CN105409209A - 多孔径投影显示器和针对所述多孔径投影显示器的单图像生成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔径投影显示器，借助该显示器可在不同投影距离处生成要投影的图像，具体地，静态地或无须任何机械调整或图像生成器，多孔径投影显示器的单独图像被合适地设计，即多孔径投影显示器的投影通道的初步单独图像(其提供给将要投影的至少两个图像中的每一个)被投影通道合并，以形成实际或最终单图像。

Description

多孔径投影显示器和针对所述多孔径投影显示器的单图像生成器

技术领域

本发明涉及多孔径投影显示器以及针对所述多孔径投影显示器生成单图像。

背景技术

目前，不存在令人满意的用于将不同图案映射到不同几何结构或投影距离的技术方案。一些方案通过改变物结构(objectstructures)(诸如，数字成像仪的形式)，或通过根据映射等式来机械操控映射光学器件，诸如，通过改变焦距或后焦距，来实现这些映射特性。然而，这种解决方案较为昂贵。

上述映射特性的特定情况是在所限定的距离范围内保持固定光图案。这种特性等同于光学期间中的焦点深度。

考虑到几何结构，通过下式，根据图13的投影距离L、光瞳扩展D和可接受模糊角β，得到投影仪的屏幕侧焦点深度(DoF)(W.J.Smith,ModernOpticalEngineering(McGraw-Hill,2007))。

$L_{N,F}=\frac{D\·L}{D\±2L\·tan\left(\frac{\mathrm{\β}}{2}\right)}\≈\frac{D\·L}{D\±L\·\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

$DoF=L_F-L_N\≈\frac{2{\mathrm{DL}}^2\mathrm{\β}}{D^2-L^2{\mathrm{\β}}^2}---\left(2\right)$

因此，根据(1)和(2)，仅有可能通过缩小光瞳尺寸D，来在给定距离L和可接受模糊角β的情况下增加焦点深度。缩小光瞳伴随着投影的亮度损耗，这是由于透射的光通量与平面内的每个物点(objectpoint)的可接受立体角(solidangle)成正比,因此当缩小光瞳面积D²时,还减少透射的光通量(W.J.Smith,ModernOpticalEngineering(McGraw-Hill,2007))。

用于获得较大的焦点投影深度的备选方法是通过使用扫描图像架构(buildup)来使用激光照射的MEMS镜。由于镜面积较小，所述结构从本质上具有较大的焦点深度，然而，为了形成良好的图像印象，所述结构需要相干光源和快速、可移动的机械件(MEMS镜)，这些元件限制了它们的鲁棒性和潜在应用领域。此外，如果不采取其他技术手段来减弱相干作用对投影图像的不利影响，则以这种方式生成的投影图像可能受到相干作用的不利影响，诸如，斑点(speckle)。

图14示出了微型投影仪的多孔径布置，即，例如在DE102009024894A1中描述的阵列投影仪。文中所用的多孔径方法允许将投影系统的系统安装长度与可获得的光通量进行去耦，从而允许构成紧凑并且明亮的投影系统。关于这种光学方法的在先公开描述了微投影仪的常规二维布置，每个都包括场镜(fieldlens)902、物结构/幻灯片903以及投影光学器件904。通过延伸或平面光源901来背向照射整个装置。投影后的整个图像是由于对精确投影距离L处的所有单图像进行聚焦叠加而导致的。根据式(3)，通过针对相应投影透镜904明确限定排列的单独幻灯片903，来执行所述聚焦叠加。

$\begin{array}{cc}L=s\·\frac{p}{\mathrm{\Δ}p},& s=\frac{FL}{L-F}\end{array}---\left(3\right)$

这里，p表示单独投影透镜904之间的中心孔径距离，p+Δp表示物结构或单图像903之间的中心距离。对于相同尺寸，参考图15，图15示出了s是图像距离(即，单图像903和各投影光学器件904之间的距离)，且F是投影光学器件904的焦距。

由于每个单独投影透镜904的孔径较小，单独投影仪的焦点深度非常大(参考式(2))。这里，单独投影的超焦距离通常远小于距离L。

实质上，通过单独投影仪904的焦距/后焦距，以及物结构903相对相应投影透镜阵列的透镜904的中心距离差Δp，来确定通过将所有单图像进行叠加而得到整个图像的设定距离(参见MarcelSieler,PeterSchreiber,PeterDannberg,Andreas和AndreasTünnermann，“Ultraslimfixedpatternprojectorswithinherenthomogenizationofillumination”，Appl.Opt.51,64-74(2012))。

因此，在式3中，F与焦距相对应，P与投影透镜904之间的距离或中心距离相对应，Δp与幻灯片902和透镜904之间的中心距离差相对应，其中s通过结合L和F来描述根据近轴映射等式而生成的后焦距。根据式3，确定：通过忽略几何象差，通过将单独微投影仪进行叠加而投影得到的整个图像905的焦点深度与具有与微投影仪阵列的横向延伸相对应的光瞳尺寸的经典但通道投影的焦点深度相对应(参见MarcelSieler,PeterSchreiber,PeterDannberg,Andreas和AndreasTünnermann，“Ultraslimfixedpatternprojectorswithinherenthomogenizationofillumination”，Appl.Opt.51,64-74(2012))。

图16示出了例如图13示例所示的传统单通道投影仪的模糊行为(即，在附图标记906处)以及根据图14和图15的单个投影透镜和阵列投影仪的模糊行为(在908处)。所有系统都被聚焦在533mm的设定距离处。单独投影通道以及阵列投影仪的模糊行为彼此相对应，所以它们通常都由曲线908来表示。这意味着通过忽略其他象差和虚化盲区的影响，相同光瞳尺寸的单通道投影仪和传统阵列投影仪的模糊行为彼此相对应。

需要的是具有一种能够支持以更客观的方式在不同投影距离或几何结构上显示不同图像的系统。

发明内容

本发明的目标在于提供一种支持上述功能的构思。

由待审独立权利要求的主题来实现该目标。

本发明的核心构思在于发现：当以适合方式(即，通过将针对多孔径投影显示器的投影通道的临时单图像(意图用于要被投影的至少两个图像中的每个图像)合并为真实或最终单图像)设计多孔径投影显示器的单图像时，能够静态地或无须任何调整地(无论是机械调整还是在成像仪处的调整)生成由多孔径投影显示器投影在不同投影距离处的图像。

根据实施例，执行所述构思，使得对于每个投影通道，与在对针对要被投影的图像计算的各投影通道的临时单图像的非零值部分全部被叠加的位置处相比，最终单图像在如下位置处关于各投影通道的临时单图像的正叠加(positivesuperposition)变得更暗：针对要被投影的图像计算的各投影通道的临时单图像的部分(其值不等于零)至少部分地位于该位置处，但并非所有部分都被叠加。为了进行结合，例如，在意图用于要被投影的图像的临时单图像之间使用逻辑操作，诸如，逻辑与或者逻辑或操作。

因此，根据实施例，为了针对具有多个投影通道的多孔径投影显示器生成单图像，使用表示要被投影在不同投影距离下的至少两个图像的图像数据，并且对于所述至少两个要被投影的图像中的每个图像，按照多孔径投影显示器的每个投影通道计算临时单图像，其中合并器实现为针对每个投影通道，将针对要被投影的至少两个图像计算出的各投影通道的临时单图像合并为针对各投影通道的最终单图像。

然而，实施例还提供了一种多孔径投影显示器，其中投影通道的单图像实现为，使得对投影通道的单图像的映射在至少两个不同投影距离处均被叠加为一个投影图像，其中，与在当通过投影通道的光学器件背向投影(back-projected)到投影通道的光学器件的物平面时投影图像的非零值部分彼此全部叠加的位置相比，单图像在以下位置处关于正叠加而变得更暗：当通过投影通道的光学器件背向投影到投影通道的光学器件的物平面时投影图像的非零值部分至少部分地位于该位置处，但并非所有非零值部分都被叠加。

附图说明

本发明的有利实现方案在于从属权利要求的主题，其中以下将参考附图更详细地描述本申请的优选实施例，附图中：

图1示出了根据使用真实投影的实施例的多孔径投影显示器的示意三维视图；

图2示出了根据示例示例性示例的图1的多孔径投影显示器的顶视图，以便示出单独通道的光学器件和单图像的相对位置；

图3示意性地示出了将要被投影的两个图像向通道的光学器件的物平面的背向投影，以及掩膜(mask)数据或临时单图像的透射区域的与操作，其中向在要被投影的图像中位于外侧的物结构被分配较短的投影距离；

图4a示出了根据示出了最终单图像的图3的与操作得到的物结构的顶视图；

图4b示出了根据图4a的图4a通道12’在投影图像处的投影部分，该投影部分是由于与最终单图像的投影距离较短而导致的。

图4c示出了根据图4a的图4a通道12”在投影图像处的投影部分，该投影部分是由于与最终单图像的投影距离较短而导致的。

图4d示出了根据图4a的图4a通道12’在投影图像处的投影部分，该投影部分是由于与最终单图像的投影距离较长而导致的。

图4e示出了根据图4a的图4a通道12”在投影图像处的投影部分，该投影部分是由于与最终单图像的投影距离较长而导致的。

图5示意性示出了按方形排列的投影透镜阵列以及用于索引具体实施方式中使用的通道的注释；

图6示出了图1的多孔径投影显示器和导致焦点深度延伸(EDoF)的示例投影图像之间的示例位置关系的三维视图，其中，具体地，本文以根据映射比例放大的矩形的形式，例示出在两个设定距离内的所设光分布；

图7示出了如何经由交叉检查(intersectionexamination)来在patternL₁(1)和patternL₂(2)的形状中，通过图5的投影通道(2,4)中的物结构，得到具有区域pattern_intersection的最终单图像的示意图；

图8示出了对传统投影仪和EDoF的阵列投影仪在不同投影距离处的明暗边缘的映射特性的比较；

图9示意性地示出了传统投影仪和带有EDoF的阵列投影仪的边缘延伸行为；

图10示意性地示出了根据实施例的单图像生成器的框图；

图11示出了根据实施例的用于对进行镜面虚拟投影成像的单镜系统形式的多孔径投影显示器的示意空间图；

图12示出了根据实施例的针对闭眼应用和将虚拟图像投影逐渐增强到眼睛中的多孔径投影显示器的横截面视图；

图13示意性地示出了单个孔径投影仪和用于示出其焦点深度的示意图；

图14示意性示出了具有规则排列的投影通道的阵列投影仪的三维视图，示例排列包括密封为方形的7x7个单独投影仪和平板背光；

图15示出了图14的排列的示意横截面，以便示出用于确定通过将投影通道进行叠加而得到的聚焦图像所在的距离的2D布局；以及

图16示出了传统单通道投影仪、单投影通道和没有焦点深度延伸的阵列投影仪的模糊行为。

具体实施方式

在下文描述本申请的具体实施例之前，首先尝试描述在下文所示实施例背后的基础构思。例如，下文所述实施例适用于使能将若干光学图案映射到不同几何结构或设定距离上。其特殊情况是保持在被放大的距离范围内根据映射比例保持均匀光学图案。可以将其称作延伸焦点深度。为了示出下文所述实施例背后的原理，首先将描述这种特别情况。

阵列投影仪或多孔径投影显示器的映射特性是基础。由于二维排列的微投影仪或投影光学器件的数值孔径通常小于1mm(D_single<1mm)，相较于总孔径等于该阵列的单通道投影仪，单独投影仪(即，单独投影通道)得到相对较大的焦点深度。对于超过300mm的典型投影距离，存在对每个投影通道的超焦映射，即，在焦点深度范围内不存在真正的远距离L_F。

下文实施例的起点是在投影光学器件的物平面内生成特定物结构或单图像，其中由于所有投影光学器件的光学映射而得到的投影光学器件的图像侧叠加有益于在焦点深度范围内形成整个图像。将根据图4B的多通道投影显示器看作具体示例。将投影显示示例性地设置在400mm的屏幕距离处。通过这样设置，每个投影通道的焦点深度范围从例如200mm延伸到无穷远。如上所述，与具有入射光瞳尺寸D的单孔径投影仪(参见图15)相似，整个阵列具有整个光学器件阵列的扩展(expansion)，仅焦点深度从350...450mm延伸。目的在于更好地使用单独通道的焦点深度并且保持多通道投影显示器的亮度。以下实施例使用以下方法：当在意图焦点深度范围内观察要被投影的图像，并且在焦点深度范围内的每个投影距离(物结构所在的每个投影距离)对应在投影通道的物平面内时，可以看出：在投影通道的物平面内存在多个区域，所述多个区域有助于在期望焦点深度范围内的任何距离处形成被投影的图像。以下实施例通过操控每个通道对整个图像的具体贡献，使得针对焦点深度范围内的所有期望距离维持要投影的图像的图像信息，来利用这一事实。因此，如下所述，变暗或甚至移除在投影通道的物平面内的位置，其中，在所述位置处，被投影图像的背向投影的物结构仅部分地存在于该焦点深度范围内的不同距离处(即，它们并非全部相重叠)，即，例如，遮光掩膜(shadowmask)被遮挡，使得如下文所示，实际上可以明显增加焦点深度范围。然而，还可以修改这种和与操作相对应的艰难过程。

如以下实施例所示，要被投影在不同距离处的图像不限于自身相似的或可以根据光学投影彼此转换的要投影的图像。相反，可以在不同投影距离处获得任何图像内容。首先，基于图1和2，根据延伸焦点深度的具体情况，描述针对单独物结构的单图像内容(即，依赖于通道的)的思维训练或构造说明。

首先，基于对明亮物体(文中，位于两个垂直的屏幕平面内的字母“F”)的投影，来进行描述。到任意数量个(中间)距离的延伸是显而易见的，且下文还将从数学上进行描述。

因此，单独物结构或单图像的图像内容是依赖于通道的。首先，基于对延伸焦点深度的具体情况，更详细地描述所述结构的构造说明，然后描述并示出了可以在不同投影距离处生成不同图像内容。

首先，图1示出了根据实施例的多孔径投影显示器的结构。多孔径投影显示器包括多个横向相连的投影通道12，即，投影通道阵列。每个投影通道具有：单图像生成器14，用于生成相应单图像；以及光学器件16，用于将位于光学器件16的物平面内的相应单图像映射到多孔径投影显示器10的投影方向18。单图像生成器14例如是可以被背向照射的遮光掩膜。例如，所述单图像生成器可以由相同遮光掩膜的多个部分形成。然而，单图像生成器14还可以是自发光元件，诸如，具有与各通道12的相应单图像相对应的发光区域的OLED。单图像生成器还可以是例如能够显示各种图像内容的显示器，其中在这种情况下，应存在控制20以便将单图像生成器的图像内容调整为相应单图像，如下文详细所述。针对背光，可以使用附图示例所示的平面光源22(如果存在)，或每个通道12使用一个光源。例如，平面光源22是OLED、LED阵列等。平面光源22可以实现为发射已经过预校准的背向照射光。在投影方向18中，平面光源22、图像生成器14和光学器件16串联，使得背光经过单图像生成器14的单图像的透射部分，通过光学器件16将单图像的明亮部分映射到透射方向18，其中在适当的方式叠加所述单图像，以便形成要被投影的图像，如下文详细所述。为了获得背光，可选地，可以在每个投影通道12提供一个准直器24；这样，可以增加通过该通道12的光通量(因此，增加所产生的光)。

图2示出了具有光学器件16阵列的通道12的阵列的顶视图，其中将其孔径26示例性地示出为方形，其通过星形来示例性地表示入射光瞳位置28。如图2所示，可以规则地将光学器件布置为包括行列的阵列形式，且任何其他排列也是有可能的。备选地，入射光瞳28可以布置在各孔径26的中心，且还可以存在不同选项。图2还示出了单图像生成器的单图像30的阵列。所述单图像生成器同样形成横向排列。具体地，单图像30位于所述横向排列中，其中所述横向排列与入射光瞳28的横向排列几何相似。在图1的情况下，由于从入射光瞳28的排列在入射光瞳28的阵列中心32周围的中心延伸，导致所述排列。可选地，可以增加相对入射光瞳28阵列的平动偏移。这里，单图像阵列的中心和入射光瞳阵列的中心相重合。多孔径投影显示器10的光轴34(如图1所示)通过上述中心。还有可能存在几何相似的偏差，例如，以便执行对曲面屏几何结构的调整。上述情况并非是图2的情况。

在继续其他描述之前，将进行一些概述。在图1中，示例性假设单图像生成器是遮光掩膜14，诸如，具有黑暗部分或阻挡部分以及明亮部分或透射部分的铬掩膜(chromemasks)。然而，还有可能使用掩膜的反射性，代替背光。换言之，单图像生成器14还可以是具有明亮部分或反射部分以及黑暗部分或非反射部分的反射型掩膜。可以通过导光板来实现正向照射，其中所述导光板布置在光学器件阵列和单图像生成器阵列之间，从一侧被照射并在面向单图像生成器14的一面上向在掩膜14的反射部分处的光学器件16发射反射光。在自发光型单图像生成器的情况下，同样以类似方式存在明亮部分或自发光部分以及黑暗部分或非发光部分，下文中，有时将明亮部分称作非零值部分，将黑暗部分称作零值部分。OLED可以是用于形成固定单图像的选项，且针对可以改变他们各自图像内容的可调整型单图像生成器例示出诸如LCD等的显示器或成像仪。如上所述，单图像生成器14还可以表示单独单图像阵列生成器的不同部分，诸如，掩膜部分的阵列、成像仪部分的阵列。

投影光学器件16到单图像或单图像生成器14的距离或光学器件16阵列和单图像13的阵列或单图像生成器14的阵列之间的距离(图1中示例表示为d)基本与单个投影光学器件16的焦距F相对应。因此，结合每个单独通道12，沿着各通道12专属的光轴36映射单图像26，其中较大焦点深度到达无穷大。在所有单图像30都彼此相同的情况下，应在投影距离L₁处得到聚焦图像，其中投影距离L₁取决于单图像30和入射光瞳28之间的中心距离差Δp，如上所述。

如下所详述，根据图1的实施例，单图像26彼此不同，且以适当方式设计所述单图像，使得在至少两个不同投影距离L₁和L₂处叠加投影通道12的单图像30的映射，以便分别形成一个投影图像38或40，其中与当图像通过投影通道的光学器件16背向投影到物平面42时投影图像38和40的非零值位置彼此全部叠加的位置相比，单图像在以下位置处关于正叠加而变得更暗：当通过投影通道12的光学器件16背向投影到物平面(单图像30所在的平面)时投影图像的非零值部分至少部分地位于该位置处(但并非所有非零值部分都被叠加)。下文中，这一情况进行详细解释，但暂时：如果将屏幕保持在投影显示器10的正面，使得沿着映射方向18将屏幕布置在投影显示器的后方，则可以看出投影在该屏幕上的图像在与投影显示器10相距L₁和L₂的距离处具有最大焦距。如以下所详述，针对这些距离专门设计单图像30。这些距离是设定距离。这些图像具有明亮部分44和黑暗部分46。在图1的情况下，示例性地示出了焦点深度延伸的情况，因此，下文示出了投影图像38和40是可以通过中心延伸或投影到点32(即，在光轴34和入射光瞳平面之间相交)，来彼此进行转换的图像，但是这仅是示例性的。如果分别考虑对这些投影图像38和40的背向投影，这些投影图像38或40中的每个将在单图像所在的物平面42中生成明亮部分和黑暗部分，即，非零值部分和零值部分。

不同图像38和40的背向投影的非零值部分仅在一定程度上交叠。在由于背向投影而导致存在图像38和40之一的至少一个非零值部分的位置处(但是这些非零值部分并非全部重叠，即，并非来自所有图像38和40)，即，在仅对图像38或40之一的明亮部分44进行背向投影的位置处，单图像生成器14的单图像30变暗，即，相较于通过相加或通过与操作合并后向投影以便获得正叠加的可比情况，使单图像生成器14的单图像30变暗。

基于图1所示的具体示例，即，基于对明亮物体的投影，更详细地示出了上述事物，文中，明亮物体是在距离L₁和L₂处的两个垂直平面上的字母“F”，在以下情况中，为了简便，有时将所述两个垂直平面称作“屏幕平面”。此外，通过其他图像延伸到任意数目的(中间)距离是显而易见的。首先，考虑设定距离L₁:L₂＝1:2，其中，在所述位置处出现期望叠加图像。根据式(3)，在两个设定距离上都出现独特幻灯片阵列或临时单图像阵列。由于对两个幻灯片阵列的透射区域进行逻辑与操作(相交)，仅保持有助于在这两个投影距离处形成整体图像的那些区域元素。图3示例性示出了图1在距离L₁和L₂处所示的两个投影图像38和40在物平面42上的背向投影的结果的顶视图，其中图3的圆形示例性地表示光学器件孔径26的位置。这里，将所述背向投影示例性地示出为彼此相邻地布置在紧密填塞的六角形排列中。据此，图3示例性地假设单图像中心距离比孔径中心距离更小，其中下文将描述这种实施例。然而，还将图3的基础构思应用于图1的实施例，即，距离为L₁的近处图像38的明亮部分44的背向投影在单独通道中导致物平面42内的非零值部分或明亮部分48，其中图3以从右上到左下的阴影方式示出了这些部分48，同时较远距离L2处的投影图像40的明亮部分44在通道12中导致物平面42内的非零值部分或明亮部分50，其中以从左上到右下的阴影方式示出了所述部分50。由于距离L2较大，因为图像40的背向投影而生成的图像50彼此具有较小的中心距离，相较于因为在较小距离L₁处的图像的背向投影导致的图像48。为此，明亮区域48和50发生的交叉或交叠在通道之间是不同的。可以从图3看出，相应通道偏离多孔径投影显示器的光轴34越远，交叠区域越小。通过黑色区域52在图3中示出了各通道中的非零值部分48和50二者相交叠的交叉区域。

根据实施例，选择每个单图像30，使得除了交叉区域52之外的区域48和50变暗。因此，在掩膜实施例中，掩膜并非是透射性的。掩膜仅在交叠区域52中是透射性的。图4a再次对此进行描述，与图3相似，图4a示出了物平面42的顶视图，即，所得单图像30的顶视图，其中所得单图像30的非零值部分(例如，透射部分)与图3的交叉区域52相对应。

图4b示例性地示出了在L₁距离处通过示例采用的通道12’得到的特征或明亮区域53以及通过将图像38内所有通道在距离L₁处的单图像或明亮部分52进行叠加而得到的明亮部分44。为了解释为什么图像38中的在距离L₁处的区域44仍形成“良好的”“F”，图4c示出了由于任何其他任意通道12”的单图像30的透射区域而生成的影响，其中在整个区域44的相对位置中通过53来再次表示该区域。显而易见地,所述区域覆盖除了在距离L₁处的通道12’之外的区域44的其他部分。图4d和4e示出了根据示例选择通道12’和12”对距离L2处的投影图像40的明亮区域44的影响53，其中图4d针对通道12’，且图4e针对通道12”。此外，它们覆盖不同部分的图像或图像40的明亮区域54。此外，其他通道覆盖图像38和40中的区域44的其他部分，这样精确形成所需区域44。

换言之，根据上述实施例，为了获得图4a的掩膜阵列，首先，检查整个物结构的所有元素，即，对于掩膜14的掩膜阵列的透射区域，所有元素是否针对属于投影距离为L₁和L₂的所有图案提供透射部分，即，所述元素是否位于交叠区域53中。如果这种检查是肯定的，则保持所述元素，否则，从所得物结构或掩膜移除所述元素，即，将这种位置变暗或使其成为非透射性的。在数学上，这与元素或位置选择性的与操作相对应，即，所有物结构48、50的交叉52，向每个物结构分配投影距离。因此，图4A示出了根据上述交叉检查的所得掩膜结构。

换言之，根据上述实施例，在每个通道中生成独特戳(stamp)或透射结构，所述独特戳或透射结构设置在两个或若干个设定距离处，或甚至设置在连续透射深度区域内，对整体交叠的这种作用使得在各设定距离处保持各设置图像的轮廓。

以下示出了根据焦点距离和延伸深度二者的图像投影变化的一致描述。

考虑物结构平面，将坐标起点设置在其中心。示出：对于小透镜或通道12(i,j)(其中如图5所示，(i,j)示例性地表示以p为单位从相对光轴38的位置测量的横向位置)，pattern表示针对距离或几何结构要映射的图案。对于文献[2]的阵列投影仪，即，仅存在以聚焦方式执行映射的一个几何结构。本发明允许针对两个或更多个几何结构生成聚焦图像。对于不同距离，可以总是相同图案(焦点深度延伸)，或还可以总是不同图案。

针对特定投影距离L_k，给出期望图像image_Lk(这里，简化为：垂直屏幕)。根据文献[3]，有可能进行一般化以便使屏幕可以是任何几何结构。根据映射规则(式(3))，针对在单独通道(i,j)的物侧上以方形排列的阵列(图像13)，得到以下幻灯片或物结构Pattern_Lk(i,j)：

并且 $y=\frac{y_0}{M_k}+i\&CenterDot;\left({\mathrm{\&Delta;p}}_y\right(L_k)+p_y)\}$

这里，是该阵列的透镜距离中的第k个投影距离p_x＝p_y＝p的映射比例， $\mathrm{\&Delta;}p\left(L_k\right)={\mathrm{\&Delta;p}}_x\left(L_k\right)={\mathrm{\&Delta;p}}_y\left(L_k\right)=\frac{s}{L_k}\&CenterDot;p=\frac{1}{M_k}\&CenterDot;p$ 是依赖于投影距离的中心距离差。现在，通过Pattern_Intersection(i,j)来表示通过以下与操作在通道(i,j)中生成的那些区域：

和

这种投影系统的总透射率与单独幻灯片的透射区域的总和成正比。文中，对于通道A_Pattern(i,j)的被照射区域内容，应用下式：

$A_{Pattern}(i,j):=\&Integral;\&Integral;I_{{\mathrm{Pattern}}_{Inter\sec tion}(i,j)}(x,y)dxdy$

文中，I是指示函数(或也被称作特征函数)，定义如下：

$I_M(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \begin{array}{cc}if& (x,y)\&Element;M\end{array}\\ 0,& else\end{array}\right.$

所有投影通道的透射性总区域A_overall＝∑_i,jA_Pattern(i,j)对于根据这种方法生成的投影装置的总透射率是至关重要的。

如示例1，描述了居中的矩形，也就是说，在屏幕平面中，(L₁＝400mm测量宽度x高度＝B₁xH₁＝5mmx20mm且根据屏幕距离比L₂:L₁＝2:1，L₂＝800mm)B₂xH₂＝2·(B₁xH₁)＝10mmx40mm(图6)。

对于(i,j)＝(2,4)，针对以下矩形，L＝{400mm,800mm}且p＝0,8mm(图5的矩阵结构)，得到与图7相似的物结构：

以上描述了针对小透镜(2,4)的透射区域(参见图7)。对于这种示例选择的投影仪小透镜的透射区域，得到以下结果：

$A_{Pattern}(2,4):=\&Integral;\&Integral;I_{{\mathrm{Pattern}}_{Inter\sec tion}\left(24\right)}(x,y)dxdy=1,632\&CenterDot;{10}^{-3}{\mathrm{mm}}^2$

如果将整个阵列投影仪的透射区域与根据文献[2]所示的传统投影仪的延伸的焦点深度进行比较,则得到26％的相对光损耗。

$\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{ij=-5}^5{A}_{Pattern}(i,j)}{121\&CenterDot;A_{Pattern}(0,0)}\&ap;74\%$

根据本发明的具有被操控物结构的阵列投影仪的依赖于深度的映射特性明显依赖于要投影的光学图案，且从根本上与传统单个通道投影系统的映射特性不同。示例地，下文示出了明显简化示例，使得针对不同光学系统表现简单明暗边缘的映射，以便随后能够比较两个等同系统。

下文中，基于明暗边缘来检查阵列投影仪的光学映射与传统单通道投影仪或具有单个设定距离的阵列投影仪的光学映射如何不同。这里，区别在于：

a)通过投影光学器件的后焦距(在该实例中，533mm)给出单独通道的投影距离L_foc；以及

b)通过上述装置或方法来生成聚焦图像所在的设定距离(在该实例中:为400mm和800mm)。

图8示出了针对传统投影仪(曲线60)和焦点深度延伸(EDoF)的阵列投影仪的明暗边缘的映射的分析仿真结果。具体地，图8示出了对传统投影仪(曲线60)和EDoF的阵列投影仪(曲线62)在400mm、533mm和800mm处的明暗边缘的映射特性的比较。图中的横坐标与图像空间中的横向坐标相对应。示出了延伸10mm的区域。单通道投影仪的横向延伸为8、8x8、8mm(方形孔径)，而由11x11个单独投影仪小透镜构成的阵列包括0、8x0、8mm的单个延伸。根据映射等式，将每个投影仪小透镜的后焦距被设置为533mm。EDoF的阵列投影仪的设定距离为400mm和800mm。

根据所述分析，可以看出所提出的布局可以在较大的投影距离范围内改善图像边缘的可视性。在图像中，清楚的是与传统单通道投影仪相反，当在非设定距离处进行映射时发生不对称模糊现象以及边缘中心K_center移位。

该过程可以被限定如下：

${\mathrm{Kcenter}}_{EDoF}\left(L\right)=arg\underset{x}{\min }|Inttensity(L,x)-0,5|$

通过考虑由于散焦而发生的冲刷(washout)，这导致所有通道的(相对)叠加强度。

由于在图像空间的非对称边缘延伸行为，必须区分一下情况：延伸到被照亮区域的边缘的留白(margin)被表示为K_bright。类似地，K_dark表示在暗图像区域中的边缘的留白：

${\mathrm{Kdark}}_{eDoF}\left(L\right)=max\left(\arg \underset{x}{\max }\right(Intensity\left(L,x\right)\left)\right)$

${\mathrm{Kbright}}_{eDoF}\left(L\right)=\min \left(\arg \underset{x}{\min }\right(Intensity\left(L,x\right)\left)\right)$

将这些等式应用于示例选择的明暗分布(左-暗、右-亮)。类似地，发生相反情况。对于所选投影距离(文中示例距离为400mm、533、800mm)，图9在上部示出了暗边缘区域66和亮边缘区域68的区域。在下部，用虚线示出了传统投影仪的模糊行为和EDoF(区域)的阵列投影仪。两个系统具有相同的总孔径8,8x8,8mm2。被冲刷的两个不对称边缘(曲线70、72)和边缘移位(曲线74)清楚可视。

可以通过在设定距离处改变光图案来抵消(counteract)所示出的边缘位置的移位。

所述效应如下所示：通过以下参数限定传统单通道投影仪：孔径：D＝8,8mm(方形)；焦距：L_foc＝533mm；在下文中，检查应如何缩小光瞳，以便在400mm和800mm的距离处相对所提出的装置具有相同的模糊行为。式(3)的评价示出了单通道投影仪的光瞳应被限制为1,46mm，所述距离对应于将光通量减少大约3％。通过使用本文提出的装置来延伸焦点深度(EDoF)，该值对应于大约74％的光通量(示例：明亮矩形，如上所述)。这里，应注意，所提出的系统的这种透射损耗明显依赖于要被投影的图像或所选的设定距离。对于典型图像内容和投影距离，预期>60％的值。

参考以上描述，图10针对具有多个投影通道的多孔径投影显示器示出了单图像生成器的实施例。通常，由附图标记80来表示单图像生成器。图10的单图像生成器80包括用于接收图像数据84的图像数据输入82，其中所述图像数据84表示要投影在不同投影距离处的至少两个图像，诸如，在距离L₁和L₂处的图像38和40。此外，单图像生成器80包括：单图像计算器86，用于针对要被投影的至少两个图像(诸如，正好是图像48和50)中的每一个计算多孔径投影显示器的每个通道12的临时单图像。对于每个投影图通道，单图像生成器80的合并器88将针对要被投影的至少两个图像计算出的各投影通道的单图像合并为各投影通道的最终单图像，诸如，正好是如图4a所示的那些最终单图像。如上所述，还有可能延伸到更多个要投影的图像。

基本地，图10还示出了各单图像生成方法的步骤，即，在82处接收图像数据；在86处计算临时单图像并在88处合并所述临时单图像。因此，还将以下详细功能描述理解为对各方法的描述。

在详细描述根据图10的图像生成之前，应注意，还可以线下地或线上地执行根据图10的图像生成。这意味着：可以在控制20中执行例如图1实施例中的单图像生成。然而，有可能馈入表示期望图像38和40的图像数据84，然后单图像生成相应地控制图1的单图像生成器14，使得单图像生成器14指示最终计算出的单图像。然而，图10的单图像生成器或单图像生成方法还可以是纯设计工具或用于生成单图像生成器14的制作方法的一部分，诸如，在单图像生成器14由掩膜形成的情况下，可以是掩膜。在图10的虚线框90中总结后者备选方案，表示为“单图像生成”。因此，所述单图像生成可以是掩膜生成器或掩膜生成。备选地，合并88的结果还可以是例如存储在适当数据载体上的输出数据，其中输出数据表示通过进行合并得到的单图像30的排列。

上述的简化情况是图像数据84以二进制方式表示要被投影的至少两个图像38和40，即，排除性地仅包括明亮区域44和黑暗区域46。在这种情况下，计算器86中的单图像计算例如针对要被投影的图像38或40中的每一个，计算临时单图像30的阵列，使得针对要被投影的每个图像38或48，临时单图像的相应阵列或临时单图像本身表示经过光学器件14的阵列到物平面42的背向投影。结果将是二进制的临时单图像，如图3的48或50示例所示。这意味着通过使用多孔径投影显示器10的光学参数，诸如，光学映射参数(诸如，投影距离L₁、L₂，孔径中心距离p、物距d以及可能可选的其他参数)，来执行计算。然而，所述计算还可以是更复杂的。具体地，所述计算不需要是独特的。例如，还有可能针对与光轴34不垂直的或甚至弯曲的投影平面执行计算，对于所述类型的计算，示例文献[3]。可以有区别地向通道分配图像部分，诸如，以便增强焦点。

接着，合并器88诸如通过上述逻辑操作，即，在逻辑1与明亮部分相对应的情况下为与操作，在逻辑1与黑暗部分相对应的情况下为逻辑或操作，执行对二进制的临时单图像或二进制值的临时单图像的排列的合并。因此，所述结果是每个通道的最终二进制单图像，或这种具有黑暗或明亮部分的最终单图像的排列，其中如上所示，黑暗或明亮部分可以表示例如透射型、反射型或自发光型部分。在透射型掩膜的情况下，将制作如上所述的相应铬掩膜。否则，以适合的方式控制像素化的成像仪，以便指示明亮区域或黑暗区域。

另一选项在于：不通过图像数据84以二进制方式表示要投影的图像38或40。因此，所述图像数据可以具有较高值，例如，它们可以是三价的。在这种情况下，单图像计算器86在它的计算中向不同数量的通道12分配图像38和40的不同值的部分，使得要被投影的每个图像38，计算出的临时单图像都是二进制的，但是当叠加所述临时单图像时，在相应投影距离处生成要被投影38的多值化图像。然后，合并器88中的合并起到与在要被投影的纯二进制图像38或40的情况下完全相同的作用。

应注意，本发明实施例的优点在于：至少两个不同投影距离L_k之间的最大差值(即，或)可以大于针对所有投影距离L_k的平均投影距离L的投影显示器的通常可得焦点深度，即，大于其中D是投影通道的光学器件的总的光瞳扩展，L是不同投影距离的平均值，β＝0.005。因此，这对于以下情况是尤其有趣的：通过图像数据84来表示要被投影的图像，使得所述图像实际上是由于在光轴34和入射光瞳平面的交点处的中心延伸，根据另一图像生成的，其中将上述现象描述为焦点深度延伸。这里，例如，图像数据84可以是已设计的，使得它们以某种形式存在，根据所述形式，在不同投影距离的图像数据84中，仅包括一个图像，这样，通过依赖于各投影距离的中心延伸得到至少两个要投影的图像。

为了完整性，图11和图12还示出，根据其他实施例，具有上述优点的多孔径投影显示器可以实现为头戴式显示器，以便经由适合的逐渐增强区域在人视野中逐渐增强作为虚拟图像的图像38和40，诸如，车辆的窗口92或近眼(near-eye)显示器，以便在观察者眼睛94的视野内逐渐增强作为虚拟图像的图像38或40，诸如，电子眼镜的形式。在图11的情况下，单图像生成器14例如是同研磨的部分或通用显示器的部分。

与图1相反，在图11的情况下，仅入射光瞳中心距离大于单图像中心距离，其中通过立体角区域的扩展D(参见图15)来确定显示器的扩展(即，被投影光学器件孔径全部覆盖的区域)，其中，在立体角区域内，显示器可以向用户表示图像38或40。在图11的情况下，单独通道12用于在人的视野范围内覆盖人的眼睛运动盒(motionbox)。在图12的情况下，示例性地提供反射操作的单图像生成器14，诸如，反射型掩膜。经由在光学器件16和单图像生成器14之间的分束器94执行照明。通过发散光源96和准直器98形成光源22，其中发散光源96和准直器98将准直后的光横向引入分束器94，使得照射反射型单图像生成器14，并通过分束器和光学器件16在单图像限定的位置处将光线反射到眼睛94，其中在视网膜上叠加单图像的映射，以便形成虚拟图像38或40。

针对上述实施例进行以下说明，以便消除无法延伸或修改上述实施例的印象。

1)上述实施例特别适用于投影二进制光学图案，并且还可以通过以下操作延伸到灰度级图像

○将限定数量的不同二进制图像进行叠加

○将限定数量的适合灰度值幻灯片进行叠加

2)与点1)相似，可以执行生成彩色图像内容。有可能地，在执行数学运算之间，将光图案划分为多个首要颜色部分。

3)根据DeMorgan法则还可以将所述操作应用于分别针对所有设定距离得到的物结构的吸收部分。代替与操作，可以使用逻辑或操作。

在上述实施例中，相较于在本说明书的背景技术部分所述的现有技术的投影系统，存在固有选项：在投影距离范围内投射交替光图案，而无需其他机械装置。作为特定情况，在限定的距离范围内保持光图案。如果相较于典型系统，考虑对此的光学模拟(焦点深度延伸)，则将得到系统透射率的巨大提升，因此，效率增加。上述实施例提供以下优点或映射特性：在不同几何结构或投影距离上生成不同图案，而无需单独的控制或控制电路。

因此，上述实施例允许在不同投影距离或不同屏幕几何结构上对多个高对比度的光图案进行光学成像。还包括在所述示例内的具体情况是在多变的投影距离或几何结构内保持固定光图案。尽管当生成变化图像内容时不清楚技术方案，然而增加焦点深度的重要技术优势在于有效系统透射率的剧增。为了生成所述映射特性，不需要对透镜或光瞳进行机械改变。仅操控物结构，其中以上描述了完整的技术设计。对操控图像内容的限制允许实现简单、紧凑并鲁棒的保护系统。

用于依赖于距离地表示不同图像内容并延伸焦点深度的上述实施例的可能应用领域在于例如3D测量技术以及结构化照明和信息显示。

尽管在装置的背景下描述了一些方面，然而显而易见的是这些方面还表示对相应方法的描述，使得可以将来自装置的组块或设备视作相应方法步骤、或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的多个方面或被描述为方法步骤的多个方面还表示对响应组块的描述，或相应装置的详情或特征。可以通过(使用)硬件装置(例如，微处理器、可编程计算机或电学电路)来执行所述方法步骤的一部分或全部。在一些实施例中，可以通过这种装置来执行最重要的方法步骤的一部分或若干部分。

根据一些实现要求，本发明示例可以实现为硬件或软件。可以使用数字存储介质来执行该实现方案，例如，软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘驱动、或将电学可读的控制信号存储在其上的其它磁性或光学存储器，其中所述信号可以与可编程计算机系统合作或协作，使得执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括具有电学可读控制信号的数据载体，其中所述信号能够与可编程计算机系统一同合作，使得执行这里所述的方法之一。

通常，本发明示例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，其中当在计算机上运行所述计算机程序产品时，所述程序代码可操作用于执行所述方法之一。所述程序代码可以例如是存储在机器可读载体上。

其他示例包括用于执行这里所述的方法之一的计算机程序，其中所述计算机程序出差你还在机器可读载体上。

因此，换言之，本发明的实施例是具有程序代码的计算机程序，其中当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序代码用于执行这里所述的方法之一。

因此，本发明方法的其他示例是包括并在其上记录计算机程序的数据载体(或数字存储介质、或计算机可读介质)，所述计算机程序用于执行这里所述的方法之一。

因此，本发明方法的另一实施例是表示计算机程序的数据流或信号序列，所述计算机程序用于执行这里所述的方法之一。数据流或信号序列可以例如配置为经由数据通信连接进行发送的，例如，经由互联网。

另一实施例包括处理装置，例如，计算机、或可编程逻辑器件，配置为或用于执行这里所述的方法之一。

另一实施例包括在其上安装计算机程序的计算机，所述计算机程序用于执行这里所述的方法之一。

根据本发明的另一实施例包括装置或系统，配置为向接收机发送用于执行这里所述的方法之一的计算机程序。所述发送可以是电学的或光学的。接收机可以例如是计算机、移动设备、存储设备等。所述装置或系统可以例如包括文件服务器，用于向接收机发送计算机程序。

在一些实施例中，可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行这里所述的方法的功能中的一部分或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器进行合作，以便执行这里所述的方法之一。通常，在一些实施例中，优选地，通过任意硬件装置来执行所述方法。所述硬件装置可以是通常可使用的硬件(诸如，计算机处理器(CPU))或所述方法的专用硬件(诸如ASIC)。

上述实施例仅是为了示出本发明的原理。应理解，对这里所述的装置和详情进行的修改和改变对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明仅由以下专利权利要求的范围所限定，但不受通过对这里的实施例进行描述和解释呈现出的具体详情的限制。

文献

[1]W.J.Smith,ModernOpticalEngineering(McGraw-Hill,2007).

[2]DE102009024894A1

[3]DE102011076083A1

[4]MarcelSieler,PeterSchreiber,PeterDannberg,AndreasandAndreasTünnermann,“Ultraslimfixedpatternprojectorswithinherenthomogenizationofillumination,”Appl.Opt.51,64-74(2012).

Claims (18)

1.一种针对具有多个投影通道的多孔径投影显示器的单图像生成器，包括：

输入(82)，实现为接收表示要在不同投影距离处投影的至少两个图像(38,40)的图像数据(84)；

单图像计算器(86)，实现为按照多孔径投影显示器的投影通道(12)为要被投影的所述至少两个图像中的每一个计算临时单图像(48,50)；以及

合并器(88)，实现为针对每个投影通道，将针对要被投影的所述至少两个图像计算的各投影通道的所述临时单图像合并为针对各投影通道的最终单图像(30)。

2.根据权利要求1所述的单图像生成器，其中所述合并器(88)实现为执行合并，使得，与在对针对要被投影的至少两个图像计算的各投影通道的临时单图像的非零值部分全部被叠加的位置处相比，各投影通道的最终单图像(30)在如下位置处关于各投影通道的临时单图像的正叠加变得更暗：针对要被投影的所述至少两个图像计算的各投影通道的临时单图像的非零值部分(48,50)至少部分地位于该位置处，但并非所有非零值部分都被叠加。

3.根据权利要求1或2所述的单图像生成器，其中所述合并器(88)实现为：通过在针对要被投影的所述至少两个图像计算的各投影通道的临时单图像之间使用逻辑操作，来执行合并。

4.根据权利要求3所述的单图像生成器，其中所述合并器(88)实现为：使得逻辑操作包括各投影通道的临时单图像的逻辑与链接或逻辑或链接。

5.根据前述权利要求之一所述的单图像生成器，其中所述单图像计算器(86)实现为：使得临时单图像是二进制的。

6.根据前述权利要求之一所述的单图像生成器，其中所述图像数据(84)以二进制的方式表示要被投影的所述至少两个图像；或所述单图像计算器(86)实现为：执行所述计算，使得对于要被投影的所述至少两个图像中的每一个，临时单图像是二进制的，但以三值或更高值的方式在相应投影距离处被叠加成要被投影的相应图像。

7.根据前述权利要求之一所述的单图像生成器，其中所述输入(82)实现为：以一格式接收图像数据，使得最终单图像(30)导致对二进制的投影具有增加的焦点深度，其中根据所述格式,在图像数据中,图像被包括在不同投影距离处,从所述不同投影距离处，通过依赖于相应投影距离的中心延伸,得到要被投影的至少两个图像。

8.一种多孔径投影显示器，包括根据前述权利要求之一所述的单图像生成器。

9.一种多孔径投影显示器，包括：多个横向相邻的投影通道(12)，每个投影通道都包括一个单图像生成器(14)和光学器件(16)，所述单图像生成器(14)用于生成相应单图像(30)，所述光学器件(16)用于将位于光学器件的物平面(42)内的相应单图像映射到多孔径投影显示器的投影方向(18)，其中投影通道的单图像实现为，使得对投影通道的单图像的映射在至少两个不同投影距离处均被叠加为一个相应投影图像(38,40)，其中，与当通过投影通道的光学器件背向投影到投影通道的光学器件的物平面(42)时投影图像(38,40)的非零值部分(44)彼此全部叠加的位置(52)相比，单图像在以下位置(48,50)处关于正叠加而变得更暗：当通过投影通道的光学器件背向投影到投影通道的光学器件的物平面(42)时投影图像的非零值部分(44)至少部分地位于该位置处，但并非所有非零值部分都被叠加。

10.根据权利要求9所述的多孔径投影显示器，其中所述至少两个不同投影距离之间的差值的最大值大于其中D是投影通道的全部光学器件穿越其延伸的扩展范围，L是不同投影距离的平均值，且β＝0.005。

11.根据权利要求9或10所述的多孔径投影显示器，其中所述单图像生成器(14)实现为：使得对于多个投影通道中的每一个，单图像(30)是二进制的。

12.根据权利要11所述的多孔径投影显示器，其中所述单图像生成器(14)实现为：使得投影图像(38,40)在不同投影距离处是二进制的，且对于多个投影通道中的每一个，单图像表示通过相应投影通道的光学器件将不同投影距离处的投影图像向相应投影通道的光学器件的物平面的背向投影的逻辑与操作或逻辑或操作。

13.根据权利要求9到12之一所述的多孔径投影显示器，其中所述单图像生成器实现为：使得能够通过中心投影到多孔径投影显示器的光轴(34)和多孔径投影显示器的光学器件的入射光瞳(28)所布置在的平面之间的交点上，在不同投影距离处将投影图像彼此转换。

14.根据权利要求9到12之一所述的多孔径投影显示器，其中对于每个投影通道，相应单图像生成器包括背光和遮光掩膜或前光和反射掩膜的串联。

15.根据权利要求8到13之一所述的多孔径投影显示器，其中所述投影通道实现为，使得对投影通道的单图像的映射在所述至少两个不同投影距离处叠加成的投影图像是真实图像；或投影通道实现为，使得对投影通道的单图像的映射在所述至少两个不同投影距离处叠加成的投影图像是虚拟图像。

16.一种针对包括多个投影通道的多孔径投影显示器进行单图像生成的方法，包括：

接收表示要在不同投影距离处投影的至少两个图像的图像数据；

按照投影通道为要被投影的所述至少两个图像中的每一个计算临时单图像；以及

针对每个投影通道，将针对要被投影的所述至少两个图像计算的各投影通道的临时单图像合并为针对各投影通道的最终单图像。

17.根据权利要求16所述的用于进行单图像生成的方法的制造方法，以及对光学掩膜阵列的制造，使得所述光学掩膜阵列与根据图16生成的最终单图像相对应。

18.一种具有程序代码的计算机程序，所述程序代码用于当在计算机上运行所述程序时执行根据权利要求16所述的方法。