CN103076983B - 一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统。现有的基于白炽灯光源投影技术结合红外摄影的触摸系统，已基本实现大屏幕上人机交互，然而当前还没有用于激光背投的触摸系统；本发明解决现有触摸系统结构复杂，色彩不鲜艳，亮度不够，灯泡使用寿命短以及需要额外红外光源等问题；本发明包括：红绿蓝（RGB）三色激光光源；激光散斑抑制模组；投影显示模组；时序控制电路；镜头；小型摄影机；投影屏；不用另加红外光源，结构简单、稳定性高、设备轻小，适用于博物馆、家庭娱乐的人机交互；此外，关闭小型摄影机并调整投影显示模组与时序控制电路后，还可以用作一般电影、视频的播放显示，具备良好的兼容性。

Description

一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统

技术领域

本发明涉及触摸识别和激光投影显示的技术领域，特别涉及一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统。

背景技术

结合触摸识别的投影显示是目前较常见的一种人机交互方式。通常的实现方案中，使用普通白炽灯光源投影机来投影图像，另外设置红外光源来照射屏幕，设置红外摄像机来拍摄屏幕红外影像，以此捕捉使用者在屏幕上手指动作。但是这种方式整个系统过于复杂，使用过程中需要调试红外光源和红外摄像机的位置。同时，投影机使用普通白炽灯光源，色域较小，颜色鲜艳性不够，灯泡寿命短。随着激光器研究的进一步成熟，使用以激光作为光源的投影显示可以改善显示色彩质量和亮度。而整合用于触摸识别的光源和摄影装置，可以简化系统，降低生产成本，提升稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计一种结构简单、稳定，使用激光作为投影光源，使用投影出的全屏灰阶图像作为触摸识别源图像的人机交互系统。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统，包括：

三组单色激光光源，分别发出红绿蓝（RGB）三色激光；

激光散斑抑制模组，消除激光光源所引入的激光散斑；

投影显示模组，用于产生投影图像；

投影镜头，用于将图像投影到屏幕上；

投影屏幕，投影图像被投射到投影屏幕上以供观看；

小型摄影机，用于拍摄使用者在屏幕上的手指接触动作对背向散射光产生的扰动；

时序控制电路，用于控制小型摄影机与投影显示模组的信号同步，使得小型摄影机只拍摄所插入的全屏灰阶图像在屏幕上受手指接触影响产生的背向散射图像。

三组单色激光光源发出红绿蓝（RGB）单色激光，通过激光散斑抑制模组进行散斑抑制后，进入投影显示模组，在投影显示模组内部，通过光学元件照射到投影显示芯片上，经过投影显示芯片的调制，分时地产生高质量的彩色投影图像，并以合适的频率在彩色投影图像中插入全屏灰阶图像，这些图像通过投影镜头成像在投射型投影屏幕上；小型摄影机对准整个投影屏幕，时序性地拍下投影屏幕的背向散射光图像，如果使用者的手部与投影屏幕产生接触，则该处背向散射光会明显增强，并被小型摄影机拍摄到；与此同时，时序控制电路根据投影显示模组在投影图像中所插入的全屏灰阶图像，同步调节小型摄影机，使小型摄影机的拍摄仅限于该灰阶图像所出现的时间段，小型摄影机选择性地拍摄到的投影屏幕上包含手指位置信息的背向散射光图像后，即可用于触摸屏人机交互。

所述投影屏幕是透射式的屏幕，即系统采用激光背投作为显示手段；或所述投影屏幕是楔形板屏幕结构，即系统采用激光楔形板投影作为显示手段。

所述时序控制电路对小型摄影机的调节方式是在小型摄影机的镜头系统中加入光阀，在投影显示模组投射全屏灰阶图像的时间段，时序控制电路控制光阀打开，其余时间段，控制光阀关闭，从而达到调节小型摄影机使其只针对灰阶图像的时间段进行拍摄的目的。

所述楔形板屏幕包括：楔形导光板、增透膜、光转向膜和散射膜；楔形导光板将投影光导向屏幕的各处，增透膜能使光在全反射临界角附近出射时的透射率大为增强，从而使图像的光强基本一致，并消除楔形板屏幕所特有的图像暗带分层问题；光转向膜使得通过增透膜以后的光线方向发生变化，变为近似平行于楔形板表面法向的光线；散射膜使得通过光转向膜以后的光发生散射，从而改善显示屏的视角特性，以让使用者在更大的角度范围内看到清晰明亮的图像。

所述单色激光光源，是红绿蓝（RGB）三色的三台激光器或三组激光器阵列，三组光源发出激光，色彩纯度高。

所述激光器是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或上述各类激光器与晶体倍频器件的组合。

所述激光散斑抑制模组是电光调制型散斑抑制器件或机械型散斑抑制器件。

所述用于产生投影图像的投影显示模组由必要的光学元件和投影显示芯片构成，用于调制激光光源发射的光，分时地产生彩色投影图像，并以合适的频率在彩色投影图像中插入全屏灰阶图像。

所述的投影显示芯片是彩色时序型芯片，可以是DLP、LCD或者LCoS的一种。

所述小型摄影机对准整个屏幕，时序性地拍下屏幕的背向散射光图像，如果使用者的手部与屏幕产生接触，则该处背向散射光会明显增强，并被小型摄影机所拍摄。

所述时序控制电路，根据投影显示模组在投影图像中所插入的全屏灰阶图像，同步调节小型摄影机，使其的拍摄仅限于该灰阶图像所出现的时间段。

在上述技术方案中，投影显示模组中投影芯片应该采用具有较高帧速率与时间响应速率的元件。这两项指标可以保证在彩色投影图像中所插入的全屏灰阶图像不至于占据过长的显示时间、留下过长的图像拖影，从而不被观看者所察觉，不会影响彩色投影图像的正常显示效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明结构简单，稳定性高，整合度高，调试与安装更方便；

（2）本发明摈弃了红外光作为触摸识别光源，少了一套光源，摄影机也可以采用一般白光摄影机，可采用更为成熟的元器件，减小优化设计难度，有效降低成本；

（3）本发明显示色彩更鲜艳，表现力强，在博物馆展示或一般家庭娱乐中，既可用于普通显示，也可用于人机交互。

附图说明

图1示意性地从系统正上方角度给出了根据本发明总体构思的实施例1的人机交互系统；

图2示意性地从系统侧面角度给出了根据本发明总体构思的实施例1的人机交互系统；

图3示意性地给出了时序控制电路对小型摄影机进行控制的一种方式；

图4示意性地给出了另一种根据本发明总体构思的实施例2的人机交互系统；

图5示意性地给出了楔形板屏幕的结构；

图中，11为红色激光光源；12为绿色激光光源；13为蓝色激光光源；14为红-绿合束镜；15为黄-蓝合束镜；16为激光散斑抑制模组；17为投影显示模组；18为投影镜头；19为透射屏幕；20为小型摄像机；21为时序控制电路；22为楔形板屏幕；23为光阀；24为楔形导光板；25为增透膜；26为光转向膜；27为散射膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，附图中相同的标号表示相同的部件。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明人机交互系统包括：红色激光光源11，绿色激光光源12，蓝色激光光源13；合束镜14、15，其中14为红-绿合束镜，15为黄-蓝合束镜；激光散斑抑制模组16；用于产生投影图像的投影显示模组17；投影镜头18；透射型投影屏幕19；用于拍摄屏幕上背散射图像的小型摄像机20；用于控制小型摄像机与投影显示模组同步的时序控制电路21。

三组单色激光光源，红色激光光源11，绿色激光光源12，蓝色激光光源13是红绿蓝（RGB）三色的三台激光器或三组激光器阵列；其中，激光器可以是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或上述各类激光器与晶体倍频器件的组合；三组光源发出红绿蓝（RGB）单色激光，色彩纯度高。红色激光光源11，绿色激光光源12，蓝色激光光源13发出的光通过红-绿合束镜14、黄-蓝合束镜合束镜15后合为一束光，其高相干性的光束通过激光散斑抑制模组进行散斑抑制后，进入投影显示模组17，在投影显示模组17内部，通过必要的光学元件照射到投影显示芯片上，经过投影显示芯片的调制，分时地产生高质量的彩色投影图像，并以合适的频率在彩色投影图像中插入全屏灰阶图像。这些图像通过投影镜头18成像在投射型投影屏幕19上。应该注意到的是，屏幕19是透射型的，虽然投影光在屏幕19上经过散射，但系统投影的方向仍应避开使用者的视线方向，成一个适当的角度，以防止强光直射对人眼的伤害，如图2所示。小型摄影机20对准整个屏幕19，时序性地拍下屏幕19的背向散射光图像，如果使用者的手部与屏幕19产生接触，则该处背向散射光会明显增强，并被小型摄影机20拍摄到。与此同时，时序控制电路21根据投影显示模组17在投影图像中所插入的全屏灰阶图像，同步调节小型摄影机20，使其的拍摄仅限于该灰阶图像所出现的时间段。小型摄影机20选择性地拍摄到的屏幕19上包含手指位置信息的背向散射光图像后，即可用于触摸屏人机交互。

图3示意性地给出了一种时序控制电路21对小型摄影机20的调节方式，即在小型摄影机20的镜头系统中加入光阀23。在投影显示模组17投射全屏灰阶图像的时间段，时序控制电路21控制光阀23打开，其余时间段，控制光阀23关闭，从而达到调节小型摄影机20使其只针对灰阶图像的时间段进行拍摄的目的。这种方式使得小型摄影机20的响应特性不必达到很高的质量即可，节省了成本，同时光阀23的控制使得系统原理简单，稳定性更高。

实施例2：

如图4所示，该人机交互系统包括：红色激光光源11，绿色激光光源12，蓝色激光光源13；红-绿合束镜14，黄-蓝合束镜15；激光散斑抑制模组16；投影显示模组17；投影镜头18；小型摄像机20；时序控制电路21；楔形板屏幕22。

该方式不同于实施例1之处在于：所使用的屏幕是楔形板屏幕22，因此该楔形板屏幕22的结构以及投影镜头18的参数需经过优化设计以消除楔形板显示特有的图像断层现象；投影显示模组17应该投射经过预处理的与楔形板屏幕22所匹配的图像以维持显示质量；小型摄影机20在拍摄到经楔形板屏幕22导光的背散射图像后，应该进行图像处理以期得到实际的带有手指触摸位置信息的屏幕背散射图像。该方式使用楔形板屏幕22，完全避免了强光意外直射入眼的危险，结构更紧凑，所需空间更小。

图5示意性地给出了实施例2中所使用的楔形板屏幕22的具体结构，包括：楔形导光板24；增透膜25；光转向膜26；散射膜27，其中楔形导光板24构成主体支撑，其上依次覆盖一层增透膜25，一层光转向膜26，一层散射膜27。楔形导光板24将投影光导向屏幕的各处，由于其楔形的结构，在屏幕上某处的光全反射条件被破坏时，该处投影光便会从屏幕表面出射。增透膜25能使光在全反射临界角附近出射时的透射率大为增强，从而使图像的光强基本一致，并消除楔形板屏幕所特有的图像暗带分层问题。光转向膜26使得通过增透膜25以后的光线方向发生变化，变为近似平行于楔形板表面法向的光线。散射膜27使得通过光转向膜26以后的光发生散射，从而改善显示屏的视角特性，以让使用者在更大的角度范围内看到清晰明亮的图像。

总之，现有的基于白炽灯光源投影技术结合红外摄影的触摸系统，存在着结构复杂，色彩不鲜艳，亮度不够，灯泡使用寿命短以及需要额外红外光源等问题。本发明提出一种使用激光投影机进行投影显示并在投影屏幕上基于触摸识别实现人机交互的方式，不用另加红外光源，结构简单、稳定性高、整合度高，调试与安装更方便；

另外需要做出说明的是，本发明公开的触摸屏人机交互系统针对激光背投型显示以及激光楔形板显示，如果撤除激光光源11、12、13，并更改为三色LED光源或者改为白炽灯光源，同样可以实现触摸识别的人机交互，系统结构简单、设备轻小的优点仍得以保留。这种改造并不脱离本发明技术方案的精神和范围，应该涵盖在本发明的权利要求范围中。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精深和范围的情况下，可以进行各种其他变化、替换及改造。本领域的技术人员应当理解，对于本发明的技术方案进行其他修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：包括：

三组单色激光光源，分别发出红绿蓝(RGB)三色激光；

激光散斑抑制模组，消除三组单色激光光源所引入的激光散斑；

投影显示模组，用于产生投影图像；

投影镜头，用于将图像投影到屏幕上；

投影屏幕，投影图像被投射到投影屏幕上以供观看；

小型摄影机，用于拍摄使用者手指在屏幕上的触摸对背向散射光产生的扰动；

时序控制电路，用于控制小型摄影机与投影显示模组的信号同步，使得小型摄影机只拍摄所插入的全屏灰阶图像在屏幕上受手指触摸影响产生的背向散射图像；

三组单色激光光源发出红绿蓝(RGB)单色激光，通过激光散斑抑制模组进行散斑抑制后，进入投影显示模组，在投影显示模组内部，通过光学元件照射到投影显示芯片上，经过投影显示芯片的调制，分时地产生高质量的彩色投影图像，并以合适的频率在彩色投影图像中插入全屏灰阶图像，这些图像通过投影镜头成像在投射型投影屏幕上；小型摄影机对准整个投影屏幕，时序性地拍下投影屏幕的背向散射光图像，如果使用者的手部与投影屏幕产生接触，则该处背向散射光会明显增强，并被小型摄影机拍摄到；与此同时，时序控制电路根据投影显示模组在投影图像中所插入的全屏灰阶图像，同步调节小型摄影机，使小型摄影机的拍摄仅限于该灰阶图像所出现的时间段，小型摄影机选择性地拍摄到的投影屏幕上包含手指位置信息的背向散射光图像后，即可用于触摸屏人机交互；

所述时序控制电路对小型摄影机的调节方式是在小型摄影机的镜头系统中加入光阀，在投影显示模组投射全屏灰阶图像的时间段，时序控制电路控制光阀打开，其余时间段，控制光阀关闭，从而达到调节小型摄影机使其只针对灰阶图像的时间段进行拍摄的目的。

2.根据权利要求1所述基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述投影屏幕是透射式的屏幕，即系统采用激光背投作为显示手段；或所述投影屏幕是楔形板屏幕结构，即系统采用激光楔形板投影作为显示手段。

3.根据权利要求2所述基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述楔形板屏幕包括：楔形导光板、增透膜、光转向膜和散射膜；楔形导光板将投影光导向屏幕的各处，增透膜能使光在全反射临界角附近出射时的透射率大为增强，从而使图像的光强基本一致，并消除楔形板屏幕所特有的图像暗带分层问题；光转向膜使得通过增透膜以后的光线方向发生变化，变为近似平行于楔形板表面法向的光线；散射膜使得通过光转向膜以后的光发生散射，从而改善显示屏的视角特性，以让使用者在更大的角度范围内看到清晰明亮的图像。

4.根据权利要求1所述的基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述单色激光光源，是红绿蓝(RGB)三色的三台激光器或三组激光器阵列，三组光源发出激光。

5.根据权利要求4所述的基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述激光器是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或上述各类激光器与晶体倍频器件的组合。

6.根据权利要求1所述的基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述激光散斑抑制模组是电光调制型散斑抑制器件或机械型散斑抑制器件。

7.根据权利要求1所述的基于激光投影的触摸屏人机交互系统，其特征在于：所述用于产生投影图像的投影显示模组由必要的光学元件和投影显示芯片构成，用于调制激光光源发射的光，分时地产生彩色投影图像，并以合适的频率在彩色投影图像中插入全屏灰阶图像。