CN105204277B - 一种自由空间实时投影成像设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由空间实时投影成像设备及系统,包括内套筒和外套筒，内套筒和外套筒的横截面为正方形，且每个方向的边分别平行；内套筒内部放置待投影物体，在内套筒和外套筒之间填充各向异性介质，各向异性介质的参数由器件的几何尺寸和设计的投影距离共同决定。本发明的新型实时投影技术和其他的投影技术相比，本投影器可以直接在自由空间中产生投影像（无需任何投影屏，比如眼镜片），该投影器可实现实时成像（投影过程中不需要任何扫描技术），同时不需要任何光路转换系统就可以实现在预计的空间位置生成图像。借助于两个这种新型投影器还可以在一个公共的自由空间中获得两个虚拟图像的直接叠加。
Description
技术领域
本发明属于投影成像技术领域，涉及到一种可以在自由空间内实现实时成像和图像合成的技术。
背景技术
投影眼镜（Project Glass）是一种新型的智能眼镜，其具有和智能手机一样的功能【1】。在这种智能眼镜中，眼镜片就是一个小型的显示屏。眼镜片上显示的图像是由外界环境中的图像和眼镜旁边微型投影器产生的图像的叠加。实时翻译是这种智能眼镜的一个重要功能：眼镜前方的摄像头将外界环境中出现的他国语言拍照保存下来后，将这个数字图像传送至眼镜中的微型处理器。处理器从图像信息中提取出相应的语言信息，并将其翻译成使用者熟悉的语言后，再通过微型投影仪将翻译后的语言投影到眼镜片上。观察者将在眼镜片上看到原先外界环境中他国语言文字的旁边直接看到翻译后的语言，进而实现实时翻译的功能。
在这项技术中，本质是一个二维的投影图像和外界环境中的真实三维图像的一个合成。在目前的投影眼镜中，二维的投影图像是通过眼镜旁边的微型投影仪产生，并通过光路的转折系统进而在眼镜片（投影屏）上产生投影像的。由于受限于眼镜片的尺寸和光路转折系统的尺寸，从而使得产生的投影像往往都非常小，因此观察起来会非常吃力。【1】Starner, T. Project glass: An extension of the self. Pervasive Computing IEEE, 12 (2), 14-16 (2013)。
发明内容
1、本发明的目的。
为了解决现有技术中结构复杂，成本比较高的问题，本发明设计了一种新型的实时投影成像设备，并给出了借助于这种投影器件来实现实时的图像合成方案。本发明所采用的技术方案。
本发明所采用的自由空间实时投影成像设备，包括内套筒（3）和外套筒（2），内套筒（3）和外套筒（2）的横截面为正方形，且每个方向的边分别平行；内套筒（3）内部放置待投影物体，在内套筒和外套筒之间填充各向异性介质，各向异性介质的参数由器件的几何尺寸和设计的投影距离共同决定。
更进一步，外套筒（2）的外部环境和内套筒（3）的内部环境为空气，可以在正常环境下使用，适用范围广。
更进一步，各向异性介质的部分被划分为四个不同的区域（1-1，1-2，1-3，1-4）分别位于整个坐标系统的1，2，3，4象限，这四个区域中填充的各向异性介质的相对介电常数和磁导率用下面的式子给出：
εxx=μxx=(P2+Q2)/P,
εxy=μxy=εyx=μyx=Q/P,
εyy=μyy=εzz=μzz=1/P,
εxz=μxz=εzx=μzx=εyz=μyz=εzy=μzy=0.
其中参数P和Q是与具体的象限有关的量：
P=-Sign(x)Δ/(d-Sign(x) Δ),
Q=-Sign(x)Sign(y) d/(d-Sign(x) Δ),
其中
Sign(x)表示符号函数，当x>0时等于1，当x<0时等于-1。
d表示投影距离，也就是所产生的沿着x方向平移了虚像离原点的位置。
外套筒（2）的横截面正方形的对角线长度为2b，内套筒（3）的横截面正方形的对角线长度为2a，Δ=b-a是由器件的几何尺度决定的量。
如果采用两个按照上述方法的投影成像设备，在同一空间位置投影成像，获得合成图像。
3、本发明的有益效果。
本发明的新型实时投影技术的优点包括：
（1）本器件可以直接在自由空间中产生投影的虚像，无需借助于任何投影屏幕。
（2）本器件的几何尺寸（a，b）和投影距离（d）可以预先设计，可针对于不同场合选择不同尺度的器件和投影距离。
（3）本器件可以直接在设计好的空间位置上产生投影成像，无需借助于光路转换系统，减少了成本及器件的大小。
（4）如果被投影到的位置有其他物体，那么将产生的是合成后的图像，或者可以借助于两个以上的这样的新型投影器，在同一空间位置投影成像，即可直接获得图像的合成效果。
（5）位于投影器内部的物体可以随时间改变，进而可以实现实时的动态成像效果。该新型投影仪无需借助于扫描，而直接成像，因此可以用于快速的动态成像。
附图说明
图1为器件的结构图。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例
如图1所示，
二维空间中一个矩形器件作为我们的新型投影器。，也可以将微型投影仪放置在此区域内。其他部分由各向异性介质构成。各向异性介质的参数由器件的几何尺寸和设计的投影距离共同决定。器件的外部为空气。
二维空间中一个矩形器件作为我们的新型投影器，器件外边界是由A2B2C2D2构成的正方形区域。正方形区域A1B1C1D1内是放置将要被投影的物体，物体可以在其内部运动。而在A1B1C1D1和A2B2C2D2之间的区域填充了各向异性的介质材料，各向异性介质的参数由器件的几何尺寸和设计的投影距离共同决定。整个器件的功能在于将区域A1B1C1D1中的物体产生了一个空间上沿着x方向平移了距离d的光学幻象。也就是说其可以将内放置的任何物体投影到沿着x方向平移了d的距离的空间位置。在被投影到的位置，无需放置任何屏幕。也就是说其可以直接在空气中形成投影图像。如果被投影的位置有其他物体，那么将形成一个叠加后的图像。器件的几何尺度在图1中标注：器件外边界的正方形A2B2C2D2的对角线长度为2b，内边界正方形A1B1C1D1的对角线长度为2a。整个器件中填充了介质的部分被划分为四个不同的区域。区域1-1，1-2，1-3，1-4分别位于整个坐标系统的1，2，3，4象限。我们可以将这四个区域中填充的各向异性介质的相对介电常数和磁导率用下面的式子给出：
εxx=μxx=(P2+Q2)/P,
εxy=μxy=εyx=μyx=Q/P,
εyy=μyy=εzz=μzz=1/P,
εxz=μxz=εzx=μzx=εyz=μyz=εzy=μzy=0.
其中参数P和Q是与具体的象限有关的量：
P=-Sign(x)Δ/(d-Sign(x) Δ),
Q=-Sign(x)Sign(y) d/(d-Sign(x) Δ),
其中
Sign(x)表示符号函数，当x>0时等于1，当x<0时等于-1.
d表示投影距离，也就是所产生的沿着x方向平移了虚像离原点的位置。
Δ=b-a是由器件的几何尺度决定的量。
本发明的新型实时投影技术和其他的投影技术相比，本投影器可以直接在自由空间中产生投影像（无需任何投影屏，比如眼镜片），该投影器可实现实时成像（投影过程中不需要任何扫描技术），同时不需要任何光路转换系统就可以实现在预计的空间位置生成图像。借助于两个这种新型投影器还可以在一个公共的自由空间中获得两个虚拟图像的直接叠加。
Claims (3)
1.一种自由空间实时投影成像设备，其特征在于：包括内套筒（3）和外套筒（2），内套筒（3）和外套筒（2）的横截面为正方形，且每个方向的边分别平行；内套筒（3）内部放置待投影物体，在内套筒和外套筒之间填充各向异性介质，各向异性介质的参数由器件的几何尺寸和设计的投影距离共同决定；各向异性介质的部分被划分为四个不同的区域（1-1，1-2，1-3，1-4）分别位于整个坐标系统的1，2，3，4象限，这四个区域中填充的各向异性介质的相对介电常数和磁导率用下面的式子给出：
εxx=μxx=(P2+Q2)/P，
εxy=μxy=εyx=μyx=Q/P，
εyy=μyy=εzz=μzz=1/P，
εxz=μxz=εzx=μzx=εyz=μyz=εzy=μzy=0；
其中参数P和Q是与具体的象限有关的量：
P=-Sign(x)Δ/(d-Sign(x) Δ) ，
Q=-Sign(x)Sign(y) d/(d-Sign(x) Δ) ，
其中Sign(x)表示符号函数，当x>0时等于1，当x<0时等于-1；
d表示投影距离，也就是所产生的沿着x方向平移了虚像离原点的位置；
外套筒（2）的横截面正方形的对角线长度为2b，内套筒（3）的横截面正方形的对角线长度为2a，Δ=b-a是由器件的几何尺度决定的量。
2.根据权利要求1所述的自由空间实时投影成像设备，其特征在于：外套筒（2）的外部环境和内套筒（3）的内部环境为空气。
3.一种使用权利要求1-2任一所述的设备的实时投影成像系统，其特征在于：包括两个上述的投影成像设备，在同一空间位置投影成像，获得合成图像。
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