CN101523278A - 使用平面辐射导件的交互式显示器 - Google Patents

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Abstract

使用平面辐射导件(诸如平面光导件)来执行显示和/或成像的交互式显示器。平面辐射导件具有辐射传播部分和辐射接口部分。辐射传播部分按照全内反射原理来传播辐射(可能具有某些微小的泄漏)。平面辐射导件还具有其中辐射更易于退出或进入平面辐射导件的辐射接口部分。交互式显示器执行显示和成像两者，而平面辐射导件用于执行显示和成像操作中的至少一个(但可能是两者)。

Description

使用平面辐射导件的交互式显示器
背景
许多计算系统的功能依赖于使用显示器的有效信息显示。最近，显示器也已用作直接输入设备。例如，显示器可配备用于检测正被接触的显示器的一部分的触觉电阻和/或电容阵列。
显示器还可配备定位在显示器后的某一距离处的照相机系统。照相机聚焦于接近显示器的对象以便通过使得计算机在视觉上检测与显示器交互的对象来允许对计算系统的视觉输入。这一“视觉捕捉”技术依赖于在显示面板与置于显示器后面的照相机系统之间存在某一距离。这些视觉捕捉系统因此相当大，但对于诸如投影系统等其中显示器的厚度并非关键的应用而言是完全可以接受的。
最近，允许高质量显示器变得相当薄的技术已变得可用。例如，液晶显示(LCD)显示器当前正被广泛使用。然而，各种其他薄屏技术也已被开发。一种最近的方法是将平面光导件用作显示器。
平面光导件可以是例如，玻璃板或诸如丙烯酸等其他半透明材料。投影仪位于平面光导件的一端并将图像投影到玻璃板的一端中。玻璃板具有其厚度允许图像传播和扩展的区域。厚度可以是统一的、线性变化的或非线性变化的，只要准许图像传播。图像由于全内反射而传播，只要反射角小于由光导材料的折射率和环境周围材料的折射率定义的临界角。
扩展的图像然后被接收到可与楔形相比的不统一厚度的区域，其中材料的厚度逐渐减小。随着图像行进到楔中，反射角变得越来越锐利，从而逼近临界角直到当反射角首先超出临界角时不再能维持全内反射。在该阶段，光线退出材料。光线退出显示器的位置将取决于光线被投影到平面光导件中的角度。
平面光导件用作显示设备。在一种情况下，平面光导件作为执行X射线成像的结构来提供。穿过对象的X射线在平面光导件的非统一厚度部分处接收。膜被定位在楔部分上，在该部分上该膜被暴露给X射线光。另一方面，可见光按照全内反射原理在相对统一厚度的部分中沿着平面光导件的内部来引导。可见光然后被定位在平面光导件的边缘的照相机捕捉到。然而，该平面光导件并未在集成显示和成像功能两者的交互式显示器中使用。
简要概述
尽管并非必需，但本发明的实施例涉及使用平面辐射导件(例如，平面光导件)来执行显示和/或成像的交互式显示器。辐射的示例包括红外线、可见光和紫外光，但本发明的各原理足够宽泛以与电磁辐射的任何频率范围内的辐射一起操作。平面辐射导件具有辐射传播部分和辐射接口部分。辐射传播部分按照全内反射原理来传播辐射。平面辐射导件还具有其中辐射更易于退出或进入平面辐射导件的辐射接口部分。
交互式显示器包括用于从辐射接口部分的区域输出辐射的显示机构。然而，这并不意味着该显示机构必须使用平面辐射导件来显示。然而，如果该显示机构使用平面辐射导件来显示，则该显示机构使用平面辐射导件的辐射传播部分来传播要显示的辐射，并使用该辐射导件的辐射接口部分来在辐射接口部分的受控区处发射这一辐射。如果辐射是例如可见光，则辐射接口部分由此可用作用户显示器。
交互式显示器包括用于在辐射接口部分的区域处接收辐射的照相机机构。这并不意味着该照相机机构必须使用平面辐射导件来成像。然而，如果该照相机机构使用平面光导件来成像，则该照相机机构使用平面辐射导件的辐射接口机构来接收辐射并使用辐射传播部分来将这一接收到的辐射的至少一部分传播到照相机。
提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图简述
使用附图以更具体地描述本发明的各实施例。可以理解，这些附图仅描述本发明的各典型实施例，从而不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图用附加特征和细节来描述和解释这些实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的原理的包括交互式显示器和处理系统的系统；
图2A示出了根据现有技术的常规平面辐射导件的侧视图；
图2B示出了图2A的平面辐射导件的俯视图；
图2C示出了根据现有技术的折叠平面辐射导件的侧视图；
图3示出了使用平面辐射导件来同时显示和成像，但其中背光是独立于该平面辐射导件来提供的平面辐射导件的侧视图；
图4示出了使用平面辐射导件来显示，但使用照相机层来成像的平面辐射导件的侧视图；
图5示出了一对平面辐射导件的侧视图，其中上面的平面辐射导件用于显示和呈现两者，而下面的平面辐射导件用作背光；
图6示出了其中显示、成像和背光功能都使用平面辐射导件来实现的平面辐射导件的侧视图；
图7示出了其中LCD层被置于辐射接口部分的上方以便显示的平面辐射导件的侧视图，但其中该平面辐射导件用于成像；
图8示出了其中LCD层被置于辐射接口部分的上方以便显示的平面辐射导件的侧视图，但其中该平面辐射导件用于使用置于辐射接口部分的下方的背光和置于该平面辐射导件的边缘处的照相机来成像；
图9示出了其中LCD层被置于辐射接口部分的下方以便显示的平面辐射导件的侧视图，但其中该平面辐射导件用于成像；
图10示出了使用辐射接口部分上方的漫射膜并且其中LCD层置于辐射接口部分上方以便显示的平面辐射导件的侧视图，但其中该平面辐射导件用于成像；以及
图11示出了使用集成的图像显示和捕捉扫描的平面辐射导件的侧视图。
详细描述
本发明的各实施例涉及执行显示和成像操作两者的交互式显示器。显示和成像操作中的至少一个使用平面辐射导件(即，在辐射是光的情况下的“平面光导件”)。平面辐射导件可以是相当薄的，并且可用于控制辐射在哪里由平面辐射导件发射(和/或检测，在用于成像的情况下)。因此，启用其中可将与显示器接触(或在显示器前方)的对象成像以便向系统提供输入的薄交互式显示器。因此，显示和成像界面可位于同处。
图1示意性地示出了包括如由连接120表示的互连的显示器101和处理组件102的通用系统100。处理组件102可使用硬件、软件或硬件和软件的组合来处理信息。
当信息将以图像的形式显示在显示器101上时，处理组件102将该信息输出(如输出箭头121所表示的)到显示器101。显示器101以诸如，例如光等发射的电磁辐射的形式适当地呈现该信息(如箭头111所表示的)。所显示的图像由在给定时刻整个显示区域发射的各种辐射的空间上相关的强度和频率来定义。当然图像可随着时间而变化。
通常，显示器可以按可见光的形式来输出这一辐射，尤其在人类将要直接观察该显示器的情况下。然而，本发明的各原理并不限于输出可见光的显示器。因此，作为对显示可见光的替换或补充，显示器101可发射其他电磁辐射频率的图像。在本说明书和权利要求书中，术语“显示”被定义为任何电磁辐射的发射，而不管这一辐射是否处于可见光谱中。
在本说明书和权利要求书中，对此处被定义为包括任何频率的任何电磁辐射的“辐射”进行了引用。术语“光”将在此处与术语“辐射”互换地使用，并且除非被其频谱的描述符修改，否则就意味着任何类型的辐射，而不管这一辐射对于人类是否是可见的。因此，“光”意味着任何电磁辐射、“红外光”意味着红外光谱中的任何电磁辐射、“可见光”意味着可见光谱中的任何电磁辐射、“紫外光”意味着紫外光谱中的任何电磁辐射、“X射线光”意味着X射线光谱中的任何电磁辐射，并且对于所有其他频率分类以此类推。术语“可见或近可见光”被定义为红外、可见或紫外光。
显示器101是交互式的并由此具有用户界面110，其不仅包括输出111所显示的图像的能力，而且具有经由显示器101来接收输入112的能力。例如，对象可被置于显示器101的前方或与其接触以允许显示器接收关于该对象的图像信息。该图像信息然后作为输入122来提供给处理组件102。处理组件102然后可使用该信息来执行其他功能或者甚至可能影响稍后显示什么。由此，交互式体验可通过将其中显示和成像界面位于同处的显示器101用作输出和输入设备来实现。
交互式显示器可以在对于其它将会是优点的任何系统中使用，而不管该系统的形状因数，并且不管该形状因数是现在存在还是将在将来构想的。本发明的原理只是不限于任何特定的形状因数。因此，图1仅示意性地表示显示系统的各组件和各种信息流，而不在尺寸上表示任何特定的物理系统。
为了说明该原理，交互式显示器可被结合到标准台式计算机、膝上型计算机、手持式设备、音乐播放器、条形码扫描仪、家庭安全系统、快餐店食物点单系统、手表等中。显示器可以是相当小的，但存在其中显示器相当大将会有用的许多应用。
例如，可创建虚拟空中曲棍球台(virtual air hockey table)，其中显示器表示具有各自为数英尺的长度和宽度的整个游戏区域。所显示的图像可包括两个球门、各种场地标记(field marker)和曲棍球圆盘(hockey puck)。用户可使用物理球拍(paddle)(或可能只是手)来接触显示器以提供关于虚拟球拍在哪里的信息。底层处理可在给定虚拟球拍移动和先前的游戏运动的情况下模拟出该圆盘的适当移动。有了适当的用户输入，虚拟曲棍球台可被变换为允许用户使用大型显示器来构造虚拟建筑物和景观的建筑师和景观布局。
在任何情况下，系统和显示器的形状对本发明的较宽泛的原理并不重要。这尤为真实，因为本发明的各原理可允许显示器变得相当薄(尽管并非必须)。因此，即使非常小和/或薄的系统也可结合本发明的原理。这个概念因此相当通用并且独立于总体系统的形状因数和/或显示器的所显示的尺寸或形状。
如先前所解释的，显示器101是交互式的，这表现在其包括显示机构和捕捉与显示器101接触或在其前方的对象的图像的图像捕捉机构两者。然而，尽管从图1中并非是显而易见的，但图1的显示器101包括平面辐射导件。如将在将在以下详细解释的各示例实施例中变得显而易见的，显示机构和成像机构中的至少一个(并且在某些情况下是两者)使用平面辐射导件。
作为显示机构的平面辐射导件的操作原理将首先参考图2A和2B来解释。图2A示出了其中示出了参考笛卡尔坐标系201的平面辐射导件200的侧视图，该坐标系将x轴示为向右延伸、将y轴示为从页面的平面垂直向下地向下延伸并将z轴示为向上延伸。图2B示出了使用相同的坐标系201的平面辐射导件200的俯视图。然而，在图2B的情况下，虽然x轴向右延伸，但图2B的俯视图导致y轴向上延伸，而z轴从页面的平面垂直向上地向上延伸。图2A和2B中所示出的平面光导件的显示图像的用途在本领域内是已知的。然而，对这一显示器的物理原理的讨论将会有助于理解参考图3到10讨论的本发明的各实施例。
在本说明书和权利要求书中，术语“向上”、“上方”或“之上”在涉及平面辐射导件时指的是相对于坐标系201(见图2A和2B)和302(见图3-10)的正z方向。换言之，第一对象在该第一对象更靠近所显示的图像的观察者的情况下在第二对象的“上方”。相反，术语“向下”、“下方”或“之下”在涉及平面辐射导件时指的是相对于坐标系201和302的负z方向。
参考图2A和2B，平面辐射导件200具有辐射传播部分211和辐射接口部分212。投影仪230位于辐射传播部分211的左端并将一图像发射到平面辐射导件200的辐射传播部分211的左侧边缘。尽管整个图像被投影到平面辐射导件中，但出于清楚地描述使用平面辐射导件的显示器的通用原理的目的，只示出了两条辐射线231和232。例如，参考图2B，图像可由投影仪230在径向角241和242之间的任何地方发射。因此，平面辐射导件200的在比径向角241和242更广的角度处的材料(示为交叉阴影线)可能不用于传播辐射。
辐射传播部分211的尺寸被限定为使得图像按照内反射原理传播通过辐射传播部分211的整个长度。按照惯例，辐射传播部分211的统一厚度的。由此，只要特定辐射线的反射角不大于临界角，该射线就反射回到辐射传播部分211中。如此处所使用的术语，传播辐射的“反射角”或“反射的角度”是辐射的运动方向与该辐射接着将遇到的平面辐射导件的表面之间的角度。临界角取决于平面辐射导件211的材料的折射率并且取决于周围材料的折射率。因此，如从图2A中可以看出，尽管射线231和232具有不同的反射角，但这两个反射角最初都在临界角以下，并由此射线231和232通过内反射来传播通过辐射传播部分211。实际上，将要显示的整个图像在整个辐射传播部分211中都被保持在临界角以下，以便将图像信息传递给辐射接口部分212。
辐射接口部分212是非统一厚度的。按照惯例，该非统一厚度区域可采取全或部分楔的形式，如图2A和2B的情况所示出的，但从图2A中可以最佳地看出。所示情况示出了其中厚度线性变化的情况，但厚度变化也可以是分段线性或非线性的。随着射线进入楔形辐射接口部分的每一次内反射，反射角变得越来越广，直到角度大于临界角。一旦发生这一情况，就无法维持内部反射，并且射线将退出平面辐射导件。尽管射线被示为在z轴的确切方向上退出，但常规平面辐射导件使用转向膜和漫射膜来确保正确的显示。以下所描述的本发明的各实施例也可使用这样的转向和漫射膜，如将从参考图3到10描述的各示例实施例中显而易见的。
回头参考图2A，射线将退出的与投影仪230的距离将取决于该射线的初始反射角。例如，射线231比射线232在更靠近投影仪230得多的地方退出，因为射线231在从投影仪230发射时具有更广的反射角。如从图2B中显而易见的，投影仪230还控制径向角(即，相对于x-z平面的角度)。因此，通过仔细地控制表示图像的所有射线的反射和径向角，可从平面辐射导件200的辐射接口部分212中显示清晰的图像。
图2C示出了平面辐射导件可以按平面辐射导件200’的形式光学地折叠。该平面辐射导件使用联接的棱镜240来在辐射从辐射传播部分211’转移到辐射接口部分212’时倒转辐射流的方向。这通过准许显示器的用户界面部分可被访问，同时隐藏该显示器的其他组件，来允许高效地使用系统空间。作为替换或补充，常规的管理经常允许“块化(tiling)”，其中可使用各自负责将图像扩展到显示器的不同部分的多个投影仪。这准许辐射传播部分变得更短。
与图2A和2B形成对比，尽管根据本发明的原理的交互式显示器使用平面辐射导件，但该交互式显示器同时包括显示机构和成像机构两者。显示机构从平面辐射导件的辐射接口部分的区域输出辐射，但未必使用该平面辐射导件来显示。
在本说明书和权利要求书中，从辐射接口部分的“区域”发射或输出的辐射意味着该辐射或者直接从该辐射部分或者从该辐射接口部分上方的区域发射。因此，根据该定义，图像可源自辐射接口部分的下方或辐射接口部分的上方，或者可通过传播通过平面辐射导件的辐射传播部分来起源。
如果显示机构使用平面辐射导件来显示，则该显示机构使用辐射传播部分来传播要显示的辐射，并且从该平面辐射导件的辐射接口部分发射所传播的辐射的至少一部分。
另一方面，成像机构捕捉在平面辐射导件的辐射接口部分的区域处接收到的辐射。在本说明书和权利要求书中，在辐射接口部分的“区域”处接收到的辐射意味着该辐射或者由辐射接口部分来接收或者由辐射接口部分前方的成像组件来接收。因此，根据该定义，图像可在辐射接口部分的上方或下方接收，或者可由辐射接口部分来接收以便传播通过平面辐射导件的辐射传播部分。
如果成像机构使用平面辐射导件来成像，则该成像机构使用辐射接口部分来接收辐射，并且沿着平面辐射导件的辐射传播部分向下传播这一接收到的辐射的至少一部分。
本发明的若干实施例现在将参考图3到10来描述。在这些实施例中的每一个中，为了清楚起见，平面辐射导件将被示为非折叠形式。然而，这些实施例中的任一个或全部也可包括光学折叠(例如，如参考图2C所示出的)，或者可能可包括多个光学折叠。另外，对于图3到11中的每一个的方向参考将参考参考笛卡尔坐标系302，其是为了一致起见与图2A和2B的坐标系201相同的。
图3示出了包括平面辐射导件301的交互式显示器300，该显示器包括辐射传播部分311和辐射接口部分312。辐射传播部分311被示为具有基本上统一的厚度。图4到11所示的其他辐射传播部分亦是如此，但在图4到11中，辐射传播部分并未具体标记以简化附图并避免冗余。然而，如果平面辐射导件用于显示，则辐射传播部分不必具有统一的厚度，只要至少由投影仪投影的图像的表示的至少一部分在辐射接口部分处接收即可。此外，如果平面辐射导件用于成像，则辐射传播部分不必具有统一的厚度，只要在辐射传播部分的一端处接收的图像的表示的至少一部分在该辐射传播部分的另一端处接收即可。不管辐射传播部分的厚度统一性，在使用平面辐射导件来投影图像(如果有的话)或捕捉图像(如果有的话)时都将厚度剖面(profile)考虑在内。
辐射接口部分312被示为具有截楔(truncated wedge)形状。图4到11所示的其他辐射传播部分亦是如此，但在这些后面的附图中，辐射传播部分并未具体标记。然而，辐射接口部分不必具有该形状，只要投影仪在发送图像(如果有的话)时考虑该形状，并且只要照相机在捕捉图像(如果有的话)时考虑该形状即可。在任何情况下，辐射接口部分是显示图像以及捕捉图像的地方，而不管是否使用平面光导件。
为了在一个频谱而不是在另一个频谱上操作(即，显示或成像)，调整平面辐射导件的尺寸以确保所需辐射的正确的内反射、发射和捕捉可能是有用的。这对于光学领域中的普通技术人员在阅读了本说明书之后将会是显而易见的。因此，平面辐射导件的具体尺寸将不会在此描述。本质上，构想的优选尺寸由于关于本发明的原理而预期的应用和频谱的广泛的多样性而是不存在的。因此，图3到11不应被认为是按比例绘制的，但应出于概念的目的而用于理解本发明的较宽泛的原理。
参考图3的具体的交互式显示器300，显示器300将平面辐射导件300用作显示机构和成像机构两者。投影仪331将图像发送到平面辐射导件301中，其中该图像传播通过辐射传播部分311并通过辐射接口部分312的上表面来发射。该图像使用转向膜321来向上定向，随后漫射膜322漫射该图像以使得能够清晰地查看该图像而不必直接处于显示器的前方。所显示的图像可以是可见光、红外光、紫外光或任何其他光线。
为了成像，使用背光323来照亮与显示器300接触或邻近显示器300的对象。在图3到11的示例中，背光是红外背光，但可对其他频谱使用其他类型的背光作为对红外背光的替换或补充。红外背光323可由红外发光二极管(LED)阵列、边缘发光(edge emitting)红外LED或无论是现在已知还是将会在将来开发的创建红外光的任何其他机构组成。尽管未示出，但红外背光323可在其下侧上具有反射涂层以由此提高背光323的效率。
来自红外背光的红外光可以是具有广角的漫射光。因此，使用保密膜(privacy film)324来只过滤掉接近垂直于辐射接口部分的下表面的光线。在没有保密膜324的情况下，某些红外光可能被准许沿着辐射传播部分向下传播到照相机323中，由此将噪声引入了成像过程。保密膜324以及参考图4到11描述和示出的其他保密膜都可在其下表面上具有增亮膜(BEF)。BEF过滤大多数是漫射光的通道并引导光线向上。
因为IR(红外)光更多地是由保密膜324来校准的，所以红外光以安全地大于克服内反射所需的临界角的角度穿过辐射接口部分的上表面。红外光穿过转向膜321和漫射膜322。注意，转向膜321引导以接近平行于平面辐射导件301的辐射接口部分的上表面的角度进入转向膜321的任何光线向上。然而，在IR背光323的情况下，转向膜321可以是较不重要的，因为红外光可以按不接近平行于辐射接口部分的上表面的角度退出辐射接口部分。
对于与漫射膜322接触的对象，某些红外光将穿过漫射膜322向下反射回来。对于与漫射膜322接触的对象，漫射膜322几乎没有作用，所以不存在光线漫射到其中的距离。然而，即使对象处于离漫射膜322很短的距离，某些光线仍旧可以从该对象向下反射回到漫射膜322中。然而，漫射膜322往往担当邻近滤光片，往往反射与显示器接触或接近显示器的对象的较清晰的且较明亮的图像。
在任何情况下，某些反射的红外光将以低于克服内反射所需的临界角的角度通过转向膜321。该红外光通过平面光导件301的辐射接口和辐射传播部分的剩余部分向左传播到红外照相机332中。与显示器相关联的处理系统然后可基于红外光在照相机332处接收的反射和径向角来推断该光线在辐射接口部分的什么部分被接收到。
图4示出了另一个具体的交互式显示器400，其使用平面辐射导件401来显示，但不使用平面辐射导件401来成像。投影仪431将图像传播通过平面辐射导件401，其中该图像向上传递穿过转向膜421和漫射膜422。该显示机构因此类似于参考图3所描述的显示机构。
然而，成像机构在某种程度上不同。一个区别是在辐射接口部分的下表面上缺少保密膜。因为在平面辐射导件401的左侧边缘没有照相机，所以不存在万一某些红外背光向左传播通过平面辐射导件该照相机充满噪声的风险。因此，保密膜的预防措施是较不紧急的。然而，在任一种情况下，从正被成像的对象反射的某些红外光穿过漫射膜422和转向膜421反射回到平面辐射导件401的辐射接口部分中。
虽然某些反射的红外光向左传播通过平面辐射导件401而返回，但某些向下传递回红外背光膜423。红外照相机阵列432可被置于红外背光424的上方或下方(如双向箭头441所表示的)以接收反射光。实际上，红外照相机432和平面辐射导件401之间的距离可以相当短。
图5示出了类似于图4的显示器400的显示器500的另一示例，其中投影仪531使用平面辐射导件501来通过转向膜521和漫射膜522来显示图像。然而，在这种情况下，红外背光由担当投影仪的红外发光二极管(LED)533来提供到单独的平面辐射导件541中。发射自平面辐射导件541的光线使用转向膜542来向上转发。从那里，红外光穿过平面辐射导件501、转向膜521和漫射膜522。该红外光然后从与显示器接触或在显示器前方的对象反射回来，随后某些反射光穿过膜522和521向下传递回到平面辐射导件501中。某些反射光传播回到红外照相机532。其他反射光可从平面辐射导件501向下传递。因此，IR照相机532接收所反射的图像。作为红外照相机532的替换或补充，照相机阵列可被设置在平面辐射导件501的下方，大致如参考图4所示出的。
图6示出了显示器600的另一示例。再一次，显示可通过投影仪631将图像发送到平面辐射导件601的左侧边缘中来发生。所投影的图像被向上引导穿过转向膜621和漫射膜622以由此显示图像。
平面光导件601也用于提供红外背光并接收由与显示器600接触或在显示器600前方的对象反射的红外图像。红外光源(诸如LED)633将红外光投影到平面辐射导件601中。该红外背光也被向上引导穿过转向膜621和漫射膜622。所反射的红外光被接收回到平面辐射导件中，其中某些光线被红外照相机632捕捉到以由此形成红外图像。
图6的技术和结构可能在红外图像中导致热点，其中图像由于红外LED的位置而充满了反射。然而，这可通过使得两个红外LED以交替的方式投影来补偿。由此红外LED中的一个的热点的图像信息可通过关闭该LED并使用另一LED来提供背光来获得。
在图6的一个修改中，IR LED 633和IR照相机632可被集成到投影仪631中。通过使用被称为“激光束扫描投影(scanned beam laser projection)”的技术，IR光电传感器(用作IR照相机632)和IR激光(用作IR LED 633，广泛地使用术语“LED”)与投影仪集成。IR图像然后在扫描显示器的可见部分的同时被捕捉到。这减少了设计中的组件数量。另外，因为使用了单个光电二极管和点源，所以设备可被调节成减少环境光噪声(诸如例如，环境日光等)。当反射镜跨显示器扫描以形成扫描的显示图像时，该反射镜也照亮IR图像并捕捉该IR图像。在这种情况下，IR光电传感器可变得只对IR激光波长敏感。如果IR激光具有已调制载波，则IR光电传感器可使用电子滤波器来只接受处于该载波频率的IR光。这一激光扫描照相机也可用作对于图7-10的实施例中的每一个的IR照相机。在那种情况下，在图7-10中将不需要单独的IR照明背光。
图11示出了使用平面辐射导件1101来同时执行显示和成像两者的显示器1100的侧视图。扫描镜1102接收包括组合的图像显示和图像捕捉辐射分量的经校准的辐射1103。例如，经校准的辐射1103包括表示导致图像被显示的任何辐射(当向右传播通过辐射导件1101时)的图像显示辐射。例如，图像显示辐射可以是诸如例如，组合的红、绿和蓝光束等可见光。在这种情况下，红、绿和蓝分量可能已经由红、绿和蓝激光器(见束源1105)生成并使用光束组合器1104来组合成单个光束。或者，图像显示辐射可以是非可见辐射，其与在光学上处于扫描镜1102的下游的其他组件起反应以生成适于显示器的频域的光线(例如，可见光)。
经校准的辐射1103还包括图像捕捉辐射。图像捕捉辐射可以是适用于图像捕捉的任何频谱的光束。例如，束源1105中的一个可以是IR束源。该IR光束可能也使用光束组合器1104来组合成经校准的光束1103。光束组合器1104被抽象地表示为单个组件。然而，光束组合器1102可按需包括多个光束组合器以将图像显示和图像捕捉光束组合成单个经校准的光束1103。
扫描镜1102接收经校准的辐射1103并以合适的角度扫描这一辐射以使得该经校准的辐射1103以合适的模式在显示器的区域上扫描。扫描镜1102由此担当扫描类型的投影仪。从扫描镜1102投影的图像显示辐射进入平面辐射导件1101并导致一图像经由例如，转向膜1121和漫射膜1121来显示。
因为经校准的辐射1103还包括图像捕捉辐射，所以该图像捕捉辐射也同时在显示器上扫描。由此，当辐射从显示器中的一点显示时，图像捕捉辐射可恰好在同时从该显示器的恰好相同的点发射。如果存在与显示器接触或在显示器前方的对象，则图像捕捉辐射可沿其最初取自扫描镜1102的相同的路径逆向向下反射回来。扫描镜1102将图像捕捉辐射1106反射回到图像捕捉透镜1107中。图像捕捉透镜1107被置于非常靠近外出的经校准的光束1103的地方，并用于加重从显示器垂直反射的图像捕捉辐射。由此，光电传感器1108检测与显示器接触或直接处于显示器前方的对象的图像。尽管光电传感器1108被示为较远离光束组合器1104，但光电组合器1108可被置于靠近光束组合器1104的地方。
参考图3到6示出和描述的显示器都具有使用平面辐射导件来显示图像的显示机构。然而，本发明的原理也应用于将平面辐射导件用作成像机构，但不将该平面辐射导件用作显示机构的显示器。图7到10的情况就是如此，现在将更详细地描述这些情况。在图7到10中的每一个中，液晶显示(LCD)层被示为提供所显示的图像。然而，本发明的原理不限于此。可能存在可用于显示图像的其他显示层(无论是现在已开发还是将会在将来开发)。
图7示出了使用平面辐射导件701来使与显示器接触或在显示器前方的对象成像，但不使用该平面辐射导件来实际显示的显示器700。LCD层731具备设置在该LCD层731之下的红外且可见背光723。如在常规上已知的，使用LCD层的图像显示随着背光的可见部分被选择性地准许穿过LCD层并进行对应于空间光圈阵列的适当的滤色而发生。参考图7，背光723的可见部分和LCD层731用于生成从该LCD层731向上投影的图像。从LCD层731显示的图像向上穿过漫射膜722以便向用户显示。
成像机构使用背光723的红外部分(或者至少与用于显示的不同频谱的光)。红外光向上穿过某种程度上对红外光是半透明的LCD层731，且某些红外光由于LCD层731中的某些不透明部分而向下散射回来。通过LCD层731的红外光还穿过漫射膜722以便从对象反射。所反射的光然后穿过漫射膜722、LCD层731和背光层723向下传回。保密膜724只允许方向大致朝下的光线通过。保密膜724由此用于过滤由LCD层731和漫射膜722散射的大多数光。转向膜721使所反射的红外光转向以使得光通过平面辐射导件701传播至红外照相机732。
图8示出了使用平面辐射导件801来使与显示器接触或在显示器前方的对象成像，但不使用该平面辐射导件801来实际显示的显示器800。LCD层831具备设置在其下的可见背光825。图像的显示随着来自背光825的可见光被选择性地准许穿过LCD层831并进行适当的滤色而发生。从LCD层831显示的图像向上穿过漫射膜822以便向用户显示。
成像机构使用红外背光823来发射红外光(或者至少与用于显示的不同频谱的光)穿过保密膜824。保密膜824确定红外光的方向以使得该光不通过平面辐射导件801反射回到红外照相机832。相反，该红外光穿过转向膜821、可见背光825、LCD层831和漫射膜822。从对象反射的红外光穿过漫射膜822、LCD层831和背光层825向下传回。某些红外光向下穿过转向膜821，以使得该红外光通过平面辐射导件801传播至红外照相机832。
在一个实施例中，尽管并未在图8中具体示出，但可将第二平面辐射导件用作红外背光，大致如以上参考图5所描述的。在这种情况下，可使用红外LED533、平面辐射导件541和转向膜542的组合来代替红外背光层823和保密膜824。
图9示出了其中成像机构通过平面辐射导件901来出现，但不使用该平面辐射导件901来显示的平面光导件900。来自LCD层931的光(源自可见背光925)被准许仅仅向上穿过平面光导件以便从该平面辐射导件901向上发射图像。
成像机构使用红外背光923来发射红外光(或者至少与用于显示的不同频谱的光)穿过保密膜924、可见背光925、LCD层931、平面辐射导件901，并反射离开与显示器900接触或在其前方的对象。某些反射光然后通过平面辐射导件901传播回到红外照相机932。
图10示出了包括平面辐射导件1001的显示器1000。显示使用背光1023的可见部分来发生，背光1023的可见部分使用保密膜1024来校准并且然后被选择性地准许穿过LCD层1031以形成经校准的显示图像。该图像穿过平面辐射导件1001和漫射膜1022。为了最小化反射率，可使用黑色漫射膜1022。
成像使用由保密膜1024来校准的背光1023的红外部分来发生。大多数红外光以仍然基本上校准的形式穿过LCD层1031。经校准的红外光穿过平面辐射导件1001和漫射膜1022并反射离开对象。某些反射的红外光经由平面辐射导件1001行进至红外照相机1032。图10的一个变化是LCD层1031可置于漫射膜1022和平面辐射导件1001之间，而不是仅在平面辐射导件1001下方。
因此，已经描述了其中交互式成像显示器使用平面辐射导件来执行显示和成像操作中的至少一个(并可能两者兼而有之)的各实施例。本发明可具体化为其它具体形式而不背离其精神或本质特征。所述实施例在所有方面都应被认为仅是说明性而非限制性的。从而，本发明的范围由所附权利要求书而非前述描述指示。落入权利要求书的等效方式的含义和范围内的所有改变应被权利要求书的范围涵盖。

Claims (20)

1.一种交互式显示器(101)，包括：
具有辐射传播部分(311)和辐射接口部分(312)的平面辐射导件(301、401、501、601、701、801、901、1001、1101)，所述辐射接口部分(312)是非统一厚度的；
被构造成在所述辐射接口部分(312)的区域处显示的显示机构(331、301、321、322)；以及
被构造成在所述辐射接口部分(312)的区域处成像的成像机构(323、301、332)。
2.如权利要求1所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述显示机构或照相机机构中的至少一个使用所述平面辐射导件，以使得
如果所述显示机构使用所述平面辐射导件，则所述显示机构使用所述辐射传播部分来传播要显示的辐射并且从所述辐射接口部分发射这一传播的辐射中的至少一部分，并且
如果所述成像机构使用所述平面辐射导件，则所述成像机构使用所述辐射接口部分来接收辐射并沿着所述辐射传播部分向下传播这一接收到的辐射中的至少一部分。
3.一种用于使用包括平面辐射导件(301、401、501、601、701、801、901、1001、1101)、显示机构(331、301、321、322)、以及成像机构(323、301、332)的交互式显示器(101)的方法，所述平面辐射导件具有辐射传播部分(311)和辐射接口部分(312)，所述辐射接口部分(312)是非统一厚度的，所述显示机构被构造成在所述辐射接口部分(312)的区域处显示，所述成像机构被构造成在所述辐射接口部分(312)的区域处成像，所述方法包括：
将对象置于所述平面辐射导件(301)的辐射接口部分(312)的前方或与其接触的动作；以及
解析从所述平面辐射导件(301)的辐射接口部分(312)显示的图像的动作。
4.一种交互式显示器(101)，包括：
具有辐射传播部分(311)和辐射接口部分(312)的平面辐射导件(301、401、501、601、701、801、901、1001、1101)，所述辐射接口部分是非统一厚度的；
用于从所述辐射接口部分(312)的区域处输出辐射的显示机构(331、301、321、322)；
用于捕捉在所述辐射接口部分(312)的区域处接收到的辐射的成像机构(323、301、332)，
其中所述交互式显示器(101)被构造成使得所述显示机构(331、301、321、322)或所述成像机构(323、301、332)中的至少一个使用所述平面辐射导件，使得
如果所述显示机构(331、301、321、322)使用所述平面辐射导件(301)，则所述显示机构(331、301、321、322)使用所述辐射传播部分(311)来传播要显示的辐射并且从所述辐射接口部分(312)发射这一传播的辐射中的至少一部分，并且
如果所述成像机构(323、301、332)使用所述平面辐射导件(301)，则所述成像机构(323、301、332)使用所述辐射接口部分(312)来接收辐射并沿着所述辐射传播部分(311)向下传播这一接收到的辐射中的至少一部分。
5.如权利要求4所述的交互式显示器，其特征在于，所述成像机构包括：
被配置成将背光投影到所述平面辐射导件的辐射传播部分中的背光源；以及
定位在所述辐射传播部分的位于所述背光源附近的边缘的照相机。
6.如权利要求1所述的交互式显示器，其特征在于，所述成像机构使用定位在所述平面辐射导件的辐射接口部分下方的背光，所述背光被配置成将光传递通过所述辐射接口部分以使得所传递的光从所述辐射接口部分的上表面发射。
7.如权利要求6所述的交互式显示器，其特征在于，所述平面辐射导件是第一平面辐射导件，而所述背光构成第二平面辐射导件。
8.如权利要求6所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述显示机构，而不是所述成像机构，使用所述平面辐射导件，所述交互式显示器还包括：
定位在所述辐射接口部分下方的照相机阵列。
9.如权利要求6所述的交互式显示器，其特征在于，还包括：
处于所述显示器的辐射接口部分的低端的保密膜。
10.如权利要求4所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述显示机构和所述成像机构两者都使用所述平面光学辐射导件。
11.如权利要求10所述的交互式显示器，其特征在于，还包括：
定位在所述平面辐射导件的边缘的投影仪；以及
定位在所述平面辐射导件的边缘的照相机。
12.如权利要求4所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述显示机构和所述成像机构中只有一个使用所述平面辐射导件。
13.如权利要求12所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述显示机构，而不是所述成像机构，使用所述平面辐射导件。
14.如权利要求13所述的交互式显示器，其特征在于，还包括：
定位在所述平面传播部分的边缘的投影仪。
15.如权利要求12所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示器被构造成使得所述成像机构，而不是所述显示机构，使用所述平面辐射导件。
16.如权利要求15所述的交互式显示器，其特征在于，还包括：
定位在所述平面传播部分的边缘的照相机；以及
17.如权利要求15所述的交互式显示器，其特征在于，所述显示机构包括：
设置在所述平面辐射导件的辐射接口部分上方的显示层。
18.如权利要求15所述的交互式显示器，其特征在于，所述显示机构包括：
设置在所述平面辐射导件的辐射接口部分下方的显示层。
19.如权利要求4所述的交互式显示器，其特征在于，所述辐射传播部分被配置成传播至少可见光。
20.如权利要求4所述的交互式显示器，其特征在于，所述辐射传播部分被配置成传播至少红外光。
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