具有液晶显示设备的红外线视觉的制作方法
专利名称：具有液晶显示设备的红外线视觉的制作方法
具有液晶显示设备的红外线视觉
背景技术：
显示设备可以利用各种用于显示图像的技术(例如阴极射线管(CRT)技术、基于投影的技术、基于液晶显示(LCD)的技术等)。一些显示设备也可以被配置成使用诸如电容检测、电阻检测、光学检测等技术来检测显示器表面上物理物体的触摸。在一些情况下，光学检测技术还可以被配置成检测位于显示器表面附近的物理物体的“接近触摸”。将显示设备的功能与光学检测组合的计算系统(例如红外线视觉子系统)可能具有由于集成两种技术而受损的一个或者多个特征。作为实例，这样的显示系统可以组合基于投影的显示系统与标准红外线视觉子系统；然而使用基于投影的显示器可能明显增加这样的系统的成本。使用LCD显示器可以更节省成本，然而用来提供红外线视觉的标准配置可以干扰IXD背光源。因而可能需要变更总体外形规格(form factor)以避免这样的干扰， 和/或可能有必要运用各种光学器件以使对LCD显示的影响最小。这样的光学器件可以具有约束(例如焦距、光路长度、景深、焦深等)，这些约束为显示器规定了更大的外形规格。另外，这样的光学器件可能增加所得图像的失真、像差等并且可能并不适合于高质量成像应用。
发明内容
这里公开各种涉及用于IXD设备的红外线视觉的实施例。例如，一个公开的实施例提供一种显示系统，该系统包括液晶显示设备和配置成通过将可见光引向液晶显示设备的内表面来照射液晶显示设备的显示背光源。该显示系统还包括波长选择反射器，设置于显示背光源与液晶显示设备之间并且具有面向液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中波长选择反射器具有波长选择涂层，该波长选择涂层被配置成使来自显示背光源的入射可见光经过波长选择反射器向液晶显示设备透射，且使从液晶显示设备的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器并引向红外线视觉子系统。提供这一发明内容以以简化形式介绍下文在具体实施方式
中进一步描述的概念的选择。这一发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征或者必要特征，它也并非旨在用来限制要求保护的主题的范围。另外，要求保护的主题内容并不限于解决在本公开内容的任何部分中指出的任何或者所有弊端的实施方式。
图1示出了实例显示系统的实施例的框图。图2示意地示出了实例显示系统的实施例。图3示意地示出了根据本公开内容的实施例的实例平铺(tiled)菲涅耳透镜。图4示意地示出了实例偏移成像系统。图5示意地示出了具有偏移成像系统的实例显示设备。图6示意地示出了具有偏移成像和倾斜平面成像这二者的实例成像系统。图7示意地示出了使用两个失真校正的视觉区域的实例1x2布局。
图8示意地示出了使用两个聚焦校正、但是失真的视觉区域的实例1x2布局。
具体实施例方式显示系统可以将基于IXD的技术用于视觉地显示诸如文本、图像、照片、电影等内容。如上文描述的那样，可能在組合基于LCD的显示系统与用于光学触摸检测或者用于以别的方式光学地检测LCD设备上或者附近的物体的视觉子系统时出现某些设计挑战。本公开内容提供如下显示系统，该系统采用LCD设备和定位于LCD设备与显示背光源之间的光滑波长选择反射器。波长选择反射器和各种其它部件被布置成使红外线视觉子系统能够 “看见”(检测)IXD面板的外侧上或者附近的物体或者对这些物体成像而不干扰显示背光源照射LCD。这样的系统的各种实施例更详细地描述如下。图1示出了实例显示系统100的实施例的框图。可以例如在具有大格式水平取向显示器(例如台型外形规格)的交互式计算设备中利用这样的显示系统。其它非限制实例包括平板计算机、壁式显示器、电话会议显示器等。显示系统100包括配置成向查看LCD设备的外表面以及在交互式显示器的情况下与IXD设备的外表面交互的用户视觉地显示图像的IXD设备102。在交互式系统中，IXD设备的外表面可以被配置成经由触摸输入和/或手势输入和/或经由其它基于物体放置于LCD设备的外表面上或者附近的光学检测的输入来实现交互。可以理解这样的表面还可以包括传统上与IXD设备一起使用的附加层(例如衬底、膜、涂层、扩散器、玻璃等)，这不脱离本公开内容的范围。此外，IXD设备102具有内表面(即与外表面相反的表面)。一般而言，如这里使用的那样，LCD设备的外表面指用户查看并且与之交互的一侧，而内表面指为了提供用户可以从设备的外部看见的可查看图像而由背光源照射的ー侧。这样，定位于LCD设备102之下的显示背光源104通过将可见光引向IXD设备102的内表面来照射IXD设备102。參照图 2更详细描述这样的配置的实例。在一些实施方式中，在显示系统100中使用LCD设备可以允许与具有基于投影的显示设备的显示系统相比减少的生产成本。显示系统100还可以包括红外线照射源106和配置成将红外线光引向IXD设备 102的外表面上或者附近的物体的支持部件。反射离开物体的红外线光然后可以由红外线视觉子系统捕获以便获取物体的图像或者以别的方式接收输入用于处理。先前的系统通常要求视觉子系统的部分定位于显示背光源104与IXD设备102之间。然而这样的布置可能造成其中视觉子系统损害显示功能的情形。具体而言，视觉子系统部件可能阻止从显示背光源104引向IXD设备102的可见光。因此，显示系统100包括设置于显示背光源104与 LCD设备102之间以将(例如从LCD设备的外表面上或者附近的物体反射的)入射的红外线光引向红外线视觉子系统110的波长选择反射器108。波长选择反射器108具有面向LCD 设备102的内表面的光滑表面和配置成使来自显示背光源104的入射可见光经过波长选择反射器108向IXD设备102透射的波长选择涂层。这样，波长选择反射器108不减少在IXD 设备102处入射的背光的量。这允许显示系统100提供与IXD设备102高效共存而又使对显示功能的损害最少的红外线视觉子系统110。此外，波长选择涂层还被配置成使从IXD设备102的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器108并且引向红外线视觉子系统110。作为实例，波长选择反射器108可以包括配置成光学透射可见光而反射红外线光的分色镜。
可以设置红外线视觉子系统110使得它的部件处于在显示背光源104和IXD设备 102的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外，因为波长选择反射器108表现对可见透射光的有限影响。在某些实施方式中，这样的布置可以提供使对显示背光源照射LCD设备102的影响最小的先前讨论的益处。合适的红外线视觉子系统的实例包括但不限于偏移成像系统、倾斜平面成像系统和折叠的远心系统。显示系统100的可能使用场景包括检测放置于IXD设备102的外表面上或者附近的物体。在经由红外线照射源106用红外线光照射物体时，入射在物体上的红外线光然后从物体反射并且经过显示系统100朝着波长选择反射器108引导回。在接收从物体反射的入射红外线光时，波长选择反射器108反射红外线光并且将它引向红外线视觉子系统110。 这样，红外线视觉子系统110例如通过将接收的入射红外线光引向图像传感器来获取物体的图像或者以别的方式光学地接收输入。如下文更详细描述的那样，这样的视觉子系统可以利用偏移成像、倾斜平面成像和/或折叠光学器件。在这一使用场景中，如与视觉光对比，用于显示光的光路是从显示背光源104、经过波长选择反射器108、经过IXD设备102并且朝向查看者的眼睛。视觉光(即红外线光) 的路径是从红外线照射源106到LCD设备102的外表面上或者附近的物体，或者对于红外线背光导的替换实施例，这样的路径可以包括经过LCD设备102向物体传递红外线光。反射离开物体的红外线光然后经过LCD设备102往回行进、且然后反射离开波长选择反射器 108并且经过红外线视觉子系统110的视觉光学器件引导。在一些实施例中，红外线视觉子系统110还可以包括后处理器112，该后处理器可以包括用于后处理经由图像传感器获取的图像来进行失真校正、缝合和所需其它处理的软件和/或硬件。在一些实施例中，后处理器112可以耦合到红外线视觉子系统(例如包括倾斜平面成像系统的红外线视觉子系统)。显示系统100的实施例可以根据它们是如何实施的来克服与合并视觉功能的先前系统关联的各种限制。例如，本公开内容中的波长选择反射器和关联的视觉子系统可以避免或者减少与光学楔光导(即“经过楔”的红外线视觉系统)关联的问题。除了在制造光学楔(例如表面粗糙和表面波纹)时遇到的困难之外，这样的经过楔的系统还经常由于材料在均质和色散上的退化、光栅和/或棱镜转向膜、分光涂层光栅和/或棱镜转向膜、衍射效应以及由于使用菲涅耳反射器所致的附加衍射而受限制。本发明的实施例可以不仅对表面上和/或附近的物体成像而且还具有详细高分辨率成像能力(例如拍摄LCD的表面上或者附近的电子设备的照片)。另外，通过将设置于LCD面板上或者恰好下面的扩散器替换为可切换扩散器(例如聚合物分散液晶(PDLC)扩散器)，可以在在非扩散状态期间成像时实现对基本上在表面以外的物体和手势成像。除了在视觉侧上提供更高分辨率之外，还可以在一些情况下以比采用光学楔的系统更低的成本实现所公开的视觉功能实例。关于IXD设备102，可以利用任何适当配置的IXD面板。例如，在一些实施例中， IXD设备102可以提供偏振显示。作为实例，消色差阻滞层可以层叠到IXD设备102上。作为另一实例，在LCD设备102之后紧接放置的扩散器可以用来帮助随机化偏振，并且如果与在扩散器层之前的消色差阻滞层一起使用则可以提供附加益处(例如与偏振太阳镜兼容)。关于显示背光源104，特别是在显示器的边缘附近维持IXD设备的均勻照射可能有挑战性。这样的不均勻可以归因于ζ分离距离(即沿着与LCD设备垂直的ζ轴的分离距离)。因而，各种背光源配置可以用来增加照射均勻性。在一些实施例中，可以放大和延伸背光源以实现显示器边缘附近滑离(roll-off)的填充。在一些实施例中，反射侧壁可以在背光源的边缘延伸至显示面板以反射和重定向浪费的光回到显示面板内，从而防止滑离并且维持均勻性。这样的延伸可以是背光源反射材料的延伸(具有用于视觉子系统光学器件的适当切除部)。作为另ー实例，反射侧壁可以具有适当切除部以容纳视觉子系统光学器件。作为又ー实例，分光镜像侧壁可以被配置成透射红外光并且反射可见光，然而这可能给系统增添附加成本。作为又ー实例，扩散器可以层叠到LCD面板上以明显减少对显示面板的外侧或者内侧的滑离影响。关于红外线照射源106，可以利用任何适当红外线照射系统。这样的适当系统可以提供前光照射、背光照射或者其任何組合。作为实例，具有两个相对红外线带灯的层叠扩散器可以用来提供红外线照射。扩散器的实例包括但不限于标准体积扩散器、单表面扩散器和低倍小透镜的周期阵列(有或者无间隙)。在一些实施例中，防反射(AR)涂层可以添加到前光的底部和/或LCD面板上的扩散器的顶部用于减少由于波引导和扩散环境反射所致的对比度损失。这些仅为实例；存在用于提供红外线照射并且将这样的照射引至IXD的外表面上或者附近的物体的广泛可能性。图2示意地图示了实例显示系统200的实施例，其中红外线照射源202经由红外线光导206照射外表面204上和/或附近的ー个或者多个物体(例如实例物体205)。如上文描述的那样，根据红外线照射系统的类型，显示器可以包括各种光导耦合方法，这些方法可以利用棱镜、棱镜光栅、直接耦合、引导的耦合等。另外，显示系统200可以利用各种表面结构以允许红外线光向表面逃逸并且照射物体，例如用于破坏红外线光在波导内的全内反射的周期间隔、周期间隔或者随机凹入表面。来自背光源210的可见光照射的IXD面板208提供显示。如上文描述的那样，扩散器212可以可选地用于物体照射和/或背光均勻性。另外，可以向前光的底部和/或向扩散器的顶部涂敷AR涂层以提高显示对比度。另外，显示系统的触摸表面可以包括ー个或者多个成像段，其中每个成像段在自身内连续，从而局部周期带化未损害成像，这在下文中更详细地描述。局部带化是通常在使用具有双通的刀片型楔时见到的效应。子带化可以通过使用放置于楔的厚端处的菲涅耳反射器而引起，使得仅照射交替刻面的光的某奇偶性(parity)使它进入楔的接受(acceptance)并且因此进入视觉系统照相机的接受 (acceptance).这样，光带可能在接受照射交替刻面的光的部位之间遗漏。因为显示系统 100无需这样的菲涅耳反射器以及因此未遭受奇偶性问题，所以显示系统100成像的所有光即使在考虑经过菲涅耳透镜的透射时仍然可以基本上连续。另外，可以理解，未使用菲涅耳透镜阵列的平铺的显示系统100的实施例可以允许自动校准方法或者自校准方法，这归因于每个平铺的段(section)图像的界限分明的区域。这样，可以提高用软件执行图像縫合的简易性。在背光源210与LCD面板208之间中，设置具有波长选择涂层的反射片(即分色镜 214)。分色镜214允许背光向IXD面板、然后向查看者透射而反射从外表面上和/或附近的物体反射的红外线光。因此，从物体反射的红外线光经过LCD面板208朝着分色镜214 相反地透射(在从LCD面板的外表面到LCD面板的内表面的方向上)。分色镜214然后反射接收的入射红外线光以便由红外线视觉子系统218的视觉光学器件216收集。这样，显示系统200提供与LCD面板208高效共存的红外线视觉子系统218。
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因此，对于显示，用于可见光的光路是从背光源210、经过分色镜214、经过IXD面板208并且朝向查看者的眼睛。用于红外线视觉的路径是从红外线照射源202到物体205。 反射离开物体205的红外线光然后经过LCD面板208往回行进、然后反射离开分色镜214 并且经过红外线视觉子系统218的视觉光学器件216行进。红外线光然后引导到图像传感器220上，来自该图像传感器220的适当电子器件实现获取物体的图像，以供经由后处理软件/硬件按照需要进行后处理来进行失真校正、缝合等。在221示出了实例红外线光路。如图2中所描绘，可以设置红外线视觉子系统218使得它的部件设置于在背光源 210和LCD面板208的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外。这样，红外线视觉子系统218被定位成不破坏IXD面板208的照射。因此，向显示系统200中合并红外线视觉子系统218不损害LCD面板208的亮度。下文更详细描述红外线视觉子系统218的各种实施例。在一些实施例中，显示系统200可以利用具有偏移成像系统的红外线视觉子系统。在这样的系统中，图像传感器220可以“偏移”，因为它与入射在图像传感器220上的红外线光的光轴横向偏移地定位。横向偏移传感器可以辅助聚焦图像结合(conjugate)并且辅助控制失真。在图4中示出了偏移成像系统400的实例。在典型的成像系统中，以例如矩形触摸区域的成像系统的光轴为中心的物体成像为物体的如下图像结合，该结合表现由系统的放大率指定的尺寸，但是仍然以成像系统的光轴为中心。当离轴矩形段是例如在402 示出的物体并且经过(描绘为一般“黑盒子”的)光学系统404成像时，图像结合部仍然表现由系统的光学放大率确定的尺寸，但是物体的图像也关于光轴406偏移(如在408所示)。因为图像结合平面基本上平行，所以可使图像失真最小。这样，在偏移成像系统中，图像结合部具有适当的偏移以便维持图像聚焦以及限制跨全视野(FOV)的失真，因此维持在触摸表面区域与传感器区域之间的映射。作为另一实例，图5示出了具有偏移成像系统(具有折叠的光学器件)的实例显示设备500。在502，示出了红外线视觉子系统的放大视图。偏移成像系统还包括偏移图像传感器504。在图2中描绘了偏移成像系统的实例，其中视觉光学器件216将接收的红外线光引向图像传感器220。如箭头222所指示，图像传感器220从入射在图像传感器220上的红外线光的光轴2M偏移。如上文描述的那样，使用偏移成像允许视觉光学器件在背光的光路以外，并且波长选择涂层实现可见背光与红外线视觉的组合和兼容。因此，这样的配置使显示系统能够具有低成本显示器以及以纤薄外形规格提供高质量、低失真成像。虽然相对于简单透镜情况而言针对偏移成像可能增加与透镜复杂性关联的成本，但是该成本通常适度。另外，使用偏移成像可以减少向系统中引入失真。因此，可以减少附加后处理插值，因此减少在这样的后处理中引起损失的分辨率的可能性。可以理解，这样的偏移视觉系统可以与其它二维面板显示设备(例如透明有机发光二极管(OLED)显示器)结合使用。这样的透明OLED可以具有在晶体管和/或迹线(trace) 之间的缝开口，这可以允许大约20%的透明度从而允许折叠的光学器件系统与透明OLED或者IXD组合。如上文介绍的那样，红外线视觉子系统的替换实施例可以包括倾斜的平面成像系统。在这样的系统中，图像传感器的平面可以关于物体的平面倾斜。这样的系统与偏移成像情况相比可以允许减少所需视野(F0V)，然而可以增加失真。由于这样的折衷，接受将由软件校正的某一量的图像失真以便实现使用倾斜成像或者接受与偏移成像结合的某有限程度的倾斜成像以便允许进ー步减少光学子系统成本可以是可行的。在一些实施例中，倾斜平面成像系统可以包括如下透镜，该透镜对准到入射在图像传感器上的红外线光的光束质心的视野的主轴。另外，倾斜平面成像系统可以包括偏移成像与倾斜平面成像的组合以便允许可接受的失真水平同时略微减少光学子系统复杂性和成本。作为实例，图6示出了組合偏移成像与倾斜平面成像的实例成像系统600。在这样的系统中，物体位置602从成像系统606 (描绘为一般的“黑盒子”)的光轴604偏移，并且物体的图像如在608所示也关于光轴604偏移。成像系统600关于在610所示表面物体平面的法线傾斜。这样，在602 的物体平面和在608的图像平面不关于光轴604垂直，而是分別如在612和614所示傾斜。 这样，与关于彼此平行相反，在602的物体平面和在608的图像平面关于彼此傾斜。对于倾斜平面成像系统的情况，红外线视觉子系统可以平铺(例如1χ2、2χ2、2χ3 等)以进ー步减少折叠的光学器件产生的已经减少的外形规格。可以理解，有用于成像光学器件的多个适当选项。倾斜成像可以用于在光学器件的失真与简易性之间具有可接受折衷的使用场景。例如在倾斜光学器件的情况下，通过利用图像传感器平面的适当傾斜，即使透镜朝着来自感兴趣区域的光束的质心倾斜仍然可以维持跨表面的聚焦。然而，这可能引起图像形状的失真。视觉子系统软件/硬件可以在后处理中校正这样的失真。因而倾斜平面成像系统还可以包括用于后处理经由图像传感器获取的图像以减少图像的失真的后处理器。因此，倾斜平面成像系统的可能使用场景是如下场景，其中对透镜成本的考虑胜过与用于后处理的软件/硬件关联的考虑。作为实例，图7示出了将两个失真校正视觉区域用于经由偏移成像系统对触摸区域700成像的实例1x2布局。如在702所示，由视觉系统成像的区域表现低失真。作为另 ー实例，图8示出了将两个聚焦校正、但是失真的视觉区域用于经由倾斜平面成像系统对触摸区域800成像的实例1x2布局。如在802所示，由视觉系统成像的区域表现失真。在红外线视觉子系统的又一替换实施例中，可以利用具有倾斜图像平面的折叠 2も/2ち远心系统。然而，这样的系统可能难以折叠。除了上文描述的特征和实施例之外，包括背光LCD设备和波长选择反射器的显示系统可以提供有用于适应不同使用场景的附加和/或不同特征。下文更详细地描述各种实例。在一些情况下，可以交替地配置所述显示系统的镜。例如，波长选择镜(例如分光镜)可以平坦或者它可以例如在图2中的2 和2 所示弯曲。对于弯曲镜的情況，镜可以在轮廓上是凹形的并且具有与红外线视觉系统中的成像段一祥多的镜段。可以理解，示出了弯曲情况的线2 和2 仅旨在示出镜的主体，因为仅顶部将由分光或者基于干涉型涂
层涂覆。作为另ー实例，显示系统可以包括第二上镜。这样的次镜(secondary mirror)不同于上文讨论的(主)镜。在一些实施例中，次镜可以是非球面的。作为实例，可以提供这样的次镜作为图2中所示视觉光学器件216的部分。这样的第二上镜可以提供高FOV成像角度同时也维持低的图像失真。因为它位于背光的光路以外，所以无需让它具有波长敏感性 (仅针对红外线光的高反射率就能得到最佳光效率)。这个更小的镜可以由金属制成，或者为求最低成本，它可以由模制的塑料制成。为求成本更低而性能更佳，镜可以替换地由模制玻璃制成。镜可以具有光学涂层，该涂层包括但不限于金属化涂层、分光涂层或对于红外线光而言具有相对高反射率的其它光学涂层。应当理解，有可能设计子系统以便利用凸的或者凹的第二上镜。然而，凸镜可以由于系统尺寸和性能的折衷而在一些实施例中是需要的。关于红外线照射系统，红外线照射可以由红外线前光导照射器或者与子系统的光轴紧邻(例如在第二镜附近且指向主镜)放置的红外线环形光照射器或者侧光照射器或者例如由红外线LED阵列形成的红外线背光源提供。在使用红外线背光源的后一种情况下， 可以选择分光涂层的响应曲线以具有角度过渡以便允许红外线光在高AOI的高反射而同时针对低AOI允许红外线光的高透射以便允许来自红外线LED阵列的光经过主镜透射并对在触摸表面的物体进行照射。因为仅在与视觉光学子系统的接受度匹配的适当高AOI的光可以经过视觉系统向传感器传递，所以设计成反射高AOI而透射低AOI的反射器分光涂层可以在这样的情况下使用，如同使用红外线LED阵列背光源。对于使用与子系统光轴紧邻放置的照射体的情况，红外线照射体可以使用面板以下的棱镜的或者平铺的菲涅耳阵列的远心校正以便将红外线照射光更高效地引向触摸表面以照射物体。尽管由于几何覆盖区 (footprint)和经过菲涅耳刻面的光路而不如在相反方向上那样高效，但是使用菲涅耳来提供远心成像与不将菲涅耳透镜用于某一程度的远心校正相比可以进一步向视觉子系统提供增加的效率。一些配置可以通过在与视觉收集的方向相反的方向上施加偏置来维持离开光导红外线照射器的红外线光的高AOI以提高和/或维持高性能(例如避免由于直接照射或者向后散射到视觉系统所致的对比度损失)。除此之外或者取而代之，棱镜的或者平铺的菲涅耳阵列可以用来提高进入视觉光学器件的效率和均勻性。在图3中图示了实例平铺的菲涅耳阵列，并且在显示系统200中包括平铺的菲涅耳阵列230的实施例。然而在一些实施例中，扩散器可以在LCD面板附近用来帮助减少或者回避使用棱镜的或者平铺的菲涅耳透镜，同时提高显示背光均勻性。另外，波长选择的、对角度敏感的涂层可以使用于任何光导红外线照射体的底侧上，这在一些情况下可以增加红外线光的效率和功率。另外，在一些实施例中，扩散器可以包括可切换扩散器，当背光单元‘打开’的时间期间维持显示的均勻性并当红外线视觉感测表面时不扩散光。在这一情况下，有可能注视表面以外以检测未与触摸表面接触的物体。第三阶段或者状态可以包括在感测红外线视觉时处于扩散状态(施加零电压)的扩散器以便实现触摸检测。因此，在视频速率的帧期间的三个可能阶段包括(1)显示LED背光源接通进行显示的扩散状态、(2)仍然是显示背光源和红外线视觉捕获接通进行ζ定位的扩散状态以及(3)红外线视觉捕获接通用于看见表面以外的非扩散状态。可以理解，使用放置于成像器/传感器之前的红外线通过滤波器可以允许系统以两个阶段工作，即(1)显示背光源‘接通’且红外线视觉捕获用于触摸检测的扩散状态以及(2)针对表面以外的物体显示背光源‘关断’ 且红外线视觉捕获的非扩散状态。这样使用可切换扩散器可以实现检测手势并且在远心菲涅耳透镜或者菲涅耳透镜阵列与红外线视觉系统或者红外线视觉系统阵列结合使用的情况下提供远程存在。关于波长选择反射器(例如分光镜)，波长选择涂层通常被配置成光学透射可见光并反射入射红外线光。这样，红外线光(例如具有866nm波长的光)的波长移位对输入角通常应当表现避免与红外线反射区域重叠的可见透射区域。另外，波长选择涂层可以被配置成表现响应对角度的移位。
将理解这里描述的配置和/或方法在性质上为举例并且这些具体实施例或实例将不视为具有限制意义，因为诸多变化是可能的。这里描述的具体程序或者方法可以代表任何数目的处理策略中的一个或者多个处理策略。这样，可以以所说明的順序、以其它顺序、并行地执行所说明的各种动作，或者在一些情况下省略所说明的各种动作。同样地，可以改变上述过程的順序。本公开内容的主题包括这里公开的各种过程、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或性质的所有新颖和显而易见的組合和子組合及其任何和所有等效物。
权利要求
1.一种显示系统，包括液晶显示设备；显示背光源，其配置成通过将可见光引向所述液晶显示设备的内表面来照射所述液晶显示设备；以及波长选择反射器，其设置于所述显示背光源与所述液晶显示设备之间并且具有面向所述液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中所述波长选择反射器具有波长选择涂层，所述波长选择涂层被配置成使来自所述显示背光源的入射可见光经过所述波长选择反射器向所述液晶显示设备透射，并使从所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开所述波长选择反射器并且引向红外线视觉子系统。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统设置于在所述显示背光源和所述液晶显示设备的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括偏移成像系统， 所述偏移成像系统具有配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器， 所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位。
4.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括平铺的平面成像系统，所述平铺的平面成像系统具有配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器，其中与所述图像传感器的平面垂直的表面以及与所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体的平面垂直的表面均关于成像系统光轴倾斜。
5.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括偏移成像系统和倾斜平面成像系统，所述红外线视觉系统还包括配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器，所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位，并且其中与所述图像传感器的平面垂直的表面以及与所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体的平面垂直的表面均关于成像系统光轴倾斜。
6.根据权利要求5所述的显示系统，其中所述倾斜平面成像系统还包括用于后处理经由所述图像传感器获取的图像以减少所述图像的失真的后处理器。
7.根据权利要求2所述的显示系统，还包括可切换扩散器，所述可切换扩散器使所述红外线视觉子系统能够在所述显示系统的非扩散状态期间检测基本上位于所述液晶显示设备的外表面以外的物理物体和手势的一个或者多个。
8.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述显示系统的触摸表面包括一个或多个成像段，每个成像段在自身内连续，使得成像可以在所述液晶显示设备的所述外表面处和/ 或在所述液晶显示设备的所述外表面上方基本上远心。
9.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统还包括配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器以及用于后处理经由所述图像传感器获取的图像的后处理器。
10.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述波长选择反射器包括分光镜。
11.根据权利要求1所述的显示系统，还包括红外线照射系统，所述红外线照射系统被配置成将红外线光引向所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体。
12.—种显示系统，包括液晶显示设备；显示背光源，其配置成通过将可见光引向所述液晶显示设备的内表面来照射所述液晶显示设备；分光镜，其设置于所述显示背光源与所述液晶显示设备之间并且具有面向所述液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中所述分光镜具有波长选择涂层，所述波长选择涂层被配置成使来自所述显示背光源的入射可见光经过所述分光镜向所述液晶显示设备透射，并使从所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体反射的入射红外线光反射离开所述分光镜； 以及偏移红外线视觉子系统，其设置于在所述显示背光源和所述液晶显示设备的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外，所述偏移红外线视觉子系统包括配置成接收从所述分光镜引导的红外线光的图像传感器，所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位。
13.根据权利要求12所述的显示系统，还包括红外线照射系统，所述红外线照射系统被配置成将红外线光引向所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体。
14.根据权利要求13所述的显示系统，还包括扩散器，该扩散器设置于所述液晶显示设备的外表面上方并且配置成辅助所述物体的红外线照射和背光均勻性中的一个或者多个。
全文摘要
这里公开了各种涉及液晶显示(LCD)设备的红外线视觉的实施例。例如一个公开的实施例提供一种显示系统，该显示系统包括LCD设备和配置成通过将可见光引向LCD设备的内表面来照射LCD设备的显示背光源。该显示系统还包括波长选择反射器，其设置于显示背光源与LCD设备之间并且具有面向LCD设备的内表面的光滑表面，其中波长选择反射器具有波长选择涂层，该波长选择涂层被配置成使来自显示背光源的入射可见光经过波长选择反射器向LCD设备透射，并使从LCD设备的外表面上或附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器并且引向红外线视觉子系统。
文档编号G02F1/1335GK102597860SQ201080052060
公开日2012年7月18日 申请日期2010年11月2日 优先权日2009年11月17日
发明者K.鲍威尔, P.马萨尔卡, 刘志强 申请人:微软公司
具有液晶显示设备的红外线视觉
背景技术：
显示设备可以利用各种用于显示图像的技术(例如阴极射线管(CRT)技术、基于投影的技术、基于液晶显示(LCD)的技术等)。一些显示设备也可以被配置成使用诸如电容检测、电阻检测、光学检测等技术来检测显示器表面上物理物体的触摸。在一些情况下，光学检测技术还可以被配置成检测位于显示器表面附近的物理物体的“接近触摸”。将显示设备的功能与光学检测组合的计算系统(例如红外线视觉子系统)可能具有由于集成两种技术而受损的一个或者多个特征。作为实例，这样的显示系统可以组合基于投影的显示系统与标准红外线视觉子系统；然而使用基于投影的显示器可能明显增加这样的系统的成本。使用LCD显示器可以更节省成本，然而用来提供红外线视觉的标准配置可以干扰IXD背光源。因而可能需要变更总体外形规格(form factor)以避免这样的干扰， 和/或可能有必要运用各种光学器件以使对LCD显示的影响最小。这样的光学器件可以具有约束(例如焦距、光路长度、景深、焦深等)，这些约束为显示器规定了更大的外形规格。另外，这样的光学器件可能增加所得图像的失真、像差等并且可能并不适合于高质量成像应用。
发明内容
这里公开各种涉及用于IXD设备的红外线视觉的实施例。例如，一个公开的实施例提供一种显示系统，该系统包括液晶显示设备和配置成通过将可见光引向液晶显示设备的内表面来照射液晶显示设备的显示背光源。该显示系统还包括波长选择反射器，设置于显示背光源与液晶显示设备之间并且具有面向液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中波长选择反射器具有波长选择涂层，该波长选择涂层被配置成使来自显示背光源的入射可见光经过波长选择反射器向液晶显示设备透射，且使从液晶显示设备的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器并引向红外线视觉子系统。提供这一发明内容以以简化形式介绍下文在具体实施方式
中进一步描述的概念的选择。这一发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征或者必要特征，它也并非旨在用来限制要求保护的主题的范围。另外，要求保护的主题内容并不限于解决在本公开内容的任何部分中指出的任何或者所有弊端的实施方式。
图1示出了实例显示系统的实施例的框图。图2示意地示出了实例显示系统的实施例。图3示意地示出了根据本公开内容的实施例的实例平铺(tiled)菲涅耳透镜。图4示意地示出了实例偏移成像系统。图5示意地示出了具有偏移成像系统的实例显示设备。图6示意地示出了具有偏移成像和倾斜平面成像这二者的实例成像系统。图7示意地示出了使用两个失真校正的视觉区域的实例1x2布局。
图8示意地示出了使用两个聚焦校正、但是失真的视觉区域的实例1x2布局。
具体实施例方式显示系统可以将基于IXD的技术用于视觉地显示诸如文本、图像、照片、电影等内容。如上文描述的那样，可能在組合基于LCD的显示系统与用于光学触摸检测或者用于以别的方式光学地检测LCD设备上或者附近的物体的视觉子系统时出现某些设计挑战。本公开内容提供如下显示系统，该系统采用LCD设备和定位于LCD设备与显示背光源之间的光滑波长选择反射器。波长选择反射器和各种其它部件被布置成使红外线视觉子系统能够 “看见”(检测)IXD面板的外侧上或者附近的物体或者对这些物体成像而不干扰显示背光源照射LCD。这样的系统的各种实施例更详细地描述如下。图1示出了实例显示系统100的实施例的框图。可以例如在具有大格式水平取向显示器(例如台型外形规格)的交互式计算设备中利用这样的显示系统。其它非限制实例包括平板计算机、壁式显示器、电话会议显示器等。显示系统100包括配置成向查看LCD设备的外表面以及在交互式显示器的情况下与IXD设备的外表面交互的用户视觉地显示图像的IXD设备102。在交互式系统中，IXD设备的外表面可以被配置成经由触摸输入和/或手势输入和/或经由其它基于物体放置于LCD设备的外表面上或者附近的光学检测的输入来实现交互。可以理解这样的表面还可以包括传统上与IXD设备一起使用的附加层(例如衬底、膜、涂层、扩散器、玻璃等)，这不脱离本公开内容的范围。此外，IXD设备102具有内表面(即与外表面相反的表面)。一般而言，如这里使用的那样，LCD设备的外表面指用户查看并且与之交互的一侧，而内表面指为了提供用户可以从设备的外部看见的可查看图像而由背光源照射的ー侧。这样，定位于LCD设备102之下的显示背光源104通过将可见光引向IXD设备102的内表面来照射IXD设备102。參照图 2更详细描述这样的配置的实例。在一些实施方式中，在显示系统100中使用LCD设备可以允许与具有基于投影的显示设备的显示系统相比减少的生产成本。显示系统100还可以包括红外线照射源106和配置成将红外线光引向IXD设备 102的外表面上或者附近的物体的支持部件。反射离开物体的红外线光然后可以由红外线视觉子系统捕获以便获取物体的图像或者以别的方式接收输入用于处理。先前的系统通常要求视觉子系统的部分定位于显示背光源104与IXD设备102之间。然而这样的布置可能造成其中视觉子系统损害显示功能的情形。具体而言，视觉子系统部件可能阻止从显示背光源104引向IXD设备102的可见光。因此，显示系统100包括设置于显示背光源104与 LCD设备102之间以将(例如从LCD设备的外表面上或者附近的物体反射的)入射的红外线光引向红外线视觉子系统110的波长选择反射器108。波长选择反射器108具有面向LCD 设备102的内表面的光滑表面和配置成使来自显示背光源104的入射可见光经过波长选择反射器108向IXD设备102透射的波长选择涂层。这样，波长选择反射器108不减少在IXD 设备102处入射的背光的量。这允许显示系统100提供与IXD设备102高效共存而又使对显示功能的损害最少的红外线视觉子系统110。此外，波长选择涂层还被配置成使从IXD设备102的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器108并且引向红外线视觉子系统110。作为实例，波长选择反射器108可以包括配置成光学透射可见光而反射红外线光的分色镜。
可以设置红外线视觉子系统110使得它的部件处于在显示背光源104和IXD设备 102的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外，因为波长选择反射器108表现对可见透射光的有限影响。在某些实施方式中，这样的布置可以提供使对显示背光源照射LCD设备102的影响最小的先前讨论的益处。合适的红外线视觉子系统的实例包括但不限于偏移成像系统、倾斜平面成像系统和折叠的远心系统。显示系统100的可能使用场景包括检测放置于IXD设备102的外表面上或者附近的物体。在经由红外线照射源106用红外线光照射物体时，入射在物体上的红外线光然后从物体反射并且经过显示系统100朝着波长选择反射器108引导回。在接收从物体反射的入射红外线光时，波长选择反射器108反射红外线光并且将它引向红外线视觉子系统110。 这样，红外线视觉子系统110例如通过将接收的入射红外线光引向图像传感器来获取物体的图像或者以别的方式光学地接收输入。如下文更详细描述的那样，这样的视觉子系统可以利用偏移成像、倾斜平面成像和/或折叠光学器件。在这一使用场景中，如与视觉光对比，用于显示光的光路是从显示背光源104、经过波长选择反射器108、经过IXD设备102并且朝向查看者的眼睛。视觉光(即红外线光) 的路径是从红外线照射源106到LCD设备102的外表面上或者附近的物体，或者对于红外线背光导的替换实施例，这样的路径可以包括经过LCD设备102向物体传递红外线光。反射离开物体的红外线光然后经过LCD设备102往回行进、且然后反射离开波长选择反射器 108并且经过红外线视觉子系统110的视觉光学器件引导。在一些实施例中，红外线视觉子系统110还可以包括后处理器112，该后处理器可以包括用于后处理经由图像传感器获取的图像来进行失真校正、缝合和所需其它处理的软件和/或硬件。在一些实施例中，后处理器112可以耦合到红外线视觉子系统(例如包括倾斜平面成像系统的红外线视觉子系统)。显示系统100的实施例可以根据它们是如何实施的来克服与合并视觉功能的先前系统关联的各种限制。例如，本公开内容中的波长选择反射器和关联的视觉子系统可以避免或者减少与光学楔光导(即“经过楔”的红外线视觉系统)关联的问题。除了在制造光学楔(例如表面粗糙和表面波纹)时遇到的困难之外，这样的经过楔的系统还经常由于材料在均质和色散上的退化、光栅和/或棱镜转向膜、分光涂层光栅和/或棱镜转向膜、衍射效应以及由于使用菲涅耳反射器所致的附加衍射而受限制。本发明的实施例可以不仅对表面上和/或附近的物体成像而且还具有详细高分辨率成像能力(例如拍摄LCD的表面上或者附近的电子设备的照片)。另外，通过将设置于LCD面板上或者恰好下面的扩散器替换为可切换扩散器(例如聚合物分散液晶(PDLC)扩散器)，可以在在非扩散状态期间成像时实现对基本上在表面以外的物体和手势成像。除了在视觉侧上提供更高分辨率之外，还可以在一些情况下以比采用光学楔的系统更低的成本实现所公开的视觉功能实例。关于IXD设备102，可以利用任何适当配置的IXD面板。例如，在一些实施例中， IXD设备102可以提供偏振显示。作为实例，消色差阻滞层可以层叠到IXD设备102上。作为另一实例，在LCD设备102之后紧接放置的扩散器可以用来帮助随机化偏振，并且如果与在扩散器层之前的消色差阻滞层一起使用则可以提供附加益处(例如与偏振太阳镜兼容)。关于显示背光源104，特别是在显示器的边缘附近维持IXD设备的均勻照射可能有挑战性。这样的不均勻可以归因于ζ分离距离(即沿着与LCD设备垂直的ζ轴的分离距离)。因而，各种背光源配置可以用来增加照射均勻性。在一些实施例中，可以放大和延伸背光源以实现显示器边缘附近滑离(roll-off)的填充。在一些实施例中，反射侧壁可以在背光源的边缘延伸至显示面板以反射和重定向浪费的光回到显示面板内，从而防止滑离并且维持均勻性。这样的延伸可以是背光源反射材料的延伸(具有用于视觉子系统光学器件的适当切除部)。作为另ー实例，反射侧壁可以具有适当切除部以容纳视觉子系统光学器件。作为又ー实例，分光镜像侧壁可以被配置成透射红外光并且反射可见光，然而这可能给系统增添附加成本。作为又ー实例，扩散器可以层叠到LCD面板上以明显减少对显示面板的外侧或者内侧的滑离影响。关于红外线照射源106，可以利用任何适当红外线照射系统。这样的适当系统可以提供前光照射、背光照射或者其任何組合。作为实例，具有两个相对红外线带灯的层叠扩散器可以用来提供红外线照射。扩散器的实例包括但不限于标准体积扩散器、单表面扩散器和低倍小透镜的周期阵列(有或者无间隙)。在一些实施例中，防反射(AR)涂层可以添加到前光的底部和/或LCD面板上的扩散器的顶部用于减少由于波引导和扩散环境反射所致的对比度损失。这些仅为实例；存在用于提供红外线照射并且将这样的照射引至IXD的外表面上或者附近的物体的广泛可能性。图2示意地图示了实例显示系统200的实施例，其中红外线照射源202经由红外线光导206照射外表面204上和/或附近的ー个或者多个物体(例如实例物体205)。如上文描述的那样，根据红外线照射系统的类型，显示器可以包括各种光导耦合方法，这些方法可以利用棱镜、棱镜光栅、直接耦合、引导的耦合等。另外，显示系统200可以利用各种表面结构以允许红外线光向表面逃逸并且照射物体，例如用于破坏红外线光在波导内的全内反射的周期间隔、周期间隔或者随机凹入表面。来自背光源210的可见光照射的IXD面板208提供显示。如上文描述的那样，扩散器212可以可选地用于物体照射和/或背光均勻性。另外，可以向前光的底部和/或向扩散器的顶部涂敷AR涂层以提高显示对比度。另外，显示系统的触摸表面可以包括ー个或者多个成像段，其中每个成像段在自身内连续，从而局部周期带化未损害成像，这在下文中更详细地描述。局部带化是通常在使用具有双通的刀片型楔时见到的效应。子带化可以通过使用放置于楔的厚端处的菲涅耳反射器而引起，使得仅照射交替刻面的光的某奇偶性(parity)使它进入楔的接受(acceptance)并且因此进入视觉系统照相机的接受 (acceptance).这样，光带可能在接受照射交替刻面的光的部位之间遗漏。因为显示系统 100无需这样的菲涅耳反射器以及因此未遭受奇偶性问题，所以显示系统100成像的所有光即使在考虑经过菲涅耳透镜的透射时仍然可以基本上连续。另外，可以理解，未使用菲涅耳透镜阵列的平铺的显示系统100的实施例可以允许自动校准方法或者自校准方法，这归因于每个平铺的段(section)图像的界限分明的区域。这样，可以提高用软件执行图像縫合的简易性。在背光源210与LCD面板208之间中，设置具有波长选择涂层的反射片(即分色镜 214)。分色镜214允许背光向IXD面板、然后向查看者透射而反射从外表面上和/或附近的物体反射的红外线光。因此，从物体反射的红外线光经过LCD面板208朝着分色镜214 相反地透射(在从LCD面板的外表面到LCD面板的内表面的方向上)。分色镜214然后反射接收的入射红外线光以便由红外线视觉子系统218的视觉光学器件216收集。这样，显示系统200提供与LCD面板208高效共存的红外线视觉子系统218。
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因此，对于显示，用于可见光的光路是从背光源210、经过分色镜214、经过IXD面板208并且朝向查看者的眼睛。用于红外线视觉的路径是从红外线照射源202到物体205。 反射离开物体205的红外线光然后经过LCD面板208往回行进、然后反射离开分色镜214 并且经过红外线视觉子系统218的视觉光学器件216行进。红外线光然后引导到图像传感器220上，来自该图像传感器220的适当电子器件实现获取物体的图像，以供经由后处理软件/硬件按照需要进行后处理来进行失真校正、缝合等。在221示出了实例红外线光路。如图2中所描绘，可以设置红外线视觉子系统218使得它的部件设置于在背光源 210和LCD面板208的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外。这样，红外线视觉子系统218被定位成不破坏IXD面板208的照射。因此，向显示系统200中合并红外线视觉子系统218不损害LCD面板208的亮度。下文更详细描述红外线视觉子系统218的各种实施例。在一些实施例中，显示系统200可以利用具有偏移成像系统的红外线视觉子系统。在这样的系统中，图像传感器220可以“偏移”，因为它与入射在图像传感器220上的红外线光的光轴横向偏移地定位。横向偏移传感器可以辅助聚焦图像结合(conjugate)并且辅助控制失真。在图4中示出了偏移成像系统400的实例。在典型的成像系统中，以例如矩形触摸区域的成像系统的光轴为中心的物体成像为物体的如下图像结合，该结合表现由系统的放大率指定的尺寸，但是仍然以成像系统的光轴为中心。当离轴矩形段是例如在402 示出的物体并且经过(描绘为一般“黑盒子”的)光学系统404成像时，图像结合部仍然表现由系统的光学放大率确定的尺寸，但是物体的图像也关于光轴406偏移(如在408所示)。因为图像结合平面基本上平行，所以可使图像失真最小。这样，在偏移成像系统中，图像结合部具有适当的偏移以便维持图像聚焦以及限制跨全视野(FOV)的失真，因此维持在触摸表面区域与传感器区域之间的映射。作为另一实例，图5示出了具有偏移成像系统(具有折叠的光学器件)的实例显示设备500。在502，示出了红外线视觉子系统的放大视图。偏移成像系统还包括偏移图像传感器504。在图2中描绘了偏移成像系统的实例，其中视觉光学器件216将接收的红外线光引向图像传感器220。如箭头222所指示，图像传感器220从入射在图像传感器220上的红外线光的光轴2M偏移。如上文描述的那样，使用偏移成像允许视觉光学器件在背光的光路以外，并且波长选择涂层实现可见背光与红外线视觉的组合和兼容。因此，这样的配置使显示系统能够具有低成本显示器以及以纤薄外形规格提供高质量、低失真成像。虽然相对于简单透镜情况而言针对偏移成像可能增加与透镜复杂性关联的成本，但是该成本通常适度。另外，使用偏移成像可以减少向系统中引入失真。因此，可以减少附加后处理插值，因此减少在这样的后处理中引起损失的分辨率的可能性。可以理解，这样的偏移视觉系统可以与其它二维面板显示设备(例如透明有机发光二极管(OLED)显示器)结合使用。这样的透明OLED可以具有在晶体管和/或迹线(trace) 之间的缝开口，这可以允许大约20%的透明度从而允许折叠的光学器件系统与透明OLED或者IXD组合。如上文介绍的那样，红外线视觉子系统的替换实施例可以包括倾斜的平面成像系统。在这样的系统中，图像传感器的平面可以关于物体的平面倾斜。这样的系统与偏移成像情况相比可以允许减少所需视野(F0V)，然而可以增加失真。由于这样的折衷，接受将由软件校正的某一量的图像失真以便实现使用倾斜成像或者接受与偏移成像结合的某有限程度的倾斜成像以便允许进ー步减少光学子系统成本可以是可行的。在一些实施例中，倾斜平面成像系统可以包括如下透镜，该透镜对准到入射在图像传感器上的红外线光的光束质心的视野的主轴。另外，倾斜平面成像系统可以包括偏移成像与倾斜平面成像的组合以便允许可接受的失真水平同时略微减少光学子系统复杂性和成本。作为实例，图6示出了組合偏移成像与倾斜平面成像的实例成像系统600。在这样的系统中，物体位置602从成像系统606 (描绘为一般的“黑盒子”)的光轴604偏移，并且物体的图像如在608所示也关于光轴604偏移。成像系统600关于在610所示表面物体平面的法线傾斜。这样，在602 的物体平面和在608的图像平面不关于光轴604垂直，而是分別如在612和614所示傾斜。 这样，与关于彼此平行相反，在602的物体平面和在608的图像平面关于彼此傾斜。对于倾斜平面成像系统的情况，红外线视觉子系统可以平铺(例如1χ2、2χ2、2χ3 等)以进ー步减少折叠的光学器件产生的已经减少的外形规格。可以理解，有用于成像光学器件的多个适当选项。倾斜成像可以用于在光学器件的失真与简易性之间具有可接受折衷的使用场景。例如在倾斜光学器件的情况下，通过利用图像传感器平面的适当傾斜，即使透镜朝着来自感兴趣区域的光束的质心倾斜仍然可以维持跨表面的聚焦。然而，这可能引起图像形状的失真。视觉子系统软件/硬件可以在后处理中校正这样的失真。因而倾斜平面成像系统还可以包括用于后处理经由图像传感器获取的图像以减少图像的失真的后处理器。因此，倾斜平面成像系统的可能使用场景是如下场景，其中对透镜成本的考虑胜过与用于后处理的软件/硬件关联的考虑。作为实例，图7示出了将两个失真校正视觉区域用于经由偏移成像系统对触摸区域700成像的实例1x2布局。如在702所示，由视觉系统成像的区域表现低失真。作为另 ー实例，图8示出了将两个聚焦校正、但是失真的视觉区域用于经由倾斜平面成像系统对触摸区域800成像的实例1x2布局。如在802所示，由视觉系统成像的区域表现失真。在红外线视觉子系统的又一替换实施例中，可以利用具有倾斜图像平面的折叠 2も/2ち远心系统。然而，这样的系统可能难以折叠。除了上文描述的特征和实施例之外，包括背光LCD设备和波长选择反射器的显示系统可以提供有用于适应不同使用场景的附加和/或不同特征。下文更详细地描述各种实例。在一些情况下，可以交替地配置所述显示系统的镜。例如，波长选择镜(例如分光镜)可以平坦或者它可以例如在图2中的2 和2 所示弯曲。对于弯曲镜的情況，镜可以在轮廓上是凹形的并且具有与红外线视觉系统中的成像段一祥多的镜段。可以理解，示出了弯曲情况的线2 和2 仅旨在示出镜的主体，因为仅顶部将由分光或者基于干涉型涂
层涂覆。作为另ー实例，显示系统可以包括第二上镜。这样的次镜(secondary mirror)不同于上文讨论的(主)镜。在一些实施例中，次镜可以是非球面的。作为实例，可以提供这样的次镜作为图2中所示视觉光学器件216的部分。这样的第二上镜可以提供高FOV成像角度同时也维持低的图像失真。因为它位于背光的光路以外，所以无需让它具有波长敏感性 (仅针对红外线光的高反射率就能得到最佳光效率)。这个更小的镜可以由金属制成，或者为求最低成本，它可以由模制的塑料制成。为求成本更低而性能更佳，镜可以替换地由模制玻璃制成。镜可以具有光学涂层，该涂层包括但不限于金属化涂层、分光涂层或对于红外线光而言具有相对高反射率的其它光学涂层。应当理解，有可能设计子系统以便利用凸的或者凹的第二上镜。然而，凸镜可以由于系统尺寸和性能的折衷而在一些实施例中是需要的。关于红外线照射系统，红外线照射可以由红外线前光导照射器或者与子系统的光轴紧邻(例如在第二镜附近且指向主镜)放置的红外线环形光照射器或者侧光照射器或者例如由红外线LED阵列形成的红外线背光源提供。在使用红外线背光源的后一种情况下， 可以选择分光涂层的响应曲线以具有角度过渡以便允许红外线光在高AOI的高反射而同时针对低AOI允许红外线光的高透射以便允许来自红外线LED阵列的光经过主镜透射并对在触摸表面的物体进行照射。因为仅在与视觉光学子系统的接受度匹配的适当高AOI的光可以经过视觉系统向传感器传递，所以设计成反射高AOI而透射低AOI的反射器分光涂层可以在这样的情况下使用，如同使用红外线LED阵列背光源。对于使用与子系统光轴紧邻放置的照射体的情况，红外线照射体可以使用面板以下的棱镜的或者平铺的菲涅耳阵列的远心校正以便将红外线照射光更高效地引向触摸表面以照射物体。尽管由于几何覆盖区 (footprint)和经过菲涅耳刻面的光路而不如在相反方向上那样高效，但是使用菲涅耳来提供远心成像与不将菲涅耳透镜用于某一程度的远心校正相比可以进一步向视觉子系统提供增加的效率。一些配置可以通过在与视觉收集的方向相反的方向上施加偏置来维持离开光导红外线照射器的红外线光的高AOI以提高和/或维持高性能(例如避免由于直接照射或者向后散射到视觉系统所致的对比度损失)。除此之外或者取而代之，棱镜的或者平铺的菲涅耳阵列可以用来提高进入视觉光学器件的效率和均勻性。在图3中图示了实例平铺的菲涅耳阵列，并且在显示系统200中包括平铺的菲涅耳阵列230的实施例。然而在一些实施例中，扩散器可以在LCD面板附近用来帮助减少或者回避使用棱镜的或者平铺的菲涅耳透镜，同时提高显示背光均勻性。另外，波长选择的、对角度敏感的涂层可以使用于任何光导红外线照射体的底侧上，这在一些情况下可以增加红外线光的效率和功率。另外，在一些实施例中，扩散器可以包括可切换扩散器，当背光单元‘打开’的时间期间维持显示的均勻性并当红外线视觉感测表面时不扩散光。在这一情况下，有可能注视表面以外以检测未与触摸表面接触的物体。第三阶段或者状态可以包括在感测红外线视觉时处于扩散状态(施加零电压)的扩散器以便实现触摸检测。因此，在视频速率的帧期间的三个可能阶段包括(1)显示LED背光源接通进行显示的扩散状态、(2)仍然是显示背光源和红外线视觉捕获接通进行ζ定位的扩散状态以及(3)红外线视觉捕获接通用于看见表面以外的非扩散状态。可以理解，使用放置于成像器/传感器之前的红外线通过滤波器可以允许系统以两个阶段工作，即(1)显示背光源‘接通’且红外线视觉捕获用于触摸检测的扩散状态以及(2)针对表面以外的物体显示背光源‘关断’ 且红外线视觉捕获的非扩散状态。这样使用可切换扩散器可以实现检测手势并且在远心菲涅耳透镜或者菲涅耳透镜阵列与红外线视觉系统或者红外线视觉系统阵列结合使用的情况下提供远程存在。关于波长选择反射器(例如分光镜)，波长选择涂层通常被配置成光学透射可见光并反射入射红外线光。这样，红外线光(例如具有866nm波长的光)的波长移位对输入角通常应当表现避免与红外线反射区域重叠的可见透射区域。另外，波长选择涂层可以被配置成表现响应对角度的移位。
将理解这里描述的配置和/或方法在性质上为举例并且这些具体实施例或实例将不视为具有限制意义，因为诸多变化是可能的。这里描述的具体程序或者方法可以代表任何数目的处理策略中的一个或者多个处理策略。这样，可以以所说明的順序、以其它顺序、并行地执行所说明的各种动作，或者在一些情况下省略所说明的各种动作。同样地，可以改变上述过程的順序。本公开内容的主题包括这里公开的各种过程、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或性质的所有新颖和显而易见的組合和子組合及其任何和所有等效物。
权利要求
1.一种显示系统，包括液晶显示设备；显示背光源，其配置成通过将可见光引向所述液晶显示设备的内表面来照射所述液晶显示设备；以及波长选择反射器，其设置于所述显示背光源与所述液晶显示设备之间并且具有面向所述液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中所述波长选择反射器具有波长选择涂层，所述波长选择涂层被配置成使来自所述显示背光源的入射可见光经过所述波长选择反射器向所述液晶显示设备透射，并使从所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体反射的入射红外线光反射离开所述波长选择反射器并且引向红外线视觉子系统。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统设置于在所述显示背光源和所述液晶显示设备的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括偏移成像系统， 所述偏移成像系统具有配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器， 所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位。
4.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括平铺的平面成像系统，所述平铺的平面成像系统具有配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器，其中与所述图像传感器的平面垂直的表面以及与所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体的平面垂直的表面均关于成像系统光轴倾斜。
5.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统包括偏移成像系统和倾斜平面成像系统，所述红外线视觉系统还包括配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器，所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位，并且其中与所述图像传感器的平面垂直的表面以及与所述液晶显示设备的外表面上或者附近的物体的平面垂直的表面均关于成像系统光轴倾斜。
6.根据权利要求5所述的显示系统，其中所述倾斜平面成像系统还包括用于后处理经由所述图像传感器获取的图像以减少所述图像的失真的后处理器。
7.根据权利要求2所述的显示系统，还包括可切换扩散器，所述可切换扩散器使所述红外线视觉子系统能够在所述显示系统的非扩散状态期间检测基本上位于所述液晶显示设备的外表面以外的物理物体和手势的一个或者多个。
8.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述显示系统的触摸表面包括一个或多个成像段，每个成像段在自身内连续，使得成像可以在所述液晶显示设备的所述外表面处和/ 或在所述液晶显示设备的所述外表面上方基本上远心。
9.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述红外线视觉子系统还包括配置成接收从所述波长选择反射器引导的红外线光的图像传感器以及用于后处理经由所述图像传感器获取的图像的后处理器。
10.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述波长选择反射器包括分光镜。
11.根据权利要求1所述的显示系统，还包括红外线照射系统，所述红外线照射系统被配置成将红外线光引向所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体。
12.—种显示系统，包括液晶显示设备；显示背光源，其配置成通过将可见光引向所述液晶显示设备的内表面来照射所述液晶显示设备；分光镜，其设置于所述显示背光源与所述液晶显示设备之间并且具有面向所述液晶显示设备的内表面的光滑表面，其中所述分光镜具有波长选择涂层，所述波长选择涂层被配置成使来自所述显示背光源的入射可见光经过所述分光镜向所述液晶显示设备透射，并使从所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体反射的入射红外线光反射离开所述分光镜； 以及偏移红外线视觉子系统，其设置于在所述显示背光源和所述液晶显示设备的对应操作部分之间出现的所有直线光路以外，所述偏移红外线视觉子系统包括配置成接收从所述分光镜引导的红外线光的图像传感器，所述图像传感器与入射在所述图像传感器上的红外线光的光轴横向偏移地定位。
13.根据权利要求12所述的显示系统，还包括红外线照射系统，所述红外线照射系统被配置成将红外线光引向所述液晶显示设备的外表面上或附近的物体。
14.根据权利要求13所述的显示系统，还包括扩散器，该扩散器设置于所述液晶显示设备的外表面上方并且配置成辅助所述物体的红外线照射和背光均勻性中的一个或者多个。
全文摘要
这里公开了各种涉及液晶显示(LCD)设备的红外线视觉的实施例。例如一个公开的实施例提供一种显示系统，该显示系统包括LCD设备和配置成通过将可见光引向LCD设备的内表面来照射LCD设备的显示背光源。该显示系统还包括波长选择反射器，其设置于显示背光源与LCD设备之间并且具有面向LCD设备的内表面的光滑表面，其中波长选择反射器具有波长选择涂层，该波长选择涂层被配置成使来自显示背光源的入射可见光经过波长选择反射器向LCD设备透射，并使从LCD设备的外表面上或附近的物体反射的入射红外线光反射离开波长选择反射器并且引向红外线视觉子系统。
文档编号G02F1/1335GK102597860SQ201080052060
公开日2012年7月18日 申请日期2010年11月2日 优先权日2009年11月17日
发明者K.鲍威尔, P.马萨尔卡, 刘志强 申请人:微软公司
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