CN1886981A - 用于虚拟接口投影和感应的光学装置 - Google Patents

Abstract

通过将虚拟接口投影和探测功能与静态或视频成像功能结合，提供用于改进的虚拟接口投影和探测功能的光学和机械装置及方法。该装置包括用于将多重像场在单个电子成像传感器上成像的光学组件。这些像场之一可以是红外数据输入感应功能，并且其他可以是任一种或多种静态拍摄，视频成像或特写摄影。该装置足够紧凑，可安装在移动电话或个人数字助理中。提供光学—机械配置，用于从不同方向获取不同视场。提供一种方法和装置，用于利用衍射光学元件进行图像模板的有效投影。提供一种方法和装置，用于利用衍射光学元件以在一维或二维方向提供有效扫描方法。

Description

用于虚拟接口投影和感应的光学装置

相关申请参考

本申请与以下美国临时专利申请：申请号：60/515,647，60/532,581，60/575,702，60/591,606以及60/598,486相关，并要求享有其优先权，这些申请的公开文本在此处引为参考。

发明领域

本发明涉及用于改进的虚拟接口投影和探测的光学和机械装置以及方法。

发明背景

以下专利文献，以及其中引用的参考文献被认为代表了技术现状：

PCT申请PCT/IL01/00480，国际公开号为：WO2001/093182，

PCT申请PCT/IL01/01082，国际公开号为：WO2002/054169，以及

PCT申请PCT/IL03/00538，国际公开号为：WO2004/003656，

所有这些公开文本在此处整个引为参考。

发明内容

本申请试图提供用于改进的虚拟接口投影和探测的光学和机械装置以及方法。由此根据本发明的一个优选实施例，提供电子照相机，包括提供表示像场的输出的电子成像传感器，采用电子成像传感器在第一像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能，采用电子成像传感器在第二像场拍摄场景的至少一张第二照片的至少一个第二成像功能，将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器相结合的光学组件，以及用户操作成像功能选择开关，使得用户能在第一和至少第二成像功能之一中选择操作。上述电子照相机还优选包括投影虚拟键盘，用户可在其上进行手动操作。

将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件，优选包括至少一个光学元件，其可选择地置于传感器的上游，仅用于该至少第二成像功能使用。可替换的并且优选的，该光学组件不包括可选择地置于传感器的上游、用于第一成像功能使用的，具有光焦度(optical power)的光学元件。

根据本发明的另一个优选实施例，在上述电子照相机中，将第一和第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件包括分束器，其为第一和第二成像功能定义分离的光路。在上述任一实施例中，通过适当地设置至少一个光闸以阻断至少一个成像功能，用户操作成像功能选择开关优选地可在第一和至少第二成像功能之一中进行选择操作。而且，第一和第二成像功能优选定义分离的光路，其可朝不同的方向延伸，或可具有不同的视场。

仍然根据本发明的另一个优选实施例，在上述使用了与波长相关的分束器的实施例中，分束器可分离可见光谱和IR光谱，分别供第一和第二成像功能使用。

而且，上述任一电子照相机优选还包括液晶显示器，表示像场的输出在其上显示。此外，将第一成像功能与电子成像传感器结合的光学组件优选包括视场扩大透镜。

仍然根据本发明的另一个实施例，进一步提供电子照相机，包含提供表示像场的输出的电子成像传感器，采用电子成像传感器在第一像场拍摄场景照片的第一成像功能，采用电子成像传感器在至少一第二像场拍摄场景照片的至少第二成像功能，将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件；以及用户操作成像功能选择开关，使得用户在第一和至少第二成像功能之一中进行选择操作。

将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件优选包括至少一个光学元件，其可选择地置于传感器的上游，仅用于至少第二成像功能使用。优选的并且可替换的，该光学组件不包括可选择地置于传感器的上游，用于第一成像功能使用、具有光焦度的光学元件。

根据本发明的另一个优选实施例，在上述电子照相机中，将第一和第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件包括与波长相关的分束器，其为第一和第二成像功能定义分离的光路。在上述任一实施例中，通过适当地设置至少一个光闸以阻断至少一个成像功能，用户操作成像功能选择开关优选地可在第一和至少第二成像功能之一中进行选择操作。而且，第一和第二成像功能优选定义分离的光路，其可朝不同的方向延伸，或可具有不同的视场。

而且，上述任一电子照相机优选还包括液晶显示器，表示像场的输出在其上显示。此外，将第一成像功能与电子成像传感器结合的光学组件优选包括视场扩大透镜。

根据本发明更多优选实施例，上述将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件优选为固定的。此外优选地，第一和第二像场在成像在电子成像传感器上之前，各自经过一次反射。这样，第二像场的反射优选通过绕枢轴旋转的装载(stowable)镜进行。可替换的并且优选的，第一像场可直接成像在电子成像传感器上，并且第二像场在成像在电子成像传感器上之前，可经过两次反射。这样，优选地通过绕枢轴旋转的装载镜进行两次反射中的第二次反射。而且，第二像场可以直接成像在电子成像传感器上，且第一像场可在成像在电子成像传感器上之前经过两次反射。

根据本发明的另一个实施例，进一步提供上述的电子照相机，其中第一成像功能在红外线区域内的谱带上执行，第二成像功能在可见光区域内的谱带上执行，该照相机还包括滤光片组，每个第一和第二成像功能用一个滤光片组。这样，滤光片组优选包括用于第一成像功能的滤光片组，其包含至少一个透射可见光区域和红外区域内谱带的滤光片，以及至少一个透射红外区域到低于红外区域内谱带的部分，而不透射可见光区域的滤光片，以及用于第二成像功能的滤光片组，其包含至少一个透射可见光区域至红外区域内谱带以下部分的滤光片。在后者中，第一和第二成像功能优选沿共用光路引导，并且第一和第二滤光片组根据所选成像功能交换使用。

根据本发明进一步优选的实施例，还提供上述电子照相机，其中优选地，为了将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器联合，或通过旋转位于光学组件之前的电子成像传感器，或可替换地通过旋转位于电子成像传感器之前的反射镜，来执行用户操作的成像功能选择，其中光学组件将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合。

根据本发明进一步的优选实施例，还提供上述电子照相机，其还包括部分透射分束器，以将第一和第二像场合并，其中两个像场都被部分透射分束器反射一次，像场之一还在被全反射器反射之后，从部分透射分束器透射。部分透射分束器还优选为二向色的。在这两种情形中，全反射器还优选为具有光焦度。

根据本发明的另一个优选实施例，甚至进一步提供包含电话功能的便携式电话，提供表示像场的输出的电子成像传感器，采用电子成像传感器在第一像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能，采用电子成像传感器在一第二像场拍摄场景的至少一张第二照片的至少第二成像功能，将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件，以及用户操作成像功能选择开关，使得用户在第一和至少第二成像功能中进行选择操作。

而且，根据本发明的另一优选实施例，还提供包含至少一个个人数字助理功能的数字个人助理，提供表示像场的输出的电子成像传感器，采用电子成像传感器在第一像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能，采用电子成像传感器在第二像场拍摄场景的至少一张第二照片的至少第二成像功能，将第一和至少第二成像功能与电子成像传感器结合的光学组件，以及用户操作成像功能选择开关，用于使得用户在第一和至少第二成像功能中进行选择操作。

根据本发明的另一优选实施例，提供包含遥控功能的遥控设备，提供表示像场的输出的电子成像传感器，采用电子成像传感器在第一像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能，采用电子成像传感器在第二像场拍摄场景的至少第二照片的至少第二成像功能，将第一和至少第二功能与电子成像传感器结合的光学组件，以及用户操作成像功能选择开关，用于使得用户在第一和至少第二成像功能中进行选择操作。

根据本发明的进一步的优选实施例，还提供产生图像的光学装置，该图像包含位于大衍射角的多个部分，所述光学装置包括提供输出光束的二极管激光光源，用于准直输出光束并限定准直光束平行于准直器光轴的准直器，用于限定(define)图像的衍射光学元件，来自准直器的准直光束射到该衍射光学元件上，产生多条衍射光束，这些衍射光束限定(define)图像并相对于准直器的光轴在一定角度范围内被导引，以及位于衍射光学元件下游的聚焦透镜，其将多条光束聚焦在远离衍射光学元件的点上。在这样的装置中，通常定义大的衍射角，这样当缺少位于衍射光学元件下游的聚焦透镜时，图像将具有无法令人接受的畸变。优选的，衍射角被定义为与准直器光轴至少形成30度。

根据本发明的优选实施例，甚至进一步提供产生图像的光学装置，该图像包含位于相对于轴线较大衍射角的多个部分，所述光学装置包括提供输出光束的二极管激光光源，接收输出光束并提供修正的输出光束的光束修正元件，用于限定准直光束的准直器，以及用于限定(define)图像的衍射光学元件，来自准直器的准直光束射到该衍射光学元件上，产生多条衍射光束，这些衍射光束限定(define)图像并相对于轴线在一定角度范围内被导引。通常定义大的衍射角，这样当缺少位于衍射光学元件下游的聚焦透镜时，图像将具有无法令人接受的畸变。优选的，衍射角被定义为与准直器光轴形成至少30度。本段所述的任何一个光学装置，优选还包含位于衍射光学元件下游的聚焦透镜，其将多条光束聚焦在远离衍射光学元件的点上。

而且，根据本发明的另一优选实施例，提供光学装置，其包含提供输出光束的二极管激光光源，以及限定图像模板的非周期性衍射光学元件，输出光束射到该非周期性衍射光学元件上，产生多条衍射光束，该些衍射光束限定图像模板。优选地，图像模板能够使数据输入到数据输入设备中。

根据本发明进一步的优选实施例，还提供投影图像的光学装置，其包含提供照明光束的二极管激光光源，定义多个聚焦元件的小透镜阵列，每个聚焦元件定义一条输出光束，以及包含多个衍射光学子元件的衍射光学元件，各子元件与多束输出光束之一联合，用于限定图像的一部分，并且来自聚焦元件之一的输出光束之一射到各子元件上以产生多条衍射光束，以使得多条衍射光束聚集在一起限定图像。图像优选包含模板以使得数据输入到数据输入设备。

根据本发明的另一优选实施例，提供用于投影图像的光学装置，其包含提供多束照明光束的二极管激光光源阵列，定义多个聚焦元件的小透镜阵列，每个聚焦元件聚焦多条照明光束之一，以及包含多个衍射光学子元件的衍射光学元件，各子元件与多束输出光束之一联合，用于限定图像的一部分，并且来自聚焦元件之一的输出光束之一射到各子元件上以产生多条衍射光束，使得多条衍射光束聚集在一起限定图像。图像优选包含模板以使得数据输入到数据输入设备。在本段所述任何一个光学装置中，二极管激光光源阵列优选为垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)阵列。

而且，在上述任一光学装置中，衍射光学元件优选定义光学装置的输出窗。

根据本发明的另一优选实施例，进一步提供激光二极管集成封装，包含发射光束的激光二极管芯片，修正光束的光束修正元件，聚焦修正光束的聚焦元件，以及从光束产生图像的衍射光学元件。图像优选包含模板以使得数据输入到数据输入设备。

可替换的并优选的，还提供激光二极管集成封装，包含发射光束的激光二极管芯片，以及从光束产生图像的非周期性衍射光学元件。在此实施例中，图像还优选包含模板以使得数据输入到数据输入设备。

根据本发明另一优选实施例，提供光学装置，包含输入照明光束，照明光束照射在其上的非周期性衍射光学元件，以及平移机构，其改变输入光束在衍射光学元件上照射的位置，其中优选的，衍射光学元件使入射光束以一角度偏转到投影面，该角度根据关于入射位置的预定函数改变。在这个实施例中，平移机构优选平移DOE。在本段所述任一装置中，入射位置可以以正弦方式改变，预定函数优选提供线性扫描。这样，预定函数优选提供产生具有均匀强度的图像的扫描。

在所述任一实施例中，输入光束或是准直光束，或是聚焦光束。在后一种情况中，装置还优选包含聚焦透镜，以将衍射光束聚焦到投影面上。

优选的，在上述光学装置中，关于入射位置的预定函数使光束在二维方向偏转。这样，平移机构可以在一维方向或二维方向平移DOE。

根据本发明另一优选实施例，进一步提供同轴二维光学扫描装置，包含使光束在二维方向偏转的衍射光学元件，该偏转与衍射光学元件上光束的入射位置成函数关系，衍射光学元件安装在其上的轻型支持结构，在轻型支持结构外面的第一框架，轻型支持结构通过第一支持构件连接到第一框架，从而轻型支持结构可以在第一方向以第一频率振荡，在第一框架外面的第二框架，第一框架通过第二支持构件连接到第二框架，从而第二框架可以在第二方向以第二频率振荡，以及至少一个驱动机构，用于至少激发第一频率和第二频率的振荡其中之一。在这个装置中，第一频率优选高于第二频率，这样的话，扫描为光栅型扫描。

根据本发明的另一优选实施例，提供光学装置，其包含发射照明光束的二极管激光光源，将照明光束聚焦到投射面上的透镜，照明光束照射于其上的非周期性衍射光学元件，以及改变输入光束在衍射光学元件上照射位置的平移机构，其中优选的，衍射光学元件使入射光束以一定角度偏转到投影面上，该角度根据关于入射位置的预定函数改变。除了将照明光束聚焦到衍射光学元件上的第一透镜，光学装置还优选包含将偏转的照明光束聚焦到投影面上的第二透镜。

上述涉及扫描应用的任一光学装置优选的可将数据输入模板投射到投影面上，或可替换并优选的，可将视频图像投射到投影面上。

附图说明

结合附图，从以下说明将对本发明更全面充分地明白和理解。其中：

图1是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的互换式光学组件的简明示意图；

图2是用于根据本发明另一个优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的光学组件的简明示意图；

图3是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的，图2中的光学组件多种可供选择的执行方式的广义示意图；

图4A和4B分别是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的图2中的光学组件的具体执行方式的直观示意图；

图5是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的，图2中的光学组件的具体执行方式的示意图；

图6是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的图2中的光学组件的具体执行方式的示意图；

图7是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的，图2中的光学组件的具体执行方式的示意图；

图8是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的，图2中的光学组件的具体执行方式的示意图；

图9是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的，图2中的光学组件的具体执行方式的示意图；

图10是用于图2-9B中的实施例的现有二向色滤光镜的反射曲线和透射曲线；

图11A，11B和11C是图3中的实施例与三种不同的反射镜组合的原理图；

图12A，12B，12C，12D，12E，12F和12G是图3中的实施例的七种可供选择的执行方式的示意图；

图13是根据本发明优选实施例构建和操作，用于投影模板的光学装置的简明示意图；

图14A和14B分别是根据本发明优选实施例的图13的装置的执行方案的简明示意图和顶视图；

图15A和15B分别是根据本发明另一个优选实施例构建和操作的，用于投影模板的装置的简明顶视示意图和侧视示意图；

图16是仍然根据本发明另一个优选实施例构建和操作的，用于投影模板的装置的简明侧视示意图；

图17是依然根据本发明另一个优选实施例构建和操作的，用于投影模板的装置的简明侧视示意图；

图18是合并了至少部分图13A-15B中所示元件的激光二极管封装的简明示意图；

图19是根据本发明优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简明示意图，该衍射光学元件在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他；

图20是根据本发明另一优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简明示意图，该衍射光学元件在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他；

图21是衍射光学元件用于二维扫描的简图；

图22是用于图21中的实施例的衍射光学元件的二维平移的简图；

图23是采用了图22中的装置，根据本发明优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简明示意图，该衍射光学装置在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他；

图24是采用了图22中的装置，根据本发明另一优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简明示意图，该衍射光学装置在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他。

优选实施例的详细描述

图1是用于根据本发明优选实施例进行构建和操作的组合照相机和输入设备的互换式光学组件的简明示意图，现在参照图1进行说明。此类照相机和输入设备可被用于移动电话，个人数字助理，遥控或类似设备。在图1的实施例中，双重功能CMOS照相机模块10提供中等视场12的普通彩色成像和大视场14的虚拟接口感应。

如被整个引为参考的国际公开号为WO 2004/003656的PCT申请所述，为获得准确的图像校准，用于以虚拟接口模式成像的成像透镜需要以非常高的机械精度和再现性进行设置。

在图1的实施例中，在照相机模块10中，大视场成像透镜16被安装在CMOS照相机18前面。因此在***制造过程中，虚拟接口可以被精确校准到高精度水平。

当在虚拟接口模式中采用CMOS模块10时，如图1上部所示，红外透射滤光片20设置在广角透镜16前面。该滤光片不需要相对于模块10精确设置，因此可采用简单的机械定位机构22达到目的。

当CMOS照相机模块10被用于通用彩色成像，如图1底部的虚线部分所示，操作定位机构22，使得在照相机模块前面用场缩小透镜24和红外阻挡滤光片26替换红外滤光片20。同样在这种成像模式中，因为用户通常可以调整照相机以适当设计图像，所以场缩小透镜24的侧向精确定位不重要，从而可以采用简单的机械机构实现定位功能。

虽然在图1所示的优选实施例中，根据所需像场的类型，机械定位配置示出为单个互换式光学单元28，其通过单个简单的机械定位机构22有选择地设置在照相机模块10前面。可以理解的是，本发明可以同样应用其他机械定位配置，例如，通过各自的机构，将用于每个视场的每组光学组件移到模块10前方的位置。

而且，虽然在图1中，只示出一种通用彩色成像状态(position)，可以理解在这里可以提供不同类型的成像功能，无论是用于通用视频，或是静态记录，或是在特写摄影中，或是在任何其他彩色成像应用中，这些功能中的每一个通常需要自己的场成像光学组件。定位机构22则适于使得能够在虚拟界面模式和任何一种安装的彩色成像模式间切换。

图1所示的实施例需要机械移动部件，与静态光学设计相比，机械移动部件使得结构复杂并可能成为不可靠性的根源。现在参照图2至9B，其示出用于双重模式CMOS图像传感器的改进光学设计的示意图，提供与参照图1所述的上述内容基本相同的功能，但是其不需要移动部件。

现在参照图2，CMOS照相机118和关联的中等视场透镜120设置在分色镜122后面，分色镜122至少在与透镜120的视场对应的角度范围上透射红外光并反射可见光。场扩大透镜124和阻隔可见光的红外透射滤光片126沿红外透射路径设置。可以理解的是上述配置提供了具有大视场130的红外虚拟接口感应***。

常用的可见光反射镜132和红外阻挡滤光片134沿可见光路径设置，因此在中间视场140提供彩色成像能力。

图2的实施例具有一个优点，即两个成像路径是分离的并位于设备的相对侧。当将双重模式光学模块用于移动设备时，这是特别有用的特点，移动设备例如移动电话和个人数字助理，其中为了使用屏幕构成图像，希望在设备设置屏幕一侧的相反方向获得图片，并且，另一方面，为了使被输入的数据可视化，希望在与设备的屏幕相同一侧提供虚拟输入能力。

现在参照图3，图3是本发明进一步优选实施例的示意图，示出了双重模式光学组件模块的光路，该双重模式光学组件模块合并了具有窄视场300，302，304的可见光成像***和大视场，该可见光成像***用于拍摄照片，该光路可选择被导向设备背面300，侧面302或前面304，并且用于虚拟键盘功能的红外成像路径从设备的前面朝向前方。为了简化，在图3中只示出了大视场的一半310上的光路。

如图3所示，CMOS照相机316接收经过LP滤光片318、多个透镜320和分色镜322的光。红外光经由大视场透镜324透射通过分色镜322。来自设备背面的窄视场的可见光被全反射镜326反射到分色镜322上，从分色镜322上再被反射到照相机聚焦组件中；来自设备前面的可见光被全反射镜328反射到分色镜322；来自设备侧面的可见光没被反射，直接到达分色镜322。根据希望在哪个窄视场成像，优选切换反射镜326，328中的任一个到相应位置，或不对其进行切换。图2和3中不同具体实施例的细节在图4A至9中示出。

现在参照图4A和4B，其分别是用于根据本发明的优选实施例构建和操作的组合照相机和数据输入设备的图2或3的实施例的具体执行方式的直观示意图。该具体双重光学组件执行方式结合垂直朝向(vertical facing)的照相机，并且每个光路被单个反射镜翻转，因此可以得到一种非常紧凑的方案。来自虚拟键盘的红外光被接收，其沿光闸350和场扩大透镜352定义的路径行进，被反射镜354反射，通过二色光组合器(dichronic combiner)356、传统照相机镜头358和干涉滤光片360，到达照相机362，例如CMOS照相机。来自场景的可见光沿光闸370和IR阻挡滤光片372定义的路径行进，并被二色光组合器356反射，通过透镜358和干涉滤光片360到照相机362。可以理解的是光闸370和IR阻挡滤光片372可被合并为单个设备，如图所示，或可为独立的设备。

现在参照图5，其是用于根据本发明的优选实施例构建和操作的组合照相机和输入设备的图2的实施例的另一具体执行方式的示意图，其中采用多个与图4A和4B相同的元件，并且其也是非常紧凑的实施例。来自场景的可见光被接收，其沿光闸380和IR阻挡滤光片382定义的路径行进，被反射镜384反射，通过二色光组合器386、传统照相机镜头388和干涉滤光片390，到达照相机392，例如是CMOS照相机。来自虚拟键盘的红外光沿光闸394和场扩大透镜396定义的路径行进，被二色光组合器386反射，通过透镜388和干涉滤光片390到照相机392。可以理解的是光闸380和IR阻挡滤光片382可被合并为单个设备，如图所示，或可为独立的设备。

现在参照图6，其是用于根据本发明的优选实施例构建和操作的组合照相机和输入设备的图2的实施例的具体执行方式的示意图，并参照图7，其示出了图6中实施例的变形例。该实施例的特征在于水平朝向(horizontal facing)的照相机和一条光路直接指向设备外部，并且第二光路被两个反射镜翻转而指向相反方向。其优势在于照相机组件通常被安装为平行于该设备的其他所有组件，并且可以和该设备的其他部件组装在相同的印刷电路板上。

具体地转向图6，在该实施例中，场景被直接成像，虚拟键盘经过两次反射，可以看出来自场景的可见光被接收，其沿光闸400和IR阻挡滤光片402定义的路径行进，并通过二色光组合器404、传统照相机镜头406和干涉滤光片408到达照相机410，例如是CMOS照相机。来自虚拟键盘的红外光沿光闸414和场扩大透镜416定义的路径行进，被反射镜418反射，并经由二色光组合器404反射通过透镜406、干涉滤光片408和照相机410。可以理解的是光闸400和IR阻挡滤光片402可被合并为单个设备，如图所示，或可为独立的设备。

具体地转向图7，在该实施例中，虚拟键盘被直接成像，场景经过两次反射，可以看出来自场景的可见光被接收，其沿光闸420和IR阻挡滤光片422定义的路径行进，被反射镜424反射，并被二色光组合器426反射，通过透镜428、干涉滤光片430和照相机432，例如CMOS照相机。来自虚拟键盘的红外光沿光闸434定义的路径行进，通过场扩大透镜436、二色光组合器426，透镜428，干涉滤光片430到达照相机432，例如CMOS照相机。可以理解的是光闸420和IR阻挡滤光片422可被合并为单个设备，如图所示，或可为独立的设备。

现在参照图8，其是用于根据本发明的优选实施例构建和操作的组合照相机和输入设备的图2或3的光学组件的具体执行方式的示意图，并参照图9，其是图2或3的光学组件的另一具体执行方式的示意图，与图8类似。图8和9的实施例的特征在于采用了水平和垂直传感器，以及可绕枢轴转动的反射镜，其也可以起到光闸的作用，从而在设备内部只需要单个内部反射镜以分离光路。

具体地转向图8，可以看出来自场景的可见光被接收，由可绕枢轴转动的反射镜450反射，沿穿过二色光组合器454、传统照相机镜头456和干涉滤光片458的光路到达照相机460，例如CMOS照相机。可绕枢轴转动的反射镜450还起到主要光闸的作用，以阻隔可见光成像设备。当侧向场景被成像，可绕枢轴转动的反射镜450旋转到光路之外，由图8中的垂直方向示出。来自虚拟键盘的红外光一般沿由光闸464和场扩大透镜466定义的水平路径行进，如图8所示，被二色光组合器454反射，通过透镜456、干涉滤光片458，而进入照相机460。

具体地参照图9，可以看出来自场景的可见光被接收，其被可绕枢轴转动的反射镜470反射，沿通过二色光组合器474反射的路径，经过传统照相机镜头476和干涉滤光片478到照相机480，例如CMOS照相机。可绕枢轴转动的反射镜470还起到主要光闸的作用，阻隔可见光成像设备。当侧向场景被成像，可绕枢轴转动的反射镜470旋转到光路之外，由图9B中的垂直方向示出。来自虚拟键盘的红外光一般沿由光闸484和场扩大透镜486定义的水平路径行进如图9A和9B所示，并经过二色光组合器474，通过透镜476、干涉滤光片478，进入照相机480。

在以上图2-9的实施例的设备中，当VKB模式被成像时，只有IR照明波长周围区域的光，通常是785nm区域，被透射到照相机。这优选地通过使用IR导通(cut-on)和IR截止滤光片的组合来实现。另一方面，使用该设备的其他模式，例如用于视频会议，视频或快速成像，或特写摄影，通常需要仅仅是可见光区域的光到达照相机。这意味着当单个照相机模块被用于两种模式，光谱滤光片必须根据所选模式在进入或离开光路之间切换。

现在参照图10A，图10A是用于图2-9中的实施例的滤光片的透射曲线图。图10A在轨迹A中示出了阻隔近IR区域的传统IR截止滤光片的特征。此类IR截止滤光片可以被实现为吸收滤光片，或干涉滤光片，并优选用于可见光成像模式光路，以防止VKB照明与可见图像相互干扰。在图2-9的实施例中，当设备被用于VKB成像模式，可以用仅通过VKB照明IR区域的滤光片替换传统截止滤光片。这优选可通过使用两个滤光片执行；一个导通滤光片，其透射特性由图10A中轨迹B所示，以及一个LP干涉滤光片，其透射特性如图10A中用于两种不同入射角的轨迹C1和C2所示。

现在参见图10B，其是用于图2-9中的实施例的可供选择并优选的滤光片配置的曲线图，其中单个窄通干涉滤光片，在图中用D标识，优选具有770至820nm的通频带，其与标识为E，通频带为400至700nm的可见光滤光片一起，被用于VKB成像通道。标识为E的IR阻挡滤光片被用于可见光模式以防止图像被VKB IR照明干扰，或被背景NIR照明干扰。

现在参见图11A，11B和11C，其是图3中的实施例与三种不同的反射镜组合的简化示意图。图11A-11C所示的所有实施例均涉及沿不同光路对不同视场成像使用单个照相机。所有光路被成像在照相机的焦平面上，但是在任何特定时刻，仅采用一个光路。每个光路表示一种独立的操作模式，其由用户转换到激活状态。图11A，11B和11C中的实施例都不包括移动部件。

转向图11A，可以看出来自图11A中左边的光被标准光谱分束镜或分色镜500全部或部分地反射到照相机光学组件502，然后进入照相机503。所用的特定反射镜组合取决于各个通道的光谱成分。当两个通道都是可见光通道，使用标准分束镜500。当通道之一在红外光内，使用二向色部分反射镜500。来自右边的光被反射两次，典型地是被反射镜500反射50％，再被顶部反射镜504全部反射，该光再被导引通过反射镜500，朝向照相机光学组件502和照相机503。这种模式使得左边光路为50％透射，右边光路为25％透射。

图11B所示配置与图11A类似，然而在图11B中，用凹面镜506替换了顶部反射镜，以提供较大的视场。

图11A和11B的实施例还可以通过使用一对棱镜执行。

在图11C的实施例中，顶部反射镜504相对于它在图11A中的取向而向上倾斜，并且没有使用反射镜500对来自图中右边的光进行反射。这种配置具有和图11A的实施例基本相同的性能，但是尺寸较大。

现在参照图12A，12B，12C，12D，12E，12F和12G，其是图3中的实施例的七种可供选择的执行方案的简化示意图。

表1阐明了七种实施例的本质特征，该些特征将在以下详细说明。

表1：在移动式手持装置中实现四个光场的综述
								图	照相机	VSSR-背面视场	VC-前面视场	CUP-背面/侧向视场	VKB-前面视场
	12A	HR	全视场专用视场	HR部分视场WDWG切换到模式	外部/内部宏	DS全视场切换到模式
								12B	HR	VMS-VSSR位置全视场	VMS-VC位置DS(WDWG)	VMS-宏位置	DS全视场专用视场
	12C	HR	全视场	DS部分视场切换到模式	外部/内部宏	DS全视场切换到模式
								12D	HR+HR	全视场独立的HR照相机	WDWG部分视场切换到模式	外部/内部宏	DS全视场切换到模式
	12E	HR+LR/HR	全视场独立的HR照相机	WDWG部分视场全LR或DS HR切换到模式	外部/内部宏HR	LR或DS HR的全视场切换到模式
								12F	HR+LR	VMS-VSSR位置全视场HR	VMS-VC位置DS(WDWG)HR	VMS-宏位置HR	LR专用照相机
	12G	HR	HS-VSSR位置全视场	HS-VC位置DS(WDWG)	HS-宏位置	HS-VKB 位置DS
							注意：WDWG＝开窗，DS＝压缩采样，HS＝水平回转，VSSR＝视频和快照记录，VC＝视频会议，CUP＝特写摄影，VMS＝垂直反射镜回转，HR＝高分辨率照相机，LR＝低分辨率照相机

转向图12A，其是在一个照相机中提供四个视场而不具有任何移动光学组件的实施例。可以看出共用光学组件被提供给所有的四个视场，并且包括高分辨率彩色照相机550，典型的为VGA或1.3M像素照相机，其具有入射孔径干涉滤光片552，如图10A和10B所示，该入射孔径干涉滤光片552优选包含一可见光透射滤光片以及一透射780nm IR照明光的滤光片，透射780nm IR照明光的滤光片或可见光透射滤光片都是特定的带通滤光片，或是低通滤光片，共用光学组件还包括具有大概20°的窄视场的透镜554。现在对该四个视场的光学配置进行说明。

优选地，通过可选择的场透镜560，以便将视场扩大大约1.5倍，和光束组合器(combiner)562拍摄VSSR视场556。VSSR视场采用固定IR截止窗564以允许/阻止来自VSSR视场的光通过，其中该固定IR截止窗564被不透光的滑动光闸566覆盖。优选地，用于此视场的光学组件具有轻度失真(＜2.5％)并支持照相机550的分辨率，优选地对于VGA照相机，调制传递函数MTF在50cy/mm时大约为50％，对于1.3M照相机在70cy/mm时大约为60％。

优选地，VKB视场576和VC视场586通过大角度场透镜590来获取，依靠几何结构，大角度场透镜可以将共用光学组件的视场扩大至4.5倍。透镜590的视场的中心部分，例如VC视场，优选地设计为在光谱的可见光部分获得图像，并具有小于4％的失真度，分辨率在70cy/mm时大约为60％。透镜590的视场的剩余部分，例如VKB视场，具有高达25％的较高失真度，以及较低的分辨率，典型地对于785nm在20cy/mm时小于20％。

在透镜590前面，优选的提供具有三个工作区域的三重位置滑块或旋转光闸594，三个工作区域是不透光区域596，用于提供真彩***的IR截止区域598和感应来自虚拟键盘的IR的IR导通滤光片区域600。对VC视场在区域600适当定位光闸594，使得当采用适合的IR源，例如IR LED时，可以实现低分辨率IR成像。

来自场透镜590的光通过平面反射元件580向下反射，朝向照相机光学组件554和照相机550。在最简单的三重视场的实施例中，该平面反射元件580为全反射镜。当使用附加的可选第四视场时，如下所述，该平面反射元件580是二向色光束组合器。

当平面反射元件580是分色镜或光束组合器时，可以提供一个可选择的附加视场582，因为组合器562和580都是平面窗口，他们将使图像质量的失真最小化。在视场582前面，是一个导通/截止光闸。可绕枢轴转动的反射镜584使得该附加视场在照相机之上，如图12A所示，或是通过适当对准，使得该视场在照相机侧面。可替换的，如果仅仅是上部视场被使用，其可以是滑动光闸。

通过在VSSR视场556采用可变场透镜可以在内部提供CUP视场，或通过在VSSR视场556或可选择视场582前面采用附加的微距镜头可以在外部提供CUP视场，如Nokia 3650和Nokia 3660中那样。在后一种情况中，上部反射镜580应该为透射可见光并高度反射785nm的光的二色光组合器。该可选择视场还在IR截止窗前具有截止/导通光闸(滑动或翻转)，也未在图12A中示出。

现在参见图12B，其为在一个照相机中提供四个视场的实施例，但是与图12A中的实施例不同，其采用回转反射镜的头(seiveledmirror head)。可以看出共用光学组件被提供给四个视场，并且包括高分辨率彩色照相机650，典型的为VGA或1.3M像素照相机，其具有入射孔径滤光片，优选为干涉滤光片652，如图10A和10B所示，该入射干涉滤光片652优选包含可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是作为特定的带通滤光片，或是作为低通滤光片，共用光学组件还包括具有大概20°的窄视场的透镜654。

顶部回转头660包含安装在旋转基座664上的倾斜反射镜662，图12B中通过回转头上的圆形箭头原理性示出。反射镜662可以以预定倾斜位置安装，或可替换地以可绕枢轴转动的方式安装。可有选择地使通过回转头660的光截止，例如，当采用固定的倾斜反射镜的时候，其可通过将回转头转到没有光进入的盲区实现，可替换的，当采用可绕枢轴转动安装的倾斜反射镜时，其可通过将反射镜绕枢轴转到没有光进入的位置来实现。

虽然回转头可以旋转664并且获取任意方向的图像，但是可以认识到其对定义分离的成像位置(imaging station)更有用。在各个位置间的移动需要图像在屏幕上的旋转。所获得的图像是镜像，如果需要的话，其可以进行电子校准。在回转头中示出了入射孔径640，其指向图平面的外部。

IR截止滤光片670被设置在回转头660的正下方，使得能够获得真彩色照片。来自回转头660的光经由二色光组合器672到达CMOS照相机650。可提供面对回转头各位置的附加光学组件(图12B中未示出)，使得给定视场能够适当地成像。

现在对四个视场的优选光学配置进行说明。

VKB模式——用于VKB模式的场透镜680依赖几何结构，获取高达大约90°的大视场694的图像。IR导通滤光片的塑料窗682被设置在场透镜的前面。通过分色镜672，将被获取的IR光导向共用光学组件。优选的，在CMOS上获得的IR图像优选为低质量的，其桶形畸变高达25％，MTF对于785nm在20cy/mm时大约为20％。为启动VKB模式，不透明光闸684必须打开，并且顶部回转头转到截止位置。

通过启动用于VSSR成像的顶部回转头660，并将其转到在手持装置背面的VSSR位置，获得VSSR模式，从而，通过将视场扩大大约1.5倍的VSSR场透镜696，VSSR视场688被成像。

通过启动顶部回转头660并将其转到在手持装置的前侧的VC位置，来实现VC模式，其中在上述位置设有LCD，使得可以利用可选择光学元件690对VC视场692成像。使用这种选择，仅仅利用了COMS成像平面的一部分，这即是所知的窗口选择。当光学元件690不存在，透镜654的原始FOV在整个照相机感应区域获取图像，但是被压缩采样以给出较低分辨率的VC图像，这即是所知的压缩采样选择。

通过上述涉及图12A的实施例的方式之一可以实现CUP模式。

现在参照图12C，其是在一个照相机中提供四个视场的实施例，具有用于VC视场的移动内嵌(inline)光学组件。可以看出共用光学组件被提供给全部四个视场，并且包括高分辨率彩色照相机700，典型的为VGA或1.3M像素照相机，其具有入射孔径干涉滤光片702，如图10A和10B所示，该入射孔径干涉滤光片702优选包含可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是作为特定的带通滤光片，或是作为低通滤光片，共用光学组件还包括具有大概20°的窄视场的透镜704。现在对该四个视场的优选光学配置进行说明。

VSSR视场708通过将视场扩大大约1.5倍的附加场透镜710和二色光组合器712获取。优选的，VSSR视场具有固定/滑动IR截止窗714，以及不透光滑动光闸716，用于导通/截止成像路径。用于VSSR视场的光学组件应具有＜2.5％的轻度失真并支持照相机的分辨率，对于VGA照相机，应提供的MTF在50cy/mm时大约为至少50％，并且对于1.3M照相机，在70cy/mm时大约为至少60％。

VKB视场720通过广角场透镜722获取，依靠所选几何结构，广角场透镜优选地将共用光学组件的视场扩大至4.5倍，并且VKB视场720通过反射镜724并经由二色光组合器712被导向共用光学组件。VKB模式的视场质量较低，其具有高达25％的失真度，以及低分辨率，典型地对于785nm在20cy/mm时小于20％。当VKB模式被激活，模式选择滑块726设置到IR导通滤光片位置728，该位置优选为合适的黑色塑料窗。

利用如图12A的实施例所示，但是没有在图12C中示出的附加组件，可以提供附加可选择视场730。

当设置为场缩小元件734的三重模式选择滑块726在广角场透镜722前面，如图12C中所示位置，就获得VC视场模式732。这种配置将视场减小到大约30°，并且将图像聚焦在照相机700中的CMOS的整个有效区域上。而且，这种选择的配置通过结合在场缩小元件734中的IR截止滤光片，将IR附近的光滤除。由于对于VC模式仅需要CIF分辨率，在这种分辨率下照相机被切换到压缩采样模式，对于可见光范围，所需要的光学分辨率在35cy/mm时大约为60％，并且失真优选低于4％。虽然这种选择的配置涉及使用移动光学组件734，但是因为图像分辨率不需要非常好，所以构建有0.05mm机械重复性(mechanical repeatability)即满足要求，并且该重复性不需要高精度机械构建技术即可容易得到。

通过上述涉及图12A的实施例的方法之一可以实现CUP模式。

现在参见图12D，其是使用两个照相机提供四个视场的实施例，但是不需要任何移动光学组件。现在对该四个视场的优选光学配置进行说明。

利用聚焦透镜742和具有VGA或1.3M像素分辨率的传统照相机744可以获得VSSR视场740。优选地，相同的照相机还可用于CUP模式成像，或是利用附加的微距模块在外部实现，如Nokia3650/Nokia 3660那样，或是利用模块在内部实现，该模块例如FDK和Macnica的FMZ10或Sharp的LZ0P3726模块。

通过上述涉及图12A的实施例的方法之一可以实现CUP模式。

VC视场750和VKB视场752模式优选使用高分辨率照相机754，例如VGA或1.3M像素分辨率的照相机，其具有视场高达90°的大视场光学组件756，这取决于所用VKB的几何结构。滤光片优选设置在照相机754的前面，该滤光片优选为干涉滤光片764，如图10A和10B所示，优选包含可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是作为特定的带通滤光片，或是作为低通滤光片。在该实施例中的模式选择滑块758优选仅使用两个位置，一个用于VKB模式，一个用于VC模式。在VKB模式，滑块将IR导通窗滤光片760置于透镜756前面。在VC模式，滑块将IR截止窗滤光片762置于透镜756前面。

在VC模式中，照相机以开窗模式工作，其中仅仅使用视场的中心。对该模式使用30°视场。该视场优选具有低于4％的失真度，以及在可见光范围内MTF在70cy/mm时至少为大约60％。

在VKB模式中，需要高达90°的大视场，但是可以容忍高达25％的较高的失真度，并且分辨率可以较低，典型的是对于785nm在20cy/mm时低于20％。在这种模式中，照相机优选以垂直开窗模式工作，还优选以水平压缩采样模式工作。

现在参照图12E，其是利用两个照相机提供四个视场的实施例，但是使用了用于VC视场的移动内嵌光学组件。现在对该四个视场的优选光学配置进行说明。

利用聚焦透镜772和具有VGA分辨率或1.3M像素分辨率的传统照相机744可以得到VSSR视场770。优选地，相同的照相机还可用于CUP模式成像，无论是在外部利用附加微距模块，如Nokia3650/Nokia 3660那样，还是在内部利用例如FDK和Macnica的FMZ10或Sharp的LZ0P3726模块的模块。通过上述涉及图12A的实施例的方法之一可以实现CUP模式。

VC视场776模式和VKB视场778模式都优选使用低分辨率照相机780，或处于压缩采样模式的高分辨率照相机。滤光片优选设置在照相机780的前面，该滤光片优选为干涉滤光片784，如图10A和10B所示，优选包含一可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是作为特定的带通滤光片，或是作为低通滤光片。在照相机前面有大视场光学元件782，其依赖所用VKB的几何结构，具有高达90°的视场，该光学元件通用于这两种模式。通过包含IR导通窗滤光片788和内嵌IR截止滤光片780的场缩小透镜的模式选择滑块786，在这些模式间进行选择。

在VC模式中，模式选择滑块786对具有IR截止滤光片的场缩小透镜定位，场缩小透镜使得照相机的有效视场缩小到大约30°。该视场优选具有低于4％的失真度，以及在可见光范围内MTF在30cy/mm时低于大约60％。

在VKB模式中，模式选择滑块786将IR导通滤光片窗788置于场透镜782之前。对于该视场，高达25％的高失真度，并且具有低MTF，对于785nm MTF在20cy/mm低于20％，这就足够了。

现在参见图12F，其是使用固定的低分辨率照相机，以及结合与图12B所示相似的回转镜的高分辨率照相机，提供四个视场的实施例。现在对该四个视场的优选光学配置进行说明。

优选地，VKB视场790模式依赖所用几何结构，成像在具有视场高达90°的大视场透镜794的低分辨率照相机(CIF)792上。滤光片优选设置在照相机792的前面，该滤光片优选为干涉滤光片816，如图10A和10B所示，优选包含可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是作为特定的带通滤光片，或是作为低通滤光片。在透镜794前面有固定的IR导通滤光窗796。该大视场成像***失真度可以高达大约25％，并且低MTF，典型地对于785nm在20cy/mm时低于20％就足够了。

顶部回转头800包含安装在旋转基座804上的倾斜反射镜802，图12B通过回转头上的圆形箭头原理性示出。反射镜802可以以预定倾斜位置安装，或可替换地以可绕枢轴转动的方式安装。可有选择性地使通过回转头800的光截止，例如，当采用固定的倾斜反射镜，其可通过将回转头转到没有光进入的盲区实现。可替换的，当采用可绕枢轴转动安装的倾斜反射镜时，其可通过将反射镜绕枢轴转到没有光进入的位置实现。

虽然回转头可以旋转804，并且获取任意方向的图像，但是可以认识到其对定义分离的成像位置更有用。在各个位置间的移动需要图像在屏幕上的旋转。所获得的图像是镜像，如果需要的话，其可以进行电子校准。IR截止滤光片806被设置在回转头800的正下方，使得能够获得真彩色照片。

来自回转头800的光通过视场为30°的量级或更小的聚焦透镜808，到达CMOS照相机810。可面对回转头各位置设置附加光学组件(图12F中未示出)，使得给定视场能够适当地成像。

通过启动用于VSSR成像的顶部回转头800并旋转回转头800到位于手持装置背部的VSSR位置，可以获得VSSR模式，从而VSSR视场812被成像。

通过启动用于VC成像的顶部回转头800，并旋转回转头800到位于手持装置前面的VC位置，其中在该处设置了LCD，就可以获得VC模式，从而VC视场814成像。选择这种模式，仅用到部分CMOS成像平面，这就是所知的开窗选择。否则，图像被压缩采样，以给出较低分辨率的VC图像，这就是所知的压缩采样选择。

通过上述涉及图12A的实施例的方式之一可以实现CUP模式。

现在参照图12G，其是利用在具有对接位置(docking)的水平转环上的照相机提供四个视场的实施例。在这个实施例中，照相机820，与它的聚焦光学组件822和滤光片824一起，其功能将在以下进行描述，并且照相机820围绕水平轴826旋转，该水平轴被调整为指向图12G画面外部的方向。通过将照相机设置在几个固定位置，可以获得四个视场。在每个位置，可选择地设置附加光学组件，以在该位置启动计划的功能。在现有技术中对蜂窝式电话中的可旋转照相机已有描述。

共用光学组件通常包括高分辨率CMOS照相机820，或为VGA，或为1.3M像素的，以及20°-30°视场的透镜822。滤光片，图12G未示出，但是与用于图10A和10B的实施例的类似，优选包含可见光透射滤光片以及透射780nm IR照明光的滤光片，或是特定的带通滤光片，或是低通滤光片，该滤光片优选设置在照相机840的前面，或作为照相机入射窗的一部分。现在对该四个视场的优选光学配置进行说明。

在VSSR模式中，照相机被配置在位于手持装置后侧的IR截止滤光窗824的前面，从VSSR视场828面对入射孔径。用于该视场的光学组件具有轻度失真，优选＜2.5％，并且对于VGA照相机，支持MTF在50cy/mm时为～50％的照相机分辨率，对于1.3M照相机，支持MTF在70cy/mm时为～60％的照相机分辨率。

在VC模式中，现在在位置830中示出的照相机，被设置在位于手持装置的前侧的IR截止滤光窗832前面，从VC视场834面对入射孔径。在这个位置图像被压缩采样。对于可见光，光学分辨率优选在35cy/mm高于大约60％，并且失真小于4％。

在CUP模式中，在位置840中示出的照相机，被向上指向具有IR截止滤光片844的微距镜头组件842。用于这个视场的光学组件具有轻度失真，优选＜2.5％，并且对于VGA照相机，支持MTF在50cy/mm时为至少50％的照相机分辨率，对于1.3M照相机，支持MTF在70cy/mm时为至少60％的照相机分辨率。

最后，在VKB模式中，在位置846中示出的照相机，被设置得向下指向键盘投影的位置。在这个位置，透镜前面的光学组件优选包括扩大透镜848和IR导通滤光窗850。在这个模式中，照相机典型地以开窗、压缩采样模式工作。全部光学组件的视场852较宽，典型地高达90°，这取决于所用的几何结构。该大视场可以容忍较高等级的失真，典型地高达25％，并且仅需要低MTF，典型的对于785nm在20cy/mm时为20％。

现在参照图13，其是根据本发明的优选实施例构建和操作，用于投影模板的光学装置的简化示意图。图13示出在虚拟界面应用中，用衍射光学元件(DOE)1000对图像模板进行投影。在本发明的这个实施例中，通过将来自例如激光二极管的光源1002的光束引导通过准直透镜1004，使光束在无限远的共轭距离聚焦，从而所有光线平行于准直轴1010，并以相同的角度投射到DOE1000上，可以消除在现有技术配置中，当通过在DOE上照射聚焦光束来提供DOE照明时出现的像散现象。采用小功率聚焦透镜1006将衍射光斑聚焦到像场，尽量在用于聚焦的最佳点，即像场中心某处，如以下结合图14A和14B所述。

图13中示出了计算得出的衍射光线径迹，从***部分1008可以看出，与非准直光束入射到DOE上的DOE成像***相比，在这个配置中，在像散的减小，以及由此而使得焦斑尺寸上可以获得明显改进。该改进的结果可以提供更亮的衍射光斑，由此得到对比度更高而投影功率较低的图像。可以设计聚焦透镜1006，使其表面曲率半径集中在DOE的发射区域，以最小化附加几何像差。该透镜还可被设计为非球面以相应于对应投影图像不同区域的不同衍射角获得可变焦距。

现在参照图14A和14B。图14A是根据本发明的优选实施例的图13装置的执行方案的简化示意图，而图14B是通过图14A的装置在成像平面产生的图像的示意图。降低这种类型的投影图像的质量的因素之一在之前参照图13已经讨论过，其是源于准直和/或聚焦透镜或透镜组的景深有限，加上斜投影角，其使得难以在整个像场获得高质量聚焦。

从几何光学考虑，可知的是焦斑的景深与所用光焦度相反地变化。因此，显见的是，对于给定的DOE的光焦度，在DOE上照明光斑越大，景深越小。因此，为了在像平面维持好的焦深，使用焦距足够短的准直透镜是有利的，从而最小面积的DOE被照明，与对足够面积照明，以获得令人满意的衍射图像相对应。

典型的激光二极管光源，如现有技术中的DOE成像***所用的，通常产生具有椭圆形状1020的像散光束，如图14A中的***部分所示。这导致对DOE照明的光斑沿与激光二极管的慢轴1022相应的轴延长，并且DOE之后的投影图像景深相应减小。相反，根据本发明的优选实施例，光束修正元件1010被***在激光二极管1012和准直/聚焦元件1014之间，以生成大体上更圆的发射光束1024，如图14A的第二***部分所示，并且该光束沿光轴1042被引导。因此可以选择准直/聚焦元件1014以最小总体光斑尺寸对DOE的足够面积照明，获得对于给定的DOE焦度的最大可能的景深。可将低放大率聚焦透镜放置在远离DOE的地方，如图13的实施例所示，以在光学设计中对在像场聚焦衍射光斑提供更多的灵活性。

图14B图示了利用图14A中所示优选投影***，通过像平面1018上获得的图像。图14B应该结合图14A进行观看。设计最佳焦点1036，以最小化整个图像的散焦和几何变形以及几何像差。优选地，提供光束阻挡装置1044阻隔不想要的幻象或产生自零级或其他衍射级的亮斑。而且，不需要窗口1046对期望的投影光束限制进行定义。

现在参照图15A和15B，其分别是根据本发明另一个优选实施例构建和操作的用于投影模板的装置的简化顶视示图和侧视示图。从图15A和15B可以看出，该实施例与现有技术区别在于使用了非周期性DOE 1050，其通常需要在激光光源1052前精确定位，并且不需要准直照明光束。每束照明光束的入射部分生成图像模板1056的独立部分。

这种配置的一个优势在于不需要聚焦透镜，潜在地降低了制造成本。另一个优势是没有来自非衍射光的明亮的零级光斑，而有尺寸取决于激光发散角的扩散的零级区域1054。这种零级亮斑不出现安全危害。而且，因为它的低强度和扩散，所以如果它不会对明显的图像的对比度产生负面影响，就不需要像图14A和14B的实施例所需的那样，将其从主图像105分离并对其阻隔，因此减小了所需的最小窗口尺寸。

现在参照图16，其仍然是根据本发明的另一优选实施例构建和操作的用于投影模板的装置的简化侧视示意图。图16示意性地示出改进的DOE几何结构的横截面。优选地，用激光二极管1060对DOE1072照明。然而，不像现有的照明方案，DOE 1072被这样划分，使得不同部分1070被用于投影虚拟界面模板的不同区域1076。因此，DOE 1072的各个部分1070作为独立的DOE，设计为包含比整个DOE1072更少的信息，并具有小得多的孔径角θ。这减小了DOE 1072的周期，因此增大了最小形体尺寸，大大简化了制造工艺。这种设计的附加优势在于零级和各段的幻象被最小化到不需要像在现有技术中一样分离并掩蔽的程度。因此DOE可以用作实际的设备窗口，以制作更紧凑的设备。

优选地，所有独立的部分1070在一起进行计算并在单个通道中进行控制(master)，使得它们都可以被精确对准。通过在DOE 1072的基板背面形成例如小透镜阵列1074的分束结构，可以对各DOE部分1070提供各自的照明光束。还可以采用可替换的分束和聚焦技术。

可以调整分束和聚焦区域的大小，以为DOE的各个衍射区域收集适合的光量，以在整个视场上确保均匀照明。

该技术还具有附加优势，即各段1070的焦距可以单独调整，因此甚至在投影角高度倾斜的情况下，在整个视场也能获得更均匀的聚焦。因为该几何结构对各个衍射段1070具有小孔径角θ，以及最小形体尺寸相对较大，该设计可以使用同轴几何结构，因为利用标准制造工艺，可以有效排除零级和幻象。因此不需要屏蔽。

这种几何结构的缺陷在于整个元件作为需要与光源精确对准的非周期性DOE。激光二极管光源的发散角和能量分布，以及到光学元件的距离，也必须精确控制，以对各个DOE部分以及与之对应的投影界面区域用适合的能量照明。

现在参照图17，其是根据本发明另一个优选实施例构建和操作的用于投影模板的装置的简化侧视示意图。这里，不是如图16所示的优选实施例中那样，使用单个的相对较大功率的二极管激光光源作为分段DOE的光源，而是将小功率的垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)1082的二维阵列1080设置在分段DOE 1084和分段准直/聚焦元件1086的后面。阵列1080中的VCSEL 1082的数量和周期与DOE段精确匹配，从而每个VCSEL对单个DOE段1088照明。

为了不导致变形的投影图像，阵列1080还需要在元件后面精确定位，但是，除了确保所有来自各发射点的光进入其适当的准直/聚焦元件1086，并且充分填充相应的DOE段1088的孔径以获得好的衍射结果之外，不需要控制单个发射的发散角。

图17的结构非常紧凑，因为不需要使得光传播直到其覆盖整个DOE 1084。也没有像图16的实施例中所示的设计中的在DOE元件的准直段之间的潜在的激光损耗。因为每个激光光源被集中在其各自的透镜1086的光轴上，准直/聚焦元件的设计也被简化。因为不需要像图16的实施例中那样，将DOE与激光光源分离得足够远以填充几毫米的孔径，所以该设计可以非常紧凑。因为也不需要屏蔽不期望的衍射级，整个投影模块可以被简化为厚度为几毫米的平面元件。

现在参照图18，其是合并了图13A-15B中所示元件中至少一部分元件，用于基于DOE的虚拟界面投影***的激光二极管封装的简化示意图。这里所有的光学元件和机械配件都被小型化并被容纳在单个光学封装1100中，例如扩展激光二极管外壳。安装在散热片1104上的激光二极管芯片1102，被设置在封装1100内侧。光束修正光学元件1106选择性地置于激光二极管芯片1102的发射点1112的前面，以减小像散激光发射的发散角，并提供大体为圆形的光束。准直或聚焦透镜1108选择性地***封装1100中，以在需要处对光束聚焦。

光学元件1106和1108需要通过有效对准过程来精确对准发射光束的方向，从而在激光光束的前面精确定位。包含图像模板的衍射光学元件DOE 1110被***到封装的末端，在适当位置对准并固定。还可将该元件用作封装窗口，将DOE 1100设置在窗口1114的内侧或外侧。如果采用非周期性DOE，可选择性地省去光束修正光学组件和/或准直光学组件，得到更小和更便宜的封装。

现在参见图19，其是根据本发明的另一优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简化示意图，该衍射光学装置在用于投影模板的装置，例如本发明之前所述实施例中，用于扫描及其他。该装置在同轴***中提供一维或二维扫描，而不需要任何反射或转向镜(turningmirrors)。这样的***可以比基于反射镜的扫描仪更小，更便宜并更易于组装。

图19示出基本概念。将非周期性DOE 1200设计为使得衍射角是入射到DOE上的照明光的侧向位置的函数。在该优选示例中，当准直光束1202平移越过DOE 1200的表面，到不同的位置1214，1216，1218，准直光束被衍射并聚焦到在不同的聚焦成像位置的离散点1204，1206，1208。优选地，可以将非周期性DOE构建为使得当光束和DOE的相互位置改变时，衍射角可以根据输入光束和DOE的相对位置的预定函数改变。因此，例如，在入射光束前以正弦方式振荡的DOE，当根据本优选实施例进行构建，可以在图像屏幕1210上提供聚焦光斑的线性平移。而且，还可以构建DOE使得强度在扫描方向上线性化。这对于光学扫描应用是十分有用的特征。

即使光束不同的入射位置之间有很大的重叠，以非周期性方式构建DOE，使得将所有光衍射到由DOE上的整个照明入射区域确定的位置点。聚焦位置也可以作为衍射角的函数改变，以在整个平面视场保持光斑的锐聚焦。聚焦还可以由位于DOE 1200下游的图19未示出的独立衍射或折射元件进行，或者入射光束本身可以被准直到设备的焦平面上的点。

可以沿正交光轴提供具有相似功能的第二元件，该第二元件设置在第一DOE后面，以沿正交光轴衍射发射的光斑，因此进行二维扫描。

输入光束可以被保持固定，并且优选地DOE元件来回振荡以产生扫描光束图案，而不是实际上对输入光束扫描，这即意味着要振动激光二极管光源。以较高频率扫描第一元件，并以较低频率扫描第二元件，可以生成二维光栅扫描，同时将激光强度与扫描图案同步并进行调制，生成完整的二维投影图像。

现在参照图20，其是根据本发明的另一优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简化示意图，该衍射光学装置在投影模板的装置中，例如本发明之前所述实施例中，用于扫描及其他。在图20的实施例中，入射激光光束1220在DOE 1222上被聚焦为相对较小的光斑，使得对于不同衍射角的输入区域间只有一点或没有重叠。这使得对于较小平移令转向角发生较大的改变。然后，二级聚焦透镜1224被***以将衍射光束再聚焦到像平面1246。不同有效输入光束位置1230，1232，1234，导致不同聚焦光斑1240，1242，1244。

这些功能可被进一步合并到单个DOE，其中水平位置决定水平衍射角，垂直位置决定垂直衍射角。这在图21中示意性示出，图21是使用这样的DOE进行二维扫描的简化视图。这里，将DOE 1250设计为使得当其沿两个与光传播方向正交的方向平移，光束在二维方向上偏转。例如，当光束入射到DOE的顶部左侧1252，其被向上并向左偏转，被聚焦到像平面1260的点1262。同样，当光束入射到DOE的底部右侧角1254，其被向下并向右偏转，被聚焦到像平面1260的点1264。这个元件具有图19中的DOE与用于在正交方向提供扫描的可选择的第二元件相结合的功能。如前所述，可以理解的是输入光束被保持固定，而不是扫描输入光束，而DOE元件优选在二维方向振荡以生成扫描光束图案。

正交的X和Y扫描可以被集成到单个元件，如图22所示，其是使用于图21的实施例的执行DOE二维移位的设备的简化图。二维的非周期性DOE 1270，如图21所述，被设置在轻型支架1272上，该轻型支架1272在图的水平方向具有高谐振频率。这个中心部分连接到安置在第二固定框架1276之内的振荡框架1274。较重的内部框架1274与该中心部分结合，提供比用于DOE 1270的轻型支架的谐振频率低得多的谐振频率。

通过用一个或多个压电元件1278，以包含两种谐振频率的驱动信号驱动整个设备，可以实现两轴、共振光栅扫描。通过调整DOE和支架1272和内部振荡框架1274的质量，以及横向运动振荡支架1280和垂直运动振荡支架1282的刚度，可以相应地调整X和Y扫描频率。这种设计可以提供紧凑、同轴的二维扫描元件。

现在参照图23，其是根据本发明优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简化示意图，该衍射光学装置在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他。一维扫描DOE元件1290，例如图19的优选实施例所述，在一个方向振荡到不同的聚焦位置1294，以越过像平面1292来扫描光斑。DOE优选用激光二极管1296以及准直透镜1298照明。

现在参照图24，其是根据本发明另一优选实施例构建和操作的衍射光学装置的简化示意图，该衍射光学装置在用于投影模板的装置中，用于扫描及其他。一维扫描DOE元件1300，例如图20的优选实施例所述，在一个方向振荡到不同的聚焦位置1294，以越过像平面1292扫描光斑。DOE 1300优选用激光二极管1296以及准直透镜1298照明，并且DOE之后通过辅助透镜1302进行附加的聚焦。

本领域技术人员可以理解本发明不限于上述和特别示出的内容。本发明的范围包括上述各个特征的结合及其分支，以及本领域技术人员通过阅读上述内容所可以做出的不在现有技术范围内的各种变形和修改。

Claims (75)

1、一种电子照相机，包括：

提供表示成像场的输出的电子成像传感器；

采用所述电子成像传感器在第一成像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能；

采用所述电子成像传感器在第二成像场拍摄场景的至少第二图片的至少第二成像功能；

将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的光学组件；以及

使得用户在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作的用户操作成像功能选择开关。

2、根据权利要求1所述的电子照相机，还包括可在其上进行所述用户手动操作的投影虚拟键盘。

3、根据权利要求1或2所述的电子照相机，其中将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件，包括至少一个可有选择地置于仅用于所述至少第二成像功能的所述传感器上游的光学元件。

4、根据权利要求1至3之任一所述的电子照相机，其中将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件不包括可有选择地置于用于所述第一成像功能的所述传感器的上游的、具有光焦度的光学元件。

5、根据权利要求1所述的电子照相机，其中将所述第一和第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件包括与波长相关的分束器，其为所述第一和所述第二成像功能定义独立的光路。

6、根据权利要求1至5之任一所述的电子照相机，其中通过适当地设置至少一个光闸以阻断至少一个所述成像功能，所述用户操作成像功能选择开关可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作。

7、根据权利要求1至4之任一所述的电子照相机，其中所述第一和第二成像功能定义独立的光路。

8、根据权利要求5或7所述的电子照相机，其中所述独立光路朝不同的方向延伸。

9、根据权利要求8所述的电子照相机，其中所述独立光路具有不同的视场。

10、根据权利要求5所述的电子照相机，其中所述与波长相关的分束器分离可见光谱和IR光谱，分别供所述第一和第二成像功能使用。

11、根据权利要求1至10之任一所述的电子照相机，还包括在其上显示表示成像场的所述输出的液晶显示器。

12、根据权利要求1至11之任一所述的电子照相机，其中将所述第一成像功能和所述电子成像传感器结合的所述光学组件包括视场扩大透镜。

13、一种电子照相机，包括：

提供表示成像场的输出的电子成像传感器；

采用所述电子成像传感器在第一成像场拍摄场景图片的第一成像功能；

采用所述电子成像传感器在至少第二成像场拍摄场景图片的至少第二成像功能；

将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的光学组件；以及

使得用户可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作的用户操作成像功能选择开关。

14、根据权利要求13所述的电子照相机，其中将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件包括至少一个可有选择地置于仅用于所述至少第二成像功能的所述传感器上游的光学元件。

15、根据权利要求13或14所述的电子照相机，其中将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件不包括可有选择地置于用于所述第一成像功能的所述传感器的上游的、具有光焦度的光学元件。

16、根据权利要求13所述的电子照相机，其中将所述第一和第二成像功能与所述电子成像传感器结合的所述光学组件包括分束器，其为所述第一和所述第二成像功能定义独立的光路。

17、根据权利要求13至16之任一所述的电子照相机，其中通过适当地设置至少一个光闸以阻断至少一个所述成像功能，所述用户操作成像功能选择开关可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作。

18、根据权利要求13至15之任一所述的电子照相机，其中所述第一和第二成像功能定义独立的光路。

19、根据权利要求16或18所述的电子照相机，其中所述独立光路朝不同的方向延伸。

20、根据权利要求19所述的电子照相机，其中所述独立光路具有不同的视场。

21、根据权利要求13至20之任一所述的电子照相机，还包括在其上显示表示成像场的所述输出的液晶显示器。

22、根据权利要求13至21之任一所述的电子照相机，其中将所述第一成像功能和所述电子成像传感器结合的所述光学组件包括视场扩大透镜。

23、根据权利要求1至22之任一所述的电子照相机，其中将所述第一和所述至少第二成像功能和所述电子成像传感器结合的所述光学组件为固定的。

24、根据权利要求1至23之任一所述的电子照相机，其中所述第一和所述第二成像场在所述电子成像传感器上成像之前，各经过一次反射。

25、根据权利要求1至23之任一所述的电子照相机，其中所述第一成像场直接成像在所述电子成像传感器上，并且所述第二成像场在所述电子成像传感器上成像之前经过两次反射。

26、根据权利要求1至23之任一所述的电子照相机，其中所述第二成像场直接成像在所述电子成像传感器上，且所述第一成像场在所述电子成像传感器上成像之前经过两次反射。

27、根据权利要求25所述的电子照相机，其中通过绕枢轴旋转的装载镜进行所述两次反射中的第二次反射。

28、根据权利要求24所述的电子照相机，其中所述第二成像场的反射通过绕枢轴旋转的装载镜进行。

29、根据前面任一权利要求所述的电子照相机，其中所述第一成像功能在红外区域的谱带上执行，且所述第二成像功能在可见光区域的谱带上执行，所述照相机还包括多个滤光片组，所述第一和第二成像功能中的每个使用一个滤光片组。

30、根据权利要求29所述的电子照相机，其中所述多个滤光片组包括：

用于所述第一成像功能的滤光片组，其包含至少一个在可见光区域和红外区域内所述谱带透射的滤光片，以及至少一个在所述红外区域至该红外区域内所述谱带之下透射，且不透射该可见光区域的滤光片；以及

用于所述第二成像功能的滤光片组，其包含至少一个在该可见光区域至该红外区域内所述谱带之下透射的滤光片。

31、根据权利要求30所述的电子照相机，其中所述第一和所述第二成像功能沿共用光路引导，并且其中所述第一和第二滤光片组可以根据所选成像功能交换。

32、根据前面任一权利要求所述的电子照相机，其中通过旋转所述光学组件之前的所述电子成像传感器执行所述用户操作成像功能选择，其中所述光学组件将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合。

33、根据前面任一权利要求所述的电子照相机，其中通过旋转位于所述电子成像传感器之前的反射镜以将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合，从而进行所述用户操作成像功能选择。

34、根据前面任一权利要求所述的电子照相机，还包括部分透射分束器，以将所述第一和所述第二成像场结合，并且其中两个所述成像场都被所述部分透射分束器反射一次，所述成像场之一还在被全反射器反射之后，从所述部分透射分束器透射。

35、根据权利要求34所述的电子照相机，其中所述部分透射分束器还为二向色的。

36、根据权利要求34或35所述的电子照相机，其中所述全反射器还具有光焦度。

37、一种便携式电话，其包括：

电话功能；

提供表示成像场的输出的电子成像传感器；

采用所述电子成像传感器在第一成像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能；

采用所述电子成像传感器在第二成像场拍摄场景的至少第二图片的至少第二成像功能；

将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的光学组件；以及

使得用户可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作的用户操作成像功能选择开关。

38、一种数字个人助理，其包括：

至少一个个人数字助理功能；

提供表示成像场的输出的电子成像传感器；

采用所述电子成像传感器在第一成像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能；

采用所述电子成像传感器在第二成像场拍摄场景的至少第二图片的至少第二成像功能；

将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的光学组件；以及

使得用户可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作的用户操作成像功能选择开关。

39、一种遥控设备，其包括：

遥控功能；

提供表示成像场的输出的电子成像传感器；

采用所述电子成像传感器在第一成像场响应用户手动操作进行数据输入的第一成像功能；

采用所述电子成像传感器在第二成像场拍摄场景的至少第二图片的至少第二成像功能；

将所述第一和所述至少第二成像功能与所述电子成像传感器结合的光学组件；以及

使得用户可在所述第一和所述至少第二成像功能之一中进行选择操作的用户操作成像功能选择开关。

40、用于产生图像的光学装置，该图像包括位于较大衍射角处的多个部分，所述光学装置包括：

提供输出光束的二极管激光光源；

用于准直所述输出光束并限定平行于准直器轴引导的准直光束的准直器；

构建为限定图像的衍射光学元件，来自所述的准直器的所述准直光束射到该衍射光学元件上，并产生多条衍射光束，该些衍射光束限定所述图像并相对于所述准直器轴在一定角度范围内引导；以及

位于所述衍射光学元件下游的聚焦透镜，其将所述多条光束聚焦在远离所述衍射光学元件的点上。

41、根据权利要求40所述的光学装置，其中当缺少位于所述衍射光学元件下游的所述聚焦透镜时，所述较大衍射角使得所述图像具有无法接受的畸变。

42、根据权利要求40所述的光学装置，其中所述较大衍射角为与所述准直器轴形成至少30度。

43、用于产生图像的光学装置，该图像包括与轴形成较大衍射角的位置上的多个部分，所述光学装置包括：

提供输出光束的二极管激光光源；

接收所述输出光束并提供修正的输出光束的光束修正元件；

用于限定准直光束的准直器；以及

构建为限定图像的衍射光学元件，来自所述准直器的所述准直光束射到该衍射光学元件上，且产生多条衍射光束，这些衍射光束限定所述图像并相对于所述轴在一定角度范围内引导。

44、根据权利要求43所述的光学装置，其中当缺少位于所述衍射光学元件下游的所述聚焦透镜时，所述较大衍射角使所述图像具有无法接受的畸变。

45、根据权利要求43所述的光学装置，其中所述较大衍射角为与所述准直器轴形成至少30度。

46、根据权利要求43至45之任一所述的光学装置，还包括位于所述衍射光学元件下游的聚焦透镜，其将所述多条光束聚焦在远离所述衍射光学元件的点上。

47、光学装置，包括：

提供输出光束的二极管激光光源；以及

构建为限定图像模板的非周期性衍射光学元件，所述输出光束射到该非周期性衍射光学元件上，并产生多条衍射光束，这些衍射光束限定所述图像模板。

48、根据权利要求47所述的光学装置，其中所述图像模板使数据输入到数据输入设备。

49、用于投影图像的光学装置，包括：

提供照明光束的二极管激光光源；

限定多个聚焦元件的小透镜阵列，每个聚焦元件均限定输出光束；以及

包含多个衍射光学子元件的衍射光学元件，各子元件与所述多束输出光束之一结合，并构建为限定图像的一部分，并且来自所述聚焦元件之一的所述输出光束之一射到各子元件上以产生多条衍射光束，所述多条衍射光束在一起限定所述图像。

50、根据权利要求49所述的光学装置，其中所述图像包括模板以使得数据输入到数据输入设备。

51、用于投影图像的光学装置，包括：

提供多束照明光束的二极管激光光源阵列；

限定多个聚焦元件的小透镜阵列，每个聚焦元件聚焦所述多束照明光束之一；以及

包含多个衍射光学子元件的衍射光学元件，各子元件与所述多束输出光束之一结合，并构建为限定图像的一部分，并且来自所述聚焦元件之一的所述输出光束之一射到各子元件上以产生多条衍射光束，所述多条衍射光束在一起限定所述图像。

52、根据权利要求51所述的光学装置，其中所述图像包括模板以使得数据输入到数据输入设备。

53、根据权利要求51或52所述的光学装置，其中所述二极管激光光源阵列为垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)阵列。

54、根据权利要求47至53之任一所述的光学装置，其中所述衍射光学元件限定所述光学装置的输出窗。

55、一种集成激光二极管封装，包括：

发射光束的激光二极管芯片；

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

从所述光束产生图像的衍射光学元件。

56、根据权利要求55所述的集成激光二极管封装，其中所述图像包括模板以使得数据输入到数据输入设备。

57、一种集成激光二极管封装，包括：

发射光束的激光二极管芯片；以及

从所述光束产生图像的非周期性衍射光学元件。

58、根据权利要求57所述的集成激光二极管封装，其中所述图像包括模板以使得数据输入到数据输入设备。

59、一种光学装置，包括：

输入照明光束；

所述照明光束照射其上的非周期性衍射光学元件；以及

平移机构，用于改变所述输入光束在所述衍射光学元件上照射的位置，其中

所述衍射光学元件使所述输入光束以一角度偏转到投影面，该角度根据所述照射位置的预定函数改变。

60、根据权利要求59所述的光学装置，其中所述平移机构平移所述DOE。

61、根据权利要求59或60所述的光学装置，其中所述照射位置以正弦方式改变。

62、根据权利要求59至61之任一所述的光学装置，其中所述预定函数提供线性扫描。

63、根据权利要求59至62之任一所述的光学装置，其中所述预定函数提供产生具有均匀强度的图像的扫描。

64、根据权利要求59至63之任一所述的光学装置，其中所述输入光束是准直光束。

65、根据权利要求59至63之任一所述的光学装置，其中所述输入光束是聚焦光束，所述装置还包含聚焦透镜，以将所述衍射光束聚焦到所述投影面上。

66、根据权利要求59至65之任一所述的光学装置，其中所述照射位置的所述预定函数使所述光束在二维方向偏转。

67、根据权利要求66所述的光学装置，其中所述平移机构在一维方向平移所述DOE。

68、根据权利要求66所述的光学装置，其中所述平移机构在二维方向平移所述DOE。

69、一种同轴二维光学扫描装置，包括：

使光束在二维方向偏转的衍射光学元件，该偏转与所述衍射光学元件上所述光束的入射位置成函数关系；

所述衍射光学元件安装在其上的轻型支架结构；

在所述轻型支架结构外面的第一框架，所述轻型支架通过第一支架构件连接到所述第一框架，使得所述轻型支架结构可以在第一方向以第一频率振荡；

在所述第一框架外面的第二框架，所述第一框架通过第二支架构件连接到所述第二框架，使得所述第二框架可以在第二方向以第二频率振荡；以及

至少一个驱动机构，用于激发所述第一频率的振荡和所述第二频率的振荡中至少一种。

70、根据权利要求69所述的光学装置，其中所述第一频率高于所述第二频率。

71、根据权利要求70所述的光学装置，其中所述扫描是光栅扫描。

72、根据权利要求59所述的光学装置，还包括：

发射照明光束的二极管激光光源；以及

将所述照明光束聚焦到所述投影面上的透镜。

73、根据权利要求59所述的光学装置，还包括：

发射照明光束的二极管激光光源；以及

将所述照明光束聚焦到所述衍射光学元件上的第一透镜；以及

将所述偏转照明光束聚焦到所述投影面上的第二透镜。

74、根据权利要求59至73之任一所述的光学装置，其中所述装置可以将数据输入模板投影到所述投影面上。

75、根据权利要求59至73之任一所述的光学装置，其中所述装置可以将视频图像投影到所述投影面上。

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