CN103189823A - 交互式偏振保持投影显示器 - Google Patents

Abstract

本发明整体涉及光学设备，例如交互式显示器，并且具体地讲涉及具有无源输入设备的交互式投影显示器。本发明还提供了一种无源交互式输入设备，所述设备具有克服例如交互式投影显示器的交互式显示器中的问题环境干扰信号的能力。

Description

交互式偏振保持投影显示器

相关专利申请

本专利申请涉及以引用方式并入的下述美国专利申请：与本发明同一天提交的“Interactive Polarization-Selective Projection Display”（交互式偏振选择投影显示器）（代理人案卷号66945US002）。

背景技术

诸如“智能白板”的市售交互式投影系统通常使用手持式输入设备以与投影图像进行交互。此类手持式输入设备可包括有源红外、超声和/或RF发射器和/或接收器。这些输入设备用于该设备相对于投影图像的定位，并且还可用以启动信号以使投影图像产生变化。此类输入设备可形成（例如）标记或钢笔的形状。

有源输入设备通常可包括光生成设备，而无源设备则反射或吸收别处产生的光。有源输入设备需要电源，例如内部电池或经由连接线输送的电力。有线设备使用起来可能碍手碍脚，并且电池供电设备需要对电池进行更换和/或再充电，这些都使得有源输入设备不尽理想。然而，可用的有源设备可提供明确强效的输入信息，而简单的无源设备可遭受环境信号干扰，从而遮蔽预期的输入信号。

发明内容

本发明整体涉及光学设备，例如交互式显示器，并且具体地讲涉及具有无源输入设备的交互式投影显示器。在一个方面，本发明提供了一种交互式显示器，其包括设置为反射红外光的偏振保持屏幕，以及显示于该偏振保持屏幕上的可见光图像。交互式显示器还包括偏振红外光源，其能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束对偏振保持屏幕进行照明；偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；和红外传感器，其被设置为检测穿过偏振分析器的偏振红外光束的反射部分。

在另一方面，本发明提供了一种交互式显示器，其包括被设置为反射红外光的偏振保持屏幕，以及显示于该偏振保持屏幕上的可见光图像。交互式显示器还包括偏振红外光源，其能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束对偏振保持屏幕进行照明；至少一个偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；和红外传感器，其被设置为检测穿过至少一个偏振分析器中的每一个的偏振红外光束的反射部分。

在又一方面，本发明提供了一种交互式投影系统，其包括偏振保持反射屏幕以及被配置为在偏振保持反射屏幕上显示图像的可见光投影仪。交互式投影系统还进一步包括偏振红外光源，其能够用偏振红外光束对偏振保持反射屏幕进行照明；偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；以及至少一个红外传感器，其被设置为检测穿过偏振分析器的偏振红外光束的反射部分。

在又一方面，本发明提供了一种交互式成像系统，其包括能够用偏振红外光束对区域进行照明的偏振红外光源，以及至少一个红外传感器，其被设置为拦截偏振红外光束的多个反射部分，其中偏振红外光束包括具有第一偏振方向的红外光，并且该至少一个红外传感器检测具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的红外光。

上述发明内容并非意图描述本发明的每个公开实施例或每种实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明了示例性实施例。

附图说明

整个说明书中都参考了附图，在附图中，类似的附图标号表示类似的元件，并且其中：

图1示出交互式显示器的横截面示意图；

图2A至2B示出投影屏幕的横截面示意图；

图3A至3B示出交互式显示器的示意性透视图；和

图4示出交互式显示器的示意性透视图。

附图未必按比例绘制。附图中所使用的类似标号是指类似部件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的部件并非意图限制另一附图中使用相同标号标记的部件。

具体实施方式

本发明提供了无源交互式输入设备，在本文中称为“标记”，该设备具有克服交互式显示器（例如交互式投影显示器）中有问题的环境干扰信号的能力。在一个具体实施例中，描述无源交互式输入设备或标记连同适当设计的投影和感测系统，可克服减少与投影图像的有效交互的环境干扰伪信号。

偏振红外(IR)照明和偏振控制回射器可用于增加无源交互式感测的稳健性。能够反射并且保持偏振光的偏振态的偏振保持屏幕还可改善标记以及可从标记的移动感测到的手势的灵敏性和稳健性。无源交互式手势感测可与图像投影仪并行使用，或者也可整合至此类投影仪内。在一个具体实施例中，无源交互式手势感测可整合至小型投影仪内，例如，袖珍投影仪、微型投影仪或迷你投影仪，例如可得自3M公司(3M Company)的MPro系列的微型专业投影仪(Micro Professional Projectors)。

图1示出了根据本发明一个方面的交互式显示器100的横截面示意图。交互式显示器100包括投影屏幕110，其具有通过图像投影仪120投影于其上的可见光图像125。设置偏振红外光源140，使得其能够在红外照明区域143中用红外光线142照明投影屏幕110。如别处所述，红外光线142用于提供与图像投影仪120和可见光图像125的交互性。在一些情况下，红外照明区域143可大于如图1所示的可见光图像125，使得红外照明边缘区域145超出可见光图像125。然而，在一些情况下，红外照明区域143可限于小于可见光图像125的区域，或者在一些情况下，甚至可延伸超过投影屏幕110（未示出）。

在一些情况下，如本领域技术人员已知，偏振红外光源140可为多个红外源中的一者，所述多个红外源可各自独立地寻址，并且能够发射具有不同偏振态或甚至不同红外波长的红外光。每个偏振红外光源140可（例如）包括下列至少一者：偏振片，其透射一种偏振态并且阻挡其他偏振态；或者红外滤波器，其透射一个红外波长范围并且阻挡其他红外波长。

在一个具体实施例中，投影屏幕110可为偏振保持屏幕，其能够反射光线同时保持反射光的偏振态（或方向）。一般来讲，偏振保持屏幕包括具有金属化反射层（例如银、铝等）的屏幕。可使用任何合适的偏振保持屏幕，包括（例如）回射屏幕，例如本领域中已知的半镀银珠面屏幕。

图2A示出根据本发明一个方面的投影屏幕200（例如偏振保持投影屏幕210）的横截面示意图。光源240引导第一光线242朝向偏振保持投影屏幕210。第一光线242可为未偏振光或其可为偏振光。一般来讲，第一光线242可包括具有第一偏振方向244和/或第二偏振方向246的光。

在一个具体实施例中，偏振方向205示出为取向垂直于（即，朝向纸张内）图2A中所示的示意图，并且具有第二偏振方向246的光可为（例如）p偏振光246。在本实施例中，从偏振保持投影屏幕210反射p偏振光246，并且也从偏振保持投影屏幕210反射s偏振光244。在一些情况下，第一偏振方向和第二偏振方向可分别为（例如）p偏振光和s偏振光。在一些情况下，第一偏振方向和第二偏振方向可为（例如）右圆偏振光和左圆偏振光。在一些情况下，圆偏振光可具有更通用的名称，例如右椭圆偏振光和左椭圆偏振光。

用于反射具有明确限定并且确定的第二偏振的第一偏振入射光的屏幕将包括于偏振保持类别中。例如，反射垂直偏振入射光束以及水平偏振的屏幕被归于偏振保持屏幕类别中。具有线性、圆形以及椭圆入射偏振和反射偏振的任何组合的其他屏幕也在偏振保持类别中。

反射的s和p偏振光可随后穿过偏振分析器259。偏振分析器259可为（例如）吸收偏振片，其选择性地透射具有第一偏振方向的光并且吸收具有第二正交偏振方向的光。在一些情况下，偏振分析器259可为（例如）反射偏振片，其选择性地透射具有第一偏振方向的光并且反射具有第二正交偏振方向的光。如图2A所示，偏振分析器259对准于偏振方向205，使得s偏振光244在其被检测为反射s偏振光248的位置穿过以拦截传感器250。

图2B示出了根据本发明一个方面的投影屏幕200（例如偏振保持投影屏幕210）的横截面示意图。光源240引导第一光线242’朝向偏振保持投影屏幕210。第一光线242’可为偏振光。一般来讲，第一光线242’可包括具有第二偏振方向246的光。

在一个具体实施例中，偏振方向205示出为取向垂直于（即，朝向纸张内）图2B中所示的示意图，并且具有第二偏振方向246的光可为（例如）p偏振光246。在本实施例中，自偏振保持投影屏幕210反射p偏振光246。在一些情况下，第一偏振方向和第二偏振方向可分别为（例如）p偏振光和s偏振光。在一些情况下，第一偏振方向和第二偏振方向可为（例如）右圆偏振光和左圆偏振光。在一些情况下，圆偏振光可具有更通用的名称，例如右椭圆偏振光和左椭圆偏振光。

反射的p偏振光可随后穿过偏振分析器259。偏振分析器259可为（例如）吸收偏振片，其选择性地透射具有第一偏振方向的光并且吸收具有第二正交偏振方向的光。在一些情况下，偏振分析器259可为（例如）反射偏振片，其选择性地透射具有第一偏振方向的光并且反射具有第二正交偏振方向的光。如图2B所示，偏振分析器259对准于偏振方向205，使得p偏振光246不会穿过以拦截传感器250，并且不被检测到。

如别处所述，可为发射光源的第二光源（例如标记232）或者无源光源（例如回射器）引导s偏振光234朝向偏振分析器259。由于偏振分析器259对准于偏振方向205，因此s偏振光234在其被检测为s偏振光236的位置穿过偏振分析器259。

在一些情况下，偏振保持投影屏幕210可进一步包括若干任选层，例如在（例如）美国专利No.6,381,068（Harada等人）中所述的那些层。任选层可包括（例如）任选光漫射层和任选光吸收层。在一个具体实施例中，任选光吸收层可为红外吸收层，使得吸收并且不反射入射于屏幕上的红外光。任选红外光吸收层的存在可改善一些交互式投影系统中的对比度。

现在返回图1，交互式显示器100还包括可提供与可见光图像125和图像投影仪120的交互性的标记130。标记130可设置在适于拦截自偏振红外光源140发射的入射红外光线144的任何位置。标记130拦截并且反射入射红外光线142的至少一部分，例如入射红外光线144。随后将反射的红外光线146引导至透射一个偏振方向的偏振分析器159（如上文参照图2A至2B所述）。随后将穿过偏振分析器159的反射红外光线146引导至被设置为拦截反射红外光线146的红外传感器150。红外传感器150可为（例如）红外相机，其能够拦截用红外照明区域143自若干位置反射的红外光。在一些情况下，红外传感器150能够为红外照明区域内的任何反射标记指定（可能唯一）位置。

如图1所示，标记130可放置在距投影屏幕110的距离“D”处，使得可在实际上未与屏幕接触的情况下发生交互。在一个具体实施例中，可切换可见光投影仪120以在交互式功能期间依“固定焦点”模式操作，使得视域内标记130的存在（或者，作为另外一种选择，视域内使用者的存在）不会影响可见光图像425的焦距。

在一些情况下，如本领域技术人员已知，红外传感器150可为多个红外传感器中的一者，所述多个红外传感器可各自独立地寻址，并且根据不同的偏振态或甚至不同的红外波长进行调谐。每个红外传感器150可（例如）包括下列至少一者：偏振片（例如上述的偏振分析器），其将一种偏振态透射至传感器并且阻挡其他偏振态；或者红外滤波器，其透射一个红外波长范围并且阻挡其他红外波长。在此类情况下，通过使用多个输入设备（或标记）和针对特定偏振或波长所调谐的传感器，可同时和/或唯一地识别相同可见光图像上的多个交互式手势。

在一个具体实施例中，偏振红外光源140可被配置为发射具有第一偏振方向（例如，图2A中的244）、第二偏振（例如，图2A中的246）或者第一偏振方向244和第二偏振方向246的组合（即，椭圆偏振）的光。在一些情况下，可能优选的是将偏振红外光源140配置为仅发射第二偏振方向，以使得自屏幕仅反射投影屏幕110上入射的红外光线142。在这种情况下，除非将标记130放置为在红外光线146穿过偏振分析器159至红外传感器150之前反射红外光线146并且旋转偏振方向，否则红外传感器150将检测不到任何红外光线。

反射的红外光线146为位置指示光束，其识别标记130在红外照明区域143内的位置以及在可见光图像125内的图像位置135。在一个具体实施例中，可见光源将可见光位置光线134投影至标记130上，随后将标记130的阴影（即，图像位置135）投射在可见光图像125上。在一些情况下，可能存在可用于在可见光图像125内生成不止一个图像位置135的不止一个标记130（例如，所谓的“多触点”交互式屏幕）。

标记130可包括具有可用于（可能唯一地）识别标记130以及标记130在红外照明区域143中的位置的特性的多种反射器。在一个具体实施例中，标记130可包括反射器，例如镜面反射器（例如，金属化涂层或多层光学膜）、回射器（例如，立体角回射器或金属化珠面回射器）、漫反射器（例如，珠面反射器）或它们的组合。在一个具体实施例中，标记130可包括偏振保持反射器（例如，金属化珠面回射器）、偏振旋转反射器（例如，包括光路中延迟片的金属化珠面回射器）、偏振随机化反射器（例如，立体角回射器或珠面反射器）或它们的组合。

在一个具体实施例中，标记130可包括设置在标记130的不同表面上的不止一种类型的反射器以根据指向红外传感器150的表面对可见光图像125进行不同变化或修改。在一些情况下，例如，标记130的第一表面131可包括偏振保持回射器，并且标记130的第二表面133可包括偏振旋转回射器，从而通过定位第一表面131对可见光图像125进行第一修改，以及通过定位第二表面133对可见光图像125进行第二修改。适用于交互式显示器设备的标记在本发明的别处有更完整描述。

一般来讲，图像投影仪120、偏振红外光源140以及红外传感器150与图像生成设备151（例如计算机）连通。图像生成设备151可响应于来自红外传感器150的传感器启动信号152而通过投影仪信号154调整或修改可见光图像125。图像生成设备151还可响应于外部启动信号153而通过投影仪信号154调整或修改可见光图像125。在一个具体实施例中，如别处所述，照明偏振态可与成像传感器的整合周期同步，使得不同照明器偏振态可与不同成像传感器或不同传感器结果相连。如别处所述，对准和/或校准红外传感器150和可见光图像125，使得图像位置135和位置指示光束（即，反射的红外光线146）之间存在对应关系。

如本领域技术人员已知，传感器启动信号152和外部启动信号153两者可由多种技术生成，包括但不限于听觉信号、电子信号、视觉信号、有源红外信号、无源红外信号或它们的组合。在一些情况下，例如，传感器启动信号152可包括回射标记130的遮蔽或回射标记130的旋转，使得回射器选择性将偏振红外光144反射至红外传感器150。在一些情况下，可通过此类遮蔽或旋转改变来自标记130的回射状态，例如偏振保持或偏振随机化。在一些情况下，可通过显露、隐藏或展示反射区域实现被动点击。这可通过（例如）用透射型LCD面板覆盖回射器而完成。在一些情况下，如本领域技术人员已知，LCD上展示的图案可传达（可能唯一地）可通过图像分析软件解释的点击信息。在一些情况下，可通过对本领域技术人员来说显而易见的技术，通过阻止设备的全内反射(TIR)使回射器反射或不反射。在一些情况下，可通过上述技术调整反射度以提供启动信号。

图3A至3B示出根据本发明一个方面的交互式显示器300的示意性透视图。图3A至3B中编号元件300至350中的每一个均对应于图1中展示的类似编号元件100至150，并且每个元件的描述和功能均对应地相似。例如，图3A至3B中的投影屏幕310对应于图1中的投影屏幕110。图3A示出由可见光源320照明的交互式显示器300，而图3B示出由偏振红外光源340照明的交互式显示器300。应当理解，图3A至3B的元件在交互式显示器300中彼此叠加，并且仅为清楚起见而被分为两个图。

图3A示出交互式显示器300的可见光图像325部分。标记330可具有任何一般形状，如此前所述，然而在图3A中，其示出为具有指针形状，并具有指示尖332。来自可见光投影仪320的可见光线334将标记阴影335投射于可见光图像上，并且包括定位于可见光图像325内的所选标记326上方的指示尖阴影336。可见光图像325包括位于各处的若干标记323，并且在一些情况下可对应于图像内的选择点，例如按钮、滑杆、对话框等等。在一些情况下，可移除由标记330拦截的可见光图像325（例如，拦截标记330的多个可见光线322）使得标记330上不存在任何投影图像。这在标记330包括使用者身体（未示出）的一部分时特别有利，因为身体上的此投影图像可分散可见光图像325的观察者的注意力。

另外可见光图像325中所示的为可用于提供一系列参照点使得可见光图像325和红外照明区域343（图3B中所示）对准的一系列基准标记321，使得指示尖332与可见光图像325的位置之间存在对应关系。在一个具体实施例中，基准标记321中的每一个上的指示尖阴影336的启动可使可见光图像325和红外照明区域343成为一对一的对应关系。另外图3A中所示的为布置在可见光图像325外部边缘区域345内的隐藏标记327。隐藏标记327对于人眼可能是不可见的，并且通过来自相同标记330的红外光的反射而启动，如别处所述。

图3B示出交互式显示器300的红外照明区域343。标记330可具有任何一般形状，如此前所述，然而在图3B中，其具有指针形状，并具有指示尖332。指示尖332的位置可（例如）自红外传感器350所接收的反射红外光束346的图案、通过控制交互式显示器300的计算机（未示出）确定。

来自可见光投影仪320的图像包括于图3B中以供参照（注意，可见光图像通过对应于图3A的带撇号(‘)数字识别）。来自偏振红外源340的照在投影屏幕310上的全部光被吸收或透射，不被反射，并且对人眼来说是不可见的。图3B包括布置在可见光图像325’外部的边缘区域345内的隐藏标记327。隐藏标记327可为边缘区域345内的区域（观察者看不到，因为边缘区域中未投影任何可见光图像），其可用于（例如）对可见光图像325进行额外的修改。此类额外的修改可包括但不限于：显示内容的主控制，包括亮度、对比度等等；在投影设备之间切换的能力；环境控制；会议控制；等等。

图4示出根据本发明一个方面的交互式显示器400的示意性透视图。图4中编号元件400至450中的每一个均对应于图1中展示的类似编号元件100至150，并且每个元件的描述和功能均对应地相似。例如，图4中的投影屏幕410对应于图1中的投影屏幕110。

在图4中，可见光图像425和红外照明区域443在空间上隔开；即，它们并非如此前所述彼此叠加。可见光图像425和红外照明区域443的空间相隔允许使用者在未实际位于图像投影仪420与偏振保持屏幕410之间的情况下远程对可见光图像425进行变化或修改。例如，当使用位于使用者难以直接进入的位置中的大型可见光图像425（例如大型展示室内的升高投影图像）时，这可能是有利的。在本具体实施例中，标记图像435’可投影至可见光图像425内，因为未生成如此前所述的任何“阴影”。

现在将更完整地描述本文所用的标记，其可通过若干不同技术操作。在一些情况下，可控回射器可用作不依赖于电源（例如电池）的低成本交互式设备的标记。可控制回射器的反射状态，使得回射器可在启动（即“开启”）和未启动（即“关闭”）状态之间切换。该控制可以是从简单的反射/非反射开启/关闭控制到区分反射形状的更复杂检测的任何控制，从而显著提供更多交互性。在一些情况下，相对于与通过设备投射的阴影的交互，可在设备顶部上铺上膜，其可允许使用者交互控制投影至设备上的光的存在。

在一个具体实施例中，可控回射器可通过将红外光反射回到光源而实现与显示器的交互，但可使用任何波长的光。可控回射器可为低成本交互设备，其可与切换材料反射状态的瓶盖大小的设备一样小。此类低成本交互设备可特别有利地用于教室和发展中国家/地区，因为许多使用者可一次在大型屏幕上进行交互，同时降低成本。

根据所需的交互性级别，可通过结合可精细控制反射光的形状和纵横比的低功率电子和/或机械系统增加设备的复杂性。在一些情况下，可实现大于许多有源设备可用的交互性的级别。与有源设备相比，此类不含电池和/或低功率设备可消除或减小更换电池的频率。在发展中国家/地区和教室中，不存在电池是有利的。在一些情况下，第二传感器可用于检测三维交互，其可实现全6自由度(6DOF)的交互性。6DOF一般可指对象的上下移动、左右移动、前后移动、俯仰旋转移动、偏摆旋转移动和翻滚旋转移动。

在一个具体实施例中，可控回射器可简单地用手来回翻转，使得回射器面向红外光源或背向红外光源。该切换技术可导致交互式精确性的困难（可能难以精确指向想要指向的位置）。可设计用于翻转膜的简单机械组件，其可提供改进的交互式精确性。在一些情况下，可在回射器上方布置透镜以重新引导一些轻微偏离光朝传感器回射。这可允许使用更小件回射器，并且（例如）如果在回射器顶部放置半球状透镜，进入透镜的光则可以几乎任何角度发生明亮回射。

在一些情况下，顶部膜可用于隐藏设备的内部机构，并且保护所述机构免受手指油污和粉尘的危害。在一些情况下，如本领域技术人员已知，顶部膜可为可见光漫射、红外线透明膜。此类顶部膜可使得设备的红外部分回射，同时来自投影仪的可见光可在设备上漫射。相对于与阴影进行交互，该布置可允许使用者与被照亮对象进行交互。

设备的物理形状绝无任何限制，并且设备可结合到（例如）笔、圆形设备、方形设备等等中。控制回射的启动按钮可位于方便使用者使用的任何位置，例如侧面、前面、后面或设备上的任何位置组合。设备背面的启动按钮的位置将允许使用者紧贴表面推压设备并且控制其回射。在一些情况下，设备可为单一立体角，其具有控制设备的回射特性的能力，例如调整侧面中的一者或多者以防止设备回射，或者通过覆盖设备的一侧。

在一个具体实施例中，无源回射设备可包括设置在回射器表面上或其附近的液晶显示器(LCD)。LCD可控制回射器是否暴露于照明。在本实施例中，启动按钮可控制可在LCD屏幕上显示的若干形状中的一者。传感器可设计为能够检测颜色以及形状，并且照此LCD可以是可提供对反射亮度的模拟控制的全彩显示器。如果传感器可检测颜色和形状，则红色形状和绿色形状可彼此重叠，从而为传感器的每一次读取提供更多待传送的信息。玻璃小珠回射器可用于保持从回射器表面反射的光的偏振，以防止由于与LCD相关的吸收偏振片的存在而引起的任何额外光损耗。

在一个具体实施例中，可阻止TIR回射器（即，被阻止的TIR或FTIR）以控制反射光形状。一个或多个启动按钮可用于机械地致动允许发生或不发生反射的系统。这样，除了形状和纵横比之外，FTIR可控回射器可包括用打开/关闭和灰阶控制两者进行反射性调整，其可提供可由传感器检测的亮度控制。在一些情况下，电子系统可用于控制FTIR，并且允许形状信息和亮度的透射。如本领域技术人员已知，电子系统可包括（例如）以电泳方式移动进出与TIR相关的渐消失区域的带静电颜料或染料颗粒（从而阻止TIR）。

在一个具体实施例中，机械系统可用于使回射器模糊，选择性允许回射器的所需区域进行反射。可对简单光圈进行加工，以允许在（例如）通过移动控制光透射的不透明膜、门、百叶窗等等致动机械杠杆时进行反射。

在一个具体实施例中，传感器可位于屏幕附近，以提供更大分辨率，包括与屏幕的距离的三维感测。在本实施例中，可使用偏振漫射/保持回射器以（例如）确定使用者手指彼此相对的位置，并且可使用计算机来确定手的角位置。这可以非常自然的方式（例如，手部移动）实现大量交互性，同时不阻碍使用者的自然移动。所发射光的偏振/非偏振可允许分化偏振保持和偏振漫射回射器。在一些实施例中，无需控制回射器，因为可使用Z轴（垂直于屏幕）启动交互（例如，如果回射器距表面超过12英寸，则忽略手的移动）。在一些情况下，偏振3D感测系统可包括两个或更多个缩放透镜以帮助测定相对距离。

以下为本发明实施例的列表。

项目1为交互式显示器，其包括：设置为反射红外光的偏振保持屏幕；显示于偏振保持屏幕上的可见光图像；偏振红外光源，其能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束照明偏振保持屏幕；偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；和红外传感器，其被设置为检测穿过偏振分析器的偏振红外光束的反射部分。

项目2为项目1的交互式显示器，其还包括标记，该标记被设置为反射偏振红外光束的一部分作为位置指示光束。

项目3为项目1或项目2的交互式显示器，其中对准和/或校准红外传感器和可见光图像，使得位置指示光束与可见光图像的区域之间存在对应关系。

项目4为项目1至项目3的交互式显示器，其中对应关系为一对一的对应关系。

项目5为项目1至项目4的交互式显示器，其中对准偏振分析器以透射正交于第一偏振方向的第二偏振方向。

项目6为项目1至项目5的交互式显示器，其中红外传感器检测具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的偏振光束的反射部分。

项目7为项目2至项目6的交互式显示器，其中标记包括回射器。

项目8为项目7的交互式显示器，其中回射器包括偏振保持回射器。

项目9为项目7的交互式显示器，其中回射器包括偏振旋转回射器。

项目10为项目2至项目9的交互式显示器，其中位置指示光束包括混合偏振态。

项目11为项目2至项目10的交互式显示器，其中标记包括漫反射器。

项目12为项目11的交互式显示器，其中漫反射器包括手指。

项目13为项目1至项目12的交互式显示器，其中红外传感器对仅具有第一偏振方向、仅具有第二偏振方向或者具有第一偏振方向和第二偏振方向混合物的红外光敏感。

项目14为项目1至项目13的交互式显示器，其中偏振红外光源照明可见光图像以及可见光图像外部边缘区域中的至少一者。

项目15为项目14的交互式显示器，还包括能够根据启动信号的状态更新可见光图像的启动信号。

项目16为项目14或项目15的交互式显示器，其中通过可见光图像内的启动改变启动信号的状态。

项目17为项目15或项目16的交互式显示器，其中通过边缘区域内的启动改变启动信号的状态。

项目18为项目15至项目17的交互式显示器，其中启动信号包括听觉信号、电子信号、视觉信号、有源红外信号、无源红外信号或它们的组合。

项目19为交互式显示器，其包括：设置为反射红外光的偏振保持屏幕；显示于偏振保持屏幕上的可见光图像；偏振红外光源，其能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束照明偏振保持屏幕；至少一个偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；和红外传感器，其被设置为检测穿过至少一个偏振分析器中的每一个的偏振红外光束的反射部分。

项目20为项目19的交互式显示器，还包括多个标记，所述标记被设置为反射偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

项目21为项目19或项目20的交互式显示器，其中对准和/或校准每个红外传感器和可见光图像，使得位置指示光束中的每一个与可见光图像的区域之间存在对应关系。

项目22为项目19至项目21的交互式显示器，其中对应关系包括一对一的对应关系。

项目23为项目20至项目22的交互式显示器，其中多个标记包括漫反射器、镜面反射器、回射器、偏振保持回射器、偏振旋转回射器或它们的组合。

项目24为项目19至项目23的交互式显示器，其中至少一个红外传感器还包括偏振分析器、光学波长滤波器或它们的组合。

项目25为交互式投影系统，其包括：偏振保持反射屏幕；可见光投影仪，其被配置为在投影保持反射屏幕上显示图像；偏振红外光源，其能够用偏振红外光束照明偏振保持反射屏幕；偏振分析器，其被设置为拦截偏振红外光束的反射部分；以及至少一个红外传感器，其被设置为检测穿过偏振分析器的偏振红外光束的反射部分。

项目26为项目25的交互式投影系统，还包括多个标记，所述标记被设置为反射偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

项目27为项目25或项目26的交互式投影系统，其中对准和/或校准每个红外传感器和图像，使得位置指示光束中的每一个与图像的区域之间存在对应关系。

项目28为项目27的交互式投影系统，其中对应关系包括一对一的对应关系。

项目29为交互式成像系统，其包括：偏振红外光源，其能够用偏振红外光束照明区域；以及至少一个红外传感器，其被设置为拦截偏振红外光束的多个反射部分，其中偏振红外光束包括具有第一偏振方向的红外光，并且该至少一个红外传感器检测具有正交于第一偏振方向的第二偏振方向的红外光。

项目30为项目29的交互式成像系统，其还包括多个标记，所述标记被设置为反射偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

项目31为项目29或项目30的交互式成像系统，其中对准和/或校准每一个红外传感器和可见光图像，使得位置指示光束中的每一个与可见光图像中的位置之间存在对应关系。

项目32为项目31的交互式成像系统，其中对应关系包括一对一的对应关系。

项目33为项目31或项目32的交互式成像系统，其中可见光图像包括平板显示器或投影图像。

实例

实例1：具有偏振选择屏幕的交互式显示器

交互式显示器可包括具有可见输出的投影仪。可见输出可投影于偏振保持反射屏幕上。红外光可用对人不可见的p偏振红外光来照明偏振保持屏幕。可用红外发光二极管(LED)和偏振膜（例如反射偏振片、吸收偏振片等等）产生p偏振红外光。反射偏振膜可为任何已知的反射偏振片，例如MacNeille偏振片、线栅偏振片、多层光学膜偏振片或圆形偏振片（例如胆甾型液晶偏振片）。红外传感器（例如可检测明亮红外光点的红外感测相机）指向偏振保持屏幕。红外传感器可改装自具有数字信号处理(DSP)的

“Wii”远程或网络摄像机。在红外传感器上方布置第二偏振膜并且将该第二偏振膜对准，使得传感器检测不到自偏振保持屏幕反射的p偏振光。使用适当的滤波器阻断来自红外传感器的可见光，并且在可见光投影图像内布置标记。标记可为回射器，例如可得自（例如）3M公司(3MCompany)的立体角回射器或部分镀银的玻璃小珠回射器。在回射器上方可布置四分之一波长延迟片，使得穿过延迟片，自回射器反射并且再次穿过延迟片的光的偏振方向旋转90度；即，通过标记回射的p偏振红外光变成可通过红外传感器检测的s偏振红外光。标记的位置随着红外光反射至红外传感器而显示为明亮红外光点。在本实例中，可见发射孔径、红外发射孔径和红外接收孔径大致协同定位。

将可见键盘投影至偏振保持屏幕上。红外相机不能感测可见图像，从而使其不受投影图像影响。偏振保持屏幕还充满红外光。照明红外光通过偏振保持屏幕反射，并且未透射穿过偏振分析器。因此，红外相机不能感测直接落在屏幕上的红外照明。照在偏振保持屏幕上的不想要的环境干扰红外照明通常减小一半，因为仅环境红外光的一个偏振分量到达红外相机。在一些情况下，如本领域技术人员已知，可设计吸收红外光的两种偏振并且仅反射可见光的屏幕，并且红外相机将检测不到来自屏幕的任何反射。当充满红外的区域内未布置任何回射器时，红外传感器检测不具有明亮红外光点的一般暗场。当在投影键处的屏幕附近布置回射器时，红外传感器检测回射器作为该键位置处的明亮红外光点并且这被视作对该键的敲击。当在场内放置其他对象时，一般感测不到它们，因为其一般产生镜面反射，或不同偏振的漫反射（即，非回射），导致重新导向红外传感器的红外照明很少。

在一些情况下，可使用偏振保持回射器（例如，替代回射立方角的镀银玻璃小珠）。此类偏振保持回射器在与红外相机上的垂直偏振滤波器一起使用时特别有用。该布置可导致唯一的标记识别，从而提供与通常遇到的对象的额外区别。

实例2：不具有偏振保持屏幕的交互式显示器

使用与实例1中所提供的相同配置，但是偏振保持屏幕被漫射屏幕（例如漫射壁表面）取代。另外，如实例1中所述，使用偏振保持回射标记。

将可见键盘投影至漫射壁上。红外相机不能感测可见图像，从而使其不受投影图像影响。壁上的图像场还充满红外光。通过壁大量漫反射照明红外光，并且漫反射红外光具有混合偏振态，其使得红外相机感测很少的红外照明。由于布置在红外相机上方的偏振分析器，任何不想要的环境红外照明一般减小一半。因此，红外传感器检测不具有明亮红外光点的一般暗场。在投影键上方的屏幕附近布置回射器，并且红外传感器检测回射器作为该位置处的明亮红外光点。该操作被视作对该键的敲击。偏振保持回射器将用具有混合偏振态的反射产生比通用反射器/回射器更明亮的信号。

实例3：具有双重回射标记的交互式显示器

使用如实例2所提供的相同配置，但是额外的红外照明器使偏振保持屏幕充满水平偏振光。所述两个红外照明源可根据需要独立地启动。在一些情况下，其可用于在各种红外照明状态之间快速交替。状态可包括仅垂直偏振红外照明、仅水平偏振红外照明、同时水平和垂直红外照明以及非意向性红外照明。可能可用的是快速排序多个红外照明状态以实现被视为基本瞬时或同时的感测速度。若干传感器中的每一个可包括被取向为不同偏振方向的偏振分析器，使得每个传感器仅在回射器引导具有适当偏振方向的反射红外光束朝向传感器时才检测信号。传感器可具有可与所选红外照明器的照明时间相关的感测时间或整合周期，使得不同传感器/照明器/标记组合可为启动信号。可通过使各种照明状态的时序同步以与传感器整合周期的时序重合而扩展感测系统的有效性。

将可见键盘投影至漫射壁上。红外相机不能感测可见图像，从而使其不受投影图像影响。壁上的图像场也充满来自具有正交偏振的两个红外源的红外光。通过壁大量漫发射具有混合偏振的照明红外光，使得红外相机感测很少的红外照明。因为红外相机上方的垂直偏振滤波器，任何不想要的环境干扰红外照明一般减小一半。因此，红外传感器检测不具有明亮红外光点的一般暗场。偏振保持回射器可布置在屏幕附近，并且红外传感器在使用垂直偏振光照明时检测该回射器作为明亮红外光点。然而，红外传感器在仅使用水平偏振光照明时不检测回射器。可在屏幕附近布置并非偏振保持的回射器，并且红外传感器在使用垂直偏振光照明时检测该回射器作为明亮红外光点，并且也在使用水平偏振光照明时检测该回射器作为明亮红外光点。如本实例所述，可以检测并辨别放置在红外照明区域内的两种不同类型回射器。如计算机鼠标中所常见，该区别可用于发出“右键单击”和“左键单击”信号。

实例4：具有漫反射器标记的交互式显示器

使用如实例1中所提供的相同配置。

将可见键盘投影至偏振保持屏幕上。红外相机不能感测可见图像，从而使其不受投影可见图像的影响。偏振保持屏幕还充满红外光。照明红外光通过偏振保持屏幕反射，并且未透射穿过偏振分析器。因此，红外相机不能感测直接落在屏幕上的红外照明。照在偏振保持屏幕上的不想要的环境干扰红外照明通常减小一半，因为仅环境红外光的一个偏振分量到达红外相机。在一些情况下，如本领域技术人员已知，可设计吸收红外光的两种偏振并且仅反射可见光的屏幕，并且红外相机将检测不到来自屏幕的任何反射。红外传感器检测一般暗场；然而，当将对象（例如使用者的手）放置在红外照明区域内以作出手势时，它们一般产生具有混合偏振态的漫反射。具有垂直偏振分量的反射部分可由红外相机感测为以暗屏幕为背景的明亮图像。随后可进一步处理该图像以解释预期手势。在一些情况下，投影的可见图像可在检测到对象的区域中变暗，从而防止将图像投影至（例如）使用者的手上。反之，在一些情况下，可能期望将图像特别投影至例如使用者手部的对象上，以提供手的增大视图，将静脉、文本等的图像叠加至使用者的手部或者身体的其他部分上。

除非另外指明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，其可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。

本文中所引用的所有参考文献及出版物全文以引用方式明确地并入本文中，但与本发明直接冲突的部分除外。尽管本文中示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员应该明白，在不脱离本发明的范围的情况下，大量的替代形式和/或同等实施方式可以替代所示和所述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改动或变化。因此，可预期本发明应该仅仅由权利要求书和其等同形式限制。

Claims (33)

1.一种交互式显示器，包括：

设置为反射红外光的偏振保持屏幕；

显示于所述偏振保持屏幕上的可见光图像；

偏振红外光源，所述偏振红外光源能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束照明所述偏振保持屏幕；

偏振分析器，所述偏振分析器被设置为拦截所述偏振红外光束的反射部分；和

红外传感器，所述红外传感器被设置为检测穿过所述偏振分析器的所述偏振红外光束的所述反射部分。

2.根据权利要求1所述的交互式显示器，还包括标记，所述标记被设置为反射所述偏振红外光束的一部分作为位置指示光束。

3.根据权利要求2所述的交互式显示器，其中对准和/或校准所述红外传感器和所述可见光图像，使得所述位置指示光束与所述可见光图像的区域之间存在对应关系。

4.根据权利要求3所述的交互式显示器，其中所述对应关系为一对一的对应关系。

5.根据权利要求1所述的交互式显示器，其中对准所述偏振分析器以透射正交于所述第一偏振方向的第二偏振方向。

6.根据权利要求1所述的交互式显示器，其中所述红外传感器检测具有正交于所述第一偏振方向的第二偏振方向的所述偏振红外光束的所述反射部分。

7.根据权利要求2所述的交互式显示器，其中所述标记包括回射器。

8.根据权利要求7所述的交互式显示器，其中所述回射器包括偏振保持回射器。

9.根据权利要求7所述的交互式显示器，其中所述回射器包括偏振旋转回射器。

10.根据权利要求2所述的交互式显示器，其中所述位置指示光束包括混合偏振态。

11.根据权利要求2所述的交互式显示器，其中所述标记包括漫反射器。

12.根据权利要求11所述的交互式显示器，其中所述漫反射器包括手指。

13.根据权利要求1所述的交互式显示器，其中所述红外传感器对仅具有所述第一偏振方向、仅具有所述第二偏振方向或者具有混合的所述第一偏振方向和所述第二偏振方向的红外光敏感。

14.根据权利要求1所述的交互式显示器，其中所述偏振红外光源照明所述可见光图像和所述可见光图像外部边缘区域中的至少一者。

15.根据权利要求14所述的交互式显示器，还包括启动信号，所述启动信号能够根据所述启动信号的状态更新所述可见光图像。

16.根据权利要求15所述的交互式显示器，其中通过所述可见光图像内的启动改变所述启动信号的状态。

17.根据权利要求15所述的交互式显示器，其中通过所述边缘区域内的启动改变所述启动信号的状态。

18.根据权利要求15所述的交互式显示器，其中所述启动信号包括听觉信号、电子信号、视觉信号、有源红外信号、无源红外信号或它们的组合。

19.一种交互式显示器，包括：

设置为反射红外光的偏振保持屏幕；

显示于所述偏振保持屏幕上的可见光图像；

偏振红外光源，所述偏振红外光源能够用具有第一偏振方向的偏振红外光束照明所述偏振保持屏幕；

至少一个偏振分析器，所述偏振分析器被设置为拦截所述偏振红外光束的反射部分；和

红外传感器，所述红外传感器被设置为检测穿过所述至少一个偏振分析器中的每一个偏振分析器的所述偏振红外光束的所述反射部分。

20.根据权利要求19所述的交互式显示器，还包括多个标记，所述多个标记被设置为反射所述偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

21.根据权利要求20所述的交互式显示器，其中对准和/或校准每个红外传感器和所述可见光图像，使得所述多个位置指示光束中的每一个位置指示光束与所述可见光图像的区域之间存在对应关系。

22.根据权利要求21所述的交互式显示器，其中所述对应关系包括一对一的对应关系。

23.根据权利要求20所述的交互式显示器，其中所述多个标记包括漫反射器、镜面反射器、回射器、偏振保持回射器、偏振旋转回射器或它们的组合。

24.根据权利要求19所述的交互式显示器，其中所述至少一个红外传感器还包括偏振分析器、光学波长滤波器或它们的组合。

25.一种交互式投影系统，包括：

偏振保持反射屏幕；

可见光投影仪，所述可见光投影仪被配置为在所述偏振保持反射屏幕上显示图像；

偏振红外光源，所述偏振红外光源能够用偏振红外光束照明所述偏振保持反射屏幕；

偏振分析器，所述偏振分析器被设置为拦截所述偏振红外光束的反射部分；和

至少一个红外传感器，其被设置为检测穿过所述偏振分析器的所述偏振红外光束的所述反射部分。

26.根据权利要求25所述的交互式投影系统，还包括多个标记，所述多个标记被设置为反射所述偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

27.根据权利要求26所述的交互式投影系统，其中对准和/或校准每个所述红外传感器和所述图像，使得所述多个位置指示光束中的每一个位置指示光束与所述图像的区域之间存在对应关系。

28.根据权利要求27所述的交互式投影系统，其中所述对应关系包括一对一的对应关系。

29.一种交互式成像系统，包括：

偏振红外光源，所述偏振红外光源能够用偏振红外光束照明区域；和

至少一个红外传感器，所述红外传感器被设置为拦截所述偏振红外光束的多个反射部分，

其中所述偏振红外光束包括具有第一偏振方向的红外光，并且所述至少一个红外传感器检测具有正交于所述第一偏振方向的第二偏振方向的红外光。

30.根据权利要求29所述的交互式成像系统，还包括多个标记，所述多个标记被设置为反射所述偏振红外光束的一部分作为多个位置指示光束。

31.根据权利要求30所述的交互式成像系统，其中对准和/或校准每个所述红外传感器和可见光图像，使得所述多个位置指示光束中的每一个位置指示光束与所述可见光图像上的位置之间存在对应关系。

32.根据权利要求31所述的交互式成像系统，其中所述对应关系包括一对一的对应关系。

33.根据权利要求31所述的交互式成像系统，其中所述可见光图像包括平板显示器或投影图像。

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