DE60104146T2

DE60104146T2 - Flachkamera

Info

Publication number: DE60104146T2
Application number: DE60104146T
Authority: DE
Inventors: Adrian Robert Leigh Wrangaton TRAVIS
Original assignee: Cambridge Flat Projection Displays Ltd
Current assignee: Cambridge Flat Projection Displays Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: GB0029340D0; JP4005915B2; CN1262105C; DE60104146D1; JP2004515170A; US7545429B2; CN1593056A; US20040046870A1; EP1352517B1; WO2002045413A1; AU2002222100A1; EP1352517A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Möglichkeit des Ausformens eines Bildes aus Licht, das auf einen flachen Schirm auftrifft.
Kameras umfassen üblicherweise einen opaken Hohlraum mit einer Linse, die die Öffnung des Hohlraums bedeckt, und einen lichtempfindlichen Film an der Rückseite. Der Abstand zwischen Film und Linse muss größer sein als die Brennweite der Linse, wenn das Bild scharf sein soll, so dass Kameras für gewöhnlich sperrig sind. Bei Anwendungen wie dem Photokopieren ist es wünschenswert, über eine Kamera zu verfügen, welche flach ist, und bei Anwendungen wie der Videokonferenz sollte die Kamera darüber hinaus eine optische Achse im Zentrum einer Flachbildschirmanzeige und senkrecht zu dieser aufweisen, so dass die Benutzer gesehen werden, wie sie direkt jenen zugewandt sind, die an der Konferenz mit ihnen teilnehmen.
Kürzlich wurde in der WO-A-01/72037 des Anmelders ein abgeschrägtes Display offenbart, welches einen Videoprojektor und eine abgeschrägte Glasscheibe umfasst. Der Videoprojektor selbst weist eine Quelle näherungsweise kollimierter Beleuchtung auf, ein Mikrodisplay, einen Kondensorlinse und eine Projektionslinse. Wenn die Strahlen die Projektionslinse verlassen, bilden sie eine schmale Taille. An diesem Punkt werden die Strahlen in das dicke Ende der abgeschrägten Glasschicht weitergeleitet, so dass sie zumindest anfänglich durch wechselweise Reflexionen an den beiden Seiten der Schicht entlang und innerhalb derselben wandern. Wenn ein Strahl in das dicke Ende der Glasschicht gestrahlt wird, welches abgeschrägt ist, dann nimmt der außerhalb der Ebene liegende Winkel, der in Bezug auf eine Seite der Ab schrägung gemessen ist, jedesmal zu, wenn der Strahl von der gegenüberliegenden Seite der Abschrägung reflektiert wird. Schließlich breitet sich der Strahl weit genug entlang der Abschrägung aus, dass der außerhalb der Ebene liegende Winkel größer als der kritische Winkel wird, und an diesem Punkt entkommt das Licht der Abschrägung. Der Abstand in die abgeschrägte Glasschicht, unter dem der Strahl die Abschrägung verlässt, ist deshalb durch den Winkel bestimmt, unter dem der Strahl injiziert wird. Auf diese Weise wird die zweidimensionale Pixelanordnung des Mikrodisplays im Maßstab 1 : 1 auf eine zweidimensionale Pixelanordnung auf der Fläche des abgeschrägten Wellenleiters abgebildet. Eine antireflexive Beschichtung wird benötigt, um zu gewährleisten, dass alles Licht den Schirm verlässt, wenn der Strahl den kritischen Winkel erreicht, da anderenfalls zwischen benachbarten Reihen des Bildes eine Verschmierung auftritt.
Die Erfindung kehrt diesen Prozess im Wesentlichen um. Erfindungsgemäß wird eine Flachkamera angegeben, die eine flache transparente Scheibe aufweist, vorzugsweise mit Mitteln zum Einleiten von Licht in eine Seite der Scheibe unter einem Glanzwinkel, und eine Miniaturkamera, die dafür angeordnet ist, das Licht, das aus dem dicken Ende der Scheibe austritt, zu empfangen.
Bei einer flachen Abschrägung verbleibt nur Licht, das unter dem Glanzwinkel eintritt, innerhalb der Scheibe: Licht, das näher an der Vertikalen eintritt, entkommt aufgrund des etwas größeren Einfallswinkels, der sich aus der abgeschrägten Form ergibt, von der anderen Seite der Scheibe. Die abgeschrägte Scheibe oder der Wellenleiter "wählt" somit Licht, das unter dem Glanzwinkel eintritt, für die Weitergabe zur Kamera aus. Der Einfallswinkel kann durch geeignete lichteinführende Mittel eingestellt werden, so dass nur Licht, das bspw. unter einem Normalenwinkel eintritt, auf die Kamera trifft. Man könnte deshalb sagen, dass die Kamera ein projiziertes Bild des sich vor ihr befindenden Bereichs aufnimmt.
Vorzugsweise ist der Kamera ein Bildprozessor zugeordnet, um durch das System in das Bild eingeleitete Störungen zu korrigieren. Das lichteinleitende Mittel kann eine prismatische Schicht oder ein Film auf einer Oberfläche der Scheibe sein, wobei die Prismen dafür angeordnet sind, senkrecht eintretendes Licht teilweise gegen die Kamera zu lenken, so dass es in der Nähe des kritischen Winkels in die Scheibe eintritt. Alternativ dazu kann eine streuende Anordnung zu diesem Zweck verwendet werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun Ausführungsformen derselben beispielhaft beschrieben. Dies erfolgt mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Flachkamera veranschaulicht;
2 eine perspektivische Ansicht der Flachkamera mit einer zylindrischen Linse veranschaulicht, die zur Verringerung von Störungen hinzugefügt wurde;
3 veranschaulicht, wie der Durchtritt eines Strahls durch die abgeschrägte Scheibe ermittelt werden kann, indem ein gerader Strahl durch Spiegelbilder der abgeschrägten Scheibe verfolgt wird;
4 veranschaulicht, wie eine zweite Miniaturkamera hinzugefügt werden kann, um das die erste Kamera verpassende Licht einzusammeln;
5 veranschaulicht, wie eine zweite abgeschrägte Scheibe hinzugefügt werden kann, um Störungen zu verringern; und
6 eine Flachkamera veranschaulicht, die ein dreidimensionales Bild einfängt.
Mit Bezug auf 1 umfasst die Kamera eine transparente, einheitlich und eindimensional abgeschrägte Scheibe 1, wobei die Abschrägung etwa 0,1° beträgt, eine entsprechende eindimensional prismatische Schicht 3 auf einer Fläche der Scheibe, wobei die Prismen zur Scheibe gerichtet sind, eine Miniaturkamera 2 am dicken Ende der Abschrägung, allgemein in der Mittel entlang dieser Kante, und einen Bildprozessor 7. Ein ankommendes Bild wird durch einen Pfeil angedeutet, der auf die Prismenschicht 3 einfällt. Strahlen, die zur Normalen des prismatischen Films 3 einfallen, werden durch die Prismen um nahezu 90° gebeugt, so dass die Strahlen auf die abgeschrägte transparente Scheibe 1 unter einem Winkel einfallen, der gerade größer ist als der kritische Winkel. 1 zeigt, wie sich ein typischer Strahl dann die abgeschrägte Scheibe 1 hinunter auf solche Weise ausbreitet, dass, wenn der Strahl das dicke Ende verlässt, der Winkel zwischen dem Strahl und der Ebene der Scheibe umso kleiner ist, je weiter der Eintrittspunkt des Strahles vom dicken Ende der abgeschrägten Scheibe 1 entfernt ist. Die Strahlen können dann durch die Linse einer Miniaturkamera 2, d. h. eine, die viel kleiner ist als die Vorrichtung insgesamt, auf ihre lichterfassende Ebene fokussiert werden, so dass ein Bild oder ein projiziertes Bild der Szene vor der abgeschrägten Scheibe 1 erzeugt wird. Vorzugsweise ist die abgeschrägte Scheibe 1 mit einer antireflexiven Beschichtung beschichtet, die auf ähnliche Weise wie diejenige für abgeschrägte Flachscheiben-Projektionsdisplays ausgebildet ist, damit so viel Licht wie möglich gesammelt werden kann.
Strahlen, die in die transparente Scheibe 1 aus Positionen oberhalb oder unterhalb der Ebene von 1 eintreten (d. h., nicht frontal oder zentral, sondern teilweise von der Seite), erreichen die Kamera 2 nur dann, wenn der Winkel der Strahlen relativ zur Ebene von 1 bereits so ist, dass sie gegen die Kamera 2 verlaufen. Das Ergebnis ist ein verzerrtes Bild. Diese Verzerrung kann mit einer zylindrischen Linse 4 verringert werden, die am Boden der Scheibe 1 am unteren Ende des prismatischen Films 3 positioniert ist, wie in 2 gezeigt, mit einem Paar vorne versilberter Spiegel 5a und 5b, welche Licht auf die abgeschrägte Scheibe 1 beschränken und es durch die Linse in eine benachbarte Austrittsscheibe 12 führen, welche die Abschrägung der bildgebenden Scheibe 1 fortsetzen oder flach sein kann. Der Brennpunkt der zylindrischen Linse 4 wird so gewählt, dass er am fernen Ende der Austrittsscheibe 12 liegt, so dass alle Strahlen, die normalerweise auf dem prismatischen Film 3 auftreffen, einschließlich jener, die außerhalb der normalen Ebene sind, welche die Kamera enthält, in die Mineaturkamera 2 geführt werden.
Eine Alternative zu dieser Anordnung besteht darin, die große zylindrische Linse über den gesamten prismatischen Film 3 anzuordnen, wobei die Achse der zylindrischen Linse parallel zur Richtung ist, in der die abgeschrägte Scheibe 1 abgeschrägt ist. Eine weitere Alternative besteht darin, einen zylindrischen Spiegel anstelle der Linse 4 zu verwenden. Hierbei müsste die Anordnung "gefaltet" werden, so dass die Austrittscheibe parallel zur Bildgebungsscheibe und dieser benachbart (auf deren Oberseite) ist.
Damit die Strahlen durch die abgeschrägte Scheibe 1 verfolgt werden können, ist es hilfreich, das Verfolgen eines geraden Strahls durch einen Stapel an Keilbildern 6 zu verfolgen, was der 1 optisch äquivalent ist. 3 zeigt, wie die Position, an der ein Strahl in die abgeschrägte Scheibe 1 eintritt, bestimmt, ob er durch eine ungerade oder gerade Anzahl von Keilbildern im Stapel 6 verläuft, bevor er das dicke Ende erreicht. Wenn der Strahl durch eine ungerade Zahl an Keilbildern 6 verläuft, dann verlässt er die abgeschrägte Scheibe 1 in entgegengesetzte Richtung zu derjenigen, die erhalten wird, wenn der Strahl durch eine gerade Anzahl an Keilbildern 6 verläuft. Die Miniaturkamera 2 bildet deshalb ein Bild, das Bänder des Bildes umfasst, auf die Vorderseite der abgeschrägten Scheibe 1 ab, durchsetzt entweder mit dunklen Spalten (wenn kein Licht in den Rücken der abgeschrägten Scheibe 1 eintritt) oder mit Bändern eines Bildes, das sich am Rücken der abgeschrägten Scheibe 1 befindet. Ein Bildprozessor 7 wird deshalb benötigt, um das Bild an der Vorderseite der abgeschrägten Scheibe 1 von demjenigen an der Rückseite zu trennen; ein geeigneter Alogrhitmus für den Bildprozessor 7 kann von in geometrischer Optik ausgebildeten Personen entworfen werden. Wenn die Beleuchtungsniveaus niedrig sind, kann eine zweite Miniaturkamera 8 hinzugefügt werden, wie in 4 gezeigt, die in das dicke Ende der abgeschrägten Scheibe 1 zeigt. Diese sammelt Teile des Bildes, welche die erste Miniaturkamera 2 verpassen. Alternativ dazu kann ein Spiegel am Ende der Scheibe eingefügt werden und die Fläche benachbart der Scheibe 3 fortsetzen, um dieses Licht, das unter dem "falschen" Winkel austritt, gegen die Kamera 2 zu reflektieren, namentlich das intern reflektierte Licht, welches nach einer Reflexion mehr oder weniger als das Licht, das von der ersten Kamera empfangen wird, austritt.
Licht, das durch die abgeschrägte Scheibe 1 läuft, wird einer chromatischen Aberration unterzogen, und dies kann entweder durch den Bildprozessor 7 oder durch ein Prisma korrigiert werden, dessen Aberration entgegengesetzt derjenigen der abgeschrägten Scheibe 1 ist, angeordnet zwischen der Miniaturkamera 2 und dem dicken Ende des Keils, auf ähnliche Weise wie in der GB 0028800.1 (WO-A-02/43381) für abgeschrägte Flachscheibendisplays beschrieben. Auf ähnliche Weise kann es sinnvoll sein, den unteren Teil 12 der abgeschrägten Scheibe hinter denjenigen unterhalb des prismatischen Schirms 3 zu falten, und dies kann auf ähnliche weise wie bei abgeschrägten Flachscheiben-Projektionsdisplays erfolgen. Der prismatische Schirm kann alternativ ein Beugungsgitter oder ein anderer Film sein, welcher Strahlen zu einem Winkel beugt, unter dem sie in die abgeschrägte Scheibe 1 eintreten, nahe am kritischen Winkel, so dass sie, sobald sie in die Scheibe eintreten, in dieser verbleiben.
Wenn ein Satz Strahlen aus einem Punkt auf der Szene in die abgeschrägte Scheibe 1 eintritt, werden sie verzerrt, da ihre Richtung so nahe am kritischen Winkel liegt, und dies kann zu einem Verschmieren der Reihen führen. Die Verzer rung wird durch das Snellsche Gesetzt bestimmt, und es kann gezeigt werden, dass ein Strahl, der in die abgeschrägte Scheibe unter einem Winkel δθ₁ zur Oberfläche eintritt, nach dem Eintritt einen Winkel δθ₂ relativ zum kritischen Winkel einschießt, wobei gilt:
Dabei ist n der Brechungsindex des Materials der Scheibe, bspw. Glas, und kann etwa 1,5 betragen. Wenn bspw. die Miniaturkamera 2 Strahlen sammelt, die nach dem Eintritt in die Scheibe einen Winkel zwischen 0° und 0,05° zum kritischen Winkel einschließen, dann weisen diese Strahlen vor dem Eintritt in der Scheibe Winkel auf, die um 2,7° variieren (die Gleichung gilt natürlich für θ, das in Radiant gemessen ist). Diese Verzerrung kann durch Anordnen einer zweiten abgeschrägten Scheibe 9, die zur ersten kongruent ist, so dass die beiden benachbart, jedoch antiparallel sind, mit einem kleinen Luftspalt dazwischen, wie in 5 gezeigt, eliminiert werden.
Die Flachkamera kann auch dazu verwendet werden, Ansichten der Szene vor der abgeschrägten Scheibe 1 unter verschiedenen Ansichten zu sammeln, und diese Ansichten umfassen zusammen eine dreidimensionale Abbildung der Szene. Die Ansichten werden von einer Kamera entlang dem dicken Ende der abgeschrägten Scheibe 1 gesammelt, wie in 6 gezeigt.
Zum Zweck der Photokopie ist der prismatische Film 3 überflüssig, und die bedruckte Oberfläche des Papiers, das zu photokopieren ist, sollte gegen die Oberfläche der abgeschrägten Scheibe 1 gehalten werden. Licht kann entweder durch die Rückseite des Papiers oder durch die gegenüberliegende Seite der, abgeschrägten Scheibe 1 eingestrahlt werden.
Zum Zweck der Videokonferenz kann die abgeschrägte Scheibe sowohl als Display als auch Kamera eingesetzt werden. Ein durchsichtiger Schirm oder Phosphorschirm kann gegen die Oberfläche der abgeschrägten Scheibe 1 gegenüber dem prismatischen Film 3 angeordnet werden, und ein Videoprojektor kann optisch mit der Miniaturkamera 2 unter Verwendung eines Strahlspalters kombiniert werden. Die Ausrichtung des Projektors und der Kamera 2 sollte so sein, dass äquivalente Pixel Strahlen entlang einem geteilten optischen Pfad innerhalb der abgeschrägten Scheibe 1 übertragen oder empfangen. Übertragene Strahlen bilden ein Abbild auf dem durchsichtigen Schirm oder Phosphorschirm, das durch den prismatischen Film 3 sichtbar ist, während empfangene Strahlen zurück zur Miniaturkamera 2 geführt werden, wie vorstehend beschrieben.

Claims

Flachkamera, aufweisend eine abgeschrägte transparente Scheibe (1), um Licht unter einem Glanzwinkel in eine Seite der Scheibe zu empfangen, und eine Miniaturkamera (2), die Licht, das aus dem dicken Ende der Scheibe nach interner Reflexion innerhalb der Scheibe austritt, unter einem Winkel empfängt, der von dem Abstand die Scheibe hinauf abhängt, unter dem das Licht eingetreten ist.
Flachkamera nach Anspruch 1, aufweisend ein lichteinleitendes Mittel auf einer Fläche der Scheibe, um den Eintrittswinkel des Lichts in die Scheibe einzustellen.
Flachkamera nach Anspruch 2, wobei das lichteinleitende Mittel ein lichtumleitendes Mittel ist, bspw. eine prismatische Schicht (3), um den Winkel des eintretenden Lichts von einem vorgegebenen Winkel zum Glanzwinkel zu ändern.
Flachkamera nach Anspruch 2 oder 3, umfassend eine kompensierende abgeschrägte Scheibe (9) zwischen dem lichteinleitenden Mittel und der Wellenleiterscheibe.
Flachkamera nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Austrittsscheibe (12), die sich vom dicken Ende der abgeschrägten Scheibe (1) fortsetzt, und ein zylindrisches Kollimatormittel (4), das das Licht, das von der abgeschrägten Scheibe austritt, durch die Austrittsscheibe zur Kamera lenkt.
Flachkamera nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend einen Bildprozessor (7), der der Miniaturkamera zugeordnet ist, um das Bild zu vervollständigen oder zu korrigieren.
Flachkamera nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine zweite Miniaturkamera (8), die zum Ende der abgeschrägten Scheibe unter demselben Winkel wie die erste Kamera gerichtet ist, jedoch in der Ebene reflektiert, um intern reflektiertes Licht zu empfangen, das nach einer Reflexion mehr oder weniger als von der ersten Kamera empfangenes Licht austritt.
Flachkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend einen Spiegel am dicken Ende der Scheibe und allgemein parallel zu dieser, um intern reflektiertes Licht, das nach einer Reflexion mehr oder weniger als direkt von der ersten Kamera empfangenes Licht austritt, gegen die Kamera zu reflektieren.
Dreidimensionale Kamera, umfassend eine Kamera nach einem der vorstehenden Ansprüche sowie einen Satz derartiger Miniaturkameras (21–23) entlang dem dicken Ende der Scheibe.
Photokopiergerät, umfassend eine Flachkamera nach Anspruch 1, wobei die Subjekte auf die Scheibe selbst zu legen sind.
Videokonferenzvorrichtung, umfassend eine Flachkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die abgeschrägte Scheibe mittels eines Bildschirms, wie bspw. Phosphor, oder eines durchsichtigen Bildschirms als Display wirkt.