專利名稱：可切換光學成像系統(tǒng)和相關3d/2d圖像可切換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動立體系統(tǒng)，以及更具體地說，涉及可切換光學成像系統(tǒng)和相關的 3D/2D圖像可切換裝置(3D/2D顯示器)，它們在許多方面具有高功能靈活性和對于多種不 同應用的適應性。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中已知數(shù)種涉及可切換3D/2D顯示器和顯示裝置的光學成像系統(tǒng)， 包括(1)基于視差屏障的那些，諸如在美國專利申請US2005/0285997，US2006/0087499， US2006/0114415,US2006/0176557,US2007/0008619 中所描述的那些，以及(2)基于微透鏡 /柱鏡光柵式透鏡的那些，諸如在美國專利5，500, 765和6，069，650以及在美國專利申請 US2006/0202910, US2007/0008617, US2007/0008620 和 PCT 國際申請 W02007/003792 中所 描述的那些。關于已知現(xiàn)有技術顯示器和顯示裝置，在2D和3D操作模式間的切換通常通過光 電元件或通過可移動光學構件來實現(xiàn)。在任一情況下，已知現(xiàn)有技術系統(tǒng)僅能在兩種模式 的每一個間切換，并不能在每一模式內改變操作特性。此外，關于使用可移動光學構件的顯 示器，通常僅在一個方向上實現(xiàn)光學構件的相對移動，因此，這樣的系統(tǒng)具有有限的功能靈 活性。因此，仍然存在對于如下的技術上的需求能在每種模式下改變操作特性以及在 許多方面具有高功能靈活性和對于多種不同應用的適應性的新的光學成像系統(tǒng)以及相關 3D/2D圖像可切換裝置和系統(tǒng)(3D/2D顯示器)。本發(fā)明滿足這些需求并提供進一步的相關 優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的大體目的是提供在許多方面具有高功能靈活性以及對于多種不同應用 的適應性的可切換光學成像系統(tǒng)和3D/2D圖像可切換裝置，由此解決許多與現(xiàn)有技術相關 的問題。簡單地說，本發(fā)明基于生成定向光束，變換這些光束并在視場中投影變換后的光 束，由此將視場分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)并在其中形成物體或場景的2維(2D)圖像或 3維(3D)圖像的透視圖。本發(fā)明在可切換光學成像系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的3D/2D圖像可切換 裝置中實現(xiàn)。本發(fā)明的主要思想包含改變變換后的光束的方向和調節(jié)變換后的光束的發(fā)散 度的可能性，并通過如下來實現(xiàn)在光學成像系統(tǒng)的結構中使用會聚微透鏡(converging
8micro-lens)的矩陣以及位移機構，以及提供矩陣或多個矩陣在軸向和橫向方向上相對于 彼此的移動。矩陣或多個矩陣移動根據(jù)操作模式或所使用的它的改進以各種方式、方案執(zhí) 行，并提供光學成像系統(tǒng)和圖像可切換裝置對不同應用的適應性，以及在諸如如下的方面 中它們的功能靈活性切換操作模式或結合使用一些操作模式，在每個操作模式中改變工 作參數(shù)和調節(jié)操作特性，等等。在掃描操作模式中，以往復方式執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動，由此使得能夠將 視場劃分成多個可調節(jié)觀察區(qū)，以及在視場中與變換后的光束一致地掃描這些觀察區(qū)。軸 向上的矩陣或多個矩陣移動改變區(qū)的角大小和使得能夠提供視場中相鄰觀察區(qū)的鄰接。多 個觀察區(qū)意圖用于(i)在3D操作模式中在其中投影特定3D圖像的相應透視圖，或(ii)在 2D掃描操作模式中在其中投影相同的2D圖像。能容易地調節(jié)如下的操作特性視場中的 角大小、方向和觀察區(qū)的數(shù)量，視場本身的角大小和深度。通過改變觀察區(qū)的數(shù)量，也可以 調節(jié)3D圖像的角度分辯率和深度。應注意到，增加角分辯率不會減小3D和2D掃描操作模 式中的圖像分辯率。在諸如廣告的應用中優(yōu)選具有透視圖的廣闊視野和高亮度，而在一些 醫(yī)療應用中優(yōu)選具有3D圖像的高角分辯率。在這些應用中應該使用大量透視圖。實際上，3D操作模式中的觀察區(qū)的數(shù)量僅受圖像可切換裝置的結構中的顯示組件 的幀頻限制。顯示組件的幀頻(吞吐量)越高，則能夠使用更多透視圖以形成具有更高質 量的3D圖像。另一方面，顯示組件的吞吐量越高，則通過增加觀察區(qū)的數(shù)量能獲得視場的 更大角大小和更深的深度。在需要同時地為多于一個人提供相同視覺信息的那些應用中， 寬和深的視場很重要。在3D操作模式中當相鄰觀察區(qū)鄰接時，提供觀察透視圖的更好條件(無暗空間或 重疊)，改善了對于3D圖像的視覺感知。此外，如果在光學成像系統(tǒng)中使用球面微透鏡的矩 陣并另外在垂直方向上布置它們的相對移動，則3D圖像被感知為具有全視差。在2D掃描操作模式中當相鄰觀察區(qū)鄰接時，如在3D操作模式中那樣如果從一個 觀察區(qū)移到另一個觀察區(qū)觀察者能看到特定的2D圖像而在視覺上感知不到圖像亮度的變 化，并且無任何透視失真，這在2D模式中非常重要。另外，所投影的2D圖像具有與特定3D 圖像的透視圖相同的分辯率，其本質上受所使用的顯示組件的分辯率限制。在非掃描操作模式中，執(zhí)行水平方向和軸向上的矩陣或多個矩陣移動，使得分別 選擇視場中單個可調節(jié)觀察(觀測)區(qū)的方向和角大小。在一些特殊應用中，例如為保密 目的，有利的是提供僅由一個人員觀看在該區(qū)中投影的2D圖像。另外，每個2D圖像的質量 能通過增加其動態(tài)范圍并同時保持其最高水平的分辯率來提高。通過使用與在3D或2D掃 描操作模式中相同的顯示組件(具有高吞吐量)來實現(xiàn)，在單個觀察區(qū)中投影的每個2D圖 像中提供擴展范圍的圖像亮度(輝度)。在一些醫(yī)療應用中，這非常重要。通過改變軸向中的矩陣的相對位置能執(zhí)行操作模式切換，由此設置與掃描操作模 式或非掃描操作模式有關的矩陣間的選擇距離。這能夠通過如下來實現(xiàn)在手動控制的光 學成像系統(tǒng)的位移機構中的驅動器的幫助下，或通過如在圖像可切換裝置中那樣使用控制 器。除此之外，控制器使得還能夠在3D和2D掃描操作模式之間進行快速切換并保持3D和 2D圖像的相同高分辯率。例如，當結合使用操作模式時，由于根據(jù)本發(fā)明的裝置的所述功能靈活性和適應 性，能實現(xiàn)本發(fā)明的一個或多個具體目的。因此，在軸向上相對于彼此的另外的矩陣或多個
9矩陣往復移動允許提高在視場的觀察區(qū)中投影的透視圖或相同2D圖像的質量，從而觀察 者看到不模糊(失真)的特定3D或2D圖像。該軸向往復移動與矩陣的水平往復移動同步。另一方面，可以同時地執(zhí)行3D和2D掃描操作模式，這允許同時并且此外以相同的 高圖像分辯率來觀察3D圖像和選擇的2D圖像。在一些具體應用中具有這種靈活性是重要 的，并通過在每個觀察區(qū)中投影相應透視圖與選擇的2D圖像的疊加來實現(xiàn)。光學成像系統(tǒng)和圖像可切換裝置的功能靈活性和適應性在諸如如下這些方面變 得顯而易見以幾種方式消除或基本減小對矩陣或多個矩陣移動的不精確的靈敏度；圖像 縮放，由此如果需要則形成大尺寸的3D圖像；增加光束的垂直發(fā)散度，用于改善觀察具有 水平視差的圖像的條件；以及選擇色彩操作模式具有選擇色的單色操作模式或多色操作 模式。根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例和各個替代實施例，一種可切換光學成像系統(tǒng)被配 置用來變換從顯示2維圖案的顯示面發(fā)出的光束，以及用于在視場中投影變換后的光束由 此將視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)。本發(fā)明的光學成像系統(tǒng)包括會聚微透鏡的第 一矩陣，且每個微透鏡沿各自的光軸光學地耦合到顯示面的一個相應區(qū)域；光學耦合到第 一矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第二矩陣；同軸對齊并剛性連結(安裝)到第二矩陣的微 透鏡的會聚微透鏡的第三矩陣，使第二和第三矩陣結合定義矩陣復合件；以及位移機構，用 于相對于彼此軸向移動第一矩陣或矩陣復合件，以及用于相對于彼此橫向移動第一矩陣或 矩陣復合件。根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選和各個替代實施例，一種3D/2D圖像可切換裝置被配置用 于分別在3D和2D操作模式中在視場中形成物體或場景的3維圖像的多個透視圖和/或2 維圖像。本發(fā)明的圖像可切換裝置包括顯示組件，用于生成2維圖案，該顯示組件具有用 于更新2維圖案的數(shù)據(jù)輸入、同步輸入和顯示2維圖案的顯示面；可切換光學成像系統(tǒng)，用 于變換從顯示面發(fā)出的光束以及用于在視場中投影變換后的光束由此將視場劃分成一個 或多個可調節(jié)觀察區(qū)，包括會聚微透鏡的第一矩陣，且每個微透鏡沿各自的光軸光學地耦 合到顯示面的一個相應區(qū)域；光學耦合到第一矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第二矩陣；同 軸對齊并剛性連結(安裝)到第二矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第三矩陣，使第二矩陣和 第三矩陣結合定義矩陣復合件；以及位移機構，用于相對于彼此軸向移動第一矩陣或矩陣 復合件，以及用于相對于彼此橫向移動第一矩陣或矩陣復合件，位移機構具有至少第一和 第二控制輸入；傳感器系統(tǒng)，用于檢測軸向和橫向方向中第一矩陣和矩陣復合件的相對位 置，該傳感器系統(tǒng)具有至少第一和第二數(shù)據(jù)輸出；以及控制器，用于切換操作模式，控制每 個操作模式中矩陣或多個矩陣移動的工作參數(shù)，以及用于使顯示組件生成2維圖案與矩陣 或多個矩陣移動同步，所述控制器具有(i)至少第一和第二數(shù)據(jù)輸入，該控制器的第一和 第二數(shù)據(jù)輸入分別連接到傳感器系統(tǒng)的第一和第二數(shù)據(jù)輸出，( )連接到顯示組件的同步 輸入的同步輸出，以及(iii)至少第一和第二控制輸出，該控制器的第一和第二控制輸出 分別連接到位移機構的第一和第二控制輸入。 參考下述詳細描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他方面將變得更顯而易見。然而，應 理解到在不背離它們的本質精神和范圍的情況下，能對在此公開的具體實施例做出各種改 進、改變和替代。
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附圖意圖用于本發(fā)明的某些優(yōu)選和示例性實施例的圖解和符號表示，因此它們不 一定按比例繪制。參考數(shù)字和符號被用來標明示意性示出和描述的具體特征。圖IA是分別根據(jù)本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實施例的可切換光學成像系統(tǒng)和 3D/2D圖像可切換裝置的大體示意性表示。其中，該示意性表示示出了由從顯示面的各個區(qū) 發(fā)出并經(jīng)光學成像系統(tǒng)變換的代表性光束行進的路線。圖IB是圖IA的畫圈部分的放大視圖，以及示出了會聚微透鏡矩陣與顯示面的矩 陣的相對位置。放大視圖示出了由從顯示面的各個區(qū)發(fā)出并利用光學成像系統(tǒng)變換的代表 性光束行進的路線。圖2是圖IA的可切換光學成像系統(tǒng)和3D/2D圖像可切換裝置的三維示意表示。該 三維表示示出了垂直取向的平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣(lenticular matrice)，以 及在軸向和橫向上的矩陣的相對位置。該三維表示還示出了視場中相鄰的觀察區(qū)。圖3A是從顯示面的兩個分別的分立區(qū)域發(fā)出并利用圖IA的光學成像系統(tǒng)投影到 視場內的代表性光束的三維圖示，所述視場由它的橫截面來圖形地表示，其中，當光束的發(fā) 散度相對小時，掃描操作模式中的視場被劃分成以間隙彼此分開的多個可調節(jié)觀察區(qū)。圖3B是從顯示面的兩個分別的區(qū)域發(fā)出并利用圖IA的光學成像系統(tǒng)投影到視 場中的代表性光束的三維圖示，所述視場由它的橫截面來圖形地表示，其中，掃描操作模式 中的視場被劃分成多個可調節(jié)觀察區(qū)，以便由于調節(jié)光束的發(fā)散度導致相鄰觀察區(qū)彼此鄰 接。圖4A是根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的圖像可切換裝置的掃描操作模式的一種 修改中，在選擇的時期內在圖2中所示的矩陣復合體(complex)的水平往復移動(即沿X 軸的移動)的時間矢量圖。圖4B是根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的圖像可切換裝置的掃描操作模式的一種 修改中，在選擇的時期內在圖2中所示的第一矩陣的軸向往復移動(即沿Z軸的移動)的 時間矢量圖，其中，該軸向往復移動與圖4A中所示的水平往復移動同步。圖5A是根據(jù)本發(fā)明的掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的一種光 學布置的示意性表示，其中，第三矩陣位于第二矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域內，以及其中， 第二矩陣與第一矩陣分開第一選擇距離R1，使得F1 < R1 < 2Fi;以及使視場中相鄰觀察區(qū)彼 此鄰接。圖5B是根據(jù)本發(fā)明的掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的另一種 光學布置的示意性表示，其中，第三矩陣位于第二矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域內，以及其 中，第二矩陣與第一矩陣分開第一選擇距離R1，使得(F1-F2) < R1 < F1,以及使視場中相鄰 觀察區(qū)彼此鄰接。圖5C是根據(jù)本發(fā)明的掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的又一種 光學布置的示意性表示，其中，第二矩陣位于第一矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域內，以及其 中，第三矩陣與第二矩陣分開第二選擇距離R2，使得R2 < F2,以及使視場中相鄰觀察區(qū)彼此 鄰接。圖6A是根據(jù)本發(fā)明的非掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的一種 光學布置的示意性表示，其中，第二矩陣與第一矩陣分開第一選擇距離R1，以使0 < R1 < F1，以及使得由于調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，單個可調節(jié)觀察區(qū)具有在視場(角大小Ψ)中 的選擇角大小φ。圖6Β是根據(jù)本發(fā)明的非掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的另 一種光學布置的示意性表示，其中，第二矩陣與第一矩陣分開第一選擇距離R1,以使F1 < R1 < 2F1;以及使得由于調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，單個可調節(jié)觀察區(qū)具有在視場(角 大小Ψ)中的選擇角大小φ。圖7是根據(jù)本發(fā)明的非掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)中的微透鏡矩陣的特定 光學布置的示意性表示，其中，使矩陣復合件水平偏移(沿X軸)第三選擇距離Δχ，以使得 由于調節(jié)變換后的光束的方向，單個可調節(jié)觀察區(qū)具有在視場(角大小Ψ)中的選擇觀察 方向(角度Θ)。圖8Α是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光學成像系統(tǒng)中平凸微透鏡矩陣和顯示面的 一種特定光學布置的示意性表示，其中，第一矩陣的微透鏡的平面面向顯示面，而第二和第 三矩陣的微透鏡的平面背向顯示面，以及其中，第一、第二和第三矩陣包括各自的第一、第
二和第三基板。圖8Β是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的光學成像系統(tǒng)中平凸微透鏡矩陣和顯示面的 另一種特定光學布置的示意性表示，其中，第一和第三矩陣的微透鏡的平面面向顯示面，而 第二矩陣的微透鏡的平面背向顯示面，以及其中，第一矩陣包括第一基板，而第二和第三矩 陣包括共享的共用基板。圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的圖像可切換裝置的單色操作模式下的顯示組 件的一種變形的示意性表示，其中，該顯示組件包括空間光調制器-微型顯示器、光引擎和 投影光學系統(tǒng)，該示意性表示還示出了第一平凸微透鏡矩陣。圖IOA是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的圖像可切換裝置的單色操作模式下的顯示 組件的另一變形的示意性表示，其中，該顯示組件包括空間光調制器-微型顯示器、光引 擎、投影光學系統(tǒng)和垂直散射光學組件，以及其中，該垂直散射光學組件是水平取向的圓柱 狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣。該示意性表示還示出光學矩陣組件，所述光學矩陣 組件包括垂直取向的圓柱狀平凸微透鏡的第一、第二和第三柱鏡光柵式透鏡矩陣。圖IOB是圖IOA中所示的顯示組件的變形的俯視圖。圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的圖像可切換裝置的多色操作模式下的顯示組 件的結構的示意性表示，其中，該顯示組件包括第一、第二和第三空間光調制器_微型顯 示器；分別配置用于輻射第一、第二和第三選擇色的光的第一、第二和第三光引擎；用來空 間疊加第一、第二和第三選擇色的疊加光學系統(tǒng)；投影光學系統(tǒng)；以及垂直散射光學組件， 其中，該垂直散射光學組件是水平取向的圓柱狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣。該示 意性表示還示出垂直取向的圓柱狀平凸微透鏡的第一、第二和第三柱鏡光柵式透鏡矩陣。圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的圖像可切換裝置的單色操作模式中的顯示組 件的另一變形的示意性表示，其中，該顯示組件包括空間光調制器(SLM)和投影光學系統(tǒng)， 其中，該投影光學系統(tǒng)是用于圖像傳輸?shù)墓饫w系統(tǒng)，以及其中SLM的成像表面的每個區(qū)域 通過光纖系統(tǒng)的各個光纖光學地耦合到顯示面的各個區(qū)域。該示意性表示還示出平凸微透 鏡的第一矩陣包括第一基板。
具體實施例方式本發(fā)明旨在提供在許多方面具有高功能靈活性和對于多種不同應用的適應性的 可切換光學成像系統(tǒng)和相關3D/2D圖像可切換裝置(3D/2D顯示器)的數(shù)種變形。因此，根 據(jù)某些優(yōu)選實施例，描述和示例說明在此公開的本發(fā)明的光學成像系統(tǒng)和相關裝置，優(yōu)選 實施例包括能夠根據(jù)具體應用在多種不同操作模式中操作的多種不同結構和光學布置。在 多種不同操作模式中，有掃描和非掃描操作模式的幾種改進。本發(fā)明的功能靈活性和適應 性包括諸如如下的方面切換操作模式或結合使用一些操作模式的能力、改變工作參數(shù)和 調節(jié)每個操作模式中的操作特性的能力、圖像縮放和調節(jié)圖像亮度的能力等等。因此以及 根據(jù)本發(fā)明，能夠容易地調節(jié)操作特性，諸如視場中的觀察區(qū)的角大小、方向和數(shù)量，視場 的角大小和深度，以及3D圖像的角圖像分辨率、深度以及選擇2D圖像的動態(tài)范圍?，F(xiàn)在參考附圖，其中，相同的參考數(shù)字表示相同或相應的元件，以及更具體地參 考圖1A-B，根據(jù)各個第一和第二優(yōu)選實施例的本發(fā)明包括可切換光學成像系統(tǒng)1和相關 3D/2D圖像可切換裝置2。3D/2D圖像可切換裝置2(結合光學成像系統(tǒng)1)意圖用來分別在 3D和2D操作模式下在視場中形成物體或場景的3維(3D)圖像的多個透視圖和/或2維 (2D)圖像。如圖IA中最佳所示，本發(fā)明3D/2D圖像可切換裝置2包括顯示組件3、光學成 像系統(tǒng)1 (其中，光學成像系統(tǒng)1進一步包括光學矩陣組件4和包括至少第一和第二驅動器 5、6的位移機構(為簡化起見，在圖IA中未指出)、包括至少第一和第二位置傳感器7、8的 傳感器系統(tǒng)(為簡化起見，在圖IA中未指出)以及控制器9。顯示組件3用來生成2維圖 案以及具有顯示2維圖案的顯示面10。顯示組件3還具有用于更新2維圖案的數(shù)字數(shù)據(jù)輸 入11和同步(控制)輸入12。可切換光學成像系統(tǒng)1變換從顯示組件3的顯示面10發(fā)出的光束20并將變換后 的光束13投影到視場中，由此將視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)(在圖2中示出了一 些觀察區(qū))。這些功能由光學矩陣組件4來實現(xiàn)。如圖IA中最佳所示，光學矩陣組件4包 括會聚微透鏡的第一矩陣14 ；光學耦合到第一矩陣14的微透鏡的會聚微透鏡的第二矩陣 15 ；以及同軸對齊到并剛性地連結到第二矩陣15的微透鏡的會聚微透鏡的第三矩陣16，使 第二矩陣15和第三矩陣16結合定義矩陣復合件(其中，為簡化起見，該矩陣復合件自身在 圖IA中未示出)。在圖1A-1B中將第一矩陣14、第二矩陣15和第三矩陣16分別示為平凸 微透鏡的第一矩陣14、第二矩陣15和第三矩陣16。第一矩陣14和矩陣15、16的復合件分別安裝在位移機構的第一和第二驅動器5， 6上。如圖IA中所示，第一驅動器5被配置用來相對于矩陣15、16的復合件軸向移動第一 矩陣14 (即沿Z軸)。類似地，第二驅動器6被配置用來相對于第一矩陣14水平地移動矩 陣15、16的復合件(即沿X軸)。圖IB進一步示出在圖像可切換裝置2中光學矩陣組件4 的矩陣14、15、16與顯示組件3的顯示面10的相對位置。更具體地說，圖IB示出第一矩陣14的典型平凸微透鏡17ik，具有面向顯示面10的 平面18ik并通過發(fā)出光束20ik沿相應光軸19ik光學地耦合到顯示面10的一相應區(qū)域10ik。 而第二矩陣15和第三矩陣16各自的微透鏡21ik和22ik的平面背向顯示面10 (為簡化起 見，僅在圖IB中示出了微透鏡22ik的平面23ik)。如所示，第二矩陣15和第三矩陣16各自 的微透鏡21ik、22ik光學地耦合、同軸對齊并共享與第一矩陣14的微透鏡17ik的光軸1、平 行的共用光軸24ik。如進一步所示，第一矩陣14和第二矩陣15各自的微透鏡17ik、21ik*
13學地耦合并彼此間隔開第一選擇距離禮。第二矩陣15和第三矩陣16各自的微透鏡21ik、 22ik彼此間隔開第二選擇(預定)距離R2。因此，在該光學布置中，圖IB示出從顯示面10 的一個相應區(qū)域IOik發(fā)出典型光束20ik并由光學成像系統(tǒng)1的第一矩陣14、第二矩陣15和 第三矩陣16各自的平凸微透鏡17ik、21ik、22ik變換成沿軸25ik投影到視場中的偏轉并變換 后的光束13&的路線。根據(jù)上文和再參考圖1A，重要的是要注意，光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的 功能靈活性和適應性基于提供在軸向和橫向上的矩陣或多矩陣移動。結合在此公開的幾種 方案，優(yōu)選地同樣地(equally)應用這種移動。例如，在圖IA所示的優(yōu)選方案中(以及涉及 本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實施例)，位移機構(未示出)的第一驅動器5和第二驅動器6分 別被配置用來相對于矩陣15、16的復合件軸向移動第一矩陣14以及相對于第一矩陣14水 平移動矩陣15、16的復合件。能夠根據(jù)選擇操作模式以多種方式執(zhí)行矩陣或多矩陣移動。在與本發(fā)明的掃描模式實施例有關的掃描操作模式中，第二驅動器6進一步被配 置用來以往復方式執(zhí)行矩陣15、16的復合件的水平移動。該掃描操作模式使得能夠將視場 劃分成多個可調節(jié)觀察區(qū)，使得能夠與視場中的變換后的光束13相一致地掃描這些觀察 區(qū)。如果第一驅動器5還被配置為在該操作模式中執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動以調節(jié)變 換后的光束13的發(fā)散度，那么該掃描操作模式進一步使得在視場中相鄰觀察區(qū)鄰接。多個 觀察區(qū)意圖用來在其中投影(i)在3D操作模式中的特定3D圖像的相應透視圖，或(ii)2D 掃描操作模式中的相同2D圖像。當“相鄰觀察區(qū)鄰接”，或換句話說，“提供相鄰觀察區(qū)的鄰 接”時(在此這些術語類似和同樣地使用)，當從一個觀察區(qū)移到另一個時，觀察者不會在 視覺上感知圖像亮度的變化。在下文中，將參考圖2、3A-3B更詳細地描述相鄰觀察區(qū)的鄰 接。在與本發(fā)明的非掃描模式實施例有關的非掃描操作模式中，單個可調節(jié)觀察(觀 測)區(qū)用來在其中投影特別感興趣的2D圖像。在該操作模式中，第二驅動器6進一步配置 用來執(zhí)行將矩陣15、16的復合件水平移動(沿X軸)第三選擇(預定)距離Δχ，而第一 驅動器5進一步配置用來執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動(沿Z軸)以調節(jié)變換后的光束13 的發(fā)散度。為了提供例如觀察2D圖像的所需等級的機密度(confidentiality)的目的，允 許視場中單個可調節(jié)觀察區(qū)具有選擇觀察方向和選擇角大小。在下文中，將參考圖6A-B、7 更詳細地討論非掃描操作模式。通過改變第一矩陣14和矩陣15、16的復合件沿Z軸的相對位置，手動地切換操 作模式(如在根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的光學成像系統(tǒng)1中)。在下文中，將參考圖 6A-B更詳細地討論。然而，優(yōu)選在控制器9的幫助下切換操作模式。為了切換操作模式或 結合使用操作模式，控制矩陣或多個矩陣移動的工作參數(shù)以及調節(jié)每個操作模式中的操作 特性，圖像可切換裝置中的第一驅動器5和第二驅動器6具有各自的控制輸入26和27，該 控制輸入26和27分別是位移機構的第一和第二控制輸入。通過意圖用于確定(檢測)第 一矩陣14和矩陣15、16的復合件分別在軸向和水平方向上的相對位置的傳感器系統(tǒng)的第 一和第二位置傳感器7、8，執(zhí)行矩陣或多個矩陣移動的工作參數(shù)控制。第一和第二位置傳感 器7、8具有各自的數(shù)據(jù)輸出28和29，該數(shù)據(jù)輸出28和29分別是傳感器系統(tǒng)的第一和第二 數(shù)據(jù)輸出。控制器9通常被用于切換操作模式、控制每一操作模式中的矩陣或多個矩陣移動
14的工作參數(shù)以及用于使得利用顯示組件生成2維圖案與矩陣或多個矩陣移動同步?？刂破?9具有至少第一和第二數(shù)據(jù)輸入30、31 ；同步輸出33 ；和至少第一和第二控制輸出34、35。 控制器9的第一和第二數(shù)據(jù)輸入30、31分別被連接到傳感器系統(tǒng)中的第一和第二位置傳感 器7、8各自的數(shù)據(jù)輸出28、29?？刂破?的同步輸出33連接到顯示組件3的同步(控制) 輸入12。另外，控制器9的第一和第二控制輸出34、35分別被連接到位移機構中的驅動器 5、6各自的控制輸入26、27。計算機36是3D/2D圖像可切換裝置2的輔助組件(根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施 例)，為此，圖IA中將它示為在用被虛線環(huán)繞的框內。計算機36能用作主控制器，用于選 擇或改變操作模式或通過生成各個命令信號并傳送到控制器9來形成新的操作模式，以及 用于通過將與新的2維圖案有關的數(shù)據(jù)傳送到顯示組件3來更新2維圖案。為執(zhí)行這些功 能，計算機36具有控制命令輸出(在圖IA中未示出)和連接到顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入11 的數(shù)據(jù)輸出(在圖IA中未示出)，而控制器9進一步具有連接到計算機36的控制命令輸出 的控制命令輸入32。根據(jù)上文和再次參考圖1A，可切換光學成像系統(tǒng)1(根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施 例)意圖用來變換從顯示2維圖案的顯示面10發(fā)出的光束20并用來在視場中投影變換 后的光束13，由此將視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)(如在圖2、3A-B、6A-B和7中所 示)°如圖IA-B中最佳所示，光學成像系統(tǒng)1包括會聚微透鏡17的第一矩陣14，其中 每個微透鏡17ik沿各自光軸19ik光學地耦合到顯示面10的一個相應區(qū)域IOik ；會聚微透鏡 21的第二矩陣15，所述會聚微透鏡21光學地耦合到第一矩陣14的微透鏡17 ；會聚微透鏡 22的第三矩陣16，所述會聚微透鏡22同軸對齊并剛性地連結到第二矩陣15的微透鏡21， 使第二矩陣15和第三矩陣15結合定義矩陣復合件；以及位移機構(未示出)，用于相對于 彼此軸向地移動第一矩陣14或矩陣15、16的復合件，以及用于相對于彼此橫向地移動第一 矩陣14或矩陣15、16的復合件。另外，如在前所述和圖IA中最佳所示，使用可切換光學成像系統(tǒng)1的3D/2D圖像 可切換裝置2意圖用來分別在3D和2D操作模式中形成視場中的物體或場景的3維圖像的 多個透視圖和/或2維圖像。圖像可切換裝置2包括顯示組件3，用于生成2維圖案，該 顯示組件3具有用于更新2維圖案的數(shù)據(jù)輸入11、同步輸入12和用于顯示2維圖案的顯示 面10 ；可切換光學成像系統(tǒng)1，用于變換從顯示面10發(fā)出的光束20，以及用于在視場中投 影變換后的光束13，由此將視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)(如圖2、3A-B、6A-B和7 中所示)，包括會聚微透鏡17的第一矩陣14，其中每個微透鏡17ik沿各自光軸19ik光學地 耦合到顯示面10的一個相應區(qū)域IOik ；會聚微透鏡21的第二矩陣15，所述會聚微透鏡21 光學地耦合到第一矩陣14的微透鏡17 ；會聚微透鏡22的第三矩陣16，所述會聚微透鏡22 同軸對齊并剛性地連結(連結或連接)到第二矩陣16的微透鏡21，使第二矩陣15和第三 矩陣16結合定義矩陣復合件；以及位移機構(未示出)，用于相對于彼此軸向地移動第一 矩陣14或矩陣15、16的復合件，以及用于相對于彼此橫向地移動第一矩陣14或矩陣15、 16的復合件，該位移機構具有至少第一和第二控制輸入26、27 ；傳感器系統(tǒng)，用于檢測第一 矩陣14和矩陣15、16的復合件在軸向和橫向上的相對位置，該傳感器系統(tǒng)具有至少第一和 第二數(shù)據(jù)輸出28、29 ；以及控制器9，用于切換操作模式，控制在每個操作模式中的矩陣或
15多個矩陣移動的工作參數(shù)，以及用于使得利用顯示組件3生成2維圖案與矩陣或多個矩陣 移動同步，該控制器具有(i)至少第一和第二數(shù)據(jù)輸入30、31，控制器9的第一和第二數(shù)據(jù) 輸入30、31分別連接到傳感器系統(tǒng)的第一和第二數(shù)據(jù)輸出28、29，(ii)同步輸出33，連接 到顯示組件3的同步輸入12;以及(iii)至少第一和第二控制輸出34、35，控制器9的第一 和第二控制輸出34、35分別連接到位移機構的第一和第二控制輸入26、27。如前所提到的，能夠利用與在圖IA中所示的優(yōu)選方案不同的方式來能提供軸向 和橫向(例如水平)方向上的矩陣或多個矩陣移動。因此，在一個替代方案中，第一矩陣14 安裝在組合驅動器(圖IA中未示出)上，該組合驅動器是位移機構(未示出)的第一和第 二驅動器5、6的組合，由此形成如在現(xiàn)有技術中已知的雙軸(X/Z)驅動器。在一個替代方 案中，第一和第二驅動器5、6分別配置用來相對于矩陣15、16的復合件軸向(沿Z軸)和 水平(沿X軸)移動第一矩陣14。在一個或多個替代方案中，矩陣15、16的復合件安裝在 組合驅動器上，該組合驅動器是位移機構的第一和第二驅動器5、6的組合并形成雙軸(X/ Z)驅動器。在一個或多個替代方案中，第一和第二驅動器5、6分別配置用來相對于第一矩 陣軸向(沿Z軸)和水平(沿X軸)移動矩陣15、16的復合件。在另一替代方案中，矩陣 15、16的復合件和第一矩陣14分別安裝在位移機構的第一和第二驅動器5、6上。第一和第 二驅動器5、6分別配置用來相對于第一矩陣14軸向(沿Z軸)地移動矩陣15、16的復合 件以及相對于矩陣15、16的復合件水平(沿X軸)地移動第一矩陣14。在有關光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的所有替代方案中(根據(jù)本發(fā)明的各 個替代實施例)，能夠以往復方式執(zhí)行相對于彼此的水平方向中的矩陣或多個矩陣移動。與 有關優(yōu)選方案的掃描操作模式相同，這種往復移動使得能夠將視場劃分成多個可調節(jié)觀察 區(qū)以及使得能夠在視場中與變換后的光束13 —致地掃描這些觀察區(qū)。此外，在所有替代方 案中，與在圖IA中所示的優(yōu)選方案類似，相對于彼此的軸向中的矩陣或多個矩陣移動通過 調節(jié)變換后的光束13的發(fā)散度，使得視場中的相鄰觀察區(qū)鄰接。因此，當比較替代和優(yōu)選方案中執(zhí)行的矩陣或矩陣移動時，對本領域的技術人員 而言，改變第一矩陣14和矩陣15、16的復合件在軸向和橫向方向中相對于彼此的相對位置 的重要性是顯而易見的(而不是它們中的哪一個，第一矩陣14或矩陣15、16的復合件，被 實際移動)。在描述位移機構的一般功能時反映了這種情形，位移機構的一般功能意圖用于 相對于彼此軸向移動第一矩陣14或矩陣15、16的復合件以及用于相對于彼此橫向移動第 一矩陣14或矩陣15、16的復合件。為此，根據(jù)優(yōu)選方案的說明，能理解到根據(jù)本發(fā)明的替 代實施例的替代方案的重要性。換句話說，與本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實施例有關的優(yōu)選 方案是用于解釋它們的本質和特性的替代實施例的典型方案。后者還表示替代實施例的典 型還是與優(yōu)選方案有關的掃描和非掃描操作模式的解釋，特別是參考圖2、3A-B在下文中 所述的相鄰觀察區(qū)的鄰接的解釋。應注意到在許多方面中光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的功能靈活性和適應 性是基于調節(jié)變換后的光束13的發(fā)散度(見圖1A)。因此，在3D和2D掃描操作模式中， 都允許提供視場中相鄰觀察區(qū)的鄰接，由此在這些模式中實現(xiàn)本發(fā)明的主要思想。在此參 考圖2對該方面進行討論，其示出了光學成像系統(tǒng)1的具體結構的三維示意性圖示。在圖 2中，通過垂直取向(沿Y軸)的平凸微透鏡的第一、第二和第三柱鏡光柵式透鏡矩陣14、 15、16，表示該光學矩陣組件4。以及由此，當?shù)诙寗悠?以往復方式相對于第一矩陣14執(zhí)行矩陣15、16的復合件的水平移動(沿X軸)時，在水平(XZ)平面中設置多個可調節(jié)觀 察區(qū)。例如，在圖2中示出了在X方向中布置的相鄰觀察區(qū)37(i+1)k(虛線)、37ik(實線)和 37(i_1)k(虛線)。在第一驅動器5的幫助下，通過相對于矩陣15、16的復合件軸向移動第一 矩陣14(沿Z軸)，能調節(jié)典型觀察區(qū)37ik的角大小。具有偏差量ΔΖ的第一矩陣14的位 置對應于相鄰觀察區(qū)37的鄰接并指定典型觀察區(qū)37ik的角大小φ。而具有沿X軸的偏差量 Δχ的矩陣15、16的復合件的位置對應于變換后的光束13ik(見圖1B)的共用光軸24ik和 軸25ik之間的角度θ并指定典型觀察區(qū)3711;的方向。其他的可調節(jié)觀察區(qū)37具有相同的 角大小φ。當提供相鄰觀察區(qū)37的鄰接時，如圖2中所示，通過表達式ψ=Νφ來指定水平 (XZ)面中的視場的角大小Ψ，其中，N是觀察區(qū)37的數(shù)量。例如，如果(P=Pj^N = SOjg 夠提供角大小Ψ =30°。在3D操作模式中，與變換后的光束13—致地掃描所有這些觀察 區(qū)37，以致分別地在其中投影特定3D圖像的多個透視圖。由此，觀察者能夠沒有暗空間或 重疊地看到這些透視圖，換句話說意味著當從一個觀察區(qū)移動到另一個觀察區(qū)時不會在視 覺上感知到圖像亮度的變化。這使得觀察者能夠無失真地看到更好質量的該特定3D圖像。另外，應注意到，由于光學矩陣組件4的該特定結構，該3D圖像僅具有水平視差。 當在光學成像系統(tǒng)1中使用球面微透鏡的矩陣14、15、16來代替圖2中所示的柱鏡光柵式 透鏡矩陣14、15、16時，觀察者能在視覺上感知觀察為具有全視差的3D圖像。對該光學矩 陣組件4的該特定結構，恰如上參考圖IA所述，在第一驅動器5的幫助下，通過相對于球面 微透鏡矩陣15、16的復合件軸向移動球面微透鏡的第一矩陣14(沿Z軸)，能在兩個橫向中 (即沿X軸和Y軸)提供相鄰觀察區(qū)的鄰接。用于光學矩陣組件4的該特定結構的掃描過 程要求位移機構具有第三驅動器(圖1中未示出)，所述第三驅動器被配置用來(i)相對于 球面微透鏡矩陣15、16的復合件，垂直地移動球面微透鏡的第一矩陣14 ；或(ii)相對于球 面微透鏡的第一矩陣14，垂直地移動球面微透鏡矩陣15、16的復合件。與上述第一和第二 驅動器5、6相同，第三驅動器具有控制輸入，該控制輸入是位移機構的第三控制輸入。能夠 使用本領域已知的任何方式在水平和垂直方向中布置視場中的觀察區(qū)的掃描過程。在該過 程中，第二驅動器6以往復方式執(zhí)行矩陣15、16的復合件的水平移動以便提供水平掃描，而 第三驅動器執(zhí)行第一矩陣14的垂直移動以便提供垂直掃描?？刂破?具有連接到位移機 構的第三控制輸入的第三控制輸出，并被配置用來控制第三驅動器動作和另外使例如第一 矩陣14的垂直移動與矩陣15、16的復合件的水平往復移動同步。將參考圖3A-B，進一步描述在相鄰觀察區(qū)的鄰接方面中的本發(fā)明的掃描模式實施 例的特性。它們中的每一個是從顯示面10的兩個分別區(qū)域IOil^n IOim發(fā)出并由圖IA的光 學成像系統(tǒng)1投影到視場中的典型光束(未示出)的三維圖示。視場利用與顯示面10相距 特定距離處的它的矩形截面圖38 (虛線)來圖形表示，并且它在水平(XZ)面中的角大小為 Ψ。在掃描操作模式中(例如在3D操作模式中)，將視場劃分成多個可調節(jié)觀察區(qū)以在其 中投影3D圖像的透視圖。所述典型的光束在XZ面中具有小的水平發(fā)散度(未示出)和角 度ξ的增大的垂直發(fā)散度(沿Y軸)，用于擴大視場的垂直大小，在下文中將參考圖10Α-Β 描述。由此，如在圖3Α-Β中所示，對各種透視圖，來自區(qū)域1(^和IOim的所述典型光束在橫 截面38上的投影(例如39iki，39_)在垂直方向上是細長的。對這些投影39_，3%胃，各個 區(qū)域的位置用顯示面10上的行序數(shù)i(i = L···!!)和列序數(shù)k(k = Ρ··πι)來指定，其中，q
17是特定透視圖的序數(shù)(q= 1…N)。因此，當XZ面中的光束的發(fā)散度相對小時，觀察者能看 出由圖3A中所示的投影39iki與39iki+1或39一與39im(1+1間的間隙表示的、相鄰透視圖(相 應的可調節(jié)觀察區(qū)37)間的間隙。通過如上參考圖IA所述適當?shù)卣{節(jié)光束13的發(fā)散度， 如在圖3B中所示對同樣的光束投影39_與39iki+1或39一與39_+1提供相鄰透視圖(相應 可調節(jié)觀察區(qū)37)的所述鄰接。在根據(jù)本發(fā)明的掃描模式實施例的2D掃描操作模式中，在每個觀察區(qū)37中投影 相同的2D圖像。當提供相鄰觀察區(qū)37的鄰接時，如在3D操作模式中那樣，當從一個觀察區(qū) 移動到另一個觀察區(qū)時，觀察者能看到特定2D圖像而在視覺上感知不到圖像亮度的改變， 以及在2D模式中重要的，在視覺上感知不到任何透視失真。此外，投影的2D圖像的分辨率 具有與在特定3D圖像的透視圖中相同的水平，并本質上受所使用的顯示組件3的分辨率限 制。應進一步注意到，在一些方面中的光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的功能靈 活性和適應性基于改變可調節(jié)觀察區(qū)37的數(shù)量。物體或場景的深度越大，則在視場中使用 的可調節(jié)觀察區(qū)37(或3D操作模式中的透視圖)的數(shù)量應當更多以便再現(xiàn)它的空間特性。 另一方面，當增加可調節(jié)觀察區(qū)37的數(shù)量并在視場的特定角大小Ψ中保持相鄰觀察區(qū)鄰 接時，減小每個觀察區(qū)37的角大小φ，即角分辨率變得更高。由此，可以通過改變可調節(jié)觀 察區(qū)37的數(shù)量來調節(jié)3D圖像的深度和角分辨率。能夠根據(jù)不同應用以類似的方式調節(jié)視 場的深度和角大小Ψ。應注意到，增加角分辨率不會減小3D和2D掃描操作模式中的圖像 分辨率。因此，在一些應用中(例如在醫(yī)療應用中)，形成具有高角分辨率的3D圖像很重 要。在諸如廣告的應用中，優(yōu)選高圖像亮度和寬視場。在要對不止一個人同時提供相同視覺 信息的那些應用中，寬和/或深的視場是必要的。在這些應用中，應當使用大量的透視圖。此外，根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例，可調節(jié)觀察區(qū)37(或3D操作模式中的透視 圖)的數(shù)量最終受將用在圖像可切換裝置2中的顯示組件3的幀頻R限制。幀頻R應當滿 足要求R>Nf，其中，f是眼睛的臨界頻率(通常約或大于30Hz)。因此，幀頻R越高(意 味著顯示組件3的更高吞吐量)，能使用更多透視圖以形成具有更高質量的3D圖像。另一 方面，用在3D操作模式中的顯示組件3的吞吐量越高，通過增加透視圖的數(shù)量能獲得視場 的更大角大小和深度。在與上述圖像可切換裝置2(根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例或替代實施例)的任 何方案(優(yōu)選或替代)有關的掃描操作模式中，利用顯示組件3生成2維圖案應當與矩陣 或多個矩陣移動同步，或者換句話說應當與掃描多個觀察區(qū)37的過程同步，以便在各個觀 察區(qū)37中投影3D操作模式中的特定3D圖像的每個透視圖或2D掃描操作模式中的相同2D 圖像。在所述方案的每一個中，利用控制器9(見圖1A)執(zhí)行該同步。例如，在優(yōu)選方案中， 控制器9使在顯示組件3的顯示面10上顯示2維圖案的時刻與矩陣15、16的復合件相對 于第一矩陣14在水平方向(沿X軸)上的相應位置同步?？刂破?使用來自第一和第二 位置傳感器7、8的數(shù)據(jù)輸出28、29的信號進行所述同步?？刂破?還用于切換操作模式。將圖像可切換裝置2的功能靈活性和適應性的一個或多個方面(根據(jù)本發(fā)明的掃 描模式實施例)與結合使用操作模式來滿足一些特定應用中的需求相關聯(lián)。因此，在與圖 像可切換裝置2 (如圖IA所示)的優(yōu)選方案有關的掃描操作模式的一種改進中，第二驅動
18器6進一步配置用來相對于第一選擇位置(例如位置X = O)執(zhí)行第二矩陣15、16的復合 件的水平(沿X軸)往復移動，此處第二矩陣15的微透鏡與第一矩陣14的微透鏡同軸對 齊。而第一驅動器5進一步配置用來以往復方式相對于第二選擇(預定)位置Ztl執(zhí)行第 一矩陣14的軸向移動(沿Z軸)，此處在視場中相鄰觀察區(qū)37是鄰接的?？刂破?被配置 用來控制第一和第二驅動器5、6的動作以及另外使得第一矩陣14的軸向往復移動與矩陣 15,16的復合件的水平往復移動同步，如圖4A-B中所示。因此在選擇時間周期上在圖4A中示出了矩陣15、16的復合件的水平移動的時序 圖。振幅Ax和周期Tx是該水平移動的工作參數(shù)?？刂破?被配置用來調節(jié)峰-峰振幅 Ax，以便它優(yōu)選受相應矩陣(在該方案中受第二矩陣15)的微透鏡的孔徑限制。實際上，該 限制也能應用于任何替代方案。在相同的選擇時間周期上，在圖4B中示出了具有周期Tz =Tx/2和振幅Az作為工作參數(shù)的第一矩陣14的軸向移動的時序圖。進一步利用控制器 9調節(jié)軸向移動的振幅Αζ，以便該振幅Az由第二矩陣15的微透鏡的曲率半徑來確定。相對于上述方案該改進允許提高在可調節(jié)觀察區(qū)37中所投影的透視圖或相同2D 圖像的質量。這通過在第一矩陣14與矩陣15、16的復合件相對于彼此的水平往復移動期 間減小它們之間的光路的變化來說明。在與圖像可切換裝置2的另一替代方案有關的掃描操作模式的其他改進中，能獲 得相同的結果。在該改進中，第二驅動器6被配置用來相對于第一選擇位置執(zhí)行第一矩陣 14的水平往復移動，而第一驅動器5則配置用來相對于第二選擇位置Ztl執(zhí)行矩陣15、16的 復合件的軸向往復移動。在一些特定應用中，同時觀看3D圖像和2D圖像很重要。在與圖像可切換裝置2 的優(yōu)選或替代方案有關的掃描操作模式中，通過同時地執(zhí)行3D操作模式和2D掃描操作模 式是可能的。在本發(fā)明的該特定掃描模式實施例中，第二驅動器6被配置用來以往復方式 執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動，以便在視場中與變換后的光束13 —致地掃描多個可調節(jié) 觀察區(qū)37。而控制器9配置用來控制第二驅動器6動作和使得利用顯示組件3生成2維圖 案的序列與矩陣或多個矩陣水平移動同步，以便要在一個觀察區(qū)37中投影的每個2維圖案 包含相應透視圖和選擇2D圖像的疊加。結合使用3D和2D掃描操作模式的特性是3D圖像 和選擇2D圖像具有相同高圖像分辨率的事實。在與上述的光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的優(yōu)選或替代方案有關的掃描 操作模式(或其改進)中，使第一矩陣14或矩陣15、16的復合件相對于彼此在軸向(沿Z 軸)上移動選擇距離并保持在選擇位置上(或相對于該選擇位置執(zhí)行軸向往復移動)，提 供視場中的相鄰觀察區(qū)的鄰接。能夠在成為光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的功能靈 活性和適應性的另一方面的微透鏡的矩陣14、15、16的各種光學布置中實現(xiàn)該結果。在圖 5A、B、C中示出了根據(jù)本發(fā)明的掃描模式實施例的矩陣14、15、16的一些光學布置的示意性 圖示，其中，第一矩陣14的微透鏡具有第一焦距F1,以及第二矩陣15的微透鏡具有第二焦 距F2。因此，在如圖5A所示的一種光學布置中，第二矩陣15與第一矩陣間隔開第一選擇 距離R1,以致F1 < R1 < 2Fi;以及第三矩陣16與第二矩陣15間隔開第二距離R2,并位于第 二矩陣15的微透鏡的后聚焦區(qū)域內。在如圖5B所示的另一光學布置中，第二矩陣15與第 一矩陣14間隔開第一選擇距離R1,以致(F^F2) < R1 < F1，以及第三矩陣16與第二矩陣15
19間隔開第二選擇距離R2并位于第二矩陣15的微透鏡的后聚焦區(qū)域中。而在圖5C中所示的另一光學布置中，第二矩陣15與第一矩陣14間隔開第一選擇 距離R1,并位于第一矩陣14的微透鏡的后聚焦區(qū)域中，以及第三矩陣16與第二矩陣15間 隔開第二選擇距離R2,以致R2 < F2。如果在相應的光學布置中，第二矩陣15在第一矩陣14的微透鏡的焦平面外(但 在后聚焦區(qū)域內)，光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2的操作特性不會顯著地改變。另 一方面，使得能夠消減或基本上減小光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2對于矩陣或多個 矩陣移動的不準確的靈敏度。此外，能通過使用具有不同焦距的微透鏡的第一、第二和第三 矩陣14、15、16，實現(xiàn)靈敏度的降低。通過使用具有平坦基板的矩陣，也能實現(xiàn)類似的結果。 因此，平凸微透鏡的第一矩陣14、第二矩陣15和第三矩陣16可以具有各自的第一、第二和 第三基板，每一基板是具有與相應矩陣的微透鏡的平面的光學接觸的平的透明板(更詳細 地參考圖8A)。在非掃描操作模式中，光學成像系統(tǒng)1意圖用來選擇視場中的單個可調節(jié)觀察區(qū) 的觀察方向和角大小，并意圖用于在其中投影感興趣的2D圖像。與上述詳細所述的掃描操 作模式類似，這種選擇能在微透鏡的矩陣的一些光學布置中實現(xiàn)。例如，圖6A-B、7示意性 地表示根據(jù)本發(fā)明的非掃描模式實施例的光學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2中的會聚微 透鏡的矩陣的一些光學布置。如所示，第一矩陣14或矩陣15、16的復合件相對于彼此在軸 向上(沿Z軸)移動，用于調節(jié)變換后的光束13的發(fā)散度，以便單個可調節(jié)觀察區(qū)具有視 場(角大小Ψ)中的選擇角度大小φ。另一方面，如圖7所示，矩陣15、16的復合件或第一矩 陣14在水平方向上(沿X軸)彼此移動第三選擇距離ΔΧ，用于調節(jié)變換后的光束3的方 向，以便單個可調節(jié)觀察(觀測)區(qū)具有視場(角大小Ψ)中的選擇觀察方向(由角度θ 表示)。在一些特定應用中有利的是，在2D非掃描操作模式中選擇觀察(觀測)區(qū)的角大 小屮和觀察方向(角度Θ)以便提供觀察感興趣的2D圖像的所需水平的機密度。在圖6Α-Β的光學布置中，第一矩陣14的微透鏡具有第一焦距F1,以及第二矩陣15 的微透鏡具有第二焦距F2。矩陣15、16的復合件被保持在水平方向上相對于第一矩陣14 的選擇位置處，例如，保持在第二矩陣15的微透鏡與第一矩陣14的微透鏡共軸對齊(X = 0)的位置上。另外，在圖6A所示的一個光學布置中，第二矩陣15與第一矩陣14間隔開第一選 擇距離R1，以便0 < R1 < F10在圖6B所示的另一光學布置中，第二矩陣15與第一矩陣14間隔開第一選擇距離 R1,以便 F1 < R1 彡 2F10如圖6A_B、7中對于非掃描操作模式所示，示出了典型光束20ik利用矩陣14、15、 16變換成光束13ik，該光束13ik如圖6A-B所示沿它們的微透鏡的共用光軸(未示出)，或 沿與矩陣15、16的復合件的微透鏡的共用光軸24ik成角度θ的偏轉光軸25ik，投影到視場 中。如在根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的光學成像系統(tǒng)1中在手動控制的第一驅動 器5和第二驅動器6的幫助下，或如在根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的圖像可切換裝置2 中在控制器9的幫助下，能提供觀察區(qū)的選擇角大小φ和觀察方向(角度Θ)。為了在調節(jié) 單個觀察區(qū)的大小φ和觀察方向(角度Θ)的方面實現(xiàn)圖像可切換裝置2的功能靈活性和
20適應性，控制器9被配置用來控制第一驅動器5和第二驅動器6的動作。在非掃描操作模式中重要的是，通過增加2D圖像的動態(tài)范圍并同時保持其最高 分辨率能提高該2D圖像的質量。該分辨率實質上由所使用的顯示組件3的分辨率來確定。 特別地，通過使用與在3D操作模式或2D掃描操作模式中提供單個觀察區(qū)中投影的每個2 維圖案的擴展范圍的圖像亮度(照度)的顯示組件相同的顯示組件3 (具有高吞吐量)，實 現(xiàn)該提高。特別感興趣地注意到，在此更詳細公開的本發(fā)明的優(yōu)選和替代實施例的本質和特 性不取決于在光學成像系統(tǒng)1的所述光學矩陣組件4中使用的會聚微透鏡的類型。會聚微 透鏡的第一、第二和第三矩陣14、15、16能夠分別是它們的微透鏡間具有各自的第一、第二 和第三間距的平凸微透鏡的第一、第二和第三矩陣，其中，第一、第二和第三間距是相同的。 當水平視差看來足夠用于觀測特定3D圖像時，這些矩陣14、15、16能夠分別是它們的垂直 取向的圓柱狀微透鏡第一、第二和第三柱鏡光柵式透鏡矩陣，如上述參考圖2所述。另外， 當對在視覺上感知觀測為具有全視差的3D圖像特別感興趣時，矩陣14、15、16可以分別是 球面微透鏡的第一、第二和第三矩陣。矩陣14、15和16的每一個也能夠制成凹或柱鏡光柵 式微透鏡的矩陣。進一步，第一、第二和第三矩陣14、15、16的微透鏡分別具有第一、第二和 第三焦距，以及通常第一、第二和第三焦距相同。另一方面，如前所述，如果例如需要降低光 學成像系統(tǒng)1和圖像可切換裝置2對于矩陣或多個矩陣移動的不準確的靈敏度，則第一、第 二和第三焦距能夠不同。平凸微透鏡的第一、第二和第三矩陣14、15、16可以分別具有第一、第二和第三基 板40、41、42，且每個基板是具有與各自矩陣的微透鏡的平面的光學接觸的平的透明板(見 圖8A)。在圖8A中，第一矩陣14的微透鏡的平面面向顯示組件3的顯示面10，而第二和第 三矩陣15、16的微透鏡的平面背向顯示面10。另一方面，如圖8B所示，能使第一矩陣14和 第三矩陣16的微透鏡的平面面向顯示面10，而使第二矩陣15的微透鏡的平面背向顯示面 10。在這一點上，優(yōu)選平凸微透鏡的第二和第三矩陣15、16具有共用基板43，該共用基板 43是平的透明板，該透明板的相對側分別面向和背向顯示面10并分別具有與第三和第二 矩陣16、15的微透鏡的平面的光學接觸。圖像可切換裝置2的功能靈活性和適應性允許使用不同類型的顯示組件和根據(jù) 本發(fā)明的另一實施例的它的結構的各種變形。顯示組件3通常意圖用于生成在它的表面10 上顯示的2維圖案(見圖1A)，以及可以包括空間光調制器(SLM)。在這種類型的顯示組件 3中，發(fā)光二極管矩陣(LED矩陣)能用作SLM。在圖9、10A、12中示出了單色操作模式中的顯示組件3的幾種變形的示意性表 示。如圖9所示，顯示組件3的一種變形包括空間光調制器-微型顯示器(SLM微型顯示 器)44，具有微型顯示面45、(數(shù)字)數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，該SLM微型顯示器44的該數(shù)據(jù) 輸入和控制輸入分別是顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入11和同步輸入12 ；光引擎46，光學地耦合到 微型顯示面45 ；以及投影光學系統(tǒng)47，光學地耦合到微型顯示面45并具有輸出面，該輸出 面是顯示組件3的顯示面10。SLM微型顯示器44能實現(xiàn)為例如微鏡矩陣顯示器(MEMS技術)。投影光學系統(tǒng)47能是遠視或遠心的，并提供微型顯示面45與平凸微透鏡的第一 矩陣14的匹配大小(比例)(也在圖9中示出)。投影光學系統(tǒng)47使得能夠進行圖像縮放
21并因此形成大尺寸的3D圖像。在圖10A-B中示出了單色操作模式中的顯示組件3的另一變形。當?shù)谝弧⒌诙?第三矩陣14、15、16分別是它們的垂直取向(沿Y軸)的圓柱狀平凸微透鏡第一、第二和第 三柱鏡光柵式透鏡矩陣時，該變形很重要并包括空間光調制器-微型顯示器(SLM微型顯 示器)44，具有微型顯示面45、(數(shù)字)數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，該SLM微型顯示器44的數(shù)據(jù) 輸入和控制輸入分別是顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入和同步輸入12 ；光學地耦合到微型顯示面45 的光引擎46 ；投影光學系統(tǒng)47，光學地耦合到微型顯示面45并具有輸出面；以及垂直散射 光學組件48，光學地耦合到投影光學系統(tǒng)47的輸出面并具有輸出面，該垂直散射光學組件 48的輸出面是顯示組件3的顯示面10。如在圖IOB中更好地所示，圖IOB是圖IOA中所示的顯示組件3的俯視圖，能將垂 直散射光學組件48實現(xiàn)為水平取向的圓柱狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣。光學組 件48使得能夠增加光束的垂直發(fā)散度(具有圖3A-3B中的角度ξ )，并因此(沿Y軸)擴 大視場的垂直大小。由于在垂直方向中擴大了圖像的大小，提供用于觀測圖像的改進條件。 也能將垂直散射光學組件48實現(xiàn)為具有全息散射元件的光學層。單色操作模式中的顯示組件3的又一個變形包括空間光調制器(SLM)，具有成像 面、數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，該SLM的數(shù)據(jù)輸入和控制輸入分別是顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入11 和同步輸入12 ；以及投影光學系統(tǒng)，光學地耦合到SLM的成像面并具有輸出面，該輸出面是 顯示組件3的顯示面10。能將發(fā)光二極管矩陣(LED矩陣)用作該種類型的顯示組件3中 的 SLM。在單色操作模式中的顯示組件3的另一變形包括(如圖12中所示)空間光調制 器(SLM) 50，具有成像面51、數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，該SLM 50的數(shù)據(jù)輸入和控制輸入分別是 顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入11和同步輸入12 ；以及投影光學系統(tǒng)52，光學地耦合到SLM 50的 成像面51并具有輸出面，該輸出面是顯示組件3的顯示面10。SLM 50能實現(xiàn)為發(fā)光二極 管矩陣(LED矩陣)。而這種類型的顯示組件3中的投影光學系統(tǒng)52能實現(xiàn)為用于圖像傳 輸?shù)墓饫w系統(tǒng)，包括多個光纖53，其中，SLM 50的成像面51的每個區(qū)域51ik通過光纖系統(tǒng) 的相應光纖53ik，光學地耦合到顯示組件3的顯示面10的一個相應區(qū)域10ik。在圖11中示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的圖像可切換裝置2的多色操作模式 中的顯示組件3的結構的示意性表示。該多色顯示組件3包括第一、第二和第三空間光調 制器_微型顯示器44-1、44-2、44-3 ；分別配置用來輻射第一、第二和第三選擇顏色的光的 第一、第二和第三光引擎46-1、46-2、46-3 ；疊加光學系統(tǒng)49，配置用來空間地疊加第一、第 二和第三選擇顏色；投影光學系統(tǒng)47 ；以及垂直散射光學組件48。為了簡化，多色顯示組件3的進一步描述被限制為就像它的結構僅包括具有各自 的微型顯示面、數(shù)據(jù)輸入、控制輸入(在圖11中未示出)的第一和第二空間光調制器-微 型顯示器(SLM微型顯示器)44-1、44-2和光引擎46_1、46_2。當然，應理解到當使用前述變形和下述一個變形的描述時，對本領域的普通技術 人員來說，具有三個或更多SLM微型顯示器的多色顯示組件的描述將是顯而易見的。第一 和第二 SLM微型顯示器44-1、44-2包括連接在一起的第一和第二數(shù)據(jù)輸入以及連接在一 起的第一和第二控制輸入，分別是顯示組件3的數(shù)據(jù)輸入11和同步輸入12 ；第一和第二光 引擎46-1、46-2，該第一光引擎46-1光學地耦合到第一 SLM微型顯示器44-1的第一微型顯
22示面并配置用來輻射第一選擇顏色的光，該第二光引擎46-2光學地耦合到第二 SLM微型顯 示器44-2的第二微型顯示面并用來輻射第二選擇顏色的光。疊加光學系統(tǒng)49被配置用來空間疊加至少第一和第二選擇顏色并具有至少第一 和第二光學輸入和光學輸出。疊加光學系統(tǒng)49能是任何已知這種類型，并具有例如以特定 角度傾向投影光學系統(tǒng)47的軸并且分別光學耦合到它的第一和第二光學輸入以及它的光 學輸出的至少第一和第二分色鏡(在圖11中未示出)。疊加光學系統(tǒng)49的第一和第二光 學輸入分別光學地耦合到第一 SLM微型顯示器44-1的第一微型顯示面和第二 SLM微型顯 示器44-2的第二微型顯示面。投影光學系統(tǒng)47光學地耦合到疊加光學系統(tǒng)49的光學輸出 并具有輸出面。垂直散射光學組件48光學地耦合到投影光學系統(tǒng)47的輸出面并具有輸出 面，垂直散射光學組件48的輸出面是顯示組件3的顯示面10。如果第一、第二和第三矩陣 14、15、16是垂直取向的圓柱狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣，能將垂直散射光學組件 48實現(xiàn)為水平取向的圓柱狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣?？汕袚Q光學成像系統(tǒng)操作如下。根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的可切換光學成像 系統(tǒng)1的用戶選擇要使用的操作模式，并在位移機構的第一和第二驅動器5、6的幫助下設 置選擇模式，以提供會聚微透鏡的第一矩陣14軸向地和會聚微透鏡的矩陣15、16的復合件 橫向地相對于彼此的相應移動。如圖IA所示，通過矩陣14、15和16將從顯示面10 (顯示2 維圖案)發(fā)出的光束20變換成光束13。在視場中投影的變換后的光束13，由此將視場劃 分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)(在圖2中示出了一些觀察區(qū)37)。在掃描操作模式中，第二驅動器6被配置用來以往復方式執(zhí)行矩陣15、16的復合 件的水平移動。在該操作模式中，視場被劃分成在視場中與變換后的光束13—致地掃描的 多個可調節(jié)觀察區(qū)。而第一驅動器5被配置用來執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動以調節(jié)變換 后的光束13的發(fā)散度，和配置用于由此提供視場中鄰接的相鄰觀察區(qū)37。多個觀察區(qū)意圖 用于(i)在3D操作模式中在其中投影特定3D圖像的相應透視圖；或(ii)在2D掃描操作 模式中在其中投影相同的2D圖像。當相鄰觀察區(qū)37是鄰接的時，當從一個觀察區(qū)移動到 另一個觀察區(qū)，例如從區(qū)37ik移動至區(qū)37(i+1)k或37(i_1)k(見圖2)，觀察者不會在視覺上感 知到圖像亮度的變化。在非掃描操作模式中，單個可調節(jié)觀察(觀測)區(qū)用于在其中投影特別感興趣的 2D圖像。在該操作模式中，第二驅動器6被配置用來執(zhí)行矩陣15、16的復合件水平移動第 三選擇距離Δ x，而第一驅動器5被配置用于執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動以調節(jié)光束13的 發(fā)散度(見圖6A-B，7)。為了提供例如觀察2D圖像的所需水平的機密度，允許視場中單個 可調節(jié)觀察區(qū)具有選擇觀察方向和選擇角大小。通過相對于彼此沿Z軸改變第一矩陣14和矩陣15、16的復合件的位置，能夠實現(xiàn) 操作模式切換。3D/2D圖像可切換裝置操作如下。根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的圖像可切換裝 置2包括光學成像系統(tǒng)1并執(zhí)行掃描和非掃描操作模式中的功能。另外，圖像可切換裝置 2執(zhí)行其他和更復雜的功能，諸如結合使用操作模式、控制由顯示組件生成2維圖案的序列 和矩陣或多個矩陣移動的工作參數(shù)等等，其需要將圖像可切換裝置組件的操作同步。由于 在圖像可切換裝置2的結構中使用具有第一和第二位置傳感器7、8的傳感器系統(tǒng)和控制器 9，導致這變成可能。由控制器9使用來自第一和第二位置傳感器7、8的信號，用于控制位
23移機構的第一和第二驅動器5、6的動作和用于提供所述同步?？刂破?用于切換操作模式 以及調節(jié)每個操作模式中的操作特性。在掃描操作模式中，第二驅動器6被配置用來以往復方式執(zhí)行矩陣15、16的復合 件的水平移動。在該操作模式中，視場被分成在視場中與變換后的光束13 —致地掃描的多 個可調節(jié)觀察區(qū)。第一驅動器5被配置用來執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動以調節(jié)變換后的 光束13的發(fā)散度，并由此提供視場中相鄰觀察區(qū)37的鄰接。而控制器9使顯示由顯示組 件3生成的2維圖案的時刻與矩陣或多個矩陣移動同步，或換句話說，與掃描多個觀察區(qū)37 的過程同步，以便在各個觀察區(qū)37中投影3D操作模式中的特定3D圖像的每個透視圖或2D 掃描操作模式中的相同2D圖像。由此，例如，在3D操作模式中，在視場中形成物體或場景 的3維圖像的多個透視圖。結果是，觀察者(觀眾)能夠無暗空間或重疊地看到這些透視圖 (這意味著如果從一個觀察區(qū)移動到另一個觀察區(qū)在視覺上感知不到圖像亮度的變化)。 那使得觀察者能夠看到?jīng)]有失真更好質量的該特定3D圖像。在各個部分中如上已經(jīng)描述 了掃描操作模式的幾種改進的特性。在非掃描操作模式中，單個可調節(jié)觀察區(qū)被用于在其中投影特別感興趣的2D圖 像。在該操作模式中，第二驅動器6被配置用于執(zhí)行矩陣15、16的復合件水平移動第三選 擇距離Δ x，而第一驅動器5被配置用于執(zhí)行第一矩陣14的軸向移動以調節(jié)光束13的發(fā)散 度。在該操作模式中，控制器9被配置用于控制第一和第二驅動器5、6的動作以選擇或調 節(jié)單個觀察區(qū)的選擇角大小φ和觀察方向(角度Θ)。盡管在所示和所述的實施例的上下文中描述了本發(fā)明，但可以用其他具體方式或 其他具體形式實現(xiàn)本發(fā)明而不背離本發(fā)明的精神或本質特性。因此，所述的實施例在各方 面被認為是示例性而非限制性的。對本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不背離如在 所附權利要求中所述本發(fā)明的精神或范圍的情況下，能夠對可切換光學成像系統(tǒng)和3D/2D 圖像可切換裝置做出各種改進和變形。
2權利要求
一種可切換光學成像系統(tǒng)，用于變換從顯示2維圖案的顯示面發(fā)出的光束，并且用于在視場中投影變換后的光束，從而將所述視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)，所述可切換光學成像系統(tǒng)包括會聚微透鏡的第一矩陣，每個微透鏡沿各自的光軸被光學耦合到所述顯示面的一個相應區(qū)域；光學耦合到所述第一矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第二矩陣；同軸對齊并剛性地連結到所述第二矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第三矩陣，使所述第二矩陣和第三矩陣結合限定矩陣復合件；以及位移機構，用于相對于彼此軸向移動所述第一矩陣或矩陣復合件，以及用于相對于彼此橫向移動所述第一矩陣或矩陣復合件。
2.如權利要求1所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述位移機構至少包括第一驅動器，被配置用來(i)相對于所述矩陣復合件軸向移動所述第一矩陣，或(ii) 相對于所述第一矩陣軸向移動所述矩陣復合件；以及第二驅動器，被配置用來(i)相對于所述矩陣復合件水平移動所述第一矩陣；或(ii) 相對于所述第一矩陣水平移動所述矩陣復合件。
3.如權利要求2所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述位移機構進一步包括第三驅 動器，所述第三驅動器被配置用來(i)相對于所述矩陣復合件垂直移動所述第一矩陣，或 (ii)相對于所述第一矩陣垂直移動所述矩陣復合件。
4.如權利要求2所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第二驅動器進一步被配置用 來以往復方式執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動，使得在所述視場中與變換后的光束相一致地 掃描多個可調節(jié)觀察區(qū)。
5.如權利要求4所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一驅動器進一步被配置用 來執(zhí)行矩陣或多個矩陣軸向移動以調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，使得在所述視場中相鄰觀 察區(qū)是鄰接的。
6.如權利要求5所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有第一 焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與所述第一 矩陣間隔開第一選擇距離R1，使得F1SR1 <2&或(F1-F2) < R1SF1，以及其中，所述第三 矩陣與所述第二矩陣間隔開第二選擇距離R2,并位于所述第二矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域 內。
7.如權利要求5所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有第一 焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與所述第一 矩陣間隔開第一選擇距離R1,并位于所述第一矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域內，以及其中，所 述第三矩陣與所述第二矩陣間隔開第二選擇距離R2，使得R2 < F2。
8.如權利要求2所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第二驅動器進一步被配置用 來執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動第三選擇距離，使得所述視場中單個可調節(jié)觀察區(qū)具 有選定觀察方向。
9.如權利要求8所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第二矩陣的微透鏡與所述第 一矩陣的微透鏡同軸對齊。
10.如權利要求8所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一驅動器進一步被配置用來執(zhí)行矩陣或多個矩陣軸向移動以調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，使得所述視場中單個可調 節(jié)觀察區(qū)具有選定角大小。
11.如權利要求10所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有第 一焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與所述第 一矩陣間隔開第一選擇距離R1，使得0 < R1 < F1或F1 < R1彡2Flt)
12.如權利要求1所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一、第二和第三矩陣的微 透鏡分別具有第一、第二和第三焦距，以及其中，所述第一、第二和第三焦距相同。
13.如權利要求1所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述的會聚微透鏡的所述第一、 第二和第三矩陣分別是平凸微透鏡的第一、第二和第三矩陣。
14.如權利要求13所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述的平凸微透鏡的第一、第二 和第三矩陣在它們的微透鏡之間分別具有第一、第二和第三間距，以及其中，所述第一、第 二和第三間距是相同的。
15.如權利要求13所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述的平凸微透鏡的第一、第 二和第三矩陣分別是它們的垂直取向的圓柱狀微透鏡第一、第二和第三柱鏡光柵式透鏡矩 陣。
16.如權利要求13所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一矩陣的微透鏡的平面 面向所述顯示面，而所述第二和第三矩陣的微透鏡的平面背向所述顯示面。
17.如權利要求13所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述第一和第三矩陣的微透鏡 的平面面向所述顯示面，而所述第二矩陣的微透鏡的平面背向所述顯示面。
18.如權利要求13所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述的平凸微透鏡的第一、第二 和第三矩陣分別具有第一、第二和第三基板，且每個基板是與相應矩陣的微透鏡的平面光 學接觸的平的透明板。
19.如權利要求17所述的可切換光學成像系統(tǒng)，其中，所述的平凸微透鏡的第二和第 三矩陣具有共用基板，該共用基板是相對側分別面向和背向所述顯示面并分別與第三和第 二矩陣的微透鏡的平面光學接觸的平的透明板。
20.一種3D/2D圖像可切換裝置，用于分別在3D和2D操作模式中在視場中形成物體或 場景的3維圖像的多個透視圖和/或2維圖像，所述3D/2D圖像可切換裝置包括顯示組件，用于生成2維圖案，該顯示組件具有用于更新2維圖案的數(shù)據(jù)輸入、同步輸 入和顯示2維圖案的顯示面；可切換光學成像系統(tǒng)，用于變換從所述顯示面發(fā)出的光束并且用于在所述視場中投影 變換后的光束，從而將所述視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)，其中，所述可切換光學成像系統(tǒng)包括會聚微透鏡的第一矩陣，每個微透鏡沿各自的光軸光學耦合到所述顯示面的一個相應 區(qū)域；光學耦合到所述第一矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第二矩陣；同軸對齊并剛性連結到所述第二矩陣的微透鏡的會聚微透鏡的第三矩陣，使所述第二 矩陣和第三矩陣結合限定矩陣復合件；位移機構，用于相對于彼此軸向移動所述第一矩陣或矩陣復合件，以及用于相對于彼 此橫向移動所述第一矩陣或矩陣復合件，所述位移機構具有至少第一和第二控制輸入；3傳感器系統(tǒng)，用于檢測所述第一矩陣和矩陣復合件在軸向和橫向方向上的相對位置， 所述傳感器系統(tǒng)具有至少第一和第二數(shù)據(jù)輸出；以及控制器，用于切換操作模式，用于控制每個操作模式中矩陣或多個矩陣移動的工作參 數(shù)，以及用于使所述顯示組件的2維圖案的生成與矩陣或多個矩陣移動同步，所述控制器 具有(i)至少第一和第二數(shù)據(jù)輸入，所述控制器的第一和第二數(shù)據(jù)輸入分別連接到傳感 器系統(tǒng)的第一和第二數(shù)據(jù)輸出，(ii)連接到所述顯示組件的同步輸入的同步輸出，以及 (iii)至少第一和第二控制輸出，所述控制器的第一和第二控制輸出分別連接到所述位移 機構的第一和第二控制輸入。
21.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述位移機構至少包括第一驅動器，被配置用來(i)相對于所述矩陣復合件軸向移動所述第一矩陣，或(ii)相對于所述第一矩陣軸向移動所述矩陣復合件，所述第一驅動器具有控制輸入，該控制輸 入是所述位移機構的第一控制輸入；以及第二驅動器，被配置用來(i)相對于所述矩陣復合件水平移動所述第一矩陣；或(ii) 相對于所述第一矩陣水平移動所述矩陣復合件，所述第二驅動器具有控制輸入，該控制輸 入是所述位移機構的第二控制輸入。
22.如權利要求21所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第二驅動器進一步被配置 用來以往復方式執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動，使得在所述視場中與變換后的光束相一致 地掃描多個可調節(jié)觀察區(qū)，而所述控制器被配置用來控制所述第二驅動器動作和使所述顯 示組件生成的2維圖案的序列與矩陣或多個矩陣水平移動同步，從而在分別用于3D操作模 式和2D掃描操作模式的相應觀察區(qū)中投影多個透視圖或相同的2維圖像。
23.如權利要求22所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述控制器進一步被配置用來 調節(jié)水平往復移動的峰峰振幅，使得所述振幅受矩陣的微透鏡的孔徑限制。
24.如權利要求22所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一驅動器被進一步配置 用來執(zhí)行矩陣或多個矩陣軸向移動以調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，使得在所述視場中相鄰 觀察區(qū)是鄰接的，而所述控制器進一步被配置用來控制所述第一驅動器動作。
25.如權利要求24所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有 第一焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與第一 矩陣間隔開第一選擇距離R1，使得F1SR1 <2&或(F1-F2) < R1SF1，以及其中，所述第三 矩陣與所述第二矩陣間隔開第二選擇距離R2,并位于所述第二矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域 內。
26.如權利要求24所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有第 一焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與所述第 一矩陣間隔開第一選擇距離R1,并位于所述第一矩陣的微透鏡的后聚焦區(qū)域內，以及其中， 所述第三矩陣與所述第二矩陣間隔開第二選擇距離R2，使得R2 < F2。
27.如權利要求22所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第二驅動器進一步被配 置用來相對于第一選擇位置執(zhí)行所述矩陣復合件的水平往復移動，此處所述第二矩陣的微 透鏡與所述第一矩陣的微透鏡同軸對齊，而所述控制器被配置用來控制所述第二驅動器動 作。
28.如權利要求27所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一驅動器進一步配置用來相對于第二選擇位置以往復方式執(zhí)行所述第一矩陣的軸向移動，此處所述視場中相鄰觀 察區(qū)是鄰接的，而所述控制器被配置用來控制所述第一驅動器動作和另外使所述第一矩陣 的軸向往復移動與所述矩陣復合件的水平往復移動同步。
29.如權利要求28所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述控制器進一步被配置用來 調節(jié)所述第一矩陣的軸向往復移動的振幅使得所述振幅由所述第二矩陣的微透鏡的曲率 半徑來確定。
30.如權利要求21所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第二驅動器進一步被配置 用來執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動第三選擇距離Δχ，使得2D非掃描操作模式中的單個可 調節(jié)觀察區(qū)在所述視場中具有選定觀察方向，而所述控制器被配置用來控制所述第二驅動 器動作。
31.如權利要求30所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一驅動器進一步被配 置用來執(zhí)行矩陣或多個矩陣軸向移動以調節(jié)變換后的光束的發(fā)散度，使得單個可調節(jié)觀察 區(qū)在所述視場中具有選定角大小，而所述控制器進一步被配置用來控制所述第一驅動器動作。
32.如權利要求31所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第一矩陣的微透鏡具有第 一焦距F1,以及所述第二矩陣的微透鏡具有第二焦距F2,以及其中，所述第二矩陣與所述第 一矩陣間隔開第一選擇距離R1，使得0 < R1 < F1或F1 < R1彡2Flt)
33.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，相對于使用3D操作模式或2D 掃描操作模式的所述顯示組件，所述顯示組件在2D非掃描操作模式中具有每個2維圖案中 的擴展范圍的圖像亮度。
34.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述的會聚微透鏡的第一、第 二和第三矩陣分別是它們的垂直取向的圓柱狀平凸微透鏡第一、第二和第三柱鏡光柵式透 鏡矩陣。
35.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，進一步包括計算機，用于通過生成相應的命令信號并傳送到所述控制器，來選擇或改變操作模式或形成新的操 作模式；以及通過把與新2維圖案有關的數(shù)據(jù)傳送到所述顯示組件，來更新2維圖案，所述計算機具 有(i)控制命令輸出，以及(ii)連接到所述顯示組件的數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)輸出；而所述控制 器進一步具有連接到所述計算機的控制命令輸出的控制命令輸入。
36.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述顯示組件包括空間光調制 器(SLM)。
37.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述顯示組件包括空間光調制器(SLM)，具有成像面、數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，所述SLM的數(shù)據(jù)輸入和控制輸入分別是所述顯示組件的數(shù)據(jù)輸入和同步輸入；以及投影光學系統(tǒng)，光學耦合到所述SLM的成像面并具有輸出面，該輸出面是所述顯示組 件的顯示面。
38.如權利要求37所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述空間光調制器(SLM)是發(fā) 光二極管矩陣(LED矩陣)。
39.如權利要求37所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述投影光學系統(tǒng)是用于圖像傳輸?shù)墓饫w系統(tǒng)，包括多個光纖，以及其中，通過光纖系統(tǒng)的相應光纖將所述SLM的成像面 的每個區(qū)域光學地耦合到所述顯示組件的顯示面的一個相應區(qū)域。
40.如權利要求37所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述投影光學系統(tǒng)是遠視或遠 心的。
41.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述顯示組件包括 空間光調制器_微型顯示器(SLM微型顯示器)，具有微型顯示面、數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，所述SLM微型顯示器的數(shù)據(jù)輸入和控制輸入分別是所述顯示組件的數(shù)據(jù)輸入和同步輸 入；光引擎，光學耦合到所述微型顯示面；以及投影光學系統(tǒng)，光學耦合到所述微型顯示面并具有輸出面，該輸出面是所述顯示組件 的顯示面。
42.如權利要求34所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述顯示組件包括 空間光調制器_微型顯示器(SLM微型顯示器)，具有微型顯示面、數(shù)據(jù)輸入和控制輸入，所述SLM微型顯示器的數(shù)據(jù)輸入和控制輸入分別是所述顯示組件的數(shù)據(jù)輸入和同步輸 入；光引擎，光學耦合到所述微型顯示面；投影光學系統(tǒng)，光學耦合到所述微型顯示面并具有輸出面；以及 垂直散射光學組件，光學耦合到所述投影光學系統(tǒng)的輸出面并具有輸出面，所述垂直 散射光學組件的輸出面是所述顯示組件的顯示面。
43.如權利要求42所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述垂直散射光學組件是水平 取向的圓柱狀平凸微透鏡的柱鏡光柵式透鏡矩陣。
44.如權利要求42所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述投影光學系統(tǒng)是遠視的投 影光學系統(tǒng)，而所述垂直散射光學組件是具有全息散射元件的光學層。
45.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述顯示組件包括至少第一和第二空間光調制器_微型顯示器(SLM微型顯示器)，具有各自的微型顯示 面、數(shù)據(jù)輸入、控制輸入和光引擎，所述第一和第二 SLM微型顯示器具有連接在一起的第一和第二數(shù)據(jù)輸入以及連接在一起的第一和第二控制輸入，分別是所 述顯示組件的數(shù)據(jù)輸入和同步輸入，第一和第二光引擎，所述第一光引擎光學耦合到所述第一 SLM微型顯示器的第一微型 顯示面并被配置用來輻射第一選擇顏色的光，所述第二光引擎光學耦合到所述第二 SLM微 型顯示器的第二微型顯示面并被配置用來輻射第二選擇顏色的光；疊加光學系統(tǒng)，被配置用來空間疊加至少第一和第二選擇顏色并至少具有第一和第二 光學輸入和光學輸出，所述疊加光學系統(tǒng)的第一和第二光學輸入分別光學耦合到所述第一 微型顯示面和第二微型顯示面；投影光學系統(tǒng)，光學耦合到所述疊加光學系統(tǒng)的光學輸出并具有輸出面；以及 垂直散射光學組件，光學耦合到所述投影光學系統(tǒng)的輸出面并具有輸出面，所述垂直 散射光學組件的輸出面是所述顯示組件的顯示面。
46.如權利要求21所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述第二驅動器進一步被配置 用來以往復方式執(zhí)行矩陣或多個矩陣水平移動，使得在所述視場中與變換后的光束相一致地掃描多個可調節(jié)觀察區(qū)，而所述控制器被配置用來控制所述第二驅動器動作并使顯示組 件生成的2維圖案的序列與矩陣或多個矩陣水平移動同步，從而要投影在一個可調節(jié)觀察 區(qū)中的每個圖案包含相應透視圖和選擇的2D圖像的疊加，用于同時地執(zhí)行3D操作模式和 2D掃描操作模式。
47.如權利要求20所述的3D/2D圖像可切換裝置，其中，所述傳感器系統(tǒng)至少包括 第一位置傳感器，用于檢測軸向上所述第一矩陣和矩陣復合件的相對位置，所述第一 位置傳感器具有數(shù)據(jù)輸出，該數(shù)據(jù)輸出是所述傳感器系統(tǒng)的第一數(shù)據(jù)輸出；以及第二位置傳感器，用于檢測水平方向上所述第一矩陣和矩陣復合件的相對位置，所述 第二位置傳感器具有數(shù)據(jù)輸出，該數(shù)據(jù)輸出是所述傳感器系統(tǒng)的第二數(shù)據(jù)輸出。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供一種可切換光學成像系統(tǒng)和3D/2D圖像可切換裝置，在許多方面具有高功能靈活性和對多種不同應用的適應性。本發(fā)明基于生成定向光束，變換這些光束和在視場中投影變換后的光束，由此將視場劃分成一個或多個可調節(jié)觀察區(qū)，以及由此在其中形成物體或場景的2維(2D)圖像或3維(3D)圖像的透視圖。本發(fā)明用可切換光學成像系統(tǒng)和使用這種系統(tǒng)的3D/2D圖像可切換裝置來具體實現(xiàn)。
文檔編號H04N13/00GK101919258SQ200780100317
公開日2010年12月15日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權日2007年6月27日
發(fā)明者埃米內·戈拉尼安, 尼古拉·科斯特羅夫, 帕維爾·特羅赫特查諾維奇, 阿卜德穆奈梅·法齊·澤魯克 申請人:澤克泰克顯示系統(tǒng)私人有限公司