專利名稱：三維成象系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及光學(xué)系統(tǒng)，特別是含有衍射，折射，或衍射/折射復(fù)合透鏡的三維成象系統(tǒng)。
背景人的視覺正常人的視覺可以在充滿色彩和三維(3D)的可見區(qū)域中形成空間感覺。通過對(duì)立體觀測(cè)或視覺空間感覺的了解，可以對(duì)攝影系統(tǒng)在為觀察者提供可接受的三維立體圖象或立體模型方面所需的光學(xué)要求給出一個(gè)較好的認(rèn)識(shí)。
空間感覺的刺激條件稱為信號(hào)，并被分成兩組。單目組允許用一只眼進(jìn)行立體觀測(cè)，包括物體的相對(duì)尺寸，物體間的相互干涉，線性和空中透視，光和影的分布，物體的運(yùn)動(dòng)視差以及背景和視力適應(yīng)。雙目組使用兩眼的兩種協(xié)調(diào)活動(dòng)首先進(jìn)行視覺聚焦，在此光軸依靠肌肉的活動(dòng)從遠(yuǎn)視的平行態(tài)會(huì)聚到150mm的近點(diǎn)，聚焦夾角為23°；其次產(chǎn)生立體視覺，在此，由于所取的是兩個(gè)不同的視覺觀察點(diǎn)，因此成象幾何形狀給左右眼提供完全不同的視網(wǎng)膜圖象。不同點(diǎn)是由視差造成的，即偏離光軸物點(diǎn)的相應(yīng)點(diǎn)或相似點(diǎn)由于它在雙目觀察范圍內(nèi)的位置而造成的相對(duì)位移。
視網(wǎng)膜圖象被編譯成受頻率調(diào)制的電壓脈沖沿著視覺神經(jīng)傳送，并在經(jīng)過中間級(jí)橫向生長(zhǎng)的膝狀體時(shí)以及隨后到達(dá)大腦視覺外皮時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。觀察者得到的是合成的視覺圖象。有關(guān)人的三維感覺的進(jìn)一步討論，可參見Sindney F.Ray的文章“攝影系統(tǒng)中的應(yīng)用攝影光學(xué)成象系統(tǒng)，膠片及視頻”，F(xiàn)ocal Press，pp.469-484，(1988)，該篇在此引入作為參考。
三維技術(shù)許多現(xiàn)有技術(shù)的三維成象系統(tǒng)利用視差產(chǎn)生三維效果。上面提到的在此引入作為參考的Ray的文章中，其65.5節(jié)對(duì)幾種以視差為基礎(chǔ)的技術(shù)給予了很好地描述，其中包括諸如三維電影、兩張并列偏移的圖象的立體觀察以及三維賀卡等。雖然這些僅以視差為基礎(chǔ)的系統(tǒng)提供了一定程度的三維效果，但很容易便可看出它們是不真實(shí)的。
另一種廣為人知的但過于復(fù)雜的生成三維圖象的技術(shù)是全息照相術(shù).盡管全息照相術(shù)可以生成非常逼真的三維圖象，但由于需要相干光源(如激光)和暗室或近暗室來產(chǎn)生全息圖象，因此全息照相術(shù)的應(yīng)用受到了限制。
一種用于產(chǎn)生三維圖象、被稱為積分照相術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)，將一種小透鏡陣列(被稱為蒼蠅眼透鏡或微型透鏡陣列)同時(shí)用到三維圖象的生成和復(fù)制中.積分照相術(shù)技術(shù)的有關(guān)描述可參見Lives，Herbert E.的文章，“Lippmann透鏡狀薄片的光學(xué)性能，”Journal of the Optical Society ofAmerica 21(3)171-176(1931)。
為了產(chǎn)生三維圖象而含有微型透鏡陣列的其它技術(shù)在以下文章中有所描述Yang等人1988年的文章，“關(guān)于新型三維成象系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)討論，”Applied Optics 27(21)4529-4534；Davies等人1988年的文章，“三維成象系統(tǒng)最新進(jìn)展，”Applied Optics 27(21)4520-4528；Davies等人1994年的文章，“利用微距鏡陣列的圖像傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，”O(jiān)ptical Engineering 33(11)3624-3633；Benton，Stephen A 1972年的文章，“直接無畸變的全景立體攝影機(jī)，”USPN 3,657,981；Nims等人1974年的文章“三維圖片及其創(chuàng)作方法，”USPN 3,852,787；以及Davies等人1991年的文章，“成像系統(tǒng)，”USPN 5,040,871，每篇在此引入作為參考。上面以微型透鏡陣列為基礎(chǔ)的三維光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，陣列中所有透鏡具有固定的焦距。這大大限制了該種陣列所能產(chǎn)生的三維效果的種類。
微型透鏡陣列的制造近來，小尺寸表面器件的生產(chǎn)取得了巨大進(jìn)展.使用自組合單層(SAM)的微型壓印技術(shù)降低了亞微米(＜106)尺寸器件的生產(chǎn)成本。
某些化合物，當(dāng)將其放在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中時(shí)，能自發(fā)形成一個(gè)有序的兩維結(jié)晶陣列。例如鏈烷硫趕的溶液在金上就表現(xiàn)出現(xiàn)這一性質(zhì)。微型壓印或微型接觸印刷用一種“橡膠”(有機(jī)硅橡膠)壓滾有選擇地將鏈烷硫趕沉積在位于金表面的小疇里。具有預(yù)定器件形狀和尺寸的母模用電子工藝中熟知的光刻技術(shù)制成。將一種名為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的有機(jī)硅橡膠澆注到母模上并讓它凝固，然后再輕輕移去。之后，通過在PDMS表面刷上一層合適的鏈烷硫趕溶液給產(chǎn)生的印模涂上油墨。接下來將PDMS鏈烷硫趕印模放到金表面上。鏈烷硫趕的預(yù)定圖形作為一個(gè)單層被有選擇地沉積到金表面。為了休整表面性能，各單層可能具有許多衍生出來的首基(暴露于遠(yuǎn)離金屬表面的環(huán)境中)。
在這種制法中，親水性和疏水性的交替疇可以按很小的尺寸很容易地制作在表面上.在適當(dāng)?shù)臈l件下，將這樣一種表面在水蒸氣中冷卻，它將有選擇的把小水滴凝結(jié)在親水性的表面疇中.這樣的小水滴可以作為會(huì)聚的或發(fā)散的微型透鏡?？梢灾瞥鋈魏涡螤畹耐哥R或透鏡元件。SAMs可以有選擇的被沉積到平面或曲面上，這些平面對(duì)光可以是透明的也可以是不透明的。可以使用斷裂式、相鄰式、堆疊式以及SAM表面的其它構(gòu)造形式，從而生成復(fù)雜的透鏡形狀。
采用與上面談到的SAM相似的技術(shù)，已經(jīng)用透明的聚合物制出穩(wěn)定的微型透鏡。例如，一種非聚合的單分子物體(是親水性的)溶液將有選擇地吸附到位于某一衍生SAM表面的親水性疇中。那時(shí)可能會(huì)激發(fā)聚合作用(如由加熱引起)。通過改變衍生表面疇的形狀、疇中溶液的含量以及溶液組分，可以形成光學(xué)性質(zhì)各異的不同透鏡。
含有液體光學(xué)元件和SAM的光學(xué)技術(shù)的例子參見Kumar等人1994的文章，“用作為衍射光柵的摹制凝結(jié)圖形，”Science 26360-62；Kumar等人1993年的文章，“具有微米至厘米量級(jí)的金器件可以通過用彈性印模及鏈烷硫趕“油墨”壓印最后是化學(xué)蝕刻的組合過程形成，”Appl，Phys，Lett，63(14)2002-2004；Kumar等人1994年的文章，“摹制自組合單層材料科學(xué)中的應(yīng)用，”Langmuir 10(5)1498-1511；Chaudhury等人1992年的文章，“如何使水上流，”Science 2561539-1541；Abbott等人1994的文章，“由15(二茂鐵基碳酰)十五烷硫趕形成于金上所得到的自組合單層上的水溶液的與勢(shì)能有關(guān)的潤(rùn)濕問題，”Langmuir 10(5)1493-1497；以及Gorman等人在印的文章，“利用在自組合單層上施加電勢(shì)控制調(diào)整后金表面上的液透鏡形狀，”Harvard University，Departmentof Chemistry，每篇在此引入作為參考。
微型透鏡陣列也可以用其它幾種熟知的工藝制成。一些有關(guān)制造微型透鏡或微型鏡陣列的例證性技術(shù)公開在以下文章中，每篇在此引入作為參考，這些文章包括Liau等人1994年的文章，“借助于一步蝕刻和批量傳送平滑技術(shù)的大數(shù)值孔徑微距鏡的制造問題，”Appl，Phys，Lett，64(12)1484-1486；Jay等人1994的文章，“用于折射性微距鏡制造的光刻膠預(yù)定形問題”O(jiān)ptical Engineering33(11)3552-3555；Macfarlane等人1994年的文章，“微距鏡陣列的微射流制造技術(shù)，”IEEE Photonics Technology letters 6(9)1112-1114；Stern等人1994年的文章，“相干折射微距鏡陣列的干蝕刻問題，”O(jiān)ptical Engineering 33(11)3547-3551；以及Kendall等人1994的文章，“利用KOH:H2O對(duì)用于透鏡樣板的硅進(jìn)行微切削加工的微鏡陣列，測(cè)地透鏡及其它應(yīng)用，”O(jiān)ptical engineering 33(11)3578-3588。
焦距的變化和控制利用上面談到的微型壓印技術(shù)，可以制出具有各種焦距的小透鏡。獲得各種焦距的方法有幾種，例如，(i)通過使用電位；(ii)通過機(jī)械變形；(iii)通過選擇性的沉積，如來自氣相的液體水滴的沉積(象上面引入的Kumar等人(Science，1994)描述的)；(iv)通過加熱或熔化(例如可以使結(jié)構(gòu)熔化從而改變光學(xué)性能，如某些制模相當(dāng)粗糙的微型透鏡經(jīng)熔化后會(huì)變成較為精細(xì)的光學(xué)元件)。
表面上溶液的濕度或擴(kuò)張程度可以通過改變系統(tǒng)的電學(xué)性能來控制。例如，通過在液體透鏡中放置微型電極和改變相對(duì)于表面的電位可以改變透鏡的曲率，參見上面引入的Abbott等人的文章。在其它的結(jié)構(gòu)中，疏水性微型液體透鏡被制作在表面上并被一種水溶液覆蓋，其表面電位隨著水溶液的改變而改變。這種系統(tǒng)已經(jīng)示范出體積非常小的透鏡(1nL)，此種透鏡具有快速、可逆地改變焦距的能力(參見上面引入的Gorman等人的文章)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，給出變焦距透鏡的一個(gè)草圖。變焦距透鏡50包括一個(gè)液體透鏡52和兩個(gè)SAM表面54，SAM表面54附著在液體透鏡52上。從圖3(a)到3(c)，通過改變SAM表面54間的距離，使液體透鏡52的形狀發(fā)生變化然后導(dǎo)致其光學(xué)特性的改變。還有其它幾種方法也可以改變液體透鏡52的形狀和光學(xué)特性。例如，可以改變透鏡52和表面54間的電位從而造成透鏡52的形狀變化，對(duì)此，后面根據(jù)圖4作了進(jìn)一步討論。通過使用不同的液體材料可以改變透鏡52的折射系數(shù)。通過改變液體材料和表面54的化學(xué)組分及化學(xué)性質(zhì)，可以對(duì)液體透鏡52的內(nèi)聚性和附著性進(jìn)行調(diào)整。表面54的三維特征可以發(fā)生變化。例如，當(dāng)從表面54的上部或底部觀察時(shí)，它可以是圓形、矩形、橢圓形或其它任何一種形狀，還可以被移動(dòng)使其上下顛倒。這些技術(shù)可以單獨(dú)使用也可以組合在一起使用，從而產(chǎn)生各種透鏡形狀和光學(xué)效果。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，給出一個(gè)電學(xué)調(diào)焦透鏡的草圖，此種透鏡曾在上面引入的Abbott等人的文章中公開過。把液體52的液滴放在SAM表面54上，再把SAM表面54制作在金屬表面56上，金屬表面56的優(yōu)選材料為金.通過改變微型電極58與SAM表面54間的電位，可以改變液體透鏡52的曲率(既而也就改變了它的光學(xué)特性)。圖4(a)到4(c)粗略地給出了液體透鏡52形狀的變化情況。采用上面Gorman等人文章中描述的技術(shù)，雖然不需要微型電極58，但可以得到相似的結(jié)果。
另外，此類微型透鏡可以通過機(jī)械手段進(jìn)行聚焦。例如，彈性聚合透鏡或彈性透鏡可以通過壓電裝置使其壓縮和舒張從而產(chǎn)生各種焦距。除此之外，密封在彈性罩中的液體透鏡可以用機(jī)械手段使其壓縮和舒張。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種三維光學(xué)系統(tǒng)，與現(xiàn)有的技術(shù)相對(duì)照，此系統(tǒng)包括一個(gè)變焦距微型透鏡陣列和一個(gè)好象是由某種具有相當(dāng)大景深的光學(xué)系統(tǒng)拍攝下來的圖象；那也就是說，在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，圖象中各種距離上的物體基本上是清晰的。在一個(gè)可供選擇的實(shí)施方案中，變焦距微型透鏡陣列可以同靜止的或運(yùn)動(dòng)的圖象結(jié)合在一起使用，從而使圖象的視在距離產(chǎn)生變動(dòng)。另一種實(shí)施方案采用具有變焦距元件的固定陣列來產(chǎn)生三維及其它光學(xué)效果。
附圖簡(jiǎn)述

圖1所示是根據(jù)某一優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的配有一個(gè)微型透鏡陣列的三維成象系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
圖2(a)～2(c)所示是在各種條件下指向觀察者的光通路的簡(jiǎn)圖。
圖3(a)～3(c)的簡(jiǎn)圖說明了通過使用SAM改變液體微型透鏡焦距的一種技術(shù)。
圖4(a)～4(c)的簡(jiǎn)圖說明了通過使用SAM改變液體微型透鏡焦距的另一種技術(shù)。
圖5是一個(gè)攝影機(jī)(camera)的方框圖，用此攝影機(jī)可以拍攝到某一優(yōu)選實(shí)施方案中用到的那類二維圖象。
具體描述參照附圖，可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)和功能有一個(gè)很好的了解。讀者將會(huì)注意到，同樣的參考數(shù)字出現(xiàn)在多個(gè)附圖中。在這種情況出現(xiàn)的地方，參考數(shù)字所指的是同一個(gè)或相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，利用上面談到的技術(shù)制造出來的變焦距液體微型透鏡將與靜止的或運(yùn)動(dòng)的具有較大景深的圖象一起使用，從而產(chǎn)生三維效果。
參照?qǐng)D2(a)，被人眼觀察到的圖象包括多個(gè)可連續(xù)細(xì)致觀察的極小點(diǎn)。當(dāng)光落到物點(diǎn)上時(shí)，光被散射同時(shí)物點(diǎn)以漫反射的方式向外射出一個(gè)光錐30(即對(duì)著某一立體角的光)。如果物體是觀察者20在相當(dāng)遠(yuǎn)的地方看到的，則光錐30只有一小部分被收集到；收集到的光線近乎平行(參見圖2(a)遠(yuǎn)焦點(diǎn))。隨著觀察距離的縮短，由觀察者20眼睛收集到的光線不再平行，而是以變大的發(fā)射角被收集(參見圖2(a)中間焦點(diǎn)和近焦點(diǎn))。角膜和晶狀體的組合體改變形狀使各種距離上的物體得以聚焦。有關(guān)上述這種漫反射的更完整的論述，參見例如Tipler，Paul A.編著的《科學(xué)家和工程師的物理知識(shí)》，第三版，補(bǔ)充版本，WorthPublishers，pp.982-984，在此引入作為參考。
根據(jù)某一優(yōu)選實(shí)施方案，把一個(gè)微型透鏡陣列覆蓋到一張二維照片或圖象上，圖象上所有點(diǎn)都是清晰的。在適當(dāng)?shù)墓庹障?，此系統(tǒng)能產(chǎn)生不同散射角的光錐并且可以模擬三維空間。
由于攝影鏡頭只有一個(gè)主焦點(diǎn)，因此照片中只有一個(gè)平面精確地落到焦點(diǎn)上。在此平面的前面和后面，圖象便逐漸遠(yuǎn)離焦點(diǎn)?？梢酝ㄟ^增加景深來消弱這種效果，但也只能修正到一定程度。
一般情況下，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案要與一個(gè)由某種具有較大景深的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖象一起工作。對(duì)于某些圖象，焦平面的適當(dāng)位置和景深的使用足可以獲得整個(gè)圖象的視覺清晰度。在另外一些情況下，為了獲得一幅圖象中所有點(diǎn)的可見的精確焦點(diǎn)，需要采用更先進(jìn)的技術(shù)?？梢岳酶倪M(jìn)的攝影機(jī)和/或數(shù)字成象技術(shù)，例如，應(yīng)用數(shù)字軟件“Sharpening”濾光器可以對(duì)一焦點(diǎn)區(qū)域以外的那部分圖象進(jìn)行聚焦。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，給出一個(gè)攝影機(jī)60的方框圖，用這種攝影機(jī)可以拍出優(yōu)選實(shí)施方案中所用的那種二維圖象，攝影機(jī)60包括傳統(tǒng)的電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)62，此光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)輸入透鏡64和一個(gè)輸出透鏡66。盡管透鏡64和66被作為凸透鏡來描述，那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員也會(huì)明白，透鏡64和66可以是任何所需要的構(gòu)造。電動(dòng)光系統(tǒng)62將圖象聚焦到影象記錄儀72上，圖象的聚焦還可以通過改變影象記錄儀72與輸出透鏡66之間的距離來實(shí)現(xiàn)。影象記錄儀72與輸出透鏡66之間的距離的調(diào)整可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以輔以電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)60的調(diào)整來進(jìn)行。影象記錄儀72可以是電荷耦合器件(CCD)，光電倍增管(PMT)，光電二極管，雪崩光電二極管，照相軟片，底片或其它感光材料。另外，影象記錄儀72也可以是上面任何一種光記錄器或光收集器的組合體。
電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)62的焦點(diǎn)由控制器68來控制，控制器68通過控制線70與電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)62相連。控制器68可以是微處理器，微控制器，也可以是其它任何一種能產(chǎn)生數(shù)字或模擬信號(hào)并用該信號(hào)控制電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)62焦點(diǎn)的元件。
如果影象記錄儀72是數(shù)字元件，則由它拍攝的圖象需存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器74中。如果影象記錄儀72是照相或光敏材料，就無需再用存儲(chǔ)器74了。
存儲(chǔ)器74可以是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器或其它任何一種用于存儲(chǔ)數(shù)字信息的存儲(chǔ)器。影象記錄儀72通過數(shù)據(jù)線76與存儲(chǔ)器74相連?？刂破?8也可以通過控制線78和80對(duì)存儲(chǔ)器74和影象記錄儀72進(jìn)行控制。
通過攝影機(jī)60的工作，可以形成一片清晰的區(qū)域，在此區(qū)域中形成的圖象其各點(diǎn)全部清晰可見。舉例來說，同一景物的一系列數(shù)字圖象被影象記錄儀72拍攝，每一個(gè)數(shù)字圖象都在不同距離上聚焦。那也就是說，控制器68使電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64在某一焦距范圍內(nèi)(例如從5米到無窮遠(yuǎn))來回運(yùn)動(dòng)，影象記錄儀72對(duì)不同焦點(diǎn)上得到的景物圖象進(jìn)行拍攝，然后由存儲(chǔ)器74將拍攝的圖象存儲(chǔ)下來。電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64的焦點(diǎn)可以作連續(xù)調(diào)整，也可以有一定的跨距。具體情況依條件和所拍攝的圖象而定。
還可以進(jìn)一步依據(jù)條件和所需的圖象來拍攝一張到上百?gòu)垐D象。如果圖象完全在水平視線距離，只需要一個(gè)遠(yuǎn)焦點(diǎn)就可以了。因此，總的快門速度可以非常短。
攝影機(jī)60可以是靜物攝影機(jī)，也可以是視頻攝象機(jī)?？梢杂每刂破?8使電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64在任何焦點(diǎn)范圍內(nèi)作連貫運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)因景物及光線種類的不同而需要的理想焦距的變動(dòng)。如果攝影機(jī)用作視頻攝象機(jī)，由于每秒鐘必須拍攝幾幀(每幀都包括幾個(gè)在不同焦點(diǎn)上拍攝的圖象)，因此，必須使電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64以非常快的速度工作。為了節(jié)省時(shí)間，可以給控制器68編一個(gè)程序，讓它驅(qū)動(dòng)電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64從所需的最近焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到所需的最遠(yuǎn)焦點(diǎn)，從而拍攝一幀需要的圖象，然后再讓它驅(qū)動(dòng)電動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)64從所需的最遠(yuǎn)焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到所需的最近焦點(diǎn)，從而拍攝產(chǎn)生下一幀需要的圖象。對(duì)所有后續(xù)鏡頭可以重復(fù)這一過程。
對(duì)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器74中的每一個(gè)數(shù)字圖象中的相同景物片斷(例如5×5像素陣列)可以進(jìn)行抽樣對(duì)比。(對(duì)比度最高對(duì)應(yīng)著最清晰的焦點(diǎn))。然后可以把每一個(gè)5×5高對(duì)比度的片斷剪輯成一個(gè)整個(gè)畫面都基本清晰的圖象。這項(xiàng)工作可以由更先進(jìn)的軟件算法來完成，該軟件算法會(huì)辨認(rèn)“連續(xù)的形狀”或物體，從而可以簡(jiǎn)化處理過程，使其更快地完成。這項(xiàng)處理工作可以用數(shù)字形式(或者來自于數(shù)字化的模擬正本或者來自數(shù)字式正本)輕而易舉地完成，但也可以用模擬形式(切除和粘貼)完成。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明。物體15A-15C代表被觀察者20看到的位于空間的幾個(gè)實(shí)物的位置。物體15A-15C與觀察者20的距離分別為22A-22C。物體15A-15C也向觀察者反射光錐16A-16C。如前所述，當(dāng)光錐16到達(dá)觀察者20時(shí)，其發(fā)散程度隨著物體15與觀察者20間距離的變化而變化。為了再造物體15A-15C的三維圖象，將圖象10(其在整個(gè)區(qū)域最好都可以看清)與微型透鏡14的陣列12對(duì)正。對(duì)于并非每個(gè)點(diǎn)都十分清晰的圖象10，此優(yōu)選方案也可以對(duì)其進(jìn)行處理。
陣列12可以是一個(gè)基本上平展的二維陣列，也可以是一個(gè)具有預(yù)定曲率和形狀的陣列，這依賴于圖象10的曲率和形狀。與圖象10上每一個(gè)象點(diǎn)(或象素)對(duì)應(yīng)的每個(gè)微型透鏡14的特性需根據(jù)攝影機(jī)鏡頭的焦距來選定，因?yàn)樵摻咕嘣箞D象上的象點(diǎn)(或象素)清晰。微型透鏡14的焦距應(yīng)該這樣來選定，它可以使光錐18A-18C與光錐16A-16C一模一樣(根據(jù)預(yù)期的或已知的到微型透鏡的觀察距離，或根據(jù)相對(duì)尺度或經(jīng)驗(yàn)尺度來變動(dòng)所觀察的圖象)。在這方面，觀察者20A將看到與觀察者20所見到一樣的三維圖象。
由于圖象10本身可以作為一個(gè)清晰的二維圖象來觀察，因此可以使圖象10的表象在二維和三維之間變化或交替出現(xiàn)。如果需要二維觀察，可以把陣列12中的透鏡14移開，也可以對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整使其對(duì)光不起控制作用。如果需要三維觀察，可以將陣列12中的透鏡14作如前所述的調(diào)整。
可以用相似的方法來產(chǎn)生三維運(yùn)動(dòng)畫面/影像。正如那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，運(yùn)動(dòng)影像是通過以連續(xù)的方式快速顯示圖象獲得的。因此必須產(chǎn)生連續(xù)的整幅清晰(或達(dá)到要求程度)的圖象。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，采用了一種可以在遠(yuǎn)近焦點(diǎn)間快速、連續(xù)循環(huán)的攝影機(jī)。每一個(gè)整幅清晰的圖象都用前面提到的技術(shù)來產(chǎn)生(應(yīng)用景深、取景知識(shí)、綜合技術(shù)等)。另外，根據(jù)環(huán)境條件、預(yù)先輸入的特選和/或過去的(緊接上一個(gè)或整個(gè)過去的記錄)適當(dāng)設(shè)定，可以把智能軟件與靜物攝影機(jī)或攝影機(jī)結(jié)合在一起使用，從而選定景深及一個(gè)聚焦循環(huán)內(nèi)聚焦階數(shù)的最優(yōu)值。為了使整個(gè)景物中的圖象都清晰可見或達(dá)到所需要的程度，可以使用輔助軟件或硬件。例如，景物的邊緣可以有選擇地置于焦點(diǎn)之外。
盡管人眼總的觀察范圍很大，但大腦也只對(duì)主要的部分進(jìn)行聚焦，而邊緣部分則經(jīng)?；旧媳恢糜诮裹c(diǎn)之外。在理想情況下，微型透鏡陣列后面的圖象整幅畫面都十分清晰，以至當(dāng)觀察者觀察畫面的不同部分時(shí)，每一部分都會(huì)隨著觀察者適當(dāng)?shù)鼐劢苟M(jìn)入焦點(diǎn)。但也有的情況并不要求圖象整幅畫面都十分清晰，如在視頻序列中，有時(shí)觀察者只注意畫面中的某個(gè)特定區(qū)域。
一旦拍攝到所需的視頻圖象，就可以按上面根據(jù)圖1討論的那樣，將它們放到由變焦距透鏡14構(gòu)成的陣列12的后面，得到三維顯示。在視頻序列的每幀畫面中，對(duì)于畫面中的每一個(gè)象點(diǎn)(或象素)，都有一個(gè)相應(yīng)的焦點(diǎn)設(shè)置恰與該象素對(duì)正的透鏡14。隨著每幅畫面被順序地顯示，各象素都要將其焦點(diǎn)修正到為那幅畫面的象素設(shè)置的適合的、預(yù)定的焦點(diǎn)上。
由于每個(gè)象點(diǎn)或象素都附帶一個(gè)與之有關(guān)的透鏡或復(fù)合透鏡，因此從每個(gè)象素射出的光線都可以在控制下以一個(gè)與該象素所需三維深度相對(duì)應(yīng)的預(yù)定夾角到達(dá)眼睛。可以有多種透鏡設(shè)計(jì)以適應(yīng)各種給定情況下所需的效果。
再參照?qǐng)D2，本發(fā)明的實(shí)施中對(duì)眼到象素的距離給予了重點(diǎn)考慮。象護(hù)目鏡這樣的近屏幕(見圖2(b))與較遠(yuǎn)距離的屏幕(見圖2(c))相比，需要不同的透鏡設(shè)計(jì)。如圖2(b)(中間焦點(diǎn)和遠(yuǎn)焦點(diǎn))所描述的那樣，在有些情況中，可以將組合元件(如正透鏡和反透鏡)作相對(duì)移動(dòng)以產(chǎn)生所需的光學(xué)效果。因此，在某一實(shí)施中，可以讓多個(gè)透鏡陣列作相對(duì)移動(dòng)以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓廨敵鰧?duì)于光學(xué)元件組合性能的更完整的描述，參見如Ray的文章(引入于上)PP43-49，也在此引入作為參考。
討論一下漫反射點(diǎn)與某一透鏡焦點(diǎn)的相似行為。如果焦點(diǎn)與漫反射點(diǎn)離開眼睛的距離相等，那么到達(dá)眼睛的夾角將一樣。由于眼睛的瞳孔相當(dāng)小，大約5毫米左右，漫反射過來的光錐中只有一小部分能被眼睛觀察到，因此就不必“再造”那些眼睛觀察不到的光線了。
以上描述的技術(shù)可以用于類似電視機(jī)顯示屏，影像，攝影機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示器，也可以用于類似柜臺(tái)頂部或櫥窗陣列的廣告展示，還可以用于廣告牌，衣物，室內(nèi)裝璜，時(shí)裝手表，個(gè)人飾物，外觀，包裝，以及娛樂產(chǎn)品，公共娛樂乘車，游戲，虛擬真實(shí)，書籍，雜志，賀卡和其它印刷材料，美術(shù)，雕刻等，還可能用于類似照相或家庭應(yīng)用所需的使光更強(qiáng)烈更散射的照明效果，以及其它需要三維或各種光學(xué)效果的地方。
計(jì)算機(jī)顯示器一般被放在離使用者很近的地方，使用者的眼睛持續(xù)地固定在一個(gè)距離上會(huì)對(duì)眼肌造成疲勞。為了防止眼睛的疲勞和長(zhǎng)期的有害效果，建議使用者應(yīng)定期看一看遠(yuǎn)處的物體。通過使用本發(fā)明，可以調(diào)整一個(gè)透鏡陣列從而使使用者可以在遠(yuǎn)近不同的地方聚焦以觀察顯示器。這種視在觀察距離內(nèi)的變化可以是使用者手動(dòng)控制的，也可以服從一個(gè)預(yù)定的算法(如緩慢地不可覺察地在一個(gè)范圍內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)以防止疲勞)。這種算法也可以應(yīng)用于治療目的。調(diào)整觀察距離可以達(dá)到對(duì)某些肌肉組織的治療效益。這種技術(shù)也可以用在看書以及其它近區(qū)域較多的工作上。
根據(jù)本發(fā)明，靜態(tài)三維圖象的一個(gè)用途是，它能被用在美術(shù)和采光上。而且除了可以和變焦距陣列一起使用外，靜態(tài)圖象也可以和固定焦距陣列一起使用。將透鏡的焦距和靜態(tài)圖象一起調(diào)整可以獲得獨(dú)特的效果。通過使靜態(tài)圖象的焦點(diǎn)作波浪式起伏，可以獲得離奇的藝術(shù)或惹眼的顯示或廣告。特別地，通過有選擇地調(diào)整感興趣的視在觀察區(qū)域同時(shí)使圖象的其它部分處于穩(wěn)態(tài)——反之亦然，可以用此項(xiàng)技術(shù)引導(dǎo)觀察著的注意力使其集中在某一圖象的特殊部分，或者也可以應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)來改變某區(qū)域的焦點(diǎn)和其視在尺寸。例如，如果一個(gè)物體的尺寸(用觀察者可見區(qū)域的百分?jǐn)?shù)表示)保持不變，觀察者的眼睛從近焦點(diǎn)變換到遠(yuǎn)焦點(diǎn)，則觀察者對(duì)物體大小的感覺就會(huì)改變(即觀察者將會(huì)認(rèn)為他看到的物體要大些)。同樣，如果一個(gè)物體的尺寸(用觀察者可見區(qū)域的百分?jǐn)?shù)表示)保持不變，而觀察者的眼睛從遠(yuǎn)焦點(diǎn)變換到近焦點(diǎn)，則觀察者會(huì)認(rèn)為他看到的物體要小些.這種效果還需輔以參照“圖象”——尺寸已知的物體圖象。因此，舉例來說，為了抓住觀察者的注意力，這種屏幕可以有選擇地改變視在尺寸。
曲面或全包圍式視野具有一定的優(yōu)越性，因?yàn)樗鼈兿酥車幌喔尚畔⒑蛨D象的干擾。有兩種技術(shù)可以為觀察者提供完全包圍式的屏幕視野。第一種是應(yīng)用相當(dāng)大的和/或曲面觀察屏幕。這種屏幕大多在集體觀察時(shí)使用(如索尼IMAX劇場(chǎng)或天文館中放映天象的裝置)。第二種技術(shù)是使用個(gè)人觀察的護(hù)目鏡或眼鏡。在這種技術(shù)中，相當(dāng)小的屏幕被放在離眼很近的地方。使用微型透鏡的好處在于，即使在相當(dāng)近的距離，一般人也很難區(qū)別小于100微米的細(xì)節(jié)——因此，如果陣列中的微型透鏡做得足夠小(但也要足夠大，以使不需要的衍射效果無法占優(yōu)勢(shì))，屏幕實(shí)際上便可以沒有象素效果而一直保持連續(xù)狀態(tài)。由于屏幕非常小，使獲取曲面全包圍式視野的成本得以降低。除此之外，如果屏幕沒有填滿整個(gè)觀察角度，可以在屏幕周圍使用暗區(qū)以消除干擾。另一方面，某些應(yīng)用中較好地結(jié)合了外界可見圖象。例如，半透明的顯示器可以將環(huán)境中的圖象與被顯示的圖象重疊在一起(這可以用在類似平視顯示器的其它實(shí)施方案中)。這種顯示器可以用在軍事及民用方面。特別地，也可以將信息展示給行駛的交通工具上的操作人員。在使用護(hù)目鏡時(shí)，這種顯示用單眼和雙眼全能看到。
如果計(jì)算機(jī)顯示在曲面護(hù)目鏡中產(chǎn)生，有效屏幕就會(huì)被放大到最大限度。隨著計(jì)算機(jī)使用的總信息/數(shù)據(jù)和其運(yùn)行速度的同時(shí)增加，計(jì)算機(jī)監(jiān)視器的尺寸正趨向擴(kuò)大化。曲面護(hù)目鏡計(jì)算機(jī)顯示器可以允許使用者將整個(gè)可見范圍作為他的工作臺(tái)。這樣除了具有上述的減少疲勞的特點(diǎn)外，還可以與三維效果結(jié)合在一起。
另外，護(hù)目鏡可以為每只眼睛配上一個(gè)屏幕。這種護(hù)目鏡需要適當(dāng)?shù)囊暡钚Ｕ?，以使兩個(gè)圖象重合成一個(gè)可以被觀察者看到的單一圖象。使用兩個(gè)屏幕的一個(gè)好處在于，獨(dú)立的屏幕可以放在距離相應(yīng)眼睛很近的地方。不同視差的圖象可以從各種調(diào)整后的攝影機(jī)系統(tǒng)中獲得(參見Ray的文章第65.5節(jié)中的圖65.10(引于上文))。另一方面，也可以用軟件算法從具有校正視差的單一視野中產(chǎn)生第二組圖象。兩屏幕的護(hù)目鏡也可以在沒有視差校正的圖象時(shí)使用——那也就是說，要給兩眼顯示相同的配景。這樣做可能會(huì)導(dǎo)致某些自然三維效果的丟失，但支持三維效果的因素有許多，視差只是其中的一個(gè)。
再參照?qǐng)D1，透鏡陣列12后面的顯示10可以是一個(gè)模擬的或數(shù)字的，它可以是噴上去的，畫上去的或印刷上去的等等。它可以是照片或幻燈片，可以是彩色的或黑白的，可以是正的或反的，可以是按原版的任何角度或合適的取向顛倒的或傾斜的——它可以發(fā)射或反射許多不同波長(zhǎng)的可見光或不可見光。它可以是石版印刷物，可以是連續(xù)的電影畫面，還可以是一個(gè)二維或三維的XY平面。它可以是陰極射線管，液晶顯示器，等離子體顯示器，電化學(xué)顯示器，電致化學(xué)發(fā)光顯示器或其它本領(lǐng)域熟知的顯示裝置。
陣列12中的透鏡14可以根據(jù)以下各項(xiàng)而有所不同尺寸；優(yōu)選范圍從1cm到1μm。
形狀；優(yōu)選形狀為圓形，圓柱形，凸形，凹形，球形，非球形，橢球形，直線形，復(fù)合形(如菲涅耳透鏡)，或任何其它本領(lǐng)域已知的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
作用；透鏡可以基本上是折射的，或基本上是衍射的，或是一種衍射——折射混合設(shè)計(jì)，例如Missig等人1995年在文章“目鏡設(shè)計(jì)用衍射光學(xué)，”Applied Optics 34(14)2452-2461中公開的設(shè)計(jì)，在此引入作為參考。
陣列透鏡的數(shù)目；陣列的范圍包括從2×2陣列一直到實(shí)際上無限的陣列，因此透鏡陣列12可能呈一大片的狀態(tài)。
用于每個(gè)“象素”的透鏡元件個(gè)數(shù)；如本領(lǐng)域所知的，復(fù)合透鏡有助于修正光學(xué)象差和/或產(chǎn)生不同的光學(xué)效果。例如，可以對(duì)球面象差或色彩象差進(jìn)行修正，并且可以將變焦距(ZOOm)透鏡光學(xué)系統(tǒng)引入到陣列中。而且，可以在顯示物前方放一個(gè)固定焦距陣列，然后將可變焦距陣列放在第一個(gè)陣列的上面?；蛘咴诓煌膽?yīng)用中可能將不同的光學(xué)元件設(shè)計(jì)引入到陣列中。
透鏡的顏色；可以是有色的或無色的，對(duì)各種可見光波長(zhǎng)或不可見光波長(zhǎng)可以是透明的。例如，可以使用由紅色、綠色及藍(lán)色透鏡組成的多層陣列。另一方面，有色顯示象素可以與無色透鏡一起使用。
透鏡的組成；如上所述，透鏡可以由狀態(tài)不同的各種材料組成。透鏡可以是溶液、膠體、彈性體、聚合物、固體、結(jié)晶體、懸浮物等。
透鏡的壓縮、舒張和變形；可以用電的和/或機(jī)械的(如壓電)手段使透鏡變形。利用變形可以控制有效焦距和/或改變透鏡或透鏡系統(tǒng)的其它光學(xué)性能(如象差或校準(zhǔn)——校準(zhǔn)可以是透鏡與透鏡之間的和/或透鏡與顯示器之間的)。
最后，可以把陣列組合或?qū)盈B起來以改變或增加不同的光學(xué)性能。陣列可以是彎曲的或平直的。
優(yōu)選實(shí)施方案中可以包括許多其它各種各樣的元件，例如，可以在陣列和顯示器之間以及陣列的前面使用濾光片。這種濾光片可以是球形的，覆蓋全部或大多數(shù)象素，或者只對(duì)準(zhǔn)一個(gè)象素或一組選定的象素。特別指出的是中灰濾光片(如一個(gè)液晶顯示器陣列)。其它濾光片包括濾色片，梯度濾光片，偏光鏡(圓形或直線形)以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它濾光片。
再者，本發(fā)明中不同元件的表面可能被涂上各種涂層，如反眩涂層(經(jīng)常是多層)。其它涂層具有耐擦傷性或機(jī)械穩(wěn)定性并且有避免外界因素影響的保護(hù)作用。
可以用遮光結(jié)構(gòu)或材料來阻止不需要的雜散光或反射。例如，常希望將每個(gè)象素與其鄰近的象素進(jìn)行光隔離。在一個(gè)實(shí)施例中，可以用SAM形成微型遮光板。舉例來說，占據(jù)親水性區(qū)域的微型透鏡可能被疏水性區(qū)域包圍，其表面將有選擇地被吸光材料占據(jù)。另一方面，可以用微型電機(jī)切割的遮光板結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的組成元件可以便于具有各種光學(xué)性能。在某些應(yīng)用中，需要大體上透明的元件和支撐材料，例如用于平視顯示器。在其它情況下，希望具有鏡面化的表面——如作為底板從而最大限度地使用反射光以及在鍍膜光學(xué)元件中的應(yīng)用。其它部件包括半透明鏡/分束器，光柵，菲涅耳透鏡以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它部件。
快門和/或光圈可以放在系統(tǒng)中的各種位置，且可以是球形或特定形狀(如同上面的濾光片)。例如，如果作為顯示用的是電影攝象機(jī)的電影膠片上的景物，就會(huì)用到快門。光圈用于改變光的強(qiáng)度和景深。
整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可以從幾微米到幾百米(或更多)之間變化。系統(tǒng)可以是彎曲的或平展的。它可以是成套儀器，可以是固定裝置或手提式。為了便于運(yùn)輸，屏幕可以被折疊或卷起。屏幕可以具有一個(gè)保護(hù)罩，也可以使其一體化成為復(fù)雜單元(如膝上型計(jì)算機(jī))。此系統(tǒng)可以用于模擬器或虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。通過將陣列中有效焦點(diǎn)與環(huán)境中的一個(gè)焦平面發(fā)生聯(lián)系，可以將此系統(tǒng)用作測(cè)遠(yuǎn)儀。此系統(tǒng)可以用在先進(jìn)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)中。例如，由于微型透鏡比大的機(jī)械攝影機(jī)鏡頭聚焦快得多，此系統(tǒng)可以用來快速尋找最佳焦點(diǎn)，然后透鏡被設(shè)置到準(zhǔn)確的焦點(diǎn)。此系統(tǒng)可以用于某一顯示的定向觀察——例如，依靠使用長(zhǎng)的有效焦距。此系統(tǒng)還可以隨意使用。
本發(fā)明中重點(diǎn)考慮了光線的類型和方向。光線可以來自前方(被反射的)，也可以來自后方(背景照明)和/或來自各種不同的中間角度。可以是一個(gè)光源或多個(gè)光源。在某些情況下，為了更精確地呈現(xiàn)一幅畫面，希望同時(shí)使用反射光和背景照明。例如，當(dāng)室內(nèi)的人向窗外看時(shí)，他會(huì)從窗戶中看到很強(qiáng)的背景照明和帶有屋內(nèi)方位陰影的柔和的反射光。與背景照明相結(jié)合，反射光和高密度/中灰濾光片將會(huì)產(chǎn)生更逼真的圖象。定向的反射光可以聚焦在單獨(dú)一個(gè)象素上或特定區(qū)域上，也可以是整個(gè)圖象(如帶有背景照明時(shí)的情況)。光可以是濾過的、偏振化的、相干的或非相干的。例如，太陽(yáng)光的色彩溫度一整天內(nèi)都在變化。太陽(yáng)光修正后得到的光源可以在濾光之后呈現(xiàn)淡紅色的落日?qǐng)D象等?？梢园压夥旁诟鞣N位置上(與上面提到的濾光片一樣)，并且它可以來自本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種光源，其中包括白熾光，鹵素，熒光，水銀燈，閃光管，激光器，自然光，輝光材料，磷光材料，化學(xué)發(fā)光材料，電化學(xué)發(fā)光材料等等。另一種實(shí)施方案是帶有照明透鏡的那一種。恰當(dāng)摻有發(fā)光材料的液體透鏡或透鏡可能會(huì)很有用處，尤其是在易處理的系統(tǒng)中。例如，設(shè)想一個(gè)安置在電極上的液相透鏡。這類透鏡(如果它含有一個(gè)電控陰極射線ECL端頭)可以使其發(fā)光。
本發(fā)明已根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了描述。但本發(fā)明并非僅限于所描繪或描述的實(shí)施方案。說得更確切些，本發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求部分來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于生成景物的三維圖像的方法，所述方法包括(a)提供景物的一個(gè)或者多個(gè)圖像，其中每一個(gè)圖像被聚焦在一個(gè)或者多個(gè)距離處；(b)從所述最佳聚焦的圖像中選擇景物的子集；(c)識(shí)別每一所選擇的子集的焦距；(d)通過組合每一個(gè)所選擇的子集，產(chǎn)生二維圖像；(e)將一個(gè)或者多個(gè)透鏡和所述二維圖像的所選擇的子集對(duì)正，其中所述一個(gè)或者多個(gè)透鏡具有根據(jù)所選擇的子集的識(shí)別焦距確定的焦距；和(f)使光通過所述透鏡以產(chǎn)生三維圖像。
2.權(quán)利要求1的方法，其中數(shù)字提供所述一個(gè)或者多個(gè)圖像。
3.權(quán)利要求1的方法，其中使用光敏感裝置提供一個(gè)或者多個(gè)圖像。
4.權(quán)利要求1的方法，其中使用從由電荷耦合裝置、光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、照相軟片和照相底片構(gòu)成的組中選擇的光敏感裝置來提供一個(gè)或者多個(gè)圖像。
5.權(quán)利要求2的方法，其中數(shù)字地組合子集。
6.權(quán)利要求3的方法，其中數(shù)字地組合子集。
7.一種用于生成景物的三維圖像的方法，所述方法包括(a)提供在所述景物內(nèi)的不同距離處聚焦的多個(gè)景物圖像；(b)將每一個(gè)所述圖像細(xì)分成所述景物的不同區(qū)；(c)從所述圖像中選擇所述景物的每一個(gè)區(qū)的最佳聚焦的顯示；(d)為景物的每一個(gè)區(qū)編輯最佳聚距的信息；(e)通過將每一個(gè)所述區(qū)的最佳聚焦顯示編輯成一幅圖像，產(chǎn)生所述景物的二維圖像；(f)將一個(gè)或者多個(gè)透鏡和在具有通過所述信息確定的焦距的所述二維圖像中的每一個(gè)所述區(qū)對(duì)正，產(chǎn)生所述景物的三維顯示。
8.權(quán)利要求7的方法，其中數(shù)字地提供所述多個(gè)圖像。
9.權(quán)利要求7的方法，其中使用光敏感裝置提供多個(gè)圖像。
10.權(quán)利要求7的方法，其中使用從由電荷耦合裝置、光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、照相軟片和照相底片構(gòu)成的組中選擇的光敏感裝置來提供多個(gè)圖像。
11.權(quán)利要求8的方法，其中數(shù)字地編輯最佳聚焦的顯示。
12.權(quán)利要求9的方法，其中數(shù)字地編輯最佳聚焦的顯示。
13.一種記錄和投影景物的三維圖像的方法，包括(a)將焦距可調(diào)透鏡調(diào)準(zhǔn)所述景物內(nèi)的多個(gè)圖像區(qū)的每一個(gè)；(b)在多個(gè)不同焦距上捕獲每一個(gè)所述區(qū)的多個(gè)圖像；(c)保存表示每一個(gè)所述區(qū)的所述多個(gè)圖像的每一個(gè)圖像和所述焦距的信息；(d)從保存的圖像中選擇具有每一個(gè)所述區(qū)的焦點(diǎn)的期望度的保存圖像；和(e)通過透鏡投影來自所選擇的圖像中的焦點(diǎn)的期望度的區(qū)和所述區(qū)對(duì)正，所述透鏡焦距被選擇以所述期望的距離投影所述區(qū)的圖像。
14.權(quán)利要求13的方法，其中數(shù)字地捕獲所述多個(gè)圖像。
15.權(quán)利要求13的方法，其中使用光敏感裝置捕獲所述多個(gè)圖像。
16.權(quán)利要求13的方法，其中使用從由電荷耦合裝置、光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、照相軟片和照相底片構(gòu)成的組中選擇的光敏感裝置來捕獲所述多個(gè)圖像。
17.權(quán)利要求13的方法，其中數(shù)字地保存信息。
18.權(quán)利要求14的方法，其中數(shù)字地保存信息。
19.一種記錄和投影景物的三維圖像的方法，包括(a)將焦距可調(diào)透鏡對(duì)準(zhǔn)所述景物內(nèi)的多個(gè)圖像區(qū)的每一個(gè)；(b)在多個(gè)不同焦距上捕獲每一個(gè)所述區(qū)的多個(gè)圖像；(c)保存表示每一個(gè)所述區(qū)的所述多個(gè)圖像的每一個(gè)圖像和所述焦距的信息；(d)從保存的圖像中選擇具有每一個(gè)所述區(qū)的焦點(diǎn)的期望度的保存圖像；和(e)通過多個(gè)透鏡投影來自所多個(gè)選擇的圖像中的焦點(diǎn)的期望度的多個(gè)區(qū)和所述多個(gè)區(qū)對(duì)正，所述多個(gè)透鏡焦距被選擇為以所述期望的距離投影所述多個(gè)區(qū)的圖像。
20.權(quán)利要求19的方法，其中數(shù)字地捕獲所述多個(gè)圖像。
21.權(quán)利要求19的方法，其中使用光敏感裝置捕獲所述多個(gè)圖像。
22.權(quán)利要求19的方法，其中使用從由電荷耦合裝置、光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、照相軟片和照相底片構(gòu)成的組中選擇的光敏感裝置來捕獲所述多個(gè)圖像。
23.權(quán)利要求19的方法，其中數(shù)字地保存信息。
24.權(quán)利要求20的方法，其中數(shù)字地保存信息。
25.一種記錄和投影景物的三維圖像的方法，包括(a)將焦距可調(diào)透鏡對(duì)準(zhǔn)所述景物內(nèi)的多個(gè)區(qū)的每一個(gè)；(b)在多個(gè)不同焦距上捕獲每一個(gè)所述區(qū)的多個(gè)圖像；(c)保存表示每一個(gè)所述區(qū)的所述多個(gè)圖像的每一個(gè)圖像和所述焦距的信息；(d)從保存的圖像中選擇具有每一個(gè)所述區(qū)的焦點(diǎn)的期望度的保存圖像；(e)從所選擇的保存圖像中產(chǎn)生抽象圖像以便產(chǎn)生所述三維圖像，所選擇的保存圖像具有每一個(gè)所述區(qū)的焦點(diǎn)的期望度；和(f)通過多個(gè)透鏡投影來自所述抽象圖像的多個(gè)所述區(qū)和所述區(qū)對(duì)正，所述透鏡焦距被選擇為以所述期望的距離投影所述區(qū)的圖像。
26.權(quán)利要求25的方法，其中數(shù)字地捕獲所述多個(gè)圖像。
27.權(quán)利要求25的方法，其中使用光敏感裝置捕獲所述多個(gè)圖像。
28.權(quán)利要求25的方法，其中使用從由電荷耦合裝置、光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、照相軟片和照相底片構(gòu)成的組中選擇的光敏感裝置來捕獲所述多個(gè)圖像。
29.權(quán)利要求25的方法，其中數(shù)字地保存信息。
30.權(quán)利要求25的方法，其中數(shù)字地產(chǎn)生抽象圖像。
31.權(quán)利要求26的方法，其中數(shù)字地保存信息。
32.權(quán)利要求26的方法，其中數(shù)字地產(chǎn)生抽象圖像。
33.一種從具有多個(gè)像點(diǎn)的二維圖像中產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟使光從所述二維圖像通過微型透鏡陣列，由此達(dá)到觀察者，光從每一個(gè)所述像點(diǎn)通過與該像點(diǎn)對(duì)正的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡，由此控制距離所述觀察者的所述像點(diǎn)的視在距離，由此從所述二維圖像中產(chǎn)生所述三維圖像用于所述觀察者的感知，其中所述陣列包括具有焦距可調(diào)的至少一個(gè)微型透鏡。
34.一種從具有多個(gè)像點(diǎn)的二維圖像中產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟(a)光從所述二維圖像通過微型透鏡陣列，由此達(dá)到觀察者，光從每一個(gè)所述像點(diǎn)通過與該像點(diǎn)對(duì)正的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡，其中所述陣列包括具有焦距可調(diào)的至少一個(gè)微型透鏡，(b)改變(i)所述二維圖像到所述陣列的距離，和/或(ii)所述陣列到所述觀察者的距離，和/或(iii)每一個(gè)所述微型透鏡的焦距，由此控制所述像點(diǎn)到所述觀察者的視在距離，從所述二維圖像中產(chǎn)生所述三維圖像用于所述觀察者的感知。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述三維圖像對(duì)于所述觀察者是連續(xù)顯示。
36.一種從具有多個(gè)像點(diǎn)的二維圖像中產(chǎn)生三維圖像的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)微型透鏡陣列，多個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距；和(b)用于保持所述陣列中的至少一個(gè)微型透鏡和所述二維圖像的一個(gè)或者多個(gè)像點(diǎn)對(duì)正的裝置；其中所述微型透鏡的陣列從所述二維圖像中產(chǎn)生所述三維圖像。
37.一種從具有多個(gè)像點(diǎn)的二維圖像中產(chǎn)生三維圖像的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)微型透鏡陣列，多個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距；和(b)用于保持所述陣列中的至少一個(gè)微型透鏡和所述二維圖像的一個(gè)或者多個(gè)像點(diǎn)對(duì)正的裝置；和(c)用于改變所述陣列和所述二維圖像之間的距離的裝置；其中所述微型透鏡的陣列從所述二維圖像中產(chǎn)生所述三維圖像。
38.一種從具有多個(gè)像點(diǎn)的二維圖像中產(chǎn)生三維圖像的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a)微型透鏡陣列，多個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距；和(b)用于保持所述陣列中的至少一個(gè)微型透鏡和所述二維圖像的一個(gè)或者多個(gè)像點(diǎn)對(duì)正的裝置；和(c)用于改變所述陣列和所述二維圖像之間的距離的裝置；和(d)用于改變所述陣列和所述三維圖像的觀察者之間的距離的裝置；其中所述微型透鏡陣列從所述二維圖像中產(chǎn)生所述三維圖像。
39.一種用于改變具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維物體的視在距離的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其每一個(gè)微型透鏡都具有可調(diào)焦距，其中至少一個(gè)微型透鏡和一個(gè)或者多個(gè)像點(diǎn)或像素對(duì)正，其中每一個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以改變所述像點(diǎn)或者像素的視在距離。
40.一種用于改變具有多個(gè)像素的計(jì)算機(jī)屏幕的觀察者的視在距離的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其每一個(gè)微型透鏡都具有可調(diào)焦距，其中每一個(gè)像素和陣列中的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡對(duì)正，其中每一個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以改變?cè)撚?jì)算機(jī)屏幕的視在距離。
41.一種減少計(jì)算機(jī)操作員觀看具有多個(gè)像素的計(jì)算機(jī)屏幕的眼睛疲勞的方法，包括步驟使用包括微型透鏡陣列的光學(xué)系統(tǒng)，該每一個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距，其中該陣列中的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡和多個(gè)像素對(duì)正；和周期性改變陣列中的所有微型透鏡的焦距，由此計(jì)算機(jī)屏幕對(duì)計(jì)算機(jī)操作員的顯示變得更近或者更遠(yuǎn)。
42.一種減少計(jì)算機(jī)操作員觀看具有多個(gè)像素的計(jì)算機(jī)屏幕的眼睛疲勞的方法，包括步驟使用包括微型透鏡陣列的光學(xué)系統(tǒng)，該每一個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距，其中該陣列中的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡和多個(gè)像素對(duì)正；和周期性改變陣列中的微型透鏡子集的焦距，由此計(jì)算機(jī)屏幕的一部分對(duì)計(jì)算機(jī)操作員的顯示變得更近或者更遠(yuǎn)。
43.一種用于改變具有多個(gè)像素的計(jì)算機(jī)屏幕的觀察者的視在距離的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其每一個(gè)微型透鏡都具有可調(diào)焦距，其中至少一個(gè)微型透鏡和一個(gè)或者多個(gè)像素對(duì)正，其中每一個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以改變?cè)撚?jì)算機(jī)屏幕上的像素的視在距離。
44.一種用于改變具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維物體的視在距離的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其每一個(gè)都具有可調(diào)焦距，其中每一個(gè)像點(diǎn)或者像素和陣列里的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡對(duì)正，其中每一個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以改變所述像點(diǎn)或者像素的視在距離。
45.一種產(chǎn)生光學(xué)效應(yīng)的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；和反射、透射或者發(fā)射來自每一個(gè)像點(diǎn)或者像素的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
46.一種用于產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有高的景深和具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；和投影從每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
47.一種產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有高的景深和具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；和反射、透射或者發(fā)射來自每一個(gè)像點(diǎn)或者像素的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
48.一種產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像，該圖像基本聚焦在預(yù)定區(qū)域上；和投影從每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
49.一種產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像，該圖像基本聚焦在預(yù)定區(qū)域上；和反射、透射或者發(fā)射來自每一個(gè)像點(diǎn)或者像素的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
50.一種產(chǎn)生三維圖像的方法，包括以下步驟使用光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生具有高的景深的二維圖像，該圖像具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素；和投影從每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
51.一種使用微型透鏡陣列產(chǎn)生變化的三維圖像的方法，其中每一個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距，該方法包括產(chǎn)生基本上聚焦在預(yù)定區(qū)域上的二維圖像的序列，每一個(gè)序列圖像具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素；投影由每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光，以便產(chǎn)生具有在預(yù)定距離處的焦點(diǎn)的光錐，焦點(diǎn)的距離隨距離觀察者的像點(diǎn)或者像素的感知距離而變化；和改變陣列中的每一個(gè)微型透鏡的焦距，以便適應(yīng)每一個(gè)序列圖像。
52.權(quán)利要求51的方法，還包括以下步驟使每一個(gè)像點(diǎn)或者像素和陣列中的至少一個(gè)微型透鏡對(duì)正；投影從每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光通過陣列中的微型透鏡；改變陣列中的每一個(gè)微型透鏡的焦距，以便改變光錐的焦點(diǎn)的距離，由此形成每一個(gè)序列圖像的三維圖像顯示；和重復(fù)對(duì)正、投影和改變每一個(gè)序列圖像的步驟。
53.一種使用具有可調(diào)焦距的微型透鏡陣列產(chǎn)生光學(xué)效應(yīng)的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；使每一個(gè)像點(diǎn)或者像素和陣列中的至少一個(gè)微型透鏡對(duì)正；反射、透射或者發(fā)射來自每一個(gè)像點(diǎn)或者像素的光通過微型透鏡陣列，產(chǎn)生具有在可調(diào)預(yù)定距離的焦點(diǎn)的光錐；和改變每一個(gè)微型透鏡的焦距，以便改變光錐的焦點(diǎn)的距離，由此形成二維圖像的三維顯示。
54.一種用于產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或像素的圖像的三維顯示的三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其多個(gè)微型透鏡都具有可調(diào)焦距；其中每一個(gè)像點(diǎn)或像素和陣列中的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡對(duì)正，和其中所述多個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以產(chǎn)生圖像的三維顯示。
55.一種用于產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或像素的圖像的三維顯示的三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡陣列，其第一多個(gè)微型透鏡具有可調(diào)焦距和第二多個(gè)微型透鏡具有固定而獨(dú)自的預(yù)定焦距；其中每一個(gè)像點(diǎn)或像素和陣列中的第一和第二多個(gè)微型透鏡的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡對(duì)正，和其中所述第一多個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，而所述第二多個(gè)微型透鏡的焦距是獨(dú)自設(shè)置的，以產(chǎn)生圖像的三維顯示。
56.一種用于產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或像素的二維圖像的三維顯示的三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微型透鏡的二維陣列，其多重微型透鏡都具有可調(diào)焦距；其中在所述其多重中的多個(gè)微型透鏡和在所述二維圖像中的一個(gè)或多個(gè)像點(diǎn)或者像素對(duì)正，和其中在所述其多重中的多個(gè)像點(diǎn)或像素和所述多個(gè)微型透鏡中的一個(gè)或者多個(gè)微型透鏡對(duì)正，以及其中在所述其多重中的每一個(gè)微型透鏡的焦距是選擇可調(diào)的，以產(chǎn)生所述二維圖像的三維顯示。
57.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)是成套儀器。
58.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)用在一對(duì)護(hù)目鏡中。
59.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)用在透明的平視顯示器中。
60.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中圖像具有的景深大于在任一焦距處的景深。
61.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中還包括在3D和2D圖像之間交變的裝置。
62.權(quán)利要求61的三維成像系統(tǒng)，其中所述進(jìn)行交變的裝置包括使得微型透鏡在光學(xué)上是中性的裝置。
63.權(quán)利要求61的三維成像系統(tǒng)，其中所述進(jìn)行交變的裝置包括用于拆卸微型透鏡陣列的裝置。
64.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)用在藝術(shù)作品中。
65.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)用在廣告中。
66.權(quán)利要求56的三維成像系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中。
67.一種產(chǎn)生光學(xué)效應(yīng)的方法，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；和投影由每一個(gè)像點(diǎn)或者像素反射或者發(fā)射的光通過透鏡陣列，其中每一個(gè)透鏡具有選擇可調(diào)的焦距。
68.一種使用微型透鏡陣列產(chǎn)生光學(xué)效應(yīng)的方法，其中每一個(gè)微型透鏡都具有可調(diào)的焦距，包括以下步驟產(chǎn)生具有多個(gè)像點(diǎn)或者像素的二維圖像；將每一個(gè)像點(diǎn)或者像素和陣列中的至少一個(gè)微型透鏡對(duì)正；投影來自每一個(gè)像點(diǎn)或者像素的光通過微型透鏡陣列，以產(chǎn)生具有在可調(diào)的預(yù)定距離處的焦點(diǎn)的光錐；和改變每一個(gè)微型透鏡的焦距，以便改變光錐的焦點(diǎn)的距離，由此形成二維圖像的三維顯示。
69.權(quán)利要求36-40，43-44和54-56中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述可調(diào)焦距的微型透鏡包括在SAM上形成的液體微型透鏡。
70.權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中液體透鏡的焦距通過應(yīng)用電場(chǎng)而被調(diào)節(jié)。
71.權(quán)利要求36-40，43-44和54-56中的任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中所述可調(diào)焦距的微型透鏡包括可彎曲的微型透鏡。
72.權(quán)利要求71的系統(tǒng)，其中焦距通過彈性形變而可選擇的變化。
73.權(quán)利要求72的系統(tǒng)，還包括壓電部件，被布置和配置成可選擇地施加壓力給一個(gè)或者多個(gè)可彎曲的微型透鏡，其中該壓力使得所述一個(gè)或者多個(gè)可彎曲的透鏡彈性形變。
全文摘要
表面工藝的最新發(fā)展導(dǎo)致了極小尺寸(亞微米)器件的開發(fā)。這些技術(shù)使聚合物微型透鏡(14)以及變焦距液體透鏡(52)的生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明主要涉及小尺寸透鏡在制造能展現(xiàn)三維(3D)效果的新穎顯示器上的應(yīng)用。靜態(tài)圖象和視頻圖象(或其它運(yùn)動(dòng)圖象)都可以被生成。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1645187SQ200410101158
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期1996年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者J·N·沃爾斯塔特爾 申請(qǐng)人:雅各布N.沃斯塔德特