专利名称：图像投影设备和方法
技术领域：
本发明涉及图像在物体上的投影，尤其涉及但不局限于图像在非平面的表面上的投影。
背景技术：
来自图像投影仪的图像投影通常会使用静态设置，在该设置中，图像投影仪将图像投影在平面屏幕上，该屏幕被安排为垂直于从图像投影仪到屏幕中心的轴线。图像投影仪包括聚焦透镜，由此图像将会非常清晰，并且将会聚焦在离开图像投影仪的指定距离的指定平面上。投影图像的聚焦平面即为通常所说的图像平面。在传统系统中，所述焦距将被设置成使图像平面与屏幕平面相符。这种图像聚焦处理通常是手动执行的，其结果是呈现出清晰的图像。
虽然此类常规系统在很多情景中都会良好工作，但其也存在很多缺点，这使得其对ー些应用而言并不是那么有利。例如，该方法需要ー个垂直于图像投影仪与屏幕之间的轴线的平面屏幕，并且该方法不太适合那些将图像投影在非平面表面的系统。例如，图I示出了ー个由投影仪101将图像投影在非平面的投影表面103上的示例。如所示，投影仪101可被调整，以使图像平面105在一些点与投影表面103相符，但对图像平面105来说，它本身不能与这样的表面103相符，也就是说，其不能在所有点上都与表面103相符。因此，实际投影表面103将会偏离图像平面105，相应地，除了表面103中与图像平面105相符的特定区域之外，投影图像不会对准焦点，而且将会显得不够清晰。由此，所投影的一个或多个图像只在表面103中与图像表面105相符的部分显得非常清晰。而在表面103中的其他部分(那些偏离图像平面105的部分)，图像会因为失焦而显得模糊不清。结果，观看者很有可能会察觉出感知图像清晰度发生了很大的损失。为了解决此类问题，我们可以測量表面几何形状，并且设计ー种可以补偿表面变化的恰当透镜。然而，这种方法只对ー小部分的表面形状可行，其成本很高，并且会将投影仪的应用局限于特定的装置/表面。为了解决后ー个问题，我们可以使用针对表面几何形状自动调节透镜系统的自适应光学系统。然而，这种自适应光学系统极其昂贵，并且由此被运用在卫星应用中，但是对诸如消费类产品来说并不适合。作为另ー个示例，在将图像投影到移动目标、也就是投影表面移动时，传统系统往往存在缺陷。图2示出了ー个示例，其中投影仪201将图像投影在沿着图像平面203移动的移动表面203上。然而，虽然表面203与图像平面相符。但是表面203的移动将会导致运动模糊，并且观看者能够明显注意到这种运动模糊。如果投影表面104的运动完全已知，并且该运动仅限于沿着图像平面的简单平移，那么可以通过使用投影仪追踪移动表面来补偿运动模糊。此外，如果目标运动完全已知，那么可以潜在地通过在投影之前执行图像预过滤处理来补偿运动模糊。预过滤器可以根据运动来确定。然而，在很多情景中，这种运动是未知的，或者其对实际的追踪或补偿处理而言过于复杂。此外，由于运动模糊往往在频率响应中是用零表征的，并且这是不能通过实际可以实施的过滤器来补偿的，因此，预过滤处理往往会导致图像失真。作为另一个示例，色像差、球面像差或像散像差往往会导致清晰度降低。举个例子，如图3所示，色像差有可能导致产生对应于不同颜色的略微不同的图像平面，由此将会导致失焦并且导致产生对应于至少一种颜色的清晰度较低的图像。同样，如图4所示，球面像差有可能导致沿着透镜光轴的聚焦发生拖尾效应，并且由此导致失焦。如图5所示，像散透镜像差可能会给出略微弯曲的图像平面。如果将图像投影在该平坦的表面上，那么这有可能会导致部分图像失焦。因此，改进的图像投影方法将会非常有利，并且特别地，一种允许提高灵活性、改进感知图像清晰度、降低复杂度、简化实施和/或改性能的方法将会非常有利。
发明内容
相应地，本发明寻求优选地缓解、减轻或消除在上文中述及的缺陷的一个或多个中的单个或任意组合。 根据本发明的一个方面，在这里提供了一种图像投影设备，包括投光器，用于将图像投影在物体的表面上；聚焦装置，用于将图像聚焦在图像平面上；控制器，用于动态改变图像平面相对于所述表面的位置；以及滤波器，用于在投光器投影之前预先补偿图像。本发明在众多情景和实施例中允许改进的图像投影。特别地，在保持低复杂度的同时，本发明可以在众多情景中提供改进的图像质量。例如，本发明在与图像投影具有变化距离的表面、尤其是非平面的表面上允许改进的图像投影。举个例子，本发明在移动的表面上允许改进的图像投影，或者可以减小因为色像差、球面像差或像散像差所导致的图像降级。特别地，该方法有可能在所述表面上的任何指定点引入投影图像失焦或模糊。然而，这种模糊是可以相对精确地估计/预测的，此外，这种模糊相对独立于到图像投影的距离。因此，模糊补偿可以得到简化，特别地，相同的补偿处理可以在与距离无关的情况下被应用，由此允许在整个图像上应用相同的补偿处理。由此可以实现图像质量的总体改进。特别地，图像平面相对位置的动态变化将会导致投影图像模糊，这种模糊是相对可预测的，并且是相对独立于表面与投光器之间的距离的。此外，模糊效应具有表现相对较好的响应，这样则允许适当的反向滤波器能被实际实施。由此，该滤波器可以估计图像平面的相对位置变化所导致的模糊效应的反向滤波器，以使投影图像在所述表面上提供更清晰的图像。此外，清晰度改进是相对独立于投光器与表面之间的距离的，由此允许在所有表面区域上实施有效的补偿一即使是在不知道所述表面的几何形状的情况下。由此可以实现图像质量的大幅提升。特别地，所述预先补偿可以是针对图像平面与所述表面的相对位置变化所导致的模糊效应的补偿。控制装置可以被安排成动态改变从投光器(例如从投光器的透镜测得)到图像平面的距离。由此，控制器可以动态调整投光器的聚焦特性，以便动态移动图像平面。在一些实施例中，该控制器可以动态改变表面与投光器之间的距离，例如通过移动投影仪或物体或是同时移动这二者来改变。控制器可以自动改变图像平面相对于物体的位置。该控制器可以引入图像平面相对于所述表面的位置的连续变化。特别地，图像平面可以相对于所述表面持续地移动。因此，在一些实施例中，相对于所述表面而言，图像表面有可能永远都不是静态的。这种变化有可能在没有用户输入的情况下发生，并且实际上，这种变化有可能是独立于任何用户输入的。因此，即使没有接收到手动的用户输入，这种变化也会被引入。该控制器可以将抖动引入到图像平面相对于所述表面的位置上。即使投光器或表面的特性没有变化，这种变化也还是有可能会发生。特别地，该变化可以独立于图像投影设备和/或表面/物体的特性。图像平面是投影图像聚焦于其上的虚拟平面。根据本发明的可选特征，滤波器被调整成预先补偿与图像平面和表面之间的距离无关的标称ホ吴糊效应。在很多实施例中，这样做会在保持低复杂度的同时提供改进的图像质量。特别地， 标称模糊效应可以近似依照所述变化发生的模糊。该标称模糊效应可以是不同距离上的模糊效应的近似，特别地，举例来说，所述效应可以对应于模糊效应在不同距离上的加权平均。由此，所述补偿可以以对固定的(与距离无关)标称模糊效应的假设为基础。特别地，该滤波器可以是对标称模糊效应的反向滤波器的近似。根据本发明的ー个可选特征，控制器被安排成为图像平面相对于物体的位置给予
ー个预定变化。这样做可以提供改进的性能，并且通常会提供改进的感知图像质量和/或简化实施和/或操作。根据本发明的可选特征，控制器被安排成为图像平面相对于表面的位置给予ー个周期性变化。这样做可以提供改进的性能，并且通常会提供改进的感知图像质量和/或简化实施和/或操作。根据本发明的ー个可选特征，所述周期性变化对应于图像平面与表面上的点之间的距离的三角变化。这样做可以提供改进的性能，并且通常会提供改进的感知图像质量和/或简化实施和/或操作。特别地，该特征提供了ー种低复杂度的实施方式，其中所述实施方式在大多数的实施例中都提供了很好的性能。三角变化可以是基本対称的(具有相等的上升和下降斜坡)，或者是不对称的。特别地，三角变化实质上可以是锯齿形状，其一个斜坡的持续时间不超过另ー个斜坡的10%。根据本发明的ー个可选特征，该图像是视频信号帧，并且周期性变化具有不超过两个帧持续时间的周期。这样做可以允许特别有利的性能，尤其可以允许用于视频图像序列的改进图像质量。特别地，该特征允许为每ー个帧执行变化并且由此执行补偿等。在一些实施例中，周期性变化的周期不超过ー个帧持续时间。这样做可以为具有移动内容的帧提供特别有利的性能，尤其是图像质量。在一些实施例中，周期性变化具有不超过500毫秒、100毫秒或50毫秒的周期。根据本发明的ー个可选特征，控制器被安排成动态改变投光器的焦距。在很多实施例中这样做可以允许特别有利的操作、性能和/或实施方式。特别地，这样做可以提供一种适合与大量投影表面一起使用的灵活的图像投影设备，其中所述投影表面包括各种(未知的)非平面表面和/或具有(未知)移动分量的表面。根据本发明的一个可选特征，该控制器被安排成动态改变表面的位置。在很多实施例中，这样做可以允许特别有利的操作、性能和/或实施方式。特别地，它可以允许与众多不支持动态自动聚焦变化的投光器的改进的后向兼容性。根据本发明的一个可选特征，控制器被安排成将从图像投影设备到表面上的点的距离至少改变一个从图像投影设备到所述表面的最小距离。本发明可以提供改进的性能，并且通常会提供特别改进的感知图像质量和/或便利的实施方式和/或操作。特别地，该方法可以提供在与表面的距离发生很大变化的情况下被投影的图像的感知清晰度。根据本发明的一个可选特征，控制器被安排成，针对介于最接近投光器的表面的图像点以及最为远离投光器的表面的图像点之间的图像平面位置，为图像平面提供相对于·该表面的基本线性的移动。在很多情景中，这样做可以提供改进的性能。特别地，这样做可以允许同质的移动乃至用于所有图像点的模糊效应，由此导致产生适合所有图像点的相同的预先补偿过滤。图像点是在该表面上用于呈现图像的点。图像点可以是所述表面的图像区域内部的任何点，其中图像区域是所述表面中被投影了图像的区域。除了方向反转的间隔之外，在图像平面相对于所述表面的整个移动中，所述移动中可以是基本线性的。然而，在一些实施例中，所述移动在从最接近的图像点到最远的图像点的间隔内部可以是基本线性的，但对该间隔之外的至少一些距离来说则是非线性的。根据本发明的另一个方面，在这里提供了一种图像投影系统，其中包括所描述的图像投影设备，并且包括所述物体。本发明可以提供一种具有改进的性能并且具有改进的感知图像质量和/或便利的实施方式和/或操作的图像投影系统。根据本发明的一个可选特征，该表面是非平面的表面。本发明可以提供一种用于在非平面的表面上投影的图像投影系统。根据本发明的一个可选特征，图像投影系统还包括用于移动表面的装置，所述移动在与图像平面垂直的移动平面上具有移动分量。本发明可以提供一种用于在移动表面上投影的图像投影系统。根据本发明的一个可选特征，该系统是光蚀刻系统。本发明可以提供一种改进的光蚀刻系统。根据本发明的一个方面，在这里提供了一种图像投影方法，包括投光器将图像投影在物体表面上；将图像聚焦在图像平面上；动态改变图像平面相对于表面的位置；以及在投光器投影之前由滤波器预先补偿所述图像。从以下描述的一个或多个实施例中将会清楚了解本发明的这些和其他方面、特征和优点，并且本发明的这些和其他方面、特征和优点是参考以下描述的一个或多个实施例而被说明的。
现在将参考附图来举例描述本发明的实施例，其中图I是根据现有技术的图像投影设备示例的例 图2是根据现有技术的图像投影设备示例的例 图3是色像差的例 图4是球面像差示例的例 图5是象散像差示例的例 图6是根据本发明ー些实施例的图像投影设备的示例的例 图7是聚焦在图像平面上的透镜示例的例 图8是光学系统不例的例图；
图9是作为时间的函数的等价模糊半径/方差的示例的例图；以及最終得到的模糊核
心；
图10是反向模糊核心的示例及其横截面的例 图11是用于图像投影系统的测试图案的例 图12是用于图像投影系统的投影物体的图像聚焦图案的例 图13是为根据现有技术的图像投影系统实现的测试图像的例 图14是为根据本发明一些实施例的图像投影系统实现的测试图像的例 图15是用于图像投影系统的测试图案的例 图16是为根据现有技术的图像投影系统实现的测试图像的例 图17是为根据本发明一些实施例的图像投影系统实现的测试图像的例 图18是为根据本发明一些实施例的图像投影系统实现的测试图像的例 图19是根据本发明ー些实施例的图像投影系统中的与投影表面相对的图像平面的移动图案的例图；以及
图20是作为时间的函数的等价模糊半径/方差的例图。
具体实施例方式图6示出的是根据本发明ー些实施例的图像投影系统的示例。该系统包括ー个被安排为将图像投影在物体表面603上的图像投影设备601。在图6的具体示例中，该表面603是ー个与图像投影设备601具有变化的距离(沿着与图像平面垂直的方向)的非平面表面，并且在具体的示例中是沿着图像投影设备601的主透镜的光轴。图像投影设备601包括被安排用于将图像投影在物体表面603上的投光器605。特别地，图像投影设备601包括ー个可以控制投光器605来将图像聚焦于图像平面607上的聚焦调节器609。由此，投光器605将投影图像聚焦在图像平面607上。在具体示例中，投光器605包括一个聚焦投影图像的透镜。由此，如图7所示，图像平面607是这样ー个平面，其中在所述平面上，针对同一图像点在透镜上的不同位置入射的所有光线都会在相同的点上相遇。在具体示例中，聚焦调节器609可以控制投光器605的光源与透镜之间的距离，以使焦点在指定距离上是清晰的，也就是使得图像平面607处于指定距离。应该了解的是，在其他实施例中也可以使用其他那些用于聚焦投影图像的装置，例如受控透镜变形或是多个透镜位置的相对调整。投光器605与表面603上的不同点之间的距离变化有可能会很显著。例如，在与投影图像的图像平面垂直的方向上，表面变化在一个与从图像投影仪605到表面603的平均距离相对应的距离上是投影图像区域的对角线的至少10%。图像投影设备601还包括与聚焦调节器609耦合的图像平面控制器611。该图像平面控制器611被安排用于通过控制聚焦调节器609执行的聚焦调节来控制图像平面607的位置。特别地，图像平面控制器611被安排用于动态改变图像平面607相对于表面603的位置。在图6的示例中，图像平面607与表面603的相对位置的动态变化是通过改变投光器605的聚焦改变的，然而应该了解，在其他实施例中，作为补充或替换，可以通过移动整个投影仪和/或表面607来实现所述聚焦。例如，图像投影设备601可以包括一个为外部马达产生控制信号的控制器，所述马达则以预期方式来移动整个投影仪/表面607。图像平面控制器611被安排成引入图像平面607相对于表面603的动态和自动移动，并且在图6的示例中引入的是相对于投光器605的动态自动移动(在图I的示例中，从投光器605到表面603的距离是恒定的)。特别地，该移动可以是与任何图像特性和/或表面603的特性无关的相对移动。特别地，所述相对移动可以是在标称焦点之上引入的。例 如，用户可以手动调节聚焦，以使图像平面607处于指定的距离。在这个标称距离之上，图像平面控制器611还引入了一个动态移动，特别地，所述移动有可能导致与标称图像平面距离的平均位移为零。在图6的示例中，举例来说，标称图像平面可以是通过一个手动用户聚焦选择的。然后，图像平面控制器611可以引入一个促使图像平面607在从最近的图像平面位置615到最远的图像平面位置617的间隔613内部持续移动的聚焦调节。由此，图像平面607是持续变化的，并且在具体的示例中，变化间隔613被控制为大于与非平面表面的距离的变化。相应地，图像平面抖动/移动具有这样的效果，其中处于与投光器605指定(固定)距离的表面607上的指定点会经历完美聚焦图像的时间点，但是同样也会经历图像失焦的时间点。此外，无论所述表面与投光器605的确切距离是怎样的，所述表面上的所有点都会经历这种效应。因此，鉴于在传统的系统中，非平面的表面会具有在一些点清晰并且在其他点失焦的图像，而当前的方法将会产生一个聚焦平均的图像，在该图像中，每一个点都被感知成是清晰和失焦图像的组合。在很多情景中以及对很多应用来说，这种方法可以产生改进的图像质量感知。此外，发明人还认识到，由于在感知方面最为明显的效果是由清晰或是仅有少量失焦的图像提供的，因此，该方法是非常有利的。由此，对于表面603上的指定点来说，在关于该点的感知图像中，最重要的贡献是在图像平面607与该点相符的时候提供的。在图像平面607不与所述表面点相符的时候，图像的效果会因为图像平面607的距离的提升而减小。因此，该系统提供了图像聚焦对准时间的自动加权，并且由此可以为在非平面表面上投影的图像提供改进的感知聚焦。实际上可以看出，该系统有效地提供了投影图像的快照效应，在所述快照中，只有处于聚焦对准时间点(当图像平面与表面上的点相符的时候)周围的某个时间间隔以内的图像投影才是重要的。例如，在与图像平面607垂直的轴线方向上，非平面表面的变化可以是80cm。变化间隔可被设置成I米，由此超出了表面变化。举例来说，在这类实施例中可以发现，只有在图像平面607处于例如土 IOcm的距离以内的时候，投影才具有视觉显著性，而图像平面607的距离更远的投影的效应是可以忽略的(举例来说，其原因在于这些图像非常模糊，以至于不会提供任何重要的图像内容)。在这种情况下，每个点都代表以下图像内容，其对应于当图像平面607处于聚焦对准图像的[-10cm，10cm]的间隔内时的投影的组合加权效应。不管点与投光器605的具体距离是怎样的，这种情况对于表面603上的所有点来说都是成立的。发明人认识到，这种效应不但是存在的，而且它非常显著并且可以被有利地用于提供改进的图像演示。特别地，发明人认识到，由于该效应，源于移动图像平面且被测量和感知的模糊效应是相对独立于所述表面上的点与投光器605的实际距离的。换句话说，该表面上的所有点都会经历基本相同的图像模糊和失真。发明人还认识到，由于所有的点都会经历非常相似的模糊效应，因此，这种效应可以通过应用相同的预先补偿处理来加以补偿。由此，独立于特定的点，相同的预先补偿处理可以用于改进图像质量以及补偿模糊效应。此外，发明人还认识到，移动图像平面所导致的模糊效应往往在数值方面表现很好，并且允许实施具有非常有限的域的相对精确的反向滤波器，所述滤波器可以补偿图像平面移动所提供的模糊效应。
由此，所描述的系统的ー个非常有利的效果是其将来自己知系统且依赖于表面/距离的模糊/失焦效应转换成了以下的模糊效应，所述模糊效应可被假设成与单个点的距离无关，并且由此与具体的表面几何形状无关。由此，无论实际距离以及确切的模糊效应是怎样的，所述模糊效应都可以被视为与表面上的每个点的标称模糊效应等价。换句话说，标称(固定)模糊效应(也就是独立于具体的点/距离)可以作为与特定的点/距离的确切模糊效应的足够接近的近似值使用。相应地，预先补偿处理可以是在不具体或详细了解被投影了图像的特定表面的情况下执行的(例如仅仅通过确保移动间隔大于表面变化(依据ー个适当的裕量))。由此，本方法可以与种类众多的表面一起使用，而不需要了解、測量或校准所述平面。由此可以实现一种实质上更为灵活和实用的图像投影系统。由此，图像投影设备601包括一个接收所要投影的图像以及在投影该图像之前对其执行预滤波处理的预滤波器619。所述预滤波器619可以通过首先确定反映了图像平面移动所导致的模糊效应的模糊核心(标称模糊效应)来控制。该模糊核心可被具体表征成是与移动的图像平面的效应相对应的空间滤波器响应。如先前所述，该模糊核心可被假设成是独立于实际距离的，并且由此可以被假设成对图像的所有点来说都是相同的。相应地，所述预滤波器可被作为模糊核心的反向滤波器的近似来确定。特别地，模糊核心(图像平面相对于所述表面的移动所导致的模糊效应)可以通过对与图像平面的不同相对位置以及处于标称距离的平坦表面相对应的模糊核心求取平均/积分来确定。设想ー个包含了透镜和被照明对象平面的简化投影系统。光学系统的几何形状參数是透镜孔径a，透镜焦距f以及物体平面与透镜之间的距离X。投影仪将来自物体平面的光线聚焦在与透镜的另ー边相隔距离y的图像平面上，其中x、y和f是借助透镜公式关联的
如果与表面L的距离不同于y，那么物体会显得模糊。依照合理的假设，模糊图像可以被模拟成与圆盘或高斯核心卷积的清晰图像(在L=y的情况下获取)，其中所述核心具有半径(方差)bifflg,并且所述半径方差正比于透镜孔径乘以图像平面与表面之间距离$ — L并且除以图像平面与透镜之间的距离y，也就是说
权利要求
1.一种图像投影设备，包括 投光器(605 )，用于将图像投影在物体的表面(603 )上； 聚焦装置(609)，用于将图像聚焦在图像平面(607)上； 控制器(611)，用于动态改变图像平面(607)相对于所述表面(603)的位置；以及 滤波器(619 )，用于在投光器(605 )投影之前预先补偿图像。
2.权利要求I的图像投影设备，其中滤波器(619)被安排成预先补偿与图像平面(607)和表面(603)之间的距离无关的标称模糊效应。
3.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成为图像平面(607)相对于物体的位置给予一个预定变化。
4.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成为图像平面(603)相对于表面(603)的位置给予一个周期性变化。
5.权利要求4的图像投影设备，其中周期性变化对应于图像平面(607)与表面(603)上的点之间的距离的三角变化。
6.权利要求4的图像投影设备，其中该图像是视频信号帧，并且周期性变化具有不超过两个帧持续时间的周期。
7.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成动态改变投光器(605)的聚焦。
8.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成动态改变表面(603)的位置。
9.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成将从图像投影设备到表面(603)上的点的距离至少改变一个从图像投影设备到所述点的最小距离。
10.权利要求I的图像投影设备，其中控制器(611)被安排成，针对介于最接近投光器(605)的表面(603)的图像点以及最为远离投光器(605)的表面(603)的图像点之间的图像平面(607)的位置，提供相对于所述表面(603)而朝着图像平面(607)的基本线性的移动。
11.一种图像投影系统，包括权利要求I的图像投影设备以及物体。
12.权利要求11的图像投影系统，其中该表面是非平面的表面。
13.权利要求11的图像投影系统，还包括用于移动该表面的装置，所述移动在与图像平面(607)垂直的移动平面上具有移动分量。
14.权利要求11的图像投影系统，其中该系统是光蚀刻系统。
15.一种图像投影方法，包括 投光器(605)将图像投影在物体的表面(603)上； 将图像聚焦在图像平面(607)上； 动态改变图像平面(607)相对于表面(603)的位置；以及 在投光器投影之前由滤波器(619)预先补偿所述图像。
全文摘要
一种图像投影设备包括将图像投影在物体的表面(603)上的投光器(605)。聚焦处理器(609)被安排成将图像聚焦在图像平面(607)上，控制器(611)则动态改变图像平面(607)相对于表面(603)的位置。该移动可以是预定的周期性移动，并且该表面可以具体为非平面表面。所述移动可能导致与距离无关的模糊效应，特别地，该移动可以提供能被投影图像的预处理预先补偿的模糊效应。本发明可以提供改进的投影图像质量，其中举例来说，该图像可以是投影在非平面或移动表面上的图像。
文档编号H04N5/74GK102714707SQ201180005439
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月3日 优先权日2010年1月5日
发明者D.N.滋纳门斯基 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司