一種圖像投影儀的製作方法

2023-06-02 14:46:56 6

一種圖像投影儀的製作方法
【專利摘要】本發明披露了一個圖像投影儀，用於增強一個物理物體的外表，也稱為增強現實投影儀。增強現實投影儀包括一個光學裝置，為所述物理物體的一個投影圖像投影回到該物體本身提供精確的匹配，而不是使用數字圖像處理來做到。可以使用數字圖像處理來增強圖像特徵，不需要調整尺寸或調整圖像到物體的方位。這可以減少處理圖像所需的計算能力，節省處理資源以實時更新圖像。因此，可以更新處理後的圖像，從而改變一個移動物體的外表。而且，精確匹配使利用投影圖像作為圖形用戶界面成為可能，因為可以準確地確定用戶手指在界面上的動作。
【專利說明】一種圖像投影儀
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及一種圖像投影儀，尤其涉及增強現實投影儀，用於增強物體的外觀。【【背景技術】】
[0002]一種圖像投影儀如增強現實投影，通過將圖像投影到物體上而改變物體的外觀。圖案、顏色和可見紋理疊加在物體的表面上，使物體看起來不同，或提供信息在表面上。
[0003]為了確保在一些醫療過程如顯微外科或整容手術(甚至在嬌貴而精緻的人體如人腦等上的手術)中的成功率，增強現實是非常有用的。例如，醫療專業人員發現，如果只是觀看人體皮膚是很難看到那部分皮膚正下方的人體內部結構的。顏色、強光和環境光的分布都會消除表面紋理或使表面紋理不清晰。因此，確定在皮膚下或皮下部位如大血管的確切位置是很困難的，甚至在光線充足的環境，更何況如果血管正在一堆厚厚皮下脂肪之下的情況。增強現實投影儀能夠鑑別皮下結構，例如通過增強皮下血管和周圍組織之間的視覺對比，可以緩解這些困難。用於這類醫療應用的增強現實投影儀可以包括紅外成像元件。皮下血管中的血蛋白吸收近紅外波長，而周圍的組織則反射它們。因此，可以拍攝到近紅外圖像，暗色部分表示人體血管，明亮部分表示周圍組織。然後增強現實投影根據該紅外圖像產生一個可見顏色的正圖像，其被投射到同一人體部位以突出顯示皮膚下的血管位置。為更好地表示血管，可以處理投影圖像以增加圖像的對比度，或提高邊緣檢測等。
[0004]然而，這項技術的實用性是有限的，因為目前有的增強現實投影機無法實現投影圖像和物體之間良好的視場匹配；它們無法提供正確的圖像尺寸再現，在將圖像重合到物體上時無法提供足夠的精 度，由於紅外成像元件和所述圖像投影儀之間的角度不匹配。為了克服這種不匹配，數位訊號處理技術是一個選擇，而不是選擇相對繁瑣的光學系統設計。對紅外圖像進行數字處理，以調整投影圖像的大小和角度去配合物體。但是，已經發現這樣的數位訊號處理技術不足以實現高精度的視場匹配，可能是因為有太多的變量去計算。此外，這樣的數位訊號處理技術需要很高的處理能力，可能要在多任務環境下去競爭計算資源。因此，增強現實投影儀往往無法順利並實時地刷新投影圖像。這限制了該技術應用到增強移動物體的外觀。
[0005]因此，期望能有這樣的增強現實投影儀，它能有良好的圖像和物體之間的視場匹配，並可以足夠快地更新圖像，以跟隨移動物體的變化。
【發明概述】
[0006]在第一方面，本發明提出了一種圖像投影儀，包括:成像元件，用於在一個接收路徑上以至少一個第一波長拍攝物體的圖像；投影元件，用於在一個投影路徑中以至少一個第二波長將圖像投影到所述物體上；波長選擇性分光器，用於反射所述至少一個第一波長和所述至少一個第二波長中的任一個波長，並且允許所述至少一個第一波長和所述至少一個第二波長中的另一個波長穿過，所述成像元件和所述投影元件被安排布置成使得投影路徑和接收路徑中的任何一個穿過分光器，而投影路徑和接收路徑中的另一個則被分光器反射，分光器使分光器到物體之間的接收路徑和投影路徑相重合，分光器使從分光器分別到投影元件和成像元件的投影路徑和接收路徑相分離，其中，所述投影元件到分光器之間的投影路徑，與成像元件到分光器之間的接收路徑，相對於分光器是共軛的。
[0007] 「共軛」在光學用途上的意思是，投影元件到分光器之間的投影路徑，與分光器和成像元件之間的接收路徑，具有相同距離，並且該投影路逕到分光器有效平面的角度，與接收路徑與分光器有效平面的角度，是相同的。
[0008]「重合」或「重合的」具有通常的幾何意義，這意味著兩條或多條線路完全相同，或意味著兩個或多個點在位置上完全匹配。在此說明書中，本領域技術人員將理解，兩個路徑「重合」表示兩個路徑完全相同，但他們的行進方向可以是相反的。
[0009]有利地，投影路徑和接收路徑的分離，提供了隔離成像元件和投影元件的可能性。這會減少兩個元件之間的幹擾。但是，儘管它們之間相互隔離，但是這兩個元件關於分光器的共軛位置，與投影路徑和接收路徑的重合部分組合起來，就提供了良好的視場匹配。
[0010]通常，所述成像元件有一感應表面，投影元件有一投影表面，所述感應表面的面積和投影表面的面積基本相同。或者，投影元件有一投影表面，成像元件包括一個視場光欄，視場光欄是成像元件的一部分，與投影元件關於分光器共軛，視場光欄用於調整視場光欄上接收到的圖像，使成像圖像和投影圖像大小匹配。有了視場光欄，就可以自由地使用面積不匹配的投影元件和成像元件。
[0011]具有「相同面積」，在這裡本領域技術人員應當理解為尺寸，也就是有相同的長寬t匕。這是為了使形成在成像元件上的圖像，與形成在投影表面上的圖像，有相同的長寬比。
[0012]通常，由投影元件投影的圖像，就是由成像元件拍攝的物體的圖像。但是，所述圖像最好是一個增強的圖像。或者，由投影元件投影的圖像不是物體的圖像，但是一個能與物體進行交互的圖形用戶界面。在這種情況下，由投影元件投影的圖像與成像物體需達到視場匹配。
[0013]通常，但不是必須地，所述至少一個第一波長是人眼不可見的如紅外線或紫外線，所述至少一個第二波長是在可見光範圍內。
[0014]通常，一個投影透鏡被放置在分光器與物體之間，使得由投影元件投影的圖像和由成像元件拍攝的圖像有來自投影透鏡的相同照度分布。
[0015]可選地，所述分光器包含在一個多面體稜鏡如六面體稜柱內。可以使用多面體的不同表面以直角接收和發射光線到不同的表面，以減少折射和畸變。
[0016]可選地，該圖像投影儀還包括:第二成像元件，所述稜鏡包含了第二分光器，其中所述第二分光器進一步分離到相應投影元件和所述第二成像元件的投影路徑和第二接收路徑，投影元件到分光器之間的投影路徑，與分光器和所述第二成像元件之間的第二接收路徑，是共軛的。
[0017]在第二方面，本發明提出了從上述投影儀投影的一種圖形用戶界面。
[0018]在第三方面，本發明提出了從上述投影儀投影的一種交互式鍵盤。
[0019]在第四方面，本發明提出了一種圖像投影儀，包括:第一光源，用於在入射路徑上投射至少一個第一波長光到物體上；投影元件，用於在一個投影路徑中以至少一個第二波長光將圖像投影到物體上；波長選擇性分光器，用於反射所述至少一個第一波長或者所述至少一個第二波長中的任一個波長；並允許所述至少第二波長中的任一個波長或者所述至少一個第一波長穿過；所述光源和投影元件被安排布置成使得投影路徑與入射路徑中的任一個穿過分光器，而投影路徑與入射路徑中的另一個被乾折分光器反射；分光器使分光器到物體之間的接收路徑和投影路徑相重合，分光器使從分光器分別到投影元件和光源的投影路徑和入射路徑相分離。
[0020]這種布置的優點在於，所述第二波長光和所述第一波長光在分開的路徑上行進，直到它們在分光器處重合。通常，第二波長用於投影圖像，其有較強的強度。但是，第一波長光通常用於照射物體，其有較弱強度。由於具有分開的路徑，直到重合點為止，第一波長光不會受到任何影響而造成能量損失或散發到第二波長上。這有助於保持第二波長強光照在物體上，而不需要一個非常強的光源。
[0021]此外，從分光器到物體這段第一波長和第二波長重合的路徑中，第一波長光的第二波長光是以相同角度和相同照度分布被投射到物體上，最好是儘可能均勻地投射到物體上。在這種情況下，物體的圖像是以第一波長拍攝，然後圖像以第二波長被重新投射回到物體上，重新投射的圖像和物體有相同分布的陰影、光線、對比度。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0022]現在將參考以下附圖來描述本發明非限制性的、示例性實施例，其中相同的參考編號指的是相同部件，其中
圖1是本發明一個 實施例的示意圖；
圖2是圖1實施例的更詳細的示意圖；
圖3顯示圖1實施例的效果；
圖4顯示現有技術的對比效果；
圖5是一系列框圖，顯示圖1實施例的過程；
圖6是一副圖片，顯示圖1實施例的效果；
圖7是一副圖片，顯示圖1實施例的效果；
圖8是一副圖片，顯示圖1實施例的效果；
圖9顯示圖1實施例中一個部件的特徵圖表；
圖10是另一個實施例的意圖；
圖11是另一個實施例的示意圖；
圖12是另一個實施例的示意圖；
圖13是另一個實施例的示意圖；
圖14是另一個實施例的意圖；
圖15是另一個實施例的示意圖；
圖16是另一個實施例的意圖；
圖17顯示實施例中可使用的一個透鏡；
圖18顯示另一個實施例及其應用。
【發明詳述】
[0023]圖1是一個實施例的增強現實投影儀100的簡單示意圖。
[0024]增強現實投影儀100包括投影元件101、光源105、成像元件103、波長選擇分光器107、半反射鏡109、以及投影透鏡111。
[0025]投影元件101能夠以第一波長投影圖像。光源105能夠發射第二波長的光，第二波長不同於投影元件101的第一波長。因此，實施例100有兩個電磁輻射源:光源105和投影元件101。成像元件103能夠以第二波長拍攝圖像。
[0026]在一個方向上，投影透鏡111將來自投影元件101的投影聚焦到物體113上，物體113可以是一個生物器官、一面牆或一投影屏幕。在相反方向，投射透鏡111物體113的圖像聚焦到成像元件103上。因此，投影元件101和成像元件103位於投影透鏡111的焦平面上，但和物體113在相反側上。在這種情況下，物體113是這樣一個物體，其可被第二波長檢測到，但在第一波長檢測不到。物體113不是實施例的一部分，僅用於說明本實施例。
[0027]光源105發出第二波長的光線，該光線穿過半反射鏡109，然後被分光器107反射，再被投影透鏡111聚焦到物體113上。物體113反射第二波長光，返回穿過投影透鏡111，由分光器107轉向，然後由半反射鏡109轉向，聚焦在成像元件103上。
[0028]成像元件103拍攝的圖像被傳送到投影元件101。隨後投影元件101通過投影透鏡111以第一波長將該圖像投射到物體113上。
[0029]投影元件101和物體113之間的光路，以及物體113到成像元件103之間的光路，是部分重合、部分分開的。這兩個光路的重合部分在於分光器107和物體113之間，分開部分分別在於分光器107和投影元件101之間、以及分光器107和成像元件103之間。
[0030]為了能提 供匹配的視場，投影元件101和成像元件103是共軛的(conjugate),共軛」是指分光器107與投影元件101之間的距離，和分光器107與成像元件103之間的距離基本相同，而且，從分光器107反射的第二波長光的角度Φ，和從投影兀件101來的第一波長光入射到分光器107並通過該分光器107的角度Φ是一樣的。在圖1中，Φ是和分光器107的平面成45度角。
[0031]通常情況下，處理後的圖像是突出的、增強的或以任何其他方式使物體113的特徵更加突出或緩和。物體113的視覺外觀是由投影元件101以這種方式得到增強。如果處理後的圖像以匹配的大小、方位和角度來覆蓋物體113，而且觀察者幾乎注意不到由於投影圖像而導致物體113表面上的變化，就認為處理後的圖像有一個匹配的「視場」。
[0032]也有這種可能，光源105不通過投影透鏡111而提供光線投射到物體113上，例如從物體113的一側，但最好是投影元件101到物體113之間的光路，和光源105到物體113之間的光路，也和分光器107和物體113之間的光路重合。該優選的方式，提供了均勻亮度分布的第二波長光，來自投影元件101的第二波長光在投影時有均勻的亮度分布。在這種情況下視場匹配會更好，因為投影圖像、拍攝圖像和光源105發出的光都有相同的亮度分布、或有相同的投影透鏡111的傳遞函數。
[0033]圖2是圖1的更詳細的示意圖。在這個例子中，第一波長為單色波長或是人眼可見的波長範圍。在該例子中，第二波長可以是任何單色波長或一個紅外波長範圍。在該例子中，物體113是一個可被紅外線檢查到的物體，而可見光檢測不到其內特徵信息。例如，物體113可以是一個人的手，手裡的血管則是研究對象，在該例子中，紅外線是近紅外線。近紅外線是能夠被血液蛋白吸收，但不被血管周圍組織吸收。因此，使用近紅外線，可以拍攝近紅外圖像，其中暗色部分表示血管。明亮部分表示手的其它部分。
[0034]在該例子中，波長選擇分光器107是一個熱反射鏡107。熱反射鏡107能夠反射低波長的「暖」光，如紅外線，但允許「冷」波長如可見光通過。來自紅外光源105的紅外光穿過半反射鏡109,通過視場光欄127(field aperture),然後經過照射透鏡110,到達熱反射鏡107，以入射角Φ到達熱反射鏡107的有效平面，並由熱反射鏡107反射，通過投影透鏡111投射到物體113上。照射透鏡201是用來提供均勻亮度分布，以確保紅外光均勻地分散在物體113上，這為物體113對紅外光有不同響應的不同部分形成鮮明對比度。不均勻分布可能會損害拍攝圖像的對比度和準確性。然後熱反射鏡107在偏轉點107a將紅外光轉向投射至物體113。
[0035]在這裡，從紅外光源105發出的紅外光，到半反射鏡109，然後從半反射鏡109到照射透鏡110，然後從照射透鏡110到熱反射鏡107，再通過投影透鏡111到物體113的這段路徑被稱為「紅外光入射路徑」 119。
[0036]當紅外光碰到物體113時，紅外光被反射並朝熱反射鏡107返回。紅外光是由熱反射鏡107在偏轉點107a以反射角Φ反射的，該反射角是與熱反射鏡107的有效平面成角度的。因此，熱反射鏡107將返回的紅外光轉向至視場光欄127，然後到半反射鏡109。半反射鏡109允許同一波長光從半反射鏡109的一側穿過到另一側，同時將來自反方向的光轉向。因此，從物體反射回的紅外光被半反射鏡109轉向至紅外成像元件103，而不到達紅外光源105。
[0037]從物體113返回到熱反射鏡107、從熱反射鏡107到視場光欄127、從視場光欄127到半反射鏡109、從半反射鏡109到紅外成像元件103的這段返回紅外路徑被稱為「紅外光接收路徑」121。
[0038]紅外成像元件103拍攝的紅外圖像被轉換成一個可見顏色的正圖像，然後被發送到投影元件101，再以可見光投射回到物體113上。將圖像從成像元件103發送到投影元件101的裝置可以是任何的電氣裝置或微控制器，本領域技術人員應該熟知此技術，在此不做解釋。因為紅外圖像以視覺可感知的彩色的方式重新投射到物體113上，所以以前人眼不可見的物體113的特徵如手 皮膚下的血管，現在顯示在物體113的表面上。
[0039]投影元件101最好是LCOS系統。「LC0S」表示矽基液晶，這是一種通過反射可見光而投射圖像的技術。LCOS系統包括LCOS面板101d，這是一層固定在矽底板上的多個液晶。投射到液晶上的入射光線的極性可以被液晶反射而改變。在LCOS面板IOld上的每個液晶的形狀是可以被電氣控制的，以確定該液晶是否應該反射並改變入射光的極性。通常，每個晶體對應於將由反射光投影在物體113上的圖像中的一個像素。因此，LCOS系統還包括一個可見光源101a，以照亮LCOS面板101d。
[0040]來自可見光源IOla的光線穿過照射透鏡101b，然後通過偏振分光器101c，因此只有一種極性的可見光到達LCOS面板101d。然後LCOS面板IOld將該可見光反射回偏振分光器101c。一部分反射光的極性已經被LCOS面板IOld改變了，使得這部分不能穿過偏振分光器IOlc,而是被偏振分光器IOlc轉向至熱反射鏡107。
[0041]LCOS面板IOld上有一有效面積，其上形成投影圖像。因此，轉向至熱反射鏡107的那部分可見光承載了由LCOS面板IOld內液晶構成的圖像。因為熱反射鏡107隻反射低波長的光如紅外光，所以該可見光穿過熱反射鏡107，並通過投影透鏡111聚焦到物體113上。
[0042]偏振分光器IOlc的位置使得可見光在一個「投影路徑」 123上被投影到物體113上。投影路徑123以一個角度Φ入射到熱反射鏡107的有效平面上，並與紅外光入射路徑119和紅外光接收路徑121在熱反射鏡107的偏轉點107a和物體113之間那段重合。因此，從這裡開始將「偏轉點」 107a描述為「重合點」 107a，將更為合適。
[0043]為了清楚起見，圖1和圖2使用了不同的線來顯示在熱反射鏡107和物體113之間的紅外光入射路徑119、紅外光接收路徑121和投影路徑123。本領域技術人員將會理解，紅外光入射路徑119、紅外光接收路徑121和投影路徑123在重合點107a和物體113之間是重合的，相互完全重合。但是，不在重合點107a和物體113之間的那部分投影路徑123和紅外光接收路徑121是分開的。換句話說，在LCOS面板IOld到重合點107a之間的那部分投影路徑123，和重合點107a到紅外成像元件103之間的那部分紅外光接收路徑121是不重合的，是分開的。
[0044]「重合」或「重合的」具有通常的幾何意義，這意味著兩條或多條線路完全相同，或意味著兩個或多個點在位置上完全匹配。此外，在此說明書中，兩個路徑「重合」表示在相同的兩個點之間兩個路徑完全相同，但他們的行進方向可以是相反的，如投影路徑123和紅外光接收路徑121。
[0045]紅外光入射路徑119、紅外光接收路徑121和投影路徑123以相同的角度Φ入射到熱反射鏡有效平面上或被熱反射鏡有效平面以相同角度Φ反射，使得紅外光接收路徑121和投影路徑123之間的角度為2X Φ。換句話說，熱反射鏡107的有效平面均勻地分開紅外光接收路徑121和投影路徑123。類似地，紅外光入射路徑119和投影路徑123之間的角度為2X Φ，熱反射鏡107的有效平面均勻地分開紅外光入射路徑119和投影路徑123。
[0046]LCOS面板IOld位於投影透鏡111的焦平面上，使得通過投影透鏡111而投射到物體113上的圖像是聚焦的。而且，紅外成像元件103位於投影透鏡111的焦平面上，使得形成在紅外成像元件103上的物體113的圖像是聚焦的。儘管偏轉光路不同，但是LCOS面板IOld和紅外成像元件103中的任一個都可以說是和熱反射鏡107共軛的，即從重合點107a到LCOS面板IOld的距離，和從重合點107a到紅外成像元件103的距離是相同的，投影路徑123穿過熱反射鏡107 —側的角度Φ，和紅外光接收路徑121從熱反射鏡107另一側反射的角度Φ，是相同的。
[0047]在本實施例的特別優點是，紅外光源105的位置，使得只和LCOS可見光在熱反射鏡107和物體113之間是重合的。如果紅外光源105被放置得與LCOS的光共享相同的光路，使得紅外光必須穿過偏振分光器109，那麼偏振分光器109將吸收太多的紅外光。這是因為在偏振分光器上有一聚合物塗層，它是吸收紅外光的。因此，到達物體113的紅外光將被削弱，那麼紅外成像元件103拍攝的紅外圖像將沒有足夠的強度。本發明的配置會使到達物體113的紅外光強度提高至少50%。相反，為了投影圖像，來自可見光源IOla的光要很強，會被偏振分光器109大大削弱。
[0048]因此，紅外光源105被放置使得紅外光入射路徑119隻從重合點107a到物體113這段路徑是重合的。這確保了所有這些光路都受到相同的投影透鏡111的分布函數。這又確保了紅外成像元件103拍攝的紅外圖像和LCOS投射的可見圖像不僅在尺寸、角度和方位上完全重合，而且在 亮度分布的空間強度上也完全重合；紅外光的入射角度與投影路徑123基本相同，即到物體113有幾乎相同的路徑，這使得LCOS面板IOld投影的圖像和拍攝的紅外圖像有高達85%的均勻亮度。因此，投射陰影的程度和人看到物體113的對比度忠實地再現於投影圖像中。
[0049]進一步的優點是，與紅外光入射路徑119和可見光增強現實投影路徑完全不重合的增強現實投影儀相比，本實施例的物理尺寸可以做到更小。這會減少材料和製造成本。
[0050]紅外成像元件103是一個典型的二維紅外探測器陣列，LCOS面板IOld是一個二維晶體陣列。優選的是，LCOS面板IOld上液晶陣列的面積和長寬比，與紅外成像元件103上紅外探測器陣列的面積和長寬比是相同的，使得紅外成像元件103拍攝的圖像和在LCOS面板IOld上形成的圖像在大小和長寬比上是匹配的。這進一步保證了投影圖像和物體113之間的視場匹配。
[0051] 因此，本實施例顯示了如果紅外光接收路徑121和投影路徑123在重合點107a和物體113之間是重合的，如果LCOS面板IOld和紅外成像元件103是關於熱反射鏡107共軛的(這意味著它們各自在投影透鏡111的焦平面上)，如果紅外成像元件103拍攝圖像的尺寸和在LCOS面板IOld上形成圖像的尺寸是相同的，投影圖像和物體113之間的視場高度匹配是可根據所述光學裝置進行簡單配置來實現而無需數字圖像處理重新配置。
[0052]然而在實踐中，LCOS面板和紅外探測器通常是由不同的第三方製造商生產的，很難購買到相同表面積的。更有可能的是紅外成像元件103比LCOS面板IOld有更大的表面積。許多LCOS面板IOld的面積不到一平方英寸，而紅外成像元件103則稍大一點。為了克服LCOS面板IOld和紅外成像元件103之間的面積不匹配，一個視場光欄127被放置在投影透鏡111的焦平面上來實現二次成像，同時該視場光欄127的尺寸可以調整，使得紅外圖像與LCOS投影面板IOld上形成的圖像大小一致。換句話說，視場光欄的形狀和尺寸與LCOS面板IOld的形狀和尺寸相同。因此，由視場光欄127裁剪的圖像變得與形成在LCOS面板10Id上的圖像相同，除了圖像有所增強。
[0053]紅外圖像從視場光欄127投射到半反鏡109上，並被轉向到紅外成像元件103。成像透鏡(未示出)用於將圖像聚焦到紅外成像元件103上，因為紅外成像元件103並不位於投影透鏡111的焦點處。紅外成像元件103的實際尺寸和面積不再重要，因為圖像已經被裁剪成和LCOS面板IOldl具有相同面積和尺寸。即使紅外成像元件103有比LCOS面板IOld更大或更小的表面積，最終聚焦到紅外成像元件103上的圖像也將保持為視場光欄127裁剪的長寬比，然後可以在LCOS面板IOld上重現為一個完全相同長寬比的圖像，視場匹配地投影回到物體113上。
[0054]因為視場光欄127為紅外成像元件103有效地裁減圖像，所以視場光欄127應被視為紅外成像元件103的一部分或一個延伸。
[0055]通常，由成像元件103拍攝的紅外圖像在被發送到LCOS系統101進行投影之前，是要進行圖像增強數字處理的。例如可以使用邊緣檢測、圖像銳化、圖像平均化、對比度增強、色彩編碼溫度區域等信號處理技術。這類型的數字圖像處理是相對簡單的，只需要很少的處理能力，不同於將圖像擬合到物體113上以匹配視場的數字圖像處理。
[0056]投影透鏡111的選擇，最好能提供一個相對長的後焦距，以提供足夠的空間來容納熱反射鏡107。在本實施例中，後焦距最好是偏振分光器的最長邊或直徑的至少2倍。
[0057]圖3顯示投影圖像和物體113之間的匹配視場125是什麼意思。從理論上說，如果相機103和投影儀101到物體113具有相同的光路，那麼根據相機103拍攝的物體113的原始圖像303而處理後的圖像301從投影儀101投射出來，就可以匹配視場125從而精確地疊加在物體113上。在此例子中，相機對應於成像元件103。圖4是一個對比圖示，顯示投影儀101和相機103具有分開的光路，這會在投影圖像和物體113之間產生錯位，給出一個不良的視場匹配125。
[0058]圖5顯示在圖像投影儀100的不同部分的圖像。底部圖片501是一個紅外成像元件103拍攝的手的紅外圖像。該圖像被處理成可見顏色503，顯示血管在手中的位置，並被傳送到LC0S101進行投影。當投影在手上時，手表面現在就增強視覺505地顯示血管在手的確切位置。如果拍攝紅外圖像的光路與投影圖像的光路重合，那麼投影圖像和手將完美地匹配。人手中的血管可以通過投影圖像被精確地表示。
[0059]圖6是一個紅外圖像，顯示人手掌中的小血管如何以近紅外光突出和明確地表示。該紅外圖像可以被處理成可見顏色，然後以可見光投影回到手掌上。
[0060]圖7是另一張圖像，顯示手背上的血管是如何通過將手的紅外圖像以可見光形式投影回到手上而被清楚顯示。
[0061]圖8是一個製作的圖片，顯示增強現實投影儀100如何用於大腦外科手術，以表明血管在大腦中的位置。
[0062]紅外光的波長(λ )在780nm至IIOOnm之間。因此，可以選擇發射該範圍內任何波長的紅外光源105。優選的是，發射的紅外光最好是單一波長或在一個狹窄的波長範圍內，這會使拍攝的紅外 圖像具有良好的對比度。例如，選定的波長850nm可以有一個±25nm的範圍，從825nm到875nm,如圖9所示。可選地，熱反射鏡107可以過濾或只允許一個窄範圍內的紅外波長通過，而不是控制紅外光源105的可發射波長範圍。這就不需要在紅外圖像傳感器之前放置任何紅外濾光器以去除幹擾光，這能提供一個更小型的增強現實投影儀100。因此，熱反射鏡107有助於防止可見光從LCOS系統101進入紅外成像元件103，與可見光幹擾紅外成像元件103的情況相比較，這會使拍攝的紅外圖像的清晰度和對比度增加至少50%。
[0063]圖10顯示相對於圖2的另一個實施例。在該實施例中，使用一個冷反射鏡107來代替熱反射鏡107。冷反射鏡107有表面塗層，反射較窄的可見光波長，而不是如紅外光一樣的較長的波長。因此，紅外光源105可以安排成使得紅外光穿過冷反射鏡107，不轉向，並與到物體113的投影路徑123對齊。但是，LCOS面板IOld上被安排成投射可見光到冷反射鏡107上，並被冷反射鏡107轉向到物體113。在本實施例中，紅外光接收路徑121和投影路徑123仍然在重合點107a和物體113之間重合。用於裁剪紅外圖像的視場光欄127仍然位於紅外光接收路徑121上投影透鏡111的焦平面上，視場光欄127將紅外圖像裁減成和LCOS面板IOld上液晶陣列具有相同尺寸和面積。使用一個成像透鏡104將裁剪圖像聚焦到紅外成像元件103的表面上。投影透鏡111現在是一系列透鏡111，可以從一個較遠的距離將圖像聚焦到物體113上。
[0064]圖11是相對於圖2的又一個實施例，其中再次使用一個熱反射鏡107來轉向紅外光，但是允許可見光直接穿過。紅外成像元件103被放置在投影透鏡111的焦平面上。紅外成像元件103中的紅外探測器陣列與LCOS面板IOld上的晶體陣列具有相同的表面積，因此，不需要視場光欄127來調整紅外圖像的大小。
[0065]圖12顯示又一個實施例，它使用一個冷反射鏡107。紅外成像元件103放置在投影透鏡111的焦平面上，使得拍攝的圖像是聚焦在紅外成像元件103上的。紅外成像元件103中的紅外探測器陣列與LCOS面板IOld上的晶體陣列具有相同的表面積，不需要任何視場光欄127來裁剪形成的紅外成像元件103上的圖像。[0066]圖13顯不又一個實施例,它是圖2所不實施例的一種變形。熱反射鏡被替換為一個對稱的多面體稜鏡107b，其有一層塗層穿過稜鏡中心，充當波長選擇分光器107。在本實施例中，整個多面體稜鏡107b和熱反射鏡107的功能是一樣的。在入射路徑119和接收路徑121這兩個路徑上的紅外光都被多面體稜鏡107b反射，而投影路徑123則穿過多面體稜鏡107b到達物體113。使用多面體稜鏡107b的額外好處是，能夠引導光入射路徑119、接收路徑121和投影路徑以直角進入或離開多面體稜鏡107b的任何一個表面，從而防止不必要的折射而偏移入射路徑119、接收路徑121和投影路徑的位置。也可以選擇和稜鏡材料密度相適應的分光器107, —起合作以降低折射。當光線穿過一個介質,減少折射可以減少不必要的畸變，這是一個眾所周知的事實，在這裡不再做解釋。因此，由於畸變的減少，本實施例可以產生更好的視場匹配。此例子也使用了視場光欄127。因此，LCOS面板IOld和視場光欄127關於多面體稜鏡107b共軛，意思是從多面體稜鏡107b內的重合點107a到LCOS面板IOld的距離，和從重合點107a到視場光欄127的距離是相同的(用於光學目的)，以及投影路徑123從多面體稜鏡107b內的分光器107 —側穿過的角度Φ，和紅外光接收路徑121從分光器107另一側反射的角度Φ是相等的。圖中的多面體稜鏡107b的是一個六面體稜鏡，Φ有一個普通的角度範圍，0° <Φ〈45°。但是，如果角度Φ可以為每一種情況而被精確地調整，也可以使用其他種類的多面體。在另一個實施例中，分光器107可以反射「更冷的」波長，並允許「更暖的」波長穿過，如一個冷反射鏡，使得可見光被反射，而不是紅外光，如圖10所描述的實施例。
[0067]圖14顯示又一個實施例，它是圖13的一個變形。在該例子中，對稱的多面體稜鏡107b有兩層分光器107、107c,作為兩個熱反射鏡。第二分光器107c和第一分光器107在重合點107a處交叉，從而使紅外光接收路徑121被分成兩個121、121a，以及可以使用兩個不同的紅外成像元件103、103a，用於拍攝兩個紅外圖像。換句話說，使用內部有兩個分光器107、107c的多面體，使得將第二成像元件103a集成到圖像投影儀100中成為可能。為了使這兩個拍攝圖像都視場匹配，第二接收路徑121a和第二分光器107c有效平面之間的反射角度Φ，和紅外光接收 路徑121和第一分光器107有效平面之間的角度Φ相等，也和投影路徑123和第一分光器107有效平面之間的角度Φ相等。因為在本實施例中使用一個六面體稜鏡，所以角度φ範圍為0° <Φ<45°。和圖2的實施例一樣,使用一個視場光欄127裁剪和調整物體113在投影透鏡111焦平面上圖像的面積和尺寸，然後圖像被成像元件103拍攝。第二視場光欄127a用於裁減和調整將被第二成像元件103a拍攝的圖像的面積和尺寸。圖中未顯示有照射透鏡和半反射鏡鄰近這個第二視場光欄127a，因為第二成像元件103a附近沒有光源105。因此，由兩個成像元件103、103a拍攝的兩個圖像，可以在LCOS面板IOld上組合，然後視場匹配地投影到物體113上。
[0068]在本實施例的一個變形中，第二分光器107c可以是一個冷反射鏡而不是熱反射鏡，其反射紫外線。因此，第二成像元件103a可以用來拍攝紫外線圖像。這使得可以拍攝多個範圍的不可見波長的圖像，再轉化為可見光顏色並視場匹配地疊加在物體113上。本實施例在下面這種情況下是有用的:當物體113上有不同的信息，它們可以在不同波長的光下顯示，而且需要在同一時間將這些不同信息以可見光方式疊加在物體113上。在該實施例的另一個變形中，第二分光器107c可以是熱反射鏡，但其頻率範圍不同於第一分光器的頻率範圍。因此，可以以不同範圍的紅外波長獲得不同的信息，然後重新組合成投影圖像。在此實施例的又一變形中，第二分光器107c不是一個基于波長的分光器，而是一個半反射鏡。這允許第二成像元件拍攝可見光圖像，而第一成像元件103拍攝紅外圖像。
[0069]使用兩個成像元件103、103a，可以在LCOS上產生基於顏色的三維效果，本領域技術人員能理解這個，在這裡不再做解釋。
[0070]在不同的發明方面，兩個分光器107、107c可以由兩個半反射鏡代替。在這種情況下，兩個半反射鏡107、107c沒有波長選擇性地將光束分開，兩個成像元件103就要能拍攝任何波長的圖像，包括可見和不可見波長。
[0071]圖15顯示圖13實施例的一個變形，不同之處在於多面體稜鏡107b放置在投影透鏡111和物體1 13之間。在這種情況下，紅外成像元件103上的圖像不在投影透鏡111的焦平面上，需要由另一組透鏡(未示出)聚焦。雖然在此例子中投影圖像和拍攝的紅外圖像並不經受投影透鏡111相同的亮度分布或傳遞函數，但是仍然可以使用視場光欄127來調整紅外成像元件103拍攝的紅外圖像的面積和大小，以便匹配在LCOS面板IOld上形成圖像的面積和大小，這能提供投影圖像和物體113之間的視場匹配。
[0072]圖16顯示圖14實施例的一個變形，不同之處在於多面體稜鏡107b放置在投影透鏡111和物體113之間。與圖14 一樣，有兩個成像元件103、103a。在此例子中，紅外成像元件103和第二成像元件103a上的圖像焦點不在投影透鏡111的焦平面上，需要由另一組透鏡(未示出)聚焦。視場光欄127為紅外成像元件103，另一個視場光欄127a為另一個成像元件103a，調節兩個紅外成像元件103、103a拍攝的紅外圖像的視場，從而匹配形成在LCOS平板IOld上的圖像到物體113上的視場。
[0073]圖17顯示一個透鏡，它可以用來代替紅外光源105處的半反鏡109。該透鏡有一準直表面801，來自紅外光源105的紅外光穿過該準直表面，通過該透鏡的內反射面而散發開來，達到和一個照射透鏡有相同的亮度分布效果。紅外光穿過一個分光表面(splittingsurface)，從正向光路不轉向地射出。但是，在相反的方向，來自熱反射鏡107或冷反射鏡107的紅外光到達分光面後，會以一個角度轉向至紅外圖像傳感器(這裡未示出)。因此，該透鏡是一個照射透鏡和半反射鏡的功能組合，可以在任何所述實施例中使用。
[0074]因此，所述實施例使用一個光學系統來確保投影圖像對物體113有一個良好的視場匹配。雖然圖像可以被數字處理以增強視覺，然後再由投影元件101將處理後的圖像投影在物體113上，但該視覺增強所需的資源需求，遠遠比進行調整以達到視場匹配的需求要少很多。這就能釋放一些處理能力，以允許實時圖像刷新，並且允許移動物體113的外觀連續增強。這使得除了所述實施例的用於醫療過程中增強人體部位外觀以外，用於更平凡的現實生活中也是可能的。例如，圖18顯示從增強現實投影儀100投影到一個平面上的虛擬鍵盤。由於實施例對軟體處理的依賴減少，而是依靠光學布置安排，以確保視場的良好匹配，所以人手移動和敲擊虛擬鍵盤都可以通過紅外光來檢測和實時監控。通過對物理手和手的紅外圖像之間提供良好的視場匹配，虛擬鍵盤上手指的位置可以精確地推斷出來。用戶手指的精確檢測允許投影鍵盤有準確的響應性，以和手有交互作用。該應用對計算機來說可以不需要鍵盤了。對於需要有鍵盤輸入但又不方便提供一個實際鍵盤的地方，這是特別有用的。例如，在飛機上，鍵盤可以投影在乘客座位前食物託盤上，用於與娛樂屏幕進行交互。優選地，由於實施例提供了可以實時檢測人手，投射到使用者手的背面上的部分虛擬鍵盤被遮擋。成像元件檢測到手的位置並且與投影鍵盤上的相應鍵盤匹配。快速的圖像更新可以連續蓋住一部分鍵盤，匹配用戶運動的手。在投影鍵盤上這會給人一種』真實』的感覺，因為用戶不會注意到鍵盤實際上是一個投影圖像。
[0075]在本實施例的另一應用中，圖像投影儀100提供一個虛擬生成的菜單，其被投射在餐廳桌子上。投影菜單是用戶交互的，餐廳顧客可以用他的手指來選擇菜單。這不需要列印菜單了，允許客戶通過挑選用戶交互菜單來點餐。而且，投影到用戶手上的菜單的一部分可能被遮蓋，這樣就沒有圖像形成在用戶的手的背面上。
[0076]因此，本實施例提供交互式圖形用戶界面(⑶I)，無需屏幕或平板電腦。
[0077]在本實施例的另一個應用中，在時裝零售店中，圖像投影儀100投影一個選項單到牆壁上，客戶可以通過選擇牆上的虛擬選項單來選擇衣服。
[0078]其中，「波長」已被本文所用，本領域技術人員讀者理解這可以包括「至少一個波長」，並且在一些實施例中，單色波長可以是用於實現同一目的的一部分多色波長範圍。例如，如果提到的可見光是白光，那麼白光的「波長」通常是由紅、綠、藍的波長範圍組成。
[0079]因此，所述實施例是一種圖像投影儀100，包括:成像元件103，用於在接收路徑121上以至少一個第一波長拍攝物體113的圖像；投影元件101，用於在投影路徑123上以至少一個第二波長投影一個圖像到物體113上；一個波長選擇性分光器107，用於反射至少一個第一波長和至少一 個第二波長中的任一個，並允許至少一個第一波長和至少一個第二波長中的另一個通過；所述成像元件103及所述投影元件110被布置和安排使得投影路徑123和接收路徑121中的任一個穿過分光器107，而投影路徑123和接收路徑121中的另一個則被分光器107反射；分光器107使分光器107到物體113之間的投影路徑123和接收路徑121是重合的；分光器107使從分光器107分別到投影元件101和成像元件103的投影路徑123和接收路徑121分開；其中投影元件101和分光器107之間的投影路徑123，和分光器107和成像元件103之間的接收路徑121是共軛的。
[0080]通常，成像元件103有一個感應表面；投影元件101有一個投影表面IOld ;所述感應表面的面積和投影表面IOId的面積基本相同。或者，投影元件有一投影表面101d，成像兀件包含一個視場光欄127,視場光欄127是成像兀件103的一部分，與分光器107共軛；視場光欄127用於裁剪視場光欄127接收到的圖像，使圖像和投影表面IOld具有相同的尺寸和面積。
[0081]而且，圖像投影儀100包括:第一光源105，用於在入射路徑119上投射至少一個第一波長光到物體113上；投影元件101，用於在投影路徑123上以至少一個第二波長將圖像投影到物體113上；波長選擇性分光器107，用於反射所述至少一個第一波長和所述至少一個第二波長中的任一個，以及允許所述至少一個第一波長和所述至少一個第二波長中的另一個穿過；光源105和投影單元101被安排布置成使得投影路徑123與入射路徑119中的任一個穿過分光器107，而投影路徑123與入射路徑119中的另一個則被分光器107反射；分光器107使分光器107到物體113之間的投影路徑123與入射路徑119重合；分光器107使從分光器107分別到投影元件101和光源105的投影路徑123與入射路徑119分離。
[0082]已經描述了本發明的示例性實施例。雖然上述描述是關於特定實施例的，但是本領域技術人員將清楚，即使這些具體細節有些變化，本發明仍然可以實施。因此，本發明不應該被解釋為限於這裡所闡述的實施例。[0083]雖然紅外光已經被描述為不可見光，當然也可能使用其他波長光來代替。例如，當檢查物體如植物或紫外線敏感的動物組織時可使用紫外線來代替紅外線。另外，成像元件可以拍攝螢光或磷光發射的圖像。此外，也可以使用兩個單色可見光波長來代替所述的可見和不可見波長對，這取決於以一個波長拍攝的圖像是否可以顯示或強調另一個波長無法提供的信息。
[0084]本領域技術人員理解，雖然LCOS已被描述為實施例中的一部分，但是使用反射技術來投影圖像的類似技術也可以被使用，諸如數字光處理技術。
[0085]雖然附圖二維地顯示紅外光入射路徑119、紅外光接收路徑121和投影路徑123，二維地描述角度Φ，但是本領域技術人員將懂得，紅外光入射路徑119、紅外光接收路徑121和投影路徑 123可以三維地來理解。
【權利要求】
1.一種圖像投影儀，包括: 一個成像元件，用於在一個接收路徑上以至少一個第一波長拍攝一個物體的圖像； 一個投影元件，用於在一個投影路徑上以至少一個第二波長投影一個圖像到所述物體上； 一個波長選擇性分光器，用於反射所述至少一個第一波長或者所述至少一個第二波長中的任一個波長；並允許所述至少一個第二波長中的任一個波長或者所述至少一個第一波長穿過； 所述成像元件和所述投影元件被布置安排成，使得所述投影路徑和所述接收路徑中的任一個路徑穿過所述分光器，而所述投影路徑和所述接收路徑中的另一個路徑則被所述分光器反射； 所述分光器使在所述分光器到所述物體之間的所述投影路徑和所述接收路徑重合；所述分光器使從所述分光器到相應所述投影元件和所述成像元件的所述投影路徑和所述接收路徑分開； 其中所述投影元件到所述分光器的所述投影路徑，與所述成像元件到所述分光器和之間的所述接收路徑，相對於所述分光器是共軛的。
2.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中: 所述成像元件有一感應表面； 所述投影元件有一投影表面； 所述感應表面的面積和所述投影表面的面積相等。
3.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中: 所述投影元件有一投影表面； 成像元件包括一視場光欄，所述視場光欄是所述成像元件的一部分，與所述投影元件關於所述分光器共軛； 所述視場光欄用於裁剪在所述視場光欄上接收到的一個圖像，使得所述圖像和所述投影表面有相同的面積。
4.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中: 由所述投影元件投影的所述圖像就是由所述成像元件拍攝的所述物體的圖像。
5.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中所述圖像是一個增強圖像。
6.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中: 由所述投影元件投影的所述圖像是一個有蓋住部分的圖像； 所述蓋住部分匹配所述物體的視場。
7.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中所述第二波長是在可見光波長範圍內。
8.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中所述第二波長是人眼不可見的。
9.根據權利要求8所述的圖像投影儀，其中所述第一波長是紅外光。
10.根據權利要求8所述的圖像投影儀，其中所述第一波長是紫外光。
11.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中一個投影透鏡位於所述分光器和所述物體之間。
12.根據權利要求1所述的圖像投影儀，其中所述分光器包含在一個稜鏡內。
13.根據權利要求1所述的圖像投影儀，還包括:第二成像元件； 所述稜鏡包含了一個第二分光器，其中 所述第二分光器進一步分離到相應投影元件和所述第二成像元件的所述投影路徑和第二接收路徑； 在所述投影元件到所述分光器之間的所述投影路徑，與在所述分光器和所述第二成像元件之間的所述第二接收路徑，是共軛的。
14.根據權利要求1所述的圖像投影儀，還包括: 第一光源，用於在一個入射路徑上投射至少一個第一波長的光線到一個物體上；所述光源和所述投影元件被安排布置成，使得所述投影路徑和所述入射路徑中的任一路徑穿過所述分光器，而所述投影路徑和所述入射路徑中的另一路徑則被所述分光器反射； 所述分光器使在所述分光器到所述物體之間的所述投影路徑和所述入射路徑重合；所述分光器使從所述分光器到相應所述投影元件和所述光源的所述投影路徑和所述入射路徑分開。
15.一種根據權利要求1所述的投影儀投影的圖形用戶界面。
16.一種根據權利要求1所述的投影儀投影的交互式鍵盤。
17.一種圖像投影儀 ，包括: 第一光源，用於在一個入射路徑上投射至少一個第一波長的光線到一個物體上； 一個投影元件，用於在一個投影路徑上以至少一個第二波長投影一個圖像到所述物體上； 一個波長選擇性分光器，用於反射所述至少一個第一波長或者所述至少一個第二波長中的任一個波長；並允許所述至少一個第二波長中的任一個波長或者所述至少一個第一波長穿過； 所述光源和所述投影元件被安排布置成，使得所述投影路徑和所述入射路徑中的任一路徑穿過所述分光器，而所述投影路徑和所述入射路徑中的另一路徑則被所述分光器反射； 所述分光器使在所述分光器到所述物體之間的所述投影路徑和所述入射路徑重合；所述分光器使從所述分光器到相應所述投影元件和所述光源的所述投影路徑和所述入射路徑分開。
18.根據權利要求17所述的圖像投影儀，其中所述投影元件包括: 第二光源； 一個反射式投影元件； 所述第二光源用於投射所述至少一個第二波長光到所述反射式投影元件上，使得所述反射式投影元件在所述投影路徑上投影一個圖像到所述物體上；其中 所述第二光源通過一個偏振分光器而投射光線到所述反射式投影元件上。
【文檔編號】A61B5/00GK103932677SQ201410015146
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月5日
【發明者】吳昌力, 黃旭豔, 劉穎, 楊丹, 麥志強 申請人:香港應用科技研究院有限公司