专利名称：图像的单心投影的方法和装置的制作方法
技术领域：
一般来讲，本发明涉及投影装置，更具体地讲，涉及利用单心光学系统从基本上是平面的图像源中形成弯曲图像的装置和方法。
背景技术：
在传统的投影装置中，从实质上为平面的图像形成表面提供的图像被投影到实质上为平面的显示表面上。例如，在基于胶片的投影中，光透过平面胶片，投射到平面电影屏幕上。数字图像形成装置、如透射型和反射型液晶显示器(LCD)和数字微镜器件(DMD)以同样方式在平面上产生图像。这允许使用这些器件的投影装置采用与基于胶片的投影仪中所使用的投影光学器件相似的输出光学器件。
但是，许多光学系统利用曲面来形成图像，尤其是设计成提供宽视场的浸没式光学系统。在共同转让的美国专利No.6416181(Kessler等人)中公开了这种类型的一个示例系统，通过引用将其结合于本文中，以下称作‘181专利。在‘181公开中，曲面镜与成像源、漫射表面、球面透镜以及分束器结合使用，用于提供虚像。‘181公开的单心光学装置提供具有大观测光瞳、极宽视场以及最小像差的自动立体成像。为了提供这种类型的成像并充分利用单心投影的固有优势，‘181公开的装置在假定它的源图像在平面上形成的情况下必须形成具有适当曲率的中间图像。
参照图1，图中说明摘自‘181公开的更详细描述、用于提供中间弯曲图像80以便在立体投影系统82中投影的图像生成系统70的一部分。这里，图像生成器74提供来自平面、例如来自反射型LCD的源图像。中继透镜54把来自图像生成器74的光引导到漫射元件32，从而在漫射表面40上形成弯曲中间图像76。与分束器16配合工作的球面透镜组件30把弯曲中间图像76投射到曲面镜24的前聚焦面22，形成中间弯曲图像80。然后，曲面镜24为观看者14提供中间弯曲图像80的虚像。
正如‘181公开所指出的，在漫射面上形成中间图像有助于克服拉格朗日不变量所施加的限制。发光装置大小与数值孔径的乘积、拉格朗日不变量确定输出亮度，是匹配一个光学系统的输出与另一个光学系统的输入的重要考虑事项。漫射器与‘181装置的配合使用是必要的，因为图像形成装置、通常是反射型LCD或另一种空间光调制器是较小的发光装置，通常测量不超过大约1平方英寸。再来看图1以及参照‘181公开，为了使图像生成器74输出的光最大，需要利用漫射元件32来提供大角度的发射光，以便充分填充投影光学系统的光瞳(从‘181装置中的图像生成器74中下行)。漫射面40经过整形，为投影光学系统提供具有所需曲率的弯曲中间图像76。
虽然漫射元件的使用为形成弯曲图像提供可用的解决方案，但是使用漫射元件也存在某些缺点。在散射光中，漫射光学元件必然导致一些亮度损失。漫射面往往会增加图像中的粒度并降低对比度。因此，虽然漫射面的使用有助于克服拉格朗日不变量限制，但需要一种提供中间弯曲图像并允许提高亮度等级和高对比度的解决方案。为了提供在日光条件下可读的显示，以尼特或坎德拉/m2为单位表示的亮度极为重要。作为经验法则，明亮显示提供大约250尼特或更高的亮度。例如，笔记本LCD通常提供大约70尼特范围内的亮度，不适合于大部分户外观看。自动取款机(ATM)通常提供大约600尼特范围内的亮度。航空电子装置显示器提供900到1200尼特。特别是对于浸没式成像和模拟应用，希望能够提供具有高亮度的弯曲图像。
因此，可以看到，需要一种低成本成像子系统，它从基本上是平面的图像源中提供具有高亮度的弯曲图像，作为用于投影和显示装置的中间图像。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种装置和方法，用于从基本上是平面的图像源中形成弯曲图像。考虑到这个目的，本发明提供一种用于形成弯曲图像的装置，它包括(a)具有镜子曲率中心的球面镜；(b)设置在球面镜顶点和镜子曲率中心之间的分束器；(c)用于向球面镜提供图像承载光的图像源；球面镜与分束器配合工作以形成图像源的中间图像，中间图像具有图像曲率中心；以及(d)球形透镜段，以图像曲率中心为中心，用于从中间图像形成弯曲图像。
本发明的特点在于它利用简单的光学系统、利用比较便宜的反射、分束和投影光学器件来提供弯曲图像。
本发明的优点在于它提供一种光学系统，用于形成能够以紧凑方式封装的弯曲图像，使它能够用于台式或其它小型成像应用中。
本发明的另一个优点在于它允许使用具有大面积的图像源部件，从而允许增加的图像亮度，甚至超过为日光显示建议的最小亮度等级。
本发明的又一个优点在于它不需要漫射面来形成弯曲图像，从而允许弯曲图像具有较高对比度并且使粒度最小。
通过结合附图阅读以下说明和描述本发明的说明性实施例的详细说明，本领域的技术人员会理解本发明的这些和其它方面、特征及优点。
虽然本说明以具体指出本发明的主题并明确要求其权益的权利要求书来结束，但是通过结合附图的以下说明，相信会更好地理解本发明。
图1是示意图，说明用于提供在漫射元件上所形成并利用球形透镜投影的弯曲图像的光学部件的先有技术配置；图2是示意图，说明在本发明的装置中如何形成中间图像；图3a是示意图，说明球形透镜的光学表现；图3b是示意图，说明具有反射面的半球形透镜的光学表现；图4是示意图，说明本发明的第一实施例；图5是示意图，说明用于利用向场透镜形成弯曲图像的本发明的另一个实施例；图6是示意图，说明用于把半球形透镜与向场透镜结合使用来形成弯曲图像的本发明的另一个实施例；图7是示意图，说明聚焦光学元件用作空间光调制器的表面上或者附近的向场透镜时中央光线的路径；以及图8是透视图，说明本发明的立体实施例。
具体实施例方式
此描述特别针对形成根据本发明的装置的组成部分或者更为直接地与其结合的元件。应当理解，没有特别标明或者描述的元件可采用本领域的技术人员熟悉的各种形式。
参照图2，说明根据本发明如何通过球面镜92形成中间图像90。来自图像源94的图像承载光通过孔径光阑定位96被引导到球面镜92，孔径光阑定位96定义可用于形成中间图像90的图像源94发出的光的角度。孔径光阑定位96处于球面镜92的曲率中心Cs。如图2所示，孔径光阑定位96以镜子曲率中心Cs为中心，通过Cs的中央光线向此相同点反射回来。如图2的跟踪光线所示，弯曲中间图像90通常在镜子曲率中心Cs与镜子焦点f之间形成。弯曲中间图像90具有处于与镜子曲率中心Cs不同位置的图像曲率中心Ci。随着图像源94和球面镜92之间的距离D增加，相应的曲率中心Ci和Cs彼此相向移动，当距离D接近无穷大时重合。在图像源94和球面镜92之间的这个理想化的无限远距离D，弯曲中间图像90将位于焦点f上。
利用图2的整体配置，图像源94可以是发光的多个图像源其中任一个，例如LCD、CRT显示器或者OLED或PLED器件。对于这种配置，图像源94的两个特征极为明显(i)图像源94上形成的图像基本上是平面的。这个图像可能存在某些轻微的弯曲，例如CRT所提供的那样；但是，图2的配置在图像源94是平面的时良好地工作，并说明如何利用本发明的方法来形成具有曲率的中间图像90。由于大部分图像显示装置形成平面图像，因此不需要采用这种配置对现有显示部件进行修改。
(ii)图像源94的直径可以是几英寸。这不像例如参照图1所示的其它用于形成弯曲中间图像的装置，对这些装置使用诸如LCD或DMD部件之类的微型显示器。为图像源94使用较大的显示装置对于增加图像分辨率和亮度特别有利。
如参照以上背景部分的拉格朗日不变量所述，光学系统中的亮度是发光面积和立体角之积。通过允许图像源94具有大发光面积，本发明的方法提供了相当大的亮度等级，同时允许光线角度相对较小。为了使图像对比度最大而且使色移和其它相关图像畸变最小，小角度是有利的。
理想的球形透镜操作参照图3a，说明用于引导来自弯曲图像50的光的球形透镜组件30的同心配置和光学特性。中央球面透镜46设置在弯月透镜42和44之间。球面透镜46和弯月透镜42、44具有意在使同轴球面象差和色差最小的折射率和色散特性，如光学设计领域众所周知的那样。孔径光阑48定义球形透镜组件30内的光瞳106。孔径光阑48不需要是物理光阑，而是或者可以采用诸如全内反射之类的光学效应来实现。在光路方面，孔径光阑48用于定义球形透镜组件30的入射光瞳和出射光瞳。
在一个最佳实施例中，选择弯月透镜42和44来减少像差以及优化所投射的投影图像的图像质量。必须指出，球形透镜组件30可包括围绕中央球面透镜46的任何数量的支持透镜布置。无论使用多少支持透镜，这些支持透镜都与中央球面透镜46的曲率中心Cball共享共同的曲率中心。此外，用于球形透镜组件30的透镜部件的折射材料可以在本发明的范围之内改变。例如，除了标准玻璃透镜之外，中央球面透镜46还可包括塑胶、油类或其它液体物质、或者为应用要求而选择的其它任何折射材料。球形透镜组件30中的弯月透镜42和44以及任何其它附加的支持透镜可以由玻璃、塑胶、封闭液体或其它适当的折射材料来制作，均在本发明的范围之内。在其最简单的实施例中，球形透镜组件30可以仅包括单一的中央球面透镜46，而没有其它支持折射部件。
在理想的操作中，弯曲图像50共享与球形透镜组件30相同的曲率中心Cball。以这种方式设置时，来自弯曲图像50上任何点的光均以最小像差被成像，如图3a所示。
利用修改的设计、例如利用与折叠式反射镜配合的半球，能够利用球形透镜的固有优点，如图3b的截面射线图所示。在图3b中，半球形透镜组件60包括半球形中央透镜66、一个或多个可选弯月透镜42以及沿半球的子午面的反射面62。反射面62可以在子午面的整个表面上形成，或者仅沿这个表面的一部分形成。如图3b所示，半球形透镜组件60从作为其目标的弯曲图像50中形成弯曲图像64，同时折叠光路。这种布置会有一些优点，例如在光学部件的空间受限的情况下。
第一实施例参照图4，说明根据本发明、为投影或其它显示目的而形成弯曲图像110的图像生成系统100的第一实施例。如参照图2所述，图像源94通过孔径光阑定位96向球面镜92提供图像承载光。现在参照图4，分束器102用于引导中间图像90’，使它可以与球形透镜组件30同心。由于光被球面镜92引向它的曲率中心Cs而不是引向球形透镜组件30的曲率中心Cball，因此一部分光不进入球形透镜组件30的光瞳106，从而导致光晕。过度填充球形透镜组件30的光瞳对光晕进行补偿。球形透镜组件30对中间弯曲中间图像90’再次成像，形成弯曲图像110。分束器102设置在球面镜92的顶点V和它的曲率中心Cs之间，如图4所示。
第二实施例参照图5，说明图像生成系统100的改进实施例，其中向场透镜112沿着形成中间图像90的输出轴定位。通过把向场透镜112设置在这个位置，中间图像90没有实质性改变，但来自中间图像90的光却被引向球形透镜组件30的曲率中心Cball。有意义的是，又一次看到，球形透镜组件30与中间图像90共享同一个曲率中心Cball，但是这不同于来自球面镜92的光被引向的球面镜92的曲率中心Cs或者曲率的成像中心Cs’。向场透镜112的功能则是把图像Cs成像到Cball上，但基本上没有影响中间图像90的图像质量。这样，向场透镜112本质上重新引导光，以便没有光晕地填充球形透镜组件30的光瞳106。与望远镜、显微镜和类似的“管式”光学系统一样，向场透镜在光学领域得到广泛应用，它被设置在第一透镜的图像位置，其中，在这个图像位置上形成的图像成为第二透镜的目标。这样，向场透镜改善了光学系统的整体亮度和视场。例如在Warren J.Smith的“现代光学工程，光学系统的设计”(McGraw-Hill，NY，第212-213页)中以及在光学领域已知的其它教材中可以找到关于向场透镜的背景资料和理论。
在一个实施例中，向场透镜112的表面S1与镜子曲率中心Cs同心，因此不使主要光线偏向Cball。在这种实施例中，不与镜子曲率中心Cs同心的表面S2用于使主要光线转向Cball。或者，表面S2可与镜子曲率中心Cs同心，而表面S1执行使主要光线转向Cball的操作。表面S1或S2与Cs或Cball同心的实施例表示设计向场透镜112的最简单方式；其它设计可以没有与镜子曲率中心Cs或Cball同心的表面S1或者S2，但这些设计会更复杂。
如以上参照图3b所述，半球球形透镜组件60的使用可具有简化光路的优点。参照图6，说明图5的另一个布置，其中把半球球形透镜组件60与向场透镜112配合使用。在图6的布置中，向场透镜112再次用于把Cs成像到Cball，其中Cball在光学上是半球球形透镜组件60的曲率中心。
提供远心光的优点仍然参照图6，可选聚焦光学元件98用于提供改善的视场上均匀亮度。与图像源94的表面相对设置或者与该表面极为接近，聚焦光学元件98用作一种向场透镜，用于引导从图像源94发出的光。参照图7，以示意形式说明聚焦光学元件98的功能，它把从图像源94发出的光聚焦到它的与镜子曲率中心Cs重合的焦点foe。这样，聚焦光学元件98对从图像源94发出的光强加了远心性，从而优化了通过孔径光阑定位96提供给光学系统的图像的亮度和对比度。因此，弯曲图像110在视场上具有最佳亮度。在一个实施例中，聚焦光学元件98是菲涅耳透镜。例如，在能够用作聚焦光学元件98的其它器件中包括全息光学元件、衍射光学元件、双筒菲涅耳透镜或者甚至是例如更传统的曲面透镜。
分束器102的考虑事项如图4和图5所示，分束器102必须接受一定角度范围的入射光，从而当分束器102由玻璃制成时，视场最外侧的光有效地遇到不同厚度的玻璃。为此，可以看到，提供具有最小厚度的玻璃或塑料的分束器102是有利的。这样，分束器102最好是薄玻璃或薄塑料类型或者薄膜型分束装置。
用于立体观察的实施例参照图8，说明左、右眼图像生成系统100l和100r的透视图，其中产生显示给每个眼的弯曲图像的步骤采用图5和图6的基本部件。左、右图像源94l和94r通过相应的左、右孔径光阑定位96l和96r以及通过从左、右分束器102l和102r的反射，向其相应的左、右球面镜92l和92r提供图像。通过相应的左、右分束器102l和102r，在其相应的左、右向场透镜112l和112r附近形成相应的左、右弯曲中间图像，左、右向场透镜112l和112r把光重新引向其相应的左、右球形透镜段130l和130r。左、右球形透镜段130l和130r基本上为半球形，与图3b所示的半球形透镜组件60相似。左、右球形透镜段130l和130r配备了左、右反射面132l和132r，并执行光路折叠和图像投影的双重功能。通过图8的配置，各图像生成系统100l和100r能够产生用于观看者的左、右眼的适当图像。
图8中的左、右眼图像生成系统100l和100r所生成的弯曲图像可用作中间图像，用于例如采用大球面镜提供虚像的成像系统中的校准。例如，这些弯曲图像可采用如美国专利No.6416181中公开的分束器件重新成像。再参照图1和图6，例如，图6的弯曲图像110可用来取代图1中的中间弯曲图像80。
向场透镜112可以比这里所示的更为复杂，具有不同的曲率、成分或涂层。在一个实施例中，透射型LCD装置的图像源94可以是许多类型的图像源中任一种，其中包括薄膜、CRT、LCD和数字成像装置。例如，图像源94可以是发光阵列，例如有机发光二极管(OLED)阵列。为了充分利用单心成像的优势，球面镜92在大部分实施例中基本上是球形的；但是，也可进行某些细微的形状修改，对支持光学器件进行相应的改变。
因此，所提供的是利用单心光学系统从基本上是平面的图像源中形成弯曲图像的装置和方法。
权利要求
1.一种用于形成弯曲图像的装置，包括(a)具有镜子曲率中心的球面镜；(b)设置在所述球面镜的顶点和所述镜子曲率中心之间的分束器；(c)用于向所述球面镜提供图像承载光的图像源；所述球面镜与所述分束器配合工作以形成所述图像源的中间图像，所述中间图像具有图像曲率中心；以及(d)球形透镜段，以所述图像曲率中心为中心，用于从所述中间图像形成弯曲图像。
2.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于还包括设置在所述中间图像附近、用于把所述镜子曲率中心成像到所述图像曲率中心上的向场透镜。
3.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述球形透镜段包括具有反射面的半球形透镜。
4.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述球形透镜段包括至少一个弯月透镜段。
5.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述图像源是从由CRT、发光阵列、LCD显示器组成的组中选取的。
6.如权利要求2所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述向场透镜的表面实质上与所述镜子曲率中心同心。
7.如权利要求2所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述向场透镜的表面实质上与所述图像曲率中心同心。
8.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述分束器包括薄玻璃片。
9.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述分束器包括薄塑料片。
10.如权利要求1所述的用于形成弯曲图像的装置，其特征在于所述分束器包括薄膜。
全文摘要
一种用于形成弯曲图像(110)的单心图像生成系统(100)采用球面镜(92)、分束器(102)、球形透镜组件(30)以及可选的向场透镜(112)。图像源(94)通过在球面镜(92)的曲率中心C
文档编号G02B27/00GK1532589SQ20041003223
公开日2004年9月29日 申请日期2004年3月22日 优先权日2003年3月20日
发明者J·M·科布, J M 科布 申请人:伊斯曼柯达公司