CN101194202B - 电光滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电光滤波器。提供了一种用于过滤来自物体(502)的光的电光滤波器(512，520)，其被布置成接收通过第一成像元件(504)和偏振分束器(506)的所述光。该滤波器包括多个反射液晶元件(102，图1)，并且各反射元件被布置成使得光的偏振作为在所述反射元件处或附近检测到的光的函数而旋转。当入射在反射元件上的偏振光高于预定的阈值强度时，光被不经偏振旋转地反射并返回光路。相反，当低于预定的阈值强度时，光在反射元件处被旋转并因而透射分束器(511)到达棱镜(514)以及第二透镜系统(516)，从而形成图像(518)。因此，减少了源自物体的亮区域和暗区域的光的强度差。
Description
技术领域
本发明宽泛地说涉及一种电光滤波器。
背景技术
对动态亮度范围大的物体进行成像是一个挑战。例如，可以调整照相机以记录在照相机视野内的亮图像区域，在这种情况下，照相机视野内的暗图像区域通常在记录介质上曝光不足。另选的是，可以调整照相机以记录暗图像区域，在这种情况下亮图像区域被过度曝光。在上述两种情况下，都不能同时记录亮区域和暗区域处的所有细节。
美国专利第5,953,082号描述了一种减少源自物体的亮区域和暗区域的光的强度差的透射滤波器，并且本发明提供一种具有附加优点的另选滤波器。
发明内容
本发明在第一方面中提供了一种用于过滤来自物体的光的电光滤波器，该滤波器被布置成接收通过第一成像元件的所述光，并包括：
用于接收并反射所述光的多个反射元件，各反射元件具有取决于在所述反射元件处或附近的光的强度的光学特性；以及，所述光学特性以如下方式控制对光强度的局部过滤：在高于预定的强度阈值时，所述滤波器减少源自所述物体的亮区域和暗区域的光的强度差。
所述电光滤波器可用于或者可以结合到任何类型的图像拍摄、观看装置中，这些装置例如包括摄像机、静态照相机和诸如双目镜的观看装置。由于该滤波器减少了光强度差，因此通常可以在不损失细节的情况下对具有大动态亮度的物体进行成像，这具有重要的实践优点。另外，由于所述滤波器是反射装置，因此控制电子电路和支撑材料可以位于该 滤波器的反射面后方，因此以与透射装置相同的方式不会对光通量产生影响。
所述滤波器可以包括所述反射元件的矩阵，并且通常包括所述反射元件的两个矩阵。各矩阵可以包括大量的反射元件，例如2百万至1千万个。各反射元件可以具有5-20μm×5-20μm的尺寸，通常为9μm×9μm的尺寸。
各反射元件通常被布置成，使所述光的偏振作为在所述反射元件处或附近检测到的光的函数而旋转。各光学元件通常是在使用时通过表现相应的导电率来检测局部光强度的光电二极管。各反射元件通常还包括反射面，例如金属面。
在本发明的一个具体实施方式中，各反射元件包括液晶材料。所述液晶材料通常位于所述金属面与透明导电涂层之间，从而使得所述金属面和透明导电涂层可用于跨所述液晶材料施加电场。反射元件的各矩阵可以包括硅基板，并且可以是通常还包括其它电子部件的硅基液晶(LCoS)装置。可以采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺来制造这种装置。
所述滤波器通常包括双折射分束器，该双折射分束器被布置成接收来自所述第一成像元件的光并将所接收的光分成具有两个正交偏振状态的光。所述滤波器例如可以被布置成，将具有第一偏振状态的光导向反射元件的第一矩阵，并将具有第二偏振状态的光导向反射元件的第二矩阵。
各反射元件通常被布置成使得由各光电二极管检测到的光强度控制电压，并且该电压控制各液晶的旋光性。例如，各液晶可被布置成，在高于或低于施加给所述液晶的阈值电压时，使所述液晶将所反射的偏振旋转一在0°和90°之间的角度。所述双折射分束器于是可以被布置成，引导具有被旋转了90°的偏振的基本所有反射光，以使其可用于形成所述图像。可以使具有被旋转了一小于90°的角度的偏振的一些或所有光返回或者转向，从而不将其用于形成图像。
各反射元件可以包括嵌入在所述反射面之下的区域中的电子部件。 名反射元件(通常是反射元件的整个矩阵)可以是形成在硅基板上的集成器件。
所述装置通常包括诸如透镜的第一成像元件，该第一成像元件通常被布置成使得第一成像平面的焦平面位于由所述反射元件的反射面限定的平面处或附近。另外，所述装置可以包括用于在成像平面上形成经过滤的图像的第二成像元件。
本发明在第二方面中提供了一种观看或图像拍摄装置，该装置包括根据本发明第一方面的滤波器。
本发明在第三方面中提供了一种用于过滤来自物体的光的方法，该方法包括以下步骤：
由多个反射元件接收通过第一成像元件的所述光，各反射元件具有取决于在所述反射元件处或附近的光的强度的光学特性；
检测在各反射元件处或附近的光强度，所述光是从与由所述反射元件接收到的光相同的方向接收以用于检测的；以及
以如下方式控制各反射元件的所述光学特性：在高于预定的光强度阈值时，滤波器减少源自所述物体的亮区域和暗区域的光的强度差。
根据下面对本发明具体实施方式的描述，将更完全地理解本发明。参照附图提供描述。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施方式的反射元件的矩阵的俯视图；
图2示出了根据本发明一实施方式的反射元件的截面图；
图3示出了根据本发明一实施方式的反射元件的俯视图；
图4示出了根据本发明一实施方式的反射元件的电路图；
图5示出了根据本发明一实施方式的电光滤波器；
图6示出了根据本发明的另一实施方式的电光滤波器；以及
图7示出了根据本发明的又一实施方式的电光滤波器。
具体实施方式
首先将参照图1至图3来描述根据本发明实施方式的电光滤波器。 电光滤波器100包括反射元件102的矩阵。在该实施方式中，采用通常用于制造用于投影装置和背投电视的显示器的硅基液晶(LCoS)技术，来制造电光滤波器100。
在该实施方式中，各反射元件102形成在硅基板104上，光电二极管结构106、107以及透明绝缘层108、110和112位于该硅基板104上。另外，反射元件102包括多个金属层，例如用于驱动电路布线的层114、用于驱动电路布线和电压场屏蔽的层116、以及形成反射镜型电极的层118。层部分120限定矩阵中的相邻反射元件102之间的间隙，并且通路122将反射层118与下层电路电连接。反射元件102还包括玻璃基板124，该玻璃基板124具有形成透明导电电极126的单体层、以及液晶配向层128和130。在层128和130之间夹有液晶材料132。
各反射元件102在反射镜型电极118中包括窗口133，该窗口使得光能够从对象图像到达光电二极管结构106，该光电二极管结构106在使用时通过窗口132接收光。光电二极管结构107叠置有金属层，从而不接收光。
液晶材料132例如可以包括TN、STN或聚合材料。但是，本领域技术人员应该明白，液晶材料132另选地可以包括其它材料或者可以为其它类型。可以将具有偏振分束器的液晶单元的结构称为“常白”结构，以表示如果没有向液晶材料施加电压，则光能够穿过该结构。例如，在“Design and fabrication of reflective nematic displays with only onepolarizer”；Kwok，Hoi-Sing；Yu，F.H.；Tang，S.T；Chen，Jin：Liquid crystals，Proceedings of SPIE，Vol.3143，San Diego，California，USA，28-29 July,1997，SPIE，Bellingham，Washington，USA，1997，p.39-50中描述了这种结构的变型。提到该现有技术文献并不是承认该现有技术文献在澳大利亚或任何其它国家中是公知常识的一部分。
图4示出了三个反射元件102的电路图。使用与图1至图3中所示的相应部件相同的附图标记来标识该电路图的部件。层114和116与电源电压连接，并且光电二极管结构106和107串联连接。反射电极118通过通路122与光电二极管结构106和107之间的节点电连接。光电二 极管结构106和107具有相同的电特性，并且当来自物体(未示出)的光足够低时，光电二极管结构106和107的电阻得以平衡。光电二极管结构106的导电率，作为与被屏蔽的光电二极管结构107相关的接收光的函数而增加。这导致在反射层118和层126之间施加(因此跨液晶施加)的电压增加，这改变了液晶的旋光性。
应理解，上述驱动电路仅是一个实施例，许多其它形式也是可行的。例如，各反射元件102的驱动电路可以包括其它形式的分压器或者可以包括晶体管放大器。US 5,953,082公开了另选的驱动电路，并且本领域技术人员应理解，US 5,953,082中公开的驱动电路的变型也可以用在本发明的另选实施方式中。
现在将参照图5来描述根据本发明实施方式的电光滤波器500的功能。来自物体502的光透射穿过光学元件，在该实施方式中为透镜系统504。偏振分束器棱镜506在双折射层511处将来自物体502的光分成水平偏振光508和垂直偏振光510。水平偏振光508穿过双折射层511并且到达包括多个上述反射元件102的矩阵512。矩阵512的反射元件102在处于“off(关)”状态时以90度的偏振旋转来反射光，并且在光电二极管106接收到足够的光且反射元件102处于“on(开)”状态时以较小的旋转来反射光。在高于由光电二极管106接收到的光的预定阈值强度时，光不经偏振旋转地被反射。
从处于“off”状态的反射元件反射的光的偏振被从水平偏光性旋转成垂直偏光性，因而被双折射层511反射至棱镜514以及第二透镜系统516(在该实施方式中为中继透镜系统)，在第二透镜系统516使用该光来形成图像518。在处于“on”状态的反射元件102处反射的光至少具有水平偏振分量(或者是完全水平偏振的)，并且与水平偏振相关联的光穿过双折射层511从而沿着光路返回，因而不用于形成图像518。
垂直偏振光束508被双折射层511朝向反射元件102的矩阵520反射。从处于“off”状态的反射元件反射的光的偏振被从垂直偏光性旋转成水平偏光性，因而被双折射层511透射至棱镜514以及第二透镜系统516，在第二透镜系统516使用该光来形成图像518。在处于“on”状态 的反射元件102处反射的光至少具有垂直偏振分量(或者是完全垂直偏振的)，并且与垂直偏振相关联的光被双折射层511反射，从而沿着光路返回，因而不用于形成图像518。
在该实施方式中，透镜系统504的焦平面位于矩阵512和520中的反射元件102的反射面处或附近。因此，可以过滤掉物体502的聚焦或大体聚焦的图像。在该实施方式中，棱镜514用于在图像拍摄或观看装置的记录或观看平面处生成具有校正的水平和垂直定向的图像。在该实施例中，使用“阿米西”棱镜，但是本领域技术人员应理解，可以使用各种另选类型的棱镜或镜对图像518进行定向。另外，在上述实施方式的其它变型中，滤波器可以不包括用于对图像进行定向的棱镜或任何其它装置。
图6和图7示出了根据本发明实施方式的电光有源滤波器600和700的其它实施方式。滤波器600和700包括具有交叉的双折射层604和606的交叉偏振分束器602。滤波器600和700以如下方式起作用。垂直偏振光510被双折射层606朝向反射元件102的矩阵520反射。从处于“off”状态的反射元件102反射的光的偏振被从垂直偏光性旋转成水平偏光性，因而透射通过双折射层606并被层604反射至棱镜608或702以及第二透镜系统516，在第二透镜系统516将该光用于形成图像518。在处于“on”状态的反射元件102处反射的光至少是部分或大体垂直偏振的(或者是完全垂直偏振的)，并且与垂直偏振相关联的光被双折射层606反射，从而沿着光路返回，因而不用于形成图像518。
水平偏振光508被双折射层604朝向反射元件102的矩阵512反射。从处于“off”状态的反射元件反射的光的偏振被从水平偏光性旋转成垂直偏光性，因而透射通过双折射层604并被层606反射至棱镜608或702以及第二透镜系统516，在第二透镜系统516将该光用于形成图像518。在处于“on”状态的反射元件102处反射的光至少是部分或大体水平偏振的(或者是完全水平偏振的)，并且与水平偏振相关联的光被双折射层604反射从而沿着光路返回，因而不用于形成图像518。
图6和图7所示的实施方式的不同在于棱镜608和702。棱镜608 是直线屋脊棱镜，而棱镜702是“波罗”棱镜。
所述电光滤波器可以用于、可以结合到或者改装到宽范围的装置中，这些装置例如包括双目镜、望远镜、静态照相机、摄像机、影印机、显微镜和夜视装置。例如，所述滤波器可以位于照相机透镜与照相机的记录介质之间。
对US 5,953,082的引用并不是承认US 5,953,082在澳大利亚或任何其它国家中是公知常识的一部分。
尽管参考具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解，可以以许多其它形式实施本发明。例如，该滤波器可以不包括液晶材料和双折射分束器，而是可以另选地包括具有取决于所接收光的强度的反射率的其它类型的反射元件。
Claims (18)
1.一种用于过滤来自物体的光的电光滤波器，该滤波器被布置成接收通过第一成像元件的所述光，并且包括：
用于接收并反射所述光的多个反射元件，各反射元件具有取决于在所述反射元件处或附近的光的强度的光学特性；
检测在各反射元件处或附近的光强度的光学元件，其中所述光从与由所述反射元件收到的光相同的方向接收以用于检测；以及
双折射分束器，该双折射分束器被布置成接收来自所述第一成像元件的光，并将所接收的光分成具有两个正交偏振状态的光；
其中，当所述光学元件检测的光强度高于预定光强度阈值时，控制所述反射元件，使滤波器减少源自所述物体的亮区域和暗区域的光的强度差。
2.根据权利要求1所述的电光滤波器，其中，各反射元件被布置成使所述光的偏振作为由所述对应的光学元件检测到的光的函数而旋转。
3.根据权利要求1或2所述的电光滤波器，该电光滤波器包括所述反射元件的至少一个矩阵。
4.根据权利要求中1或2所述的电光滤波器，该电光滤波器包括所述反射元件的两个矩阵。
5.根据权利要求1或2所述的电光滤波器，其中，所述光学元件被布置成通过表现相应的导电率来检测局部光强度。
6.根据权利要求5所述的电光滤波器，其中，各光学元件是光电二极管。
7.根据权利要求中1或2所述的电光滤波器，其中，各反射元件包括液晶材料。
8.根据权利要求7所述的电光滤波器，其中，所述液晶材料位于金属反射面与透明导电涂层之间，从而使所述金属反射面和透明导电涂层可以用于跨所述液晶材料施加电场。
9.根据权利要求3所述的电光滤波器，其中，反射元件的所述矩阵或各矩阵包括硅基板。
10.根据权利要求4所述的电光滤波器，其中，反射元件的各矩阵包括硅基板。
11.根据权利要求9所述的电光滤波器，其中，反射元件的所述矩阵或各矩阵是硅基液晶(LCoS)装置。
12.根据权利要求11所述的电光滤波器，其中，所述光学元件是光电二极管，并且各反射元件被布置成使得由各光电二极管检测到的光强度控制电压，并且所述电压控制相应液晶的旋光性。
13.根据权利要求12所述的电光滤波器，其中，各液晶被布置成，在高于或低于施加给所述液晶的阈值电压时，使所述液晶将所反射的光的偏振旋转一在0°和90°之间的角度。
14.根据权利要求13所述的电光滤波器，其中，所述双折射分束器引导具有被旋转了90°的偏振的基本所有反射光，以使其可用于形成所述图像，并且引导具有被旋转了一小于90°的角度的偏振的至少一些光，以使其不用于形成图像。
15.根据权利要求1、2、6、8、9、10、11、12、13或14所述的电光滤波器，其中，各反射元件包括嵌入在所述反射面之下的区域中的电子部件。
16.根据权利要求1或2所述的电光滤波器，该电光滤波器包括所述反射元件的至少一个矩阵，并且其中所述反射元件的所述矩阵或各矩阵是形成在硅基板上的集成器件。
17.一种观看装置，该观看装置包括根据权利要求1至16中任一项所述的电光滤波器。
18.一种图像拍摄装置，该图像拍摄装置包括根据权利要求1至16中任一项所述的电光滤波器。
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