用於虛擬接口投影和感應的光學裝置的製作方法
2023-08-11 13:37:51 1
專利名稱：用於虛擬接口投影和感應的光學裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於改進的虛擬接口投影和探測的光學和機械裝置以及方法。
背景技術：
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現狀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。
發明內容
本申請試圖提供用於改進的虛擬接口投影和探測的光學和機械裝置以及方法。由此根據本發明的一個優選實施例，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，採用電子成像傳感器在第一像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能，採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合的光學組件，以及用戶操作成像功能選擇開關，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合的光學組件，優選包括至少一個光學元件，其可選擇地置於傳感器的上遊，僅用於該至少第二成像功能使用。可替換的並且優選的，該光學組件不包括可選擇地置於傳感器的上遊、用於第一成像功能使用的，具有光焦度(optical power)的光學元件。
根據本發明的另一個優選實施例，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合的光學組件包括分束器，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，通過適當地設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優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。
仍然根據本發明的另一個優選實施例，在上述使用了與波長相關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合的光學組件優選包括視場擴大透鏡。
仍然根據本發明的另一個實施例，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，採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，採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合的光學組件；以及用戶操作成像功能選擇開關，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合的光學組件優選包括至少一個光學元件，其可選擇地置於傳感器的上遊，僅用於至少第二成像功能使用。優選的並且可替換的，該光學組件不包括可選擇地置於傳感器的上遊，用於第一成像功能使用、具有光焦度的光學元件。
根據本發明的另一個優選實施例，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合的光學組件包括與波長相關的分束器，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，通過適當地設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優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合的光學組件優選包括視場擴大透鏡。
根據本發明更多優選實施例，上述將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結合的光學組件優選為固定的。此外優選地，第一和第二像場在成像在電子成像傳感器上之前，各自經過一次反射。這樣，第二像場的反射優選通過繞樞軸旋轉的裝載(stowable)鏡進行。可替換的並且優選的，第一像場可直接成像在電子成像傳感器上，並且第二像場在成像在電子成像傳感器上之前，可經過兩次反射。這樣，優選地通過繞樞軸旋轉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過兩次反射。
根據本發明的另一個實施例，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域內的譜帶上執行，第二成像功能在可見光區域內的譜帶上執行，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，濾光片組優選包括用於第一成像功能的濾光片組，其包含至少一個透射可見光區域和紅外區域內譜帶的濾光片，以及至少一個透射紅外區域到低於紅外區域內譜帶的部分，而不透射可見光區域的濾光片，以及用於第二成像功能的濾光片組，其包含至少一個透射可見光區域至紅外區域內譜帶以下部分的濾光片。在後者中，第一和第二成像功能優選沿共用光路引導，並且第一和第二濾光片組根據所選成像功能交換使用。
根據本發明進一步優選的實施例，還提供上述電子照相機，其中優選地，為了將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器聯合，或通過旋轉位於光學組件之前的電子成像傳感器，或可替換地通過旋轉位於電子成像傳感器之前的反射鏡，來執行用戶操作的成像功能選擇，其中光學組件將第一和至少第二成像功能與電子成像傳感器結合。
根據本發明進一步的優選實施例，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併，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後，從部分透射分束器透射。部分透射分束器還優選為二向色的。在這兩種情形中，全反射器還優選為具有光焦度。
根據本發明的另一個優選實施例，甚至進一步提供包含電話功能的可攜式電話，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，採用電子成像傳感器在第一像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能，採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合的光學組件，以及用戶操作成像功能選擇開關，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，根據本發明的另一優選實施例，還提供包含至少一個個人數字助理功能的數字個人助理，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，採用電子成像傳感器在第一像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能，採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合的光學組件，以及用戶操作成像功能選擇開關，用於使得用戶在第一和至少第二成像功能中進行選擇操作。
根據本發明的另一優選實施例，提供包含遙控功能的遙控設備，提供表示像場的輸出的電子成像傳感器，採用電子成像傳感器在第一像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能，採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合的光學組件，以及用戶操作成像功能選擇開關，用於使得用戶在第一和至少第二成像功能中進行選擇操作。
根據本發明的進一步的優選實施例，還提供產生圖像的光學裝置，該圖像包含位於大衍射角的多個部分，所述光學裝置包括提供輸出光束的二極體雷射光源，用於準直輸出光束並限定準直光束平行於準直器光軸的準直器，用於限定(define)圖像的衍射光學元件，來自準直器的準直光束射到該衍射光學元件上，產生多條衍射光束，這些衍射光束限定(define)圖像並相對於準直器的光軸在一定角度範圍內被導引，以及位於衍射光學元件下遊的聚焦透鏡，其將多條光束聚焦在遠離衍射光學元件的點上。在這樣的裝置中，通常定義大的衍射角，這樣當缺少位於衍射光學元件下遊的聚焦透鏡時，圖像將具有無法令人接受的畸變。優選的，衍射角被定義為與準直器光軸至少形成30度。
根據本發明的優選實施例，甚至進一步提供產生圖像的光學裝置，該圖像包含位於相對於軸線較大衍射角的多個部分，所述光學裝置包括提供輸出光束的二極體雷射光源，接收輸出光束並提供修正的輸出光束的光束修正元件，用於限定準直光束的準直器，以及用於限定(define)圖像的衍射光學元件，來自準直器的準直光束射到該衍射光學元件上，產生多條衍射光束，這些衍射光束限定(define)圖像並相對於軸線在一定角度範圍內被導引。通常定義大的衍射角，這樣當缺少位於衍射光學元件下遊的聚焦透鏡時，圖像將具有無法令人接受的畸變。優選的，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裝置，優選還包含位於衍射光學元件下遊的聚焦透鏡，其將多條光束聚焦在遠離衍射光學元件的點上。
而且，根據本發明的另一優選實施例，提供光學裝置，其包含提供輸出光束的二極體雷射光源，以及限定圖像模板的非周期性衍射光學元件，輸出光束射到該非周期性衍射光學元件上，產生多條衍射光束，該些衍射光束限定圖像模板。優選地，圖像模板能夠使數據輸入到數據輸入設備中。
根據本發明進一步的優選實施例，還提供投影圖像的光學裝置，其包含提供照明光束的二極體雷射光源，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子元件的衍射光學元件，各子元件與多束輸出光束之一聯合，用於限定圖像的一部分，並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。圖像優選包含模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
根據本發明的另一優選實施例，提供用於投影圖像的光學裝置，其包含提供多束照明光束的二極體雷射光源陣列，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子元件的衍射光學元件，各子元件與多束輸出光束之一聯合，用於限定圖像的一部分，並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。圖像優選包含模板以使得數據輸入到數據輸入設備。在本段所述任何一個光學裝置中，二極體雷射光源陣列優選為垂直腔體表面發射雷射器(VCSEL)陣列。
而且，在上述任一光學裝置中，衍射光學元件優選定義光學裝置的輸出窗。
根據本發明的另一優選實施例，進一步提供雷射二極體集成封裝，包含發射光束的雷射二極體晶片，修正光束的光束修正元件，聚焦修正光束的聚焦元件，以及從光束產生圖像的衍射光學元件。圖像優選包含模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
可替換的並優選的，還提供雷射二極體集成封裝，包含發射光束的雷射二極體晶片，以及從光束產生圖像的非周期性衍射光學元件。在此實施例中，圖像還優選包含模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
根據本發明另一優選實施例，提供光學裝置，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元件，以及平移機構，其改變輸入光束在衍射光學元件上照射的位置，其中優選的，衍射光學元件使入射光束以一角度偏轉到投影面，該角度根據關於入射位置的預定函數改變。在這個實施例中，平移機構優選平移DOE。在本段所述任一裝置中，入射位置可以以正弦方式改變，預定函數優選提供線性掃描。這樣，預定函數優選提供產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。在後一種情況中，裝置還優選包含聚焦透鏡，以將衍射光束聚焦到投影面上。
優選的，在上述光學裝置中，關於入射位置的預定函數使光束在二維方向偏轉。這樣，平移機構可以在一維方向或二維方向平移DOE。
根據本發明另一優選實施例，進一步提供同軸二維光學掃描裝置，包含使光束在二維方向偏轉的衍射光學元件，該偏轉與衍射光學元件上光束的入射位置成函數關係，衍射光學元件安裝在其上的輕型支持結構，在輕型支持結構外面的第一框架，輕型支持結構通過第一支持構件連接到第一框架，從而輕型支持結構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，以及至少一個驅動機構，用於至少激發第一頻率和第二頻率的振蕩其中之一。在這個裝置中，第一頻率優選高於第二頻率，這樣的話，掃描為光柵型掃描。
根據本發明的另一優選實施例，提供光學裝置，其包含發射照明光束的二極體雷射光源，將照明光束聚焦到投射面上的透鏡，照明光束照射於其上的非周期性衍射光學元件，以及改變輸入光束在衍射光學元件上照射位置的平移機構，其中優選的，衍射光學元件使入射光束以一定角度偏轉到投影面上，該角度根據關於入射位置的預定函數改變。除了將照明光束聚焦到衍射光學元件上的第一透鏡，光學裝置還優選包含將偏轉的照明光束聚焦到投影面上的第二透鏡。
上述涉及掃描應用的任一光學裝置優選的可將數據輸入模板投射到投影面上，或可替換並優選的，可將視頻圖像投射到投影面上。
結合附圖，從以下說明將對本發明更全面充分地明白和理解。其中圖1是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的互換式光學組件的簡明示意圖；圖2是用於根據本發明另一個優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的光學組件的簡明示意圖；圖3是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的，圖2中的光學組件多種可供選擇的執行方式的廣義示意圖；圖4A和4B分別是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的圖2中的光學組件的具體執行方式的直觀示意圖；圖5是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的，圖2中的光學組件的具體執行方式的示意圖；圖6是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的圖2中的光學組件的具體執行方式的示意圖；圖7是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的，圖2中的光學組件的具體執行方式的示意圖；圖8是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的，圖2中的光學組件的具體執行方式的示意圖；圖9是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的，圖2中的光學組件的具體執行方式的示意圖；圖10是用於圖2-9B中的實施例的現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行方式的示意圖；圖13是根據本發明優選實施例構建和操作，用於投影模板的光學裝置的簡明示意圖；圖14A和14B分別是根據本發明優選實施例的圖13的裝置的執行方案的簡明示意圖和頂視圖；圖15A和15B分別是根據本發明另一個優選實施例構建和操作的，用於投影模板的裝置的簡明頂視示意圖和側視示意圖；圖16是仍然根據本發明另一個優選實施例構建和操作的，用於投影模板的裝置的簡明側視示意圖；圖17是依然根據本發明另一個優選實施例構建和操作的，用於投影模板的裝置的簡明側視示意圖；圖18是合併了至少部分圖13A-15B中所示元件的雷射二極體封裝的簡明示意圖；圖19是根據本發明優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡明示意圖，該衍射光學元件在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他；圖20是根據本發明另一優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡明示意圖，該衍射光學元件在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他；圖21是衍射光學元件用於二維掃描的簡圖；圖22是用於圖21中的實施例的衍射光學元件的二維平移的簡圖；圖23是採用了圖22中的裝置，根據本發明優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡明示意圖，該衍射光學裝置在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他；圖24是採用了圖22中的裝置，根據本發明另一優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡明示意圖，該衍射光學裝置在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他。
優選實施例的詳細描述圖1是用於根據本發明優選實施例進行構建和操作的組合照相機和輸入設備的互換式光學組件的簡明示意圖，現在參照圖1進行說明。此類照相機和輸入設備可被用於行動電話，個人數字助理，遙控或類似設備。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。
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，用於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性進行設置。
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。因此在系統製造過程中，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採用CMOS模塊10時，如圖1上部所示，紅外透射濾光片20設置在廣角透鏡16前面。該濾光片不需要相對於模塊10精確設置，因此可採用簡單的機械定位機構22達到目的。
當CMOS照相機模塊10被用於通用彩色成像，如圖1底部的虛線部分所示，操作定位機構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整照相機以適當設計圖像，所以場縮小透鏡24的側向精確定位不重要，從而可以採用簡單的機械機構實現定位功能。
雖然在圖1所示的優選實施例中，根據所需像場的類型，機械定位配置示出為單個互換式光學單元28，其通過單個簡單的機械定位機構22有選擇地設置在照相機模塊10前面。可以理解的是，本發明可以同樣應用其他機械定位配置，例如，通過各自的機構，將用於每個視場的每組光學組件移到模塊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(position)，可以理解在這裡可以提供不同類型的成像功能，無論是用於通用視頻，或是靜態記錄，或是在特寫攝影中，或是在任何其他彩色成像應用中，這些功能中的每一個通常需要自己的場成像光學組件。定位機構22則適於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，與靜態光學設計相比，機械移動部件使得結構複雜並可能成為不可靠性的根源。現在參照圖2至9B，其示出用於雙重模式CMOS圖像傳感器的改進光學設計的示意圖，提供與參照圖1所述的上述內容基本相同的功能，但是其不需要移動部件。
現在參照圖2，CMOS照相機118和關聯的中等視場透鏡120設置在分色鏡122後面，分色鏡122至少在與透鏡120的視場對應的角度範圍上透射紅外光並反射可見光。場擴大透鏡124和阻隔可見光的紅外透射濾光片126沿紅外透射路徑設置。可以理解的是上述配置提供了具有大視場130的紅外虛擬接口感應系統。
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點，即兩個成像路徑是分離的並位於設備的相對側。當將雙重模式光學模塊用於行動裝置時，這是特別有用的特點，行動裝置例如行動電話和個人數字助理，其中為了使用屏幕構成圖像，希望在設備設置屏幕一側的相反方向獲得圖片，並且，另一方面，為了使被輸入的數據可視化，希望在與設備的屏幕相同一側提供虛擬輸入能力。
現在參照圖3，圖3是本發明進一步優選實施例的示意圖，示出了雙重模式光學組件模塊的光路，該雙重模式光學組件模塊合併了具有窄視場300，302，304的可見光成像系統和大視場，該可見光成像系統用於拍攝照片，該光路可選擇被導向設備背面300，側面302或前面304，並且用於虛擬鍵盤功能的紅外成像路徑從設備的前面朝向前方。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接收經過LP濾光片318、多個透鏡320和分色鏡322的光。紅外光經由大視場透鏡324透射通過分色鏡322。來自設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；來自設備前面的可見光被全反射鏡328反射到分色鏡322；來自設備側面的可見光沒被反射，直接到達分色鏡322。根據希望在哪個窄視場成像，優選切換反射鏡326，328中的任一個到相應位置，或不對其進行切換。圖2和3中不同具體實施例的細節在圖4A至9中示出。
現在參照圖4A和4B，其分別是用於根據本發明的優選實施例構建和操作的組合照相機和數據輸入設備的圖2或3的實施例的具體執行方式的直觀示意圖。該具體雙重光學組件執行方式結合垂直朝向(vertical facing)的照相機，並且每個光路被單個反射鏡翻轉，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定義的路逕行進，被反射鏡354反射，通過二色光組合器(dichronic combiner)356、傳統照相機鏡頭358和幹涉濾光片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定義的路逕行進，並被二色光組合器356反射，通過透鏡358和幹涉濾光片360到照相機362。可以理解的是光閘370和IR阻擋濾光片372可被合併為單個設備，如圖所示，或可為獨立的設備。
現在參照圖5，其是用於根據本發明的優選實施例構建和操作的組合照相機和輸入設備的圖2的實施例的另一具體執行方式的示意圖，其中採用多個與圖4A和4B相同的元件，並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定義的路逕行進，被反射鏡384反射，通過二色光組合器386、傳統照相機鏡頭388和幹涉濾光片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定義的路逕行進，被二色光組合器386反射，通過透鏡388和幹涉濾光片390到照相機392。可以理解的是光閘380和IR阻擋濾光片382可被合併為單個設備，如圖所示，或可為獨立的設備。
現在參照圖6，其是用於根據本發明的優選實施例構建和操作的組合照相機和輸入設備的圖2的實施例的具體執行方式的示意圖，並參照圖7，其示出了圖6中實施例的變形例。該實施例的特徵在於水平朝向(horizontal facing)的照相機和一條光路直接指向設備外部，並且第二光路被兩個反射鏡翻轉而指向相反方向。其優勢在於照相機組件通常被安裝為平行於該設備的其他所有組件，並且可以和該設備的其他部件組裝在相同的印刷電路板上。
具體地轉向圖6，在該實施例中，場景被直接成像，虛擬鍵盤經過兩次反射，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定義的路逕行進，並通過二色光組合器404、傳統照相機鏡頭406和幹涉濾光片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定義的路逕行進，被反射鏡418反射，並經由二色光組合器404反射通過透鏡406、幹涉濾光片408和照相機410。可以理解的是光閘400和IR阻擋濾光片402可被合併為單個設備，如圖所示，或可為獨立的設備。
具體地轉向圖7，在該實施例中，虛擬鍵盤被直接成像，場景經過兩次反射，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定義的路逕行進，被反射鏡424反射，並被二色光組合器426反射，通過透鏡428、幹涉濾光片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定義的路逕行進，通過場擴大透鏡436、二色光組合器426，透鏡428，幹涉濾光片430到達照相機432，例如CMOS照相機。可以理解的是光閘420和IR阻擋濾光片422可被合併為單個設備，如圖所示，或可為獨立的設備。
現在參照圖8，其是用於根據本發明的優選實施例構建和操作的組合照相機和輸入設備的圖2或3的光學組件的具體執行方式的示意圖，並參照圖9，其是圖2或3的光學組件的另一具體執行方式的示意圖，與圖8類似。圖8和9的實施例的特徵在於採用了水平和垂直傳感器，以及可繞樞軸轉動的反射鏡，其也可以起到光閘的作用，從而在設備內部只需要單個內部反射鏡以分離光路。
具體地轉向圖8，可以看出來自場景的可見光被接收，由可繞樞軸轉動的反射鏡450反射，沿穿過二色光組合器454、傳統照相機鏡頭456和幹涉濾光片458的光路到達照相機460，例如CMOS照相機。可繞樞軸轉動的反射鏡450還起到主要光閘的作用，以阻隔可見光成像設備。當側向場景被成像，可繞樞軸轉動的反射鏡450旋轉到光路之外，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定義的水平路逕行進，如圖8所示，被二色光組合器454反射，通過透鏡456、幹涉濾光片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，其被可繞樞軸轉動的反射鏡470反射，沿通過二色光組合器474反射的路徑，經過傳統照相機鏡頭476和幹涉濾光片478到照相機480，例如CMOS照相機。可繞樞軸轉動的反射鏡470還起到主要光閘的作用，阻隔可見光成像設備。當側向場景被成像，可繞樞軸轉動的反射鏡470旋轉到光路之外，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定義的水平路逕行進如圖9A和9B所示，並經過二色光組合器474，通過透鏡476、幹涉濾光片478，進入照相機480。
在以上圖2-9的實施例的設備中，當VKB模式被成像時，只有IR照明波長周圍區域的光，通常是785nm區域，被透射到照相機。這優選地通過使用IR導通(cut-on)和IR截止濾光片的組合來實現。另一方面，使用該設備的其他模式，例如用於視頻會議，視頻或快速成像，或特寫攝影，通常需要僅僅是可見光區域的光到達照相機。這意味著當單個照相機模塊被用於兩種模式，光譜濾光片必須根據所選模式在進入或離開光路之間切換。
現在參照圖10A，圖10A是用於圖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區域的傳統IR截止濾光片的特徵。此類IR截止濾光片可以被實現為吸收濾光片，或幹涉濾光片，並優選用於可見光成像模式光路，以防止VKB照明與可見圖像相互幹擾。在圖2-9的實施例中，當設備被用於VKB成像模式，可以用僅通過VKB照明IR區域的濾光片替換傳統截止濾光片。這優選可通過使用兩個濾光片執行；一個導通濾光片，其透射特性由圖10A中軌跡B所示，以及一個LP幹涉濾光片，其透射特性如圖10A中用於兩種不同入射角的軌跡C1和C2所示。
現在參見圖10B，其是用於圖2-9中的實施例的可供選擇並優選的濾光片配置的曲線圖，其中單個窄通幹涉濾光片，在圖中用D標識，優選具有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，被用於VKB成像通道。標識為E的IR阻擋濾光片被用於可見光模式以防止圖像被VKB IR照明幹擾，或被背景NIR照明幹擾。
現在參見圖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，僅採用一個光路。每個光路表示一種獨立的操作模式，其由用戶轉換到激活狀態。圖11A，11B和11C中的實施例都不包括移動部件。
轉向圖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組件502，然後進入照相機503。所用的特定反射鏡組合取決於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，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，該光再被導引通過反射鏡500，朝向照相機光學組件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稜鏡執行。
在圖11C的實施例中，頂部反射鏡504相對於它在圖11A中的取向而向上傾斜，並且沒有使用反射鏡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行方案的簡化示意圖。
表1闡明了七種實施例的本質特徵，該些特徵將在以下詳細說明。
轉向圖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組件的實施例。可以看出共用光學組件被提供給所有的四個視場，並且包括高解析度彩色照相機550，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑幹涉濾光片552，如圖10A和10B所示，該入射孔徑幹涉濾光片552優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，共用光學組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡554。現在對該四個視場的光學配置進行說明。
優選地，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視場採用固定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。優選地，用於此視場的光學組件具有輕度失真(＜2.5％)並支持照相機550的解析度，優選地對於VGA照相機，調製傳遞函數MTF在50cy/mm時大約為50％，對於1.3M照相機在70cy/mm時大約為60％。
優選地，VKB視場576和VC視場586通過大角度場透鏡590來獲取，依靠幾何結構，大角度場透鏡可以將共用光學組件的視場擴大至4.5倍。透鏡590的視場的中心部分，例如VC視場，優選地設計為在光譜的可見光部分獲得圖像，並具有小於4％的失真度，解析度在70cy/mm時大約為60％。透鏡590的視場的剩餘部分，例如VKB視場，具有高達25％的較高失真度，以及較低的解析度，典型地對於785nm在20cy/mm時小於20％。
在透鏡590前面，優選的提供具有三個工作區域的三重位置滑塊或旋轉光閘594，三個工作區域是不透光區域596，用於提供真彩色視頻的IR截止區域598和感應來自虛擬鍵盤的IR的IR導通濾光片區域600。對VC視場在區域600適當定位光閘594，使得當採用適合的IR源，例如IR LED時，可以實現低解析度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，他們將使圖像質量的失真最小化。在視場582前面，是一個導通/截止光閘。可繞樞軸轉動的反射鏡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採用可變場透鏡可以在內部提供CUP視場，或通過在VSSR視場556或可選擇視場582前面採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。在後一種情況中，上部反射鏡580應該為透射可見光並高度反射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/導通光閘(滑動或翻轉)，也未在圖12A中示出。
現在參見圖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，其採用迴轉反射鏡的頭(seiveledmirror head)。可以看出共用光學組件被提供給四個視場，並且包括高解析度彩色照相機650，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑濾光片，優選為幹涉濾光片652，如圖10A和10B所示，該入射幹涉濾光片652優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，共用光學組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡654。
頂部迴轉頭660包含安裝在旋轉基座664上的傾斜反射鏡662，圖12B中通過迴轉頭上的圓形箭頭原理性示出。反射鏡662可以以預定傾斜位置安裝，或可替換地以可繞樞軸轉動的方式安裝。可有選擇地使通過迴轉頭660的光截止，例如，當採用固定的傾斜反射鏡的時候，其可通過將迴轉頭轉到沒有光進入的盲區實現，可替換的，當採用可繞樞軸轉動安裝的傾斜反射鏡時，其可通過將反射鏡繞樞軸轉到沒有光進入的位置來實現。
雖然迴轉頭可以旋轉664並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。所獲得的圖像是鏡像，如果需要的話，其可以進行電子校準。在迴轉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被設置在迴轉頭660的正下方，使得能夠獲得真彩色照片。來自迴轉頭660的光經由二色光組合器672到達CMOS照相機650。可提供面對迴轉頭各位置的附加光學組件(圖12B中未示出)，使得給定視場能夠適當地成像。
現在對四個視場的優選光學配置進行說明。
VKB模式——用於VKB模式的場透鏡680依賴幾何結構，獲取高達大約90°的大視場694的圖像。IR導通濾光片的塑料窗682被設置在場透鏡的前面。通過分色鏡672，將被獲取的IR光導向共用光學組件。優選的，在CMOS上獲得的IR圖像優選為低質量的，其桶形畸變高達25％，MTF對於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，並且頂部迴轉頭轉到截止位置。
通過啟動用於VSSR成像的頂部迴轉頭660，並將其轉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。
通過啟動頂部迴轉頭660並將其轉到在手持裝置的前側的VC位置，來實現VC模式，其中在上述位置設有LCD，使得可以利用可選擇光學元件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。當光學元件690不存在，透鏡654的原始FOV在整個照相機感應區域獲取圖像，但是被壓縮採樣以給出較低解析度的VC圖像，這即是所知的壓縮採樣選擇。
通過上述涉及圖12A的實施例的方式之一可以實現CUP模式。
現在參照圖12C，其是在一個照相機中提供四個視場的實施例，具有用於VC視場的移動內嵌(inline)光學組件。可以看出共用光學組件被提供給全部四個視場，並且包括高解析度彩色照相機700，典型的為VGA或1.3M像素照相機，其具有入射孔徑幹涉濾光片702，如圖10A和10B所示，該入射孔徑幹涉濾光片702優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，共用光學組件還包括具有大概20°的窄視場的透鏡704。現在對該四個視場的優選光學配置進行說明。
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，用於導通/截止成像路徑。用於VSSR視場的光學組件應具有＜2.5％的輕度失真並支持照相機的解析度，對於VGA照相機，應提供的MTF在50cy/mm時大約為至少50％，並且對於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，依靠所選幾何結構，廣角場透鏡優選地將共用光學組件的視場擴大至4.5倍，並且VKB視場720通過反射鏡724並經由二色光組合器712被導向共用光學組件。VKB模式的視場質量較低，其具有高達25％的失真度，以及低解析度，典型地對於785nm在20cy/mm時小於20％。當VKB模式被激活，模式選擇滑塊726設置到IR導通濾光片位置728，該位置優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°，並且將圖像聚焦在照相機700中的CMOS的整個有效區域上。而且，這種選擇的配置通過結合在場縮小元件734中的IR截止濾光片，將IR附近的光濾除。由於對於VC模式僅需要CIF解析度，在這種解析度下照相機被切換到壓縮採樣模式，對於可見光範圍，所需要的光學解析度在35cy/mm時大約為60％，並且失真優選低於4％。雖然這種選擇的配置涉及使用移動光學組件734，但是因為圖像解析度不需要非常好，所以構建有0.05mm機械重複性(mechanical repeatability)即滿足要求，並且該重複性不需要高精度機械構建技術即可容易得到。
通過上述涉及圖12A的實施例的方法之一可以實現CUP模式。
現在參見圖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組件。現在對該四個視場的優選光學配置進行說明。
利用聚焦透鏡742和具有VGA或1.3M像素解析度的傳統照相機744可以獲得VSSR視場740。優選地，相同的照相機還可用於CUP模式成像，或是利用附加的微距模塊在外部實現，如Nokia3650/Nokia 3660那樣，或是利用模塊在內部實現，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CUP模式。
VC視場750和VKB視場752模式優選使用高解析度照相機754，例如VGA或1.3M像素解析度的照相機，其具有視場高達90°的大視場光學組件756，這取決於所用VKB的幾何結構。濾光片優選設置在照相機754的前面，該濾光片優選為幹涉濾光片764，如圖10A和10B所示，優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優選僅使用兩個位置，一個用於VKB模式，一個用於VC模式。在VKB模式，滑塊將IR導通窗濾光片760置於透鏡756前面。在VC模式，滑塊將IR截止窗濾光片762置於透鏡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。該視場優選具有低於4％的失真度，以及在可見光範圍內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，並且解析度可以較低，典型的是對於785nm在20cy/mm時低於20％。在這種模式中，照相機優選以垂直開窗模式工作，還優選以水平壓縮採樣模式工作。
現在參照圖12E，其是利用兩個照相機提供四個視場的實施例，但是使用了用於VC視場的移動內嵌光學組件。現在對該四個視場的優選光學配置進行說明。
利用聚焦透鏡772和具有VGA解析度或1.3M像素解析度的傳統照相機744可以得到VSSR視場770。優選地，相同的照相機還可用於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CUP模式。
VC視場776模式和VKB視場778模式都優選使用低解析度照相機780，或處於壓縮採樣模式的高解析度照相機。濾光片優選設置在照相機780的前面，該濾光片優選為幹涉濾光片784，如圖10A和10B所示，優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元件782，其依賴所用VKB的幾何結構，具有高達90°的視場，該光學元件通用於這兩種模式。通過包含IR導通窗濾光片788和內嵌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°。該視場優選具有低於4％的失真度，以及在可見光範圍內MTF在30cy/mm時低於大約60％。
在VKB模式中，模式選擇滑塊786將IR導通濾光片窗788置於場透鏡782之前。對於該視場，高達25％的高失真度，並且具有低MTF，對於785nm MTF在20cy/mm低於20％，這就足夠了。
現在參見圖12F，其是使用固定的低解析度照相機，以及結合與圖12B所示相似的迴轉鏡的高解析度照相機，提供四個視場的實施例。現在對該四個視場的優選光學配置進行說明。
優選地，VKB視場790模式依賴所用幾何結構，成像在具有視場高達90°的大視場透鏡794的低解析度照相機(CIF)792上。濾光片優選設置在照相機792的前面，該濾光片優選為幹涉濾光片816，如圖10A和10B所示，優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導通濾光窗796。該大視場成像系統失真度可以高達大約25％，並且低MTF，典型地對於785nm在20cy/mm時低於20％就足夠了。
頂部迴轉頭800包含安裝在旋轉基座804上的傾斜反射鏡802，圖12B通過迴轉頭上的圓形箭頭原理性示出。反射鏡802可以以預定傾斜位置安裝，或可替換地以可繞樞軸轉動的方式安裝。可有選擇性地使通過迴轉頭800的光截止，例如，當採用固定的傾斜反射鏡，其可通過將迴轉頭轉到沒有光進入的盲區實現。可替換的，當採用可繞樞軸轉動安裝的傾斜反射鏡時，其可通過將反射鏡繞樞軸轉到沒有光進入的位置實現。
雖然迴轉頭可以旋轉804，並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。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被設置在迴轉頭800的正下方，使得能夠獲得真彩色照片。
來自迴轉頭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。可面對迴轉頭各位置設置附加光學組件(圖12F中未示出)，使得給定視場能夠適當地成像。
通過啟動用於VSSR成像的頂部迴轉頭800並旋轉迴轉頭800到位於手持裝置背部的VSSR位置，可以獲得VSSR模式，從而VSSR視場812被成像。
通過啟動用於VC成像的頂部迴轉頭800，並旋轉迴轉頭800到位於手持裝置前面的VC位置，其中在該處設置了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，圖像被壓縮採樣，以給出較低解析度的VC圖像，這就是所知的壓縮採樣選擇。
通過上述涉及圖12A的實施例的方式之一可以實現CUP模式。
現在參照圖12G，其是利用在具有對接位置(docking)的水平轉環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，與它的聚焦光學組件822和濾光片824一起，其功能將在以下進行描述，並且照相機820圍繞水平軸826旋轉，該水平軸被調整為指向圖12G畫面外部的方向。通過將照相機設置在幾個固定位置，可以獲得四個視場。在每個位置，可選擇地設置附加光學組件，以在該位置啟動計劃的功能。在現有技術中對蜂窩式電話中的可旋轉照相機已有描述。
共用光學組件通常包括高解析度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，但是與用於圖10A和10B的實施例的類似，優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，該濾光片優選設置在照相機840的前面，或作為照相機入射窗的一部分。現在對該四個視場的優選光學配置進行說明。
在VSSR模式中，照相機被配置在位於手持裝置後側的IR截止濾光窗824的前面，從VSSR視場828面對入射孔徑。用於該視場的光學組件具有輕度失真，優選＜2.5％，並且對於VGA照相機，支持MTF在50cy/mm時為～50％的照相機解析度，對於1.3M照相機，支持MTF在70cy/mm時為～60％的照相機解析度。
在VC模式中，現在在位置830中示出的照相機，被設置在位於手持裝置的前側的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採樣。對於可見光，光學解析度優選在35cy/mm高於大約60％，並且失真小於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。用於這個視場的光學組件具有輕度失真，優選＜2.5％，並且對於VGA照相機，支持MTF在50cy/mm時為至少50％的照相機解析度，對於1.3M照相機，支持MTF在70cy/mm時為至少60％的照相機解析度。
最後，在VKB模式中，在位置846中示出的照相機，被設置得向下指向鍵盤投影的位置。在這個位置，透鏡前面的光學組件優選包括擴大透鏡848和IR導通濾光窗850。在這個模式中，照相機典型地以開窗、壓縮採樣模式工作。全部光學組件的視場852較寬，典型地高達90°，這取決於所用的幾何結構。該大視場可以容忍較高等級的失真，典型地高達25％，並且僅需要低MTF，典型的對於785nm在20cy/mm時為20％。
現在參照圖13，其是根據本發明的優選實施例構建和操作，用於投影模板的光學裝置的簡化示意圖。圖13示出在虛擬界面應用中，用衍射光學元件(DOE)1000對圖像模板進行投影。在本發明的這個實施例中，通過將來自例如雷射二極體的光源1002的光束引導通過準直透鏡1004，使光束在無限遠的共軛距離聚焦，從而所有光線平行於準直軸1010，並以相同的角度投射到DOE1000上，可以消除在現有技術配置中，當通過在DOE上照射聚焦光束來提供DOE照明時出現的像散現象。採用小功率聚焦透鏡1006將衍射光斑聚焦到像場，儘量在用於聚焦的最佳點，即像場中心某處，如以下結合圖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。可以設計聚焦透鏡1006，使其表面曲率半徑集中在DOE的發射區域，以最小化附加幾何像差。該透鏡還可被設計為非球面以相應於對應投影圖像不同區域的不同衍射角獲得可變焦距。
現在參照圖14A和14B。圖14A是根據本發明的優選實施例的圖13裝置的執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生的圖像的示意圖。降低這種類型的投影圖像的質量的因素之一在之前參照圖13已經討論過，其是源於準直和/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量聚焦。
從幾何光學考慮，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，對於給定的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。
典型的雷射二極體光源，如現有技術中的DOE成像系統所用的，通常產生具有橢圓形狀1020的像散光束，如圖14A中的插入部分所示。這導致對DOE照明的光斑沿與雷射二極體的慢軸1022相應的軸延長，並且DOE之後的投影圖像景深相應減小。相反，根據本發明的優選實施例，光束修正元件1010被插入在雷射二極體1012和準直/聚焦元件1014之間，以生成大體上更圓的發射光束1024，如圖14A的第二插入部分所示，並且該光束沿光軸1042被引導。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，獲得對於給定的DOE焦度的最大可能的景深。可將低放大率聚焦透鏡放置在遠離DOE的地方，如圖13的實施例所示，以在光學設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中所示優選投影系統，通過像平面1018上獲得的圖像。圖14B應該結合圖14A進行觀看。設計最佳焦點1036，以最小化整個圖像的散焦和幾何變形以及幾何像差。優選地，提供光束阻擋裝置1044阻隔不想要的幻象或產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。
現在參照圖15A和15B，其分別是根據本發明另一個優選實施例構建和操作的用於投影模板的裝置的簡化頂視示圖和側視示圖。從圖15A和15B可以看出，該實施例與現有技術區別在於使用了非周期性DOE 1050，其通常需要在雷射光源1052前精確定位，並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。
這種配置的一個優勢在於不需要聚焦透鏡，潛在地降低了製造成本。另一個優勢是沒有來自非衍射光的明亮的零級光斑，而有尺寸取決於雷射發散角的擴散的零級區域1054。這種零級亮斑不出現安全危害。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分離並對其阻隔，因此減小了所需的最小窗口尺寸。
現在參照圖16，其仍然是根據本發明的另一優選實施例構建和操作的用於投影模板的裝置的簡化側視示意圖。圖16示意性地示出改進的DOE幾何結構的橫截面。優選地，用雷射二極體1060對DOE1072照明。然而，不像現有的照明方案，DOE 1072被這樣劃分，使得不同部分1070被用於投影虛擬界面模板的不同區域1076。因此，DOE 1072的各個部分1070作為獨立的DOE，設計為包含比整個DOE1072更少的信息，並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，大大簡化了製造工藝。這種設計的附加優勢在於零級和各段的幻象被最小化到不需要像在現有技術中一樣分離並掩蔽的程度。因此DOE可以用作實際的設備窗口，以製作更緊湊的設備。
優選地，所有獨立的部分1070在一起進行計算並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的分束結構，可以對各DOE部分1070提供各自的照明光束。還可以採用可替換的分束和聚焦技術。
可以調整分束和聚焦區域的大小，以為DOE的各個衍射區域收集適合的光量，以在整個視場上確保均勻照明。
該技術還具有附加優勢，即各段1070的焦距可以單獨調整，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。因為該幾何結構對各個衍射段1070具有小孔徑角θ，以及最小形體尺寸相對較大，該設計可以使用同軸幾何結構，因為利用標準製造工藝，可以有效排除零級和幻象。因此不需要屏蔽。
這種幾何結構的缺陷在於整個元件作為需要與光源精確對準的非周期性DOE。雷射二極體光源的發散角和能量分布，以及到光學元件的距離，也必須精確控制，以對各個DOE部分以及與之對應的投影界面區域用適合的能量照明。
現在參照圖17，其是根據本發明另一個優選實施例構建和操作的用於投影模板的裝置的簡化側視示意圖。這裡，不是如圖16所示的優選實施例中那樣，使用單個的相對較大功率的二極體雷射光源作為分段DOE的光源，而是將小功率的垂直腔體表面發射雷射器(VCSEL)1082的二維陣列1080設置在分段DOE 1084和分段準直/聚焦元件1086的後面。陣列1080中的VCSEL 1082的數量和周期與DOE段精確匹配，從而每個VCSEL對單個DOE段1088照明。
為了不導致變形的投影圖像，陣列1080還需要在元件後面精確定位，但是，除了確保所有來自各發射點的光進入其適當的準直/聚焦元件1086，並且充分填充相應的DOE段1088的孔徑以獲得好的衍射結果之外，不需要控制單個發射的發散角。
圖17的結構非常緊湊，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計中的在DOE元件的準直段之間的潛在的雷射損耗。因為每個雷射光源被集中在其各自的透鏡1086的光軸上，準直/聚焦元件的設計也被簡化。因為不需要像圖16的實施例中那樣，將DOE與雷射光源分離得足夠遠以填充幾毫米的孔徑，所以該設計可以非常緊湊。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。
現在參照圖18，其是合併了圖13A-15B中所示元件中至少一部分元件，用於基於DOE的虛擬界面投影系統的雷射二極體封裝的簡化示意圖。這裡所有的光學元件和機械配件都被小型化並被容納在單個光學封裝1100中，例如擴展雷射二極體外殼。安裝在散熱片1104上的雷射二極體晶片1102，被設置在封裝1100內側。光束修正光學元件1106選擇性地置於雷射二極體晶片1102的發射點1112的前面，以減小像散雷射發射的發散角，並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。
光學元件1106和1108需要通過有效對準過程來精確對準發射光束的方向，從而在雷射光束的前面精確定位。包含圖像模板的衍射光學元件DOE 1110被插入到封裝的末端，在適當位置對準並固定。還可將該元件用作封裝窗口，將DOE 1100設置在窗口1114的內側或外側。如果採用非周期性DOE，可選擇性地省去光束修正光學組件和/或準直光學組件，得到更小和更便宜的封裝。
現在參見圖19，其是根據本發明的另一優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡化示意圖，該衍射光學裝置在用於投影模板的裝置，例如本發明之前所述實施例中，用於掃描及其他。該裝置在同軸系統中提供一維或二維掃描，而不需要任何反射或轉向鏡(turningmirrors)。這樣的系統可以比基於反射鏡的掃描儀更小，更便宜並更易於組裝。
圖19示出基本概念。將非周期性DOE 1200設計為使得衍射角是入射到DOE上的照明光的側向位置的函數。在該優選示例中，當準直光束1202平移越過DOE 1200的表面，到不同的位置1214，1216，1218，準直光束被衍射並聚焦到在不同的聚焦成像位置的離散點1204，1206，1208。優選地，可以將非周期性DOE構建為使得當光束和DOE的相互位置改變時，衍射角可以根據輸入光束和DOE的相對位置的預定函數改變。因此，例如，在入射光束前以正弦方式振蕩的DOE，當根據本優選實施例進行構建，可以在圖像屏幕1210上提供聚焦光斑的線性平移。而且，還可以構建DOE使得強度在掃描方向上線性化。這對於光學掃描應用是十分有用的特徵。
即使光束不同的入射位置之間有很大的重疊，以非周期性方式構建DOE，使得將所有光衍射到由DOE上的整個照明入射區域確定的位置點。聚焦位置也可以作為衍射角的函數改變，以在整個平面視場保持光斑的銳聚焦。聚焦還可以由位於DOE 1200下遊的圖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，該第二元件設置在第一DOE後面，以沿正交光軸衍射發射的光斑，因此進行二維掃描。
輸入光束可以被保持固定，並且優選地DOE元件來回振蕩以產生掃描光束圖案，而不是實際上對輸入光束掃描，這即意味著要振動雷射二極體光源。以較高頻率掃描第一元件，並以較低頻率掃描第二元件，可以生成二維光柵掃描，同時將雷射強度與掃描圖案同步並進行調製，生成完整的二維投影圖像。
現在參照圖20，其是根據本發明的另一優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡化示意圖，該衍射光學裝置在投影模板的裝置中，例如本發明之前所述實施例中，用於掃描及其他。在圖20的實施例中，入射雷射光束1220在DOE 1222上被聚焦為相對較小的光斑，使得對於不同衍射角的輸入區域間只有一點或沒有重疊。這使得對於較小平移令轉向角發生較大的改變。然後，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，導致不同聚焦光斑1240，1242，1244。
這些功能可被進一步合併到單個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。這裡，將DOE 1250設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。例如，當光束入射到DOE的頂部左側1252，其被向上並向左偏轉，被聚焦到像平面1260的點1262。同樣，當光束入射到DOE的底部右側角1254，其被向下並向右偏轉，被聚焦到像平面1260的點1264。這個元件具有圖19中的DOE與用於在正交方向提供掃描的可選擇的第二元件相結合的功能。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，其是使用於圖21的實施例的執行DOE二維移位的設備的簡化圖。二維的非周期性DOE 1270，如圖21所述，被設置在輕型支架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之內的振蕩框架1274。較重的內部框架1274與該中心部分結合，提供比用於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動信號驅動整個設備，可以實現兩軸、共振光柵掃描。通過調整DOE和支架1272和內部振蕩框架1274的質量，以及橫向運動振蕩支架1280和垂直運動振蕩支架1282的剛度，可以相應地調整X和Y掃描頻率。這種設計可以提供緊湊、同軸的二維掃描元件。
現在參照圖23，其是根據本發明優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡化示意圖，該衍射光學裝置在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他。一維掃描DOE元件1290，例如圖19的優選實施例所述，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優選用雷射二極體1296以及準直透鏡1298照明。
現在參照圖24，其是根據本發明另一優選實施例構建和操作的衍射光學裝置的簡化示意圖，該衍射光學裝置在用於投影模板的裝置中，用於掃描及其他。一維掃描DOE元件1300，例如圖20的優選實施例所述，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優選用雷射二極體1296以及準直透鏡1298照明，並且DOE之後通過輔助透鏡1302進行附加的聚焦。
本領域技術人員可以理解本發明不限於上述和特別示出的內容。本發明的範圍包括上述各個特徵的結合及其分支，以及本領域技術人員通過閱讀上述內容所可以做出的不在現有技術範圍內的各種變形和修改。
權利要求
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；採用所述電子成像傳感器在第一成像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能；採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合的光學組件；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。
2.根據權利要求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.根據權利要求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合的所述光學組件，包括至少一個可有選擇地置於僅用於所述至少第二成像功能的所述傳感器上遊的光學元件。
4.根據權利要求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合的所述光學組件不包括可有選擇地置於用於所述第一成像功能的所述傳感器的上遊的、具有光焦度的光學元件。
5.根據權利要求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合的所述光學組件包括與波長相關的分束器，其為所述第一和所述第二成像功能定義獨立的光路。
6.根據權利要求1至5之任一所述的電子照相機，其中通過適當地設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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求5所述的電子照相機，其中所述與波長相關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.根據權利要求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.根據權利要求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合的所述光學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；採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；採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合的光學組件；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。
14.根據權利要求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合的所述光學組件包括至少一個可有選擇地置於僅用於所述至少第二成像功能的所述傳感器上遊的光學元件。
15.根據權利要求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合的所述光學組件不包括可有選擇地置於用於所述第一成像功能的所述傳感器的上遊的、具有光焦度的光學元件。
16.根據權利要求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合的所述光學組件包括分束器，其為所述第一和所述第二成像功能定義獨立的光路。
17.根據權利要求13至16之任一所述的電子照相機，其中通過適當地設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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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合的所述光學組件包括視場擴大透鏡。
23.根據權利要求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合的所述光學組件為固定的。
24.根據權利要求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，各經過一次反射。
25.根據權利要求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，並且所述第二成像場在所述電子成像傳感器上成像之前經過兩次反射。
26.根據權利要求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過兩次反射。
27.根據權利要求25所述的電子照相機，其中通過繞樞軸旋轉的裝載鏡進行所述兩次反射中的第二次反射。
28.根據權利要求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的裝載鏡進行。
29.根據前面任一權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域的譜帶上執行，且所述第二成像功能在可見光區域的譜帶上執行，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.根據權利要求29所述的電子照相機，其中所述多個濾光片組包括用於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域和紅外區域內所述譜帶透射的濾光片，以及至少一個在所述紅外區域至該紅外區域內所述譜帶之下透射，且不透射該可見光區域的濾光片；以及用於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域至該紅外區域內所述譜帶之下透射的濾光片。
31.根據權利要求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，並且其中所述第一和第二濾光片組可以根據所選成像功能交換。
32.根據前面任一權利要求所述的電子照相機，其中通過旋轉所述光學組件之前的所述電子成像傳感器執行所述用戶操作成像功能選擇，其中所述光學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合。
33.根據前面任一權利要求所述的電子照相機，其中通過旋轉位於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合，從而進行所述用戶操作成像功能選擇。
34.根據前面任一權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合，並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後，從所述部分透射分束器透射。
35.根據權利要求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.根據權利要求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。
37.一種可攜式電話，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；採用所述電子成像傳感器在第一成像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能；採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合的光學組件；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。
38.一種數字個人助理，其包括至少一個個人數字助理功能；提供表示成像場的輸出的電子成像傳感器；採用所述電子成像傳感器在第一成像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能；採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合的光學組件；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。
39.一種遙控設備，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；採用所述電子成像傳感器在第一成像場響應用戶手動操作進行數據輸入的第一成像功能；採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合的光學組件；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。
40.用於產生圖像的光學裝置，該圖像包括位於較大衍射角處的多個部分，所述光學裝置包括提供輸出光束的二極體雷射光源；用於準直所述輸出光束並限定平行於準直器軸引導的準直光束的準直器；構建為限定圖像的衍射光學元件，來自所述的準直器的所述準直光束射到該衍射光學元件上，並產生多條衍射光束，該些衍射光束限定所述圖像並相對於所述準直器軸在一定角度範圍內引導；以及位於所述衍射光學元件下遊的聚焦透鏡，其將所述多條光束聚焦在遠離所述衍射光學元件的點上。
41.根據權利要求40所述的光學裝置，其中當缺少位於所述衍射光學元件下遊的所述聚焦透鏡時，所述較大衍射角使得所述圖像具有無法接受的畸變。
42.根據權利要求40所述的光學裝置，其中所述較大衍射角為與所述準直器軸形成至少30度。
43.用於產生圖像的光學裝置，該圖像包括與軸形成較大衍射角的位置上的多個部分，所述光學裝置包括提供輸出光束的二極體雷射光源；接收所述輸出光束並提供修正的輸出光束的光束修正元件；用於限定準直光束的準直器；以及構建為限定圖像的衍射光學元件，來自所述準直器的所述準直光束射到該衍射光學元件上，且產生多條衍射光束，這些衍射光束限定所述圖像並相對於所述軸在一定角度範圍內引導。
44.根據權利要求43所述的光學裝置，其中當缺少位於所述衍射光學元件下遊的所述聚焦透鏡時，所述較大衍射角使所述圖像具有無法接受的畸變。
45.根據權利要求43所述的光學裝置，其中所述較大衍射角為與所述準直器軸形成至少30度。
46.根據權利要求43至45之任一所述的光學裝置，還包括位於所述衍射光學元件下遊的聚焦透鏡，其將所述多條光束聚焦在遠離所述衍射光學元件的點上。
47.光學裝置，包括提供輸出光束的二極體雷射光源；以及構建為限定圖像模板的非周期性衍射光學元件，所述輸出光束射到該非周期性衍射光學元件上，並產生多條衍射光束，這些衍射光束限定所述圖像模板。
48.根據權利要求47所述的光學裝置，其中所述圖像模板使數據輸入到數據輸入設備。
49.用於投影圖像的光學裝置，包括提供照明光束的二極體雷射光源；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子元件的衍射光學元件，各子元件與所述多束輸出光束之一結合，並構建為限定圖像的一部分，並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.根據權利要求49所述的光學裝置，其中所述圖像包括模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
51.用於投影圖像的光學裝置，包括提供多束照明光束的二極體雷射光源陣列；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子元件的衍射光學元件，各子元件與所述多束輸出光束之一結合，並構建為限定圖像的一部分，並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.根據權利要求51所述的光學裝置，其中所述圖像包括模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
53.根據權利要求51或52所述的光學裝置，其中所述二極體雷射光源陣列為垂直腔體表面發射雷射器(VCSEL)陣列。
54.根據權利要求47至53之任一所述的光學裝置，其中所述衍射光學元件限定所述光學裝置的輸出窗。
55.一種集成雷射二極體封裝，包括發射光束的雷射二極體晶片；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；以及從所述光束產生圖像的衍射光學元件。
56.根據權利要求55所述的集成雷射二極體封裝，其中所述圖像包括模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
57.一種集成雷射二極體封裝，包括發射光束的雷射二極體晶片；以及從所述光束產生圖像的非周期性衍射光學元件。
58.根據權利要求57所述的集成雷射二極體封裝，其中所述圖像包括模板以使得數據輸入到數據輸入設備。
59.一種光學裝置，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元件；以及平移機構，用於改變所述輸入光束在所述衍射光學元件上照射的位置，其中所述衍射光學元件使所述輸入光束以一角度偏轉到投影面，該角度根據所述照射位置的預定函數改變。
60.根據權利要求59所述的光學裝置，其中所述平移機構平移所述DOE。
61.根據權利要求59或60所述的光學裝置，其中所述照射位置以正弦方式改變。
62.根據權利要求59至61之任一所述的光學裝置，其中所述預定函數提供線性掃描。
63.根據權利要求59至62之任一所述的光學裝置，其中所述預定函數提供產生具有均勻強度的圖像的掃描。
64.根據權利要求59至63之任一所述的光學裝置，其中所述輸入光束是準直光束。
65.根據權利要求59至63之任一所述的光學裝置，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.根據權利要求59至65之任一所述的光學裝置，其中所述照射位置的所述預定函數使所述光束在二維方向偏轉。
67.根據權利要求66所述的光學裝置，其中所述平移機構在一維方向平移所述DOE。
68.根據權利要求66所述的光學裝置，其中所述平移機構在二維方向平移所述DOE。
69.一種同軸二維光學掃描裝置，包括使光束在二維方向偏轉的衍射光學元件，該偏轉與所述衍射光學元件上所述光束的入射位置成函數關係；所述衍射光學元件安裝在其上的輕型支架結構；在所述輕型支架結構外面的第一框架，所述輕型支架通過第一支架構件連接到所述第一框架，使得所述輕型支架結構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；以及至少一個驅動機構，用於激發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.根據權利要求69所述的光學裝置，其中所述第一頻率高於所述第二頻率。
71.根據權利要求70所述的光學裝置，其中所述掃描是光柵掃描。
72.根據權利要求59所述的光學裝置，還包括發射照明光束的二極體雷射光源；以及將所述照明光束聚焦到所述投影面上的透鏡。
73.根據權利要求59所述的光學裝置，還包括發射照明光束的二極體雷射光源；以及將所述照明光束聚焦到所述衍射光學元件上的第一透鏡；以及將所述偏轉照明光束聚焦到所述投影面上的第二透鏡。
74.根據權利要求59至73之任一所述的光學裝置，其中所述裝置可以將數據輸入模板投影到所述投影面上。
75.根據權利要求59至73之任一所述的光學裝置，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或視頻成像功能結合，提供用於改進的虛擬接口投影和探測功能的光學和機械裝置及方法。該裝置包括用於將多重像場在單個電子成像傳感器上成像的光學組件。這些像場之一可以是紅外數據輸入感應功能，並且其他可以是任一種或多種靜態拍攝，視頻成像或特寫攝影。該裝置足夠緊湊，可安裝在行動電話或個人數字助理中。提供光學—機械配置，用於從不同方向獲取不同視場。提供一種方法和裝置，用於利用衍射光學元件進行圖像模板的有效投影。提供一種方法和裝置，用於利用衍射光學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 優先權日2003年10月31日
發明者克洛尼·利伯曼, 尤瓦爾·沙龍, 亞欽·亞爾奇 申請人:Vkb有限公司