CN1219246A - 自动立体成象装置及包括该装置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于形成具有n个视点的自动立体图象的装置,该装置包括一含有柱面透镜(10)的透镜网络(RL1),这些柱面透镜的纵轴平行于与该装置光轴(x’x)垂直的方向(zz’)。该装置包括一柱面光学组件,其纵轴垂直于zz’和xx’。透镜网络(RL1)包括n个柱面透镜(10)。透镜网络(RL1)和柱面光学组件(LC1)有一聚焦距离为△的共同焦平面(P)。柱面光学组件焦距与透镜网络焦距之比的绝对值基本等于n。本发明还以具有所述成象装置的投影装置和投影n个平面单元图象的投影器,以及配有至少一个投影网络的屏幕为特征。

Description

自动立体成象装置及包括该装置的系统
本发明涉及具有n个视点(或单元象)的自动立体成象装置，该装置包括一个含有柱面透镜单元的透镜阵列，这些透镜单元被称为柱面“微透镜”，它们沿第一方向彼此平行。
已知这种装置已经用于构成立体照相机，尤其是本申请人以下专利所述的立体照片拍摄装置：美国专利US.5,099,320，和法国专利FR.2,705,007以及2,704,951。
这些照片拍摄装置具有一个有大量彼此并置的柱面微透镜的透镜阵列，而且实际上，视频图象是以象素列的形式按相互重叠的方式获得的，第一单元图象由第一象素列的象素与重叠模数为n的其它列的象素共同构成，第二单元图象由第二列的象素与重叠模数为n的象素列的象素组成，等等，每个微透镜的宽度与n列象素对应。
术语“行”和“列”分别表示站立或坐直的观看者所看到的象素水平线和垂直线，例如，与之无关的显示用的阴极射线管(CRT)的水平与垂直扫描方向。对于垂直扫描的CRT屏幕而言，这样的“扫描线”在现行教科书的释义中被认为是“列”。
这些照片拍摄装置的质量取决于透镜阵列的构成质量，该阵列有N/n个微透镜，N代表所选制式中视频图象线上象素的数量。
如上述法国专利所述的那样，图象传递装置可以采用比包含电荷耦合器件(CCD)的传感器的尺寸大十倍左右的透镜阵列，从而便于实用化的应用。
所以，这种透镜阵列具有大量柱面微透镜，其微透镜的数量取决于所选的视频制式(SECAM,PAL,NTSC,HDTV，等等)和视点的数量。不幸的是，所需的定位精度正比于微透镜的数量。
此外，需要微型相机的视频应用，如内窥镜，透镜阵列的尺寸要很小，因而实现起来非常复杂，或者没有可能做到。
所以，本发明的目的是提供一种自动立体成象装置，而且更为具体地讲，是提供一种制作简单便于调节、本身特别易于小型化、并特别用于内窥镜的照片拍摄装置。
于是，本发明提供一种用于形成具有n个视点(或单元图象)的自动立体图象的装置，所述装置包括具有并置柱面微透镜的透镜阵列，其微透镜的纵轴平行于与该装置的光轴垂直的第一方向，该装置的特征在于：它包括一至少包含一个其纵轴垂直于第一方向和所述光轴的柱面透镜的柱面光学组件；透镜阵列包含n个柱面微透镜；透镜阵列和柱面光学组件具有聚焦距离为Δ的公共焦平面；柱面光学组件的焦距长度绝对值基本等于透镜阵列焦距长度绝对值的n倍。对于焦点在无穷远(Δ=∞)的情况，公共焦平面是透镜阵列和柱面光学组件共同的焦平面。
在本发明中，透镜阵列仅有n个间距为p的柱面微透镜，例如n=4，不同于现有技术照片拍摄装置中大量微透镜的情况，即N/n，例如144个柱面微透镜，N=576,n=4。
此外，在本发明的装置中，立体图象观察基线可以等于两倍的柱面微透镜间距p，即对于n=4而言，等于阵列宽度L的一半。在本发明的自动立体系统中，例如具有大量位于3至6范围中的视点，两个相邻视点间的视差(或单元立体象基线)在优化的观看条件下可以等于观看者两眼之间的视差E(E=65mm)之半。更普遍地说，它可以等于所选立体图象基线B的一半。
在标准观看距离(理论上可看到单色的距离)上，观看者可看到(对于n=4)本发明中由第一和第三视点I1和I3获得的立体图象对，或者由第二和第四视点I2和I4获得的立体图象对。按此方法选择参数，使得立体图象对不是由两个相邻视点形成，而由两者之间夹有一中间视点的两个视点形成〔或者实际上可有m个(m≥1)中间视点，在此情况下两相邻视点间的单元立体图象基线等于拍摄透镜阵列间距p，且p等于B/(m+1)〕，从而能使观看者无需用特殊眼镜就有一个允许观看者相对于屏幕平行和垂直移动的观看范围，其特征是在当前用途意义上的均匀立体图象。
其结果是，参考上述实例，在理论单色距离处的观看者可以靠近和远离屏幕，或者可以横向移动，而不损失立体图象的效果。
一旦图象稳定在屏幕上，如果观众从标准观看距离(或理论上可看到单色的距离)移近显示屏幕，那么立体图象基线实际上显得在长大；而如果观众远离显示屏幕，则基线将缩小，并且整个景象保持不变，因为立体图象基线的这种变化精确地补偿了景深变化，该景深变化与聚散力即所实施的肌肉力量的调节有关，该力使两个视网膜图象关联起来以获得鲜明视觉所需的立体融合，聚散力的调节必然伴随垂直于屏幕方向的位移。
当“单色”被调节到能使观看者看到视点[I1和I3]或[I2和I4]，并且观看者充分地靠近显示屏时，观看者将看到视点I1和I4并不能再自由地平行于屏幕移动，实际上从近处看时就会发生这种情况。当观看者远离屏幕时，感知的视点将是[I1和I2]或[I2和I3]或[I3和I4]，而且观看者可以大范围地移动，所以留有观看者在一定空间内自由移动的余地。
当m选择为大于1时，情况与之相同，但更为舒适。
对于微型照相机和对于内窥镜而言，拍摄照片的立体图象基线B比观看者的瞳距小得多，因为需要很大的放大率。对n=4来说，微透镜间距p仍然保持等于所需拍摄照片立体图象基线B的一半。
实际上，对立体图象基线B选择为大于观看者瞳距E的长焦距物镜而言确实如此。
在本发明中，全立体图象基线BT，即相隔最远的视点间的立体图象基线，等于(n-1)p。
在根据上述法国专利的现有技术中，全立体图象基线等于拍摄物镜的光瞳直径。
换句话说，其它部分相同，本发明的柱面微透镜间距和大小比现有技术照片拍摄装置中的柱面微透镜间距和尺寸要大N/n2倍。当n=4，它们比上述实例大36倍(N=576,n=4)。
在第一实施例中，柱面光学组件是会聚的，透镜阵列也是会聚的。
在第二实施例中，柱面光学组件是会聚的，而透镜阵列是发散的。
在第三实施例中，柱面光学组件是发散的，而透镜阵列是会聚的。
最后在第四实施例中，柱面光学组件是发散的，透镜阵列也是发散的。
为了校正标定值等于n但随聚焦距离稍有变化的系统的变形比(或放大率)，所述的柱面光学组件焦距长度与透镜阵列焦距长度之比的绝对值等于n*，这里n*等于nk，其中k是放大率校正系数，使得对于给定距离处的目标，图象的每个视点都有一个绝对值等于n的变形比。
尤其是在优选实施例中，k随聚焦距离的变化而改变，并选择成使得变形比在聚焦距离上等于n。
尤其是，柱面光学组件具有可变的焦距。最后这种情况，可以包括两个柱面透镜(通常是一个会聚透镜和一个发散透镜)，其构成会聚的还是发散的双合透镜取决于柱面透镜组件是会聚还是发散的，同时用改变该两柱面透镜间隔的方式来修改柱面透镜组件焦距，并通过改变该双合透镜焦距来修改校正系数k的值，且保持柱面光学组件和透镜阵列的焦平面重合。
该装置的优点是包括具有位于透镜阵列与柱面光学组件公共焦平面内的焦点的会聚场镜。优选地，所述场镜用于将平行于所述光轴并通过透镜阵列的微透镜中心C的光线会聚在公共点O，该公共点O适宜位于传递光学系统入瞳处，换句话说，它用于将通过透镜阵列微透镜光学中心C的光线会聚到传递光学系统的入瞳中。
尤其是，该场镜用于避免渐晕现象，特别是靠近拍摄时。
在优选实施例中，本发明的装置包括：从透镜阵列的每个微透镜向下游方向，至少一个相对于与光轴正交的平面倾斜的平表面，其倾角是使得平行于光轴并通过微透镜光学中心的光线会聚在公共的给定聚焦点O上。由此完成场镜的功能而不影响装置的光线特性。
本发明的装置可以构成照片拍摄装置的一个部件，该拍摄装置可以是具有能使所述图象对中并聚焦的光学传递系统的视频摄影机或电影摄影机。
本发明的装置适宜耦合到在空间传递自动立体图象的装置上，这些传递装置包括用于聚焦在诸如CCD尤其是三色CCD或胶片表面等视频传感器上的装置。
本发明的装置可以构成视频内窥镜或可视电话的拍摄装置。在内窥镜的情况下，图象形成装置和视频图象传递装置都包括在内窥镜的端头内。其立体图象基线通常比观看者的瞳距小。“n-图象”模式的视频信号靠缆线(尤其是光纤缆线)中继传输，具有上述法国专利中所述的优点，由此可以观看到和/或记录下这些图象。
在可视电话的情况下，图象形成装置和视频传递装置构成单个拍摄相机，它靠缆线或无线电按n-图象模式中继传输视频图象，以使这些图象被记录下来和/或显示出来，例如显示在与显示阵列匹配的监视器屏幕上。
特别适合的视频图象传递装置是视频摄像机，如聚焦在所述图象上的摄录机。这种情况下的本发明图象形成装置构成了用于视频摄像机的可借助于适配环与之装配的光学附件。
在应用于电影的情况下，本发明的装置适宜耦合到在空间传递所述自动立体图象的装置上，该传递装置包含聚焦到胶片上的机构。该传递装置适宜为聚焦在所述图象上的电影摄影机。
该装置的特征在于它包括场镜，或与透镜阵列的每个透镜相关的光学平表面；还在于所述给定的会聚点位于传递光学系统的入瞳处。
同理，光路是可逆的，本发明的装置还可以在使用视频技术或者电影技术时，用作重组来自投影和背投式投影装置中图象的元件。
所以，本发明还提供一种用于直接地或背投式地投影图象的装置，该投影装置包括：上述限定的图象形成装置，所述的公共聚焦平面构成了物方焦平面；一投影器，对物方焦平面上构成的包含n个变形规格的平面单元图象的图象进行投影，以及与至少一个投影阵列(如透镜阵列或视差阵列)相配合的屏幕，所述的投影阵列位于与图象形成装置的透镜阵列相距为距离D处，其等于标准视距。图象形成装置的柱面透镜和透镜阵列按这样的方式定位：使位于物方焦平面上的图象被图象形成装置投影到距离D处。投影阵列各单元的视场角是这样的：使每个单元沿水平方向构成图象形成装置的透镜阵列，而且所述的透镜阵列具有两个不相邻的微透镜，它们的光轴相互分开以观看者瞳距大小的距离。
所述的屏幕可以是具有散射和反射单元直接投影屏幕，投影阵列位于其前方，该阵列也构成观看阵列。
所述的屏幕可以是包含投影阵列和显示阵列而散射单元夹在其中的背投式屏幕。
最后，本发明提供一种立体视频系统，它包括如上限定的拍摄装置和如上限定的投影装置。
本发明的其它特征和优点，将通过阅读以参考附图的非限定性实例方式给出的下述说明书而更为清楚，其中：
图1至4分别表示本发明的第一，第二，第三，和第四实施例；
图5,6,7和8表示分别与图1,2,3，和4对应的在包含光轴的水平面和垂直面中光学参数；
图9至12表示分别对应于图1至4并包括传递系统的装置；
图13至16表示附加了棱镜补偿平面区的本发明优选实施例；
图17表示本发明在内窥镜中的应用；
图18表示本发明在视频监视中的应用；
图19和20分别表示本发明的投影装置和背投式投影装置；
图21是表示如何确定投影阵列或背投式投影阵列的柱面透镜视场角的简图；
图22表示观看CRT的“单色”条件。
在图1中，本发明的装置适合用作拍摄装置，而逆光路适合用作投影装置，它依次包括：柱面会聚透镜LC1，它具有位于水平光轴x’x上的光学中心S1且其纵轴y’y是水平的并垂直于x’x；和会聚透镜阵列RL1，它具有n个(这里n=4)彼此以间隔p相接触的凸柱面微透镜10，每个微透镜都有一个平行于垂直轴z’z的纵轴，而该垂直轴穿过光轴x’x上光学中心S2。
若聚焦到无穷远，柱面会聚透镜LC1和会聚透镜阵列RL1具有相同的焦平面P，该平面在焦点F处与轴线x’x相交。
此外，柱面透镜LC1和透镜阵列RL1的焦距长度S1F和S2F之比基本等于n，即在上述实例中S1F等于4倍的S2F。
在这种条件下，如下文所述，在焦平面P上获得的图象具有基本等于n的各个单元图象I1,I2,I3,和I4的垂直分量与水平分量变形之比。所以，按此方法得到的图象I包括变形规格的四个并置且相接触的平面图象I1…I4，它们与上述法国专利的“n-图象”模式对应。全立体基线BT等于(n-1)p。
用图象传递装置可以在空间中传递图象I，该传递装置与位于图象形成装置上游的入口端物镜相对应。
尽管如此，省略入口端物镜并且使图象形成装置与下述传递光学系统相关联是更为可取的。
直接得到CCD传感器上或胶片上n-图象模式的图象。根据那些专利的教导，图象也可以按图象点或“象素”的行列交叉，以便得到具有n个交叉视点(或单元图象)的自动立体图象，该图象随后可显示在屏幕(如电视屏幕，)上，该屏幕上具有位于其前面的柱面阵列，如透镜阵列。
与之相似，根据上述法国专利的教导，背式投影可以从变形规格的平面图象I1,I2,I3,和I4直接得到。
如图2所示的本发明第二实施例提供了具有垂直于轴x’x的水平轴的柱面会聚透镜LC2，和具有n个相邻的垂直轴凹柱面微透镜20的发散透镜阵列RL2。透镜LC2和阵列RL2具有位于柱面透镜LC2与透镜阵列RL2之间的公共焦平面P’。平面p’在焦点F’处截开光轴x’x，而且变形规格的单元平面图象I1’,I2’,I3’，和I4’是其水平分量为虚象而垂直分量为实象的图象。
为了获得基本等于n的单元图象水平分量与垂直分量间的变形比，柱面透镜LC2焦距与透镜阵列RL2的单元微透镜焦距之比，如前述情况那样被选为基本等于-n，即S1F’=-nS2F’=-4S2F’(在所述的实例中)。
第三实施例依次提供：具有n个垂直轴的会聚单元微透镜20的会聚透镜阵列RL3；和发散柱面透镜LC3，该柱面透镜与阵列RL3相交叉，即柱面透镜LC3的轴是水平的并垂直于轴x’x。由透镜阵列RL3与柱面透镜LC3的公共焦平面构成的平面P”上的图象I”，具有四个平面变形图象I”1,I”2,I”3，和I”4，这些图象是其垂直分量为虚象而水平分量为实象的图象，当从柱面透镜LC3向下游看时它们具有基本等于-n的变形比。如前文所述，条件是柱面透镜LC3焦距与透镜阵列RL3的焦距之比应该基本等于-n，即S2F”=-InS1F”=-4S1F”(在所述的实例中)。
最后，第四实施例依次提供：包含n个垂直轴的发散微透镜20的发散透镜阵列RL4；和发散柱面透镜LC4，该柱面透镜与阵列RL4相交叉。图象I是位于透镜阵列RL4的微透镜与发散透镜LC4公共焦平面P上的虚象，且包括四个平面变形图象I1,I2,I3，和I4。平面P位于透镜阵列RL4的上游，并在点F处横截光轴x’x。如上所述，补偿变形比的条件是：焦距之比基本应等于n，即S2F=nS1F=4S1F(在所述的实例中)。由于前端尺寸可以很好地安排且不会引起倒象，故可以按最紧凑的方式实现，因此第四实施例是一个优选的实施例。
在所有四个实施例中，S1代表位于光轴x’x上的会聚柱面透镜LC1的几何中心，S2代表位于光轴x’x上的会聚透镜阵列RL1的光学中心。
在每个实施例中，可以用单个柱面透镜(LC1...LC4)也可以用会聚双合透镜(LC1,LC’1)，会聚双合透镜(LC2,LC’2)，发散双合透镜(LC3，LC’3)，或发散双合透镜(LC4,LC’4)。
图5对应于第一实施例(图1)并用于表示其单元参数，在垂直平面(图5的上线)中，双合透镜LC1-LC’1起会聚柱面透镜的作用，而且透镜阵列RL1可认为是具有平行外表面的平板；而在水平平面(图5的下线)中，透镜LC1可被认为是具有平行外表面的平板，且透镜阵列RL1在光学上起具有n个微透镜的会聚阵列的作用。
当用作拍摄装置时，会聚柱面透镜LC1(或双合透镜)具有物方焦点F1和像方焦点F，而会聚透镜阵列RL1具有物方焦点F1(被定义为其物方焦平面与光轴x’x的交点)和与柱面透镜LC1像方焦点相重合的像方焦点F。
设点A0处有一个目标，其垂直分量为V，而其水平分量为H。该装置(LC1,RL1)在点A1形成垂直分量V的像，而在点A2形成水平分量H的像。
即：
A0A1=L         S1F=-f1       S2F=-f2
S1A1=p’1     S1A0=p1      S2A1=P’2     S2A0=P2垂直平面中的放大率g1的值是： γ 1 = S 1 A 1 S 1 A 0 = p ′ 1 p 1 而且： 1 S 1 A 1 = 1 S 1 A 0 + 1 SF 即 1 p ′ 1 = 1 p 1 + 1 f 1
    A0A1=-P1+P’1 =L
    -P1P’1=Lf1由此得出：(1) r 1 = p ′ 1 p 1 = L - ( L 2 - 4 L f 1 ) - L - ( L 2 - 4 L f 1 ) = - 1 - ( 1 - 4 f 1 / L ) 1 + ( 1 - 4 f 1 / L )
类似的计算表明水平平面中的放大率γ2，其值如下：
(2) γ 2 = 1 - ( 1 - 4 f 2 / L ) 1 + ( 1 - 4 f 2 / L )
假设A0A2=L。
变形系数C的值为：
(3)    C=γ1/γ2
对应无穷远的目标，有下式：
(4)    C=f1/f2
换句话说，当L→∞时，C→f1/f2。
如果比值f1/f2被选择为等于n，则对于无穷远处的目标来说，变形系数C实际上等于n(如在该实例中所示n=4)。
随着目标的靠近，其它仍然相等，而变形系数C趋于增大，但其变化较慢。
在优选实施例中，针对待观察目标的观看距离补偿变形。因此，变形系数C一直很接近理想值，即在整个聚焦范围中C=n。
通过计算比值n*=f1/f2实现这种补偿，该比值应提供图5中目标A0的观看距离A0S1处的变形比C=n。
实例1
下述值选择为：
γ1=-0.1和
p1=-3m p’1=0.3m    由此f1=0.272m
γ2=-0.1/n=-0.1/4=-0.025=p’2/p2
-p2+p’2=3.3m
-p2+γ2P2=3.3m
由此 p 2 = - 3.3 1 + 0.025 = - 3.22 m
p2=-3.22m,P’2=0.08m, 1 0.08 = - 1 3.22 + 1 f ′ 2 , f ′ 2 = 0.0785 m
由此 f ′ 1 f ′ 2 = 0.272 0.0785 = 3.465 = n * = 4 k
当针对距柱面透镜LC1有3米远的目标精确地补偿变形比C时，对无穷远目标而言，该比值C利用上述公式(4)而等于3.465，即：ΔC/C=13.3％且k=0.866。
对位于2m处的目标，C=4.55，即ΔC/C=13.8％。
对在3m处(C=4)精确补偿的变形系数来说，系数ΔC/C在±13％附近的范围内。从2m到无穷远，完全可进行高质量的拍摄。这种变形是递增的，且难以被观看者察觉到。如下文所述，它可以作为聚焦距离的函数加以补偿。
应该看到，当进行投影或背式投影时，可以包括一投影系数k，所以它是拍摄和/或投影(或背式投影)时必须考虑到的所用系数k的乘积。
给出γ1和γ2及变形比C值的公式在第二，第三，和第四实施例(见图6，7和8)中是相同的。对于会聚柱面透镜而言，其焦距是正的，而对于发散透镜是负的。
在图6中，F1表示会聚透镜LC2的物方焦点，F’表示会聚透镜LC2的像方焦点和发散透镜阵列RL2的物方焦点，而F2表示透镜阵列RL2的物方焦点。变形比C的值是负的。
在图7中，F2表示会聚透镜阵列RL3的物方焦点，F’表示会聚透镜阵列RL3的像方焦点和发散柱面透镜LC3的像方焦点，而F1表示柱面透镜LC3的物方焦点。变形比C的值是负的。
最后，在图8中，F’表示发散透镜阵列RL4的像方焦点和发散柱面透镜LC4的像方焦点，F2表示发散透镜阵列RL3的物方焦点，而F1表示发散柱面透镜LC4的物方焦点。变形比C的值是正的。
在下列编号的实例中表示聚焦在4m处(L=4)，其中用上述公式(1)至(3)计算f2的值。
实例2：会聚柱面透镜和会聚透镜阵列(图1和5)，其f1=0.1m。
为了在聚焦于4m处时获得变形系数C=4，计算表明：会聚透镜阵列的透镜必须有f2=0.2598m的焦距，即n*=｜f1/f2｜=3.85，即k=n*/N=0.96。
实例3：会聚柱面透镜和发散透镜阵列(图2和6)，其f1=0.1m。为了在聚焦于4m处时获得变形系数C=-4，计算表明：发散透镜阵列的微透镜必须有f2=0.0267m的焦距，由此n*=｜f1/f2｜=3.75，即k=0.94。
实例4：发散柱面透镜和发散透镜阵列(图3和7)，其f1=-1m。为了在聚焦于4m处时获得变形系数C=4，计算表明：发散透镜阵列的微透镜必须有f2=-0.024m的焦距，由此n*=｜f1/f2｜=4.15，即k=1.04。
实例5：发散柱面透镜和会聚透镜阵列(图4和8)，其f1=-0.1m。为了在聚焦于4m处时获得变形系数C=-4，计算表明：会聚透镜阵列的微透镜必须有f2=0.0235m的焦距，即n*=｜f1/f2｜=4.25，由此k=1.06。
实例2至5可以由下表概括：
    Cf1     100mm     -100mm
    4     26mm     -24mm
    -4     -26.7mm      23.5mm
                      聚焦于4m处
实际上，在图1,2,5，和6的实施例中，k被选择成处于0.8至1的范围内，或0.85至1的范围内，且优选地是在0.9至1之间。在图3,4,7，和8的实施例中，k被选择成处于1至1.2的范围内，或1至1.15的范围内，且优选地是在1至1.1之间。
图象形成装置31还可以有一场镜，它被设计用来减少或避免渐晕现象，和辅助聚焦。
分别对应于图1至4四个实施例的这些装置，表示在图9至12中。
采用场镜的目的是使平行于光轴且穿过透镜阵列(RL1…RL4)的微透镜10或20中心C的光线能够会聚在传递光学系统上的o点，该点位于传递光学系统的入瞳PUP处。
在本发明中，用球面场镜来修正该系统的参数而不改变变形比。
可以提供柱面场镜，它的轴平行于透镜阵列微透镜的轴(见图15)。但是，这会影响变形比。有利的解决方案是：当有柱面微透镜阵列时，通过用许多光学表面构成平面1,2,3,4(或棱镜)来逼近柱面场镜的曲率，对会聚透镜阵列的情况如图13(表面1,2,3,4)和14(表面1’,2’,3’,4’)所示，对发散透镜阵列的情况如图16(例如表面1,2,3’,4’)所示。
按照逼近会聚光学表面5轮廓线的方式选择平表面相对于连接着微透镜10或20中心C且垂直于光轴x’x的平面PL的倾角α1和α2(此处α2＜α1)，而该光学表面5的曲率要选择得，使通过微透镜10和20中心C和通过光轴x’x上给定距离处点的光线会聚到传递光学系统入瞳P中的点O。
在每一种情况下，在用作拍摄装置的场合，当具有传递光学系统30时，场镜LCH的像方焦点位于该传递光学系统30的光瞳处。
将会看到，构成透镜阵列的n个微透镜中的每一个都有一视场角θ，该角等于已选定的图象视场角。要满足的光学条件比根据上述法国专利的现有技术简单得多。本发明的装置可以避免使用入口端的物镜和由其导致的视差问题。
通过对柱面光学组件施加作用，而实现目标的聚焦。当该组件的焦距可调时，如当它包含双合透镜时，调节该双合透镜的焦距，并确保双合透镜与透镜阵列的所述像方焦平面保持重合。
对于双合透镜而言，通过将构成双合透镜的两个柱面透镜(一个会聚透镜，一个发散透镜)彼此分开或彼此靠近来调节焦距。该位移可以由步进电机驱动。当需要时，可以通过使双合透镜与透镜阵列分开或靠近而保持双合透镜和透镜阵列的焦平面重合，而且这个位移可以由步进电机驱动。
在各个实施例中，所得的视场深度是很高的。
此外，对于微透镜彼此邻接的透镜阵列，在该阵列焦平面中直接获得的图象I1...I4本身也彼此邻接，以便传递物镜对其实现空间传递。也就是有下列事实：可以省略采用球面透镜的入口端光学系统，在现有技术中，这是物镜入瞳与微透镜视场重合的条件，并且是传递光学系统(见申请人的上述专利)必须满足的具体条件。
装置31可以与光轴为x’x的传递光学系统相联(见图9至12)。传递光学系统的作用是可以在视频摄像机的CCD传感器35上或胶片36上形成实象，尤其是在视频情况下可以有小于1的放大率，以使得图象I,I’,I”，或I在CCD传感器35上重叠，与申请人的上述法国专利的情况一样。
传递光学系统30最好是无畸变的，并且成实象，将n个变形规格的单元图象所构成的图象I,I’,I”，或I传递到CCD传感器35上，例如视频摄像机的三色CCD传感器，以便在视频摄像机的CCD传感器35上(或在胶片36的平面上)获得清晰的图象。
通常，传递光学系统30包括用于阻断柱面光学系统和透镜阵列提供的大孔径图象的光阑DP。包括柱面光学组件和透镜阵列的装置31，可以构造在一起，并借助于适配圈37安装在传递光学系统30中，所述的传递光学系统可以与视频摄像机(如camcorder)或与使用胶片的电影摄影机组成为一体。
在视频情况下，传递光学系统的放大率这样选择：使经传递光学系统投影到CCD传感器上的每个图象，其宽度等于CCD传感器上的N/n个象素。考虑到图象的放大率，这种配合精度在一个象素宽度的量级，尽管在上述法国专利中给出了图象交错的方法，其所要得到的精度大约可为百分之一个象素，因而需要特殊的方法对拍摄装置调整。此外，就本发明的拍摄装置而言，如果图象横向偏移一个象素宽度，这是滑动或振动可能引起的，那么有实际意义的缺陷仅限于两个相邻单元图象所共有的象素列的信息损失，在观看时表现为图象边缘处的可忽略不计的信息损失。
当用胶片拍摄时，传递光学系统放大率的限制仅仅是：代表图象I(或I’，或I”，或I)的实象具有与胶片规格相对应的规格。如前所述，由透镜阵列所致的空间相干性保证滑动或振动所致的任何偏移只影响视场的边缘。如果在此之前不曾有任何仅用一个拍摄光学系统在胶片上拍摄立体照片的装置做到这一点，那么这是个突出的优点。
由于立体图象基线是由透镜阵列RL的n个柱面微透镜的间距确定，所以在大多数视频应用中必须有放大率小于1的光学传递系统存在，除非用大尺寸的CCD传感器，或拍摄小场面。
对宏观照相机，或内窥镜，或者是在胶片上拍摄而言，在使用传递光学的系统所有这些场合中，所述公共焦平面的实象可以成象在其像方焦平面上，CCD传感器或胶片位于传递光学系统的象平面上，该系统可以有与传感器尺寸相匹配的任意放大率，而且放大率可以等于也可以小于或大于1，例如可以接近1或者精确地等于1。
传递光学系统有一个焦距，使得通过传递光学系统获得的视场尽可能精确地符号透镜阵列的结构。
在这种条件下，如果图象在空间传递，则传递光学系统从每个微透镜10或20仅接收与每个单元图象对应的那些光线。
图17表示内窥镜的情况。内窥镜的前端40包括图象形成装置31和包含着CCD传感器35的传递光学系统30。图象以n-图象模式在缆线41上传输(或通过视频发射机)，且由装置42接收，该装置对任何图象进行记录和/或显示所必须的处理，如在与透镜阵列配合的电视接收机43上。
图18表示可视电话的情况，其摄像机50包括装置31和带有传感器35的传递光学系统30。图象以n-图象模式经缆线51(或通过无线电)传输到与阵列配合的TV监视器52，而且还可以包括用于显示和/或视频记录目的的图象处理器。
下文将描述聚焦图象传递装置的两种方法：
1)按照第一种方法，传递物镜是小倍率变焦镜头；
a)柱面透镜(或柱面双合透镜)被初始定位，以使得其像方焦平面与传递光学系统对目标A0进行聚焦(水平聚焦)的聚焦平面重合；
b)移动透镜阵列，使得从传递光学系统看去，其对同一目标A0的象平面(实或虚)与上述柱面透镜聚焦平面重合(垂直聚焦)。
c)在适合的场合，传递光学系统是可变焦的，以致于透镜阵列的象与传感器的宽度相对应；以及
d)当柱面光学组件包括一双合透镜时，通过改变其两个柱面透镜间的距离调节该双合透镜(通常是会聚柱面透镜和发散柱面透镜)，以便应用上述所给公式校正变形比。
当变焦时，重复步骤1a)至1d)。
2)按照第二种方法(优选的方法)，传递物镜不包括变焦功能。通过实施步骤1a)和1b)将拍摄装置调节到给定聚焦距离，例如初始值，或平均聚焦距离(如3m)。设置传递光学系统，使得透镜阵列的图象与传感器的宽度相对应。
聚焦的改变有如下优点：对物镜和传递光学系统，用聚焦的很小改变(图象A’2代替A2)保持物镜的视场角θ0一级近似(见图5)。
当改变焦点时，透镜阵列保持不变。
于是，改变焦点包含移动柱面光学组件，以使位于所需聚焦距离Δ处目标A0图象的水平分量和垂直分量重合，该图象是通过柱面光学组件和透镜阵列形成的。
柱面光学组件和透镜阵列于是具有稍稍偏离透镜阵列焦平面的公共聚焦平面。
此后，传递光学系统被聚焦在该公共聚焦平面上，使得目标A0的图象清晰。
该方法可以通过计算实现，且可以实现自动化。
人工方法包括调节传递物镜系统的聚焦，以通过透镜阵列看到图象的垂直分量，所述图象对应于所需聚焦距离Δ处的目标。然后通过移动柱面光学组件调节水平分量的聚焦。
当柱面光学组件包括双合透镜时，构成双合透镜的两柱面透镜之间间隔初始改变，以便在如上所述移动柱面光学组件的同时实施上述两个方法之一或另一个之后，在所需聚焦距离获得与校正的变形比相对应的所需焦距f1。
这两个方法(自动和人工)也可以用于符合光路可逆原理的用途中，投影装置或背投式投影装置与一阵列配合，并位于距离D处。例如，在这种情况下，投影器，如CCD视频投影器或电影放映机投影一n-图象模式的图象，以使公共聚焦平面上的图象清晰，将该平面选择在与距离D相对应的聚焦距离Δ处。
于是，在屏幕ED上得到n个正常规格的图象(未变形图象)。由对应于投影距离D的因数k，可较好地校正图象形成装置的透镜阵列焦距和柱面透镜焦距之比。
由于光路的可逆性，本发明的装置适合于用作投影或背式投影装置，因为它可以投影n个单元图象，并且用该装置的n个柱面微透镜将这些图象转换成正常规格(没有变形)图象。按这种工作形式，上述作为物方焦点和像方焦点的这些焦点在此分别变成像方焦点和物方焦点。
投影装置(图19)适宜放置在距屏幕ED距离D处，该距离基本等于标准观看距离(理论“单色距离”)，且尤其适宜放置在观众的上方。
它可以根据形成在其物方焦平面F,F’,F”,F附近的图象I,I’,I”，或I，在距离D处投影视频或电影图象。在第一实施例(图1和5)中，可以直接在平面F附近产生视频图象I，或者通过在平面F,F’,F”，或F附近放置胶片产生图象。
投影器32，例如液晶投影器，通过其光学系统将本发明拍摄装置所获取图象投影在装置31上，甚至投影那些用其它方法，尤其是本发明人上述专利的方法所获得的n-图象模式图象，或者投影已合成为n-图象模式的图象。
本发明四个实施例之一的装置31(图5至12)，借助具有纵轴微透镜的透镜阵列RL(如用作观看图象的N/n个微透镜)并经过距离D，将一些图象以n个未变形规格单元图象的形式投影在通常为磨砂玻璃的屏幕ED上，其中D表示透镜阵列RL1(或RL2或RL3或RL4)与屏幕投影透镜阵列RL之间的距离。
选择散射屏幕ED的尺寸和距离D，以使得待投影的n个正常规格(即无变形规格)视点与屏幕的轮廓吻合。
位于距投影装置距离D处的透镜阵列之每个微透镜都具有视场角θ’(见图21)，该视场角使它构成宽度为L的透镜阵列RL1(或RL2或RL3或RL4)，由此，tan1/2θ’=1/2L/D。
当有四个视点时，投影透镜阵列RL1(或RL2或RL3或RL4)的全立体基线等于观看者入瞳距离E(E=65mm)的1.5倍。
于是，眼睛置于距屏幕ED距离D处(被定为等于D的理论单色距离或标准视距)的观看者，可看到符合立体基线的立体图象对1&3和2&4，该立体基线等于拍摄照片时所用的立体基线B。如上文所述，由于均匀一致的立体图象特性，和在相邻两个图象之间立体图象基线等于瞳距E的一半，或通常等于理想立体基线B的一半，所以有一个位于Dmin至Dmax范围的立体观看空间Dmin＜D＜Dmax，而且是相当宽的观察角范围，实际上在60°或更高的量级。
事实上，可以这样选择n＞4，或者通过在相邻视点之间转换等于0.5E的立体图象基线，或者通过在当前视点与相邻视点之间交错进一或多个附加视点，而上述相邻视点之间有一小于0.5E的单元基线，该单元基线是E的约数，即E/(M+1)，其中m是整数。在此条件下，确定单色距离，以使观看者或者看到视点1和2+m，或者看到视点2和3+m，等等。
图20表示构成优选实施例的背投式投影器。如上所述，可以采用上述法国专利的背投式投影器单独地投影图象I,I’,I”，或I的n个单元图象。
但是，本发明的装置可以用本发明具有单光轴且具体为单物镜的装置代替上述法国专利2,705,007采用的n个单元投影器。投影RC1和显示RC2各自的网络间距有利于保持在专利FR-2,705,007中的给定值，其中RC1可以是透镜阵列或视差阵列，而RC2同样可以如此。尤其是，透镜阵列RC1和RC2的间距在视频时可以小于屏幕ED上投影象素尺寸的一半，该屏幕通常是磨砂玻璃屏幕。必须满足的光学条件是：投影阵列RC1的每个单元，即采用透镜阵列时的微透镜，与透镜阵列RL1(或RL2，或RL3，或RL4)精确重合。视场角θ’的条件按照与投影装置相同的方式表示。
即，背投式投影装置与屏幕ED之间的距离为D，而观众位置的标准距离，即标准单色距离为D’。
对于间距为Pr1的阵列RC1和间距为Pr2的阵列RC2，有如下条件：
首先，投影阵列RC1必须被设计成，使得其每个透镜具有与图19阵列RL同样条件相对应的视场角θ’，即阵列RL的每个透镜可看见距离D处的投影装置的透镜阵列。
此外，对于所需的单色距离D’必须满足下式： pr 1 p r 2 = D D ′ ( fr 2 + D ′ ) ( fr 1 + D )
其中fr1和fr2代表投影阵列RC1和显示阵列RC2的柱面透镜焦距。
将会知道，在图19和图20两种情况下，一个或两个阵列可以是视差阻挡型的。
对视频图象而言，阵列RL,RC1，和RC2的间距适宜小于或等于屏幕E上象点或象素尺寸的一半。阵列RL,RC1，和RC2的间距可以选择得尽可能小到给定构成屏幕E的磨砂玻璃的颗粒。如果阵列间距太小，则颗粒尺寸将增加清晰度的损失，所以，所述的间距可以在屏幕E上一象素的0.1倍至0.5倍的范围内。
投影或背投式投影必须考虑的问题，或观看屏幕时要考虑的问题是自动立体成象。
如果当拍摄照片时立体图象对(I1,I3)的视点I1对应于左眼，而视点I3对应于右眼，而且如果立体图象对(I2,I4)的视点I2对应于左眼，而视点I4对应于右眼，则必须确保观看者确实是如此，才可以说看到的是正态立体图象。
如果观看者的左眼看视点I3，而右眼看视点I1，则立体感觉是相反的，致使投影看上去较差，反之亦然；所看到的是伪立体图象。
在第一和第二实施例中，透镜阵列RL1和RL2是会聚的。
当通过装置看时，所得的各个视点I1至I4和I”1至I”4分别是倒转的且左右颠倒的，和上下正常而左右颠倒。这表示在图1和3的各圆圈内，其中表示为图左侧上的字母P的形式。
在第二和第四实施例中，透镜阵列RL2和RL4是发散的。
当通过装置看时，所得的视点I’1至I’4和I1至I4分别是倒转的而左右不颠倒的，和上下正常而左右不颠倒。这表示在图2和4的各圆圈内，其中表示为图左侧上的字母P的形式。
在拍摄与投影之间，必须作交换补偿，以使图象上下正常且次序正确。该条件可以通过制造一个本发明拍摄装置与本发明投影装置相关联的系统而得到满足，而无论是用视频还是胶片。由于上述四个实施例对应于所有四种可能的情况，所以可一直满足这个条件。
应知道：对于胶片而言，胶片相对投影装置很小的横向位移，在视觉上将增加整个图象的位移，而不影响立体视觉。
图22表示在电视屏幕上观看的“单色”条件。该图象包括交错的象素列。间距为Pr的阵列RV的每个微双合透镜应于屏幕上的n个象素列。微透镜中心C位于距屏幕(如43或53)上象素平面距离ΔD处。象素间距为Pp,P=nPp。在“单色”距离D处，按传统方法采用下式：
      P/Pr=(D+ΔD)/D
均匀自动立体图象的条件(观看两个被m个中间视点隔开的视点)是：
      ΔD=(M+1)PpD/E

Claims (23)

1．一种用于形成具有n个视点的自动立体图象的装置，所述装置包括具有并置柱面微透镜的透镜阵列，其微透镜的纵轴平行于与该装置光轴垂直的第一方向，该装置的特征在于：它包括一至少由一个其纵轴垂直于第一方向和所述光轴的柱面透镜(LC1…LC4)构成的柱面光学组件；透镜阵列(RL1…RL4)包括n个柱面微透镜；透镜阵列和柱面光学组件有一聚焦距离为Δ的共同焦平面；柱面光学组件焦距与透镜阵列焦距之比的绝对值基本上等于n。
2．根据权利要求1的装置，其特征在于柱面光学组件(LC1)是会聚的，且透镜阵列(RL1)也是会聚的。
3．根据权利要求1的装置，其特征在于柱面光学组件(LC2)是会聚的，且透镜阵列(RL2)是发散的。
4．根据权利要求1的装置，其特征在于柱面光学组件(LC3)是发散的，且透镜阵列(RL3)是会聚的。
5．根据权利要求1的装置，其特征在于柱面光学组件(LC4)是发散的，且透镜阵列(RL4)是发散的。
6．根据前述任意一个权利要求的装置，其特征在于所述柱面光学组件焦距与透镜阵列焦距之比的绝对值等于n*，其中n*等于nk，而k是位于给定距离处的目标(A0)的放大率校正系数，图象的每个视点具有其绝对值等于n的变形比。
7．根据权利要求6的装置，其特征在于柱面光学组件具有可变的焦距，且该装置包括修正其焦距的机构，并用于修正校正系数k的值。
8．根据前述任意一个权利要求的装置，其特征在于该光学系统包括两个构成双合透镜的柱面透镜。
9．根据前述任意一个权利要求的装置，其特征在于它包括会聚场镜(L)，该场镜使平行于所述光轴(x’x)并通过透镜阵列(RL1...RL4)的微透镜中心(C)的光线会聚在给定的公共会聚点(O)。
10．根据前述任一权利要求的装置，其特征在于所述透镜阵列(RL1…RL4)的每个微透镜(10、20)的下游至少配置一个平的表面(1,2,3,4,3’,4’)，其相对垂直于光轴(X’,X)的平面PL倾斜(α1,α2)角，以使平行于光轴(X’,X)且通过微透镜(10,20)光学中心(C)的光线会聚在给定的公共会聚点(O)。
11．一种拍摄装置，其特征在于它包括前述任意一个权利要求的图象形成装置(31)，和图象获取装置(30)，该获取装置具有使所述图象对中和聚焦所述图象的传递光学系统。
12．根据权利要求11的装置，其特征在于图象获取装置是用于在空间传递所述自动立体图象I,I’,I”,I的视频装置(30)，它包括在诸如电荷耦合器件(CCD)等视频传感器(35)上聚焦的装置，以便构成视频拍摄装置。
13．根据权利要求12的装置，其特征在于图象形成装置和视频传递装置组合成内窥镜，其立体图象基线B比观看者瞳距E要小。
14．根据权利要求12的装置，其特征在于图象形成装置(31)和视频传递装置(30)组合成可视电话(50,51,52)。
15．根据权利要求12的装置，其特征在于视频图象传递装置是聚焦所述图象的视频摄像机，如摄录机，所述图象形成装置(31)构成了视频摄像机的光学附件。
16．根据权利要求11的装置，其特征在于图象获取装置(30)包括在胶片(36)上聚焦的装置。
17．根据权利要求16的装置，其特征在于该聚焦装置是拍摄电影的摄像机。
18．根据权利要求11至17任意一个的装置，其特征在于图象形成装置(31)包括一个所述场镜(L)或一个与透镜阵列(RL1…RL4)的每个微透镜(10,20)相关联的所述平表面(1,2,3,4,3’,4’)，且所述给定会聚点(O)位于传递光学系统的入瞳(P)处。
19．一种图象投影装置，其特征在于它包括：权利要求1至9中任意一个的图象形成装置，所述公共聚焦平面构成了物方焦平面，用于投影该物方焦平面上的包含n个变形规格单元图象之图象的投影器，和与至少一个投影阵列，诸如透镜阵列或视差阵列相配的屏幕，所述的投影阵列位于距图象形成装置(31)的透镜阵列(RL1…RL4)距离D处，该距离等于标准视距；其中的图象形成装置(31)的柱面透镜(LC1…LC4)和透镜阵列(RL1…RL4)按这样的方式放置：使物方焦平面上的图象被图象形成装置投影到距离D处；其中投影阵列(RL,RC1)之单元的视场角(θ’)是这样的：使每个单元沿水平方向构成图象形成装置的透镜阵列；其中所述的透镜阵列(RL1…RL4)具有两个不相邻的微透镜，该两微透镜的轴相互隔开以观看者的瞳距(E)。
20．根据权利要求19的装置，其特征在于所述屏幕是直接投影屏幕，它具有散射和反射单元(ED)，和位于其前面的投影阵列(RL)，该阵列也构成观看阵列。
21．根据权利要求19的装置，其特征在于所述屏幕是背投式屏幕，它具有位于所述投影阵列(RC1)和观看阵列(RC2)之间的散射单元(ED)。
22．根据权利要求19至21中任意一个的图象投影装置，其特征在于投影器是视频投影器，且其中投影阵列和/或显示阵列具有小于或等于屏幕上象点或象素尺寸一半的间距。
23．一种自动立体图象视频系统，其特征在于它包括权利要求10至18中任意一个的拍摄装置，和权利要求19至22中任意一个的图象投影装置。
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