CN1193389A

CN1193389A - 三维成象系统

Info

Publication number: CN1193389A
Application number: CN96196150A
Authority: CN
Inventors: J·N·沃尔斯塔特尔
Original assignee: JACOB N WOHLSTADTER
Current assignee: JACOB N WOHLSTADTER
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 1998-09-16
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: KR100436538B1; JPH11513129A; CN1645187A; EP0871917A4; TW355756B; WO1996041227A1; KR19990022726A; KR100417567B1; CN1188727C; EP0871917A1; CA2223126A1; AU6276496A

Abstract

表面工艺的最新发展导致了极小尺寸(亚微米)器件的开发。这些技术使聚合物微型透镜(14)以及变焦距液体透镜(52)的生产得以实现。本发明主要涉及小尺寸透镜在制造能展现三维(3D)效果的新颖显示器上的应用。静态图象和视频图象(或其它运动图象)都可以被生成。

Description

三维成象系统

发明领域：

本发明总的来说涉及光学系统，特别是含有衍射，折射，或衍射/折射复合透镜的三维成象系统。

背景：

人的视觉

正常人的视觉可以在充满色彩和三维(3D)的可见区域中形成空间感觉。通过对立体观测或视觉空间感觉的了解，可以对摄影系统在为观察者提供可接受的三维立体图象或立体模型方面所需的光学要求给出一个较好的认识。

空间感觉的刺激条件称为信号，并被分成两组。单目组允许用一只眼进行立体观测，包括物体的相对尺寸，物体间的相互干涉，线性和空中透视，光和影的分布，物体的运动视差以及背景和视力适应。双目组使用两眼的两种协调活动：首先进行视觉聚焦，在此光轴依靠肌肉的活动从远视的平行态会聚到150mm的近点，聚焦夹角为23°；其次产生立体视觉，在此，由于所取的是两个不同的视觉观察点，因此成象几何形状给左右眼提供完全不同的视网膜图象。不同点是由视差造成的，即偏离光轴物点的相应点或相似点由于它在双目观察范围内的位置而造成的相对位移。

视网膜图象被编译成受频率调制的电压脉冲沿着视觉神经传送，并在经过中间级横向生长的膝状体时以及随后到达大脑视觉外皮时实现信号处理。观察者得到的是合成的视觉图象。有关人的三维感觉的进一步讨论，可参见Sindney F.Ray的文章“摄影系统中的应用摄影光学成象系统，胶片及视频”，Focal Press，pp.469-484，(1988)，该篇在此引入作为参考。

三维技术

许多现有技术的三维成象系统利用视差产生三维效果。上面提到的在此引入作为参考的Ray的文章中，其65.5节对几种以视差为基础的技术给予了很好地描述，其中包括诸如三维电影、两张并列偏移的图象的立体观察以及三维贺卡等。虽然这些仅以视差为基础的系统提供了一定程度的三维效果，但很容易便可看出它们是不真实的。

另一种广为人知的但过于复杂的生成三维图象的技术是全息照相术。尽管全息照相术可以生成非常逼真的三维图象，但由于需要相干光源(如激光)和暗室或近暗室来产生全息图象，因此全息照相术的应用受到了限制。

一种用于产生三维图象、被称为积分照相术的现有技术，将一种小透镜阵列(被称为苍蝇眼透镜或微型透镜阵列)同时用到三维图象的生成和复制中。积分照相术技术的有关描述可参见Lives，Herbert E.的文章，“Lippmann透镜状薄片的光学性能，”Journal of the Optical Society ofAmerica 21(3)：171-176(1931)。

为了产生三维图象而含有微型透镜阵列的其它技术在以下文章中有所描述：Yang等人1988年的文章，“关于新型三维成象系统的光学系统讨论，”Applied Optics 27(21)：4529-4534；Davies等人1988年的文章，“三维成象系统：最新进展，”Applied Optics 27(21)：4520-4528；Davies等人1994年的文章，“利用微距镜阵列的图像传送系统的设计和分析，”OpticalEngineering 33(11)：3624-3633；Benton，Stephen A 1972年的文章，“直接无畸变的全景立体摄影机，”USPN 3,657，981；Nims等人1974年的文章“三维图片及其创作方法，”USPN 3,852,787；以及Davies等人1991年的文章，“成像系统，”USPN 5,040,871，每篇在此引入作为参考。上面以微型透镜阵列为基础的三维光学系统的缺点在于，阵列中所有透镜具有固定的焦距。这大大限制了该种阵列所能产生的三维效果的种类。

微型透镜阵列的制造

近来，小尺寸表面器件的生产取得了巨大进展。使用自组合单层(SAM)的微型压印技术降低了亚微米(＜10⁶)尺寸器件的生产成本。

某些化合物，当将其放在适当的环境中时，能自发形成一个有序的两维结晶阵列。例如链烷硫赶的溶液在金上就表现出现这一性质。微型压印或微型接触印刷用一种“橡胶”(有机硅橡胶)压滚有选择地将链烷硫赶沉积在位于金表面的小畴里。具有预定器件形状和尺寸的母模用电子工艺中熟知的光刻技术制成。将一种名为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的有机硅橡胶浇注到母模上并让它凝固，然后再轻轻移去。之后，通过在PDMS表面刷上一层合适的链烷硫赶溶液给产生的印模涂上油墨。接下来将PDMS链烷硫赶印模放到金表面上。链烷硫赶的预定图形作为一个单层被有选择地沉积到金表面。为了休整表面性能，各单层可能具有许多衍生出来的首基(暴露于远离金属表面的环境中)。

在这种制法中，亲水性和疏水性的交替畴可以按很小的尺寸很容易地制作在表面上。在适当的条件下，将这样一种表面在水蒸气中冷却，它将有选择的把小水滴凝结在亲水性的表面畴中。这样的小水滴可以作为会聚的或发散的微型透镜。可以制出任何形状的透镜或透镜元件。SAMs可以有选择的被沉积到平面或曲面上，这些平面对光可以是透明的也可以是不透明的。可以使用断裂式、相邻式、堆叠式以及SAM表面的其它构造形式，从而生成复杂的透镜形状。

采用与上面谈到的SAM相似的技术，已经用透明的聚合物制出稳定的微型透镜。例如，一种非聚合的单分子物体(是亲水性的)溶液将有选择地吸附到位于某一衍生SAM表面的亲水性畴中。那时可能会激发聚合作用(如由加热引起)。通过改变衍生表面畴的形状、畴中溶液的含量以及溶液组分，可以形成光学性质各异的不同透镜。

含有液体光学元件和SAM的光学技术的例子参见Kumar等人1994的文章，“用作为衍射光栅的摹制凝结图形，”Science 263：60-62；Kumar等人1993年的文章，“具有微米至厘米量级的金器件可以通过用弹性印模及链烷硫赶“油墨”压印最后是化学蚀刻的组合过程形成，”Appl，Phys，Lett，63(14)：2002-2004；Kumar等人1994年的文章，“摹制自组合单层：材料科学中的应用，”Langmuir 10(5)：1498-1511；Chaudhury等人1992年的文章，“如何使水上流，”Science 256：1539-1541；Abbott等人1994的文章，“由15(二茂铁基碳酰)十五烷硫赶形成于金上所得到的自组合单层上的水溶液的与势能有关的润湿问题，”Langmuir 10(5)：1493-1497；以及Gorman等人在印的文章，“利用在自组合单层上施加电势控制调整后金表面上的液透镜形状，”Harvard University，Department of Chemistry，每篇在此引入作为参考。

微型透镜阵列也可以用其它几种熟知的工艺制成。一些有关制造微型透镜或微型镜阵列的例证性技术公开在以下文章中，每篇在此引入作为参考，这些文章包括：Liau等人1994年的文章，“借助于一步蚀刻和批量传送平滑技术的大数值孔径微距镜的制造问题，”Appl，Phys，Lett，64(12)：1484-1486；Jay等人1994的文章，“用于折射性微距镜制造的光刻胶预定形问题”Optical Engineering 33(11)：3552-3555；Macfarlane等人1994年的文章，“微距镜阵列的微射流制造技术，”IEEE Photonics Technology letters 6(9)：1112-1114；Stern等人1994年的文章，“相干折射微距镜阵列的干蚀刻问题，”Optical Engineering33(11)：3547-3551；以及Kendall等人1994的文章，“利用KOH：H₂O对用于透镜样板的硅进行微切削加工的微镜阵列，测地透镜及其它应用，”Optical engineering 33(11)：3578-3588.

焦距的变化和控制

利用上面谈到的微型压印技术，可以制出具有各种焦距的小透镜。获得各种焦距的方法有几种，例如，(i)通过使用电位；(ii)通过机械变形；(iii)通过选择性的沉积，如来自气相的液体水滴的沉积(象上面引入的Kumar等人(Science，1994)描述的)；(iv)通过加热或熔化(例如可以使结构熔化从而改变光学性能，如某些制模相当粗糙的微型透镜经熔化后会变成较为精细的光学元件)。

表面上溶液的湿度或扩张程度可以通过改变系统的电学性能来控制。例如，通过在液体透镜中放置微型电极和改变相对于表面的电位可以改变透镜的曲率，参见上面引入的Abbott等人的文章。在其它的结构中，疏水性微型液体透镜被制作在表面上并被一种水溶液覆盖，其表面电位随着水溶液的改变而改变。这种系统已经示范出体积非常小的透镜(1nL)，此种透镜具有快速、可逆地改变焦距的能力(参见上面引入的Gorman等人的文章)。

现在参照图3，给出变焦距透镜的一个草图。变焦距透镜50包括一个液体透镜52和两个SAM表面54，SAM表面54附着在液体透镜52上。从图3(a)到3(c)，通过改变SAM表面54间的距离，使液体透镜52的形状发生变化然后导致其光学特性的改变。还有其它几种方法也可以改变液体透镜52的形状和光学特性。例如，可以改变透镜52和表面54间的电位从而造成透镜52的形状变化，对此，后面根据图4作了进一步讨论。通过使用不同的液体材料可以改变透镜52的折射系数。通过改变液体材料和表面54的化学组分及化学性质，可以对液体透镜52的内聚性和附着性进行调整。表面54的三维特征可以发生变化。例如，当从表面54的上部或底部观察时，它可以是圆形、矩形、椭圆形或其它任何一种形状，还可以被移动使其上下颠倒。这些技术可以单独使用也可以组合在一起使用，从而产生各种透镜形状和光学效果。

现在参照图4，给出一个电学调焦透镜的草图，此种透镜曾在上面引入的Abbott等人的文章中公开过。把液体52的液滴放在SAM表面54上，再把SAM表面54制作在金属表面56上，金属表面56的优选材料为金。通过改变微型电极58与SAM表面54间的电位，可以改变液体透镜52的曲率(既而也就改变了它的光学特性)。图4(a)到4(c)粗略地给出了液体透镜52形状的变化情况。采用上面Gorman等人文章中描述的技术，虽然不需要微型电极58，但可以得到相似的结果。

另外，此类微型透镜可以通过机械手段进行聚焦。例如，弹性聚合透镜或弹性透镜可以通过压电装置使其压缩和舒张从而产生各种焦距。除此之外，密封在弹性罩中的液体透镜可以用机械手段使其压缩和舒张。

发明概述

本发明提供了一种三维光学系统，与现有的技术相对照，此系统包括一个变焦距微型透镜阵列和一个好象是由某种具有相当大景深的光学系统拍摄下来的图象；那也就是说，在预定的区域内，图象中各种距离上的物体基本上是清晰的。在一个可供选择的实施方案中，变焦距微型透镜阵列可以同静止的或运动的图象结合在一起使用，从而使图象的视在距离产生变动。另一种实施方案采用具有变焦距元件的固定阵列来产生三维及其它光学效果。

附图简述

图1所示是根据某一优选实施方案实现的配有一个微型透镜阵列的三维成象系统的简图。

图2(a)～2(c)所示是在各种条件下指向观察者的光通路的简图。

图3(a)～3(c)的简图说明了通过使用SAM改变液体微型透镜焦距的一种技术。

图4(a)～4(c)的简图说明了通过使用SAM改变液体微型透镜焦距的另一种技术。

图5是一个摄影机(camera)的方框图，用此摄影机可以拍摄到某一优选实施方案中用到的那类二维图象。

具体描述

参照附图，可以对优选实施方案的结构和功能有一个很好的了解。读者将会注意到，同样的参考数字出现在多个附图中。在这种情况出现的地方，参考数字所指的是同一个或相应的结构。在优选实施方案中，利用上面谈到的技术制造出来的变焦距液体微型透镜将与静止的或运动的具有较大景深的图象一起使用，从而产生三维效果。

参照图2(a)，被人眼观察到的图象包括多个可连续细致观察的极小点。当光落到物点上时，光被散射同时物点以漫反射的方式向外射出一个光锥30(即对着某一立体角的光)。如果物体是观察者20在相当远的地方看到的，则光锥30只有一小部分被收集到；收集到的光线近乎平行(参见图2(a)：远焦点)。随着观察距离的缩短，由观察者20眼睛收集到的光线不再平行，而是以变大的发射角被收集(参见图2(a)：中间焦点和近焦点)。角膜和晶状体的组合体改变形状使各种距离上的物体得以聚焦。有关上述这种漫反射的更完整的论述，参见例如Tipler，Paul A.编著的《科学家和工程师的物理知识》，第三版，补充版本，Worth Publishers，pp.982-984，在此引入作为参考。

根据某一优选实施方案，把一个微型透镜阵列覆盖到一张二维照片或图象上，图象上所有点都是清晰的。在适当的光照下，此系统能产生不同散射角的光锥并且可以模拟三维空间。

由于摄影镜头只有一个主焦点，因此照片中只有一个平面精确地落到焦点上。在此平面的前面和后面，图象便逐渐远离焦点。可以通过增加景深来消弱这种效果，但也只能修正到一定程度。

一般情况下，本发明的一个优选实施方案要与一个由某种具有较大景深的光学系统产生的图象一起工作。对于某些图象，焦平面的适当位置和景深的使用足可以获得整个图象的视觉清晰度。在另外一些情况下，为了获得一幅图象中所有点的可见的精确焦点，需要采用更先进的技术。可以利用改进的摄影机和/或数字成象技术，例如，应用数字软件“Sharpening”滤光器可以对一焦点区域以外的那部分图象进行聚焦。

现在参照图5，给出一个摄影机60的方框图，用这种摄影机可以拍出优选实施方案中所用的那种二维图象，摄影机60包括传统的电动光学系统62，此光学系统具有一个输入透镜64和一个输出透镜66。尽管透镜64和66被作为凸透镜来描述，那些本领域的技术人员也会明白，透镜64和66可以是任何所需要的构造。电动光系统62将图象聚焦到影象记录仪72上，图象的聚焦还可以通过改变影象记录仪72与输出透镜66之间的距离来实现。影象记录仪72与输出透镜66之间的距离的调整可以单独进行，也可以辅以电动光学系统60的调整来进行。影象记录仪72可以是电荷耦合器件(CCD)，光电倍增管(PMT)，光电二极管，雪崩光电二极管，照相软片，底片或其它感光材料。另外，影象记录仪72也可以是上面任何一种光记录器或光收集器的组合体。

电动光学系统62的焦点由控制器68来控制，控制器68通过控制线70与电动光学系统62相连。控制器68可以是微处理器，微控制器，也可以是其它任何一种能产生数字或模拟信号并用该信号控制电动光学系统62焦点的元件。

如果影象记录仪72是数字元件，则由它拍摄的图象需存储在存储器74中。如果影象记录仪72是照相或光敏材料，就无需再用存储器74了。

存储器74可以是半导体存储器、磁存储器、光存储器或其它任何一种用于存储数字信息的存储器。影象记录仪72通过数据线76与存储器74相连。控制器68也可以通过控制线78和80对存储器74和影象记录仪72进行控制。

通过摄影机60的工作，可以形成一片清晰的区域，在此区域中形成的图象其各点全部清晰可见。举例来说，同一景物的一系列数字图象被影象记录仪72拍摄，每一个数字图象都在不同距离上聚焦。那也就是说，控制器68使电动光学系统64在某一焦距范围内(例如从5米到无穷远)来回运动，影象记录仪72对不同焦点上得到的景物图象进行拍摄，然后由存储器74将拍摄的图象存储下来。电动光学系统64的焦点可以作连续调整，也可以有一定的跨距。具体情况依条件和所拍摄的图象而定。

还可以进一步依据条件和所需的图象来拍摄一张到上百张图象。如果图象完全在水平视线距离，只需要一个远焦点就可以了。因此，总的快门速度可以非常短。

摄影机60可以是静物摄影机，也可以是视频摄象机。可以用控制器68使电动光学系统64在任何焦点范围内作连贯运动，以适应因景物及光线种类的不同而需要的理想焦距的变动。如果摄影机用作视频摄象机，由于每秒钟必须拍摄几帧(每帧都包括几个在不同焦点上拍摄的图象)，因此，必须使电动光学系统64以非常快的速度工作。为了节省时间，可以给控制器68编一个程序，让它驱动电动光学系统64从所需的最近焦点运动到所需的最远焦点，从而拍摄一帧需要的图象，然后再让它驱动电动光学系统64从所需的最远焦点运动到所需的最近焦点，从而拍摄产生下一帧需要的图象。对所有后续镜头可以重复这一过程。

对存储在存储器74中的每一个数字图象中的相同景物片断(例如5×5像素阵列)可以进行抽样对比。(对比度最高对应着最清晰的焦点)。然后可以把每一个5×5高对比度的片断剪辑成一个整个画面都基本清晰的图象。这项工作可以由更先进的软件算法来完成，该软件算法会辨认“连续的形状”或物体，从而可以简化处理过程，使其更快地完成。这项处理工作可以用数字形式(或者来自于数字化的模拟正本或者来自数字式正本)轻而易举地完成，但也可以用模拟形式(切除和粘贴)完成。

现在参照图1，对本发明的一个优选实施方案进行说明。物体15A-15C代表被观察者20看到的位于空间的几个实物的位置。物体15A-15C与观察者20的距离分别为22A-22C。物体15A-15C也向观察者反射光锥16A-16C。如前所述，当光锥16到达观察者20时，其发散程度随着物体15与观察者20间距离的变化而变化。为了再造物体15A-15C的三维图象，将图象10(其在整个区域最好都可以看清)与微型透镜14的阵列12对正。对于并非每个点都十分清晰的图象10，此优选方案也可以对其进行处理。

阵列12可以是一个基本上平展的二维阵列，也可以是一个具有预定曲率和形状的阵列，这依赖于图象10的曲率和形状。与图象10上每一个象点(或象素)对应的每个微型透镜14的特性需根据摄影机镜头的焦距来选定，因为该焦距曾使图象上的象点(或象素)清晰。微型透镜14的焦距应该这样来选定，它可以使光锥18A-18C与光锥16A-16C一模一样(根据预期的或已知的到微型透镜的观察距离，或根据相对尺度或经验尺度来变动所观察的图象)。在这方面，观察者20A将看到与观察者20所见到一样的三维图象。

由于图象10本身可以作为一个清晰的二维图象来观察，因此可以使图象10的表象在二维和三维之间变化或交替出现。如果需要二维观察，可以把阵列12中的透镜14移开，也可以对它们进行调整使其对光不起控制作用。如果需要三维观察，可以将阵列12中的透镜14作如前所述的调整。

可以用相似的方法来产生三维运动画面/影像。正如那些本领域的技术人员所知，运动影像是通过以连续的方式快速显示图象获得的。因此必须产生连续的整幅清晰(或达到要求程度)的图象。为了实现这一点，采用了一种可以在远近焦点间快速、连续循环的摄影机。每一个整幅清晰的图象都用前面提到的技术来产生(应用景深、取景知识、综合技术等)。另外，根据环境条件、预先输入的特选和/或过去的(紧接上一个或整个过去的记录)适当设定，可以把智能软件与静物摄影机或摄影机结合在一起使用，从而选定景深及一个聚焦循环内聚焦阶数的最优值。为了使整个景物中的图象都清晰可见或达到所需要的程度，可以使用辅助软件或硬件。例如，景物的边缘可以有选择地置于焦点之外。

尽管人眼总的观察范围很大，但大脑也只对主要的部分进行聚焦，而边缘部分则经常基本上被置于焦点之外。在理想情况下，微型透镜阵列后面的图象整幅画面都十分清晰，以至当观察者观察画面的不同部分时，每一部分都会随着观察者适当地聚焦而进入焦点。但也有的情况并不要求图象整幅画面都十分清晰，如在视频序列中，有时观察者只注意画面中的某个特定区域。

一旦拍摄到所需的视频图象，就可以按上面根据图1讨论的那样，将它们放到由变焦距透镜14构成的阵列12的后面，得到三维显示。在视频序列的每帧画面中，对于画面中的每一个象点(或象素)，都有一个相应的焦点设置恰与该象素对正的透镜14。随着每幅画面被顺序地显示，各象素都要将其焦点修正到为那幅画面的象素设置的适合的、预定的焦点上。

由于每个象点或象素都附带一个与之有关的透镜或复合透镜，因此从每个象素射出的光线都可以在控制下以一个与该象素所需三维深度相对应的预定夹角到达眼睛。可以有多种透镜设计以适应各种给定情况下所需的效果。

再参照图2，本发明的实施中对眼到象素的距离给予了重点考虑。象护目镜这样的近屏幕(见图2(b))与较远距离的屏幕(见图2(c))相比，需要不同的透镜设计。如图2(b)(中间焦点和远焦点)所描述的那样，在有些情况中，可以将组合元件(如正透镜和反透镜)作相对移动以产生所需的光学效果。因此，在某一实施中，可以让多个透镜阵列作相对移动以产生适当的光输出对于光学元件组合性能的更完整的描述，参见如Ray的文章(引入于上)PP43-49，也在此引入作为参考。

讨论一下漫反射点与某一透镜焦点的相似行为。如果焦点与漫反射点离开眼睛的距离相等，那么到达眼睛的夹角将一样。由于眼睛的瞳孔相当小，大约5毫米左右，漫反射过来的光锥中只有一小部分能被眼睛观察到，因此就不必“再造”那些眼睛观察不到的光线了。

以上描述的技术可以用于类似电视机显示屏，影像，摄影机，计算机显示器，也可以用于类似柜台顶部或橱窗阵列的广告展示，还可以用于广告牌，衣物，室内装璜，时装手表，个人饰物，外观，包装，以及娱乐产品，公共娱乐乘车，游戏，虚拟真实，书籍，杂志，贺卡和其它印刷材料，美术，雕刻等，还可能用于类似照相或家庭应用所需的使光更强烈更散射的照明效果，以及其它需要三维或各种光学效果的地方。

计算机显示器一般被放在离使用者很近的地方，使用者的眼睛持续地固定在一个距离上会对眼肌造成疲劳。为了防止眼睛的疲劳和长期的有害效果，建议使用者应定期看一看远处的物体。通过使用本发明，可以调整一个透镜阵列从而使使用者可以在远近不同的地方聚焦以观察显示器。这种视在观察距离内的变化可以是使用者手动控制的，也可以服从一个预定的算法(如缓慢地不可觉察地在一个范围内循环运动以防止疲劳)。这种算法也可以应用于治疗目的。调整观察距离可以达到对某些肌肉组织的治疗效益。这种技术也可以用在看书以及其它近区域较多的工作上。

根据本发明，静态三维图象的一个用途是，它能被用在美术和采光上。而且除了可以和变焦距阵列一起使用外，静态图象也可以和固定焦距阵列一起使用。将透镜的焦距和静态图象一起调整可以获得独特的效果。通过使静态图象的焦点作波浪式起伏，可以获得离奇的艺术或惹眼的显示或广告。特别地，通过有选择地调整感兴趣的视在观察区域同时使图象的其它部分处于稳态-—反之亦然，可以用此项技术引导观察着的注意力使其集中在某一图象的特殊部分，或者也可以应用此项技术来改变某区域的焦点和其视在尺寸。例如，如果一个物体的尺寸(用观察者可见区域的百分数表示)保持不变，观察者的眼睛从近焦点变换到远焦点，则观察者对物体大小的感觉就会改变(即观察者将会认为他看到的物体要大些)。同样，如果一个物体的尺寸(用观察者可见区域的百分数表示)保持不变，而观察者的眼睛从远焦点变换到近焦点，则观察者会认为他看到的物体要小些。这种效果还需辅以参照“图象”——尺寸已知的物体图象。因此，举例来说，为了抓住观察者的注意力，这种屏幕可以有选择地改变视在尺寸。

曲面或全包围式视野具有一定的优越性，因为它们消除了周围不相干信息和图象的干扰。有两种技术可以为观察者提供完全包围式的屏幕视野。第一种是应用相当大的和/或曲面观察屏幕。这种屏幕大多在集体观察时使用(如索尼IMAX剧场或天文馆中放映天象的装置)。第二种技术是使用个人观察的护目镜或眼镜。在这种技术中，相当小的屏幕被放在离眼很近的地方。使用微型透镜的好处在于，即使在相当近的距离，一般人也很难区别小于100微米的细节——因此，如果阵列中的微型透镜做得足够小(但也要足够大，以使不需要的衍射效果无法占优势)，屏幕实际上便可以没有象素效果而一直保持连续状态。由于屏幕非常小，使获取曲面全包围式视野的成本得以降低。除此之外，如果屏幕没有填满整个观察角度，可以在屏幕周围使用暗区以消除干扰。另一方面，某些应用中较好地结合了外界可见图象。例如，半透明的显示器可以将环境中的图象与被显示的图象重叠在一起(这可以用在类似平视显示器的其它实施方案中)。这种显示器可以用在军事及民用方面。特别地，也可以将信息展示给行驶的交通工具上的操作人员。在使用护目镜时，这种显示用单眼和双眼全能看到。

如果计算机显示在曲面护目镜中产生，有效屏幕就会被放大到最大限度。随着计算机使用的总信息/数据和其运行速度的同时增加，计算机监视器的尺寸正趋向扩大化。曲面护目镜计算机显示器可以允许使用者将整个可见范围作为他的工作台。这样除了具有上述的减少疲劳的特点外，还可以与三维效果结合在一起。

另外，护目镜可以为每只眼睛配上一个屏幕。这种护目镜需要适当的视差校正，以使两个图象重合成一个可以被观察者看到的单一图象。使用两个屏幕的一个好处在于，独立的屏幕可以放在距离相应眼睛很近的地方。不同视差的图象可以从各种调整后的摄影机系统中获得(参见Ray的文章第65.5节中的图65.10(引于上文))。另一方面，也可以用软件算法从具有校正视差的单一视野中产生第二组图象。两屏幕的护目镜也可以在没有视差校正的图象时使用——那也就是说，要给两眼显示相同的配景。这样做可能会导致某些自然三维效果的丢失，但支持三维效果的因素有许多，视差只是其中的一个。

再参照图1，透镜阵列12后面的显示10可以是一个模拟的或数字的，它可以是喷上去的，画上去的或印刷上去的等等。它可以是照片或幻灯片，可以是彩色的或黑白的，可以是正的或反的，可以是按原版的任何角度或合适的取向颠倒的或倾斜的——它可以发射或反射许多不同波长的可见光或不可见光。它可以是石版印刷物，可以是连续的电影画面，还可以是一个二维或三维的XY平面。它可以是阴极射线管，液晶显示器，等离子体显示器，电化学显示器，电致化学发光显示器或其它本领域熟知的显示装置。

阵列12中的透镜14可以根据以下各项而有所不同：

尺寸；优选范围从1cm到1μm。

形状；优选形状为圆形，圆柱形，凸形，凹形，球形，非球形，椭球形，直线形，复合形(如菲涅耳透镜)，或任何其它本领域已知的光学结构。

作用；透镜可以基本上是折射的，或基本上是衍射的，或是一种衍射——折射混合设计，例如Missig等人1995年在文章“目镜设计用衍射光学，”Applied Optics 34(14)：2452-2461中公开的设计，在此引入作为参考。

阵列透镜的数目；阵列的范围包括从2×2阵列一直到实际上无限的阵列，因此透镜阵列12可能呈一大片的状态。

用于每个“象素”的透镜元件个数；如本领域所知的，复合透镜有助于修正光学象差和/或产生不同的光学效果。例如，可以对球面象差或色彩象差进行修正，并且可以将变焦距(ZOOm)透镜光学系统引入到阵列中。而且，可以在显示物前方放一个固定焦距阵列，然后将可变焦距阵列放在第一个阵列的上面。或者在不同的应用中可能将不同的光学元件设计引入到阵列中。

透镜的颜色；可以是有色的或无色的，对各种可见光波长或不可见光波长可以是透明的。例如，可以使用由红色、绿色及蓝色透镜组成的多层阵列。另一方面，有色显示象素可以与无色透镜一起使用。

透镜的组成；如上所述，透镜可以由状态不同的各种材料组成。透镜可以是溶液、胶体、弹性体、聚合物、固体、结晶体、悬浮物等。

透镜的压缩、舒张和变形；可以用电的和/或机械的(如压电)手段使透镜变形。利用变形可以控制有效焦距和/或改变透镜或透镜系统的其它光学性能(如象差或校准——校准可以是透镜与透镜之间的和/或透镜与显示器之间的)。

最后，可以把阵列组合或层叠起来以改变或增加不同的光学性能。阵列可以是弯曲的或平直的。

优选实施方案中可以包括许多其它各种各样的元件，例如，可以在阵列和显示器之间以及阵列的前面使用滤光片。这种滤光片可以是球形的，覆盖全部或大多数象素，或者只对准一个象素或一组选定的象素。特别指出的是中灰滤光片(如一个液晶显示器阵列)。其它滤光片包括滤色片，梯度滤光片，偏光镜(圆形或直线形)以及本领域技术人员已知的其它滤光片。

再者，本发明中不同元件的表面可能被涂上各种涂层，如反眩涂层(经常是多层)。其它涂层具有耐擦伤性或机械稳定性并且有避免外界因素影响的保护作用。

可以用遮光结构或材料来阻止不需要的杂散光或反射。例如，常希望将每个象素与其邻近的象素进行光隔离。在一个实施例中，可以用SAM形成微型遮光板。举例来说，占据亲水性区域的微型透镜可能被疏水性区域包围，其表面将有选择地被吸光材料占据。另一方面，可以用微型电机切割的遮光板结构。

本发明的组成元件可以便于具有各种光学性能。在某些应用中，需要大体上透明的元件和支撑材料，例如用于平视显示器。在其它情况下，希望具有镜面化的表面——如作为底板从而最大限度地使用反射光以及在镀膜光学元件中的应用。其它部件包括半透明镜/分束器，光栅，菲涅耳透镜以及本领域技术人员已知的其它部件。

快门和/或光圈可以放在系统中的各种位置，且可以是球形或特定形状(如同上面的滤光片)。例如，如果作为显示用的是电影摄象机的电影胶片上的景物，就会用到快门。光圈用于改变光的强度和景深。

整个系统的尺寸可以从几微米到几百米(或更多)之间变化。系统可以是弯曲的或平展的。它可以是成套仪器，可以是固定装置或手提式。为了便于运输，屏幕可以被折叠或卷起。屏幕可以具有一个保护罩，也可以使其一体化成为复杂单元(如膝上型计算机)。此系统可以用于模拟器或虚拟现实系统。通过将阵列中有效焦点与环境中的一个焦平面发生联系，可以将此系统用作测远仪。此系统可以用在先进的自动调焦系统中。例如，由于微型透镜比大的机械摄影机镜头聚焦快得多，此系统可以用来快速寻找最佳焦点，然后透镜被设置到准确的焦点。此系统可以用于某一显示的定向观察——例如，依靠使用长的有效焦距。此系统还可以随意使用。

本发明中重点考虑了光线的类型和方向。光线可以来自前方(被反射的)，也可以来自后方(背景照明)和/或来自各种不同的中间角度。可以是一个光源或多个光源。在某些情况下，为了更精确地呈现一幅画面，希望同时使用反射光和背景照明。例如，当室内的人向窗外看时，他会从窗户中看到很强的背景照明和带有屋内方位阴影的柔和的反射光。与背景照明相结合，反射光和高密度/中灰滤光片将会产生更逼真的图象。定向的反射光可以聚焦在单独一个象素上或特定区域上，也可以是整个图象(如带有背景照明时的情况)。光可以是滤过的、偏振化的、相干的或非相干的。例如，太阳光的色彩温度一整天内都在变化。太阳光修正后得到的光源可以在滤光之后呈现淡红色的落日图象等。可以把光放在各种位置上(与上面提到的滤光片一样)，并且它可以来自本领域技术人员已知的各种光源，其中包括白炽光，卤素，荧光，水银灯，闪光管，激光器，自然光，辉光材料，磷光材料，化学发光材料，电化学发光材料等等。另一种实施方案是带有照明透镜的那一种。恰当掺有发光材料的液体透镜或透镜可能会很有用处，尤其是在易处理的系统中。例如，设想一个安置在电极上的液相透镜。这类透镜(如果它含有一个电控阴极射线ECL端头)可以使其发光。

本发明已根据优选实施方案进行了描述。但本发明并非仅限于所描绘或描述的实施方案。说得更确切些，本发明的范围由后面的权利要求部分来确定。

Claims

1.一种三维成象系统，包括：

一个二维的微型透镜阵列，透镜中至少有一部分具有可变焦距；和

一个具有多个象点或象素的二维图象；

阵列中至少有一个微型透镜与一个或多个象点或象素对正。

2.一种三维成象系统，包括：

一个二维的可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个象点或象素的二维图象；

阵列中至少有一个微型透镜与一个或多个象点或象素对正。

3.一种三维成象系统，包括：

一个微型透镜阵列，透镜中至少有一部分具有可变焦距；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正。

4.权利要求3的发明，其中成象系统作为成套仪器出售。

5.权利要求3的发明，其中成象系统被结合到一对目镜中。

6.权利要求3的发明，其中成象系统被引入到透明的平视显示器中。

7.权利要求3的发明，其中图象具有的景深比在任何一个焦点距离上所获得的景深都大。

8.权利要求3的发明，其中成象系统可以选择二维和三维图象。

9.权利要求8的发明，其中可以使微型透镜对光不具有控制作用。

10.权利要求8的发明，其中微型透镜可以被移开。

11.权利要求3的发明，其中成象系统被引入到艺术作品中。

12.权利要求3的发明，其中成象系统被引入到广告中。

13.权利要求3的发明，其中成象系统被引入到虚拟现实装置中。

14.一种三维成象系统，包括：

第一个微型透镜阵列，第一个阵列的透镜中至少有一部分具有可变焦距；

第二个微型透镜阵列，第二个阵列的透镜中至少有一部分具有可变焦距；和

一个具有多个象点或象素的二维图象；

每个象点或象素与第一个阵列中的一个或多个微型透镜对正。

第二个阵列中至少有一个微型透镜与第一个阵列的一个或多个微型透镜对正。

15.一种三维成象系统，包括：

一个可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正；

16.一种三维光学系统，包括：

一个微型透镜阵列，每个微型透镜具有一个固定的但却是单独预定的焦距，阵列中的微型透镜具有多个焦距；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正；

17.一种三维光学系统，包括：

一个微型透镜阵列，每个微型透镜具有一个固定的焦距；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正；

18.一种三维光学系统，包括：

一个微型透镜阵列，每个微型透镜具有一个固定的但却是单独预定的焦距；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正；

19.一种三维光学系统，包括：

一个具有多个象点或象素的图象；

至少一个微型透镜与一个或多个象点或象素对正；

20.一种用于改变计算机屏幕视在距离的光学系统，包括：

一个可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个象素的计算机屏幕；

每个象素与阵列中一个或多个微型透镜对正。

21.在一种光学系统中，其中包括一个可变焦距微型透镜阵列和一个含有多个与阵列中一个或多个微型透镜对正的像素的计算机屏幕，用于减少眼睛疲劳的方法包括步骤：

周期性地改变阵列中所有微型透镜的焦距，由此好象是计算机屏幕变得更近或距离更远。

22.在一种光学系统中，该系统包括一个可变焦距微型透镜阵列和一个含有多个与阵列中一个或多个微型透镜对正的像素的计算机屏幕，用于减少眼睛疲劳的方法包括步骤：

周期性地改变阵列中微型透镜的一个子集的焦距由此好象是计算机屏幕的一部分变得更近或距离更远。

23.一种用于改变计算机屏幕视在距离的光学系统，包括：

一个可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个象素的计算机屏幕；

至少一个透镜与一个或多个象素对正。

24.一种用于改变二维物体视在距离的光学系统，包括：

一个可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个点或象素的二维物体；

每个点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正。

25.一种用于改变二维物体视在距离的光学系统，包括：

一个可变焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个点或象素的二维物；

至少一个微型透镜与一个或多个点或象素对正。

26.一种用于改变二维物体视在距离的光学系统，包括：

一个固定焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个点或象素的二维物体；

每个点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正。

27.一种用于改变二维物体视在距离的光学系统，包括：

一个固定焦距微型透镜阵列；和

一个具有多个点或象素的二维物；

至少一个微型透镜与一个或多个点或象素对正。

28.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

产生一个具有高景深和具有许多象点或象素的二维图象；和

投射从每个象点或象素反射的或由其发射的光，从而产生一个具有预定立体角的光锥，立体角的大小随着象点或象素离观察者的感知距离而改变。

29.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

产生一个具有高景深和具有许多象点或象素的二维图象；和

反射，传输或发射从每个象点或象素发来的光，从而产生一个具有预定立体角的光锥，立体角的大小随着象点或象素离观察者的感知距离而改变。

30.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

产生一个具有许多象点或象素的二维图象，此图象在预定的区域内基本清晰；和

31.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

32.一种用于产生光学效果的方法，包括步骤：

产生一个具有许多象点或象素的二维图象；和

投射从每个象点或象素反射的或由其发射的光，从而产生一个具有可变的预定立体角的光锥。

33.一种用于产生光学效果的方法，包括步骤：

产生一个具有许多象点或象素的二维图象；和

反射，传输或发射从每个象点或象素发来的光，从而产生一个具有可变的预定立体角的光锥。

34.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

产生一个具有高景深和具有许多象点或象素的二维图象；和

35.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

产生一个具有高景深和具有许多象点或象素的二维图象；和

36.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

投射从每个象点或象素反射的或有其发来的光，从而产生一个具有可变的预定立体角的光锥。

37.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

38.一种用于产生三维图象的方法，包括步骤：

利用一种具有高景深的光学系统产生一个二维图象，此图象具有许多象点或象素；和

投射从每个象点或象素反射的或有其发来的光，从而产生一个具有可调节的预定立体角的光锥。

39.一种利用可变焦距微型透镜阵列产生变动三维图象的方法，包括步骤：

产生一系列在预定区域内基本清晰的二维图象，此图象具有许多象点或象素；

投射从每个象点或象素反射的或由其发射的光使其穿过阵列中的微型透镜，从而产生一个具有预定立体角的光锥，立体角的大小随着象点或象素离观察者的感知距离而改变。

40.一个三维成象系统，包括：

一个由在自组合单层(SAM)上形成的可变焦距液体微型透镜构成的阵列；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与阵列中一个或多个微型透镜对正。

41.一个三维成象系统，包括：

一个由在自组合单层上形成的可变焦距液体微型透镜构成的阵列；和

一个具有多个象点或象素的图象；

阵列中至少一个微型透镜与一个或多个象素对正。

42.权利要求41的成象系统，其中微型透镜是附着在一个或多个自组合单层上的液体透镜。

43.权利要求42的成象系统，其中液体透镜的焦距通过施加电场进行调整。

44.权利要求41的成象系统，其中微型透镜是弹性透镜。

45.权利要求44的成象系统，其中弹性透镜的焦距通过弹性形变进行调整。

46.权利要求45的成象系统，其中弹性形变通过压电部件从外界施加压力产生。

47.一个三维成象系统，包括：

第一个微型透镜阵列，第一个阵列中至少有一部分透镜具有可变焦距和被染色；

第二个微型透镜阵列，第二个阵列中至少有一部分透镜具有可变焦距和被染色；

第三个微型透镜阵列，第三阵列中至少有一部分透镜具有可变焦距和被染色；和

一个具有多个象点或象素的图象；

每个象点或象素与第一个阵列中的一个或多个微型透镜对正；

第二个阵列中至少一个微型透镜与第一个阵列中的一个或多个微型透镜对正；

第三个阵列中至少一个微型透镜与第二个阵列中的一个或多个微型透镜对正；

48.权利要求47的三维成象系统，其中第一个阵列中的透镜被染成红色，第二个阵列中的透镜被染成绿色，第三个阵列中的透镜被染成蓝色。

49.一种方法，用于产生含有多个物体的景物的图象，包括步骤：

a)把焦点对准一个或多个物体；

b)拍摄聚焦后景物的图象；

c)把焦点对准另外的一个或多个物体；

d)拍摄聚焦后景物的分割图象；

e)重复步骤(c)和(d)直到聚焦到所需物体上的图象全被拍摄完为止；和

f)组合所拍摄的图象从而产生具有大景深的单一图象。

50.权利要求49的方法，其中所拍摄的图象是数字图象。

51.权利要求49的方法，其中组合步骤用数字方式完成。

52.一种产生景物图象的方法，其中包括步骤：

a)聚焦在一个特定距离上；

b)拍摄聚焦后景物的图象；

c)聚焦在不同的距离上；

d)拍摄聚焦后景物的分割图象；

e)重复步骤(c)和(d)直到聚焦在所想要距离上的图象全被拍摄完为止；和

f)组合所拍摄的图象从而产生一个单一的图象。

53.权利要求52的方法，其中所拍摄的图象是数字图象。

54.权利要求52的方法，其中所述组合步骤用数字方式完成。

55.一种利用具有可变焦距的摄影机(camera)产生数字图象的方法，包括步骤：

a)当摄影机的焦点在近焦点和远焦点之间变化期间顺序拍摄一系列数字图象；

b)对所拍摄的图象以数字方式进行组合从而产生具有大景深的单一图象。

56.权利要求55的方法，其中拍摄步骤用电荷耦合器件完成。

57.一种利用具有变焦距的摄象机产生数字式运动图象的的方法方法，包括步骤：

a)在摄象机的焦点从近焦点变化到远焦点期间，顺序拍摄第一系列数字图象；

b)对所拍摄的第一系列图象以数字方式进行组合从而产生第一帧图像；

c)在摄象机的焦点从远焦点变化到近焦点期间，顺序拍摄第二系列数字图象；

d)对所拍摄的第二系列图象以数字方式进行组合从而产生第二帧图像；

e)重复步骤(a)到(d)直到所想要的图像帧全部产生为止。

58.权利要求57的方法，其中拍摄步骤用电荷耦合器件完成。

59.权利要求57的方法，其中摄象机的焦距以连续方式变化。

60.权利要求57的方法，其中摄象机的焦距以步进方式变化。

61.一种利用具有可变焦距的摄象机产生数字运动图象的的方法，包括步骤：

b)对所拍摄的第一系列图象以数字方式进行组合从而产生在预定区域内基本清晰的第一帧图像；

d)对所拍摄的第二系列图象以数字方式进行组合从而产生在预定区域内基本清晰的第二帧图像；

e)重复步骤(a)到(d)直到所需要的图像帧全部产生为止。

62.一种摄影机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

电动光学系统，用于产生一系列的图象；

此电动光学系统具有的焦点可以从近焦点变化到远焦点；

此电动光学系统的焦点能对可变焦点信号作出响应；

一个与电动光学系统相连的控制器，用于产生可变焦点信号；

一个影象记录仪，用于接收和拍摄由电动光学系统产生的一系列图象或图象的子集；

一个与影象记录仪相连的存储器，用于存储被影象记录仪拍摄下来的图象。

63.权利要求62的摄影机，其中影象记录仪是一个电荷耦合器件。

64.一种摄影机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

电动光学系统，用于产生一系列的图象；

此电动光学系统具有的焦点可以从近焦点变化到远焦点；

此电动光学系统的焦点能对可变焦点信号作出响应；

一个影象记录仪，用于接收和拍摄由电动光学系统产生的一系列图象或图象的子集。

65.一种摄影机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

焦点可以从近焦点变化到远焦点的电动光学装置，用于产生一系列的图象；

此电动光学装置的焦点能对可变焦点信号作出响应；

与电动光学装置相连的控制装置，用于产生可变焦点信号和控制电动光学装置的焦点；

用于接收和拍摄由电动光学装置产生的一系列图象或图象子集的装置；和

存储器装置，用于存储被接收和拍摄装置拍摄下来的图象。

66.一种摄影机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

自动从近焦点扫描到远焦点的电动光学系统；

一个电荷耦合器件；

电动光学系统产生的变动图象被投射到电荷耦合起件上；

电荷耦合器件及时地对几个连续点上的变动图象进行拍摄；和

一个与电荷耦合器件相连的寄存器，用于存储被电荷耦合器件拍摄下来的图象。

67.一种摄象机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

自动从近焦点扫描到远焦点以及从远焦点扫描到近焦点的电动光学系统；

一个电荷耦合器件；

电动光学系统产生的变动图象被投射到电荷耦合起件上；

68.一种摄象机，用于产生在预定区域内基本清晰的图象，包括：

电动光学装置，用于从近焦距到远焦距和从远焦距到紧焦距自动进行扫描；

用于拍摄图象的装置；

电动光学装置产生的变动图象被投射到用于拍摄图象的装置上；

用于拍摄图象的装置及时地对几个连续点上的变动图象进行拍摄；和

一个与拍摄图象装置相连的寄存器，用于存储所拍摄的图象。