專利名稱：一種基于激光投影的觸摸屏人機交互系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及觸摸識別和激光投影顯示的技術領域，特別涉及一種基于激光投影的觸摸屏人機交互系統。
背景技術：
結合觸摸識別的投影顯示是目前較常見的一種人機交互方式。通常的實現方案中，使用普通白熾燈光源投影機來投影圖像，另外設置紅外光源來照射屏幕，設置紅外攝像機來拍攝屏幕紅外影像，以此捕捉使用者在屏幕上手指動作。但是這種方式整個系統過于復雜，使用過程中需要調試紅外光源和紅外攝像機的位置。同時，投影機使用普通白熾燈光源，色域較小，顏色鮮艷性不夠，燈泡壽命短。隨著激光器研究的進一步成熟，使用以激光作為光源的投影顯示可以改善顯示色彩質量和亮度。而整合用于觸摸識別的光源和攝影裝置，可以簡化系統，降低生產成本，提升穩定性。
實用新型內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，設計一種結構簡單、穩定，使用激光作為投影光源，使用投影出的全屏灰階圖像作為觸摸識別源圖像的人機交互系統。為了達到以上目的，本實用新型采用如下技術方案:一種基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，包括:三組單色激光光源、激光散斑抑制模組16、投影顯示模組17、投影鏡頭18、投影屏幕19、小型攝影機20和時序控制電路21 ;三組單色激光光源包括:紅色激光光源11、綠色激光光源12和藍色激光光源13 ;紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光正交，同時與藍色激光光源13所發藍色激光也正交；紅-綠合束鏡14位于紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光交匯處，黃-藍合束鏡15位于經紅-綠合束鏡14合束后的紅色激光光源11所發紅色激光和綠色激光光源12所發綠色激光的合束光與藍色激光光源13所發藍色激光交匯處；激光散斑抑制模組16的通光部分位于經黃-藍合束鏡15合束后的合束光光路上；光束經過激光散斑抑制模組16后照射到投影顯示模組17上，投影顯示模組17調制的投影圖像光束經投影鏡頭18成像在透射型投影屏幕19上；小型攝像機20對準透射型投影屏幕19進行拍攝；時序控制電路21連接投影顯示模組17和小型攝像機20，控制兩者冋步。所述投影屏幕19是透射式的屏幕，或所述投影屏幕是楔形板屏幕結構。所述紅色激光光源11、綠色激光光源12和藍色激光光源13采用三色的三臺激光器或三組激光器陣列。所述激光器是固體激光器、半導體激光器、光纖激光器、氣體激光器或上述各類激光器與晶體倍頻器件的組合。所述激光散斑抑制模組16是電光調制型散斑抑制器件或機械型散斑抑制器件。所述投影顯示模組17由光學元件和投影顯示芯片構成。本實用新型的工作過程是:三組單色激光光源發出紅綠藍(RGB)單色激光，通過激光散斑抑制模組進行散斑抑制后，進入投影顯示模組，在投影顯示模組內部，通過光學元件照射到投影顯示芯片上，經過投影顯示芯片的調制，分時地產生高質量的彩色投影圖像，并以合適的頻率在彩色投影圖像中插入全屏灰階圖像，這些圖像通過投影鏡頭成像在投射型投影屏幕上；小型攝影機對準整個投影屏幕，時序性地拍下投影屏幕的背向散射光圖像，如果使用者的手部與投影屏幕產生接觸，則該處背向散射光會明顯增強，并被小型攝影機拍攝到；與此同時，時序控制電路根據投影顯示模組在投影圖像中所插入的全屏灰階圖像，同步調節小型攝影機，使小型攝影機的拍攝僅限于該灰階圖像所出現的時間段，小型攝影機選擇性地拍攝到的投影屏幕上包含手指位置信息的背向散射光圖像后，即可用于觸摸屏人機交互。所述的投影顯示芯片是彩色時序型芯片，可以是DLP、IXD或者LCoS的一種。本實用新型與現有技術相比的有益效果在于:(I)本實用新型結構簡單，穩定性高，整合度高，調試與安裝更方便；(2)本實用新型擯棄了紅外光作為觸摸識別光源，少了一套光源，攝影機也可以采用一般白光攝影機，可采用更為成熟的元器件，減小優化設計難度，有效降低成本；(3)本實用新型顯示色彩更鮮艷，表現力強，在博物館展示或一般家庭娛樂中，既可用于普通顯示，也可用于人機交互。
圖1為本發明從正上方角度給出了根據本實用新型總體構思的實施例1的人機交互系統；圖2為本發明從側面角度給出了根據本實用新型總體構思的實施例1的人機交互系統；圖3為本發明中的時序控制電路對小型攝影機進行控制的一種方式；圖4示意性地給出了另一種根據本實用新型總體構思的實施例2的人機交互系統；圖5示意性地給出了楔形板屏幕的結構；圖中，11為紅色激光光源；12為綠色激光光源；13為藍色激光光源；14為紅-綠合束鏡；15為黃-藍合束鏡；16為激光散斑抑制模組；17為投影顯示模組；18為投影鏡頭；19為透射屏眷；20為小型攝像機；21為時序控制電路；22為模形板屏眷；23為光閥；24為楔形導光板；25為增透膜；26為光轉向膜；27為散射膜。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細描述。實施例1:如圖1、圖2所示，本實用新型人機交互系統包括:紅色激光光源11，綠色激光光源12，藍色激光光源13，紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光正交，與藍色激光光源13所發藍色激光也正交；紅-綠合束鏡14位于紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光交匯處，黃-藍合束鏡15位于經紅-綠合束鏡14合束后的紅色激光光源11所發紅色激光和綠色激光光源12所發綠色激光的)合束光與藍色激光光源13所發藍色激光交匯處；激光散斑抑制模組16的通光部分位于經黃-藍合束鏡15合束后的合束光光路上；光束經過激光散斑抑制模組16后照射到投影顯示模組17上；投影顯示模組17調制的投影圖像光束經投影鏡頭18成像在透射型投影屏幕19上；小型攝像機20，對準透射型投影屏幕19進行拍攝；時序控制電路21連接投影顯示模組17和小型攝像機20，控制兩者同步。紅色激光光源11，綠色激光光源12，藍色激光光源13是紅綠藍(RGB)三色的三臺激光器或三組激光器陣列；其中，激光器可以是固體激光器、半導體激光器、光纖激光器、氣體激光器或上述各類激光器與晶體倍頻器件的組合；三組光源發出紅綠藍(RGB)單色激光，色彩純度高。紅色激光光源11，綠色激光光源12，藍色激光光源13發出的光通過合束鏡14、15后合為一束光,其高相干性的光束通過激光散斑抑制模組進行散斑抑制后,進入投影顯示模組17，在投影顯示模組17內部，通過必要的光學元件照射到投影顯示芯片上，經過投影顯示芯片的調制，分時地產生高質量的彩色投影圖像，并以合適的頻率在彩色投影圖像中插入全屏灰階圖像。這些圖像通過投影鏡頭18成像在投射型投影屏幕19上。應該注意到的是，屏幕19是透射型的，雖然投影光在屏幕19上經過散射，但系統投影的方向仍應避開使用者的視線方向，成一個適當的角度，以防止強光直射對人眼的傷害，如圖2所示。小型攝影機20對準整個屏幕19，時序性地拍下屏幕19的背向散射光圖像，如果使用者的手部與屏幕19產生接觸，則該處背向散射光會明顯增強，并被小型攝影機20拍攝到。與此同時，時序控制電路21根據投影顯示模組17在投影圖像中所插入的全屏灰階圖像，同步調節小型攝影機20，使其的拍攝僅限于該灰階圖像所出現的時間段。小型攝影機20選擇性地拍攝到的屏幕19上包含手指位置信息的背向散射光圖像后，即可用于觸摸屏人機交互。圖3示意性地給出了一種時序控制電路21對小型攝影機20的調節方式，即在小型攝影機20的鏡頭系統中加入光閥23。在投影顯示模組17投射全屏灰階圖像的時間段，時序控制電路21控制光閥23打開，其余時間段，控制光閥23關閉，從而達到調節小型攝影機20使其只針對灰階圖像的時間段進行拍攝的目的。這種方式使得小型攝影機20的響應特性不必達到很高的質量即可，節省了成本，同時光閥23的控制使得系統原理簡單，穩定性更高。實施例2:如圖4所示，本發明實施例中的人機交互系統包括:紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光正交，與藍色激光光源13所發藍色激光也正交；合束鏡14、15，其中14為紅-綠合束鏡，位于紅色激光光源11所發紅色激光與綠色激光光源12所發綠色激光交匯處，黃-藍合束鏡15位于紅-綠合束鏡14合束后的(紅色激光光源11所發紅色激光和綠色激光光源12所發綠色激光的)合束光與藍色激光光源13所發藍色激光交匯處；激光散斑抑制模組16通光部分位于經黃-藍合束鏡15合束后的合束光光路上；光束經過激光散斑抑制模組16后照射到投影顯示模組17上；投影顯示模組17調制的投影圖像光束經投影鏡頭18后，從楔形板屏幕22的最厚處入光口進入，成像在楔形板屏幕22的平面上；小型攝像機20，對準楔形板屏幕22的最厚處背反射出光口進行拍攝；時序控制電路21，連接投影顯示模組17和小型攝像機20，控制兩者同步。該方式不同于實施例1之處在于:所使用的屏幕是楔形板屏幕22，因此該楔形板屏幕22的結構以及投影鏡頭18的參數需經過優化設計以消除楔形板顯示特有的圖像斷層現象；投影顯示模組17應該投射經過預處理的與楔形板屏幕22所匹配的圖像以維持顯示質量；小型攝影機20在拍攝到經楔形板屏幕22導光的背散射圖像后，應該進行圖像處理以期得到實際的帶有手指觸摸位置信息的屏幕背散射圖像。該方式使用楔形板屏幕22，完全避免了強光意外直射入眼的危險，結構更緊湊，所需空間更小。圖5示意性地給出了實施例2中所使用的楔形板屏幕22的具體結構，包括:楔形導光板24 ;增透膜25 ;光轉向膜26 ;散射膜27，其中楔形導光板24構成主體支撐，其上依次覆蓋一層增透膜25, —層光轉向膜26, —層散射膜27。楔形導光板24將投影光導向屏幕的各處，由于其楔形的結構，在屏幕上某處的光全反射條件被破壞時，該處投影光便會從屏幕表面出射。增透膜25能使光在全反射臨界角附近出射時的透射率大為增強,從而使圖像的光強基本一致，并消除楔形板屏幕所特有的圖像暗帶分層問題。光轉向膜26使得通過增透膜25以后的光線方向發生變化，變為近似平行于楔形板表面法向的光線。散射膜27使得通過光轉向膜26以后的光發生散射，從而改善顯示屏的視角特性，以讓使用者在更大的角度范圍內看到清晰明亮的圖像。總之，現有的基于白熾燈光源投影技術結合紅外攝影的觸摸系統，存在著結構復雜，色彩不鮮艷，亮度不夠，燈泡使用壽命短以及需要額外紅外光源等問題。本實用新型提出一種使用激光投影機進行投影顯示并在投影屏幕上基于觸摸識別實現人機交互的方式，不用另加紅外光源，結構簡單、穩定性高、整合度高，調試與安裝更方便；另外需要做出說明的是，本實用新型公開的觸摸屏人機交互系統針對激光背投型顯示以及激光楔形板顯示，如果撤除紅色激光光源11，綠色激光光源12，藍色激光光源13，并更改為三色LED光源或者改為白熾燈光源，同樣可以實現觸摸識別的人機交互，系統結構簡單、設備輕小的優點仍得以保留。這種改造并不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，應該涵蓋在本實用新型的權利要求范圍中。本實用新型未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，在不背離由所附的權利要求限定的本實用新型的精深和范圍的情況下，可以進行各種其他變化、替換及改造。本領域的技術人員應當理解，對于本實用新型的技術方案進行其他修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應該涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于包括:三組單色激光光源、激光散斑抑制模組(16)、投影顯示模組(17)、投影鏡頭(18)、投影屏幕(19)、小型攝影機(20)和時序控制電路(21);三組單色激光光源包括:紅色激光光源(11)、綠色激光光源(12)和藍色激光光源(13);紅色激光光源(11)所發紅色激光與綠色激光光源(12)所發綠色激光正交，同時與藍色激光光源(13)所發藍色激光也正交；紅-綠合束鏡(14)位于紅色激光光源(11)所發紅色激光與綠色激光光源(12)所發綠色激光交匯處，黃-藍合束鏡(15)位于經紅-綠合束鏡(14)合束后的紅色激光光源(11)所發紅色激光和綠色激光光源(12)所發綠色激光的合束光與藍色激光光源(13)所發藍色激光交匯處；激光散斑抑制模組(16)的通光部分位于經黃-藍合束鏡(15)合束后的合束光光路上；光束經過激光散斑抑制模組(16)后照射到投影顯示模組(17)上，投影顯示模組(17)調制的投影圖像光束經投影鏡頭(18 )成像在透射型投影屏幕(19 )上；小型攝像機(20 )對準透射型投影屏幕(19 )進行拍攝；時序控制電路(21)連接投影顯示模組(17)和小型攝像機(20)，控制兩者同步。
2.根據權利要求1所述基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于:所述投影屏幕(19)是透射式屏幕或是楔形板屏幕。
3.根據權利要求1所述的基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于:所述紅色激光光源(11 )、綠色激光光源(12)和藍色激光光源(13)采用三色的三臺激光器或三組激光器陣列。
4.根據權利要求3所述的基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于:所述激光器是固體激光器、半導體激光器、光纖激光器、氣體激光器或上述各類激光器與晶體倍頻器件的組合。
5.根據權利要求1所述的基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于:所述激光散斑抑制模組(16)是電光調制型散斑抑制器件或機械型散斑抑制器件。
6.根據權利要求1所述的基于激光投影的觸摸屏人機交互系統，其特征在于:所述投影顯示模組(17)由光學元件和投影顯示芯片構成。
專利摘要本實用新型涉及一種基于激光投影的觸摸屏人機交互系統。現有的基于白熾燈光源投影技術結合紅外攝影的觸摸系統，已基本實現大屏幕上人機交互，然而當前還沒有用于激光背投的觸摸系統；本實用新型解決現有觸摸系統結構復雜，色彩不鮮艷，亮度不夠，燈泡使用壽命短以及需要額外紅外光源等問題；本實用新型包括紅綠藍(RGB)三色激光光源；激光散斑抑制模組；投影顯示模組；時序控制電路；鏡頭；小型攝影機；投影屏；不用另加紅外光源，結構簡單、穩定性高、設備輕小，適用于博物館、家庭娛樂的人機交互；此外，關閉小型攝影機并調整投影顯示模組與時序控制電路后，還可以用作一般電影、視頻的播放顯示，具備良好的兼容性。
文檔編號G06F3/0488GK203070268SQ20132004632
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者王書路, 王安廷, 明海, 顧春, 許立新, 董磊, 崔哲, 張雨蒙 申請人:中國科學技術大學