交互式偏振選擇性投影顯示器的製作方法

2023-07-10 14:08:56 2

專利名稱：交互式偏振選擇性投影顯示器的製作方法
交互式偏振選擇性投影顯示器相關專利申請本專利申請涉及以引用方式併入本文的下述美國專利申請:與本文同一天提交的「Interactive Polarization-Preserving Projection Display (交互式偏振-保持投影顯示器)」(代理人案卷號67074US002)。
背景技術：
市售的交互式投影系統(例如「Smart Boards」(智能板))通常使用手持輸入裝置來與投影圖像進行交互。此類手持輸入裝置可包括有源的紅外、超聲和/或RF發射器和/或接收器。這些輸入裝置可用於相對投影圖像來定位該裝置，並且還可用於激活信號以實現投影圖像的變化。此類輸入裝置可形成為例如標記器或筆的形狀。有源輸入裝置通常可包括發光裝置，而無源裝置反射或吸收在別處產生的光。有源輸入裝置需要電源，例如內部電池或者通過連接電線遞送的電能。帶線裝置可難以使用，並且電池供電式裝置需要對電池進行更換和/或再充電，這使得有源輸入裝置不太理想。然而，可用的有源裝置可提供明確的、強輸入信息，而簡單的無源裝置可經受環境信號的幹擾，由此屏蔽預期的輸入信號。

發明內容
本發明整體涉及諸如交互式顯示器的光學裝置，具體地講涉及具有無源輸入裝置的交互式投影顯示器。在一個方面，本發明提供了交互式顯示器，所述交互式顯示器包括偏振選擇屏，所述偏振選擇屏設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線並且吸收具有第二偏振方向的第二入射光線。交互式顯示器還包括顯示在偏振選擇屏上的可見光圖像。交互式顯示器還又包括偏振紅外(IR)光源和IR傳感器，所述偏振紅外(IR)光源能夠利用偏振IR光束照明偏振選擇屏；並且所述IR傳感器設置為攔截偏振IR光束的反射部分。在另一方面，本發明提供了交互式顯示器，所述交互式顯示器包括偏振選擇屏，其設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線和吸收具有第二偏振方向的第二入射光線。交互式顯示器還包括顯示在偏振選擇屏上的可見光圖像。交互式顯示器還又包括偏振紅外(IR)光源和至少一個IR傳感器，所述偏振紅外(IR)光源能夠利用偏振IR光束照明偏振選擇屏；並且所述至少一個IR傳感器設置為攔截偏振IR光束的多個反射部分。而在又一方面，本發明提供了包括偏振選擇性反射屏的交互式投影系統。交互式投影系統還包括構造為在偏振選擇性反射屏上顯示圖像的可見光投影儀。交互式投影系統還又包括偏振紅外(IR)光源和至少一個IR傳感器，所述偏振紅外(IR)光源能夠利用偏振IR光束照明偏振選擇性反射屏；並且所述至少一個IR傳感器設置為攔截偏振IR光束的多個反射部分。而在又一方面，本發明提供了交互式成像系統，所述交互式成像系統包括偏振紅外(IR)光源和至少一個IR傳感器，所述偏振紅外(IR)光源能夠利用偏振IR光束照明區域並且所述至少一個IR傳感器設置為攔截偏振IR光束的多個反射部分。
上述發明內容並非意圖描述本發明的每個公開實施例或每種實施方案。以下附圖和具體實施方式
更具體地舉例說明了示例性實施例。


整個說明書中都參考了附圖，在附圖中，類似的附圖標號表示類似的元件，並且其中:圖1示出了交互式顯示器的橫截面示意圖；圖2示出了投影屏的橫截面示意圖；圖3A-3B示出了交互式顯示器的透視示意圖；並且圖4示出了交互式顯示器的透視示意圖。附圖未必按比例繪製。附圖中所使用的類似標號是指類似部件。然而，應當理解，使用標號來指代給定附圖中的部件並非意圖限制另一附圖中使用相同標號標記的部件。
具體實施例方式本發明提供了在本文中稱為「標記器」的無源交互式輸入裝置，所述無源交互式輸入裝置具有克服交互式顯示器(例如交互式投影顯示器)中的成問題的環境幹擾信號的能力。在一個具體實施例中，描述了下述無源交互式輸入裝置或標記器，其可與正確設計的投影和感測系統相結合來克服偽環境幹擾信號，所述偽環境幹擾信號可降低與投影圖像的有效相互作用。可使用偏振紅外(IR)照明和偏振控制的回射反射器來增加無源交互式感測的穩健性。能夠反射一個偏振方向並且透射(或者作為另外一種選擇，吸收)正交偏振方向的偏振選擇屏可進一步地改善標記器的靈敏度和穩健性、以及改善可從標記器的移動感測的手勢。無源交互式手勢感測系統可平行於圖像投影儀來進行使用，或者也可整合到此類投影儀中。在一個具體實施例中，無源交互式手勢感測系統可整合到小型投影儀(例如，袖珍投影儀、微投影儀、或超微投影儀)中，例如，得自3M公司的微型專業投影儀的ΜΡι.ο系列。圖1示出了根據本發明的一個方面的交互式顯示器100的橫截面示意圖。交互式顯示器100包括其上通過圖像投影儀120投影有可見光圖像125的投影屏110。偏振紅外(IR)光源140設置為使其能夠在IR照明區域143中利用IR光線142照明投影屏110。IR光線142用於提供與圖像投影儀120和可見光圖像125的相互作用，如在別處所述。在一些情況下，如圖1所示，IR照明區域143可大於可見光圖像125，以使得IR照明的邊緣區域145存在於可見光圖像125之外。在一些情況下，相反IR照明區域143可限制為小於可見光圖像125的區域，或者在一些情況下，可甚至延伸超過投影屏110 (未示出)。如本領域的技術人員所已知的，在一些情況下，偏振IR光源140可為多個IR光源中的一個，其中每個均可獨立地尋址並且能夠發射具有不同偏振狀態或者甚至不同IR波長的IR光。每個偏振IR光源140可例如包括如下部件中的至少一個:透射一個偏振態並且阻擋其他偏振態的偏振器；或透射一個IR波長範圍並且阻擋其他IR波長的IR濾波器。在一個具體實施例中，投影屏110可為能夠反射具有第一偏振方向的光線並且透射或吸收具有第二 (或正交)偏振方向105的光線的偏振選擇屏。因此，偏振選擇屏可對準第二偏振方向105,以使得具有此第二偏振方向105的入射光被吸收,如下文所述。
圖2示出了根據本公開的一個方面的投影屏200 (例如偏振選擇性投影屏210)的橫截面示意圖。光源220將第一光線222導向到偏振選擇性投影屏210。第一光線222可為非偏振光或者其可為偏振光。通常，第一光線222可包括具有第一偏振方向224和/或第二偏振方向226的光。偏振選擇性投影屏210包括反射偏振膜214，所述反射偏振膜214被取向到偏振方向205，以使得具有第一偏振方向224的入射光線從反射偏振膜214反射並且具有第二偏振方向226的入射光線透射穿過反射偏振膜214。在一些情況下，偏振選擇性投影屏210可包括多層偏振選擇屏，例如描述於例如美國專利N0.6，381，068 (Harada等人)中的那些。在一個具體實施例中，偏振方向205示為取向成垂直於圖2所示的示意圖(B卩，進入紙內)，並且具有第二偏振方向226的光可為例如P-偏振光226。在此實施例中，P-偏振光226透射穿過反射偏振膜214,並且S-偏振光224從反射偏振膜214反射為反射的s_偏振光228。在一些情況下,第一和第二偏振方向可分別為例如p-偏振光和S-偏振光。在一些情況下，第一和第二偏振方向可為例如右旋圓形偏振光和左旋圓形偏振光。在一些情況下，圓形偏振光可具有更一般的名稱，例如右旋和左旋橢圓形偏振光。在一些情況下，偏振選擇性投影屏210還可包括若干任選層，例如描述於例如美國專利N0.6，381，068 (Harada等人)中的那些。任選層可包括例如任選的光漫射層212和任選的光吸收層216。在這種情況下，透射穿過反射偏振膜214的P-偏振光226可被任選的光吸收層216吸收。現在返回到圖1，交互式顯示器100還包括標記器130，所述標記器130可提供與可見光圖像125和圖像投影儀120的相互作用。標記器130可設置在適於攔截從偏振IR光源140發射的入射IR光線144的任何合適位置。標記器130攔截和反射入射IR光線142的至少一部分，例如入射IR光線144。反射的IR光線146隨後被引導到設置為攔截反射的IR光線146的IR傳感器150。IR傳感器150可為例如能夠攔截從IR照明區域143的若干位置反射的IR光的IR相機。在一些情況下，IR傳感器150可能夠將(可能唯一的)位置分配到IR照明區域內的任何反射標記器。如圖1所示，標記器130可設置在距投影屏110的距離「D」處，因此可在未實際接觸屏的情況下進行交互。在一個具體實施例中，可見光投影儀120可在交互功能期間被切換成為工作在「固定焦點」模式下，使得視野內的標記器130的存在(或者交替地，視野內的用戶的存在)並不影響可見光圖像425的焦點。如本領域的技術人員所已知的，在一些情況下，IR傳感器150可為多個IR傳感器中的一個，其中每個均可獨立地尋址並且調諧到不同的偏振態或者甚至不同的IR波長。每個IR傳感器150可例如包括如下部件中的至少一個:將一種偏振態透射到傳感器並且阻擋其他偏振態的偏振器(例如，偏振分析器);或透射一個IR波長範圍並且阻擋其他IR波長的IR濾波器。在這種情況下，可通過使用調諧到特定偏振或波長的多個輸入裝置(或標記器)和傳感器，在同一可見光圖像上同時和/或獨特地辨識出多個交互手勢。在一個具體實施例中,偏振IR光源140可被構造為發射具有第一偏振方向(例如，圖2中的224)、第二偏振方向(例如，圖2中的226)、或第一偏振方向224和第二偏振方向226的組合(即，橢圓形偏振)的光。在一些情況下，可優選地構造發射僅第二偏振方向226的偏振IR光源140，以使得入射到投影屏110上的IR光線142被吸收(或透射穿過)，而不是從屏反射。在這種情況下，IR傳感器150將不檢測任何IR光線，除非設置標記器130以將IR光線146反射到IR傳感器150。反射的IR光線146為位置指示光束，所述位置指示光束辨識標記器130在IR照明區域143內的位置以及在可見光圖像125內的圖像位置135。在一個具體實施例中，可見光源將可見光定位光線134投射到標記器130上，隨後將標記器130的陰影(即，圖像位置135)投影到可見光圖像125上。在一些情況下，可存在可用於在可見光圖像125內產生不止一個圖像位置135的不止一個標記器130 (例如，所謂的「多點觸控」交互屏)。標記器130可包括具有如下特性的多種反射器，所述特性可用於(可能獨特地)辨識標記器130以及標記器130在IR照明區域143中的位置。在一個具體實施例中，標記器130可包括下述反射器，例如鏡面反射器(例如，金屬化塗層或多層光學膜)、回射反射器(例如,立體角回射反射器或金屬化珠狀回射反射器)、漫反射器(例如，珠狀反射器)、或者它們的組合。在一個具體實施例中，標記器130可包括偏振保持式反射器(例如,金屬化珠狀回射反射器)、偏振旋轉式反射器(例如，包括位於光路中的延遲片的金屬化珠狀回射反射器)、偏振隨機化反射器(例如，立體角回射反射器或珠狀反射器)、或者它們的組合。在一個具體實施例中，標記器130可包括設置在標記器130的不同表面上的不止一種反射器，以對可見光圖像125進行不同的改變或修改，這取決於指向IR傳感器150的表面。在一些情況下，例如，標記器130的第一表面131可包括偏振保持式回射反射器,並且標記器130的第二表面133可包括偏振旋轉式回射反射器，由此通過第一表面131的定位來對可見光圖像125進行第一修改並且通過第二表面133的定位來對可見光圖像125進行第二修改。適用於交互式顯示裝置中的標記器在本發明的別處進行更全面的描述。一般來講，圖像投影儀120、偏振IR光源140、和IR傳感器150與圖像生成裝置151 (例如計算機)連通。圖像生成裝置151可通過響應來自IR傳感器150的傳感器激活信號152的投影儀信號154來調節或修改可見光圖像125。圖像生成裝置151可改為通過響應外部激活信號153的投影儀信號154來調節或修改可見光圖像125。如在別處所述，在一個具體實施例中，可使照明偏振態與成像傳感器的積分周期同步，以使得不同照明器偏振態可與不同成像傳感器相關。如在別處所述，IR傳感器150和可見光圖像125為對準的和/或校準的，以使得圖像位置135與位置指示光束(即，反射的IR光線146)之間存在對應性。如本領域的技術人員所已知的，傳感器激活信號152和外部激活信號153可得自下述多種技術，所述技術包括(但不限於)聲信號、電子信號、視覺信號、有源IR信號、無源IR信號、或它們的組合。在一些情況下，例如，傳感器激活信號152可包括回射標記器130的屏蔽或回射標記器130的旋轉，以使得回射反射器將偏振的IR光144選擇性反射到IR傳感器150。在一些情況下，得自標記器130 (例如，偏振保持式或偏振隨機化)的回射狀態可通過這種屏蔽或旋轉進行改變。在一些情況下，可通過暴露、掩蓋、或顯示反射區域來實現無源點擊。這可通過例如利用透射型LCD面板覆蓋回射反射器來完成。如本領域的技術人員所已知的，在一些情況下，顯示在IXD上的圖形可傳達(可能獨特地)可通過圖像分析軟體解析的點擊信息。在一些情況下，可通過本領域的技術人員顯而易見的技術來抑制回射反射器的全內反射(TIR)，由此使該裝置成為反射或不反射的。在一些情況下，可通過上述技術來調節反射度，以提供激活信號。
圖3A-3B示出了根據本發明的一個方面的交互式顯示器300的透視示意圖。圖3A-3B中的編號元件300-350中的每一個對應於圖1中所示的類似編號元件100-150，並且每個元件的描述和功能均為相應地類似的。例如，圖3A-3B中的投影屏310對應於圖1中的投影屏110。圖3A示出了由可見光源320照明的交互式顯示器300，而圖3B示出了由偏振IR光源340照明的交互式顯示器300。應當理解，圖3A-3B的元件在交互式顯示器300中上為彼此重疊的，並且僅為了清楚起見才已分成兩個附圖。圖3A示出了交互式顯示器300的可見光圖像325部分。標記器330可具有此前所述的任何通用形狀，而在圖3A中，其被示為具有包括指示器尖端332的指針形狀。來自可見光投影儀320的可見光線334將標記器陰影335投影到可見光圖像上，並且包括定位在可見光圖像325內的選定標記326上的指示器尖端陰影336。可見光圖像325包括遍布設置的若干標記323，並且在一些情況下可對應於圖像內的選定點，例如按鈕、滑塊、對話框等等。在一些情況下，可移除由標記器330攔截的可見光圖像325 (例如，攔截標記器330的多個可見光線322)，以使得不存在標記器330的投影圖像。如果標記器330包括用戶身體的一部分(未示出)，則這可為尤其有利的，因為身體上的這種投影圖像可讓可見光圖像325的觀察者分心。可見光圖像325中還示出了一系列基準標記321，所述基準標記321可用於提供一系列基準點，以使得可見光圖像325和IR照明區域343 (示出於圖3B)對準，由此在指示器尖端332和可見光圖像325的位置之間存在對應性。在一個具體實施例中，激活每個基準標記器321上的指示器尖端陰影336可使得可見光圖像325和IR照明區域343實現一一對應性。圖3A中還示出了定位在可見光圖像325外面的邊緣區域345內的隱藏標記327。隱藏標記327可對於人眼不可見，並且通過從同一標記器330反射的IR光來激活。圖3B示出了交互式顯示器300的IR照明區域343。標記器330可具有此前所述的任何通用形狀，而在圖3B中，其具有包括指示器尖端332的指針形狀。可從由IR傳感器350接收的反射IR光束346的形式例如通過控制交互式顯示器300的計算機(未示出)來確定指不器尖糹而332的位直。來自可見光投影儀320的圖像包括在圖3B內以供參考(應當注意，可見光圖像是通過對應於圖3A的加撇號(』)數字標示的)。來自偏振IR源340的入射到投影屏310上的全部光均被吸收或透射而未被反射，並且對於人眼不可見。圖3B包括定位在可見光圖像325』之外的邊緣區域345內的隱藏標記327。隱藏標記327可為邊緣區域345 (未被觀察者看到，因為不存在投影到邊緣區域中的可見光圖像)內的區域，所述區域可用例如於對可見光圖像325進行額外的修改。此類額外的修改可包括(但不限於):用於包括亮度、對比度等等的顯示的母板控制；在投影裝置之間切換的能力；環境控制；會議控制；等等。圖4示出了根據本發明的一個方面的交互式顯示器400的透視示意圖。圖4中的編號兀件400-450中的每一個對應於圖1中所不的類似編號兀件100-150,並且每個兀件的描述和功能均為相應地類似的。例如，圖4中的投影屏410對應於圖1中的投影屏110。在圖4中，可見光圖像425和IR照明區域443為空間分離的；即，它們並非如此前所述為彼此重疊的。可見光圖像425和IR照明區域443的空間分離允許用戶遠程地對可見光圖像425進行改變和修改，而無需物理地位於圖像投影儀420和偏振選擇屏410之間。例如，當使用位於用戶難以直接觸及的位置中的大型可見光圖像425 (例如，大型演示室中的高投影圖像)時，這可為有利的。在此具體實施例中，可將標記器圖像435』投影到可見光圖像425中，因為並未如此前所述產生「陰影」。現在將更全面地描述本文所用的標記器，所述標記器可通過若干不同的技術來工作。在一些情況下，可控式回射反射器可用作低成本交互式裝置的標記器，所述標記器不依賴於電源，例如電池。可控制回射反射器的反射狀態，以使得回射反射器可在有源(即，「開」)和無源(即，「關」)狀態之間進行切換。這種控制可從簡單的反射/非反射開/關控制變化為不同反射形狀的較複雜檢測，從而允許顯著較高的交互性。在一些情況下，相比於與通過裝置投影的陰影進行交互，可將膜覆蓋到裝置的頂部由此可允許用戶與投影到裝置上的所存在光進行交互。在一個具體實施例中，可控式回射反射器可允許通過將IR光反射回光源來與顯示器進行交互，但可使用任何波長的光。可控式回射反射器可為低成本交互裝置，其可小至能切換材料的反射狀態的頂蓋尺寸裝置。此類低成本交互裝置可尤其有利地用於教室和發展中國家中，因為多個用戶可在大屏幕上進行即時交互，同時能保持低成本。根據所需的交互性水平，可摻入可精細地控制反射光的形狀和縱橫比的低功率電子器件和/或機械系統，由此將裝置製成較為複雜的。在一些情況下，可實現比多個可用有源裝置更高的交互性水平。與有源裝置相比，此類無電池和/或低功率裝置可消除或降低電池更換的頻率。在發展中國家和教室中，不含電池為有利的。在一些情況下，第二傳感器可用於檢測三維空間中的交互作用(其可允許完全6自由度(6D0F)交互性)。6D0F可通常指物體上下、左右、前後，以縱傾、橫擺、和橫傾旋轉地移動。在一個具體實施例中，可控式回射反射器僅可手動地前後翻轉，以使得回射反射器面向IR光源或背向IR光源。這種切換技術可導致交互準確性的難度(其可難以精確地指向你將需要的位置)。可設計出用於翻轉膜的簡易機械組件以允許改善的交互準確性。在一些情況下，可將透鏡設置在回射反射器上，由此重新導向一些輕度偏離光以回射到傳感器。這可允許使用較小件的回射反射器，並且如果將半球狀透鏡設置在回射反射器的頂部，則例如從光進入透鏡的幾乎任何角度均可產生明亮的回射。在一些情況下，頂部膜可用於遮蔽裝置的內部機構，並且保護它們以免經受手指油和灰塵。如本領域的技術人員所已知的，在一些情況下，頂部膜可為可見光漫射、紅外線透射膜。此類頂部膜可允許裝置的IR部分進行回射，而來自投影儀的可見光可在裝置上漫射。相比於與陰影進行交互，這種裝置可允許用戶與照亮物體進行交互。裝置的物理形狀未以任何方式進行限制，並且可將該裝置整合到例如筆、圓形裝置、方形裝置等等內。控制回射的激活按鈕可設置在便於用戶使用的任何位置，例如側面、前面、後面、或裝置上的位置的任何組合。位於裝置後面的激活按鈕將允許用戶緊靠表面推壓裝置並且控制其回射。在一些情況下，裝置可為能夠控制裝置的回射特性(例如，調節側面中的一者或多者以防止裝置回射、或通過覆蓋裝置的一個側面)的單個立體角。在一個具體實施例中，無源回射裝置可包括設置在回射反射器的表面附近或之上的液晶顯示器(LCD)。LCD可控制回射反射器是否暴露於照明。在此實施例中，激活按鈕可控制可顯示到LCD屏上的若干形狀中的一者。傳感器可被設計為能夠檢測顏色以及形狀，由此LCD可為能夠對反射亮度提供模擬控制的全彩顯示器。如果傳感器可檢測顏色和形狀，則可將紅色形狀和綠色形狀彼此進行疊加，以允許對於傳感器的每個讀數傳遞更多的信息。可使用玻璃珠回射反射器來保持從回射反射器的表面反射的光的偏振，以防止因與LCD相關的吸收偏振器的存在而導致的任何附加光損耗。在一個具體實施例中，TIR回射反射器可為受抑的(即，受抑TIR或FTIR)以控制反射光形狀。激活按鈕可用於機械地啟動允許產生或不產生反射的系統。這樣，除了形狀和縱橫比，FTIR可控式回射反射器可包括利用開/關和灰度控制進行反射性調節，由此可允許可由傳感器檢測的亮度控制。在一些情況下，電子體系可用於控制FTIR，並且可允許傳輸形狀信息和亮度。如本領域的技術人員所已知的，電子體系可包括例如帶靜電的顏料或染料顆粒，所述顆粒以電泳方式移動到與TIR相關的易消散區域之內和之外(從而抑制TIR)。在一個具體實施例中，可使用機械系統來遮蔽回射反射器，由此選擇性地允許回射反射器的所需區域進行反射。可製備簡易的可變光闌，所述可變光闌在機械槓桿被致動(例如，通過移動控制光透射的不透明膜、門、窗等等)時允許反射。在一個具體實施例中，傳感器可設置在屏附近，以提供較高的分辨力(包括距屏的距離的三維感測)。在此實施例中，可使用偏振漫射/保持式回射反射器例如來測定用戶手指相對於彼此的位置，並且可使用計算機來測定手的角位置。這可允許以極其自然的方式(例如，手動)實現更大量的交互性，同時不妨礙用戶的自然移動。發射光的偏振/非偏振可允許偏振保持式和偏振漫射回射反射器有所不同。在一些實施例中，不需要控制回射反射器，因為可使用Z軸(垂直於屏)來啟動交互(例如，如果回射反射器距表面大於十二英寸，則忽略手的移動)。在一些情況下，偏振3D感測系統可包括兩個或更多個縮放透鏡，以有助於相對距離的測定。以下為本發明實施例的列表。項I為交互式顯示器，包括:偏振選擇屏，其設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線並且吸收具有第二偏振方向的第二入射光線；顯示在所述偏振選擇屏上的可見光圖像；偏振紅外(IR)光源，其能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇屏；以及IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的反射部分。項2為項I的交互式顯示器，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為位置指示光束的標記器。項3為項I或項2的交互式顯示器，其中所述IR傳感器和所述可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述位置指示光束與所述可見光圖像的區域之間存在對應性。項4為項I至項3的交互式顯示器，其中所述對應性為——對應性。項5為項I至項4的交互式顯示器，其中所述可見光圖像包括沿所述第一偏振方向偏振的可見光。項6為項I至項5的交互式顯示器，其中所述偏振IR光束沿所述第二偏振方向偏振。項7為項2至項6的交互式顯示器，其中所述標記器包括回射反射器。項8為項7的交互式顯示器，其中所述回射反射器包括偏振保持式回射反射器。項9為項7的交互式顯示器，其中所述回射反射器包括偏振旋轉式回射反射器。項10為項2至項9的交互式顯示器，其中所述位置指示光束包括混合偏振態。項11為項2至項10的交互式顯示器，其中所述標記器包括漫反射器。項12為項11的交互式顯示器，其中所述漫反射器包括手指。
項13為項I至項12的交互式顯示器，其中所述IR傳感器對於僅具有所述第一偏振方向、僅具有所述第二偏振方向、或具有所述第一偏振方向和所述第二偏振方向的混合的IR光而言為敏感的。項14為項I至項13的交互式顯示器，其中所述偏振IR光源照明所述可見光圖像和位於所述可見光圖像之外的邊緣區域中的至少一者。項15為項14的交互式顯示器，其還包括能夠基於激活信號的狀態來更新所述可見光圖像的所述激活信號。項16為項14或項15的交互式顯示器，其中通過所述可見光圖像內的激活來改變所述激活信號的狀態。項17為項15或項16的交互式顯示器，其中通過所述邊緣區域內的激活來改變所述激活信號的狀態。項18為項15至項17的交互式顯示器，其中所述激活信號包括聲信號、電子信號、視覺信號、有源IR信號、無源IR信號、或它們的組合。項19為交互式顯示器，包括:偏振選擇屏，其設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線並且吸收具有第二偏振方向的第二入射光線；顯示在所述偏振選擇屏上的可見光圖像；偏振紅外(IR)光源，其能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇屏；以及至少一個IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分。項20為項19的交互式顯示器，其還包括設置將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。項21為項19或項20的交互式顯示器，其中每個IR傳感器和所述可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述位置指示光束中的每一個與所述可見光圖像的區域之間存在對應性。項22為項19至項21的交互式顯示器，其中所述對應性包括——對應性。項23為項20至項22的交互式顯示器，其中所述多個標記器包括漫反射器、鏡面反射器、回射反射器、偏振保持式回射反射器、偏振旋轉式回射反射器、或它們的組合。項24為項19至項23的交互式顯示器，其中所述至少一個IR傳感器還包括偏振分析器、光學波長濾波器、或它們的組合。項25為交互式投影系統，其包括:偏振選擇性反射屏；被構造為在所述偏振選擇性反射屏上顯示圖像的可見光投影儀；能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇性反射屏的偏振紅外(IR)光源；以及設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分的至少一個IR傳感器。項26為項25的交互式投影系統，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。項27為項25或項26的交互式投影系統，其中每個IR傳感器和所述圖像為對準的和/或校準的，以使得所述多個位置指示光束中的每一個與所述圖像的區域之間存在對應性。項28為項27的交互式投影系統，其中所述對應性包括——對應性。項29為交互式成像系統，包括:偏振紅外(IR)光源,其能夠利用偏振IR光束照明區域；以及至少一個IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分。
項30為項29的交互式成像系統，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。項31為項29或項30的交互式成像系統，其中每個IR傳感器和可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述位置指示光束中的每一個與所述可見光圖像上的位置之間存在對應性。項32為項31的交互式成像系統，其中所述對應性包括——對應性。項33為項31或項32的交互式成像系統，其中所述可見光圖像包括平板顯示或投影圖像。實M實例1:具有偏振選擇屏的交互式顯示器交互式顯示器可包括具有可見光輸出的投影儀，所述可見光輸出具有顯著水平偏振的分量(例如，S-偏振分量)。可將可見光輸出投影到優先反射S-偏振光的偏振選擇屏上。偏振選擇屏還吸收豎直偏振(例如，P-偏振)的可見光和IR光。IR光可利用對於人而言不可見的P-偏振IR光來照明偏振選擇屏。可利用IR發光二極體(LED)和偏振膜(例如，反射型偏振器、吸收型偏振器等等)來產生P-偏振IR光。反射型偏振膜可為任何已知的反射型偏振器，例如麥克尼爾偏振器、線柵偏振器、多層光學膜偏振器、或諸如膽留型液晶偏振器之類的圓偏振器。可檢測明亮IR點的位置的IR傳感器(例如IR感測相機)指向
偏振選擇屏。IR傳感器可利用具有數位訊號處理器(DSP)的Nintendo'; 「Wii」遙控器或
網絡攝像頭來進行改造。使用適當的濾波器來從IR傳感器阻擋可見光，並且將標記器定位在可見光投影圖像內。標記器可為回射反射器，例如，得自例如3M公司的立體角回射反射器或局部鍍銀的玻璃珠回射反射器。當IR光反射到IR傳感器時，標記器的位置顯示為亮IR點。在此實例中，可見光發射孔、IR發射孔、和IR接收孔位於大致相同的位置。將可見光鍵盤投影到偏振選擇屏上。IR相機並不感測可見光圖像，由此使其免受投影圖像的影響。另外利用IR光來填充偏振選擇屏。照明的IR光主要被偏振選擇屏吸收(而非反射)，因為屏和IR照明為交叉偏振的。因此，IR相機並不感測直接射到屏上的IR照明。射到偏振選擇屏上的不需要的環境幹擾IR照明通常降低1/2，因為其僅反射環境IR光的水平偏振分量，並且吸收環境IR光的豎直偏振分量。在一些情況下，如本領域的技術人員所知，可設計出吸收IR光的兩種偏振態並且反射僅可見光的屏，並且IR相機將檢測不到來自屏的反射。當無回射反射器設置在IR填充區域內時，IR傳感器檢測到不存在亮IR點的總體上黑暗的領域。當回射反射器設置在投影鍵處的屏附近時，IR傳感器將回射反射器檢測為該鍵位置處的亮IR點並且這可解釋為對該鍵的鍵擊。當其他物體設置在領域內時，它們通常未被感測到，因為它們通常產生鏡面反射、或具有不同偏振(即，不回射)的漫反射，由此導致較少的IR照明被重新定向到IR傳感器。在一些情況下，可將豎直偏振的濾波器設置在IR相機上，以進一步地辨別不需要的水平偏振IR光和需要的豎直偏振IR光。這可進一步地辨別不需要的物體的不同偏振。在一些情況下，可使用偏振保持式回射反射器(例如，取代回射立體角的鍍銀玻璃珠)。在與IR相機上的豎直偏振濾波器結合使用時，這種偏振保持式回射反射器為尤其可用的。這種裝置可導致獨特的標記器辨識，由此提供與通常遇到的物體的額外辨別。實例2:不具有偏振選擇屏的交互式顯示器
使用如實例I所提供的相同構型，不同的是由漫射屏(例如漫射壁表面)來取代偏振選擇屏。另外，將豎直偏振濾波器設置在IR相機上，並且使用偏振保持式回射標記器，如實例I中所述。可見光投影儀的偏振並不需要進行控制。將可見光鍵盤投影到漫射壁上。IR相機並不感測可見光圖像，由此使其免受投影圖像的影響。另外利用IR光填充壁上的圖像領域。照明的IR光主要由壁進行漫反射，並且漫反射的IR光具有混合偏振態，這可導致IR相機感測到較少的IR照明。任何不需要的環境IR照明通常因IR相機上的豎直偏振濾波器而降低1/2。因此，IR傳感器檢測到不存在亮IR點的總體上黑暗的領域。將回射反射器設置在投影鍵上的屏附近，並且IR傳感器將回射反射器檢測為該鍵位置處的亮IR點。這種行為可解釋為對該鍵的鍵擊。對於具有混合偏振態的反射而言，偏振保持式回射反射器將比普通反射器/回射反射器產生更亮的信號。實例3:具有雙回射標記器的交互式顯示器使用如實例2中所提供的相同構型，不同的是附加IR照明器利用水平偏振光來填充偏振選擇屏。這兩個IR照明源可根據需要來單獨激活。在一些情況下，可為有用的是在各種IR照明狀態之間快速地交替變換。所述狀態可包括僅豎直偏振IR照明、僅水平偏振IR照明、同時存在的水平和豎直IR照明、以及非預期的IR照明。可為有用的是快速連續地遍歷多個IR照明狀態，以允許察覺為基本上瞬時或同時的感測速度。若干傳感器中的每一個可包括偏振分析器，所述偏振分析器被取向為不同的偏振方向，以使得每個傳感器僅在下述情況下檢測到信號:回射反射器將具有適當偏振方向的反射IR光束導向到該傳感器。傳感器可具有可與選定IR照明器的照明時間相關的感測時間或積分周期，以使得不同的傳感器/照明器/標記器組合可為激活信號。可同步各種照明狀態的定時以與傳感器積分周期的定時重合，由此來擴展感測系統的有效性。將可見光鍵盤投影到漫射壁上。IR相機並不感測可見光圖像，由此使其免受投影圖像的影響。另外利用來自具有正交偏振的兩個IR光源的IR光來填充壁上的圖像領域。具有混合偏振的照明IR光主要由壁進行漫反射，這可導致IR相機感測到較少的IR照明。任何不需要的環境幹擾IR照明通常因IR相機上的豎直偏振濾波器而降低1/2。因此IR傳感器檢測到不存在亮IR點的總體上黑暗的領域。可將偏振保持式回射反射器設置在投影鍵上的屏附近，並且當利用豎直偏振光照明時，IR傳感器將此回射反射器檢測為亮IR點。然而，當利用僅水平偏振光照明時，IR傳感器並未檢測到回射反射器。可將並非為偏振保持式回射反射器設置在屏附近，並且當利用豎直偏振光照亮時，IR傳感器將回射反射器檢測為亮IR點，當利用水平偏振光照亮時也檢測為亮IR點。如此實例中所述，可以檢測和辨別設置在IR照明區域內的兩種不同類型的回射反射器。這種辨別可用於發出「右擊」和「左擊」信號，這對於計算機滑鼠為常見的。實例4:具有漫反射標記器的交互式顯示器使用如實例I所提供的相同構型。另外，將豎直偏振濾波器設置在IR相機上，如實例I中所述。可見光投影儀的偏振不需要進行控制。將可見光鍵盤投影到偏振選擇屏上。IR相機並不感測可見圖像，以使其免受投影的可見圖像的影響。另外利用IR光來填充偏振選擇屏。照明的IR光被偏振選擇屏吸收，因為屏和IR照明交叉偏振，因此IR相機並未感測到IR照明。射到偏振選擇屏上的任何不需要的環境IR照明通常降低1/2，因為其僅反射環境IR光的水平偏振分量，並且吸收環境IR光的豎直偏振分量(如本領域的技術人員所已知的，應當指出的是，在一些情況下，可設計出吸收IR光的兩種偏振態並且反射僅可見光的屏)。IR傳感器檢測到總體上黑暗的領域；然而，當將物體(例如用戶的手)設置在IR照明區域內打手勢時，它們通常產生具有混合偏振態的漫反射。IR相機可將具有豎直偏振分量的反射的部分感測為與黑暗屏背景形成對照的明亮圖像。然後可進一步處理此圖像以解析出預期的手勢。在一些情況下，可將投影的可見圖像在檢測到物體的區域中改為黑暗的，從而防止圖像投影到例如用戶的手上。反之，在一些情況下，可需要將圖像特定地投影到物體(例如用戶的手)上，以提供手的增強視野，從而將靜脈、文字等疊加到用戶的手上、或身體的其他部分上。除非另外指明，否則在說明書和權利要求中使用的表示特徵的尺寸、數量和物理特性的所有數字應當被理解為由術語「約」來修飾。因此，除非有相反的指示，否則在上述說明書和所附權利要求中提出的數值參數為近似值，其可根據本領域內的技術人員利用本申請所公開的教導內容尋求獲得的所需特性而變化。 本文中所引用的所有參考文獻及出版物以引用方式明確地全文併入本文中，但與本發明直接衝突的部分除外。儘管本文中示出和描述了特定實施例，但是本領域普通技術人員應該明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，大量的替代形式和/或同等實施方式可以替代所示和所述的特定實施例。本申請旨在覆蓋本文討論的特定實施例的任何改動和變化。因此，可預期本發明應該僅僅由權利要求書和其等同形式限制。
權利要求
1.一種交互式顯示器，包括: 偏振選擇屏，其設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線並且吸收具有第二偏振方向的第二入射光線； 顯示在所述偏振選擇屏上的可見光圖像； 偏振紅外(IR)光源，其能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇屏；以及 IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的反射部分。
2.根據權利要求1所述的交互式顯示器，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為位置指示光束的標記器。
3.根據權利要求2所述的交互式顯示器，其中所述IR傳感器和所述可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述位置指示光束與所述可見光圖像的區域之間存在對應性。
4.根據權利要求3所述的交互式顯示器，其中所述對應性為一一對應性。
5.根據權利要求1所述的交互式顯示器，其中所述可見光圖像包括沿所述第一偏振方向偏振的可見光。
6.根據權利要求1所述的交互式顯示器，其中所述偏振IR光束沿所述第二偏振方向偏振。
7.根據權利要求2所述的交互式顯示器，其中所述標記器包括回射反射器。
8.根據權利要求7所述的交互式顯示器，其中所述回射反射器包括偏振保持式回射反射器。
9.根據權利要求7所述的交互式顯示器，其中所述回射反射器包括偏振旋轉式回射反射器。
10.根據權利要求2所述的交互式顯示器，其中所述位置指示光束包括混合偏振態。
11.根據權利要求2所述的交互式顯示器，其中所述標記器包括漫反射器。
12.根據權利要求11所述的交互式顯示器，其中所述漫反射器包括手指。
13.根據權利要求1所述的交互式顯示器，其中所述IR傳感器對於IR光敏感，所述IR光僅具有所述第一偏振方向、僅具有所述第二偏振方向、或具有所述第一偏振方向和所述第二偏振方向的混合。
14.根據權利要求1所述的交互式顯示器，其中所述偏振IR光源照明所述可見光圖像和所述可見光圖像之外的邊緣區域中的至少一者。
15.根據權利要求14所述的交互式顯示器，其還包括能夠基於所述激活信號的狀態來更新所述可見光圖像的激活信號。
16.根據權利要求15所述的交互式顯示器，其中通過所述可見光圖像內的激活來改變所述激活信號的狀態。
17.根據權利要求15所述的交互式顯示器，其中通過所述邊緣區域內的激活來改變所述激活信號的狀態。
18.根據權利要求15所述的交互式顯示器，其中所述激活信號包括聲信號、電子信號、視覺信號、有源IR信號、無源IR信號、或它們的組合。
19.一種交互式顯示器，包括: 偏振選擇屏，其設置為反射具有第一偏振方向的第一入射光線並且吸收具有第二偏振方向的第二入射光線；顯示在所述偏振選擇屏上的可見光圖像； 偏振紅外(IR)光源，其能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇屏；以及 至少一個IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分。
20.根據權利要求19所述的交互式顯示器，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。
21.根據權利要求20所述的交互式顯示器，其中每個IR傳感器和所述可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述多個位置指示光束的每一個與所述可見光圖像的區域之間存在對應性。
22.根據權利要求21所述的交互式顯示器，其中所述對應性包括一一對應性。
23.根據權利要求20所述的交互式顯示器，其中所述多個標記器包括漫反射器、鏡面反射器、回射反射器、偏振保持式回射反射器、偏振旋轉式回射反射器、或它們的組合。
24.根據權利要求19所述的交互式顯示器，其中所述至少一個IR傳感器還包括偏振分析器、光學波長濾波器、或它們的組合。
25.—種交互式投影系統，其包括: 偏振選擇性反射 屏； 構造為在所述偏振選擇性反射屏上顯示圖像的可見光投影儀； 能夠利用偏振IR光束照明所述偏振選擇性反射屏的偏振紅外(IR)光源；以及 設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分的至少一個IR傳感器。
26.根據權利要求25所述的交互式投影系統，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。
27.根據權利要求26所述的交互式投影系統，其中每個IR傳感器和所述圖像為對準的和/或校準的，以使得所述多個位置指示光束的每一個和所述圖像的區域之間存在對應性。
28.根據權利要求27所述的交互式投影系統，其中所述對應性包括一一對應性。
29.—種交互式成像系統，包括: 偏振紅外(IR)光源，其能夠利用偏振IR光束照明區域；以及 至少一個IR傳感器，其設置為攔截所述偏振IR光束的多個反射部分。
30.根據權利要求29所述的交互式成像系統，其還包括設置為將所述偏振IR光束的一部分反射為多個位置指示光束的多個標記器。
31.根據權利要求30所述的交互式成像系統，其中每個IR傳感器和可見光圖像為對準的和/或校準的，以使得所述多個位置指示光束的每一個與所述可見光圖像上的位置之間存在對應性。
32.根據權利要求31所述的交互式成像系統，其中所述對應性包括--對應性。
33.根據權利要求31所述的交互式成像系統，其中所述可見光圖像包括平板顯示或投影圖像。
全文摘要
本發明整體涉及諸如交互式顯示器的光學裝置，並且具體地講涉及具有無源輸入裝置的交互式投影顯示器。本發明還提供了無源交互式輸入裝置(100、130、330、430)，所述無源交互式輸入裝置具有克服諸如交互式投影顯示器(100)的交互式顯示器中的成問題的環境幹擾信號的能力。
文檔編號G03B21/60GK103201679SQ201180054245
公開日2013年7月10日 申請日期2011年11月7日 優先權日2010年11月12日
發明者羅納德·D·傑斯密 申請人:3M創新有限公司