專利名稱：具有球面梯度折射率球透鏡的單心自動立體光學設備的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用于觀看用電子學方法產生的圖像的自動立體顯示系統，更詳細地說，涉及提供非常寬的視野和大的出射光瞳的光學組件的單心配置的裝置和方法。
背景技術：
自動立體顯示系統的潛在價值已受到廣泛重視，特別在娛樂和模擬(仿真)領域。自動立體顯示系統包括“浸沒”系統，旨在用具有非常寬視野的三維(3D)圖像從視覺上圍繞觀眾，為觀眾提供逼真的觀看體驗。和大量的立體顯示器(自動立體顯示系統也是立體顯示器的一種)不同的是，自動立體顯示系統的特點在于不需要任何類型的可戴物品，例如護目鏡，頭套或特殊眼鏡等。也就是說，自動立體顯示器試圖為觀眾提供“自然的”觀看條件。
在SID 99 Digest的“Autostereoscopic Properties ofSpherical Panoramic Virtual Displays”(球形全景虛擬顯示器的自動立體特性)一文中，G.J.Kintz公開了一種可提供具有寬視野的自動立體顯示的途徑。利用Kintz的方法，不需要眼鏡或頭套等。但觀眾的頭必需位于快速旋轉的球罩中，所述球罩具有LED發光器陣列，由單心鏡面成像，以形成準直的虛擬圖像。雖然Kintz的設計提供了一種具有寬視野的真正自動立體系統的解決方案，但所述設計具有相當大的缺點。Kintz設計的缺點之一就是要求觀眾的頭應非常靠近快速旋轉的表面。這種方法需要采取一些措施來盡可能減少因與旋轉表面上的組件相接觸而造成事故和傷害的可能性。即使有防護屏蔽，靠近快速運動的表面最少也會使觀眾感到不安。此外，使用這種系統對頭部的運動也有較大的限制。
另一類自動立體系統是這樣工作的即將一對投影器的出射光瞳成像到觀眾的眼睛上，在S.A Benton，T.E.Slowe，A.B.Kropp，以及S.L.Smith的文章中有概述(“Micropolarizer-Based Multiple-Viewer Autostereoscopic Display”，發表在Stereoscopic Displaysand Virtual Reality Systems VI，SPIE，January，1999)。光瞳成像，正如Benton在上述文章中所述，可以利用大透鏡或鏡面實現。眼睛和成像的光瞳重合的觀眾不用戴任何類型的眼睛裝置就可觀看到沒有干擾的立體場景。
利用光瞳成像的自動立體顯示系統所提供的觀看體驗的價值和逼真質量可以用提供具有寬視野和大出射光瞳的三維圖像來增強，這是很易理解的。如果這種系統能允許觀眾舒適地坐著，不必將頭部運動限制在很小的范圍內，也不需要觀眾戴護目鏡或其它裝置，那么這種系統用于浸沒式觀看功能是最有效的。為了有非常令人滿意的三維觀看效果，這種系統應能對左眼和右眼提供各自高分辨率的圖像。很易理解，這種系統最好設計為小型，創建視野深度和寬度的幻覺，而同時占用盡可能小的實際地面和體積。為了得到最逼真的觀看體驗，應向觀眾呈現在遠距外出現的虛擬圖像。
已知與“聚散度”和“調節度”關聯的各深度提示之間的矛盾會對觀看體驗產生不利影響。聚散度是指為了將視野內分開的物體圖像融合在一起觀眾的眼睛必需相交的程度。隨著觀看的物體變遠，聚散度減小，乃至消失。調節度是指要求觀眾眼睛的晶狀體改變形狀以保持對所關心物體的視網膜聚焦。已知當觀眾處于“聚散度”和“調節度”的失配深度提示之下一段時間后，觀眾的深度感覺會有暫時的下降。還已知當調節度提示對應于遠處的圖像位置時這種對深度感覺的負面影響可以減輕。
在美國專利No，5671992(Richards)中公開了傳統的自動立體顯示裝置的一個實例，在此坐著的觀眾體驗了明顯的三維視覺效果，這種視覺效果是利用分開的投影器(一個投影器用于一個眼睛)產生的圖像所創建的，并利用包括多個鏡面的成像系統引導給觀眾的。
立體成像的傳統的解決方案已解決了上述某些挑戰，但仍有改進的余地。例如，一些早期的立體系統采用特殊的頭套，護目鏡或眼鏡來提供三維觀看體驗。作為這種系統的一個實例，美國專利No，6034717(Dentinger等)公開了一種投影顯示系統，要求觀眾戴一套無源偏光眼鏡，以便選擇性地將適當的圖像導向各個眼睛來創建三維效果。
當然，有些情況下某種類型的頭套可以認為是適合用于立體觀看的，例如作仿真應用。對于這種應用，美國專利No，5,572,229(Fisher)公開了一種能提供寬視野立體觀看的投影顯示器頭套。但是，如有可能，提供觀眾不需戴任何類型裝置(如美國專利No，5,671,992的裝置所公開的)的立體觀看總是具有優勢的。允許頭部運動有一定的自由度也是有利的。相反，美國專利No，5908300(Walkers等)公開了一種懸掛滑動的仿真系統，其中觀眾的頭部被維持在一個固定的位置。雖然這樣的解決方案在Walkers等人的專利所公開的有限的仿真環境中尚可使用，且可簡化裝置的整體光學設計，但在浸沒式系統中對頭部運動的限制還是一個缺陷。值得注意的是，美國專利No，5908300所公開的系統采用了狹窄的觀看孔徑，實際上限制了視野。在美國專利No，5908300所公開的裝置中采用了復雜的傳統的投影透鏡，它們以離軸取向的方式設置，采用縮放方法以獲得所需的輸出光瞳大小。
已開發出許多系統通過分光鏡向觀眾提供距觀眾兩個不同距離處的兩個屏幕的組合圖像來提供立體效果，從而創建立體成像的幻覺，如美國專利No，5255028(Biles)所公開的。但這類系統限于小觀看角度，因此不適用于提供浸沒式觀看體驗。此外，利用這種系統顯示的圖像是真實的圖像，在觀眾附近處呈現給觀眾，因此易于引發上述聚散度/調節度等問題。
眾所周知，為了減少聚散度/調節度效應，三維觀看系統應在距觀眾較遠距離處顯示其立體圖像對，不論是真實圖像對還是虛擬圖像對。對于真實圖像，這就是說必需采用大的顯示屏，最好設置在距觀眾有相當距離的位置。而對于虛擬圖像，則可采用較小的曲面鏡，如美國專利No，5908300所公開的。曲面鏡起準直器的作用，在距觀眾較遠處提供虛擬圖像。發表在Stereoscopic Displays andVirtual Reality Systems VII，Proceedings of SPIE，Volume 3957(Mckay，Mair，Mason，Revie)的“Membrane Mirror BasedAutostereoscopic Display for Tele-Operation and TelepresenceApplications”文章中公開了用于立體成像的另一種系統，它使用一種可延展的膜片鏡。Mckay的文章中公開的裝置其視野有限，因為使用的是傳統的投影光學部件，而且因為尺寸的限制而限制了膜片鏡的曲率。
曲面鏡也已用在立體系統中提供真實圖像，此時曲面鏡不是用作準直器。這種系統在例如美國專利No，4623223(Kemptf)和美國專利No，4799763(Davis等)中已公開。但這種系統通常適用于僅需要小視野的情況。
值得注意的是，現有的立體投影的解決方案是將圖像投影到平的屏幕上，即使所述圖像隨后又從曲面上反射。這就會導致不希望有的失真和其它圖像像差，從而限制了視野并且總的說來限制了圖像質量。
從光學觀點看，可知利用光瞳成像對自動立體設計十分有利。用作光瞳成像的系統必需對左右光瞳相應提供各自的圖像并提供最自然的觀看條件，不需要戴護目鏡或其它特殊頭套。此外，這種系統最好能對觀眾提供最大可能的光瞳，以便允許有一定的運動自由度并提供超寬的視野。在光學界眾所周知這些要求中每一個要求本身都難以實現。理想的自動立體成像系統必需滿足這兩個要求，以提供更為令人滿意和逼真的觀看體驗。此外，這種系統必需提供足夠的分辨率作逼真成像，具有高亮度和對比度。而且，必需考慮到要求系統占地面積小而提出的物理限制以及眼睛之間分離的尺寸限制，這樣才可使射向每個眼睛的單獨的圖像能有最好的間隔并被正確地分開以便觀看。注意以下情況是有指導意義的眼睛間距離限制使僅通過縮放投影透鏡的方法在給定的超寬視野下實現較大的光瞳直徑的能力受到限制。
對于平面物體的高分辨率成像，單心成像系統已表明可提供顯著的優點，如美國專利No，3748015(Offner)中所公開的，所述專利提出在為一倍放大設計的成像系統中將球面鏡配置成具有曲率的重合中心。在美國專利No，3748015中所公開的單心配置減少了許多類型的圖像像差，概念上直截了當，可以將簡化的光學設計用于高分辨率的反射成像系統。也已知鏡面和透鏡的單心配置對具有寬視野的遠焦系統也很有利，如美國專利No，4331390(Shafer)中所公開。但是，雖然單心設計對整體簡化和對減小失真和光學像差具有優勢，這種設計概念在需要寬視野和大出射光瞳而整體尺寸又較小的浸沒式系統中卻難以實現。此外，全單心設計不會滿足全立體成像的要求，對左右光瞳需要單獨的圖像。
如美國專利No，5908300中所公開的，傳統的寬視野投影透鏡在光瞳成像自動立體顯示器中可以用作投影透鏡。但是，用傳統的途徑會有許多不利因素。能具有用于有效浸沒式觀看所需的角視野的寬視角透鏡系統非常復雜而且昂貴。用于大規格相機的典型廣角透鏡，例如德國耶納的Carl-Zeiss-Stiftung制造的Biogon透鏡，能有75度的角視野。Biogon透鏡由七個透鏡部件組成，直徑大于80mm，但提供的光瞳大小只有10mm。為了較大的光瞳尺寸，必須對透鏡尺寸進行縮放；但是，這種透鏡體的大直徑帶來與在給定觀看位置的眼睛間距離有關的、在設計自動立體浸沒式系統方面的嚴重困難。要使左右眼的組件能并排放置，從而使一對透鏡光瞳的間距與人眼間的分隔相一致，就要花費許多費用將透鏡分隔，這又會有困難的制造問題。眼睛間的距離有限，這限制了投影裝置對每只眼睛的空間定位，并且使得不可能通過簡單的縮放透鏡來縮放光瞳大小。此外，有效的浸沒式系統最好允許有非常寬的視野，最好大大超過90度，且能提供大的出射光瞳，最好大于20mm。
另一種用于大視野應用的方法是，采用球透鏡用于專門的光學功能，特別是小型球透鏡用于光纖耦合和傳輸應用中，如美國專利No，5940564(Jewell)中所公開，所述專利公開了在耦合裝置中小型球透鏡的有效應用。在較大規模上，球透鏡可以用在天文跟蹤裝置中，如美國專利No，5206499(Mantravadi等)中所公開的。在Mantravadi等人的專利中，采用球透鏡是因為它可具有寬視野，大于60度，且具有很小的離軸像差或失真。具體地說，有利地利用缺少唯一光軸這一事實，使得可以認為通過球透鏡的每條主光線定義其自己的光軸。由于相對于入射光的角度變化而言，其照度的降落很小，因此，可以有利地用單個球透鏡將光線從空間導向此應用中的多個傳感器。值得注意的是，球透鏡輸出端的光傳感器沿彎曲的焦面布置。
球面或球透鏡用于廣角成像的優點也用在測定空間飛船位置的裝置中，如美國專利No，5319968(Billing-Rose等)中所公開的。其中，鏡面陣列引導光線通過球透鏡。所述透鏡的形狀很有利，因為通過透鏡的光束都是以正(法線)入射到圖像表面上。這樣光線向透鏡中心折射，于是成像系統就具有了寬視野。
球透鏡特點的另一專門應用在美國專利No，4,854,688(Hayford等)中已公開。在Hayford等人專利的光學配置中，針對沿非線性路徑(例如連接到駕駛員用的頭盔)傳輸二維圖像的問題，球透鏡將光學上無限遠處的準直輸入圖像引導給駕駛員觀看。球透鏡的廣角觀看能力的另一應用在美國專利No，4124798(Thompson)中已公開，所述專利提出在雙目光學系統中使用球透鏡作為物鏡的一部分供夜間觀察用。
在公開使用球透鏡的上述每個專利中，都建議球透鏡與支持光學部件一起提供寬視野成像的整體能力。但要有效地利用這種裝置作浸沒式成像應用，還有實質性的問題必需克服，特別是如果圖像是用電子學方法處理后再投影的話。傳統的電子圖像呈現技術，利用諸如空間光調制器等裝置，是在平面上提供圖像。球透鏡作平面視野成像的性能非常差。
對于浸沒式系統，用任何類型的能提供寬視野的光學投影都還有其它基本的光學限制需要加以解決。一個重要的限制是由拉格朗日(LaGrange)不變量所引起。任何成像系統都符合拉格朗日不變量，這樣光瞳大小和半視野角的乘積等于圖像大小和數值孔徑的乘積，對于光學系統來說這是個不變量。當使用能在較小的數值孔徑下工作的較小的空間光調制器或類似的像素陣列作為圖像發生器時這可能就是一種限制，因為與所述裝置關聯的拉格朗日數值很小。但提供具有大光瞳尺寸(即大的數值孔徑)的大視野的單心成像系系統本身就具有大的拉格朗日數值。這樣，當這個單心成像系統和具有小的拉格朗日數值的空間光調制器一起使用時，成像系統的視野或孔徑，或二者，就會因拉格朗日數值的失配而未充滿(underfilled)。有關拉格朗日不變量的詳細說明，請參閱Modern OpticalEngineering(現代光學工程)，The Design of Optical Systems(光學系統設計)，作者為Warren J.Smith，McGraw-Hill公司出版，42-45頁。
自動立體成像的一種方案在美國專利No，6416181(Kessler等)中公開。Kessler等人的裝置提供了利用球透鏡的一種解決方案，可減小圖像失真中的像差，但仍有改進的余地。例如，傳統的球透鏡對出射光瞳的大小會有限制并會含有未校正的球面像差。
因此可見，雖然有一些傳統的途徑可以滿足立體成像的一些要求，但仍需要有改進的自動立體成像解決方案用于觀看用電子學方法產生的圖像，所述解決方案應提供結構簡單的裝置，減小像差和圖像失真，并能符合寬視野、大光瞳尺寸以及人們眼睛間距離限制等苛刻的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種自動立體光學設備，用于觀看立體虛擬圖像。
按照本發明的一個方面，單心自動立體光學設備包括由觀眾在左觀看光瞳觀看的左圖像和由觀眾在右觀看光瞳觀看的右圖像，所述裝置包括(a)左光學系統，用于形成在左觀看光瞳觀看的左圖像，所述系統包括(1)用于提供場景內容的左圖像發生系統，它包括用于形成左中間圖像的左圖像發生器和左中繼透鏡；(2)左投影系統，它包括左球面彎曲漫射表面，用于接受左中間圖像，左球面彎曲表面的曲率中心基本上與左球面梯度折射率球透鏡同心，左球面梯度折射率球透鏡設置在距左球面彎曲漫射表面一定距離處，以便形成左曲面圖像，左曲面圖像是真實圖像，左曲面圖像的曲率中心與左球面梯度折射率球透鏡的曲率中心重合，左球面梯度折射率球透鏡具有左球面梯度折射率球透鏡光瞳；(b)右光學系統，用于形成在右觀看光瞳觀看的右圖像，所述系統包括(1)用于提供場景內容的右圖像發生系統，它包括用于形成左中間圖像的右圖像發生器和右中繼透鏡；(2)右投影系統，它包括右球面彎曲漫射表面，用于接受右中間圖像，右球面彎曲表面的曲率中心基本上與右球面梯度折射率球透鏡同心，右球面梯度折射率球透鏡設置在距右球面彎曲漫射表面一定距離處，以便形成右曲面圖像，右曲面圖像是真實圖像，右曲面圖像的曲率中心與右球面梯度折射率球透鏡的曲率中心重合，右球面梯度折射率球透鏡具有右球面梯度折射率球透鏡光瞳；(c)彎曲鏡面，所述彎曲鏡面的曲率中心在光學上基本上設置在左球面梯度折射率球透鏡和右球面梯度折射率球透鏡的中間；以及(d)分束器，用來將左右曲面圖像反射到彎曲鏡面上，彎曲鏡面用來形成左右曲面圖像的虛擬立體圖像，且彎曲鏡面用來通過分束器在左觀看光瞳處形成左球面梯度折射率球透鏡光瞳的真實圖像和在右觀看光瞳處形成右球面梯度折射率球透鏡光瞳的真實圖像。
本發明的一個特征是使用光學組件的單心配置，這樣可以簡化設計，減小像差，并提供有大出射光瞳的寬視野。
本發明的又一特征是在光學系統中使用中間漫射表面，以便使小圖像發生器的低拉格朗日不變量與投影系統的大拉格朗日不變量相匹配。
本發明的另一個特征是來自發光彎曲表面的光線的投影。這種結構有助于減少自動立體光學設備的復雜性和所需的支持光學組件的數量。
本發明的一個優點是它提供了光學組件的小型結構，能夠封裝在占地面積小的顯示器系統中。
本發明的另一個優點是它允許具有高亮度和對比度并且具有非常寬的視野的高分辨率立體成像。本發明提供的系統光效率高，且投影所要求的光量相對較低。
本發明的一個優點是它為寬視野立體投影提供了一種解決方案，與傳統的投影透鏡系統的費用相比，所述解決方案的成本低廉。
本發明還有一個優點是它提供的立體觀看不需要觀眾戴護目鏡或其它裝備。
本發明還有一個優點是它提供足夠大的出射光瞳，因此觀眾不需要嚴格對準顯示器。
對于本專業的技術人員來說，在閱讀了以下結合附圖所作的詳細說明后，本發明的這些和其它目的、特征和優點就顯而易見，附圖中示出并說明了本發明的說明性實例。
雖然本說明書的最后有權利要求書，它特別指出本發明的主題事項和明確地對其提出權利要求，相信通過結合附圖所作的以下說明，對本發明會有更好的理解，附圖中圖1示出在自動立體成像系統中使用本發明裝置的透視圖；圖2A和2B為標識本發明自動立體成像系統的關鍵組件的示意圖；圖3示出在有傳統的玻璃透鏡的中間圖像平面上球透鏡和漫射表面的同心結構的局部剖視圖；圖4示出廣角投影透鏡用于右眼和左眼圖像投影的傳統的實現方法的局部剖視圖；圖5示出優選實施例中左眼和右眼投影系統的示意布局；圖6示出相對于觀眾位置，兩個具有彎曲鏡面和分束器的投影系統之一的垂直截面中的示意布局；圖7示出投影光學組件的另一實施例，使用雙凹纖維面板作為漫射表面；圖8A示出另一實施例，其中投影系統將光線射向彎曲鏡面，中間沒有設置分束器；圖8B示出另一實施例，其中彎曲鏡面是非球面的；圖9示出分段的彎曲鏡面，其中各段基本上共有同一曲率中心；圖10示出另一實施例，使用圓柱形彎曲反射Fresnel透鏡代替彎曲鏡面；圖11示出另一實施例的截面圖，它使用具有纖維面板的平面發光圖像形成表面；圖12示出另一實施例的截面圖，它使用球形彎曲發光圖像形成表面；圖13示出另一實施例，它使用具有曲面圖像形成表面的陰極射線管(CRT)；圖14是圖3中所示的球透鏡的光線展開圖；圖15A是按照本發明的具有球形梯度折射率材料的球透鏡的局部剖視圖；圖15B是圖15A所示的球透鏡的光線展開圖；圖16是圖15A所示的球面梯度折射率球透鏡的系數表；以及圖17是圖15A所示的球面梯度折射率球透鏡的折射率分布。
具體實施例方式
本說明書特別針對形成本發明裝置的一部分或更直接與本發明的裝置協同工作的元件。顯然，沒有特別示出或說明的元件可以采取對本專業的技術人員來說眾所周知的各種形式。
參閱圖1，圖中示出自動立體成像系統10的透視圖。觀眾12通常坐在適當的位置，從左右觀看光瞳14l和14r觀看虛擬立體圖像。當觀眾12的左右眼瞳孔68l(圖1中未標出)和68r與左右觀看光瞳14l和14r的位置重合時可獲得最佳觀看條件。
右光學系統20r將圖像通過右球透鏡組件30r射向分束器16。在彎曲鏡面24的前焦面22上形成右曲面圖像80r，使之位于右球透鏡30r和彎曲鏡面24之間。
必需注意，如圖1所示，觀眾12看見的立體圖像有兩個成分。立體圖像是曲面圖像80，它包括左曲面圖像80l和右曲面圖像80r。左曲面圖像80l和右曲面圖像80r在場景內容上大不相同，以便產生立體三維效果。觀眾12看見的立體圖像包括在左觀看光瞳14l處觀看的左圖像和在右觀看光瞳14r處觀看的右圖像。如圖1所示，由于靠彎曲鏡面24成像，左右光學路徑在自動立體成像系統10中交叉。
以下說明的主要重點設置在將光線射向觀看光瞳14l或14r的光學組件上。應當指出，在左右球透鏡組件30l和30r之前并包括它們在內，對左光學系統20l和右光學系統20r，亦即對左右光學路徑，采用的是類似的光學組件。為清晰起見，以下說明適用于左右光學系統20的組件。僅在必需精確時才對左右光學路徑之間加以區別。(除非必需，以下說明中省略附加的左“l”或右“r”指示符。)再參閱圖1，觀眾12看到的立體圖像是由曲面圖像80通過鏡面24形成的虛擬圖像。即，圖像并不是好象投影到彎曲鏡面24的表面上那樣呈現給觀眾12，而是圖像出現在彎曲鏡面24的后面，在彎曲鏡面24的背面和無限遠之間。
圖1示出從光學設計觀點需解決的關鍵問題，并示出由本發明提供的解決方案的概況。重新審視一下為獲得最生動的立體觀看效果的關鍵設計考慮事項是有益的。為了提供有效的浸沒體驗，寬視野是很重要的，利用現有技術可超過60度。為使觀眾12使用舒適，觀看光瞳14l和14r必需足夠大。作為設計目標，本發明的自動立體成像系統10旨在提供至少90度的視野，其觀看光瞳14的直徑超過20mm。
參閱圖2，圖中示出在自動立體成像系統10中關鍵光學組件的示意圖。在圖2A中為簡單起見，只示出左/右光學路徑之一。在實際中，自動立體成像系統10包括左和右光學系統20l和20r，其中，例如，左光學系統20l包括各自具有相應的子組件的左圖像發生系統70l和左投影系統72l。
請記住這種雙配置，光學系統20包括圖像發生系統70。圖像發生系統70又包括圖像發生器74，它為顯示器提供場景內容。在優選實施例中，圖像發生器74包括空間光調制器36，它由能以像素陣列提供圖像的成像電路(未示出)控制。空間光調制器36以成像技術中熟知的方式與光源34和偏光分束器38合作，形成圖像，輸入到中繼透鏡組件54。
如圖2A所示的由許多透鏡部件組成的中繼透鏡組件54將從圖像發生器74接收的光射向漫射元件32。在漫射元件32的彎曲漫射表面40上形成左或右中間圖像76l/76r。投影系統72包括彎曲漫射表面40和球透鏡組件30。立體投影系統82包括左投影系統72l和右投影系統72r。對于左和右投影系統72l/72r，球透鏡組件30將左或右中間圖像76l/76r通過分束器16投影到彎曲鏡面24的前焦面22上。彎曲鏡面24形成立體虛擬圖像，對觀眾12來說，所述圖像出現在彎曲鏡面24的“后面”。
可以指出，圖1、2A和2B所示的組件結構對于用投影透鏡獲得寬視野的挑戰而言代表了一種新穎的途徑。，圖4用圖示的方法示出立體投影透鏡設計的傳統的方法是如何實現的。如圖4所示，傳統的透鏡設計技術要求制造相當復雜的左眼和右眼透鏡組件18l，18r。為使透鏡組件18l和18r能對各只眼睛作恰當的投影，透鏡組件18l和18r必需在適當的眼睛間距28內(即觀眾12的左右眼之間的距離，標稱在60-70mm范圍內)具有各自的光軸26l和26r。這就要求對透鏡組件18l和18r元件進行某種平截，如圖4中點畫線A和B所示。光學技術的專業人員能理解諸如圖4所示的傳統的解決方案既昂貴又很難設計和制造。在本發明中，如圖2A、2B和圖5所示，透鏡組件18l和18r被投影系統72所代替，比較起來投影系統包括較少數量的元件。
與圖4部分示出的傳統的途徑不同，圖5示出本發明的左和右光學系統20l和20r的另一示意圖。左和右光學系統20l和20r提供合作的投影系統，二者的光軸不一定平行，而是指向遠處的匯聚點。如圖2A和2B所示，中繼透鏡組件54l和54r在彎曲漫射表面40l和40r上分別形成左右中間圖像76l和76r。為在大范圍的人眼間距內提供可觀看的立體圖像，球透鏡組件30l和30r最好相距由經驗確定的平均眼間距離28。典型的眼間距離為55mm到75mm。優選實施例為60mm到70mm，以65mm為最佳。
球透鏡組件30的工作球透鏡組件30l/30r用作其關聯的左或右光學系統20l/20r的投影透鏡。參閱圖3，圖中示出為每個透鏡組件30所提供的同心配置。中心球面透鏡46設置在凹凸透鏡42和44之間，凹凸透鏡42和44具有旨在減小軸上球形和顏色像差的折射率和其它特性，在光學設計技術中已眾所周知。出射光瞳48將入射光瞳限制在球透鏡組件30之內。出射光瞳48不一定是物理的，可以利用諸如全內反射等光學效應來實現。就光學路徑而言，出射光瞳48用來限定球透鏡組件30的出射光瞳。
在一個實施例中，這樣選擇凹凸透鏡42和44以便減小投影到彎曲鏡面24上的圖像的圖像像差因而優化圖像質量。應當指出，球透鏡組件30可包括在中心球面透鏡46周圍的任意數量的支持透鏡。這些支持透鏡的表面，無論使用多少，都和球面透鏡46共有同一個曲率中心C。此外，在本發明范圍內，用于球透鏡組件30的透鏡元件的折射材料可以各不相同。例如，除了標準的玻璃透鏡外，中心球面透鏡46可包括一種塑料、油或其它液體物質，或為滿足應用的要求而選擇的任何其它折射材料。凹凸透鏡42和44，以及球透鏡組件30中的任何其它附加的支持透鏡，可用玻璃、塑料、密封的液體、或其它任何適合的材料制成，所有這些均在本發明的范圍之內。在最簡單的實施例中，球透鏡組件僅包括中心球面透鏡46，沒有附加的支持性折射元件。
再參閱圖3，彎曲漫射表面40與球透鏡組件30同心，中心在C處。這種同心配置用于投影彎曲漫射表面40上形成的左/右中間圖像76l/76r時可減小場像差。彎曲漫射表面40可以認為是一組無數的漫射點源50，其射線由球透鏡組件30接收。在漫射表面40上提供中間圖像，就可有效地克服拉格朗日不變量對出射光瞳的大小以及場角度的限制。就圖1所示的元件而言，彎曲漫射表面40起到一個中間界面的作用，可使圖像發生系統70所特有的低拉格朗日不變量與立體投影系統82的高拉格朗日不變量相匹配。克服了拉格朗日不變量的限制，使用彎曲漫射表面40就允許通過球透鏡組件30進行圖像的廣角投影了。
彎曲漫射表面40的功能是漫射由中繼透鏡組件54轉發的光線，但具有盡可能高的亮度，供球透鏡組件30以廣圖像角來投影。為使觀眾12最終觀看投影的圖像，重要的是每個漫射點源50應有效地充填球透鏡組件30的出射光瞳48。如果做到了這一點，其眼睛定位在觀看光瞳14l/14r的觀眾12就能從觀看光瞳14l/14r內的任一點觀看到整個投影圖像。
漫射元件32是具有覆層以便提供彎曲的漫射表面的透鏡。用于彎曲漫射表面40的適用的漫射覆層及其處理對于光學技術領域的技術人員來說是眾所周知的。或者，也可用其它方式對彎曲漫射表面40進行研磨、腐蝕或處理，以提供所需的漫射特性。彎曲漫射表面40的曲率與球透鏡組件30的曲率同心，以便提供沒有場像差且具有最小軸上像差的圖像供投影之用。
在另一實施例中，漫射表面40可以用圖7所示的光纖面板56(例如由Incom，Inc.，Charlton，Mass.制造的光纖面板)來實現。光纖面板56通常使用在平面顯示器的應用中，它將圖像從一個表面傳遞到另一個表面。作為光學系統20的一部分，光纖面板56可具有雙凹面形狀。左或右中間圖像76l/76r聚焦在入射凹面58，傳遞到包括有彎曲漫射表面40的出射凹面60。出射凹面60可以用光學領域技術人員所熟知的許多技術進行處理以增強彎曲漫射表面40的性能。例如可以用各種研磨、拋光、腐蝕或能得到漫射表面的其它技術，或者例如利用全息光柵，來完成表面處理。或者也可將漫射覆層加在出射凹面60上。
圖15A所示的球面梯度折射率球透鏡比之圖3所示的標準球透鏡可提供更多的優點。球面梯度折射率球透鏡組件31包括球面梯度折射率球透鏡47和傳統的凹凸透鏡42和44。圖15A所示的球面梯度折射率球透鏡47具有的反射率分布為n(r)＝f(r)r是距球透鏡中心點的距離。它具有相對于原點的球形對稱。例如n(r)＝n0+n1r+n2r2+n3r3+n4r4圖15A所示的球面梯度折射率球透鏡是一個廣義的盧納堡(Luneburg)透鏡。Luneburg透鏡由R.K.Luneburg在1944年提出，由S.P.Morgan在1958年推廣。(R.K.Luneburg，“MathematicalTheory of Optics”，Brown University，Providence，Rhode Island(1944)；S.P.Morgan，“General Solution of the Luneburg LensProblems“J.Appl.Phys.29，1358-1368(1958)；和E.W.Marchand，“Gradient Index Optics”，Academic Press，New York(1978))。
球面梯度折射率球透鏡在成像和非成像光學中具有潛在的應用，前者用于產生無像差的圖像，后者用于實現關于集聚的基本上限(upper bounds on concentration)。本發明利用球面梯度折射率球透鏡獲得無像差圖像和大出射光瞳49，例如φ45mm，如圖15A所示。對比起來，圖3所示的傳統的玻璃球透鏡的出射光瞳只有大約φ23mm。圖14和15B分別為利用相同裝置的傳統的玻璃和球面梯度折射率球透鏡的光線展開圖(ray fan plot)。光線展開圖清楚表明球面梯度折射率球透鏡具有比傳統的玻璃球透鏡小得多的球形像差，對于球形梯度折射率設計，相應的RMS光點大小為2.3μm，而對于傳統的設計則為24μm。
圖15A所示的半徑為18mm的球面梯度折射率球透鏡47的折射率實例列于圖16的表1。折射率分布繪于圖17。于是可知對于在此實例中使用的球面梯度折射率球透鏡47，對于不同的波長，材料的折射率從球透鏡中心到球透鏡的邊緣呈下降趨勢。
圖像路徑的單心設計本發明利用由圖像路徑圍繞單心軸M及其光學等效軸M’的單心配置(如圖1所示)所提供的固有優點。參閱圖6，圖中示出在自動立體成像系統10中光學路徑的垂直截面。來自空間光調制器36的圖像被中繼到彎曲漫射表面40l/40r，作為左或右中間圖像76l/76r，如上述。漫射表面40l/40r上的左/右中間圖像76l/76r被球透鏡組件30投影并被分束器16反射而形成立體中間曲面圖像80，所述立體中間曲面圖像80包括在彎曲鏡面24的前焦面22附近的左和右曲面圖像80l/80r。立體中間曲面圖像80，本身是真實圖像，由彎曲鏡面24準直，而向觀眾12呈現出虛擬圖像。利用分束器16和彎曲鏡面24，球透鏡組件30的出射光瞳以一倍放大倍數被成像到觀看光瞳14上。應當指出，本發明的設計是對一倍放大倍數加以優化，但不是一倍放大倍數也是可以的，仍在本發明的范圍之內。
在球透鏡組件30的中心C形成共同的曲率中心。所述點作為具有元件凹凸透鏡42和44的球透鏡組件30和彎曲漫射表面40的曲率中心。由于是在觀看光瞳14處成像的，所以中心C為彎曲鏡面24提供近似的曲率中心，如下述。
參閱圖5，可知左右球透鏡組件30l/30r各有一個中心，分別以CL和CR標明，這些中心由眼間距離28分隔開。鏡面24的實際曲率中心，以Cm標明，在CL和CR的中間。這樣，圖像路徑的配置基本上是繞軸M的單心，并對某些坐標作必要的調節，即加以平均，以定位中心點。主要由于眼間間隔的緣故，幾何上完美的單心是無法實現的。但考慮到系統的整個規模眼間的距離28相對較小，可以有效地將觀看光瞳14l和14r分開到真實中心點的兩側。
彎曲鏡面24的配置還是由于眼間距離28的緣故，彎曲鏡面24的精確成形可以加以調節，而與精確的球形形狀有不同程度的差別。例如可以使用非球形鏡面作為彎曲鏡面24，以減少離軸光瞳像差。
利用傳統的成形、研磨和拋光技術來制造彎曲鏡面24會相當昂貴。用兩個或多個較小的鏡面部分結合起來組成一個大的鏡面24，這樣來制造鏡面24可能更為實際。參閱圖9，圖中示出分束器16、光學系統20l和20r，其中彎曲鏡面24利用兩個或多個鏡體64構成，每個鏡體64都是球形，且對每個鏡體64加以修整，使之沿縫隙62與另一鏡體64結合。用這種結構，各鏡體64的曲率中心可相互重疊。
作為另一實施例，彎曲鏡面24可包括膜片鏡面，例如可延展的膜片鏡(SMM)，其曲率由可延展反射表面后面的氣密空腔中產生的受控真空來決定。可延展膜片鏡的利用在McKay的文章中有說明，見以上參考文獻。彎曲鏡面24也可利用折轉鏡面(replicatedmirror)、菲涅耳(Fresnel)鏡面或利用一個或多個后向反射表面來實現。
參閱圖8A，圖中示出另一種基本上是單心的結構，其中左和右光學系統20l和20r直接投影到彎曲鏡面24，不用分束器16，如圖1，2，6，和9所示。
圖8A的結構要求彎曲鏡面24具有可接受的離軸性能，因為對各觀看光瞳14l和14r的圖像路徑必需稍微偏離中心。可以采用大的或非球形鏡面，和包括球透鏡組件30的光學系統20一起進行廣角成像。為使圖8A所示的配置在使用球形彎曲鏡面24時能有令人滿意的性能，離軸距離和鏡面24焦距之比必需很小。經驗確定，如果離軸角不超過大約6度，具有球形表面的彎曲鏡面24可以有令人滿意的性能。
對于離軸角超過6度的情況，使用具有非球形表面的彎曲鏡面24更為適宜，如圖8B所示。曲率中心點CM’選擇在觀看光瞳14l和14r的中間。圖5中曲率中心點CM是在球透鏡組件30l/30r的中心點CL和CR的中間。這種非球形設計可以是環形的，且相對于通過點CM和CM’的軸E是單心的。在截面上，用這種方式制造的彎曲鏡面24是橢圓的，點CM和CM’作為橢圓的焦點。
參閱圖10，圖中示出類似于圖8B的另一種配置。圖10中彎曲鏡面24是利用圓柱曲面的反射Fresnel鏡面66實現的。圖10所示元件的配置相對于軸X為單心，如圖8B所示。反射Fresnel鏡面66僅在一個方向上有放大作用。反射Fresnel鏡面66可以例如是在柔性襯底上制造的平面元件，類似于Freesnel Optics，Rochester，N.Y.制造的Fresnel光學元件。Fresnel鏡面66可以彎曲成繞軸E的一般圓柱形，如圖10所示。Fresnel鏡面66將球透鏡組件30l/30r的出射光瞳以類似于以上對彎曲鏡面24所說明方式成像到觀看光瞳14l/14r。光學系統20l/20r則優化為符合Fresnel鏡面66性能特性。
還有另一種選擇方案是，彎曲鏡面24可以用后向反射表面來替代，這種表面具有基本上為球形的形狀，其曲率中心與球透鏡組件30的曲率中心重合。后向反射表面不會引入因彎曲鏡面反射而引起的圖像交叉效應。但應當指出，這種配置提供的是真實圖像，而不是在優選實施例中由自動立體成像系統10所形成的虛擬圖像。
各種圖像源優選實施例的空間光調制器36可以是許多類型裝置中的一種。示范的空間光調制器36包括但不限于以下類型(a)液晶裝置(LCD)。它廣泛地應用于對用電子學方法產生的圖像進行投影的裝置中，LCD以空間型的方式選擇性地調制來自光源34(圖1)的入射光束的強度，通過各個陣列元件產生顯示的各個像素。LCD可以是發射型或反射型。優選實施例采用反射型LCD。
(b)Texas Instruments，Dallas，Texas生產的數字微鏡面裝置(DMD)。這種類型的反射裝置也可用來調制來自光源34的光束。
(c)利用對點光源或線性陣列的連續掃描創建二維圖像的掃描裝置。這種掃描裝置可包括掃描激光器或CRT，它們從點光源產生圖像。這種點光源可以用來例如將左或右中間圖像76l/76r寫到漫射表面40上。或者，掃描裝置可以包括線性裝置，例如光柵光閥(GLV)，如Silicon Light Machines，Sunnyvale，Calif.所制造的。
以上所列僅是代表性的，也可采用其它類型的空間光調制器36或其它圖像源來提供源圖像，均在本發明的范圍之內。
重要的是應當指出，中繼透鏡組件54的遠心特性對于無失真成像是很重要的。
為清楚起見，在圖1，2，5，6，和7中對每個左或右光學系統20l/20r只示出了一個空間光調制器36。在實際的自動立體成像系統10中，每種顏色成分(典型的是紅，綠，藍，RGB)會需要一個空間光調制器36。在成分光顏色中提供相應的光源34，這在電子成像技術中已眾所周知。對不同的圖像平面加以組合，在左和右彎曲漫射表面40l/40r處提供彩色的左和右中間圖像76l/76r。在優選實施例中，使用了具有整體彩色濾光鏡陣列的空間光調制器，這是本專業的技術人員所熟知的。在另一個實施例中，可以由一個空間光調制器36提供R、G、B成分的彩色順序配置。好在利用光瞳成像的自動立體成像系統10所要求的光量比較小，如本文所述，緩解了眾所周知的通常使用成像濾光鏡時光量易隨時間下降的限制。
在另一實施例中，可以在不用空間光調制器36和關聯的支持光學部件的情況下實現在彎曲漫射表面40提供中間圖像的功能。但對最佳立體顯示的限制在于在彎曲漫射表面40的位置處形成的中間圖像必需是彎曲的，且此彎曲漫射表面40的曲率中心應與球透鏡組件30的中心C相重合，如以上參閱圖6所述。
參閱圖12，作為另一種方案可采用發光圖像形成表面88。例如，可從eMagin Corporatino，Hopewell Junction，N.Y.購得的有機發光二極管(OLED)可以用作發光圖像形成表面88。同理，也可采用聚合物發光二極管(PLED)技術。在這種應用場合，OLED或PLED技術可以在柔性平面板上提供可用的圖像表面，可以把所述柔性平面板模制成具有與球透鏡組件30的中心C相重合的球面曲率中心，如圖12的截面圖所示。此時，包括發光圖像形成表面88的OLED或PLED陣列、彎曲鏡面24和球透鏡組件30相對于同一對稱軸應是單心的。
參閱圖13，陰極射線管(CRT)90可以用來提供發光圖像形成表面88。這要求改變曲率，不同于標準的現有CRT的制造，以便提供合適形狀的陰極射線管90。
作為又一種方案，可以采用平面的圖像形成發光表面84，和光纖面板56一起使用，如圖11所示。光纖面板56要求有平表面86面對所述發光表面，出射凹面60面對球透鏡30并與中心C同心，如圖7的實施例中所用。
本發明的優選實施例提供用于立體成像的特別寬的視野，超過90度范圍，觀看光瞳大小接近20mm。此外，球透鏡組件30提供優異的離軸性能并可允許寬視野，可能高達180度。這就為觀眾12提供了增強的觀看體驗，并且不需要戴頭套、護目鏡或其它裝置。
所以，本發明所提供的是用于自動立體顯示的單心光學設備，可提供非常寬的視野和大的觀看光瞳。
權利要求
1.一種用于觀看立體虛擬圖像的單心自動立體光學設備，所述立體虛擬圖像包括由觀眾在左觀看光瞳觀看的左圖像和由所述觀眾在右觀看光瞳觀看的右圖像，所述設備包括(a)左光學系統，用于形成在所述左觀看光瞳觀看的所述左圖像，所述系統包括(1)用于提供場景內容的左圖像發生系統，它包括用于形成左中間圖像的左圖像發生器和左中繼透鏡；(2)左投影系統，它包括左球面彎曲漫射表面，用于接受所述左中間圖像，所述左球面彎曲表面的曲率中心基本上與左球面梯度折射率球透鏡同心，所述左球面梯度折射率球透鏡設置在距所述左球面彎曲漫射表面一定距離處，以便形成左曲面圖像，所述左曲面圖像是真實圖像，所述左曲面圖像的曲率中心與所述左球面梯度折射率球透鏡的曲率中心重合，所述左球面梯度折射率球透鏡具有左球面梯度折射率球透鏡光瞳；(b)右光學系統，用于形成在所述右觀看光瞳觀看的所述右圖像，所述系統包括(1)用于提供場景內容的右圖像發生系統，它包括用于形成右中間圖像的右圖像發生器和右中繼透鏡；(2)右投影系統，它包括右球面彎曲漫射表面，用于接受所述右中間圖像，所述右球面彎曲表面的曲率中心基本上與右球面梯度折射率球透鏡同心，所述右球面梯度折射率球透鏡設置在距所述右球面彎曲漫射表面一定距離處，以便形成右曲面圖像，所述右曲面圖像是真實圖像，所述右曲面圖像的曲率中心與所述右球面梯度折射率球透鏡的曲率中心重合，所述右球面梯度折射率球透鏡具有右球面梯度折射率球透鏡光瞳；(c)彎曲鏡面，所述彎曲鏡面的曲率中心在光學上設置在所述左球面梯度折射率球透鏡和所述右球面梯度折射率球透鏡的中間；以及(d)分束器，用來將所述左右曲面圖像反射到所述彎曲鏡面上，所述彎曲鏡面用來形成所述左右曲面圖像的虛擬立體圖像，并且所述彎曲鏡面用來通過所述分束器在所述左觀看光瞳處形成所述左球面梯度折射率球透鏡光瞳的真實圖像和在所述右觀看光瞳處形成所述右球面梯度折射率球透鏡光瞳的真實圖像。
2.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左圖像發生器包括液晶裝置。
3.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左圖像發生器包括數字微鏡面裝置。
4.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左圖像發生器包括激光器。
5.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左圖像發生器包括陰極射線管。
6.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左圖像發生器包括光柵光閥。
7.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述左球形彎曲漫射表面包括覆層。
8.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于光纖面板包括所述左球形彎曲漫射表面。
9.如權利要求1所述的光學設備，其特征在于所述彎曲鏡面包括多個鏡面部分。
10.如權利要求9所述的光學設備，其特征在于所述多個鏡面部分包括至少一個球形鏡面。
全文摘要
一種單心自動立體光學設備(10)，用于觀看用電子學方法產生的并投影到彎曲表面上的虛擬圖像。對于每一個左和右圖像成分，單獨的光學系統包括圖像發生系統(701，70r)和投影系統(72)，所述投影系統包括提供寬視野的球形漫射表面(40)和球面梯度折射率球透鏡組件(31)。光學元件的單心配置將球透鏡光瞳(48)成像在觀看光瞳(14)處并為投影元件提供基本上單一的曲率中心(C)。利用這種單心配置、漫射表面(40)和球透鏡(30)，可提供特別寬的視野并具有大的觀看光瞳(14)。
文檔編號H04N13/04GK1540441SQ20041003516
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月22日 優先權日2003年4月22日
發明者R·梁, D·凱斯勒, R 梁, 估 申請人:伊斯曼柯達公司