DE69931970T2

DE69931970T2 - Verbundenes bildabtastungssystem und verfahren

Info

Publication number: DE69931970T2
Application number: DE69931970T
Authority: DE
Inventors: R. John Bellevue LEWIS; D. Charles Issaquah MELVILLE; T. Clarence Seattle TEGREENE
Original assignee: Microvision Inc
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2019-10-30
Also published as: DE69931970D1; CA2387740A1; EP1226464A1; EP1226464B1; MXPA02004163A; KR100779905B1; JP2003513334A; WO2001033283A1; CA2387740C; AU1334100A; KR20020059650A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Bildaufnahmesysteme und insbesondere auf Systeme, die Abtasteingänge oder -ausgänge nutzen.
Hintergrund der Erfindung
Es ist eine große Vielzahl von Techniken zur Bereitstellung von bildlichen Anzeigen von graphischen oder Videobildern für einen Betrachter verfügbar. Beispielsweise sind Kathodenstrahlröhren-Bildschirme (CRTs), wie beispielsweise Fernseher und Computermonitore, sehr gängig. Solche Vorrichtungen haben jedoch einige Nachteile. Konventionelle CRTs sind typischerweise unhandlich und verbrauchen eine erhebliche Menge an Energie, was sie für tragbare oder kopfgebundene Anwendungen ungeeignet macht.
Flachbildschirme, wie z.B. Flüssigkristall-Bildschirme, Plasma-Bildschirme und Feldemissions-Bildschirme können weniger unhandlich sein und weniger Energie verbrauchen. Typische Flachbildschirme nutzen jedoch Bildschirme, die mehrere Zoll in der Querrichtung messen. Solche Bildschirme sind nur begrenzt in kopfgebundenen Anwendungen oder in Anwendungen einsetzbar, in denen es beabsichtigt ist, dass der Bildschirm nur einen kleinen Bereich eines Blickfeldes eines Benutzers belegt.
In letzter Zeit wurden sehr kleine Bildschirme für Teil- oder erweiterte Blickfeldanwendungen und für verschiedene kopfgebundene Anwendungen entwickelt. In erweiterten Blickfeldanwendungen wird ein Teil des Bildschirms in das Blickfeld des Be nutzers positioniert und zeigt, wie in 1 gezeigt, ein Bild, das einen kleinen Bereich 42 des Blickfeldes 44 des Benutzers belegt. Der Benutzer kann deshalb sowohl, ein angezeigtes Bild 46 als auch Hintergrundinformation 48 sehen.
Eine Anwendung von solchen Kleinbildschirmen wird in Zwei-End-Systemen gefunden, d.h. in Systemen, bei denen Bilder an einem Ende erhalten werden und zu einem zweiten Ende zum Zwecke der Ausgabe übermittelt werden. Beispielsweise nutzen Fernsehsysteme kleine Detektoren oder Kameras (wie z.B. CCD-Felder) an einem ersten Ende, die Bilder in elektrische Signale umwandeln. Anschließend werden die elektrischen Signale entweder (a) entlang von Leitern übertragen; oder (b) in optische Daten umgewandelt und entlang optischer Fasern zum zweiten Ende übertragen. Am zweiten Ende werden die elektrischen Signale oder die optischen Daten durch elektronische oder optoelektronische Schaltkreise und einen Miniaturbildschirm in optische Bilder zurückgewandelt. Innerhalb des Bildschirms konvertiert eine Ausbildung des elektronischen oder optoelektronischen Schaltkreises das elektrische oder optische Signal in ein elektrisches Treibersignal, das an den Miniaturbildschirm angelegt wird. Der Bildschirm konvertiert dann das Signal in ein sichtbares Bild.
Solche Ansätze haben üblicherweise mehrere Nachteile. Beispielsweise induziert die Umwandlung zwischen elektrischen Signalen und optischen Signalen typischerweise eine Bildverzerrung und Rauschen. Ebenso wird in üblichen Systemen das Bild durch Mischen von Licht aus roten, grünen und blauen Lichtquellen (z.B. Phosphor – oder Laserdioden) wieder aufgebaut. Solche Systeme können eine Art von Farbverzerrung induzieren. Darüber hinaus können elektrische Schaltkreise empfindlich auf Temperatur oder Schwankungen anderer Umweltbedingungen und elektromagnetische Felder reagieren. In vielen An wendungen können Temperaturwächter und elektrische Abschirmungen die elektrische Schaltung schützen. Solche Überwacher und Abschirmungen können erhebliches Gewicht und Größenbegrenzungen verursachen. In kopfgebundenen Anwendungen kann dieses zusätzliche Gewicht Spannungen im Nacken des Trägers verursachen und kann ebenso die Schwierigkeiten bei der Konfektionierung begründen.
Das US-Patent 5,726,671 offenbart ein System, wobei zwei Abtasteinrichtungen durch übliche Steuerschaltkreise mit Signalen, die von einem üblichen Taktsignal abgeleitet sind, angesteuert werden, welches so die Abtasteinrichtungen synchronisiert. Insbesondere in Bezug auf die Figuren dieses Patents ist die Synchronisation im oben genannten System von einem Hauptabtastsignal abhängig, von dem die Treibersignale, sowohl für die Eingangsabtasteinrichtungen 28 als auch für die Ausgangsabtasteinrichtungen 46 (oder die Ausgangsabtasteinrichtungen 108, 112 und 116) abgeleitet werden. Das System des '671-Patents enthält eine Anordnung von helmfernen Komponenten 20 und eine Anordnung von am Helm angebrachten Komponenten 40, die beide an einem üblichen bilderzeugenden Schaltkreis (so benannt in 6) angeschlossen sind. Dieser bilderzeugende Schaltkreis erzeugt ein Hintergrundbild und einen interessanten Bereich (AOI), welchen die jeweils helmfernen Bildquellen 22 und 24 anzeigen. Der AOI entspricht dem Ort des Hintergrundes, wo ein Betrachter (4) seinen Blick hinrichtet. Um die Richtung des Blickes des Betrachters zu bestimmen, nimmt die helmgebundene Komponente 40 die Bewegung des Kopfes und der Augen des Betrachters auf und sendet diese Information zur bilderzeugenden Schalteinheit, die als Antwort auf diese Information die korrespondierenden AOI-Daten zur geeigneten Zeit an die Bildquelle 24 sendet. Um die Eingangsabtasteinrichtung 28, die Ausgangsabtasteinrichtung 46 (oder die Ausgangsabtasteinrichtung 108, 112 und 116) und das Senden der AOI-Daten zur Bildquelle 24 zu synchronisieren, erzeugt der bilderzeugende Schaltkreis die Treibersignale für die Eingangs- und Ausgangsabtasteinrichtungen und das Taktsignal für den Bilddatenpuffer und die Bildquelle 24 aus einem gemeinsamen Signal, so dass die Synchronisierung inhärent erfolgt.
In ähnlicher Art und Weise offenbart das US-Patent 4,349,815 eine Frontsicht-Anzeige mit einer Vielzahl von Abtastern, die inhärent durch einen gemeinsamen Steuerschaltkreis synchronisiert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 definiert. In einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung wird Licht an einem Ort von einem optischen Bild durch eine erste Abtasteinrichtung abgetastet und durch eine optische Übertragungsfaser zu einem zweiten Ort übertragen, ohne die optische Information in elektrische Signale zu konvertieren. In einer Ausführungsform empfängt eine zweite Abtasteinrichtung Licht von der Faser und rekonstruiert das optische Bild durch mit der ersten Abtasteinrichtung im Wesentlichen synchrones Abtasten.
In einer Ausführungsform ist ein erster Lichtsender mit der Übertragungsfaser durch einen Faserkoppler verbunden. Der erste Lichtsender stellt Beleuchtungslicht für die Übertragungsfaser zur Verfügung und die Übertragungsfaser überträgt das Beleuchtungslicht zur Eingangsszene. Die erste Abtasteinrichtung tastet das Beleuchtungslicht über der Eingangsszene ab. Die Eingangsszene reflektiert einen Teil des abgetasteten Beleuchtungslichts und [sic] zurück zur Eingangsabtasteinrichtung, welche dann das reflektierte Licht in die Übertragungs faser zur Übertragung zur zweiten Abtasteinrichtung einkoppelt.
In einer Ausführungsform ist der erste Sender ein Vollspektralleuchter, wie z.B. eine Quecksilberdampflampe, ein Weißlichtlaser oder eine Kurzbogenlampe. Sofern der Vollspektralleuchter keine ausreichende Helligkeit zur Verfügung stellt, kann der Sender aus einer oder mehreren monochromen Quellen, wie z.B. Laserdioden ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform arbeiten beide Abtasteinrichtungen als Übertrager. Die erste Abtasteinrichtung tastet deshalb Bilder von der ersten Szene ab und die Übertragungsfaser überträgt das Licht von der ersten Abtasteinrichtung zur zweiten Abtasteinrichtung. Die zweite Abtasteinrichtung erzeugt die erste Szene aus dem abgetasteten Licht erneut. Zur gleichen Zeit tastet die zweite Abtasteinrichtung Bilder einer zweiten Szene ab und die Übertragungsfaser überträgt das Licht von der zweiten Abtasteinrichtung zur ersten Abtasteinrichtung. Die erste Abtasteinrichtung erzeugt die zweite Szene aus dem abgetasteten Licht erneut. Um die Bilderzeugungen zu verbessern, umfasst eine oder mehrere der Abtasteinrichtungen konfokale Optiken (Linsen), die Licht zu und von der entsprechenden Szene koppeln. Zum Anschauen umfasst eine Ausführungsform einen Strahlteiler und Bildoptiken, die das Bild auf einem Bildschirm anzeigen.
In einer weiteren Ausführungsform koppelt eine der Abtasteinrichtungen Licht direkt auf die Netzhaut eines Betrachters. Eine Ausführungsform der Netzhautabtasteinrichtungen umfasst einen Mischer, der Licht von der Faser und Licht von einem Hintergrund empfängt. Das gemischte Licht des Lichtmischers wird durch die Pupille des Nutzers empfangen und trifft auf die Netzhaut. Das Licht der Faser bildet ein "virtuelles" Bild und das Licht des Hintergrundes bildet ein "reales" Bild. Der Anwender empfängt ein Bild, das eine Kombination des virtuellen Bildes und des realen Bildes ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Netzhautabtasteinrichtung einen Augefolgemechanismus, der die Position des Auges des Trägers überwacht und die Position des abgetasteten Lichtstrahles derart anpasst, dass der Träger dauerhaft das virtuelle Bild sieht, wenn der Träger das Auge bewegt, um das reale Bild zu sehen.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung trägt eine separate Faser das Beleuchtungslicht. Um das Einkoppeln des reflektierten Lichts in die Übertragungsfaser zu verbessern, sind die separate Faser und die Übertragungsfaser mit ihren Weit- oder Zwischenfeldern überlappend zusammengebunden. Jede der Übertragungsfasern und der separaten Fasern sind als D-förmige Fasern ausgebildet, so dass die Faserkerne im Wesentlichen nah zueinander positioniert werden können.
In einer Ausführungsform kann die Übertragungsfaser Komponenten enthalten, die eine aktive oder passive Modifikation des übertragenen Lichts gestatten. Beispielsweise kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, Faserverstärker in Reihe einzubinden, um das übermittelte Licht zu verstärken. In anderen Verstärkungen können aktive Schalter gewährleisten, dass das übertragene Licht selektiv entlang einer oder mehrerer alternativer Pfade gerichtet wird. In weiteren anderen Anwendungen kann das sichtbare Licht direkt herunter konvertiert werden auf typische Wellenlängen für Kommunikationssysteme für Übertragungen über weite Strecken und anschließend und nach der Übertragung zu sichtbaren Wellenlängen heraufkonvertiert werden. Solche Wellenlängenwechselansätze können auf Wellenlängenteilungs-Multiplexlicht aus einer Vielzahl von Eingang sabtastern entlang eines gemeinsamen optischen Pfades angepasst werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine diagrammartige Darstellung eines kombinierten, gemischten Bildes, wahrgenommen durch einen Anwender, resultierend aus der Mischung von Licht von einer Bildquelle und Licht eines Hintergrundes.
2A zeigt ein verbundenes Abtasteinrichtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, enthaltend ein Paar von Abtasteinrichtungen, welche mittels einer Übertragungsfaser verbunden sind, bei dem ein Paar von Lichtsendern mit der Übertragungsfaser gekoppelt ist, um Licht für eine Beleuchtung zur Verfügung zu stellen.
2B zeigt einen alternativen Ansatz des Lichteinkoppelns unter Verwendung eines einzelnen Faserkopplers.
3 zeigt eine Anwendung eines verbundenen Abtasteinrichtungssystems, umfassend drei Eingangsabtasteinrichtungen, welche an jeweiligen Orten an einem Flugzeug angeordnet sind.
4 zeigt eine andere Anwendung eines verbundnen Abtasteinrichtungssystems enthaltend eine Eingangsabtasteinrichtung, die in einer abgetrennten Umgebung zum Besichtigen der Umgebung aus der Ferne angeordnet ist.
5 ist eine diagrammartige Darstellung eines Abtastbildschirmes, der für den Gebrauch als einer der Abtasteinrichtungen der 2A geeignet ist.
6 ist eine diagrammartige Darstellung des Bildschirms von 4, welche einen Abstand des Auges relativ zur Strahlposition und der korrespondierenden Reflektion des Positionierungsstrahles zeigt.
7A ist eine diagrammartige Darstellung von reflektiertem Licht, welche auf den Detektor in der Position von 6 trifft.
7B ist eine diagrammartige Darstellung von reflektiertem Licht, welche auf den Detektor in der Position von 6 trifft.
8 ist eine diagrammartige Darstellung des Bildschirms von 2A, welche eine Repositionierung der Bildquelle und der Positionierungsstrahlquelle, die für das Aufzeigen des Abstandes von 6 verantwortlich ist, zeigt.
9 ist eine Detailansicht eines Abschnittes eines Bildschirms, welche metalllegierungsbasierte Formgedächtnis-Positionierer zeigt, die mit dem Substrat verbunden sind.
10 ist eine diagrammartige Darstellung einer Abtastanordnung im Abtastbildschirm von 5.
11A ist eine diagrammartige Darstellung eines Zweiendbilderzeugers, wobei die Ausgangsabtasteinrichtung einen Augverfolger umfasst, der mit Positionierern in der Eingangsabtasteinrichtung verbunden ist.
11B ist eine diagrammartige Darstellung des Zweiendbilderzeugers nach 11A, welche eine Neuanordnung der Eingangsabtasteinrichtung als Antwort auf eine detektierte Bewegung des Auges des Betrachters zeigt.
12 ist eine diagrammartige Darstellung des Zweiendbilderzeugers, der zum Betreiben einer Abtasteinrichtung mit einem optischen Signal angepasst ist.
13 ist eine diagrammartige Darstellung eines Zweiendbilderzeugers umfassend getrennte Fasern für die Beleuchtung einer Szene und das Übermitteln von Licht von der Szene zu einem entfernten Ende.
14 ist eine Querschnittsansicht der Fasern von 13, welche D-förmige Fasern zeigt.
15 ist eine diagrammartige Darstellung der Anordnung von Fasern während der Herstellung durch das Übereinanderanordnen von Bildern auf einem Schirm.
16 ist eine diagrammartige Darstellung eines Zweiendfaserbilderzeugers, welche eine effektive Vergrößerung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie in 2A gezeigt, ist ein optischer Bilderzeuger 8 mit zwei Enden aus einem Paar von Abtasteinrichtungen 10, 12 gebildet, die mittels einer Übertragungsfaser 14 verbunden sind, wobei jede der Abtasteinrichtungen 10, 12 als ein optischer Übertrager arbeitet. Der Aufbau und der Betrieb der Abtasteinrichtungen 10, 12 wird unter Bezugnahme auf 5 und 6 detaillierter beschrieben. Ein Beispiel eines fasergekoppelten Abtastschirms wird in dem US-Patent Nr. 5,596,339 von Furness et.al., mit dem Titel "VIRTUAL RETINAL DISPLAY WITH FIBER OPTIC SOURCE" beschrieben, welches durch Bezugnahme hier eingebunden wird. Wie ebenfalls unten erklärt werden wird, werden die Abtasteinrichtungen 10, 12 derart synchronisiert, dass sie in im Wesentlichen dem gleichen Muster mit im Wesentlichen der gleichen Taktung abtasten.
Ein Paar von Lichtsendern 16, 18 ist mit der Übertragungsfaser 14 durch entsprechende Faserkoppler 20, 22 gekoppelt, um Eingangslicht zur Beleuchtung zur Verfügung zu stellen. Wie in 2B gezeigt, kann ein einzelner Faserkoppler 22A Licht von beiden Lichtsendern 16, 18 in die Übertragungsfaser 14 einkoppeln. Zurück zur 2A: Dort sind die Lichtsender 16, 18 bevorzugt Vollspektrallichtquellen, obwohl Monochromquellen für einige Anwendungen wünschenswert sein können. Wo Vollspektrallicht gewünscht wird, können die Lichtsender 16, 18 kleine Quecksilberdampflampen, Weißlichtlaser oder Kurzbogenlampen sein. Für Monochromanwendungen können Laserdioden oder andere lichtemittierende Dioden verwendet werden. In einigen Farbanwendungen kann jeder der Lichtsender eine Vielzahl von Lichtquellen umfassen. Beispielsweise kann jeder der Lichtsender 16, 18 rote, grüne und blaue Laser umfassen. Alternativ können die Lichtsender in einigen Anwendungen nicht sichtbares Beleuchtungslicht verwenden. Beispielsweise kann in ophtalmoskopen Abtastanwendungen ultraviolettes oder Infrarotlicht zur Detektion von bestimmten Typen von Körpergewebe nützlich sein. In solchen Anwendungen kann ein Wellenlängenumwandlungsbetrachter, wie z.B. ein Infrarotbetrachter zur Ausgangsabtasteinrichtung hinzugefügt werden.
Wie in der folgenden Beschreibung beschrieben und wie durch die Pfeile in 2A angezeigt, arbeitet die linke Abtasteinrichtung 10 als die Eingangsabtasteinrichtung und die rechte Abtasteinrichtung 12 arbeitet als die Ausgangsabtasteinrichtung. In vielen Anwendungen können jedoch jede der Abtasteinrichtungen 10, 12 sowohl als Eingangsabtastabrichtung als auch Ausgangsabtasteinrichtung arbeiten, um eine bidirektionale Kommunikation zu erreichen. Die Kommunikation in einer einzigen Richtung wird zuerst beschrieben.
Um eine Szene 24 abzubilden, emittiert der rechte Sender 18 Licht, welches mittels des Faserkopplers 22 in die Übertragungsfaser 14 eingekoppelt wird. Die Übertragungsfaser 14 überträgt das Licht zur Eingangsabtasteinrichtung 10, wo das Licht auf die Szene 24 in einem zweidimensionalen Muster, wie z.B. einem Rastermuster abgegeben wird, um die Szene 24 zu beleuchten. An jeder Position der Eingangsabtasteinrichtung 10 wird ein Teil des Beleuchtungslichts zur Eingangsabtasteinrichtung 10 durch die Szene 24 zurück reflektiert. Da das Licht sehr schnell zur und von der Szene 24 gelangt, ändert sich die Position der Eingangsabtasteinrichtung 10 nicht signifikant, bevor das reflektierte Licht die Eingangsabtasteinrichtung 10 erreicht. Deshalb koppelt die Eingangsabtasteinrichtung 10 das reflektierte Licht zurück in die Übertragungsfaser 14, welche dann das reflektierte Licht zur Ausgangsabtasteinrichtung 12 überträgt.
Die Ausgangsabtasteinrichtung 12 tastet das Licht von der Übertragungsfaser 14 im gleichen Muster und mit der gleichen Frequenz wie die Eingangsabtasteinrichtung 10 ab, um die Szene 24 als eine virtuelle Szene 26 zu rekonstruieren. Wenn die Eingangsabtasteinrichtung 10 sich in einer weiten Entfernung von der Ausgangsabtasteinrichtung 12 befindet, kann eine Übertragungsverzögerung durch die Übertragungsfaser die angezeig ten Bilder beeinflussen. In solchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Zeitsteuerung der Ausgangsabtasteinrichtung 12 anzupassen, um die Verzögerung zu kompensieren. Wie in 2A gezeigt, trifft Licht, welches von der Abtasteinrichtung 12 ausgeht, auf einen Betrachtungsschirm 27, wobei ein Bild zum Betrachten durch einen Nutzer erzeugt wird. Der Fachmann wird verstehen, dass die Ausgangsabtasteinrichtung 12 in einigen Anwendungen in einen Netzhautabtastbildschirm integriert werden kann, z.B. wo der Bilderzeuger 8 als unidirektionaler Bilderzeuger betrieben wird.
Um das Einkoppeln des Beleuchtungs- und des reflektierten Lichts in die Abtasteinrichtungen 10, 12 zu verbessern, umfassen die Abtasteinrichtungen 10, 12 konfokale Optiken, ähnlich zu denen eines konfokalen Mikroskops. Obwohl die konfokalen Optiken 28, 30 als einfache Linsen dargestellt sind, wird der Fachmann verstehen, dass eine Vielzahl von konfokalen Optiken 28, 30 verwendet werden kann. Obwohl die konfokalen Optiken 28, 30 auch getrennt von den Abtasteinrichtungen 10, 12 dargestellt sind, sind die Optiken 28, 30 typischerweise in die Abtasteinrichtungen 10, 12 integriert, wie es unten unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben werden wird.
Eine Anwendung des Bilderzeugers 8 ist in 3 gezeigt, wo ein Flugzeug 50 drei Abtasteinrichtungen 10A-C umfasst, die entlang einer jeden Tragfläche 51 und am Heck des Flugzeugs 50 angeordnet sind. An diesen Orten können die Eingangsabtasteinrichtungen 10A-C die Tragflächen und Klappen abbilden, um ein Vereisen, Vibrationen, Deformationen oder die Klappenposition zu zeigen. Die Übertragungsfasern 14 für jede der Abtasteinrichtungen 10A-C erstrecken sich von den Abtasteinrichtungen 10A-C ins Cockpit, wo sie durch einen optischen Schalter 54 mit einer einzelnen Ausgangsabtasteinrichtung 12 gekoppelt sind. Der Schalter kann einer von vielen bekannten optischen Schaltern sein, wie z.B. ein faseroptischer Schalter in Reihe. Durch das Ansteuern des Schalters 54 kann ein Pilot selektiv Bilder der Eingangsabtasteinrichtungen 10A-C betrachten.
Wie in 4 gezeigt, kann der Bilderzeuger 8 auch dazu genutzt werden, aus der Entfernung eine gefährliche oder anderweitig nicht erreichbare Umgebung 56, wie z.B. ein giftiges Gas oder eine Hochtemperaturumgebung oder eine innere Kavität eines menschlichen Körpers zu betrachten. In dieser Ausführungsform wird die Eingangsabtasteinrichtung 10 in die Umgebung 56 eingesetzt und derart orientiert, um einen geeigneten Ausschnitt der Umgebung 56 zu betrachten. Ein einzelner Sender 18 ist über die Übertragungsfaser 14 mit der Eingangsabtasteinrichtung 10 verbunden, um Licht zur Verfügung zu stellen, welches die Umgebung 56 beleuchtet. Licht, welches von der Umgebung 56 reflektiert wird, wird durch die Eingangsabtasteinrichtung 10 empfangen und in die Übertragungsfaser 14 zurück eingekoppelt. Die Übertragungsfaser 14 überträgt das empfangene Licht zur Ausgangsabtasteinrichtung 12 zum Betrachten durch ein Auge 52 des Betrachters. Weil das Licht nicht in ein elektrisches Signal umgewandelt und in ein optisches Signal zurückgewandelt wird, nimmt der Betrachter Licht, welches ursprünglich von der Umgebung 56 stammt, ohne Umwandlungsartefakte wahr.
Eine Abtastvorrichtung 60, geeignet für eine der Abtasteinrichtungen 10, 12, gezeigt in 5, wird zum Betrachten durch ein Auge 52 des Betrachters oder zum Betrachten von Merkmalen des Auges 52 positioniert. Ein Fachmann wird verstehen, dass die Ausführungsform der Vorrichtung 60 hierin wegen der Einfachheit der Darstellung für das Betrachten des Auges 52 beschrieben wird. Die Vorrichtung 60 kann auch verwendet werden, um viele andere Objekte zu betrachten. Beispielsweise kann die Vorrichtung 60 verwendet werden, um eine unerreichba re oder gefährliche Umgebung, wie oben unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben, zu betrachten.
Die Vorrichtung 60 umfasst prinzipiell 2 Bereiche, wobei jeder dieser Bereiche unten weiter detailliert beschrieben wird. Der erste Bereich ist eine Abtastanordnung 76, die einen Eingangsstrahl 53 durch ein zweidimensionales Abtastmuster, wie z.B. ein Rastermuster abtastet. Ein Beispiel einer solchen Abtastanordnung ist ein mechanischer Resonanzabtaster wie er im US-Patent Nr. 5,557,444 von Melville, et. al., mit dem Titel "MINIATURE OPTICAL SCANNER FOR A TWO-AXIS SCANNING SYSTEM" beschrieben ist, welches hier durch Bezugnahme eingebunden wird. Andere Abtastanordnungen, wie akusto-optische Abtaster können in solchen Bildschirmen jedoch auch verwendet werden.
Bilderzeugungsoptiken 61 bilden den zweiten Bereich der Vorrichtung 60. Die Bilderzeugungsoptiken 61 in der Ausführungsform von 5 umfassen ein Paar Spiegel 62 und 64, die den Strahl 53 zur Bilddarstellung oder zum Betrachten durch ein Auge 52 des Betrachters geeignet formen und fokussieren. Ein Fachmann wird verstehen, dass der Spiegel 62 teilweise durchlässig sein kann, so dass ein Teil des Lichts reflektiert wird und ein Teil des Lichtes durchgelassen wird.
Um das Auge 52 abzubilden, stellt die Faser 14 Beleuchtungslicht zur Verfügung, welches die Faser 14 verlässt und in eine Abtastanordnung 76 eintritt. Die Abtastanordnung 76 bildet das Beleuchtungslicht durch ein im Wesentlichen rasterförmiges Muster auf die Bilderzeugungsoptik 61 ab, so dass die Spiegel 62, 64 Licht zum Auge 52 leiten. Das abgetastete Licht trifft in das Auge 52 (in diesem Falle auf die Netzhaut 59) und ein Teil des Lichts wird zu den Spiegeln 62, 64 zurückreflektiert. Die Spiegel 62, 64 leiten das reflektierte Licht zur Abtastanordnung 76 weiter. Weil die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Abtastanordnung 76 zu den Spiegeln 62, 64 und zur Netzhaut 59 zu gelangen, sehr kurz ist, ist die Abtastanordnung 76 in im Wesentlichen dem gleichen Zustand, in dem das Licht zum ersten Mal von der Faser 14 ankommt. Dementsprechend koppelt die Abtastanordnung 76 das Licht von den Spiegeln 62, 64 zurück in die Faser 14. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel, welches hierin beschrieben wird, Licht, welches von der Netzhaut 59 reflektiert wird, nutzt, können andere Ausführungsformen unterschiedliche optische Strukturen nutzen oder die Komponenten unterschiedlich positionieren, um andere Bereiche des Auges 52, wie z.B. die Iris abzubilden.
Das Betrachten wird nun unter Bezugnahme auf die gleiche Figur (5) beschrieben werden, weil die Vorrichtung 60 bidirektional arbeiten kann. Während des Betrachtens gibt die Faser 14 das übertragene abgetastete Licht zur Abtastanordnung 76 aus. Die Abtastanordnung 76 tastet das Licht in beiden Richtungen, horizontal und vertikal, in einem Wiederholmuster, wie z.B. einem Rastermuster, ab. Die Bilderzeugungsoptik 61 schickt abgetastetes Licht von der Abtastanordnung 76 zum Auge 52 des Betrachters und vergrößert es, in dem das Licht durch die Pupille 65 gelangt und auf die Netzhaut 59 trifft, um ein wahrgenommenes virtuelles Bild zu erzeugen. Um den Empfang von Licht von den Spiegeln 62, 64 beim Benutzer zu vereinfachen, können die Bilderzeugungsoptiken 78 auch einen Ausgangspupillenerweiterer umfassen, der die effektive Öffnung abgetasteten Lichtstrahles vergrößert. Der Ausgangspupillenerweiterer ist zum Zwecke der Klarheit der Darstellung des Strahles 53 weggelassen.
Wie aus 5 gesehen werden kann, befindet sich das Auge 52 des Benutzers typischerweise an einem im Wesentlichen festgelegten Ort relativ zur Bilderzeugungsoptik 61, da der Kopf des Betrachters typischerweise an einem festgelegten Ort relativ zur Abtastanordnung 76 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Abtasteinrichtung 16 starr montiert sein und eine Augenwanne umfassen, gegen die die Augenhöhle des Benutzers gedrückt wird. Zur Klarstellung diskutiert diese Beschreibung deswegen nicht die Kopfbewegung bei der Beschreibung des Betriebes der Vorrichtung 60. Ein Fachmann wird erkennen, dass in einigen Anwendungen der Kopf des Benutzers frei für eine relative Bewegung sein kann. In solchen Anwendungen kann ein Kopfverfolgungssystem die Kopfposition des Benutzers zum Zwecke der groben Positionierung verfolgen.
Wenn sich das Auge 52 des Benutzers bewegt, kann sich die Pupille aus dem Strahl des Lichts der Faser 14 heraus bewegen. In der Ausführungsform nach 6 reduziert eine Augenverfolgung eine solche Fehlanordnung durch Beobachten der Position des Auges 52 des Benutzers und durch Anpassen der Strahlenführung, wie es nun unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 beschrieben werden wird.
Zusätzlich zu dem Licht aus der Faser 14 empfangen die Bilderzeugungsoptiken 78 auch einen Positionierungssstrahl 90 von einer Infrarotlichtquelle 92, die in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Ausgangsabtasteinrichtung 12 untergebracht ist ( 2A). Die Ausgangsabtasteinrichtung 12 umfasst auch Mischoptiken, die das infrarote Licht mit dem abgetasteten Licht mischen, so dass das infrarote und das sichtbare Licht im Wesentlichen kolinear sind. Deswegen umfasst der Ausgang der Bilderzeugungsoptiken 78 auch Licht aus der Infrarotlichtquelle 92. Ein Fachmann wird verstehen, dass, obwohl die Infrarotlichtquelle 92 derart gezeigt ist, als wäre sie orthogonal relativ zur Faser 14 angeordnet, trotzdem andere Implementierungen leicht realisierbar sind.
Sofern sich das Auge 52 des Betrachters bewegt, kann es sein, dass das gesamte oder ein Teil des Lichts von der Lichtquelle 74 und der Infrarotquelle 92 nicht mehr in die Pupille 65 eintritt oder in die Pupille 65 in einer anderen Richtung eintritt, und so die Pupille 65 das Licht nicht zum Zentrum der Netzhaut 51 leitet. Anstelle dessen trifft ein Teil des Lichts von der Faser 14 und der Quelle 92 einen Nicht-Pupillenbereich 96 des Auges. Wie bekannt, hat der Nicht-Pupillenbereich 96 des Auges eine Reflektierungsfähigkeit unterschiedlich und typischerweise höher als diejenige der Pupille 65. Deswegen reflektiert der Nicht-Pupillenbereich 96 Licht von den Quellen 74, 92 zurück zu den Bilderzeugungsoptiken 78. Die Bilderzeugungsoptik 78 schickt das reflektierte Licht zurück zu einem optischen Detektor 88, der auf dem Substrat 85 in der Nähe der Quelle 92 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist der Detektor 88 ein kommerziell erhältliches CCD-Feld, das auf Infrarotlicht sensitiv ist. Wie unten beschrieben werden wird, können in einigen Anwendungen andere Typen von Detektoren wünschenswert sein.
Wie in 7A gezeigt, empfängt eine zentrale Region 100 des Detektors 88 eine geringe Lichtmenge von der Bilderzeugungsoptik 78, wenn das Benutzerauge derart positioniert ist, das Licht von der Faser 14 und der Quelle 92 in die Pupille eindringt, d.h., wenn das Auge positioniert ist (wie in 4 gezeigt); das Gebiet geringer Lichtmenge, die von der Benutzerpupille stammt, wird hierin als der Pupillenschatten 106 bezeichnet werden. Wenn das Auge 52 zur Position, die in 6 gezeigt ist, schwenkt, befindet sich der Pupillenschatten 106 relativ zum Detektor 88 wie in 7B gezeigt. Als Antwort gibt der Detektor 88 Daten aus, die die Position des Pupillenschattens 106 anzeigen. Diese Daten werden in eine Steuerungselektronik 108 eingegeben, wie z.B. in einen Mikroprozessor oder in anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC). Als Antwort auf die Daten greift die Steuerungselektronik 108 auf eine Nachschlagetabelle in der Speichervorrichtung 110 zu, um Positionsdaten zu erhalten, die eine geeignete Positionskorrektur für die Lichtquelle 74 angeben. Die Positionierungsdaten können empirisch bestimmt werden oder basierend auf bekannten Geometrien des Auges 52 und der Abtasteinrichtung 12 berechnet werden.
Als Antwort auf die empfangenen Positionierungsdaten aktiviert die Steuerungselektronik 108 X-, Y- und Z-Antriebe 112, 114, 116, indem Spannungen zu entsprechenden piezoelektrischen Positionierern 118, 120, 122, die auf dem Substrat 85 angeordnet sind, zur Verfügung zu stellen. Wie bekannt, deformieren sich piezoelektrische Materialien in der Gegenwart von elektrischen Feldern, wodurch sie Spannungen in physikalische Bewegung umwandeln. Deswegen bewirken die angelegten Spannungen der jeweiligen Antriebe 112, 114, 116, dass die piezoelektrischen Positionierer 118, 120, 122 die Faser 14 und Quelle 92 bewegen, wie es durch die Pfeile 124, 126, 128 in 8 gezeigt ist.
Wie in 8 gezeigt, verändert das Verändern der Positionen der Faser 14 und der Quelle 92 die Orte, an denen Licht von der Faser 14 und der Quelle 92 das Auge des Betrachters trifft, so dass das Licht einmal mehr in die Pupille 65 eindringt. Der Pupillenschatten 106 gelangt wieder zu der Position, die in 7A gezeigt ist, zurück. Ein Fachmann wird verstehen, dass die Deformation des piezoelektrischen Positionierers 116 in 8 für darstellerische Zwecke übertrieben dargestellt ist. Da jedoch die Spiegel 62, 64 eine Vergrößerung größer als 1 haben können, können kleine Veränderungen der Position des Substrates 85 eine größere Veränderung des Ortes an dem das Licht von der Lichtquelle 74 am Auge ankommt, bewirken. Deswegen können die piezoelektrischen Positionierer 118, 120, 122 eine ausreichende Strahlübersetzung für viele Positionen des Auges erzeugen. Wenn sogar noch größere Strahlübersetzungen wünschenswert sind, kann eine Vielzahl von anderen Typen von Positionierern, wie z.B. elektrische Servoantriebe anstelle der piezoelektrischen Positionierer 118, 120, 122 verwendet werden.
Alternativ können legierungsbasierte Formgedächnis-Positionierer 113 verwendet werden, um das Substrat wie in 9 rückzupositionieren. Formgedächnis-Legierungen sind bekannte Materialien, wie z.B. äquiatomare Nickel-Titamium-Legierungen, die ihre Gestalt als Antwort auf Energieeinträge ändern, wie z.B. Wärme, die durch elektrische Ströme induziert wird. Die Positionierer 113 können spiralförmig angeordnet sein, wie in 9 gezeigt, oder können in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein. Ein Fachmann wird auch verstehen, dass die Bilderzeugungsoptik 78 nicht immer eine Vergrößerung erfordert, insbesondere wenn die Positionierer 118, 120, 122 aus einem Mechanismus der relativ große Übersetzungen der Abtaster 70 zur Verfügung stellt, ausgebildet sind.
10 zeigt eine Ausführungsform eines mechanischen Resonanzabtasters 200, der geeignet ist, für einige Anwendungen der Abtasteinrichtungen 10, 12 verwendet zu werden. Der Resonanzabtaster 200 umfasst als das im Wesentlichen horizontale Abtastelement eine horizontale Abtasteinrichtung 201, die einen Bewegungsspiegel 202, der auf einer Federplatte 204 montiert ist, umfasst. Die Abmessungen des Spiegels 202 und der Federplatte 204 und die Materialeigenschaften der Federplatte 204 sind derart gewählt, dass der Spiegel 202 und die Federplatte 204 eine natürliche Schwingungsfrequenz in der Region von 10–100 KHz haben. Ein ferromagnetisches Material, welches zusammen mit dem Spiegel 202 montiert ist, wird durch ein paar elektromagnetische Spulen 206, 208 angetrieben, um eine Bewegungskraft auf den Spiegel 202 zu erzeugen und somit die Schwingung auszulösen und aufrecht zu erhalten. Eine Treiberelektronik 218 stellt ein elektrisches Signal zur Aktivierung der Spulen 206, 208 zur Verfügung.
Das vertikale Abtasten wird durch eine vertikale Abtasteinrichtung 220 zur Verfügung gestellt, die sehr ähnlich zur horizontalen Abtasteinrichtung 201 aufgebaut ist. Wie die horizontale Abtasteinrichtung 201, umfasst die vertikale Abtasteinrichtung 220 einen Spiegel 222, der durch ein Paar von Spulen 224, 226 als Antwort auf elektrische Signale von der Treiberelektronik 218 angetrieben ist. Weil die Schwingungsrate für die vertikale Abtastung wesentlich geringer ist, ist die vertikale Abtasteinrichtung typischerweise nicht im Bereich hoher Frequenzen resonant. Der Spiegel 222 empfängt Licht von der horizontalen Abtasteinrichtung 200 und erzeugt eine vertikale Ablenkung bei ungefähr 30 bis 100 Hz. Vorteilhafterweise erlaubt die geringere Frequenz den Spiegel 222 wesentlich größer zu gestalten als den Spiegel 202, wodurch Anforderungen an die Positionierung der vertikalen Abtasteinrichtung 220 reduziert werden.
Ein Beispiel für solch einen Resonanzabtaster, der geeignet ist für den Gebrauch in der Vorrichtung 60, ist im US-Patent Nr. 5,557,444 von Melville, et. al., mit dem Titel "MINIATURE OPTICAL SCANNER FOR A TWO-AXIS SCANNING SYSTEM" offenbart, welches hierin durch Inbezugnahme einbezogen wird. Ein Fachmann wird verstehen, dass andere Typen von vertikalen Abtasteinrichtungen, wie z.B. akusto-optisch betriebene Abtasteinrichtungen oder kommerziell verfügbare, magnetisch betriebene Abtasteinrichtungen auch innerhalb des Bereiches der Erfindung liegen.
Für die Ausgangsabtastung gibt die Faser 14 Licht, welches sie durch das Abtasten der Eingangsszene erhalten hat, aus. Zur gleichen Zeit aktiviert die Treiberelektronik 218 die Spulen 206, 208, 224, 226 um die Spiegel 202, 222 zum Schwingen zu erregen. Das Licht trifft den oszillierenden horizontalen Spiegel 202 und wird horizontal um einen Winkel, korrespondierend zum momentanen Winkel des Spiegels abgelenkt. Das abgelenkte Licht trifft dann den Vertikalspiegel 222 und wird um einen vertikalen Winkel korrespondierend zum momentanen Winkel des Vertikalspiegels 222 abgelenkt. Das Abtasten der horizontalen und vertikalen Spiegel 202 und 222 wird mit der horizontalen und vertikalen Abtastungen der korrespondierenden Spiegel in der Eingangsabtasteinrichtung synchronisiert, so dass in jeder Position der Spiegel das Ausgabelicht von der korrespondierenden Position in der Eingangsszene stammt. Die Abtasteinrichtung "zeichnet" deswegen das virtuelle Bild, unter Verwendung des gleichen Lichts, welches von der Eingangsszene empfangen wurde. Wie oben bereits bemerkt, kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, die Ausgangsspiegel 202, 222 phasenversetzt zu betreiben, um Verzögerungen durch die Faser 14 zu kompensieren. Das Ausgangslicht kann in einigen Anwendungsfällen direkt auf die Netzhaut des Anwenders abgebildet werden, um ein wahrgenommenes Bild zu erzeugen. Bildschirme, die abgetastete Strahlen, die von einer Netzhaut aufgenommen sind und mechanische Resonanzabtastungen nutzen, werden in detaillierter Form im US-Patent Nr. 5,467,104 von Furness III, et. al., mit dem Titel "VIRTUAL RETINAL DISPLAY" beschrieben, welches ebenfalls durch Bezugnahme hier einbezogen wird.
In bestimmten Anwendungen können Umweltfaktoren die natürliche Resonanzabtastung einer der Abtasteinrichtungen 10, 12 verändern. Beispielsweise, wenn die Umgebung von 4 eine Hochtemperaturumgebung ist, können die Materialeigenschaften in der Abtasteinrichtung 10 variieren und hierdurch Variationen in der Abtastfrequenz verursachen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4 werden, um sicherzustellen, dass die Abtasteinrichtungen 10, 12 im Wesentlichen synchronisiert bleiben, die Resonanzfrequenzen der Abtasteinrichtungen 10, 12 abgestimmt. Die Frequenz der Eingangsabtasteinrichtung 10 kann als Antwort auf Umweltfaktoren variieren. Ein Detektor 270, der mit Eingangsabtasteinrichtung 10 verbunden ist, stellt ein Ausgangssignal zur Verfügung, das die Frequenz der Schwingung der Eingangsabtasteinrichtung anzeigt. Der Detektor 270 ist eine optische Faser 201, die an entlang einer Kante des Abtastbereichs der Abtasteinrichtung 10 angeordnet ist, so dass bei jeder Abtastung der Abtasteinrichtung 10 die Faser 14 einen kurzen Lichtimpuls empfängt. Die optische Lichtübertragungsfaser 271 überträgt das Licht zur Abtasteinrichtung 12, wo eine Fotodiode 272 den Lichtimpuls in einen elektrischen Impuls umwandelt. Ein zweiter Detektor 276 in der Abtasteinrichtung 12 stellt einen zweiten Satz von Impulsen zur Verfügung, die die Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung 12 anzeigen. Die Impulse der Detektoren 270, 276 werden in eine Vergleichsschaltung 278 eingegeben, welche ein Fehlersignal V_e ausgibt, das ein Spannungsniveau korrespondierend zur Abweichung zwischen den Frequenzen hat. Alternativ kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, die Synchronisationsinformation direkt aus dem übertragenen Licht zu bestimmen. Beispielsweise kann eine kleine Lichtquelle oder ein Reflektor in einer Ecke des Blickfeldes der Eingangsabtasteinrichtung 10 angeordnet sein, um einen Lichtimpuls im Bereich der Ecke einer jeden Abtastung zur Verfügung zu stellen. Alternativ können Signalverarbeitungstechniken das Synchronisationssignal direkt von dem Licht, welches durch die Abtasteinrichtung empfangen wird, erzeugen.
Zurück zu 6; das Fehlersignal treibt einen piezoelektrischen Überleiter 274 (sichtbar in 10) in der Abtasteinrichtung 12 an, welcher als Antwort eine Kraft auf die Federplatte 204 (10) ausübt. Die ausgeübte Kraft trägt Spannung in die Federplatte 204 ein, wodurch die Federkonstante verändert wird. Die angepasste Federkonstante verändert die Resonanzfrequenz der Abtasteinrichtung 12, um das Fehlersignal zu minimieren und somit den Fehler zu minimieren. Die Eingangsabtasteinrichtung 10 funktioniert somit als Hauptabtasteinrichtung und die Ausgangsabtasteinrichtung 12 arbeitet als abhängige Abtasteinrichtung. Obwohl die Frequenzanpassung hierin als durch mechanischen Druck auf die Federplatte gesteuert beschrieben wurde, kann eine Vielzahl von anderen Ansätzen zur Frequenzkontrolle/Frequenzsteuerung als vom Bereich der Erfindung gedeckt angesehen werden. Beispielsweise kann das Fehlersignal V_e einen thermoelektrischen Temperatursteuerer ansteuern, um die Resonanzfrequenz der Ausgangsabtasteinrichtung 12 zu steuern. Alternativ kann Q der abhängigen Abtasteinrichtung 12 gedämpft werden, so dass die Abtasteinrichtung 12 bei Frequenzen, die unwesentlich von der Resonanzfrequenz verschieden sind, angemessen abtasten wird.
Obwohl die Detektoren 270, 276 hier als volloptische Detektoren beschrieben sind, wird ein Fachmann verstehen, dass verschiedene andere Typen von Detektoren verwendet werden können. Beispielsweise können die Detektoren, wenn eine volloptische Kommunikation zwischen der Szene und der Abtasteinrichtung 12 nicht gewünscht wird, photoelektrische Vorrichtungen wie z. B. Photodioden sein. In einer solchen Konfiguration würden elektrische Leiter elektrischer Signale von den Photodioden zur Vergleichsschaltung 278 leiten. Alternativ können die Detektoren 270, 276 elektrische Strukturen wie z. B. piezoelektrische Detektoren sein. In einer anderen Alternative, wo die Abtast einrichtungen 10, 12 MEM-Vorrichtungen sind, können die Detektoren piezosensitiv sein.
Auch andere Verfahren zur Steuerung der Abtastfrequenz können sich innerhalb des Bereichs der Erfindung befinden, obwohl piezoelektrische Übertrager die Frequenz in der Ausführungsform gemäß 4 steuern. Beispielsweise kann die Abtastfrequenz der Ausgangsabtasteinrichtung 12 durch eine Anpassung der Temperatur der Ausgangsabtasteinrichtung 12 mit einer thermoelektrischen Steuereinrichtung eingestellt werden. In ähnlicher Art und Weise können elektronische Servoantriebe die Position von oder eine Beanspruchung verschiedener Komponenten der Abtasteinrichtungen 10, 12 einstellen um die Frequenz zu variieren. Beispielsweise kann ein Vierlenkergetriebe, welches durch einen Servomechanismus angetrieben ist, eine Rotationskraft von dem Servomechanismus in eine Längskraft auf die Federplatte 204 umwandeln.
Alternativ können in einigen Anwendungen die Abtasteinrichtungen 10, 12 mit akusto-optischen Abtastern realisiert werden. Ein Fachmann wird erkennen, dass solche Abtasteinrichtungen 10, 12 durch das Synchronisieren der elektrischen Signale, die für das Antreiben der Modulatoren verwendet werden, synchronisiert werden können. In solchen Anwendungen wird eine Amplitudensteuerungsschleife das Treibersignal anpassen, um Änderungen in der Ablenkung Winkelüberspannung die durch Q-Änderungen verursacht werden, zu kompensieren.
Wie in 11A und 11B gezeigt, kann eine Steuerungselektronik 108 die Augenpositionsinformation des Detektors 88 benutzen, um die entfernte Abtasteinrichtung 12 zu steuern. In dieser Ausführungsform betätigt die Steuerungselektronik 108 Positionierer 150, 152, die in der Abtasteinrichtung 12 zusätzlich mit den Positionieren 118, 120, 122 in der Abtastein richtung 10 gekoppelt sind. Wenn sich das Auge 52 des Benutzers bewegt (11B), bestimmt die Steuerungselektronik 108 den Winkel, entlang dem der Benutzer seinen Blick richtet. Die Steuerungselektronik 108 empfängt zusätzliche Positionsinformationen aus einem Speicher 110 und aktiviert durch ein elektrisches Kabel 154 die Positionierung 150, 152 entsprechend. Eine solche Information muss nicht unbedingt elektrisch übertragen werden. Beispielsweise kann die Information entlang der Übertragungsfaser unter Verwendung eines Wellenlängenteilung multiplexförmig oder mit einer ähnlichen Technik zur Übertragung einer Vielzahl von Signalen entlang eines gemeinsamen Übertragungspfades übertragen werden. Als Antwort hierauf repositionieren und reorientieren die Positionierer 150, 152 die Abtasteinrichtung 10, um ihr effektives Blickfeld zu ändern. Deswegen kann das Blickfeld der Eingangsabtasteinrichtung als Antwort hierauf verändert werden, wenn der Benutzer sich anschickt, nach links, rechts, nach oben oder unten zu sehen. Zur gleichen Zeit kann die Ausgangsabtasteinrichtung 12 die Position des Betrachterauges nachverfolgen, um sicherzustellen, dass die Hornhaut des Betrachters das abgetastete Licht empfängt.
Zusätzlich umfasst die Eingangsabtasteinrichtung 10 einen Z-Achsenpositionierer 156, der es erlaubt, dass der Benutzer die Eingangsabtasteinrichtung 10 effektiv fokussieren kann, um dem Blickfeld des Betrachters zu folgen. Der Benutzer steuert den Z-Achsenpositionierer 156 durch eine manuelle Anpassung eines elektronischen Treibers 158, der ein Eingangssignal für den Z-Achsenpositionierer 156 zur Verfügung stellt. Als Antwort ändert der Z-Achsenpositionierer 156 die Position eines Schwachstromobjektivs 157 um einen Abstand, von der die Abtasteinrichtung 12 reflektiertes Licht von der Szene optimal empfangen kann. Ein Fachmann wird verstehen, dass, obwohl das Objektiv 157 und der Positionierer 156 zur Klarheit der Darstellung diagrammartig dargestellt sind, eine Vielzahl von z-Achsenveränderungsstrukturen verwendet werden können. Beispielsweise können variable Linsen/Objektive, wie z. B. solche, die in Autofokuskameras eingesetzt werden, eine effektive Veränderung entlang der z-Achse zur Verfügung stellen.
12 zeigt eine andere alternative Ausführungsform, bei der Eingangssignale zur Ansteuerung der Eingangsabtasteinrichtung 10 optisch sind, wobei hierdurch die Übertragung von elektrischen Treibersignalen zur Abtasteinrichtung 10 entfällt. In dieser Ausführungsform ist die Abtasteinrichtung 10 eine magnetisch getriebene mechanische Resonanzabtasteinrichtung, welche eine optoelektrische Vorrichtung 302 besitzt, wie z.B. eine Fotodiode oder einen Fototransistor, der Steuersignale von einer zweiten Faser 304 empfängt. Die optoelektrische Vorrichtung 302 bezieht Energie von einer Batterie 306 als Antwort auf optische Signale von der zweiten Faser 304 und treibt eine Spule 308, um Spiegel 310 anzutreiben. Die Spiegel 310 tasten Licht von der Faser 14 ab, um, wie, oben mit Bezug auf 4 beschrieben ein Bild abzutasten. Obwohl die beispielhafte Ausführungsform von 12 magnetische Spulen umfasst, um die Spiegel 310 anzutreiben, können in Abhängigkeit von der individuellen Anwendung andere Antriebsansätze, wie z.B. elektrostatische (d.h. kapazitive) oder piezoelektrische Antriebe geeignet sein.
Die optischen Signale zur Aktivierung der optoelektrischen Vorrichtung 302 werden durch eine Infrarotlaserdiode 312 als Antwort auf die abgetastete Abtastposition der Ausgangsabtasteinrichtung 12 zur Verfügung gestellt, die von der Steuerungselektronik 108 angetrieben wird. Um die Abtasteinrichtungen 10, 12 zu synchronisieren, wird die Eingangsabtasteinrichtung mit einem relativ niedrigen Q angelegt oder es kann der Haupt /Hilfsansatz, der unter Bezugnahme auf 10 beschrieben wurde, verwendet werden.
Wie auch in 12 muss die Ausgangsabtasteinrichtung 12 nicht ein abbildender Netzhaut-Bildschirm sein, anstelle dessen, sofern ausreichend Licht verfügbar ist, kann die Abtasteinrichtung 12 Licht auf einen Schirm oder ein anderes Ziel abgeben, um ein sichtbares, projiziertes Bild 318 zu erzeugen.
13 zeigt eine andere Ausführungsform eines Bilderzeugungsapparates, bei dem getrennte Fasern zur Beleuchtung und Bilderzeugung verwendet werden. In dieser Ausführungsform erstreckt sich eine Beleuchtungsfaser 170 vom Lichtsender 16 zur Abtasteinrichtung 10. Die Beleuchtungsfaser ist geätzt, um ihren Durchmesser zu reduzieren, und die Übertragungsfaser 14 wie auch die Beleuchtungsfaser 170 sind D-förmig, wie in 14 gezeigt. Deswegen wird ein Teil des reflektierten Lichts in die Übertragungsfaser 14 eingekoppelt, wenn Licht von der Szene von der Beleuchtungsfaser 170 reflektiert wird.
Während der Herstellung wird das Ausrichten durch die Verwendung von überlappenden Bildern unterstützt, wie in 15 gezeigt. Jede der Fasern 14, 170 empfängt Eingangslicht von einer entsprechenden Quelle 174, 176 und beide Fasern 14, 170 geben Licht auf einen Schirm 178 aus. Als Antwort hierauf gibt jede Faser 14, 170 Licht aus, welches auf einen [Schirm] abgebildet wird, um entsprechende Bilder 180A-B zu bilden. Die Fasern 14, 170 werden dann justiert, bis die Bilder 180A-B überlappen. Anschließend wird ein optisch gehärteter Epoxyd aktiviert, um die relative Position der Fasern 14, 170 zueinander zu fixieren. Zusätzlich oder alternativ können andere Objektive, Prismen, Strahlteiler oder andere optische Elemente verwendet werden, um in geeigneter Art und Weise die optischen Pfade, die durch die Fasern 14, 170 definiert werden, auszurichten.
Wie nun unter Bezugnahme auf 16 beschrieben wird, kann der Bilderzeuger 8 in einfacher Art und Weise eine scheinbare Vergrößerung des abgetasteten Objekts 240 liefern. Wie aus einem Vergleich des Winkelbereichs der Eingangsabtasteinrichtung 10 mit dem der Ausgangsabtasteinrichtung 12 gesehen werden kann, hat die Ausgangsabtasteinrichtung 12 einen größeren Winkelschwingbereich als die Eingangsabtasteinrichtung 10. Jedoch werden die Abtasteinrichtungen 10, 12 synchronisiert, so dass jede durch ihr entsprechendes Blickfeld in der gleichen Zeitspanne streicht. Deswegen überstreicht die Ausgangsabtasteinrichtung 12 ihr Blickfeld mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit als die Eingangsabtasteinrichtung 10. Folglich gibt die Ausgangsabtasteinrichtung 12 Licht vom abgetasteten Objekt 240 während der gleichen Zeit ab, aber über einen größeren Winkel als die Eingangsabtasteinrichtung. Der Betrachter nimmt somit einen größeren Winkelbereich als ein größeres Blickfeld wahr und ein reproduziertes Objekt 240A erscheint dem Betrachter vergrößert. Deswegen ist das ausgegebene Bild ein vergrößertes Bild des Eingangsbildes, ohne dass eine Datenmanipulation stattfinden muss, d.h. das Bild ist effektiv vergrößert. Ein Fachmann wird verstehen, dass die Vergrößerung ebenso dadurch erreicht werden kann, dass die Eingangsabtasteinrichtung nahe zum abgetasteten Objekt positioniert wird und auch dadurch, dass das Einkoppeln in die Faser mit einer Faserkopplungsoptik zur scharfen Fokussierung angepasst wird.
Durch das Variieren des Blickfelds, entweder der Eingangsabtast- oder Ausgangsabtasteinrichtung 10, 12 kann der Bilderzeuger 8 seine effektive Vergrößerung variieren. Beispielsweise erhöht das Anheben der Amplitude des Treibersignals zur Ausgangsabtasteinrichtung 12 den Winkelschwenkbereich der Aus gangsabtasteinrichtung 12, wodurch die effektive Vergrößerung ansteigt. Ein Fachmann wird verstehen, dass eine Vielzahl von Ansätzen zur Vergrößerung der Treibersignalamplitude entweder kontinuierlich für einen "Zoom"-Effekt oder stufenweise vorhanden ist.
Obwohl die Erfindung hierin anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, können Abwandlungen in den Strukturen und Verfahren, die hierin beschrieben wurden, gemacht werden, ohne den Inhalt und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann jedenfalls die Positionierung/Anordnung der verschiedenen Komponenten variiert werden. Sofern das Abbilden in einer einzigen Richtung dominant ist, können sich die Optiken einer jeden Abtasteinrichtung 10, 12 unterscheiden. Beispielsweise kann die erste Abtasteinrichtung 10 eine bestimmte ausgewählte Brennweite, zum Betrachten eines Objektes eines Mikroskops oder einer Kamera haben und die zweite Abtasteinrichtung 12 kann eine Brennweite haben, die für das Anzeigen eines Bildes für einen Betrachter ausgewählt wurde.
Auch können eine Vielzahl von Eingangs- oder Ausgangsabtasteinrichtungen verwendet werden, obwohl das System, welches hier beschrieben wurde, als eines mit einer Eingangsabtasteinrichtung und einer Ausgangsabtasteinrichtungen beschrieben wurde. Beispielsweise kann Licht aus der Übertragungsfaser 14 auf eine Vielzahl von Ausgangsabtasteinrichtungen verteilt werden, um ein Bilderzeugungssystem mit einer Vielzahl von Ausgängen zu erzeugen. Ein solches System kann es einem Nutzer erlauben, eine Szene zu betrachten, während ein Film oder ein elektronischer Detektor die betrachtete Szene aufzeichnet. Darüber hinaus kann das Licht aus der Übertragungsfaser 14 zu einem Fotodetektor geleitet werden, wie z.B. zu einer Fotodiode oder kann auf einem zweidimensionalen Detektor abgetastet werden, wie z.B. einem kommerziell erhältlichen CCD. Der Fotodetektor erzeugt ein elektrisches Signal, welches das Licht aus der Übertragungsfaser repräsentiert, welches gemäß bekannter Techniken, um einen elektronisch betriebenen Bildschirm anzutreiben oder Informationen über die entfernte Umgebung zu identifizieren, weiter verarbeitet wird. Beispielweise kann das elektrische Signal kodiert werden, um Informationen repräsentiert von Symbolen zu identifizieren, wenn der entfernte Ort ein- oder zweidimensionale Symbole umfasst, wie z.B. Strichcode oder ähnliche Symbole.
Weiterhin können auch andere Arten von Abtasteinrichtungen verwendet werden, obwohl das beispielhafte Ausführungsbeispiel der Ausgangsabtasteinrichtung, welches hierin beschrieben ist, eine magnetisch betriebene Ausgangsabtasteinrichtung ist. Beispielweise kann in einigen Anwendungen eine mikroelektromechanische (MEM) Ausgangsabtasteinrichtung verwendet werden. Beispiele von MEMs-Ausgangsabtasteinrichtungen werden im US-Patent Nr. 5,629,790 mit dem Titel "MICRMACHINED TORSIGNAL SCANNER" von Neukermanns et. al., dem US-Patent Nr. 5,648,618 mit dem Titel "MICROMACHINED HINGE HAVING AN INTEGRAL TORSIONAL SENSOR", von Neukemanns et. al. und im US-Patent Nr. 5,673,139 mit dem Titel "MICROELEKTROMECHANICAL TELEVISION SCANNING DEVICE AND METHOD FOR MAKING THE SAME" von Johnson beschrieben, wobei jedes von diesen Patenten hierin durch Bezugnahme eingebunden wird.
Zusätzlich, obwohl das Licht, welches hierin beschrieben wurde, üblicherweise sichtbares Licht ist, kann in einigen Anwendungen nicht sichtbare Strahlung verwendet werden. Beispielweise, wenn der Entfernungsbetrachter verwendet wird, um Körpergewebe zu betrachten, kann eine ultraviolette oder infrarote Wellenlänge wünschenswert sein. In solchen Anwendungen kann der Benutzer das Bild auf der Ausgangsabtasteinrichtung 12 se hen. Alternativ kann der Benutzer unter Verwendung eines wellenlängenumwandlers, wie z.B. einen Infrarotbetrachter das Licht von der Ausgangsabtasteinrichtung auf einen Schirm mit einem wellenlängenumwandelnden Phosphor leiten. Der Phosphor absorbiert die nicht sichtbare Strahlung und sendet als Antwort sichtbares Licht zum Betrachter aus.
Auch kann es wünschenswert sein, die Sender 16, 18 wegzulassen, beispielsweise in einigen Anwendungen hoher Umgebungslichtdichte oder in Anwendungen, wo ein fotografischer Film oder sensitiver elektronischer Detektor das Licht aus den Ausgangsabtasteinrichtung 12 detektiert, wegzulassen. In solch einer Ausführungsform können die Ausgangsabtasteinrichtungen 10, 12 sichtbares Licht, welches von ihren entsprechenden Umgebungen stammt, aufzeichnen. Zusätzlich können die Komponenten und Anordnungen, die hierin beschrieben werden, in einer Vielzahl von Arten und Weisen kombiniert werden und bleiben trotzdem innerhalb des Bereichs der Erfindung. Beispielweise kann die Struktur zum Betrachten eines entfernten Ortes, unter Verwendung einer Projektion eines Bildes, wie es unter Bezugnahme auf 2A beschrieben wurde, mit den Strukturen der 11A-B kombiniert werden. Eine solche Kombination erlaubt es einem Benutzer, eine entfernte Umgebung mit Licht, welches auf der Netzhaut des Benutzers abgetastet wurde, zu betrachten. Mit geeignetem Strahlenteilern und Filtern erlaubt die Kombination eine bidirektionale Kommunikation zwischen zwei Orten. Eine solche Struktur kann insbesondere, wenn sie mit Ton kombiniert wird, für eine geschlossene Videotelefonie nützlich sein. Dementsprechend ist die Erfindung nicht weiter limitiert als durch die anliegenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bildes (26) eines entfernt liegenden Orts (24) zum Betrachten durch einen Benutzer, folgende Schritte umfassend: Aufnehmen von Licht von dem entfernt liegenden Ort (24) mit einer ersten Abtasteinrichtung (10); Übertragen des von der ersten Abtasteinrichtung (10) aufgenommenen Lichts auf eine an einem zweiten Ort (27) befindliche, zweite Abtasteinrichtung (12), wobei der zweite Ort (27) von dem entfernt liegenden Ort (24) getrennt ist; Generieren eines Synchronisationssignals mit einer Erfassungseinrichtung (270) im Ansprechen auf eine Bewegung der ersten Abtasteinrichtung (10); Übertragen des Synchronisationssignals auf den zweiten Ort (27); Synchronisieren der zweiten Abtasteinrichtung (12) mit der ersten Abtasteinrichtung (10) mit einer Einstellanordnung (278), die auf das Synchronisationssignal anspricht; und Erstellen des Bilds (26) am zweiten Ort (27) aus dem übertragenen Licht mit der synchronisierten zweiten Abtasteinrichtung (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufnehmens von Licht von dem entfernt liegenden Ort (24) mit der ersten Abtasteinrichtung (10) umfasst, den entfernt liegenden Ort im Wesentlichen in einem Rastermuster abzutasten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erstellens des Bilds (26) aus dem übertragenen, aufgenommenen Licht den Schritt umfasst, das übertragene aufgenommene Licht mit der zweiten Abtasteinrichtung (12) auf der Netzhaut (59) eines Betrachters abzubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Übertragens des aufgenommenen Lichts auf den vom entfernt liegenden Ort (24) getrennten, zweiten Ort (27) folgende Schritte umfasst: Einkoppeln des aufgenommenen Lichts in eine Lichtleitfaser (14) am entfernt liegenden Ort (24); und Übertragen des eingekoppelten Lichts auf die zweite Abtasteinrichtung (12) am zweiten Ort (27) mit der Lichtleitfaser (14).
Verfahren nach Anspruch 1, darüber hinaus den Schritt umfassend, den entfernt liegenden Ort (24) zu beleuchten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Beleuchtens des entfernt liegenden Orts (24) folgende Schritte umfasst: Einkoppeln von Eingangslicht in die Lichtleitfaser (14) an einem dritten Ort (18); Übertragen des Eingangslichts auf den entfernt liegenden Ort (24) mit der Lichtleitfaser (14); und Abbilden des übertragenen Lichts am entfernt liegenden Ort (24).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der dritte Ort (18) vom entfernt liegenden Ort (24) und dem zweiten Ort (27) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend: Generieren des Synchronisationssignals am entfernt liegenden Ort (24), wobei das Synchronisationssignal ein optisches Signal ist; und Übertragen des optischen Synchronisationssignals auf die zweite Abtasteinrichtung (12) am zweiten Ort (27).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das übertragene Licht das Synchronisationssignal beinhaltet, und darüber hinaus umfassend, das Synchronisationssignal aus dem übertragenen Licht abzuleiten.
Vorrichtung, um ein Bild (24) aus der Ferne zu betrachten, umfassend: eine erste Abtasteinrichtung (10) mit einem ersten, mit dem Bild (24) ausrichtbaren Lichteingang und einem ersten Lichtausgang, wobei die erste Abtasteinrichtung (10) so aufgebaut ist, dass sie Licht aus dem Bild (24) einfängt, wenn der erste Lichteingang mit dem Bild (24) ausgerichtet ist; einen Abtastmonitor (270), der mit der ersten Abtasteinrichtung (10) verbunden ist und so arbeitet, dass er im Ansprechen auf eine Bewegung der ersten Abtasteinrichtung (10) ein Ausgangssignal generiert, wobei das Ausgangssignal die Abtastgeschwindigkeit der ersten Abtasteinrichtung (10) angibt; eine zweite, einstellbare Abtasteinrichtung (12) mit einem zweiten Lichteingang und einem zweiten Lichtausgang, wobei die zweite Abtasteinrichtung so aufgebaut ist, dass sie aus dem am zweiten Lichteingang aufgenommenen Licht ein virtuelles Bild (26) am zweiten Lichtausgang erstellt; eine Einstellanordnung (278), die auf das Ausgangssignal der ersten Abtasteinrichtung (10) anspricht, um die Abtastgeschwindigkeit der zweiten Abtasteinrichtung (12) einzustellen; und eine erste Lichtleitfaser (14), die mit der ersten Abtasteinrichtung (10) verbunden ist und sich vom ersten Lichtausgang zum zweiten Lichteingang erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, darüber hinaus eine Abbildungsoptik (30) umfassend, die mit dem zweiten Lichtausgang verbunden und so aufgebaut ist, dass sie das virtuelle Bild (26) einstellt, um von einem Benutzer betrachtet zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Abbildungsoptik (30) so ausgewählt ist, dass das eingestellte virtuelle Bild (26) direkt auf der Netzhaut (59) des Benutzers abgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste Abtasteinrichtung (10) ein erstes Sichtfeld und die zweite Abtasteinrichtung (12) ein zweites, vom ersten Sichtfeld verschiedenes Sichtfeld hat.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das zweite Sichtfeld größer als das erste Sichtfeld ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste Abtasteinrichtung (10) ein veränderbares Sichtfeld hat.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die zweite Abtasteinrichtung (12) ein veränderbares Sichtfeld hat.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einstellanordnung so wirken kann, dass sie die zweite Abtasteinrichtung das virtuelle Bild (26) mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit abtasten lässt wie die erste Abtasteinrichtung (10) das Bild (24) abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, darüber hinaus eine zweite Lichtleitfaser (271) umfassend, die so wirken kann, dass sie das Ausgangssignal vom Abtastmonitor (270) zur zweiten Abtasteinrichtung (12) transportiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Abtastmonitor (270) so wirken kann, dass er das Ausgangssignal aus dem durch die erste Abtasteinrichtung (10) eingefangenen Licht ableitet.