自由形式光学重定向装置制造方法
【专利摘要】投影系统（900）包括扫描器（802）和光源（801）。扫描器（802）被配置为产生扫描锥（994）来形成图像。主束（992）定义扫描锥（994）的行进方向。具有偏心的自由形式的多个主面的光学设备（880）被设置在投影系统（900）的输出处，使得扫描锥（994）通过光学设备（880）。光学设备（880）被配置为以预定量重定向主束（992），并且相应地重定向扫描锥（994）的行进方向，并且校正初始存在于图像中的歪像畸变和垂直笑脸畸变两者。
【专利说明】自由形式光学重定向装置
【背景技术】
[0001]扫描激光投影设备便于产生由生动颜色生成的鲜艳图像。扫描系统，诸如由Microvision, Inc.制造的那些,能生成具有大的焦深的明亮的清晰图像。常见的几十米长的焦深被称为“无限聚焦(infinite focus)”，因为当与单像素或像元的面积相比时，允许投影仪聚焦在接近无限深度的这种宽距离范围。能以合理成本的紧凑形状因子设计这些扫描激光投影系统。这些系统消耗少量功率，但传送逼真的复合图像。
[0002]与这些系统有关的一个挑战是大小缩减。能期望的是使系统更小，以便投影系统能用在紧凑应用中，诸如手持演示。然而，当光学部件变得更小时，会出现问题。会引入图像畸变。类似地，光学伪像会变为问题。
[0003]具有不使投影图像畸变的紧凑投影系统将是有利的。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1图示被配置为向使用者呈现信息的无限聚焦投影系统的一个实施例。
[0005]图2图示根据本发明的实施例的扫描引擎的一个实施例。
[0006]图3图示配置有垂直束传送的扫描激光投影系统。
[0007]图4图示根据本发明的一个或多个实施例的，配置有水平束传送的扫描激光投影系统，其用于减少扫描激光投影系统的形状因子。
[0008]图5图示与水平馈送扫描投影系统关联的垂直笑脸畸变(vertical smiledistortion)。
[0009]图6图示与水平馈送扫描投影系统关联的歪像畸变(anamorphic distortion)。
[0010]图7图示根据本发明的一个或多个实施例，被配置为减少或消除水平馈送扫描投影系统中的垂直笑脸和歪像畸变的光学设备的一个实施例。
[0011]图8图示采用根据本发明的一个或多个实施例配置的光学设备来校正畸变的一个紧凑、水平馈送、扫描激光投影系统。
[0012]图9-11图示校正畸变、根据本发明的一个或多个实施例配置的光学设备。
[0013]熟练的技术人员将意识到图中的元件为了简化和清楚而图示，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大以帮助来提高本发明的实施例的理解。
【具体实施方式】
[0014]在描述根据本发明的具体实施例前，应观察到实施例主要属于与光学重定向设备和相关成像系统及其应用有关的装置部件和方法步骤的组合。因此，已经通过图中的常规符号适当地表示装置部件和方法步骤，仅示出与理解本发明的实施例有关的那些具体细节，以便不会将该公开与对受益于本公开的本领域的普通技术人员来说很显而易见的细节混淆。
[0015]将意识到在此描述的本发明的实施例可以由一个或多个常规处理器和控制该一个或多个处理器来结合某些非处理器电路实现下述的系统和应用的一些、大部分或全部功能的特别存储的程序指令构成。非处理器电路可以包括但不限于微处理器、扫描镜、图像空间调制设备、存储设备、时钟电路、电源电路等等。同样地，在此所示的功能和操作状态可以解释为方法的步骤。替代地，由一个或多个处理器采用以控制在此的各个元件，包括空间光调制器、束平移器(beam translator)和光平移兀件(light translation element)的一些或所有功能可以由未存储程序指令的状态机，或在一个或多个专用集成电路中实现，其中，每一功能或某些功能的一些组合被实现为自定义逻辑。当然，能使用两种方法的组合。期望本领域的普通技术人员尽管可能相当大的努力和受例如可用时间、当前技术和经济考虑启发的许多设计选择，但当受在此公开的概念和原理引导时，将容易能通过最少实验生成这些程序和电路。
[0016]现在，将详细地描述本发明的实施例。参考附图，贯穿各图，相同的数字表示相同的部件。如在此的说明书和贯穿权利要求书中所使用的，下述术语采用明确与之相关的含义，除非在上下文中另外指出:“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用。“在...中”的含义包括“在...中”和“在...上”。诸如第一和第二、上和下等等关系术语可以仅用来将一个实体或动作与另一实体或动作区分开来，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。同时，在括号中所示的参考标志符指示在除所讨论的图外的图中所示的部件。例如，当讨论图A时提到的设备(10)可以指除图A外的图中所示的元件10。
[0017]图1图示具有无限聚焦的投影系统100的一个实施例。如在此所使用的，“无限聚焦”通常是指能聚焦大于10米的距离的图像的投影系统。例如，在投影系统100包括微机械系统(MEMS)系统,诸如由Microvision, Inc.制造的PicoP?基于激光的系统的情况下，投影系统100通过反射镜扫描来自激光源的光。所示的这种系统易于能在大范围距离上保持焦点对准。距离跨度几十米。这种系统称为“无限聚焦”系统，因为它们能聚焦的距离远大于像素或像元，或甚至图像本身。因此，投影系统100通常不要求自动或手动的任何聚焦调整装置来将至少一个图像108聚焦在投影面104上。图像108当被投影在投影面104上时被固有地聚焦，与投影系统100和投影面104之间的距离无关。此外，在一个实施例中的投影系统100能改变形状和强度以便快速或甚至同时地投影在多个投影面的任何一个上。
[0018]如图1所示，投影系统100包括激光投影源101、扫描器102、控制电路103和投影面104。尽管激光投影源101能是简单的单色激光，但能可选地包括多个激光或集成多色激光设备。在一个实施例中，激光投影源101包括红色激光器、蓝色激光器和绿色激光器。这些激光器可以是各种类型。例如，对紧凑设计，能使用基于半导体的激光器，包括边缘发射激光器和垂直腔表面发射激光器。在其他应用中，能单独地或组合地使用更大、更强功率的激光器。
[0019]在将多个激光器用作激光投影源101的情况下，可以使用一个或多个光学对准设备(图1中未不出)来将多个光束定向成单一组合光束。对准设备能进一步混合每一激光器的输出以形成相干的多色束。在一个实施例中，能使用二向色镜来将光束定向成组合光束。二向色镜是部分反射镜，包括有选择地通过窄带宽的光，同时反射其他光的二向色滤光器。
[0020]然后，扫描器102将扫描光107传送到投影面104，作为投影图像108。投影面104能采用各种形式，包括传统的投影面、微透镜阵列、数值孔径扩展器，或被配置为从扫描器102接收图像的其他表面。可以是微处理器或其他可编程设备的控制电路103执行嵌入指令来控制扫描器102，并且可选地也控制激光投影源101。例如，在一个实施例中，控制电路103被编程以控制从激光投影源101接收的光106的扫描，来形成投影图像108。
[0021]现在转到图2，在此示出适用于与本发明的实施例一起使用的扫描激光投影源的一个实施例中使用的一些部件。在图2的图示性实施例中，该系统使用MEMS扫描激光源200。在名为 “Substrate-guided Display with Improved Image Quality” 的 US 公开专利申请N0.2007/0159673中阐述了 MEMS扫描光源的例子，诸如适用于与本发明的实施例一起使用的那些，在此引入以供参考。
[0022]在图2中，MEMS扫描光源200采用三个光源201、202、203。可以采用二向色镜的束组合器204组合光源201、202、203的输出以产生组合调制光。可变准直或可变聚焦光学元件205产生由MEMS扫描镜206扫描的可变形束，作为可变形扫描光束207。在此引入以供参考的、名为 “Substrate-Guided Relays for Use with Scanned Beam LightSources”的共同受让的未决US专利申请N0.11/775，511和上文参考的US公开专利申请N0.2007/0159673中阐述了 MEMS扫描镜的例子，诸如适用于与本发明的实施例一起使用的那些。然后，使扫描光束807定向到埋置数值孔径扩展器(105)。
[0023]转到图3，在此图示了另一 MEMS扫描激光引擎300的更详细视图。控制电路303控制MEMS扫描器302，并且可选地控制激光投影源301。在该示例性实施例中，MEMS扫描器302被配置为以光栅模式扫描投影面304。馈送束354以由各种元件的物理几何结构定义并且以不遮挡扫描束的需要定义的入射角被传送到MEMS扫描器302的表面。设置在MEMS扫描器302上的反射面的扫描动作以扫描模式重定向光以便在投影面304上呈现信息(information) 308。
[0024]在诸如图3所示的投影系统中，只要在激光投影源301和扫描器302之间限定的入射角小，系统工作良好并且传送无畸变图像308。然而，实验测试已经示出，在一些情况下，如果增加入射角，会减小扫描引擎的整体大小。测试已经示出当入射角增加超过约14或15度的设计阈值时，引入显著的畸变。畸变是大的入射角的结果。
[0025]例如，图3图示入射角低于设计阈值的系统。在该所示的实施例中，设计阈值为约14或15度。因此，入射角可以是9或10或11度。反射面的扫描动作产生扫描锥352。扫描锥352的基本中心光束称为“主束”353。主束353通常定义扫描锥352的指向方向，并且表示当扫描镜位于其中心静止位置时，从扫描器302反射的馈送束的方向。主束353还指示扫描锥352传播的方向。由于入射角低于设计阈值，图像308看起来正常并且进一步免于畸变。
[0026]相比之下，图4图示入射角高于设计阈值的扫描引擎400。在该所示的实施例中，入射角为约27或28度，远大于上述14至15度的阈值。该大的入射角将不对称引入扫描锥452中，导致称为“梯形畸变”的投影图像。当由于扫描锥452绕主束453 “倾斜”，图像看起来具有相对于另一边482收缩的第一边481时，梯形畸变发生。这导致类似拱的梯形的假像(apparent image)形状。
[0027]在图4中，如在图3中，MEMS扫描引擎400包括控制电路403、激光源401和MEMS扫描器402。使激光源401和MEMS扫描器402对准以便将馈送束454以高于设计阈值的入射角传送到MEMS扫描器402，在该示例性实施例中，设计阈值为15度。尽管主束453仍然定义一般指向方向，但因为由于高入射角扫描器馈送，平面被有效地投影在“倾斜”面上，因此绕主束453的扫描锥452畸变。这产生相对于主束453的“倾斜扫描对象平面”，看起来像梯形畸变。
[0028]还可能注意到图4的扫描引擎400被水平地定向，而图3的扫描引擎(300)被垂直地定向。图4的扫描引擎400被示出为水平馈送系统，因为实验测试已经示出，相对于激光投影源水平地配置MEMS扫描器允许以更紧凑的形状因子制造扫描引擎。更紧凑的形状因子使它们自己更适于许多应用中。然而，水平对准经常要求基本上大于设计阈值的入射角。因为通常投影图像的水平尺寸大于垂直尺寸而产生该需要，并且由于馈送束入射角必须足够大来避免遮挡扫描图像，当沿水平轴配置馈送束时，要求更大的馈送束入射角。因此，水平对准系统经常遇到梯形畸变。然而，应注意到如果入射角超过设计阈值，则垂直对准系统也会经受梯形畸变。本发明的实施例提供了对在高的入射角系统中引入的梯形畸变的解决方案，与对准无关。
[0029]在投影仪部件可以相对于投影面404移动的系统中，不难校正梯形畸变。例如，简单的旋转整个投影系统将导致信息的第一边481扩大并且信息的第二边482收缩。这在图5中通过MEMS扫描引擎400相对于投影面404稍微旋转而一般地示出。实际上，在投影系统的外壳内完成该旋转以便使用者能将主面与投影面对准，而不是使投影系统处于盒角(caddy-corner)配置。当校正梯形畸变时，在MEMS扫描系统中，能够以12至15度量级的量的投影系统的旋转意味着在MEMS扫描器402前面的图像508不再竖直。相反，其以该旋转量离轴对准。这称为“离轴”投影。
[0030]除对梯形畸变的旋转校正外，仍然存在困扰这种水平馈送、离轴投影系统的畸变特性。首先在图5中所示的称为“垂直笑脸”畸变。其次在图6中所示的称为“歪像畸变”。现在，将详细地说明每一个。
[0031]再转到图5，如在此所示，图像508经受垂直笑脸畸变。垂直笑脸畸变在扫描系统中发现并且是沿投影面的反射镜扫描束的结果。当垂直笑脸畸变出现时，因为中心高度552小于外部高度553，图像508的顶边550下垂，而每一边应当是相等的。垂直笑脸畸变的百分比表示为外部高度553减去中心高度552除以中心高度552。
[0032]现在转到图6，示出了遭受“歪像”失真的图像608。为了图示，通过在图像608上方所示的图像数据的绘图662，在投影面604上示出了图像608。将参考两者。在图像608的部分的拉伸660和压缩661在水平和垂直方向之间不同的情况下，发生歪像畸变。从上文论述回想到能旋转投影系统来校正梯形畸变。当进行此操作时，会将歪像畸变引入图像608 中。
[0033]例如，在图6的示例性实施例中，压缩像素集663，同时拉伸像素集664。由下述等式集表示畸变百分比:
[0034]Wp=(长度 665+长度 666)/2(等式 I)
[0035]左畸变％=((长度 665_Wp)/Wp)*100 (等式 2)
[0036]右畸变％=((长度 666_Wp)/Wp)*100 (等式 3)
[0037]根据本发明的实施例配置的投影系统采用被配置为基本上校正垂直笑脸和歪像畸变两者的光学设备。术语“基本上”是指足以将垂直笑脸和歪像畸变补偿到普通观众不容易注意的校正。通过使用根据本发明的一个或多个实施例构造的光学设备，能校正垂直笑脸和歪像畸变，而不会将额外的梯形畸变弓丨入图像608 。[0038]现在转到图7，在此示出了适合于与无限聚焦投影系统一起使用的光学设备700的一个实施例。在一个实施例中，光学设备700采用两个不同的、偏心、折射，“自由形式”光学表面，在此称为主面701、702，来校正垂直笑脸和歪像畸变。在图7所示的实施例中，主面701是凸面，而主面702是凹面。同时，在该所示的实施例中，主面701、702相对于彼此偏心。
[0039]术语“自由形式(free-form)”用来描述分别由多项式定义的主面701、702，该多项式是两个独立的、横向坐标变量(transverse coordinate variables)的函数。换句话说，定义主面701、702的轮廓的函数能被表达为两个笛卡尔变量的函数，但不能表示为单个径向变量的函数。因此，自由形式表面将既不具有旋转对称(rotational symmetry)也不具有径向对称(radial symmetry)。相比之下，典型透镜为球面(spherical)或非球面(aspherical)，并且因此为旋转对称的。本发明的实施例采用由多项式中的两个横向变量(transverse variable)描述的自由形式表面。多项式中的次数进一步定义自由形式表面。在此所述的实施例可以采用基本上校正垂直笑脸和歪像畸变所需的任何次数的多项式。
[0040]在一个实施例中，光学设备700的另一特征是将基本上零光焦度应用到通过光学设备700的束和扫描锥。“基本上零光焦度(zero power)”是指在任一维度中由光学设备700应用的任何束扩展小于像素。换句话说，除由于公差引起的可忽略光焦度外，不向通过光学设备700的束应用放大。通过使用具有基本上零光焦度的自由形式表面，例如主面701,702,然后利用分隔自由形式表面的、具有沿至少一个维度705减小的厚度704的光学材料703，来相对于彼此偏心那些自由形式表面，实验测试已经示出能获得非常高的畸变校正和指向校正，而不会显著地影响投影系统的分辨率或无限聚焦特性。另外，测试已经示出当束或扫描锥通过光学设备700时，发生非常小的色差。此外，当光学设备700基本上为零光焦度时，能用相对宽松的公差制造。
[0041]在一个或多个实施例中，适用于与扫描束图像生成一起使用的光学设备700包括下述特征中的一个或多个:基本上无光学光焦度；根据自由形式表面的轮廓和设置在自由形式表面之间的光学材料703的变化厚度704，来重定向通过光学设备700的光束；由彼此不同的自由形式函数来描述主面701、702 ;并且在一些实施例中，由使用在相对窄范围内的系数的自由形式函数来定义主面701、702。当与离轴扫描投影系统一起使用时，从扫描器反射的、形成扫描锥的光束通过光学设备700来形成基本上无垂直笑脸和歪像畸变的图像。同时，保持许多扫描图像系统固有的无限聚焦质量。此外，测试已经示出由光学设备700引入的束扩展在大小方面小于像素。
[0042]如图7所示，设置于主面701、702之间的光学材料703的厚度704横跨(across)维度705稍微改变以形成略微楔形。如将在图10中所示，由于离轴扫描束在其从投影系统出射时转向的事实，将光学设备700的厚度704配置成稍微改变。变化厚度704由此横跨扫描锥产生场相关楔形。在一个或多个实施例中，变化厚度704沿尺寸705缓慢改变以便不影响束的无限聚焦特性。在不应用光学光焦度的情况下，扫描锥的光线稍微弯曲或重定向。结果是在通过光学设备700的束的焦点不改变。
[0043]由于自由形式主面701、702校正由光学材料的变化厚度704引入的束的任何像散畸变的事实，维持了投影系统的无限聚焦能力。要求该变化厚度704来转向束，但使用自由形式表面在逐个角(angle-by-angle)基础上抵消像散，同时允许整个束转向给定角度。[0044]在图7的示例性实施例中，光学设备700包括除主面701、702和光学材料703外的特征。例如，在设计中包括安装特征706、707、708以允许光学设备700附接到投影系统的外壳上。这些安装特征706、707、708是可选的。另外，对受益于本公开的本领域的普通技术人员来说显然的是，安装特征706、707、708的每一个的配置将基于外壳的设计改变。
[0045]在一些实施例中，当校正垂直笑脸畸变时，会引入水平笑脸畸变，即，图像的侧边上中心收缩。然而，与使用利用扫描显示的图7所示的光学设备700关联的一个优点是能使用扫描器和相关联的电子视频处理来校正任何水平笑脸畸变。因此，即使引入水平笑脸畸变，也能通过扫描器和视频处理来消除该效果以产生无畸变图像。此外，在采用扫描光栅图案以形成图像的扫描器的一个或多个实施例中，视频处理电子设备和操作扫描器的控制电路能校正水平笑脸畸变，而不要求任何复杂的帧缓存和/或畸变的再映射。
[0046]现在转到图8和9，其中图示了使用光学设备880或根据本发明的一个或多个实施例配置的元件的投影系统900的元件。图8图示包括扫描器802和激光光源801的激光扫描引擎800，而图9示出了设置在外壳990中的激光扫描引擎800。在该示例性实施例中的扫描器802是MEMS扫描设备。当水平定向扫描器802和激光光源801时，由激光光源801水平馈送扫描器802，如图9所示。在该示例性实施例中，水平对准导致激光光源801和扫描器802之间的入射角大于设计阈值。在该示例性实施例中，入射角为约18度。投影系统900被配置成扫描扫描锥994中的一个或多个束991、992、993以产生图像995。扫描锥994通过设置在外壳990的输出处的光学设备880。当MEMS扫描设备用作扫描器802时，投影系统900固有地具有基本上无限焦深。
[0047]在该示例性实施例中,光学设备880具有与之集成的反射镜881。如图9所示,该光学特征允许所传送的光954从反射镜881反射到扫描器802。对受益于本公开的本领域的普通技术人员来说显然的是，在包括反射镜881的情况下，反射镜881能以各种方式集成到光学设备880中。在该示例性实施例中，在由诸如玻璃或塑料的各向同性材料制造光学设备880的情况下,能将反射镜881形成为来自光学设备880的第一边882的延伸。
[0048]如上所述，光学设备880被配置成基本上校正在图像995中出现的垂直笑脸畸变和歪像畸变。为此，光学设备880按由光学设备880的变化厚度803确定的预定量重定向主束992 (以及其他束991，993)，并且横跨扫描锥994在逐个角基础上校正由变化厚度803引入的像散畸变。像散畸变校正用于保持扫描锥994的无限焦深。例如，在一个实施例中，在无限焦深大于十米长情况下，基本上不影响改变小于20%点大小，即像素大小的焦深，由此保持与这种扫描激光投影系统关联的分辨率。
[0049]光学设备880基本上校正垂直笑脸和歪像畸变。因此，从投影系统900发出的扫描锥994在从光学设备880出射时，基本上绕主束992重新对准，如图10所示。如上所述，主束992定义扫描锥994的行进方向。
[0050]在图11中示出了使用图8-10的光学设备880的结果。在图11中，从水平馈送MEMS扫描引擎1100传送的图像1108不再经受任何梯形、垂直笑脸或歪像畸变。相反，信息1108是清楚的并且易于读取。从扫描锥994发出的视场1111基本上不受光学设备(800)影响。
[0051]在上述说明书中，已经描述了本发明的具体实施例。然而，本领域的普通技术人员将意识到在不背离如在下述权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，能进行各种改进和改变。因此，虽然图示和描述了本发明的优选实施例，但很显然本发明不受此限制。在不背离如由下述权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员很容易想到许多改进、改变、变形、替代和等效。因此，在图示而不是限制意义上看待本说明书和附图，并且所有这种改进意图包括在本发明的范围内。益处、优点、问题的解决方案，以及可以导致任何益处、优点、或解决方案出现或变得更明确的的任何要素不被解释为任一或所有权利要求的关键的、所需的或基本的特征或要素。
【权利要求】
1.一种投影系统，包括: 投影仪，所述投影仪被配置为扫描扫描锥中的一个或多个束来产生具有基本上无限焦深的图像；以及 光学设备，所述光学设备具有多个主面，所述多个主面每个均由是两个独立的横向变量的函数的多项式定义。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述多个主面被沿所述光学设备的至少一个维度具有减小的厚度的光学材料分隔。
3.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述多个主面包括相对于彼此偏心的凸面和凹面。
4.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述光学设备为基本上零光焦度。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述多个主面的每一个为非旋转对称。
6.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述多个主面的每一个为非径向对称。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述光学设备被配置为更改所述扫描锥的主光线的方向。
8.根据权利要求1所述的投影系统，其中，所述光学设备被配置为减少垂直笑脸畸变和歪像崎变两者。
9.一种投影系统，包括: 光学设备，所述光学设备包括第一主面和第二主面，其中，所述第一主面和所述第二主面是偏心的、非径向对称的、并且由横跨所述光学设备改变的光学设备厚度分隔；以及 扫描投影仪，所述扫描投影仪被配置为扫描通过所述光学设备的扫描锥中的一个或多个束以形成图像。
10.根据权利要求9所述的投影系统，其中，所述第一主面和所述第二主面的轮廓被配置为减少由所述光学设备厚度引入的像散畸变。
11.根据权利要求9所述的投影系统，其中，所述第一主面和所述第二主面的每一个具有由是两个独立的横向坐标变量的函数的多项式定义的表面。
12.—种扫描激光投影系统,包括: 激光扫描引擎，所述激光扫描引擎被配置为产生扫描锥以形成图像，其中，所述扫描锥的行进方向由主束定义；以及 光学元件，所述光学元件具有自由形式面，并且被设置成使得所述扫描锥通过所述光学元件； 其中，所述光学元件被配置为: 以预定量重定向所述主束；并且 横跨所述扫描锥在逐个角度基础上校正由所述光学元件的变化厚度引入的像散畸变。
13.根据权利要求12所述的扫描激光投影系统，其中，所述光学元件被配置为基本上保持所述扫描锥的无限焦深。
14.根据权利要求12所述的扫描激光投影系统，其中，所述光学元件进一步被配置为使所述扫描锥绕所述主束基本上对称地从所述变化厚度光学元件出射。
15.根据权利要求12所述的扫描激光投影系统，其中，所述光学元件被配置为保持与所述扫描锥关联的视场。
【文档编号】G03B21/14GK103477279SQ201280018437
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年3月28日 优先权日:2011年4月14日
【发明者】乔舒亚·M·胡德曼 申请人:微视公司