專利名稱：用于虛擬接口投影和感應(yīng)的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于改進的虛擬接口投影和探測的光學(xué)和機械裝置以及方法。
背景技術(shù)：
以下專利文獻，以及其中引用的參考文獻被認為代表了技術(shù)現(xiàn)狀PCT申請PCT/IL01/00480，國際公開號為WO2001/093182，PCT申請PCT/IL01/01082，國際公開號為WO2002/054169，以及PCT申請PCT/IL03/00538，國際公開號為WO2004/003656，所有這些公開文本在此處整個引為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本申請試圖提供用于改進的虛擬接口投影和探測的光學(xué)和機械裝置以及方法。由此根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供電子照相機，包括提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，采用電子成像傳感器在第一像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能，采用電子成像傳感器在第二像場拍攝場景的至少一張第二照片的至少一個第二成像功能，將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器相結(jié)合的光學(xué)組件，以及用戶操作成像功能選擇開關(guān)，使得用戶能在第一和至少第二成像功能之一中選擇操作。上述電子照相機還優(yōu)選包括投影虛擬鍵盤，用戶可在其上進行手動操作。
將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件，優(yōu)選包括至少一個光學(xué)元件，其可選擇地置于傳感器的上游，僅用于該至少第二成像功能使用?？商鎿Q的并且優(yōu)選的，該光學(xué)組件不包括可選擇地置于傳感器的上游、用于第一成像功能使用的，具有光焦度(optical power)的光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，在上述電子照相機中，將第一和第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件包括分束器，其為第一和第二成像功能定義分離的光路。在上述任一實施例中，通過適當?shù)卦O(shè)置至少一個光閘以阻斷至少一個成像功能，用戶操作成像功能選擇開關(guān)優(yōu)選地可在第一和至少第二成像功能之一中進行選擇操作。而且，第一和第二成像功能優(yōu)選定義分離的光路，其可朝不同的方向延伸，或可具有不同的視場。
仍然根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，在上述使用了與波長相關(guān)的分束器的實施例中，分束器可分離可見光譜和IR光譜，分別供第一和第二成像功能使用。
而且，上述任一電子照相機優(yōu)選還包括液晶顯示器，表示像場的輸出在其上顯示。此外，將第一成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件優(yōu)選包括視場擴大透鏡。
仍然根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步提供電子照相機，包含提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，采用電子成像傳感器在第一像場拍攝場景照片的第一成像功能，采用電子成像傳感器在至少一第二像場拍攝場景照片的至少第二成像功能，將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及用戶操作成像功能選擇開關(guān)，使得用戶在第一和至少第二成像功能之一中進行選擇操作。
將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件優(yōu)選包括至少一個光學(xué)元件，其可選擇地置于傳感器的上游，僅用于至少第二成像功能使用。優(yōu)選的并且可替換的，該光學(xué)組件不包括可選擇地置于傳感器的上游，用于第一成像功能使用、具有光焦度的光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，在上述電子照相機中，將第一和第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件包括與波長相關(guān)的分束器，其為第一和第二成像功能定義分離的光路。在上述任一實施例中，通過適當?shù)卦O(shè)置至少一個光閘以阻斷至少一個成像功能，用戶操作成像功能選擇開關(guān)優(yōu)選地可在第一和至少第二成像功能之一中進行選擇操作。而且，第一和第二成像功能優(yōu)選定義分離的光路，其可朝不同的方向延伸，或可具有不同的視場。
而且，上述任一電子照相機優(yōu)選還包括液晶顯示器，表示像場的輸出在其上顯示。此外，將第一成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件優(yōu)選包括視場擴大透鏡。
根據(jù)本發(fā)明更多優(yōu)選實施例，上述將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件優(yōu)選為固定的。此外優(yōu)選地，第一和第二像場在成像在電子成像傳感器上之前，各自經(jīng)過一次反射。這樣，第二像場的反射優(yōu)選通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)的裝載(stowable)鏡進行?？商鎿Q的并且優(yōu)選的，第一像場可直接成像在電子成像傳感器上，并且第二像場在成像在電子成像傳感器上之前，可經(jīng)過兩次反射。這樣，優(yōu)選地通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)的裝載鏡進行兩次反射中的第二次反射。而且，第二像場可以直接成像在電子成像傳感器上，且第一像場可在成像在電子成像傳感器上之前經(jīng)過兩次反射。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步提供上述的電子照相機，其中第一成像功能在紅外線區(qū)域內(nèi)的譜帶上執(zhí)行，第二成像功能在可見光區(qū)域內(nèi)的譜帶上執(zhí)行，該照相機還包括濾光片組，每個第一和第二成像功能用一個濾光片組。這樣，濾光片組優(yōu)選包括用于第一成像功能的濾光片組，其包含至少一個透射可見光區(qū)域和紅外區(qū)域內(nèi)譜帶的濾光片，以及至少一個透射紅外區(qū)域到低于紅外區(qū)域內(nèi)譜帶的部分，而不透射可見光區(qū)域的濾光片，以及用于第二成像功能的濾光片組，其包含至少一個透射可見光區(qū)域至紅外區(qū)域內(nèi)譜帶以下部分的濾光片。在后者中，第一和第二成像功能優(yōu)選沿共用光路引導(dǎo)，并且第一和第二濾光片組根據(jù)所選成像功能交換使用。
根據(jù)本發(fā)明進一步優(yōu)選的實施例，還提供上述電子照相機，其中優(yōu)選地，為了將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器聯(lián)合，或通過旋轉(zhuǎn)位于光學(xué)組件之前的電子成像傳感器，或可替換地通過旋轉(zhuǎn)位于電子成像傳感器之前的反射鏡，來執(zhí)行用戶操作的成像功能選擇，其中光學(xué)組件將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明進一步的優(yōu)選實施例，還提供上述電子照相機，其還包括部分透射分束器，以將第一和第二像場合并，其中兩個像場都被部分透射分束器反射一次，像場之一還在被全反射器反射之后，從部分透射分束器透射。部分透射分束器還優(yōu)選為二向色的。在這兩種情形中，全反射器還優(yōu)選為具有光焦度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，甚至進一步提供包含電話功能的便攜式電話，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，采用電子成像傳感器在第一像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能，采用電子成像傳感器在一第二像場拍攝場景的至少一張第二照片的至少第二成像功能，將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件，以及用戶操作成像功能選擇開關(guān)，使得用戶在第一和至少第二成像功能中進行選擇操作。
而且，根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，還提供包含至少一個個人數(shù)字助理功能的數(shù)字個人助理，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，采用電子成像傳感器在第一像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能，采用電子成像傳感器在第二像場拍攝場景的至少一張第二照片的至少第二成像功能，將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件，以及用戶操作成像功能選擇開關(guān)，用于使得用戶在第一和至少第二成像功能中進行選擇操作。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，提供包含遙控功能的遙控設(shè)備，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，采用電子成像傳感器在第一像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能，采用電子成像傳感器在第二像場拍攝場景的至少第二照片的至少第二成像功能，將第一和至少第二功能與電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件，以及用戶操作成像功能選擇開關(guān)，用于使得用戶在第一和至少第二成像功能中進行選擇操作。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，還提供產(chǎn)生圖像的光學(xué)裝置，該圖像包含位于大衍射角的多個部分，所述光學(xué)裝置包括提供輸出光束的二極管激光光源，用于準直輸出光束并限定準直光束平行于準直器光軸的準直器，用于限定(define)圖像的衍射光學(xué)元件，來自準直器的準直光束射到該衍射光學(xué)元件上，產(chǎn)生多條衍射光束，這些衍射光束限定(define)圖像并相對于準直器的光軸在一定角度范圍內(nèi)被導(dǎo)引，以及位于衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡，其將多條光束聚焦在遠離衍射光學(xué)元件的點上。在這樣的裝置中，通常定義大的衍射角，這樣當缺少位于衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡時，圖像將具有無法令人接受的畸變。優(yōu)選的，衍射角被定義為與準直器光軸至少形成30度。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，甚至進一步提供產(chǎn)生圖像的光學(xué)裝置，該圖像包含位于相對于軸線較大衍射角的多個部分，所述光學(xué)裝置包括提供輸出光束的二極管激光光源，接收輸出光束并提供修正的輸出光束的光束修正元件，用于限定準直光束的準直器，以及用于限定(define)圖像的衍射光學(xué)元件，來自準直器的準直光束射到該衍射光學(xué)元件上，產(chǎn)生多條衍射光束，這些衍射光束限定(define)圖像并相對于軸線在一定角度范圍內(nèi)被導(dǎo)引。通常定義大的衍射角，這樣當缺少位于衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡時，圖像將具有無法令人接受的畸變。優(yōu)選的，衍射角被定義為與準直器光軸形成至少30度。本段所述的任何一個光學(xué)裝置，優(yōu)選還包含位于衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡，其將多條光束聚焦在遠離衍射光學(xué)元件的點上。
而且，根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，提供光學(xué)裝置，其包含提供輸出光束的二極管激光光源，以及限定圖像模板的非周期性衍射光學(xué)元件，輸出光束射到該非周期性衍射光學(xué)元件上，產(chǎn)生多條衍射光束，該些衍射光束限定圖像模板。優(yōu)選地，圖像模板能夠使數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備中。
根據(jù)本發(fā)明進一步的優(yōu)選實施例，還提供投影圖像的光學(xué)裝置，其包含提供照明光束的二極管激光光源，定義多個聚焦元件的小透鏡陣列，每個聚焦元件定義一條輸出光束，以及包含多個衍射光學(xué)子元件的衍射光學(xué)元件，各子元件與多束輸出光束之一聯(lián)合，用于限定圖像的一部分，并且來自聚焦元件之一的輸出光束之一射到各子元件上以產(chǎn)生多條衍射光束，以使得多條衍射光束聚集在一起限定圖像。圖像優(yōu)選包含模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，提供用于投影圖像的光學(xué)裝置，其包含提供多束照明光束的二極管激光光源陣列，定義多個聚焦元件的小透鏡陣列，每個聚焦元件聚焦多條照明光束之一，以及包含多個衍射光學(xué)子元件的衍射光學(xué)元件，各子元件與多束輸出光束之一聯(lián)合，用于限定圖像的一部分，并且來自聚焦元件之一的輸出光束之一射到各子元件上以產(chǎn)生多條衍射光束，使得多條衍射光束聚集在一起限定圖像。圖像優(yōu)選包含模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。在本段所述任何一個光學(xué)裝置中，二極管激光光源陣列優(yōu)選為垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列。
而且，在上述任一光學(xué)裝置中，衍射光學(xué)元件優(yōu)選定義光學(xué)裝置的輸出窗。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，進一步提供激光二極管集成封裝，包含發(fā)射光束的激光二極管芯片，修正光束的光束修正元件，聚焦修正光束的聚焦元件，以及從光束產(chǎn)生圖像的衍射光學(xué)元件。圖像優(yōu)選包含模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
可替換的并優(yōu)選的，還提供激光二極管集成封裝，包含發(fā)射光束的激光二極管芯片，以及從光束產(chǎn)生圖像的非周期性衍射光學(xué)元件。在此實施例中，圖像還優(yōu)選包含模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例，提供光學(xué)裝置，包含輸入照明光束，照明光束照射在其上的非周期性衍射光學(xué)元件，以及平移機構(gòu)，其改變輸入光束在衍射光學(xué)元件上照射的位置，其中優(yōu)選的，衍射光學(xué)元件使入射光束以一角度偏轉(zhuǎn)到投影面，該角度根據(jù)關(guān)于入射位置的預(yù)定函數(shù)改變。在這個實施例中，平移機構(gòu)優(yōu)選平移DOE。在本段所述任一裝置中，入射位置可以以正弦方式改變，預(yù)定函數(shù)優(yōu)選提供線性掃描。這樣，預(yù)定函數(shù)優(yōu)選提供產(chǎn)生具有均勻強度的圖像的掃描。
在所述任一實施例中，輸入光束或是準直光束，或是聚焦光束。在后一種情況中，裝置還優(yōu)選包含聚焦透鏡，以將衍射光束聚焦到投影面上。
優(yōu)選的，在上述光學(xué)裝置中，關(guān)于入射位置的預(yù)定函數(shù)使光束在二維方向偏轉(zhuǎn)。這樣，平移機構(gòu)可以在一維方向或二維方向平移DOE。
根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例，進一步提供同軸二維光學(xué)掃描裝置，包含使光束在二維方向偏轉(zhuǎn)的衍射光學(xué)元件，該偏轉(zhuǎn)與衍射光學(xué)元件上光束的入射位置成函數(shù)關(guān)系，衍射光學(xué)元件安裝在其上的輕型支持結(jié)構(gòu)，在輕型支持結(jié)構(gòu)外面的第一框架，輕型支持結(jié)構(gòu)通過第一支持構(gòu)件連接到第一框架，從而輕型支持結(jié)構(gòu)可以在第一方向以第一頻率振蕩，在第一框架外面的第二框架，第一框架通過第二支持構(gòu)件連接到第二框架，從而第二框架可以在第二方向以第二頻率振蕩，以及至少一個驅(qū)動機構(gòu)，用于至少激發(fā)第一頻率和第二頻率的振蕩其中之一。在這個裝置中，第一頻率優(yōu)選高于第二頻率，這樣的話，掃描為光柵型掃描。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，提供光學(xué)裝置，其包含發(fā)射照明光束的二極管激光光源，將照明光束聚焦到投射面上的透鏡，照明光束照射于其上的非周期性衍射光學(xué)元件，以及改變輸入光束在衍射光學(xué)元件上照射位置的平移機構(gòu)，其中優(yōu)選的，衍射光學(xué)元件使入射光束以一定角度偏轉(zhuǎn)到投影面上，該角度根據(jù)關(guān)于入射位置的預(yù)定函數(shù)改變。除了將照明光束聚焦到衍射光學(xué)元件上的第一透鏡，光學(xué)裝置還優(yōu)選包含將偏轉(zhuǎn)的照明光束聚焦到投影面上的第二透鏡。
上述涉及掃描應(yīng)用的任一光學(xué)裝置優(yōu)選的可將數(shù)據(jù)輸入模板投射到投影面上，或可替換并優(yōu)選的，可將視頻圖像投射到投影面上。


結(jié)合附圖，從以下說明將對本發(fā)明更全面充分地明白和理解。其中圖1是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的互換式光學(xué)組件的簡明示意圖；圖2是用于根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的光學(xué)組件的簡明示意圖；圖3是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的，圖2中的光學(xué)組件多種可供選擇的執(zhí)行方式的廣義示意圖；圖4A和4B分別是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的直觀示意圖；圖5是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的，圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖；圖6是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖；圖7是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的，圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖；圖8是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的，圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖；圖9是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的，圖2中的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖；圖10是用于圖2-9B中的實施例的現(xiàn)有二向色濾光鏡的反射曲線和透射曲線；圖11A，11B和11C是圖3中的實施例與三種不同的反射鏡組合的原理圖；圖12A，12B，12C，12D，12E，12F和12G是圖3中的實施例的七種可供選擇的執(zhí)行方式的示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作，用于投影模板的光學(xué)裝置的簡明示意圖；圖14A和14B分別是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖13的裝置的執(zhí)行方案的簡明示意圖和頂視圖；圖15A和15B分別是根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的，用于投影模板的裝置的簡明頂視示意圖和側(cè)視示意圖；圖16是仍然根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的，用于投影模板的裝置的簡明側(cè)視示意圖；圖17是依然根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的，用于投影模板的裝置的簡明側(cè)視示意圖；圖18是合并了至少部分圖13A-15B中所示元件的激光二極管封裝的簡明示意圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡明示意圖，該衍射光學(xué)元件在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他；圖20是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡明示意圖，該衍射光學(xué)元件在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他；圖21是衍射光學(xué)元件用于二維掃描的簡圖；圖22是用于圖21中的實施例的衍射光學(xué)元件的二維平移的簡圖；圖23是采用了圖22中的裝置，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡明示意圖，該衍射光學(xué)裝置在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他；圖24是采用了圖22中的裝置，根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡明示意圖，該衍射光學(xué)裝置在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他。
優(yōu)選實施例的詳細描述圖1是用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例進行構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的互換式光學(xué)組件的簡明示意圖，現(xiàn)在參照圖1進行說明。此類照相機和輸入設(shè)備可被用于移動電話，個人數(shù)字助理，遙控或類似設(shè)備。在圖1的實施例中，雙重功能CMOS照相機模塊10提供中等視場12的普通彩色成像和大視場14的虛擬接口感應(yīng)。
如被整個引為參考的國際公開號為WO 2004/003656的PCT申請所述，為獲得準確的圖像校準，用于以虛擬接口模式成像的成像透鏡需要以非常高的機械精度和再現(xiàn)性進行設(shè)置。
在圖1的實施例中，在照相機模塊10中，大視場成像透鏡16被安裝在CMOS照相機18前面。因此在系統(tǒng)制造過程中，虛擬接口可以被精確校準到高精度水平。
當在虛擬接口模式中采用CMOS模塊10時，如圖1上部所示，紅外透射濾光片20設(shè)置在廣角透鏡16前面。該濾光片不需要相對于模塊10精確設(shè)置，因此可采用簡單的機械定位機構(gòu)22達到目的。
當CMOS照相機模塊10被用于通用彩色成像，如圖1底部的虛線部分所示，操作定位機構(gòu)22，使得在照相機模塊前面用場縮小透鏡24和紅外阻擋濾光片26替換紅外濾光片20。同樣在這種成像模式中，因為用戶通常可以調(diào)整照相機以適當設(shè)計圖像，所以場縮小透鏡24的側(cè)向精確定位不重要，從而可以采用簡單的機械機構(gòu)實現(xiàn)定位功能。
雖然在圖1所示的優(yōu)選實施例中，根據(jù)所需像場的類型，機械定位配置示出為單個互換式光學(xué)單元28，其通過單個簡單的機械定位機構(gòu)22有選擇地設(shè)置在照相機模塊10前面。可以理解的是，本發(fā)明可以同樣應(yīng)用其他機械定位配置，例如，通過各自的機構(gòu)，將用于每個視場的每組光學(xué)組件移到模塊10前方的位置。
而且，雖然在圖1中，只示出一種通用彩色成像狀態(tài)(position)，可以理解在這里可以提供不同類型的成像功能，無論是用于通用視頻，或是靜態(tài)記錄，或是在特寫攝影中，或是在任何其他彩色成像應(yīng)用中，這些功能中的每一個通常需要自己的場成像光學(xué)組件。定位機構(gòu)22則適于使得能夠在虛擬界面模式和任何一種安裝的彩色成像模式間切換。
圖1所示的實施例需要機械移動部件，與靜態(tài)光學(xué)設(shè)計相比，機械移動部件使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜并可能成為不可靠性的根源?，F(xiàn)在參照圖2至9B，其示出用于雙重模式CMOS圖像傳感器的改進光學(xué)設(shè)計的示意圖，提供與參照圖1所述的上述內(nèi)容基本相同的功能，但是其不需要移動部件。
現(xiàn)在參照圖2，CMOS照相機118和關(guān)聯(lián)的中等視場透鏡120設(shè)置在分色鏡122后面，分色鏡122至少在與透鏡120的視場對應(yīng)的角度范圍上透射紅外光并反射可見光。場擴大透鏡124和阻隔可見光的紅外透射濾光片126沿紅外透射路徑設(shè)置?？梢岳斫獾氖巧鲜雠渲锰峁┝司哂写笠晥?30的紅外虛擬接口感應(yīng)系統(tǒng)。
常用的可見光反射鏡132和紅外阻擋濾光片134沿可見光路徑設(shè)置，因此在中間視場140提供彩色成像能力。
圖2的實施例具有一個優(yōu)點，即兩個成像路徑是分離的并位于設(shè)備的相對側(cè)。當將雙重模式光學(xué)模塊用于移動設(shè)備時，這是特別有用的特點，移動設(shè)備例如移動電話和個人數(shù)字助理，其中為了使用屏幕構(gòu)成圖像，希望在設(shè)備設(shè)置屏幕一側(cè)的相反方向獲得圖片，并且，另一方面，為了使被輸入的數(shù)據(jù)可視化，希望在與設(shè)備的屏幕相同一側(cè)提供虛擬輸入能力。
現(xiàn)在參照圖3，圖3是本發(fā)明進一步優(yōu)選實施例的示意圖，示出了雙重模式光學(xué)組件模塊的光路，該雙重模式光學(xué)組件模塊合并了具有窄視場300，302，304的可見光成像系統(tǒng)和大視場，該可見光成像系統(tǒng)用于拍攝照片，該光路可選擇被導(dǎo)向設(shè)備背面300，側(cè)面302或前面304，并且用于虛擬鍵盤功能的紅外成像路徑從設(shè)備的前面朝向前方。為了簡化，在圖3中只示出了大視場的一半310上的光路。
如圖3所示，CMOS照相機316接收經(jīng)過LP濾光片318、多個透鏡320和分色鏡322的光。紅外光經(jīng)由大視場透鏡324透射通過分色鏡322。來自設(shè)備背面的窄視場的可見光被全反射鏡326反射到分色鏡322上，從分色鏡322上再被反射到照相機聚焦組件中；來自設(shè)備前面的可見光被全反射鏡328反射到分色鏡322；來自設(shè)備側(cè)面的可見光沒被反射，直接到達分色鏡322。根據(jù)希望在哪個窄視場成像，優(yōu)選切換反射鏡326，328中的任一個到相應(yīng)位置，或不對其進行切換。圖2和3中不同具體實施例的細節(jié)在圖4A至9中示出。
現(xiàn)在參照圖4A和4B，其分別是用于根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的組合照相機和數(shù)據(jù)輸入設(shè)備的圖2或3的實施例的具體執(zhí)行方式的直觀示意圖。該具體雙重光學(xué)組件執(zhí)行方式結(jié)合垂直朝向(vertical facing)的照相機，并且每個光路被單個反射鏡翻轉(zhuǎn)，因此可以得到一種非常緊湊的方案。來自虛擬鍵盤的紅外光被接收，其沿光閘350和場擴大透鏡352定義的路徑行進，被反射鏡354反射，通過二色光組合器(dichronic combiner)356、傳統(tǒng)照相機鏡頭358和干涉濾光片360，到達照相機362，例如CMOS照相機。來自場景的可見光沿光閘370和IR阻擋濾光片372定義的路徑行進，并被二色光組合器356反射，通過透鏡358和干涉濾光片360到照相機362?？梢岳斫獾氖枪忾l370和IR阻擋濾光片372可被合并為單個設(shè)備，如圖所示，或可為獨立的設(shè)備。
現(xiàn)在參照圖5，其是用于根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的圖2的實施例的另一具體執(zhí)行方式的示意圖，其中采用多個與圖4A和4B相同的元件，并且其也是非常緊湊的實施例。來自場景的可見光被接收，其沿光閘380和IR阻擋濾光片382定義的路徑行進，被反射鏡384反射，通過二色光組合器386、傳統(tǒng)照相機鏡頭388和干涉濾光片390，到達照相機392，例如是CMOS照相機。來自虛擬鍵盤的紅外光沿光閘394和場擴大透鏡396定義的路徑行進，被二色光組合器386反射，通過透鏡388和干涉濾光片390到照相機392?？梢岳斫獾氖枪忾l380和IR阻擋濾光片382可被合并為單個設(shè)備，如圖所示，或可為獨立的設(shè)備。
現(xiàn)在參照圖6，其是用于根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的圖2的實施例的具體執(zhí)行方式的示意圖，并參照圖7，其示出了圖6中實施例的變形例。該實施例的特征在于水平朝向(horizontal facing)的照相機和一條光路直接指向設(shè)備外部，并且第二光路被兩個反射鏡翻轉(zhuǎn)而指向相反方向。其優(yōu)勢在于照相機組件通常被安裝為平行于該設(shè)備的其他所有組件，并且可以和該設(shè)備的其他部件組裝在相同的印刷電路板上。
具體地轉(zhuǎn)向圖6，在該實施例中，場景被直接成像，虛擬鍵盤經(jīng)過兩次反射，可以看出來自場景的可見光被接收，其沿光閘400和IR阻擋濾光片402定義的路徑行進，并通過二色光組合器404、傳統(tǒng)照相機鏡頭406和干涉濾光片408到達照相機410，例如是CMOS照相機。來自虛擬鍵盤的紅外光沿光閘414和場擴大透鏡416定義的路徑行進，被反射鏡418反射，并經(jīng)由二色光組合器404反射通過透鏡406、干涉濾光片408和照相機410?？梢岳斫獾氖枪忾l400和IR阻擋濾光片402可被合并為單個設(shè)備，如圖所示，或可為獨立的設(shè)備。
具體地轉(zhuǎn)向圖7，在該實施例中，虛擬鍵盤被直接成像，場景經(jīng)過兩次反射，可以看出來自場景的可見光被接收，其沿光閘420和IR阻擋濾光片422定義的路徑行進，被反射鏡424反射，并被二色光組合器426反射，通過透鏡428、干涉濾光片430和照相機432，例如CMOS照相機。來自虛擬鍵盤的紅外光沿光閘434定義的路徑行進，通過場擴大透鏡436、二色光組合器426，透鏡428，干涉濾光片430到達照相機432，例如CMOS照相機?？梢岳斫獾氖枪忾l420和IR阻擋濾光片422可被合并為單個設(shè)備，如圖所示，或可為獨立的設(shè)備。
現(xiàn)在參照圖8，其是用于根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的組合照相機和輸入設(shè)備的圖2或3的光學(xué)組件的具體執(zhí)行方式的示意圖，并參照圖9，其是圖2或3的光學(xué)組件的另一具體執(zhí)行方式的示意圖，與圖8類似。圖8和9的實施例的特征在于采用了水平和垂直傳感器，以及可繞樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡，其也可以起到光閘的作用，從而在設(shè)備內(nèi)部只需要單個內(nèi)部反射鏡以分離光路。
具體地轉(zhuǎn)向圖8，可以看出來自場景的可見光被接收，由可繞樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡450反射，沿穿過二色光組合器454、傳統(tǒng)照相機鏡頭456和干涉濾光片458的光路到達照相機460，例如CMOS照相機?？衫@樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡450還起到主要光閘的作用，以阻隔可見光成像設(shè)備。當側(cè)向場景被成像，可繞樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡450旋轉(zhuǎn)到光路之外，由圖8中的垂直方向示出。來自虛擬鍵盤的紅外光一般沿由光閘464和場擴大透鏡466定義的水平路徑行進，如圖8所示，被二色光組合器454反射，通過透鏡456、干涉濾光片458，而進入照相機460。
具體地參照圖9，可以看出來自場景的可見光被接收，其被可繞樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡470反射，沿通過二色光組合器474反射的路徑，經(jīng)過傳統(tǒng)照相機鏡頭476和干涉濾光片478到照相機480，例如CMOS照相機?？衫@樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡470還起到主要光閘的作用，阻隔可見光成像設(shè)備。當側(cè)向場景被成像，可繞樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡470旋轉(zhuǎn)到光路之外，由圖9B中的垂直方向示出。來自虛擬鍵盤的紅外光一般沿由光閘484和場擴大透鏡486定義的水平路徑行進如圖9A和9B所示，并經(jīng)過二色光組合器474，通過透鏡476、干涉濾光片478，進入照相機480。
在以上圖2-9的實施例的設(shè)備中，當VKB模式被成像時，只有IR照明波長周圍區(qū)域的光，通常是785nm區(qū)域，被透射到照相機。這優(yōu)選地通過使用IR導(dǎo)通(cut-on)和IR截止濾光片的組合來實現(xiàn)。另一方面，使用該設(shè)備的其他模式，例如用于視頻會議，視頻或快速成像，或特寫攝影，通常需要僅僅是可見光區(qū)域的光到達照相機。這意味著當單個照相機模塊被用于兩種模式，光譜濾光片必須根據(jù)所選模式在進入或離開光路之間切換。
現(xiàn)在參照圖10A，圖10A是用于圖2-9中的實施例的濾光片的透射曲線圖。圖10A在軌跡A中示出了阻隔近IR區(qū)域的傳統(tǒng)IR截止濾光片的特征。此類IR截止濾光片可以被實現(xiàn)為吸收濾光片，或干涉濾光片，并優(yōu)選用于可見光成像模式光路，以防止VKB照明與可見圖像相互干擾。在圖2-9的實施例中，當設(shè)備被用于VKB成像模式，可以用僅通過VKB照明IR區(qū)域的濾光片替換傳統(tǒng)截止濾光片。這優(yōu)選可通過使用兩個濾光片執(zhí)行；一個導(dǎo)通濾光片，其透射特性由圖10A中軌跡B所示，以及一個LP干涉濾光片，其透射特性如圖10A中用于兩種不同入射角的軌跡C1和C2所示。
現(xiàn)在參見圖10B，其是用于圖2-9中的實施例的可供選擇并優(yōu)選的濾光片配置的曲線圖，其中單個窄通干涉濾光片，在圖中用D標識，優(yōu)選具有770至820nm的通頻帶，其與標識為E，通頻帶為400至700nm的可見光濾光片一起，被用于VKB成像通道。標識為E的IR阻擋濾光片被用于可見光模式以防止圖像被VKB IR照明干擾，或被背景NIR照明干擾。
現(xiàn)在參見圖11A，11B和11C，其是圖3中的實施例與三種不同的反射鏡組合的簡化示意圖。圖11A-11C所示的所有實施例均涉及沿不同光路對不同視場成像使用單個照相機。所有光路被成像在照相機的焦平面上，但是在任何特定時刻，僅采用一個光路。每個光路表示一種獨立的操作模式，其由用戶轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)。圖11A，11B和11C中的實施例都不包括移動部件。
轉(zhuǎn)向圖11A，可以看出來自圖11A中左邊的光被標準光譜分束鏡或分色鏡500全部或部分地反射到照相機光學(xué)組件502，然后進入照相機503。所用的特定反射鏡組合取決于各個通道的光譜成分。當兩個通道都是可見光通道，使用標準分束鏡500。當通道之一在紅外光內(nèi)，使用二向色部分反射鏡500。來自右邊的光被反射兩次，典型地是被反射鏡500反射50％，再被頂部反射鏡504全部反射，該光再被導(dǎo)引通過反射鏡500，朝向照相機光學(xué)組件502和照相機503。這種模式使得左邊光路為50％透射，右邊光路為25％透射。
圖11B所示配置與圖11A類似，然而在圖11B中，用凹面鏡506替換了頂部反射鏡，以提供較大的視場。
圖11A和11B的實施例還可以通過使用一對棱鏡執(zhí)行。
在圖11C的實施例中，頂部反射鏡504相對于它在圖11A中的取向而向上傾斜，并且沒有使用反射鏡500對來自圖中右邊的光進行反射。這種配置具有和圖11A的實施例基本相同的性能，但是尺寸較大。
現(xiàn)在參照圖12A，12B，12C，12D，12E，12F和12G，其是圖3中的實施例的七種可供選擇的執(zhí)行方案的簡化示意圖。
表1闡明了七種實施例的本質(zhì)特征，該些特征將在以下詳細說明。

轉(zhuǎn)向圖12A，其是在一個照相機中提供四個視場而不具有任何移動光學(xué)組件的實施例?？梢钥闯龉灿霉鈱W(xué)組件被提供給所有的四個視場，并且包括高分辨率彩色照相機550，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑干涉濾光片552，如圖10A和10B所示，該入射孔徑干涉濾光片552優(yōu)選包含一可見光透射濾光片以及一透射780nm IR照明光的濾光片，透射780nm IR照明光的濾光片或可見光透射濾光片都是特定的帶通濾光片，或是低通濾光片，共用光學(xué)組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡554。現(xiàn)在對該四個視場的光學(xué)配置進行說明。
優(yōu)選地，通過可選擇的場透鏡560，以便將視場擴大大約1.5倍，和光束組合器(combiner)562拍攝VSSR視場556。VSSR視場采用固定IR截止窗564以允許/阻止來自VSSR視場的光通過，其中該固定IR截止窗564被不透光的滑動光閘566覆蓋。優(yōu)選地，用于此視場的光學(xué)組件具有輕度失真(＜2.5％)并支持照相機550的分辨率，優(yōu)選地對于VGA照相機，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF在50cy/mm時大約為50％，對于1.3M照相機在70cy/mm時大約為60％。
優(yōu)選地，VKB視場576和VC視場586通過大角度場透鏡590來獲取，依靠幾何結(jié)構(gòu)，大角度場透鏡可以將共用光學(xué)組件的視場擴大至4.5倍。透鏡590的視場的中心部分，例如VC視場，優(yōu)選地設(shè)計為在光譜的可見光部分獲得圖像，并具有小于4％的失真度，分辨率在70cy/mm時大約為60％。透鏡590的視場的剩余部分，例如VKB視場，具有高達25％的較高失真度，以及較低的分辨率，典型地對于785nm在20cy/mm時小于20％。
在透鏡590前面，優(yōu)選的提供具有三個工作區(qū)域的三重位置滑塊或旋轉(zhuǎn)光閘594，三個工作區(qū)域是不透光區(qū)域596，用于提供真彩色視頻的IR截止區(qū)域598和感應(yīng)來自虛擬鍵盤的IR的IR導(dǎo)通濾光片區(qū)域600。對VC視場在區(qū)域600適當定位光閘594，使得當采用適合的IR源，例如IR LED時，可以實現(xiàn)低分辨率IR成像。
來自場透鏡590的光通過平面反射元件580向下反射，朝向照相機光學(xué)組件554和照相機550。在最簡單的三重視場的實施例中，該平面反射元件580為全反射鏡。當使用附加的可選第四視場時，如下所述，該平面反射元件580是二向色光束組合器。
當平面反射元件580是分色鏡或光束組合器時，可以提供一個可選擇的附加視場582，因為組合器562和580都是平面窗口，他們將使圖像質(zhì)量的失真最小化。在視場582前面，是一個導(dǎo)通/截止光閘?？衫@樞軸轉(zhuǎn)動的反射鏡584使得該附加視場在照相機之上，如圖12A所示，或是通過適當對準，使得該視場在照相機側(cè)面。可替換的，如果僅僅是上部視場被使用，其可以是滑動光閘。
通過在VSSR視場556采用可變場透鏡可以在內(nèi)部提供CUP視場，或通過在VSSR視場556或可選擇視場582前面采用附加的微距鏡頭可以在外部提供CUP視場，如Nokia 3650和Nokia 3660中那樣。在后一種情況中，上部反射鏡580應(yīng)該為透射可見光并高度反射785nm的光的二色光組合器。該可選擇視場還在IR截止窗前具有截止/導(dǎo)通光閘(滑動或翻轉(zhuǎn))，也未在圖12A中示出。
現(xiàn)在參見圖12B，其為在一個照相機中提供四個視場的實施例，但是與圖12A中的實施例不同，其采用回轉(zhuǎn)反射鏡的頭(seiveledmirror head)。可以看出共用光學(xué)組件被提供給四個視場，并且包括高分辨率彩色照相機650，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑濾光片，優(yōu)選為干涉濾光片652，如圖10A和10B所示，該入射干涉濾光片652優(yōu)選包含可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是作為特定的帶通濾光片，或是作為低通濾光片，共用光學(xué)組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡654。
頂部回轉(zhuǎn)頭660包含安裝在旋轉(zhuǎn)基座664上的傾斜反射鏡662，圖12B中通過回轉(zhuǎn)頭上的圓形箭頭原理性示出。反射鏡662可以以預(yù)定傾斜位置安裝，或可替換地以可繞樞軸轉(zhuǎn)動的方式安裝?？捎羞x擇地使通過回轉(zhuǎn)頭660的光截止，例如，當采用固定的傾斜反射鏡的時候，其可通過將回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)到?jīng)]有光進入的盲區(qū)實現(xiàn)，可替換的，當采用可繞樞軸轉(zhuǎn)動安裝的傾斜反射鏡時，其可通過將反射鏡繞樞軸轉(zhuǎn)到?jīng)]有光進入的位置來實現(xiàn)。
雖然回轉(zhuǎn)頭可以旋轉(zhuǎn)664并且獲取任意方向的圖像，但是可以認識到其對定義分離的成像位置(imaging station)更有用。在各個位置間的移動需要圖像在屏幕上的旋轉(zhuǎn)。所獲得的圖像是鏡像，如果需要的話，其可以進行電子校準。在回轉(zhuǎn)頭中示出了入射孔徑640，其指向圖平面的外部。
IR截止濾光片670被設(shè)置在回轉(zhuǎn)頭660的正下方，使得能夠獲得真彩色照片。來自回轉(zhuǎn)頭660的光經(jīng)由二色光組合器672到達CMOS照相機650。可提供面對回轉(zhuǎn)頭各位置的附加光學(xué)組件(圖12B中未示出)，使得給定視場能夠適當?shù)爻上瘛?br> 現(xiàn)在對四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
VKB模式——用于VKB模式的場透鏡680依賴幾何結(jié)構(gòu)，獲取高達大約90°的大視場694的圖像。IR導(dǎo)通濾光片的塑料窗682被設(shè)置在場透鏡的前面。通過分色鏡672，將被獲取的IR光導(dǎo)向共用光學(xué)組件。優(yōu)選的，在CMOS上獲得的IR圖像優(yōu)選為低質(zhì)量的，其桶形畸變高達25％，MTF對于785nm在20cy/mm時大約為20％。為啟動VKB模式，不透明光閘684必須打開，并且頂部回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)到截止位置。
通過啟動用于VSSR成像的頂部回轉(zhuǎn)頭660，并將其轉(zhuǎn)到在手持裝置背面的VSSR位置，獲得VSSR模式，從而，通過將視場擴大大約1.5倍的VSSR場透鏡696，VSSR視場688被成像。
通過啟動頂部回轉(zhuǎn)頭660并將其轉(zhuǎn)到在手持裝置的前側(cè)的VC位置，來實現(xiàn)VC模式，其中在上述位置設(shè)有LCD，使得可以利用可選擇光學(xué)元件690對VC視場692成像。使用這種選擇，僅僅利用了COMS成像平面的一部分，這即是所知的窗口選擇。當光學(xué)元件690不存在，透鏡654的原始FOV在整個照相機感應(yīng)區(qū)域獲取圖像，但是被壓縮采樣以給出較低分辨率的VC圖像，這即是所知的壓縮采樣選擇。
通過上述涉及圖12A的實施例的方式之一可以實現(xiàn)CUP模式。
現(xiàn)在參照圖12C，其是在一個照相機中提供四個視場的實施例，具有用于VC視場的移動內(nèi)嵌(inline)光學(xué)組件?？梢钥闯龉灿霉鈱W(xué)組件被提供給全部四個視場，并且包括高分辨率彩色照相機700，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑干涉濾光片702，如圖10A和10B所示，該入射孔徑干涉濾光片702優(yōu)選包含可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是作為特定的帶通濾光片，或是作為低通濾光片，共用光學(xué)組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡704?，F(xiàn)在對該四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
VSSR視場708通過將視場擴大大約1.5倍的附加場透鏡710和二色光組合器712獲取。優(yōu)選的，VSSR視場具有固定/滑動IR截止窗714，以及不透光滑動光閘716，用于導(dǎo)通/截止成像路徑。用于VSSR視場的光學(xué)組件應(yīng)具有＜2.5％的輕度失真并支持照相機的分辨率，對于VGA照相機，應(yīng)提供的MTF在50cy/mm時大約為至少50％，并且對于1.3M照相機，在70cy/mm時大約為至少60％。
VKB視場720通過廣角場透鏡722獲取，依靠所選幾何結(jié)構(gòu)，廣角場透鏡優(yōu)選地將共用光學(xué)組件的視場擴大至4.5倍，并且VKB視場720通過反射鏡724并經(jīng)由二色光組合器712被導(dǎo)向共用光學(xué)組件。VKB模式的視場質(zhì)量較低，其具有高達25％的失真度，以及低分辨率，典型地對于785nm在20cy/mm時小于20％。當VKB模式被激活，模式選擇滑塊726設(shè)置到IR導(dǎo)通濾光片位置728，該位置優(yōu)選為合適的黑色塑料窗。
利用如圖12A的實施例所示，但是沒有在圖12C中示出的附加組件，可以提供附加可選擇視場730。
當設(shè)置為場縮小元件734的三重模式選擇滑塊726在廣角場透鏡722前面，如圖12C中所示位置，就獲得VC視場模式732。這種配置將視場減小到大約30°，并且將圖像聚焦在照相機700中的CMOS的整個有效區(qū)域上。而且，這種選擇的配置通過結(jié)合在場縮小元件734中的IR截止濾光片，將IR附近的光濾除。由于對于VC模式僅需要CIF分辨率，在這種分辨率下照相機被切換到壓縮采樣模式，對于可見光范圍，所需要的光學(xué)分辨率在35cy/mm時大約為60％，并且失真優(yōu)選低于4％。雖然這種選擇的配置涉及使用移動光學(xué)組件734，但是因為圖像分辨率不需要非常好，所以構(gòu)建有0.05mm機械重復(fù)性(mechanical repeatability)即滿足要求，并且該重復(fù)性不需要高精度機械構(gòu)建技術(shù)即可容易得到。
通過上述涉及圖12A的實施例的方法之一可以實現(xiàn)CUP模式。
現(xiàn)在參見圖12D，其是使用兩個照相機提供四個視場的實施例，但是不需要任何移動光學(xué)組件?，F(xiàn)在對該四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
利用聚焦透鏡742和具有VGA或1.3M像素分辨率的傳統(tǒng)照相機744可以獲得VSSR視場740。優(yōu)選地，相同的照相機還可用于CUP模式成像，或是利用附加的微距模塊在外部實現(xiàn)，如Nokia3650/Nokia 3660那樣，或是利用模塊在內(nèi)部實現(xiàn)，該模塊例如FDK和Macnica的FMZ10或Sharp的LZ0P3726模塊。
通過上述涉及圖12A的實施例的方法之一可以實現(xiàn)CUP模式。
VC視場750和VKB視場752模式優(yōu)選使用高分辨率照相機754，例如VGA或1.3M像素分辨率的照相機，其具有視場高達90°的大視場光學(xué)組件756，這取決于所用VKB的幾何結(jié)構(gòu)。濾光片優(yōu)選設(shè)置在照相機754的前面，該濾光片優(yōu)選為干涉濾光片764，如圖10A和10B所示，優(yōu)選包含可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是作為特定的帶通濾光片，或是作為低通濾光片。在該實施例中的模式選擇滑塊758優(yōu)選僅使用兩個位置，一個用于VKB模式，一個用于VC模式。在VKB模式，滑塊將IR導(dǎo)通窗濾光片760置于透鏡756前面。在VC模式，滑塊將IR截止窗濾光片762置于透鏡756前面。
在VC模式中，照相機以開窗模式工作，其中僅僅使用視場的中心。對該模式使用30°視場。該視場優(yōu)選具有低于4％的失真度，以及在可見光范圍內(nèi)MTF在70cy/mm時至少為大約60％。
在VKB模式中，需要高達90°的大視場，但是可以容忍高達25％的較高的失真度，并且分辨率可以較低，典型的是對于785nm在20cy/mm時低于20％。在這種模式中，照相機優(yōu)選以垂直開窗模式工作，還優(yōu)選以水平壓縮采樣模式工作。
現(xiàn)在參照圖12E，其是利用兩個照相機提供四個視場的實施例，但是使用了用于VC視場的移動內(nèi)嵌光學(xué)組件?，F(xiàn)在對該四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
利用聚焦透鏡772和具有VGA分辨率或1.3M像素分辨率的傳統(tǒng)照相機744可以得到VSSR視場770。優(yōu)選地，相同的照相機還可用于CUP模式成像，無論是在外部利用附加微距模塊，如Nokia3650/Nokia 3660那樣，還是在內(nèi)部利用例如FDK和Macnica的FMZ10或Sharp的LZ0P3726模塊的模塊。通過上述涉及圖12A的實施例的方法之一可以實現(xiàn)CUP模式。
VC視場776模式和VKB視場778模式都優(yōu)選使用低分辨率照相機780，或處于壓縮采樣模式的高分辨率照相機。濾光片優(yōu)選設(shè)置在照相機780的前面，該濾光片優(yōu)選為干涉濾光片784，如圖10A和10B所示，優(yōu)選包含一可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是作為特定的帶通濾光片，或是作為低通濾光片。在照相機前面有大視場光學(xué)元件782，其依賴所用VKB的幾何結(jié)構(gòu)，具有高達90°的視場，該光學(xué)元件通用于這兩種模式。通過包含IR導(dǎo)通窗濾光片788和內(nèi)嵌IR截止濾光片780的場縮小透鏡的模式選擇滑塊786，在這些模式間進行選擇。
在VC模式中，模式選擇滑塊786對具有IR截止濾光片的場縮小透鏡定位，場縮小透鏡使得照相機的有效視場縮小到大約30°。該視場優(yōu)選具有低于4％的失真度，以及在可見光范圍內(nèi)MTF在30cy/mm時低于大約60％。
在VKB模式中，模式選擇滑塊786將IR導(dǎo)通濾光片窗788置于場透鏡782之前。對于該視場，高達25％的高失真度，并且具有低MTF，對于785nm MTF在20cy/mm低于20％，這就足夠了。
現(xiàn)在參見圖12F，其是使用固定的低分辨率照相機，以及結(jié)合與圖12B所示相似的回轉(zhuǎn)鏡的高分辨率照相機，提供四個視場的實施例?，F(xiàn)在對該四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
優(yōu)選地，VKB視場790模式依賴所用幾何結(jié)構(gòu)，成像在具有視場高達90°的大視場透鏡794的低分辨率照相機(CIF)792上。濾光片優(yōu)選設(shè)置在照相機792的前面，該濾光片優(yōu)選為干涉濾光片816，如圖10A和10B所示，優(yōu)選包含可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是作為特定的帶通濾光片，或是作為低通濾光片。在透鏡794前面有固定的IR導(dǎo)通濾光窗796。該大視場成像系統(tǒng)失真度可以高達大約25％，并且低MTF，典型地對于785nm在20cy/mm時低于20％就足夠了。
頂部回轉(zhuǎn)頭800包含安裝在旋轉(zhuǎn)基座804上的傾斜反射鏡802，圖12B通過回轉(zhuǎn)頭上的圓形箭頭原理性示出。反射鏡802可以以預(yù)定傾斜位置安裝，或可替換地以可繞樞軸轉(zhuǎn)動的方式安裝?？捎羞x擇性地使通過回轉(zhuǎn)頭800的光截止，例如，當采用固定的傾斜反射鏡，其可通過將回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)到?jīng)]有光進入的盲區(qū)實現(xiàn)?？商鎿Q的，當采用可繞樞軸轉(zhuǎn)動安裝的傾斜反射鏡時，其可通過將反射鏡繞樞軸轉(zhuǎn)到?jīng)]有光進入的位置實現(xiàn)。
雖然回轉(zhuǎn)頭可以旋轉(zhuǎn)804，并且獲取任意方向的圖像，但是可以認識到其對定義分離的成像位置更有用。在各個位置間的移動需要圖像在屏幕上的旋轉(zhuǎn)。所獲得的圖像是鏡像，如果需要的話，其可以進行電子校準。IR截止濾光片806被設(shè)置在回轉(zhuǎn)頭800的正下方，使得能夠獲得真彩色照片。
來自回轉(zhuǎn)頭800的光通過視場為30°的量級或更小的聚焦透鏡808，到達CMOS照相機810?？擅鎸剞D(zhuǎn)頭各位置設(shè)置附加光學(xué)組件(圖12F中未示出)，使得給定視場能夠適當?shù)爻上瘛?br> 通過啟動用于VSSR成像的頂部回轉(zhuǎn)頭800并旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)頭800到位于手持裝置背部的VSSR位置，可以獲得VSSR模式，從而VSSR視場812被成像。
通過啟動用于VC成像的頂部回轉(zhuǎn)頭800，并旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)頭800到位于手持裝置前面的VC位置，其中在該處設(shè)置了LCD，就可以獲得VC模式，從而VC視場814成像。選擇這種模式，僅用到部分CMOS成像平面，這就是所知的開窗選擇。否則，圖像被壓縮采樣，以給出較低分辨率的VC圖像，這就是所知的壓縮采樣選擇。
通過上述涉及圖12A的實施例的方式之一可以實現(xiàn)CUP模式。
現(xiàn)在參照圖12G，其是利用在具有對接位置(docking)的水平轉(zhuǎn)環(huán)上的照相機提供四個視場的實施例。在這個實施例中，照相機820，與它的聚焦光學(xué)組件822和濾光片824一起，其功能將在以下進行描述，并且照相機820圍繞水平軸826旋轉(zhuǎn)，該水平軸被調(diào)整為指向圖12G畫面外部的方向。通過將照相機設(shè)置在幾個固定位置，可以獲得四個視場。在每個位置，可選擇地設(shè)置附加光學(xué)組件，以在該位置啟動計劃的功能。在現(xiàn)有技術(shù)中對蜂窩式電話中的可旋轉(zhuǎn)照相機已有描述。
共用光學(xué)組件通常包括高分辨率CMOS照相機820，或為VGA，或為1.3M像素的，以及20°-30°視場的透鏡822。濾光片，圖12G未示出，但是與用于圖10A和10B的實施例的類似，優(yōu)選包含可見光透射濾光片以及透射780nm IR照明光的濾光片，或是特定的帶通濾光片，或是低通濾光片，該濾光片優(yōu)選設(shè)置在照相機840的前面，或作為照相機入射窗的一部分?，F(xiàn)在對該四個視場的優(yōu)選光學(xué)配置進行說明。
在VSSR模式中，照相機被配置在位于手持裝置后側(cè)的IR截止濾光窗824的前面，從VSSR視場828面對入射孔徑。用于該視場的光學(xué)組件具有輕度失真，優(yōu)選＜2.5％，并且對于VGA照相機，支持MTF在50cy/mm時為～50％的照相機分辨率，對于1.3M照相機，支持MTF在70cy/mm時為～60％的照相機分辨率。
在VC模式中，現(xiàn)在在位置830中示出的照相機，被設(shè)置在位于手持裝置的前側(cè)的IR截止濾光窗832前面，從VC視場834面對入射孔徑。在這個位置圖像被壓縮采樣。對于可見光，光學(xué)分辨率優(yōu)選在35cy/mm高于大約60％，并且失真小于4％。
在CUP模式中，在位置840中示出的照相機，被向上指向具有IR截止濾光片844的微距鏡頭組件842。用于這個視場的光學(xué)組件具有輕度失真，優(yōu)選＜2.5％，并且對于VGA照相機，支持MTF在50cy/mm時為至少50％的照相機分辨率，對于1.3M照相機，支持MTF在70cy/mm時為至少60％的照相機分辨率。
最后，在VKB模式中，在位置846中示出的照相機，被設(shè)置得向下指向鍵盤投影的位置。在這個位置，透鏡前面的光學(xué)組件優(yōu)選包括擴大透鏡848和IR導(dǎo)通濾光窗850。在這個模式中，照相機典型地以開窗、壓縮采樣模式工作。全部光學(xué)組件的視場852較寬，典型地高達90°，這取決于所用的幾何結(jié)構(gòu)。該大視場可以容忍較高等級的失真，典型地高達25％，并且僅需要低MTF，典型的對于785nm在20cy/mm時為20％。
現(xiàn)在參照圖13，其是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作，用于投影模板的光學(xué)裝置的簡化示意圖。圖13示出在虛擬界面應(yīng)用中，用衍射光學(xué)元件(DOE)1000對圖像模板進行投影。在本發(fā)明的這個實施例中，通過將來自例如激光二極管的光源1002的光束引導(dǎo)通過準直透鏡1004，使光束在無限遠的共軛距離聚焦，從而所有光線平行于準直軸1010，并以相同的角度投射到DOE1000上，可以消除在現(xiàn)有技術(shù)配置中，當通過在DOE上照射聚焦光束來提供DOE照明時出現(xiàn)的像散現(xiàn)象。采用小功率聚焦透鏡1006將衍射光斑聚焦到像場，盡量在用于聚焦的最佳點，即像場中心某處，如以下結(jié)合圖14A和14B所述。
圖13中示出了計算得出的衍射光線徑跡，從插入部分1008可以看出，與非準直光束入射到DOE上的DOE成像系統(tǒng)相比，在這個配置中，在像散的減小，以及由此而使得焦斑尺寸上可以獲得明顯改進。該改進的結(jié)果可以提供更亮的衍射光斑，由此得到對比度更高而投影功率較低的圖像?？梢栽O(shè)計聚焦透鏡1006，使其表面曲率半徑集中在DOE的發(fā)射區(qū)域，以最小化附加幾何像差。該透鏡還可被設(shè)計為非球面以相應(yīng)于對應(yīng)投影圖像不同區(qū)域的不同衍射角獲得可變焦距。
現(xiàn)在參照圖14A和14B。圖14A是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的圖13裝置的執(zhí)行方案的簡化示意圖，而圖14B是通過圖14A的裝置在成像平面產(chǎn)生的圖像的示意圖。降低這種類型的投影圖像的質(zhì)量的因素之一在之前參照圖13已經(jīng)討論過，其是源于準直和/或聚焦透鏡或透鏡組的景深有限，加上斜投影角，其使得難以在整個像場獲得高質(zhì)量聚焦。
從幾何光學(xué)考慮，可知的是焦斑的景深與所用光焦度相反地變化。因此，顯見的是，對于給定的DOE的光焦度，在DOE上照明光斑越大，景深越小。因此，為了在像平面維持好的焦深，使用焦距足夠短的準直透鏡是有利的，從而最小面積的DOE被照明，與對足夠面積照明，以獲得令人滿意的衍射圖像相對應(yīng)。
典型的激光二極管光源，如現(xiàn)有技術(shù)中的DOE成像系統(tǒng)所用的，通常產(chǎn)生具有橢圓形狀1020的像散光束，如圖14A中的插入部分所示。這導(dǎo)致對DOE照明的光斑沿與激光二極管的慢軸1022相應(yīng)的軸延長，并且DOE之后的投影圖像景深相應(yīng)減小。相反，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，光束修正元件1010被插入在激光二極管1012和準直/聚焦元件1014之間，以生成大體上更圓的發(fā)射光束1024，如圖14A的第二插入部分所示，并且該光束沿光軸1042被引導(dǎo)。因此可以選擇準直/聚焦元件1014以最小總體光斑尺寸對DOE的足夠面積照明，獲得對于給定的DOE焦度的最大可能的景深?？蓪⒌头糯舐示劢雇哥R放置在遠離DOE的地方，如圖13的實施例所示，以在光學(xué)設(shè)計中對在像場聚焦衍射光斑提供更多的靈活性。
圖14B圖示了利用圖14A中所示優(yōu)選投影系統(tǒng)，通過像平面1018上獲得的圖像。圖14B應(yīng)該結(jié)合圖14A進行觀看。設(shè)計最佳焦點1036，以最小化整個圖像的散焦和幾何變形以及幾何像差。優(yōu)選地，提供光束阻擋裝置1044阻隔不想要的幻象或產(chǎn)生自零級或其他衍射級的亮斑。而且，不需要窗口1046對期望的投影光束限制進行定義。
現(xiàn)在參照圖15A和15B，其分別是根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的用于投影模板的裝置的簡化頂視示圖和側(cè)視示圖。從圖15A和15B可以看出，該實施例與現(xiàn)有技術(shù)區(qū)別在于使用了非周期性DOE 1050，其通常需要在激光光源1052前精確定位，并且不需要準直照明光束。每束照明光束的入射部分生成圖像模板1056的獨立部分。
這種配置的一個優(yōu)勢在于不需要聚焦透鏡，潛在地降低了制造成本。另一個優(yōu)勢是沒有來自非衍射光的明亮的零級光斑，而有尺寸取決于激光發(fā)散角的擴散的零級區(qū)域1054。這種零級亮斑不出現(xiàn)安全危害。而且，因為它的低強度和擴散，所以如果它不會對明顯的圖像的對比度產(chǎn)生負面影響，就不需要像圖14A和14B的實施例所需的那樣，將其從主圖像105分離并對其阻隔，因此減小了所需的最小窗口尺寸。
現(xiàn)在參照圖16，其仍然是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的用于投影模板的裝置的簡化側(cè)視示意圖。圖16示意性地示出改進的DOE幾何結(jié)構(gòu)的橫截面。優(yōu)選地，用激光二極管1060對DOE1072照明。然而，不像現(xiàn)有的照明方案，DOE 1072被這樣劃分，使得不同部分1070被用于投影虛擬界面模板的不同區(qū)域1076。因此，DOE 1072的各個部分1070作為獨立的DOE，設(shè)計為包含比整個DOE1072更少的信息，并具有小得多的孔徑角θ。這減小了DOE 1072的周期，因此增大了最小形體尺寸，大大簡化了制造工藝。這種設(shè)計的附加優(yōu)勢在于零級和各段的幻象被最小化到不需要像在現(xiàn)有技術(shù)中一樣分離并掩蔽的程度。因此DOE可以用作實際的設(shè)備窗口，以制作更緊湊的設(shè)備。
優(yōu)選地，所有獨立的部分1070在一起進行計算并在單個通道中進行控制(master)，使得它們都可以被精確對準。通過在DOE 1072的基板背面形成例如小透鏡陣列1074的分束結(jié)構(gòu)，可以對各DOE部分1070提供各自的照明光束。還可以采用可替換的分束和聚焦技術(shù)。
可以調(diào)整分束和聚焦區(qū)域的大小，以為DOE的各個衍射區(qū)域收集適合的光量，以在整個視場上確保均勻照明。
該技術(shù)還具有附加優(yōu)勢，即各段1070的焦距可以單獨調(diào)整，因此甚至在投影角高度傾斜的情況下，在整個視場也能獲得更均勻的聚焦。因為該幾何結(jié)構(gòu)對各個衍射段1070具有小孔徑角θ，以及最小形體尺寸相對較大，該設(shè)計可以使用同軸幾何結(jié)構(gòu)，因為利用標準制造工藝，可以有效排除零級和幻象。因此不需要屏蔽。
這種幾何結(jié)構(gòu)的缺陷在于整個元件作為需要與光源精確對準的非周期性DOE。激光二極管光源的發(fā)散角和能量分布，以及到光學(xué)元件的距離，也必須精確控制，以對各個DOE部分以及與之對應(yīng)的投影界面區(qū)域用適合的能量照明。
現(xiàn)在參照圖17，其是根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的用于投影模板的裝置的簡化側(cè)視示意圖。這里，不是如圖16所示的優(yōu)選實施例中那樣，使用單個的相對較大功率的二極管激光光源作為分段DOE的光源，而是將小功率的垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)1082的二維陣列1080設(shè)置在分段DOE 1084和分段準直/聚焦元件1086的后面。陣列1080中的VCSEL 1082的數(shù)量和周期與DOE段精確匹配，從而每個VCSEL對單個DOE段1088照明。
為了不導(dǎo)致變形的投影圖像，陣列1080還需要在元件后面精確定位，但是，除了確保所有來自各發(fā)射點的光進入其適當?shù)臏手?聚焦元件1086，并且充分填充相應(yīng)的DOE段1088的孔徑以獲得好的衍射結(jié)果之外，不需要控制單個發(fā)射的發(fā)散角。
圖17的結(jié)構(gòu)非常緊湊，因為不需要使得光傳播直到其覆蓋整個DOE 1084。也沒有像圖16的實施例中所示的設(shè)計中的在DOE元件的準直段之間的潛在的激光損耗。因為每個激光光源被集中在其各自的透鏡1086的光軸上，準直/聚焦元件的設(shè)計也被簡化。因為不需要像圖16的實施例中那樣，將DOE與激光光源分離得足夠遠以填充幾毫米的孔徑，所以該設(shè)計可以非常緊湊。因為也不需要屏蔽不期望的衍射級，整個投影模塊可以被簡化為厚度為幾毫米的平面元件。
現(xiàn)在參照圖18，其是合并了圖13A-15B中所示元件中至少一部分元件，用于基于DOE的虛擬界面投影系統(tǒng)的激光二極管封裝的簡化示意圖。這里所有的光學(xué)元件和機械配件都被小型化并被容納在單個光學(xué)封裝1100中，例如擴展激光二極管外殼。安裝在散熱片1104上的激光二極管芯片1102，被設(shè)置在封裝1100內(nèi)側(cè)。光束修正光學(xué)元件1106選擇性地置于激光二極管芯片1102的發(fā)射點1112的前面，以減小像散激光發(fā)射的發(fā)散角，并提供大體為圓形的光束。準直或聚焦透鏡1108選擇性地插入封裝1100中，以在需要處對光束聚焦。
光學(xué)元件1106和1108需要通過有效對準過程來精確對準發(fā)射光束的方向，從而在激光光束的前面精確定位。包含圖像模板的衍射光學(xué)元件DOE 1110被插入到封裝的末端，在適當位置對準并固定。還可將該元件用作封裝窗口，將DOE 1100設(shè)置在窗口1114的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。如果采用非周期性DOE，可選擇性地省去光束修正光學(xué)組件和/或準直光學(xué)組件，得到更小和更便宜的封裝。
現(xiàn)在參見圖19，其是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡化示意圖，該衍射光學(xué)裝置在用于投影模板的裝置，例如本發(fā)明之前所述實施例中，用于掃描及其他。該裝置在同軸系統(tǒng)中提供一維或二維掃描，而不需要任何反射或轉(zhuǎn)向鏡(turningmirrors)。這樣的系統(tǒng)可以比基于反射鏡的掃描儀更小，更便宜并更易于組裝。
圖19示出基本概念。將非周期性DOE 1200設(shè)計為使得衍射角是入射到DOE上的照明光的側(cè)向位置的函數(shù)。在該優(yōu)選示例中，當準直光束1202平移越過DOE 1200的表面，到不同的位置1214，1216，1218，準直光束被衍射并聚焦到在不同的聚焦成像位置的離散點1204，1206，1208。優(yōu)選地，可以將非周期性DOE構(gòu)建為使得當光束和DOE的相互位置改變時，衍射角可以根據(jù)輸入光束和DOE的相對位置的預(yù)定函數(shù)改變。因此，例如，在入射光束前以正弦方式振蕩的DOE，當根據(jù)本優(yōu)選實施例進行構(gòu)建，可以在圖像屏幕1210上提供聚焦光斑的線性平移。而且，還可以構(gòu)建DOE使得強度在掃描方向上線性化。這對于光學(xué)掃描應(yīng)用是十分有用的特征。
即使光束不同的入射位置之間有很大的重疊，以非周期性方式構(gòu)建DOE，使得將所有光衍射到由DOE上的整個照明入射區(qū)域確定的位置點。聚焦位置也可以作為衍射角的函數(shù)改變，以在整個平面視場保持光斑的銳聚焦。聚焦還可以由位于DOE 1200下游的圖19未示出的獨立衍射或折射元件進行，或者入射光束本身可以被準直到設(shè)備的焦平面上的點。
可以沿正交光軸提供具有相似功能的第二元件，該第二元件設(shè)置在第一DOE后面，以沿正交光軸衍射發(fā)射的光斑，因此進行二維掃描。
輸入光束可以被保持固定，并且優(yōu)選地DOE元件來回振蕩以產(chǎn)生掃描光束圖案，而不是實際上對輸入光束掃描，這即意味著要振動激光二極管光源。以較高頻率掃描第一元件，并以較低頻率掃描第二元件，可以生成二維光柵掃描，同時將激光強度與掃描圖案同步并進行調(diào)制，生成完整的二維投影圖像。
現(xiàn)在參照圖20，其是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡化示意圖，該衍射光學(xué)裝置在投影模板的裝置中，例如本發(fā)明之前所述實施例中，用于掃描及其他。在圖20的實施例中，入射激光光束1220在DOE 1222上被聚焦為相對較小的光斑，使得對于不同衍射角的輸入?yún)^(qū)域間只有一點或沒有重疊。這使得對于較小平移令轉(zhuǎn)向角發(fā)生較大的改變。然后，二級聚焦透鏡1224被插入以將衍射光束再聚焦到像平面1246。不同有效輸入光束位置1230，1232，1234，導(dǎo)致不同聚焦光斑1240，1242，1244。
這些功能可被進一步合并到單個DOE，其中水平位置決定水平衍射角，垂直位置決定垂直衍射角。這在圖21中示意性示出，圖21是使用這樣的DOE進行二維掃描的簡化視圖。這里，將DOE 1250設(shè)計為使得當其沿兩個與光傳播方向正交的方向平移，光束在二維方向上偏轉(zhuǎn)。例如，當光束入射到DOE的頂部左側(cè)1252，其被向上并向左偏轉(zhuǎn)，被聚焦到像平面1260的點1262。同樣，當光束入射到DOE的底部右側(cè)角1254，其被向下并向右偏轉(zhuǎn)，被聚焦到像平面1260的點1264。這個元件具有圖19中的DOE與用于在正交方向提供掃描的可選擇的第二元件相結(jié)合的功能。如前所述，可以理解的是輸入光束被保持固定，而不是掃描輸入光束，而DOE元件優(yōu)選在二維方向振蕩以生成掃描光束圖案。
正交的X和Y掃描可以被集成到單個元件，如圖22所示，其是使用于圖21的實施例的執(zhí)行DOE二維移位的設(shè)備的簡化圖。二維的非周期性DOE 1270，如圖21所述，被設(shè)置在輕型支架1272上，該輕型支架1272在圖的水平方向具有高諧振頻率。這個中心部分連接到安置在第二固定框架1276之內(nèi)的振蕩框架1274。較重的內(nèi)部框架1274與該中心部分結(jié)合，提供比用于DOE 1270的輕型支架的諧振頻率低得多的諧振頻率。
通過用一個或多個壓電元件1278，以包含兩種諧振頻率的驅(qū)動信號驅(qū)動整個設(shè)備，可以實現(xiàn)兩軸、共振光柵掃描。通過調(diào)整DOE和支架1272和內(nèi)部振蕩框架1274的質(zhì)量，以及橫向運動振蕩支架1280和垂直運動振蕩支架1282的剛度，可以相應(yīng)地調(diào)整X和Y掃描頻率。這種設(shè)計可以提供緊湊、同軸的二維掃描元件。
現(xiàn)在參照圖23，其是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡化示意圖，該衍射光學(xué)裝置在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他。一維掃描DOE元件1290，例如圖19的優(yōu)選實施例所述，在一個方向振蕩到不同的聚焦位置1294，以越過像平面1292來掃描光斑。DOE優(yōu)選用激光二極管1296以及準直透鏡1298照明。
現(xiàn)在參照圖24，其是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例構(gòu)建和操作的衍射光學(xué)裝置的簡化示意圖，該衍射光學(xué)裝置在用于投影模板的裝置中，用于掃描及其他。一維掃描DOE元件1300，例如圖20的優(yōu)選實施例所述，在一個方向振蕩到不同的聚焦位置1294，以越過像平面1292掃描光斑。DOE 1300優(yōu)選用激光二極管1296以及準直透鏡1298照明，并且DOE之后通過輔助透鏡1302進行附加的聚焦。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明不限于上述和特別示出的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍包括上述各個特征的結(jié)合及其分支，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀上述內(nèi)容所可以做出的不在現(xiàn)有技術(shù)范圍內(nèi)的各種變形和修改。
權(quán)利要求
1.一種電子照相機，包括提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；采用所述電子成像傳感器在第一成像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能；采用所述電子成像傳感器在第二成像場拍攝場景的至少第二圖片的至少第二成像功能；將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及使得用戶在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作的用戶操作成像功能選擇開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子照相機，還包括可在其上進行所述用戶手動操作的投影虛擬鍵盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子照相機，其中將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件，包括至少一個可有選擇地置于僅用于所述至少第二成像功能的所述傳感器上游的光學(xué)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之任一所述的電子照相機，其中將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件不包括可有選擇地置于用于所述第一成像功能的所述傳感器的上游的、具有光焦度的光學(xué)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子照相機，其中將所述第一和第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件包括與波長相關(guān)的分束器，其為所述第一和所述第二成像功能定義獨立的光路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之任一所述的電子照相機，其中通過適當?shù)卦O(shè)置至少一個光閘以阻斷至少一個所述成像功能，所述用戶操作成像功能選擇開關(guān)可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一所述的電子照相機，其中所述第一和第二成像功能定義獨立的光路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的電子照相機，其中所述獨立光路朝不同的方向延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子照相機，其中所述獨立光路具有不同的視場。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子照相機，其中所述與波長相關(guān)的分束器分離可見光譜和IR光譜，分別供所述第一和第二成像功能使用。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之任一所述的電子照相機，還包括在其上顯示表示成像場的所述輸出的液晶顯示器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之任一所述的電子照相機，其中將所述第一成像功能和所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件包括視場擴大透鏡。
13.一種電子照相機，包括提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；采用所述電子成像傳感器在第一成像場拍攝場景圖片的第一成像功能；采用所述電子成像傳感器在至少第二成像場拍攝場景圖片的至少第二成像功能；將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及使得用戶可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作的用戶操作成像功能選擇開關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子照相機，其中將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件包括至少一個可有選擇地置于僅用于所述至少第二成像功能的所述傳感器上游的光學(xué)元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電子照相機，其中將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件不包括可有選擇地置于用于所述第一成像功能的所述傳感器的上游的、具有光焦度的光學(xué)元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子照相機，其中將所述第一和第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件包括分束器，其為所述第一和所述第二成像功能定義獨立的光路。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16之任一所述的電子照相機，其中通過適當?shù)卦O(shè)置至少一個光閘以阻斷至少一個所述成像功能，所述用戶操作成像功能選擇開關(guān)可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至15之任一所述的電子照相機，其中所述第一和第二成像功能定義獨立的光路。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或18所述的電子照相機，其中所述獨立光路朝不同的方向延伸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電子照相機，其中所述獨立光路具有不同的視場。
21.根據(jù)權(quán)利要求13至20之任一所述的電子照相機，還包括在其上顯示表示成像場的所述輸出的液晶顯示器。
22.根據(jù)權(quán)利要求13至21之任一所述的電子照相機，其中將所述第一成像功能和所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件包括視場擴大透鏡。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22之任一所述的電子照相機，其中將所述第一和所述至少第二成像功能和所述電子成像傳感器結(jié)合的所述光學(xué)組件為固定的。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23之任一所述的電子照相機，其中所述第一和所述第二成像場在所述電子成像傳感器上成像之前，各經(jīng)過一次反射。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至23之任一所述的電子照相機，其中所述第一成像場直接成像在所述電子成像傳感器上，并且所述第二成像場在所述電子成像傳感器上成像之前經(jīng)過兩次反射。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至23之任一所述的電子照相機，其中所述第二成像場直接成像在所述電子成像傳感器上，且所述第一成像場在所述電子成像傳感器上成像之前經(jīng)過兩次反射。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電子照相機，其中通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)的裝載鏡進行所述兩次反射中的第二次反射。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電子照相機，其中所述第二成像場的反射通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)的裝載鏡進行。
29.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電子照相機，其中所述第一成像功能在紅外區(qū)域的譜帶上執(zhí)行，且所述第二成像功能在可見光區(qū)域的譜帶上執(zhí)行，所述照相機還包括多個濾光片組，所述第一和第二成像功能中的每個使用一個濾光片組。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的電子照相機，其中所述多個濾光片組包括用于所述第一成像功能的濾光片組，其包含至少一個在可見光區(qū)域和紅外區(qū)域內(nèi)所述譜帶透射的濾光片，以及至少一個在所述紅外區(qū)域至該紅外區(qū)域內(nèi)所述譜帶之下透射，且不透射該可見光區(qū)域的濾光片；以及用于所述第二成像功能的濾光片組，其包含至少一個在該可見光區(qū)域至該紅外區(qū)域內(nèi)所述譜帶之下透射的濾光片。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的電子照相機，其中所述第一和所述第二成像功能沿共用光路引導(dǎo)，并且其中所述第一和第二濾光片組可以根據(jù)所選成像功能交換。
32.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電子照相機，其中通過旋轉(zhuǎn)所述光學(xué)組件之前的所述電子成像傳感器執(zhí)行所述用戶操作成像功能選擇，其中所述光學(xué)組件將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合。
33.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電子照相機，其中通過旋轉(zhuǎn)位于所述電子成像傳感器之前的反射鏡以將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合，從而進行所述用戶操作成像功能選擇。
34.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電子照相機，還包括部分透射分束器，以將所述第一和所述第二成像場結(jié)合，并且其中兩個所述成像場都被所述部分透射分束器反射一次，所述成像場之一還在被全反射器反射之后，從所述部分透射分束器透射。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的電子照相機，其中所述部分透射分束器還為二向色的。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的電子照相機，其中所述全反射器還具有光焦度。
37.一種便攜式電話，其包括電話功能；提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；采用所述電子成像傳感器在第一成像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能；采用所述電子成像傳感器在第二成像場拍攝場景的至少第二圖片的至少第二成像功能；將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及使得用戶可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作的用戶操作成像功能選擇開關(guān)。
38.一種數(shù)字個人助理，其包括至少一個個人數(shù)字助理功能；提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；采用所述電子成像傳感器在第一成像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能；采用所述電子成像傳感器在第二成像場拍攝場景的至少第二圖片的至少第二成像功能；將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及使得用戶可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作的用戶操作成像功能選擇開關(guān)。
39.一種遙控設(shè)備，其包括遙控功能；提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；采用所述電子成像傳感器在第一成像場響應(yīng)用戶手動操作進行數(shù)據(jù)輸入的第一成像功能；采用所述電子成像傳感器在第二成像場拍攝場景的至少第二圖片的至少第二成像功能；將所述第一和所述至少第二成像功能與所述電子成像傳感器結(jié)合的光學(xué)組件；以及使得用戶可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中進行選擇操作的用戶操作成像功能選擇開關(guān)。
40.用于產(chǎn)生圖像的光學(xué)裝置，該圖像包括位于較大衍射角處的多個部分，所述光學(xué)裝置包括提供輸出光束的二極管激光光源；用于準直所述輸出光束并限定平行于準直器軸引導(dǎo)的準直光束的準直器；構(gòu)建為限定圖像的衍射光學(xué)元件，來自所述的準直器的所述準直光束射到該衍射光學(xué)元件上，并產(chǎn)生多條衍射光束，該些衍射光束限定所述圖像并相對于所述準直器軸在一定角度范圍內(nèi)引導(dǎo)；以及位于所述衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡，其將所述多條光束聚焦在遠離所述衍射光學(xué)元件的點上。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的光學(xué)裝置，其中當缺少位于所述衍射光學(xué)元件下游的所述聚焦透鏡時，所述較大衍射角使得所述圖像具有無法接受的畸變。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的光學(xué)裝置，其中所述較大衍射角為與所述準直器軸形成至少30度。
43.用于產(chǎn)生圖像的光學(xué)裝置，該圖像包括與軸形成較大衍射角的位置上的多個部分，所述光學(xué)裝置包括提供輸出光束的二極管激光光源；接收所述輸出光束并提供修正的輸出光束的光束修正元件；用于限定準直光束的準直器；以及構(gòu)建為限定圖像的衍射光學(xué)元件，來自所述準直器的所述準直光束射到該衍射光學(xué)元件上，且產(chǎn)生多條衍射光束，這些衍射光束限定所述圖像并相對于所述軸在一定角度范圍內(nèi)引導(dǎo)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的光學(xué)裝置，其中當缺少位于所述衍射光學(xué)元件下游的所述聚焦透鏡時，所述較大衍射角使所述圖像具有無法接受的畸變。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的光學(xué)裝置，其中所述較大衍射角為與所述準直器軸形成至少30度。
46.根據(jù)權(quán)利要求43至45之任一所述的光學(xué)裝置，還包括位于所述衍射光學(xué)元件下游的聚焦透鏡，其將所述多條光束聚焦在遠離所述衍射光學(xué)元件的點上。
47.光學(xué)裝置，包括提供輸出光束的二極管激光光源；以及構(gòu)建為限定圖像模板的非周期性衍射光學(xué)元件，所述輸出光束射到該非周期性衍射光學(xué)元件上，并產(chǎn)生多條衍射光束，這些衍射光束限定所述圖像模板。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的光學(xué)裝置，其中所述圖像模板使數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
49.用于投影圖像的光學(xué)裝置，包括提供照明光束的二極管激光光源；限定多個聚焦元件的小透鏡陣列，每個聚焦元件均限定輸出光束；以及包含多個衍射光學(xué)子元件的衍射光學(xué)元件，各子元件與所述多束輸出光束之一結(jié)合，并構(gòu)建為限定圖像的一部分，并且來自所述聚焦元件之一的所述輸出光束之一射到各子元件上以產(chǎn)生多條衍射光束，所述多條衍射光束在一起限定所述圖像。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的光學(xué)裝置，其中所述圖像包括模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
51.用于投影圖像的光學(xué)裝置，包括提供多束照明光束的二極管激光光源陣列；限定多個聚焦元件的小透鏡陣列，每個聚焦元件聚焦所述多束照明光束之一；以及包含多個衍射光學(xué)子元件的衍射光學(xué)元件，各子元件與所述多束輸出光束之一結(jié)合，并構(gòu)建為限定圖像的一部分，并且來自所述聚焦元件之一的所述輸出光束之一射到各子元件上以產(chǎn)生多條衍射光束，所述多條衍射光束在一起限定所述圖像。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的光學(xué)裝置，其中所述圖像包括模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
53.根據(jù)權(quán)利要求51或52所述的光學(xué)裝置，其中所述二極管激光光源陣列為垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列。
54.根據(jù)權(quán)利要求47至53之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述衍射光學(xué)元件限定所述光學(xué)裝置的輸出窗。
55.一種集成激光二極管封裝，包括發(fā)射光束的激光二極管芯片；修正所述光束的光束修正元件；聚焦所述修正光束的聚焦元件；以及從所述光束產(chǎn)生圖像的衍射光學(xué)元件。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的集成激光二極管封裝，其中所述圖像包括模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
57.一種集成激光二極管封裝，包括發(fā)射光束的激光二極管芯片；以及從所述光束產(chǎn)生圖像的非周期性衍射光學(xué)元件。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的集成激光二極管封裝，其中所述圖像包括模板以使得數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。
59.一種光學(xué)裝置，包括輸入照明光束；所述照明光束照射其上的非周期性衍射光學(xué)元件；以及平移機構(gòu)，用于改變所述輸入光束在所述衍射光學(xué)元件上照射的位置，其中所述衍射光學(xué)元件使所述輸入光束以一角度偏轉(zhuǎn)到投影面，該角度根據(jù)所述照射位置的預(yù)定函數(shù)改變。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的光學(xué)裝置，其中所述平移機構(gòu)平移所述DOE。
61.根據(jù)權(quán)利要求59或60所述的光學(xué)裝置，其中所述照射位置以正弦方式改變。
62.根據(jù)權(quán)利要求59至61之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述預(yù)定函數(shù)提供線性掃描。
63.根據(jù)權(quán)利要求59至62之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述預(yù)定函數(shù)提供產(chǎn)生具有均勻強度的圖像的掃描。
64.根據(jù)權(quán)利要求59至63之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述輸入光束是準直光束。
65.根據(jù)權(quán)利要求59至63之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述輸入光束是聚焦光束，所述裝置還包含聚焦透鏡，以將所述衍射光束聚焦到所述投影面上。
66.根據(jù)權(quán)利要求59至65之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述照射位置的所述預(yù)定函數(shù)使所述光束在二維方向偏轉(zhuǎn)。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的光學(xué)裝置，其中所述平移機構(gòu)在一維方向平移所述DOE。
68.根據(jù)權(quán)利要求66所述的光學(xué)裝置，其中所述平移機構(gòu)在二維方向平移所述DOE。
69.一種同軸二維光學(xué)掃描裝置，包括使光束在二維方向偏轉(zhuǎn)的衍射光學(xué)元件，該偏轉(zhuǎn)與所述衍射光學(xué)元件上所述光束的入射位置成函數(shù)關(guān)系；所述衍射光學(xué)元件安裝在其上的輕型支架結(jié)構(gòu)；在所述輕型支架結(jié)構(gòu)外面的第一框架，所述輕型支架通過第一支架構(gòu)件連接到所述第一框架，使得所述輕型支架結(jié)構(gòu)可以在第一方向以第一頻率振蕩；在所述第一框架外面的第二框架，所述第一框架通過第二支架構(gòu)件連接到所述第二框架，使得所述第二框架可以在第二方向以第二頻率振蕩；以及至少一個驅(qū)動機構(gòu)，用于激發(fā)所述第一頻率的振蕩和所述第二頻率的振蕩中至少一種。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的光學(xué)裝置，其中所述第一頻率高于所述第二頻率。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的光學(xué)裝置，其中所述掃描是光柵掃描。
72.根據(jù)權(quán)利要求59所述的光學(xué)裝置，還包括發(fā)射照明光束的二極管激光光源；以及將所述照明光束聚焦到所述投影面上的透鏡。
73.根據(jù)權(quán)利要求59所述的光學(xué)裝置，還包括發(fā)射照明光束的二極管激光光源；以及將所述照明光束聚焦到所述衍射光學(xué)元件上的第一透鏡；以及將所述偏轉(zhuǎn)照明光束聚焦到所述投影面上的第二透鏡。
74.根據(jù)權(quán)利要求59至73之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述裝置可以將數(shù)據(jù)輸入模板投影到所述投影面上。
75.根據(jù)權(quán)利要求59至73之任一所述的光學(xué)裝置，其中所述裝置可以將視頻圖像投影到所述投影面上。
全文摘要
通過將虛擬接口投影和探測功能與靜態(tài)或視頻成像功能結(jié)合，提供用于改進的虛擬接口投影和探測功能的光學(xué)和機械裝置及方法。該裝置包括用于將多重像場在單個電子成像傳感器上成像的光學(xué)組件。這些像場之一可以是紅外數(shù)據(jù)輸入感應(yīng)功能，并且其他可以是任一種或多種靜態(tài)拍攝，視頻成像或特寫攝影。該裝置足夠緊湊，可安裝在移動電話或個人數(shù)字助理中。提供光學(xué)—機械配置，用于從不同方向獲取不同視場。提供一種方法和裝置，用于利用衍射光學(xué)元件進行圖像模板的有效投影。提供一種方法和裝置，用于利用衍射光學(xué)元件以在一維或二維方向提供有效掃描方法。
文檔編號H04N9/04GK1886981SQ200480035419
公開日2006年12月27日 申請日期2004年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者克洛尼·利伯曼, 尤瓦爾·沙龍, 亞欽·亞爾奇 申請人:Vkb有限公司