校準(zhǔn)裝置、投影儀以及校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)裝置、投影儀以及校準(zhǔn)方法，更具體地，涉及用于校準(zhǔn)投影多 個光線的投影單元的校準(zhǔn)裝置，包括所述投影單元和校準(zhǔn)裝置的投影儀，以及所述校準(zhǔn)投 影單元的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知用于校準(zhǔn)投影多個光線的投影單元的技術(shù)（參見，例如專利文獻(xiàn)1至3)。
[0003] 然而，在專利文獻(xiàn)1至3中所公開的技術(shù)沒有提供對于包括與從單個特定點發(fā)射 多個光線的針孔光學(xué)系統(tǒng)不同的光學(xué)系統(tǒng)（以下，也稱為"非針孔光學(xué)系統(tǒng)"）的投影單元 進(jìn)行校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實施例公開了一種用于校準(zhǔn)投影光線的投影單元的校準(zhǔn)裝置。所述校準(zhǔn)裝置包 括：成像單元，其被配置為拍攝具有位置和姿態(tài)的物體的表面的圖像，光線由所述投影單元 投影到所述表面；位置和姿態(tài)估計單元，配置為基于圖像來估計表面的位置和姿態(tài)；反射 點估計單元，配置為基于所估計的位置和估計的姿態(tài)，來估計光線中的一個光線被表面反 射的反射點；以及識別單元，其被配置為基于反射點估計單元相對于表面的多個不同的位 置和/或多個不同的姿態(tài)而獲得的多個反射點，識別光線中的一個光線經(jīng)過的經(jīng)過點和光 線中的一個光線經(jīng)過經(jīng)過點的方向這兩者，或者僅識別方向。
[0005] 根據(jù)本實施例，不僅可以校準(zhǔn)包括針孔光學(xué)系統(tǒng)的投影單元，也可以校準(zhǔn)包括非 針孔光學(xué)系統(tǒng)的投影單元。
【附圖說明】
[0006] 圖1是示出根據(jù)本實施例的投影儀的配置概況的圖。
[0007] 圖2是示出被包含在投影儀中的投影單元的圖。
[0008] 圖3是示出投影儀的控制配置的概況的框圖。
[0009] 圖4是示出在其中使用校準(zhǔn)裝置的投影單元的校準(zhǔn)方法的流程圖。
[0010] 圖5是示出形成在平板構(gòu)件的表面上的基礎(chǔ)圖案的示例的棋盤格圖案的圖。
[0011] 圖6是示出投影到平板構(gòu)件的表面上的投影圖案的示例的點圖案的圖。
[0012] 圖7是示出其中點圖案投影到形成在平板構(gòu)件的表面上的棋盤格圖案上的情況 的圖。
[0013] 圖8是示出光線在平板構(gòu)件的表面上的反射點與成像表面上對應(yīng)于反射點的點 (成像點）之間的關(guān)系的圖。
[0014] 圖9是示出在其中位置和姿態(tài)中的至少一個彼此不同的三種情況下光線在平板 構(gòu)件的表面上的反射點的圖。
[0015] 圖10是示出用于使用校準(zhǔn)裝置的成像單元和投影單元利用三角測量來測量物體 的三維形狀的方法的圖。
[0016] 圖11是示出三角測量的原理的圖。
[0017] 圖12是示出基礎(chǔ)圖案或投影圖案的另一示例的圖。
[0018] 圖13是示出修改的實施例3的投影儀的控制配置的概況的框圖。
[0019] 圖14是示出使用該修改的實施例3的校準(zhǔn)裝置的投影單元的校準(zhǔn)方法的流程圖。
[0020] 圖15是示出由修改的實施例3的校準(zhǔn)裝置在過濾處理中使用的過濾器的示例的 圖。
【具體實施方式】
[0021] 參照圖1至圖11對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。在圖1中，示出了根據(jù)本實施例的 投影儀10的側(cè)圖。在以下的描述中，使用在其中垂直方向為Y軸方向的X-Y-Z三維正交坐 標(biāo)系。
[0022] 投影儀10被放置在，例如，懸掛式屏幕S附近，在懸掛式屏幕S斜下方（或向-Y 側(cè)和向-Z側(cè)傾斜）的一個位置處。
[0023]投影儀10包括：例如，殼體12、投影單元16 (參照圖2)、校準(zhǔn)裝置18 (參照圖3)、 幾何畸變調(diào)節(jié)單元25(參照圖3)、控制單元（圖中未示出）等。
[0024] 所述殼體包括，例如，大致為矩形的箱型構(gòu)件，并且包括在+Y側(cè)的壁上的透光窗 口構(gòu)件22,通過其來透射光線。
[0025] 投影單元16包括在例如殼體12內(nèi)。投影單元16根據(jù)來自諸如個人計算機(jī)、存儲 器介質(zhì)等的外部設(shè)備的圖像信息將調(diào)制光線投影到屏幕S的表面（屏幕表面）。投影單元 16包括光源80、投影光學(xué)系統(tǒng)17等。
[0026] 如圖2所示，投影光學(xué)系統(tǒng)17包括：例如，作為光分離單元的色輪82、作為光平均 單元的光隧道84、作為光折射單元的兩個聚光透鏡86和88、作為光反射單元的兩個鏡子90 和92、作為光調(diào)制單元的DMD(數(shù)字微鏡設(shè)備）94、作為光角度加寬與圖像形成單元的投影 透鏡96、作為光反射單元的鏡子97、以及作為光角度加寬和反射單元的自由曲面鏡98。
[0027] 包括從光源80發(fā)射的多個色光分量的光進(jìn)入到色輪82。進(jìn)入色輪82的光被分離 成三原色光分量，其順序地從色輪82被提取。從色輪82提取的各個原色光分量進(jìn)入光隧 道84,在其亮度分布被平均化之后，進(jìn)入聚光透鏡86和88。各個原色光分量在進(jìn)入聚光透 鏡86和88后，其圖像形成表面被調(diào)節(jié)，其在由鏡子90反射并且然后被鏡子92反射之后， 進(jìn)入DMD94。各個原色光分量在進(jìn)入DMD94后基于圖像信息而被DMD94反射和調(diào)制之 后，順序地進(jìn)入投影透鏡96。各個原色光分量在進(jìn)入投影透鏡96而其角度變寬之后被鏡子 97反射，并順序地進(jìn)入自由曲面鏡98。各個原色光分量在進(jìn)入自由曲面鏡98時被自由曲 面鏡98反射，由此其角度被自由曲面鏡98加寬，其通過透光窗口構(gòu)件22 (參照圖1)而順 序地在斜向上方向被投影到殼體12的+Z、+Y側(cè)（到屏幕S上）。結(jié)果，彩色圖像或單色圖 像被顯示在屏幕表面上。注意，從光源80到鏡子97的光的路徑由方向箭頭來表示。
[0028] 如從上面的描述可理解的，投影光學(xué)系統(tǒng)17從自由曲面鏡98上的彼此不同的多 個點發(fā)射多個光線。換句話說，投影光學(xué)系統(tǒng)17不是從特定點發(fā)射多個光線的針孔光學(xué)系 統(tǒng)，而是非針孔光學(xué)系統(tǒng)。注意，從投影光學(xué)系統(tǒng)17發(fā)射的每個光線對應(yīng)于例如像素。
[0029] 這里，投影單元16以如下方式配置：多個投影光線（多個投影光分量）的焦點姿 態(tài)（attitude)靠近投影單元16,g卩，投影單元16被配置為具有短焦，從而其可以在短投 影距離處在屏幕S上顯示大的彩色（或單色）圖像。在這里，"投影單元16被配置為具有 短焦"指的是投影單元16的光學(xué)系統(tǒng)包括具有折射能力的鏡子（例如，上述的自由曲面鏡 98)。鏡子所具有的折射能力可以是正或負(fù)能力（S卩，鏡子可以是凹透鏡或凸透鏡）。通過 在投影光學(xué)系統(tǒng)17中包括具有折射能力的鏡子，變得能夠即使是在從透光窗口構(gòu)件22到 屏幕S的距離小于或等于50厘米的情況下、也顯示具有大約80英寸的大小的投影圖像。
[0030] 利用這種短焦投影儀10,因為光線可以從靠近屏幕S的位置投影，所以可以盡可 能地避免以下情況：其中，坐在投影儀10和屏幕S之間的人或物體使得光的投影被干擾。
[0031] 校準(zhǔn)裝置18是用于校準(zhǔn)投影單元16的裝置，并且包括例如（如圖3中所示）存 儲器單元18a、成像單元18b、位置和姿態(tài)估計單元18c、反射點估計單元18d、經(jīng)過點和方向 識別單元18e等。
[0032] 作為存儲器單元18a，例如，使用半導(dǎo)體存儲設(shè)備（RAM或ROM)、硬盤、光盤等。在 存儲器單元18a中，存儲被投影到用于校準(zhǔn)投影單元16的物體上的投影圖案。投影單元16 能夠從存儲器單元18a讀出投影圖案，以及將投影圖案投影到物體上。
[0033] 作為成像單元18b，例如，使用包括諸如C⑶或C0MS的成像元件的相機(jī)。成像單元 18b被放置在例如殼體12的+Y側(cè)表面上。以可以拍攝物體的圖像的方式設(shè)置相機(jī)的成像 范圍，其中投影單元16將投影圖案投影在該物體上。由成像單元18b拍攝的物體的圖像存 儲在存儲器單元18a中。
[0034] 位置和姿態(tài)估計單元18c從存儲器單元18a讀出由成像單元18b拍攝的物體的圖 像，并估計物體的位置和姿態(tài)。
[0035] 反射點估計單元18d基于由位置和姿態(tài)估計單元18c所估計的物體的位置和姿態(tài) 來估計各個投影光分量（光線）在物體上的反射點。
[0036] 經(jīng)過點和方向識別單元18e基于由反射點估計單元18d所估計的反射點來識別各 個投影光分量在投影單元16和物體之間的經(jīng)過點和方向。
[0037] 幾何畸變調(diào)節(jié)單元25包括例如三維形狀測量單元25a、圖像信息調(diào)節(jié)裝置25b等。
[0038] 三維形狀測量裝置25a使用由校準(zhǔn)裝置18校準(zhǔn)的投影單元16和成像單元18b通 過三角測量來測量屏幕表面的3D形狀。結(jié)果，檢測出屏幕表面的整個區(qū)域的幾何畸變信 息。
[0039] 圖像信息調(diào)節(jié)單元25b基于三維形狀測量單元25a的測量結(jié)果，創(chuàng)建用于調(diào)節(jié)由 屏幕表面的畸變而導(dǎo)致的投影圖像的幾何畸變的調(diào)節(jié)信息，并且使用所創(chuàng)建的調(diào)節(jié)信息來 調(diào)節(jié)來自外部設(shè)備的圖像信息。所述調(diào)節(jié)信息是用于通過添加與在屏幕表面上的圖像信息 的畸變相反的畸變來抵消的屏幕表面的畸變的信息。
[0040] 在下文中，參考圖4中的流程圖來描述使用校準(zhǔn)裝置18的投影單元16的校準(zhǔn)方 法的示例。通過使上述控制裝置執(zhí)行指定校準(zhǔn)方法的過程的程序來執(zhí)行該校準(zhǔn)方法。該程 序被存儲在存儲器單元18a中，并且可以由控制裝置來讀取。
[0041] 在此，作為上述物體的示例，使用包括在其上形成基礎(chǔ)圖案的表面的平板構(gòu)件 30(參見圖5到7)。作為基礎(chǔ)圖案的示例，使用如圖5中所示的棋盤格圖案CP。