CN101292540A - 用于在单个设备中结合照相机和投影仪功能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了具有组合的图像捕获和图像投影功能的手持设备。一个实施例包括沿相同的光路调制和捕获光束。在另一实施例中，光学元件可操作以便在投影(122)和捕获模式之间转换。在又一实施例中，光学元件还可以形成在相同的半导体衬底上由此增加功能。

Description

用于在单个设备中结合照相机和投影仪功能的装置和方法
技术领域
【0001】所公开的实施例涉及手持设备，以及更具体地涉及在单个设备中结合图像捕获和图像投影功能。
背景技术
【0002】比如个人数字助手(PDA)和蜂窝电话的小型手持电子设备已经包含了静态和/或视频照相机性能，并且这种趋势还在拓展。但是这些设备因其体积小而显示能力有限。因此，小的显示尺寸限制了用户与其他人一起观看或共享图片和/或视频的能力。
发明内容
【0003】全新且有效的光源比如发光二极管(LED)已经使得构造带有数字光处理(DLPTM)技术的微型投影机成为可能，该DLPTM技术能够投影足够大且足够明亮的图像以供小人群共享。在微型手持设备中结合图像投影和图像捕获功能将由此克服直观显示尺寸限制，并允许用户进行小组介绍或放映家庭幻灯片或视频。
【0004】描述了具有组合的图像捕获和图像投影功能的手持设备。所公开的手持设备可操作以投影和捕获图像，由此克服直观显示尺寸限制。手持设备的一个实施例包括沿第一光路投射光束并且沿第二光路由反射型光调制器调制的光源。图像传感器之后可以捕获由反射型光调制器沿所述第一光路从所述第二光路中反射的图像。在另一实施例中，反射型光调制器和图像传感器可以位于机械结构上，其可操作以在为图像投影提供所述发射型光调制器和为图像捕获提供所述图像传感器之间进行转换。在又另一实施例中，所述反射型光调制器和所述图像传感器可以形成在所述相同的半导体衬底上，所述图像传感器可操作以捕获由所述反射型光调制器从多个光路反射的图像。
附图说明
【0005】图1是光学投影系统的图；以及
【0006】图2是具有公开的图像传感器实施例的光学投影/照相系统的图；
【0007】图3A-3B是具有公开的镜/棱镜实施例的光学投影/照相系统的图；
【0008】图4A-4B是具有公开的机械结构实施例的光学投影/照相系统的图；
【0009】图5A-5B是具有公开的圆形类旋转台结构实施例的光学投影/照相系统的图；
【0010】图6A-6B是具有另一公开的机械结构实施例的光学投影/照相系统的图；
【0011】图7A-7B是具有公开的支撑结构实施例的光学投影/照相系统的图；
【0012】图8A-8B是具有公开的投影/成像透镜实施例的光学投影/照相系统的图；
【0013】图9是具有公开的双透镜实施例的光学投影/照相系统的图；
【0014】图10A图示说明了3×3阵列的数字微镜器件单元的自顶向下视图；以及
【0015】图10B是具有所公开的集成图像传感器实施例的光学投影/照相系统的图。
具体实施方式
【0016】图1是通常以光源102比如发光二极管(LED)或激光器开始的光学投影系统100的各种器件和元件的图。来自光源102的光束由光学器件104处理，这些光学器件104包括但不限于诸如滤色器和色轮的颜色分离元件，诸如聚光、整形和中继透镜的光学器件，以及诸如积分器的积分元件。这些光学器件104大体上可以对光束进行校准、整形、配置、滤光或定向。经处理的光然后由比如数字微镜器件(DMD)的空间光调制器(SLM)106进行调制。SLM和DMD的特征和功能进一步被描述在1999年7月16日提交的序列号09/354,838、题为“Spatial light modulator having improved contrast ratio”共同拥有的美国专利号6,038,056中，出于各种目的在此将其全部合并到本发明作参考。在光由投影光学器件108聚焦并投影到诸如屏幕110的图像平面上之前，SLM或DMD 106大体上对光进行调制和校准。
【0017】图2图示说明在光学投影系统100内集成比如电荷耦合器件(CCD)图像传感器112的图像捕获器件的所公开实施例。还可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器112。CCD和CMOS图像传感器112通过将光转换成电荷并且将电荷处理成电信号来数字化地捕获图像。电信号然后可以存储在图像处理电子器件(未示出)中。此外，图像传感器112的图像处理电子器件(未示出)可以与DLP芯片106的处理电子器件集成在一起。如图示说明的，CCD图像传感器112处于光源102和DMD 106之间的光学器件104的光路内。在图像捕获或照相机模式中，输入图像114可以由投影光学器件108采集并且聚焦到DMD 106上。投影透镜108作用就象照相机透镜108，由此透镜108必要时可以重新聚焦或移位从而以最佳焦距116捕获图像114。
【0018】因为DMD 106的类镜表面，输入图像114可以经反射指向与光学器件104和CCD图像传感器112相同的光路。当输入图像反射离开DMD 106并进入共同光路时，CCD图像传感器112记录和存储输入图像114。所公开的实施例的好处之一在于投影模式和照相机模式之间的交替可以通过将CCD图像传感器112滑入或滑出光学器件104的光路来完成。在本实施例和随后描述的实施例中，机械致动器比如马达、继电器或其它机电设备可被提供以满足机械运动。另外的优势包括通过匹配图像投影和图像捕获之间的放大率将CCD图像传感器112的大小和分辨率与DMD相匹配的能力。在另一实施例中，根据DMD 106镜是旋转到“开通状态”还是“关闭状态”，输入图像114可以指向替代的光路118。
【0019】图3A-3B图示说明另一实施例，其中CCD图像传感器112合并在光学投影系统内。如图示说明的，CCD图像传感器112相对DMD 106成90°。单镜或棱镜120可以平行放置在CCD图像传感器112的前面。单镜或者棱镜120运动至两个位置中的一个位置。在图3A投影模式122中，单镜120与CCD图像传感器112保持平行由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕110上。但是在图3B照相模式124中，单镜120延伸或翻转进入DMD 106和照相透镜108之间的光路中。结果，输入图像114可以由照相透镜108聚焦，经单镜或棱镜120反射，并且由CCD图像传感器112捕获。
【0020】图4A-4B图示说明另一实施例，由此CCD图像传感器112可以滑入由操作模式决定的位置。如图示说明的，CCD图像传感器112可以平行放置在DMD 106的前面。在图4A的投影模式122中，CCD图像传感器112位于光路外由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并投射到屏幕110上。但在图4B的照相模式124中，CCD图像传感器112旋转或平移进入DMD 106和照相透镜108之间的光路中。结果，输入图像114由照相透镜108聚焦并且由CCD图像传感器112捕获。透镜108必要时可以自动或手动地重新聚焦以补偿最佳焦距116。可替换地，CCD图像传感器112可以固定不变而DMD 106可以是在进出光路中转换的器件。
【0021】图5A-5B图示说明另一实施例，由此在圆形类旋转台结构126上CCD图像传感器112可以与DMD 106彼此背面(非功能表面)相邻。而且，类旋转台结构126不必是圆形的，只要其可以大体上绕至少一个轴旋转。可替换地，CCD图像传感器112和DMD 106可以一起倒装封装到共同衬底或电路板上。CCD图像传感器112和DMD 106还可以形成在相同的半导体衬底上。在图5A的投影模式122中，DMD 106阻挡CCD图像传感器112由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕110上。在图5B的照相模式124中，圆形类旋转台结构126旋转由此将CCD图像传感器112而不是DMD 106暴露至光路。结果，输入图像114可以由照相透镜108聚焦并且由CCD图像传感器112捕获。照相透镜108可以不必重新聚焦输入图像114，这是因为CCD图像传感器112和DMD 106可以位于相同的焦距处。可替换地，圆形类旋转台结构126可以进行全部或部分旋转。
【0022】图6A-6B图示说明又一实施例，由此CCD图像传感器112可以与DMD 106毗邻安置在矩形结构128上。矩形结构128不必是矩形的，只要该结构128可以大体上绕轴平移。此外，CCD图像传感器112和DMD 106可以彼此相邻地形成在相同的半导体衬底上或者一起安装到多芯片模块中的共同衬底或电路板上。在图6A的投影模式122中，矩形结构128以一个方向平移(在这种情况下如图中示出为向上)以便只有DMD 106被暴露于光路由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕110上。在图6B的照相模式124中，矩形结构128以相反方向平移(向下)由此只将CCD图像传感器112暴露至光路。结果，照相透镜108使输入图像114聚焦从而由CCD图像传感器112捕获和存储。透镜108可能不必重新聚焦，这是因为CCD图像传感器112和DMD 106可以位于相同的焦距116处。可替换地，矩形结构128可以沿多于一个轴平移。
【0023】图7A-7B图示说明另一实施例，其中CCD图像传感器112和DMD 106中都由支撑结构130支撑。CCD传感器112和DMD 106还可以彼此相邻形成在相同的半导体衬底上，并且由单个支撑结构130固定在一起成为单个部件。在图7A的投影模式122中，DMD 106的支撑结构130处于12点钟的位置而CCD图像传感器112的支撑结构130处于2点钟的位置。在该模式中，DMD 106支撑结构130将DLP芯片106与光路排成直线由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕上(未示出)。光路与DMD 106正交(从纸中出来)而投影透镜108与DMD 106平行并且被图示说明为在DMD 106之上。在图7B的照相模式124中，DMD 106支撑结构130从12点的位置(处在投影模式122)移动或摇动到10点钟的位置(处在照相模式124)，由此将DLP芯片106从光路中移出。此外，照相透镜108支撑结构130从2点钟的位置(处在投影模式122)移动或摇动到12点钟的位置(处在照相模式124)由此将CCD图像传感器112与光路排成直线并且允许输入图像(未示出)由照相透镜108聚焦并由CCD图像传感器112捕获和存储。可替换地，支撑结构130可以通过包括平移、旋转或其组合的各种转换机构将光学器件106，112“摇动”进入某位置(进入光路)。移动或摇动的程度或量不必具有固定幅度(从12点钟到10点钟)，而是可以根据设计和器件约束而变化。
【0024】图8A-8B图示说明另一实施例，由此透镜108在图8A的投影模式122和图8B的照相模式124之间来回转换。如图示说明的，CCD图像传感器112与DMD 106毗邻。两个器件112，106还可以形成在相同的半导体衬底或装配在共同衬底或电路板上。再则，两个光学器件112，106的处理电子器件(未示出)可以被集成。在图8A的投影模式122中，投影透镜108存在于DMD 106的光路内由此允许来自DMD 106的光由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕110上。在图8B的照相模式124中，照相透镜108存在于CCD图像传感器112的光路内由此允许输入图像114由照相透镜108聚焦并由CCD图像传感器112捕获和存储。透镜108根据操作模式122、124来回转换并且必要时还可以自动或手动地重新聚焦以补偿最佳焦距116。各种转换机制可以包括平移、旋转或其组合。
【0025】图9图示说明另一实施例，由此两个透镜108被提供在光学投影系统内。如图示说明的，在投影模式122期间投影透镜108存在于DMD 106的光路中；而在照相模式124期间照相透镜108存在于CCD图像传感器112的光路中。两个透镜108不必相同并且可以基于所用的光学器件112，106类型进行优化。透镜108还可以根据DMD106的大小和CCD图像传感器112的大小而具有不同的放大率和分辨率。此外，虽然CCD图像传感器112与DMD 106毗邻，两个器件112、106可以形成在相同的半导体衬底上或装配在共同衬底或电路板上。再则，两个器件112，106的处理电子器件(未示出)可以被集成。在投影模式122中，来自DMD 106的光可以由投影透镜108聚焦并被投射到屏幕110上，而在照相模式124中，输入图像114由相机透镜108聚焦并由CCD图像传感器112捕获和存储。两个透镜108还可以允许图像同时被捕获和被投影。
【0026】图10A-10B还图示说明另一实施例，由此CCD或CMOS图像传感器112可以与DMD 106集成在相同的半导体衬底上。图10A图示说明3×3阵列的DMD单元107的自顶向下视图。在DMD芯片106内可能有成千上万或成百万的这些DMD单元或像素107。由于DMD芯片106的性质，管芯表面上的区域132没有完全被像素镜107覆盖。这些未覆盖的区域132是DMD像素107之间的空隙或缝隙，这必须存在以便供像素107致动或倾斜。对于现今典型的DMD芯片106而言，不用的区域132近似等于CCD或CMOS图像传感器112的像素单元面积。因此，在这些不用的区域132中将照相功能添加到DMD芯片106的半导体衬底上是可行的，由此在单芯片中提供双重功能而不降低每一个的功能或效用。再则，随着DMD芯片106的芯片级封装的到来，DMD芯片106周围将存在不用的硅的其它大区域(未示出)，这些区域也可以用来包括成像CCD或CMOS电路112。
【0027】图10B进一步图示说明在相同的半导体衬底上集成CCD或CMOS成像传感器112和DMD芯片106的其它优势。图10B的3×3阵列的DMD单元107类似于图10A的DMD单元，除图10B中DMD镜107运动至一侧外，如由DMD镜107的轻微倾斜所示。根据DMD镜107工作在“开”或“关”状态，它们会倾斜某一角度。结果，额外的光可以由光学投影系统100内的CCD或者CMOS图像单元112捕获或者收集。如系统100中所示，DMD镜107的顶端或底端可以沉积相同的材料，典型地为铝或其它一些反射性金属材料。当输入光或者图像114由照相透镜108收集并且聚焦在DMD镜107上时，其由DMD镜107的上表面一次反射指向毗邻或邻近DMD镜107。一次反射的光134之后可以由邻近的DMD镜107的下表面被两次反射。两次反射的光136之后由位于DMD芯片106的不用区域132之间的CCD或CMOS图像单元112捕获或收集。换句话说，当DMD镜107大体上以一个方向致动使得电子器件用于照相模式时，他们形成菱形反射器或潜望镜作用，这有助于引导更多的光由位于DMD镜107下面的CCD/CMOS单元112捕获或者收集。此外，在CCD/CMOS单元112捕获额外光前可存在多重反射(未示出)。CCD/CMOS单元112还可以不经DMD镜107的任何反射而直接捕获输入光。
【0028】通过由于共享许多元件尤其是电子和光学元件来增加功能从而可以导致低成本的其它优势可以包括多功能运用公共光学系统，包括在单芯片上集成投影机和照相机图像处理电子器件。此外，附加的功能可以包括：共享单个动态随机存储器(DRAM)芯片以存储来自投影机和照相机的图像，共享系统控制微处理器，或者共享FLASH存储器用以编程照相机控制操作和投影机控制操作。而且，电源和电池以及通用串行总线(USB)端口和其它输入/输出(I/O)端口也可以共享。此外，集成许多这些功能的新数字信号处理(DSP)芯片还可以被添加到电子器件上。
【0029】本领域技术人员应了解本发明可以以其它具体形式实施而不偏离本发明的广度和基本特性。例如，虽然图像捕获器件比如CCD或CMOS图像传感器可以集成在光学投影系统内，但图像投影器件，比如DMD或DLP芯片可以集成在类似于数码相机或便携式摄像机或者甚至带有蜂窝电话或手持游戏器件的光学成像系统内。此外，虽然已经图示说明了几个实施例，图像传感器(CCD或CMOS)和图像投影机(DMD和DLP)的其它取向(未示出)仍然可以实现，包含所公开的实施例的相同或类似概念。该公开的实施例因此在各方面视为是示例性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种手持设备，其包括：
光源，其可操作以沿第一光路投射光束；
反射型光调制器，其包括可沿第二光路操作以反射地调制所述光束的多个转换元件；和
图像传感器或光学元件，其基本上沿所述第一光路、所述第二光路或第三光路被安置，其中所述图像传感器或光学元件被配置成捕获或者引导由所述反射型光调制器的所述转换元件沿所述第一、第二或第三光路反射的来自所述第二光路的图像。
2.根据权利要求1的设备，其中所述反射型光调制器包括数字微镜器件。
3.根据权利要求1的设备，其中所述图像传感器或光学元件包括CCD或CMOS图像传感器。
4.根据权利要求1的设备，其中所述图像传感器或光学元件包括棱镜或镜。
5.一种手持设备，其包括在机械结构上的数字微镜器件和图像传感器，其中所述机械结构可操作以提供所述数字微镜器件用于沿光路投射第一图像，且进一步可操作以提供所述图像传感器用于沿所述光路捕获第二图像。
6.根据权利要求5的设备，其中所述第一图像和所述第二图像是相同的。
7.根据权利要求5或6的设备，其中所述机械结构经由转换机构、平移转换机构、旋转转换机构或者平移和旋转转换机构的组合是可操作的以提供所述数字微镜器件和所述图像传感器。
8.一种手持设备，其包括：
光源，其可操作以沿第一光路投射光束；
形成在半导体衬底上的反射型光调制器，所述反射型光调制器包括基本上可沿第二光路操作以反射地调制所述光束的多个转换元件；以及
多个图像传感器，其毗邻所述多个转换元件形成在所述半导体衬底上，所述图像传感器被配置成捕获由所述反射型光调制器的所述转换元件沿随后光路反射的来自第二光路的图像。
9.一种半导体器件，其包括：
衬底；
形成在所述衬底上的反射型光调制器，所述反射型光调制器包括可操作以反射光束的多个转换元件；以及
多个图像传感器，其毗邻所述多个转换元件形成在所述衬底上，所述图像传感器被配置成捕获光束。
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