函数的像距。曲线192代表对应于方位角为0度的非寻常光线的作为入射角函数的像距。曲线191代表对应于方位角为90度的非寻常光线的作为入射角函数的像距。
从图19中可以清楚地看到，两种非寻常光线在入射角为15度处相交。这个角度可以通过选择合适的物距51和/或双折射透镜的形状(例如曲率半径)加以调整。换句话说，通过改变物距或透镜形状，两种非寻常光线具有同一像距的极角可以是除了15度之外的给定值。这样，通过为显示器51选择适合的最优物距，可以将象散最小化。
当从寻常光线变为非寻常光线时，图像移动大约2mm。注意，紧跟在球面透镜之后，也可以使用非球面透镜。
这些修正或消除象散的方法的缺点在于如下事实对最小象散的最佳拟合取决于物距。这意味着，如果使用双折射路径长度调节器的级联结构，从级联结构中的后续的调节器来看，独立使用分开的调节器可以改变光束的焦点。这可以限制能使用的切换模式，特别是对双折射平面平行板，在这种情况下，象散可能大于从寻常光线到非寻常光线的焦点变化。
对于上述的双折射球面透镜，这个问题并不严重，因为象散比像距的差值小得多。
在双折射透镜的级联结构中，可以独立地切换透镜。值得注意的是，至少对寻常光线而言，最佳物距和相邻透镜的像距要尽可能地接近匹配。这意味着，由第一透镜产生的图像接近于第二透镜的最佳物体位置，以此类推。对于N个双折射透镜，这种方案得到2N个像距。
对应于双折射平面平行板的可能切换方案为除了一个单独的使用非寻常模式通过的调节器之外，将所有的路径长度调节器都切换到寻常模式。改变以非寻常模式通过的调节器将会改变光路长度。对于N个双折射平面平行板，这种方案将会得到N个像距。
在图17和19中，球面象差仍然很明显，尤其是在入射角较大的情况下。可以看到，在这两幅图中的三条曲线的形状是类似的。因此，针对寻常光线补偿球面象差将会补偿非寻常光线的大部分的球面象差，尤其是就相对较小的入射角而言。
这样，按照另一种优选方案，双折射路径长度调节器包含球面象差修正元件和双折射元件，如图20a和20b中所示。按照图20a的第一种方案，引入了球面、非双折射透镜元件203来产生对由圆柱形修正平面平行双折射元件204引入的球面象差(如前面结合图16所介绍的)进行补偿的球面象差。按照图20b的第二种方案，引入了平行平面非双折射元件205来产生对由双折射球面透镜206产生的球面象差(如前面结合图18a和18b介绍的)进行补偿的球面象差。
两个元件205、206可以通过将它们安装在一起而组合起来。两个元件203、204可以通过将它们安装在一起或通过将圆柱形修正元件204的非双折射部分和球面透镜203形成为一体而组合起来。对于寻常和非寻常光线，球面象差得到了充分的修正。
在图15中，显然，对于外侧的光线(具有最大的入射角的光线)，由双折射平行平面元件161造成的焦点位移比内侧光线(具有较小的入射角的光线)的大。这一点与球面透镜产生焦点的情况正好相反。这里，例如如图19所示，外侧光线的焦点比内侧光线的焦点更靠近透镜。因此，可以用非双折射或双折射球面透镜(比如透镜201)来补偿寻常光线的球面象差。
在图19中，外侧光线聚焦得比内侧光线更靠近透镜，因此与球面透镜正交。通过在汇聚光束中增加一个平面平行板，能够(部分地)修正球面象差。
对于这两种情况，非球面表面也可以修正球面象差。
图21表示了作为入射角函数的、对于平面平行双折射元件161(附图8和14)的在寻常焦点和非寻常焦点之间的距离δ(此后称为“焦点间距离”)。曲线210代表对应于方位角为0度的非寻常光线的焦点间距离。曲线211代表对应于方位角为90度的非寻常光线的焦点间距离。
假设球面象差修正元件修正了寻常光线的所有球面象差，则图21中的作为θ函数的δ的变化是非寻常光线的球面象差的度量。直到10度的入射角度，这些象差都相当小。在入射角为10度的情况下，对于0和90度的方位角，焦点分别移动了0.007mm和0.002mm。
图22表示在非寻常图像和寻常图像之间像距的差异。曲线220代表在非寻常光线的方位角为0度的情况下在寻常光线图像与非寻常光线图像之间的像距的差(Δsi)。曲线221代表在非寻常光线的方位角为90度的情况下在寻常光线图像和非寻常光线图像之间的像距的差(Δsi) 。
很明显，具有方位角＝90°的非寻常光线仍然遭受球面象差。不过，通过调整两个非寻常曲线220、221的交点，这种球面象差可以最小化。例如，如前面讨论过的，对于双折射透镜，存在一种物距、透镜形状(比如厚度以及曲率半径)和入射角度的组合，该组合实现在某个入射角度和物距时无光线象散的情形。通过改变物距或透镜形状，没有象散发生的入射角也会改变。
总之，本发明公开的内容提出使用双折射光学元件来调节光路长度。象散是这种光学元件中比较严重的一个问题。如本文所介绍的，这可以通过使用圆柱形修正平面平行板或球面双折射透镜来最小化。
本发明也公开了一种用于修正双折射元件的球面象差的方法。假设入射角度不太大时，针对寻常光线修正双折射平面平行元件中的球面象差也可以充分地修正非寻常光线的球面象差。结果是一个象差修正光路长度调节器，该调节器在各个‘切换状态’下仅引入很小的象差。
虽然本文介绍的路径长度调节器的原理和重要用途都针对体三维图像显示装置，但是将会认识到，该调节器也可以用于需要或希望使两个光学元件之间的光路长度的电光切换更容易的其它光学器材和装置中。这样的方案避免了对移动部件的需要，因为可以借助到达各个偏振开关的电子控制信号来改变路径长度。
虽然介绍了各种不同的用来修正或最小化由双折射光路长度调节器的某些结构引入的象差的光学技术，但是应当注意，也可以采用电子手段对象差进行修正或进一步的修正。比如，可以通过实现显示在显示装置51上的图像变化作为图像是作为非寻常光线通过还是寻常光线通过的函数(即，作为偏振开关或多个偏振开关的切换条件的函数)来进行某些修正。
其它的实施方式也旨在落入所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于产生三维体图像的显示装置，包括二维图像显示屏(41，46)，用于产生二维图像；第一聚焦元件(42，47)，用于把上述二维图像投射成成像容积(44，49)内的虚像(40，45)；以及用于改变显示屏与投射聚焦元件之间的有效光路长度、从而改变虚像在成像容积内的位置的构件(53，120，150)，其中用于改变有效光路长度的构件包括光路长度调节器，该光路长度调节器用于改变在输入光路(52)和输出光路(54)之间的有效光路长度，包括第一偏振开关(160)，用于为在输入光路(52)上的输入光束选择偏振状态；具有双折射特性的光学元件(141，161，201)，从而该光学元件定义了从中经过的至少两条不同长度的可能有效光路，该光学元件用于依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两条可能光路中选定的一条光路传送输入光束，并且用于在所述的输出光路(54)上提供沿着所选择的光路传播的输出光束。
2.根据权利要求1设备，其中双折射光学元件(161)的光轴垂直于由输入路径(52)与输出路径(54)定义的光轴。
3.根据权利要求1的设备，进一步包括至少部分地修正象散的光学元件(165，201)。
4.根据权利要求3的设备，其中双折射光学元件(165)包括用于修正象散的圆柱形光学表面。
5.根据权利要求4的设备，其中双折射光学元件(165)此外还包括连接在上述圆柱形光学表面上的一个相配的、非双折射对应元件(166)。
6.根据权利要求5的设备，其中对应元件(166)具有基本上等于双折射元件(165)的寻常折射系数的折射系数。
7.根据权利要求3的设备，其中双折射光学元件包括球面透镜(201)。
8.根据权利要求7的设备，其中球面透镜是平凸透镜(201)。
9.根据权利要求1的设备，进一步包括用于至少部分地修正球面象差的光学元件。
10.根据权利要求9的设备，其中双折射光学元件是圆柱修正平面平行板，并且其中球面象差修正元件是球面透镜。
11.根据权利要求9的设备，其中双折射光学元件是球面透镜，并且其中球面象差修正元件是平面平行板。
12.根据前面任一权利要求中所述的设备(53，150)，以级联形式将所述的设备与至少另一个前面任一权利要求中所述的光路长度调节器(53，150)组合，从而第一个所述的光路长度调节器(150)的输出光路(54)成为了后续的所述另一个光路长度调节器(53，150)的输入光路(52)。
13.根据权利要求12的设备，其中每个所述的光路长度调节器(53，150)的光路包括不同光路长度，从而通过在每个所述的光路长度调节器内适当选择路径长度，可以选择多个可能的总光路长度。
14.根据权利要求13的设备，其中级联的各个相继的光路长度调节器具有不同于级联的任何其它双折射光学元件的双折射光学元件的厚度。
15.根据前面任一权利要求中所述的设备，包括另一个光路长度调节器，该另一个光路长度调节器包括第一偏振开关(60)，用于为在输入光路(52)的输入光束选择偏振状态；第一和第二分束器(61，62，105，106)，在第一和第二分束器之间具有至少两个不同长度的可能光路(63，64，110，111，112)，第一和第二分束器用于依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两条可能的光路中选定的一条光路传送输入光束，并且用于在所述的输出光路(54)上提供已沿着所选择的光路传播的输出光束。
16.根据权利要求15的设备，其中第一分束器(105)具有第一光输入端(105a)，该第一光输入端(105a)与第一偏振开关(101)的光输出端相耦合，用于根据第一分束器的光输入端处的光的偏振状态，把在第一分束器的光输入处的光分别转向为第一和第二光输出(105b，105c)；第二分束器(106)具有第一和第二光输入端(106a、106b)，该第一和第二光输入端(106a、106b)分别与第一分束器的第一和第二输出端(105b，105c)相耦合，根据在第一和第二输入端处的光的偏振状态，经由各自的所述第一和第二光路(110，111)，第二分束器(106)将在所述第一和第二输入端(106a、106b)的光转向第二分束器(106)的第一和第二输出端(106c、106d)；第二分束器(106)的第一输出端(106c)定义了光输出路径(54)，第二分束器的第二输出端(106d)经由第三光路(112)与第一分束器(105)的第二输入端(105d)光耦合；第一、第二、第三光路(110，111，112)中的每一个分别包括第二、第三和第四偏振开关(104，102，103)之一，第一、第二、第三、第四偏振开关从而适用于选择在输入光路(52)和输出光路(54)之间的所述第一、第二、第三光路中的一个或多个的累积组合。
17.根据权利要求3的显示装置，其中将显示屏(51)定位在与双折射光学元件(141，161，201)相距这样的距离的位置上使得象散象差基本上最小化或消除。
18.根据权利要求3的显示设备，其中将显示屏(51)定位在与双折射光学元件(141，161，201)相距这样的距离的位置上使得球面象差基本上最小化或消除。
19.根据权利要求9的显示设备，其中显示屏(51)、双折射光学元件(141，161，201)以及球面象差修正元件(203，205)是这样相对定位的使得球面象差基本上最小化或消除。
20.一种产生三维体图像的方法，包括以下步骤在二维图像显示屏(41，46)上产生二维图像；利用第一聚焦元件(42，47)，把上述二维图像投射为成像容积(44，49)中的虚像(40，45)；通过改变位于显示屏与投射聚焦元件之间的光路长度调节器(53，150，120)的输入光路(52)和输出光路(54)之间的有效光路长度，改变在显示屏与投射聚焦元件之间的光路长度，从而改变虚像在成像容积中的位置，其中，包括以下步骤使用第一偏振开关(160)为在输入光路上的输入光束选择偏振状态；将输入光束送到具有双折射特性、从而定义了从中经过的至少两条不同长度的可能有效光路的光学元件，输入光束依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两条可能的光路中选定的一条光路传播；将双折射光学元件的输出光束提供到所述输出光路(54)上。
21.根据权利要求20的方法，进一步包括至少部分地修正象散的步骤。
22.根据权利要求20的方法，进一步包括至少部分地修正球面象差的步骤。
23.根据权利要求20的方法，进一步包括步骤经过至少一个另外的光路长度调节器传送光束，从而第一所述光路长度调节器(150)的输出光路(54)构成后续所述另外的光路长度调节器(53，150)的输入路径(52)，并且使用各个光路长度调节器选择光路长度。
24.根据权利要求20的方法，进一步包括步骤将光路长度调节器定位在距所要成像的物体为这样的距离上使象散象差最小化。
25.根据权利要求20的方法，进一步包括步骤将光路长度调节器定位在距所要成像的物体为这样的距离上使球面象差最小化。
26.根据权利要求23的方法，进一步包括在上述每个光路长度调节器(53a，53b)中选择不同光路长度的步骤。
全文摘要
一种用于产生三维体图像的显示设备包括光路长度调节器，从而能够对在显示平面与聚焦元件之间的物理路径长度进行电光控制，并在定义的成像容积内产生虚像。该调节器改变输入光路和输出光路之间的光路长度，并包括用于为输入光路上的输入光束选择偏振状态的第一偏振开关；光学元件，具有双折射特性并从而限定经过该光学元件的不同长度的至少两个可能有效光路，该光学元件用于依据所选择的输入光束的偏振状态沿着所述至少两个可能光路中选定的一个光路传送输入光束并且用于在所述的输出光路上提供已沿着所选择的光路传播的输出光束。
文档编号H04N13/04GK1910938SQ200580002169
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月6日 优先权日2004年1月9日
发明者B·A·萨尔特斯, L·P·巴克尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司