CN101762956B - 一种lcos投影显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LCOS投影显示装置，其包括屏幕、光学引擎、投影镜头和图像传感器。所述光学引擎包括极化分光镜和位于所述极化分光镜一个边缘的LCOS器件，所述极化分光镜将入射光反射至所述LCOS器件，所述LCOS器件基于所述数据图像的像素信息和入射光调制生成光学图像。所述投影镜头将所述光学引擎生成的光学图像投影至所述屏幕上，并允许来自所述屏幕的红外光透过。所述图像传感器感应来自所述投影镜头的红外光以形成感应图像。这样，所述图像传感器就能检测到屏幕上的任何区域的触摸。
Description
【技术领域】
本发明涉及投影显示领域，尤其是涉及可进行一个或多个触点检测功能的LCOS投影显示装置(Liquid Crystal On Silicon projection system，简称LCOS投影显示装置)。
【背景技术】
投影显示系统可以接收来自外部视频设备的图像信号，并将放大图像投影到显示屏上，其适于用来向大量观众介绍一些信息。一般来说，投影显示系统包括光源、光学引擎(Light engine)、控制器和显示屏。当外部图像信号输入投影显示系统时，所述控制器将获取所述图像的像素信息(比如颜色和灰度)，并控制所述光学引擎内的图像部件的运行以再现或重构所述图像。所述光学引擎内的图像部件通过组合或调制三原色图像以重构出全色图像，之后将所述全色图像投影至所述显示屏上。
目前常用的主要有三种投影显示系统，第一种可以被称为液晶投影显示系统(liquid-crystal-display projection display system，简称LCD投影显示系统)。所述LCD投影显示系统包括有许多像素，每个像素都是在两透明面板之间填充液晶而形成的。所述液晶可以作为光阀或光门，透过每个像素的光量是由施加于该像素的液晶上的极化电压(Polarization Voltage)决定的。通过调制这个极化电压，可以控制图像的亮度或灰度等图像参数。对于彩色图像，从白色光源分离出的三原色光分别被引导透过三个LCD面板。基于所述控制器获取到的像素信息，每个LCD面板显示所述图像的三原色(红、绿和蓝)中的一种。随后，这些三原色图像在所述光学引擎中被重构或组合为全色图像。之后，通过投影镜头(Projection lens)对所述重构图像进行校准和放大，并直接或间接投影到显示屏上。
第二种可以被称为数字光处理投影显示系统(digital light processingprojection display system，简称DLP投影显示系统)。所述DLP投影显示系统的核心器件为由微镜阵列组成的数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice，简称DMD)，所述微镜阵列中的每个微镜均可代表或对应图像的一个像素。与LCD投影显示系统中的透射投影技术不同，DLP投影显示系统采用的是反射投影技术。通过调整每个微镜的镜片角度从而可将光导入或导出所述投影镜头，进而控制到达所述投影镜头的每个像素的光量。通过将光源穿过旋转色轮(Color wheel)可以得到图像颜色，具体来讲，所述色轮具有红、绿和蓝三原色，当光线通过色轮的红色部分的时候，投影出来的图像是一幅全红色的灰度图像，蓝色和黄色同理。在色轮的快速旋转时，则可以得到一副副三原色图像，在三原色图像被投影后，由于人眼有视觉残留的特性，我们就可以观察到由红黄蓝三原色叠加的全彩色图像。
第三种可以被硅基液晶投影显示系统(Liquid Crystal On Siliconprojection system，简称LCOS投影显示装置)。与LCD投影显示系统的透射投影和DLP投影系统的反射投影不同，在LCOS投影显示装置中，液晶层设置于透明薄膜晶体管(thin-film transistor，简称TFT)层和硅半导体层之间。所述硅半导体层具有反射表面，在光线照到LCOS器件上时，所述液晶将工作为光阀或光门，从而控制到达其下的硅半导体反射表面的光量，所述硅半导体反射表面则对照射到其上的光线进行反射。从某种意义上讲，LCOS投影类似于LCD投影和DLP投影的结合。
LCOS投影显示装置中的颜色原理与LCD投影显示系统中的类似。将白色光源透过一系列波长选择分色镜或滤光器可将其分离为三原色光。这些三原色光通过一组极化分光镜(polarized beam splitter，简称PBS)转向至负责该原色的LCOS器件上，比如蓝色光被导入蓝色LCOS器件上，红色光被导入红色LCOS器件上，绿色光被导入绿色LCOS器件上。所述LCOS器件根据图像中的每个像素中定义的灰度值来调制每个像素的液晶的极化电压，并反射原色图像。之后，这三原色图像在被重构或组合为全色图像，最后，通过投影镜头对所述重构全色图像进行校准和放大，并直接或间接投影到显示屏上。
这些投影系统的应用近来倍受关注，尤其是在桌面计算机(tablecomputer)或表面电脑(surface computer)领域。所述表面电脑使用专门用户界面取代了键盘和鼠标，其允许用户直接与触摸屏交互以操作显示与触摸屏上的目标。当用户与显示屏上的目标交互时，一个关键的部分就是多触点检测的性能。
图5示出了表面电脑500的多触点检测系统的一个架构。在这个架构中，投影显示系统的投影镜头520将视频图像投影到显示表面510上。所述投影镜头520位于面向所述显示表面510的背板的中心。近红外LED光源540发射波长为850纳米的光线到所述显示表面510的背面。当一物体触摸所述显示表面510时，所述显示表面510的触摸发生位置将反射所述近红外光线。四个红外摄像头530检测从显示表面510上反射的所述近红外光线，每个覆盖所述显示表面510的大约1/4的区域。处理器(未图示)将来自每个摄像头530的图像组合在一起，并计算出触摸输入的位置。
桌面计算机比如微软表面(Microsoft Surface)直接将图像投影到显示表面，其通常将所述投影镜头放置于与显示表面的中心对应的位置处以防止投影图像发生扭曲。安装来检测触摸输入的任何摄像头都不得不被设置的偏离所述投影镜头的中心。如果只用一个偏离中心的摄像头对整个显示区域进行触摸检测，那么其采集的红外图像将会是扭曲的。通过分析这样的扭曲图像并计算出精确的触摸位置将会是比较复杂和困难的。因此，像图7示出的微软表面这样的投影显示系统采用了多个摄像头，每个摄像头仅覆盖显示区域的一部分。随后，将来自每个摄像头的未扭曲的图像组合成一副可以覆盖整个显示表面的图像。对于将图像间接投影到所述显示表面上的投影系统，光学器件，比如用于改变所述投影图像方向的镜子和镜头，同样会妨碍使用一个位于中心的摄像头来用于进行多点触摸输入检测。
为了在投影显示系统中精确的检测多触摸输入，目前的技术需要多个红外摄像头和将来自每个独立摄像头的图像进行组合的资源。这些需要都将会提高投影显示系统的成本，并增加投影显示系统的复杂度。
因此，亟待提出一种可应用于投影显示系统中的多触点检测方案。
【发明内容】
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
本发明要解决的技术问题之一在于提供一种LCOS投影显示装置，基于所述LCOS投影显示装置使多触点检测成为可能或得以实现。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种LCOS投影显示装置，其包括屏幕、光学引擎、投影镜头和图像传感器。所述光学引擎包括极化分光镜和位于所述极化分光镜一个边缘的LCOS器件，所述极化分光镜将入射光反射至所述LCOS器件，所述LCOS器件基于所述数据图像的像素信息和入射光调制生成光学图像。所述投影镜头将所述光学引擎生成的光学图像投影至所述屏幕上，并允许来自所述屏幕的红外光透过。所述图像传感器感应来自所述投影镜头的红外光以形成感应图像。
进一步的，其还包括有图像处理模块，所述图像处理模块接收来自图像传感器的感应图像，并基于所述感应图像确定出红外光的坐标或位置。
进一步的，所述投影镜头滤除或消减来自屏幕的可见光以及紫外光。
进一步的，在屏幕的投影镜头的一侧设置红外发射器，所述红外发射器发射红外光或近红外光到所述屏幕的背面，在所述屏幕被触摸时，每个触摸均可会反射红外线至所述投影镜头。
进一步的，所述屏幕至少包括有一亚克力板层，在亚克力板层的边缘装设红外发射器，所述红外发射器发射的红外光在亚克力板层内不停反射，但当所述屏幕被触摸时，红外光线可被从触摸处导引至所述投影镜头。
进一步的，在屏幕上具有多个触摸点时，每个触摸点均会形成一红外光，所述红外光通过所述投影镜头传播至所述图像传感器。
进一步的，在手指触摸屏幕时，其体温就会使该手指向外发射红外光，而这些红外线则可以作为触摸屏幕产生的红外光。
进一步的，使用红外笔来产生触摸屏幕时发出的红外光。
进一步的，所述图像传感器安置于所述LCOS器件的另一个边缘，来自所述投影镜头的红外光被所述极化分光镜反射至所述图像传感器上。
与现有技术相比，本发明的所述图像传感器将已作为图像投影的投影镜头复用为其图像采集镜头来采集屏幕或屏幕方向上的图像，这样，产生于屏幕的任何显示区域上的红外信号都能按照光投影路径返回到所述投影镜头，最后到达图像传感器，也就是说所述图像传感器就能检测到屏幕上的任何区域的触摸。
关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1示出了LCOS投影显示装置的一个实施例；
图2示出了具有触摸检测功能的LCOS投影显示装置的一个实施例；
图3示出了图2中的图像处理模块的一个示例；
图4示出了可以与图像感应器联合使用的红外笔的一个实施例；和
图5示出了桌面计算机中投影显示系统的一个架构。
【具体实施方式】
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法、程序、成分和电路已经很容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。
图1示意的示出了LCOS投影显示装置100的一个实施例。所述LCOS投影显示装置100包括有光源120、光学引擎140、投影镜头160和屏幕(或称之为显示屏)180。
所述光源120包括有红、绿和蓝色发光二极管，所述光源120按照次序快速重复发射红光、绿光和蓝光，所述光源120每个时刻只发射一种颜色的光。所述光源3120发射的光进入光学引擎140。所述光源120发射的光透过具有S极化滤光片和准直透镜的器件141，之后进入极化分光镜(polarizedbeam splitter，简称PBS)142。所述S极化光由所述极化分光镜142进行反射，之后透过1/4波片143至LCOS器件144，所述LCOS器件144位于所述极化分光镜142的一个边缘。基于输入图像(此时为数据意义的图像，简称数据图像)的像素信息以及入射的光线，所述LCOS器件344生成仅包括一种颜色分量(比如红色分量)的单色图像。由于S极化光会在LCOS器件144中进行反射，所述被反射光的极性也会随之改变，即由S极化转换为P极化。所述P极化光或图像再次进入并透过所述极化分光镜142。所述投影尽头160将来自所述极化分光镜142的所述单色图像投影到所述屏幕180上。由于光源会按照次序重复快速的发射所述三原色(RGB)光，它们对应的单色图像将会以同样的速度次序投影至所述屏幕180上。因此，由于人眼的视觉残留效应，就可以形成彩色调制图像。
图2示出了具有触摸检测功能的LCOS投影显示装置200的一个实施例。图2示出的所述LCOS投影显示装置200与图1示出的LCOS投影显示装置100的结构大部分类似，两者的区别在于：前者除了后者包括的单元外，还包括有图像感应器210和图像处理器230，其中前者包括的与后者相同的单元的工作方式及原理都与后者的相同。所述图像传感器210可以是电荷耦合装置CCD或CMOS传感器，其可感应来自投影镜头260的红外光以形成感应图像，并可将所述图像输出至图像处理模块230。所述图像传感器210、光学引擎240、投影镜头260以及图像处理模块230共同协作可以完成屏幕上280上的一个或多个触点的检测功能。
图2示出了一个具体的触摸检测的示例，当一物体202(比如手指、触摸笔或其它物体)触摸屏幕280时，在该位置处会生成红外光204，所述红外光204将沿投影路径穿透所述投影镜头260进入光学引擎240，所述光学引擎240中的极化分光镜242反射所述红外光204中的S极化部分至所述图像传感器210，同样的当一物体203(比如手指、触摸笔或其它物体)触摸屏幕280时，在该位置处会生成红外光205，所述红外光205将沿投影路径穿透所述投影镜头260进入光学引擎240，所述光学引擎240中的极化分光镜242反射所述红外光204中的S极化部分至所述图像传感器210。所述图像传感器210中的各个像素点与屏幕280上的各个位置是对应的，因此通过分析所述图像传感器210输出图像的感光点就可以得到所述物体202和203所触摸的屏幕280的坐标。同样，所述图像处理模块230的具体工作过程及实现方式将在下文中详细介绍。
在一个实施例中，所述投影镜头260可以滤除从屏幕方向进入其内的可见光以及紫外光，而只允许红外光从屏幕方向进入其内，这样同样也可以排除或减小了由可见光或紫外光给图像传感器210的红外光的感应带来的干扰。
本发明的一个重要特点、优点或特色在于：所述图像传感器将已作为图像投影的投影镜头复用为其图像采集镜头来采集屏幕或屏幕方向上的红外图像，之后通过光学引擎中的已有的光学器件(比如比如极化分光镜242)将投影镜头采集的红外图像引导至图像传感器。这样，一方面，由于投影镜头可以位于所述屏幕的中心位置，因此其采集的屏幕方向上的图像一般不会发生扭曲，后继处理比较方便和容易；另一方面，由于投影镜头本身就是用于投影的，而投影区域(即屏幕的显示区域)正是图像传感器希望覆盖的区域，因此这个投影镜头完全能覆盖到整个投影区域或显示区域，进而可以完全满足触点检测的需要，换句话说，产生于屏幕的任何显示区域上的红外信号都能按照光投影路径返回到所述投影镜头，最后到达图像传感器，这样所述图像传感器就能检测到屏幕上的任何区域的触摸；再一方面，由于光线一般具有很强的抗干扰性，复用投影镜头对通过其投影的图像以及通过其采集的图像都不会造成任何影响；另外一方面，不需要再专门安装外置摄像头来用于红外线检测，同时也不需要对现有光学引擎作任何改变，就可以实现利用透镜镜头采集其对应的红外光，并进而实现多出点监测，即节省空间，也节省成本。
物体触摸投影显示系统的屏幕产生红外光的方式有很多种，下面介绍几种比较实用的方式。
在一个实施例中，就像图5中示出的那样，可以在屏幕的投影镜头的一侧设置红外发射器(比如IR LED，红外发光二极管)，所述红外发射器发射红外光或近红外光到所述屏幕(比如图2中的280)的背面，并覆盖整个屏幕。在一个优选的实施例中，可以使用多个IR LED以保证能完全覆盖所述屏幕的显示区域。通常发射出去的红外光是不会向回反射的(即不会反射回投影镜头这一侧)，在有物体触摸所述屏幕时，所述红外光就会在触摸点发生反射。另外，假如同时有多个区域被触摸时，每个触摸区域均会反射红外线，比如图2中的红外光204和205。在该实施例中，触摸屏幕的物体可以是手指、触摸笔或者其他材质如硅胶等有一定韧性和反射性的材料。
在另一个实施例中，可以使用FTIR(Frustrated Total Internal Reflection，受抑全内反射)技术来实现红外光的发生，所述屏幕至少包括有一亚克力板(Acrylic)层，在亚克力板层的边缘装设红外发射器(比如IR LED，可以是多个)，所述红外发射器发射的红外光可以在亚克力板层内不停反射，而不会跑出来，这被称之为全内反射(Total Internal Reflection)，但当你的手指(或者其他材质如硅胶等有一定韧性和反射性的材料)碰到亚克力表面时，全内反射被破坏，红外光线被手指反射出来。同样的，有多个区域被触摸时，每个触摸区域均会产生红外线。
在再一个实施例中，可以将具有体温的人体作为红外光发射源，在手指触摸屏幕时，其体温就会使该手指向外发射红外光，而这些红外线则可以作为触摸屏幕产生的红外光。在另外一个实施例中，可以使用红外笔(IR stylus)来产生触摸屏幕时发出的红外光，此时甚至不需要真正接触到屏幕，只需要使用红外笔发射红外光到屏幕上即可，这些红外光可以穿透屏幕(背投的情况)或由屏幕进行反射(前投的情况)从而进入投影镜头的视野。下文中列举了所述红外笔的一种具体实现示例，具体内容将在下文中详细描述。
图3为示出了用于在投影屏(或者说屏幕)上确定一个或多个触点位置的图像处理模块300的一个实施例中的功能方框图，其可以用作图2中的图像处理模块230。所述红外图像传感器210检测到的图像信号可以被输入所述图像处理模块300。如图3所示，所述图像处理模块300包括模数转换单元320、存储单元322、微控制单元324、图像处理和增强单元326和触点坐标计算单元328。在具体实现时，存储于所述存储单元322内的程序代码使所述微控制单元324同步所有其它单元以计算捕获图像上的一个或多个触点。在操作时，所述模数转换单元320将接收到的图像转换为数字图像，所述数字图像可以缓存于所述存储单元322中。所述微控制单元324提取来自所述存储单元322的图像数据，并指使所述图像处理及增强单元326根据预定算法处理和增强所述图像数据。所述触点坐标计算单元328接收增强和处理后的图像，并计算出红外输入或触摸的坐标。所述结果330输入至外部装置以进行后续操作，比如确定触点的运动等。
图4示出了与红外图像传感器联合使用的红外笔400的一个示例。所述红外笔400具有笔体410。所述笔体410的一端具有透明窗口420，另一端具有可拆开的开盖480。所述红外笔内开设有电池空间450，拆开所述开盖480后可以将电池空间450内的电池取出或对电池空间450内的电池进行操作，所述电池通过电源控制电路440和笔体410上的开关460与至少一个红外LED430电性连接。所述红外发光二极管(IR LED)430位于所述透明窗口420的后面，在所述红外LED430发射红外线时，所述红外线可以通过所述透明窗口420向外发射。所述开关460可以控制所述红外LED430的开启和关闭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种LCOS投影显示装置，其特征在于，其包括：
屏幕；
光学引擎，其包括极化分光镜和位于所述极化分光镜一个边缘的LCOS器件，所述极化分光镜将入射光反射至所述LCOS器件，所述LCOS器件基于所述数据图像的像素信息和入射光调制生成光学图像；
投影镜头，将所述光学引擎生成的光学图像投影至所述屏幕上，并允许来自所述屏幕的红外光透过；
图像传感器，感应来自所述投影镜头的红外光以形成感应图像；和
图像处理模块，其接收来自图像传感器的感应图像，并基于所述感应图像确定出红外光的坐标或位置。
2.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：所述投影镜头滤除或消减来自屏幕的可见光以及紫外光。
3.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：所述图像传感器是电荷耦合装置或CMOS传感器。
4.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：在屏幕的投影镜头的一侧设置红外发射器，所述红外发射器发射红外光或近红外光到所述屏幕的背面，在所述屏幕被触摸时，每个触摸均可会反射红外线至所述投影镜头。
5.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：所述屏幕至少包括有一亚克力板层，在亚克力板层的边缘装设红外发射器，所述红外发射器发射的红外光在亚克力板层内不停反射，但当所述屏幕被触摸时，红外光线可被从触摸处导引至所述投影镜头。
6.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：在屏幕上具有多个触摸点时，每个触摸点均会形成一红外光，所述红外光通过所述投影镜头传播至所述图像传感器。
7.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：在手指触摸屏幕时，其体温就会使该手指向外发射红外光，而这些红外线则可以作为触摸屏幕产生的红外光。
8.如权利要求1所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：使用红外笔来产生触摸屏幕时发出的红外光。
9.如权利要求1-8中所述的LCOS投影显示装置，其特征在于：所述图像传感器安置于所述LCOS器件的另一个边缘，来自所述投影镜头的红外光被所述极化分光镜反射至所述图像传感器上。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HU DAWEN TO: DING SHIYU LI XING |
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Denomination of invention: LCOS projection display system Effective date of registration: 20121116 Granted publication date: 20120725 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN SPLENDID OPTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2012990000704 |
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